Silicio, porcentaje
4.6 Morfología del Grafito
En el caso de los hierros grises el grafito precipitado se encuentra en forma de laminillas (grafito laminar) y sus propiedades físicas y mecánicas están gobernadas en parte por la forma, tamaño, cantidad y distribución de la laminillas de grafito.
Las grandes hojuelas de grafito interrumpen seriamente la continuidad de la matriz perlítica, reduciendo de esta manera la resistencia y ductilidad del hierro gris. Las pequeñas hojuelas de grafito son menos dañinas y, por lo tanto, generalmente se prefieren. El método para evaluar el tamaño y distribución de las láminas de grafito está defmido en la norma ASTM A 245-67, el estándar está preparado conjuntamente por la AFS (American Foundrymen's Society) y la ASTM (American Society for Testing Materials). La medición de las longitudes se hace de las más grandes hojuelas de grafito en una sección sin ataque químico del hierro gris a un aumento de lOOx. En la Tabla 4.3, aparece la asignación de los números:
Tabla 4.3 Tamaños de las hojuelas de grafito.
NUMERO DEL TAMANO DE LA LONGITUD DE LA HOJUELA LONGITUD DE LA HOJUELA
HOJUELA IOOx JOOx
AFS-ASTM IN MM
1 4 o más 128
2 2-4 64
3 1-2 32
4 1/2-1 16
5 1/4-1/2 8
6 1/8-1/4 4
7 1/16-1/8 2
8 1/16 o menos 1
La Figura 4.7, muestra las longitudes de las hojuelas mediante campos típicos lo más cercanamente posible a los diversos tamaños.
Tamaño l. Hojuelas más largas de 4 pulg o más de longitud
~O-~
~~~
~ ./_ ~ ~.J'l~
~
Tamaño 3. Hojuelas más largasde l a 2 pulg de longitud
(--- / ~---- '\__ 1
J'/(' ... /\ \ ~
"">/:J~~
~p(h-d¿;¡::¿
)¿ ~ 1" / ~
Tamaño 5. Hojuelas más largas de 1/4 a 1/2 pulg de longitud
Tamaño 2. Hojuelas más largas de 2 a 4 pulg de longitud
~fs)}
JF~~
~~J~~
Tamaño 4. Hojuelas más largas de 1/2 a 1 pulg de longitud_ 1 V-~' v"""/.
..._ -/'::>/..._-e - -
~ ~\ --:::::r -:::
f[;¿¡ f 6(¡~ 1 1¡~
. l.,. ' ::..--' /'...~"' ii
\<
--;\1 lj ;;\ \\.
?_/: /
- j ~
J;¡_)7
~-
\ \ r;: \ ?"./' ( r'-=-- ~
\,~ ~~// ' - - ¿ _ r - ~ Ít (' ~ ./;"(
...-;---- ' l ---=::--- '- ... -
Tamaño 6. Hojuelas más largas de 1/8 a 1/4 pulg de longitud
Tamaño 8. Hojuelas más largas de 1/16 o menos pulg de longitud
Figura 4.7 Longitudes de las hojuelas de grafito mediante campos típicos lo más cercanamente posible a los diversos tamaños, (ASTM y AFS).
El lento enfriamiento de los hierros hipoeutécticos para favorecer la grafitización también produce grandes cristales de austenita primaria, lo cual limita la mezcla eutéctica o el grafito en las fronteras de grano y da como resultado pocas y gruesas hojuelas de grafito. Aumentar el contenido de carbono para incrementar la cantidad de eutéctico hace que sea mayor la cantidad de grafito formado, lo cual puede debilitar el hierro fundido en mayor medida que una hojuela de menor tamaño pudiera fortalecerlo.
Aumentar el contenido de silicio hace que se incremente la cantidad de eutéctico formado, reduciendo así el tamaño de la hojuela; sin embargo, como el alto contenido de silicio tiene fuerte influencia sobre la grafitización, la matriz probablemente será ferrítica y dará como resultado una pieza de fundición débil.
El mejor método para reducir el tamaño y mejorar la distribución de las hojuelas de grafito parece ser mediante la adición de una pequeña cantidad de material, conocido como inoculante. Los agentes de inoculación utilizados satisfactoriamente con el calcio metálico, aluminio, titanio, ziconio, carburo de silicio, siliciuro de calcio o combinaciones de éstos. El mecanismo exacto por medio del cual operan no se ha entendido en plenitud. Probablemente causan la nucleación de austenita primaria, originando pequeños granos, lo cual reduce el tamaño y mejora la distribución de las hojuelas de grafito.
La forma en que las hojuelas de grafito se encuentran ordenadas en la microestructura del hierro fundido gris generalmente se indica como uno o más tipos preparados conjuntamente por la AFS y la ASTM. La siguiente figura (Figura 4.8), muestra los cinco tipos de hojuela.
Una distribución no orientada y de uniforme distribución, el grafito tipo A, y un tamaño de 5 a 6 es considerado como lo más deseable, con este tipo de grafito se consiguen las mejores propiedades en hierros de composiciones cercanas al eutéctico.
El grafito tipo B, de agrupamiento en roseta y de orientación al azar, aparece con porcentajes de silicio y sobretodo, con carbonos elevados, en piezas enfriadas rápidamente, suele presentarse en piezas delgadas de 1 O mm de espesor. Consiste en una mezcla de hierro fundido gris y blanco.
El grafito tipo C, laminas gruesas de gran espesor, longitud y tamaños sobrepuestos, corresponde a las fundiciones grises hipereutécticas de muy alto contenido
de carbono, en p1ezas de mediando y gran tamaño. Se presenta con orientación desordenada y laminillas de tamaño normal. El silicio y otros elementos de aleación reducen el contenido del carbono del eutéctico y, si están presentes en cantidades suficientes, la composición eutéctica puede reducirse hasta menos del3.5% de carbono.
El grafito tipo D, de segregación interdendrítica, no esta orientado y esta asociado al fenómeno de subenfriamiento durante la solidificación.
El grafito tipo E, segregado dendríticamente y con orientación, se encuentra en los hierros hipoeutécticos, donde las láminas de grafito se precipitan entre los intersticios de las dendritas de austenita prirnari&. Las estructuras D y E no convienen que aparezcan y se suelen presentar en fundiciones de bajo contenido de carbono y con altas temperaturas de vaciado.
'TipoB
~~~
Figura 4.8 Tipos de hojuelas de grafito.
Es de gran importancia menciOnar que existen otros tipos de grafito en la fundición. Entre algunos podemos citar a los encontrados en la fundición nodular, maleable, blanco y el grafito compacto. Desde el punto de vista de compactibilidad, el grafito compacto o vermicular presenta una forma intermediaria que pertenece al tipo de
grafito encontrados en los hierros fundidos grises y los nodulares, también es llamado como grafito quasilaminar. La fundición vermicular presenta una forma degenerada de grafito que consiste en hojuelas delgadas y redondas de apariencia agusanada resultado del bajo magnesio residual. La microestructura típica que muestra el grafito vermicular se representa a través de la Figura 4.9.
\t ;'3
~
i -
~l. '
~ ,tJ,_,.
"• .,¡'
""'
.¡
~
$
"\ ... ,~··
~·: ...
(. '
Figura 4.9 Microestructura típica del grafito vermicular.
Dentro de sus principales aplicaciones podemos citar las partes de motores diesel y automotrices dada su gran resistencia a la fatiga y su buena capacidad de absorber vibraciones. En la industria del vidrio también es aplicado debido a su excelente resistencia a la fatiga térmica cíclica.
Su principal característica es la de presentar el carbono en forma de grafito vermicular primario y el resto en forma de carburos libres y combinados. Sus procesos de producción son muy similares a los del hierro nodular.
Se encuentra ocasionalmente debido a un subtratamiento y, por lo tanto, con un contenido de azufre relativamente alto. Aunque se considera rechazable desde el punto de vista metalúrgico, la fundición con estructura de grafito totalmente cuasi laminar presenta algunas características deseables. Con una resistencia relativamente alta y cierto grado de ductilidad, es sin lugar a dudas superior a la fundición en gris en lo que se refiere a dichas
características. Al nnsmo tiempo su capacidad de amortiguamiento, conductibilidad calorífica, maquinabilidad y otras propiedades no son muy inferiores a estas propiedades tan apreciadas de la fundición gris.
Se han llevado a cabo diversos intentos para producir fundiciones de grafito plenamente cuasi laminar, pero presenta un alto grado de dificultad. En parte porque no se ha logrado de un modo regular (por ejemplo, a través del subtratamiento con magnesio) y en parte porque la forma del grafito depende mucho de las velocidades de enfriamiento y solidificación. Según estudios, la gama de contenidos de magnesio dentro de la cual se forma el grafito vermicular se encuentra dentro de los límites prácticos de control.
Más detalles acerca del grafito vermicular se discutirán en los siguientes capítulos de nuestro estudio.
4.
7Propiedades Mecánicas del Hierro Gris.
Desde un punto de vista ingenieril, el hierro gris puede ser visto como una aleación microestructuralmente sensitiva. La rnicroestructura, la composición química y las propiedades mecánicas se relacionan íntimamente. Desde luego que también existen otros elementos que influencian en la microestructura del hierro gris como las variaciones en la composición química y el enfriamiento.
El carbono equivalente tiene un importante papel en las propiedades mecánicas de los hierros grises. Disminuyendo el carbono equivalente, reduciendo un porcentaje de carbono en el hierro, resulta en un incremento en la resistencia tensil. El límite practico de esfuerzo, disminuyendo solamente el carbono equivalente es una resistencia tensil cerca de 45,000 psi.
La relación de la dureza a la resistencia tensil, el radio resistencia tensil-Bhn, se encuentra sujeta a variaciones, debido a la influencia de los diversos tipos de hojuelas de grafito. La Tabla 4.4, menciona las relaciones entre la resistencia tensil y la dureza Brinell. La importancia del tipo y tamaño de grafito también se muestra en la Tabla 4.4.
Se puede observar en la tabla que la mayor resistencia tensil se obtiene a una determinada dureza cuando una hojuela de grafito de tipo A existe. En la otra mano, obtenemos una
pobre resistencia tensil a una determinada dureza cuando predomina la hojuela de grafito tipo D.
Tabla 4.4 Relaciones entre la estructura, el radio de resistencia tensii-Bhn, por rango de composición. [2]
Carbono Equivalente, % Esfuerzo a Tensión 1 Bhn Estructura
3.45-3.65 21 O en adelante Celda menor, grafito normal 190-210 Celda pequeña, grafito normal 180-190 Celda mediana, algún grafito tipo D 170-180 Celda larga, algún grafito tipo D o celda mediana,
completamente grafito tipo D 160-170 Celda larga, parcial tipo D 160 y abajo Celda larga, completamente tipo D 3.65-3.85 21 O en adelante
*
Celda menor, grafito normal190-210 Celda menor, grafito normal
180-190 Celda mediana, grafito normal o celda pequeña, grafito parcial tipo D
170-180 Celda mediana a larga con grafito parcial tipo D 160-170 Celda larga, grafito tipo D o ferrita libre
3.85-4.20 190-210 Celda mediana, grafito normal
180-190 Celda mediana, grafito normal 170-180 Celda mediana o larga, algún grafito tipo D 160-170 Celda larga, grafito tipo D
160 o abajo Ferrita libre, grafito tipo D
*
muy pocos hierros en este rango.La influencia del enfriamiento en las propiedades se explica a través de la influencia en su microestructura. Un rápido enfriamiento causa un incremento en la dureza y en la resistencia tensil. Esto es verdad, sin embargo, solamente si el rápido enfriamiento no produce un hierro blanco o una excesiva estructura de grafito tipo D. El enfriamiento lento en secciones mayores provoca un progresivo agruesamiento de las hojuelas de grafito y la perlita laminar, y fmalmente la apariencia de la ferrita. La resistencia al desgaste se diminuye por el tipo D de grafito.