Análisis de la estructura de solidificación de

Por este motivo, este trabajo de tesis se centra en el análisis de la estructura de solidificación de piezas fundidas de hierro con grafito laminar y vermicular a partir de la consideración del tamaño y morfología de los granos de austenita primaria. 8 La macro y microestructura de la solidificación de piezas fundidas de hierro con grafito permite hoy profundizar en el estudio de la solidificación considerando el crecimiento de la austenita.

Fundiciones de hierro con grafito

Generalidades

Dentro de los elementos de aleación que actúan como agentes grafitantes podemos mencionar Si, Ni, Cu, Al y P. La Figura 1.2 muestra el efecto de diferentes elementos de aleación sobre la temperatura del eutéctico estable y metaestable [5].

Clasificación

Otra clasificación de las piezas fundidas de hierro grafito se basa en la fase predominante en su matriz metálica. A continuación se describen las propiedades y características de las tres familias de piezas fundidas ya mencionadas en la clasificación de la Figura 1.3.

Fundamentos de solidificación de aleaciones metálicas

• Nucleación
• Crecimiento de la fase sólida
• Solidificación eutéctica
• Estructura de solidificación de una aleación metálica solidificada en un
• Estructura de solidificación en piezas coladas de aleación Aluminio-

En el caso de eutécticos separados, las dos fases del eutéctico crecen independientemente una de otra. Esto corresponde plenamente a lo que ya se ha discutido en la sección 1.2.2 de la Figura 1.7.

Técnicas de estudio de la estructura de solidificación de fundiciones de

Técnica DAAS

La técnica DAAS permite obtener una estructura ausferrítica a temperatura ambiente a partir de la austenita en solidificación. La Figura 1.15 muestra el ciclo térmico de la técnica DAAS y lo compara con un austemperado normal.

Técnicas de ataque con reactivo color

41 Un ciclo térmico de austenita normal (Figura 1.15b) no será útil para este caso, ya que la austenita que presenta este tratamiento está recristalizada y no guarda relación con la austenita original obtenida durante la solidificación.

SEM – EBSD

La Figura 1.18 muestra el mapa de orientación del cristal obtenido por EBSD correspondiente a una muestra de fundición laminar sometida previamente a la técnica DAAS.

Solidificación de fundiciones de hierro con grafito

Solidificación de fundiciones esferoidales

Según el modelo plurinodular (Figura 1.20), la nucleación y crecimiento independiente del grafito y la austenita tiene lugar durante la solidificación eutéctica del hierro dúctil. El modelo en cuestión (Figura 1.21) propone que la estructura de coagulación de los hierros nodulares exhibe un patrón dendrítico, tanto para composiciones hipoeutécticas, eutécticas como hipereutécticas.

Solidificación de fundiciones laminares

En sus discusiones sobre la comprensión actual de la solidificación de piezas fundidas laminares [70], Hillert señaló que los primeros experimentos de solidificación interrumpida mostraron que la solidificación de piezas fundidas laminares comienza con la precipitación de dendritas austeníticas, que interactúan con precipitados de grafito para formar posteriormente cuasi -unidades esféricas llamadas células o colonias [71, 72]. De una comparación de los modelos presentados en la Figura 1.26 y la Figura 1.27, parece que actualmente existe una aparente discrepancia en la literatura que explica el modo de solidificación de las piezas fundidas laminares eutécticas e hipereutécticas.

Solidificación de fundiciones vermiculares

Recientemente, Vazehrad et al [53, 86] han utilizado el grabado de color reactivo como herramienta para caracterizar la microestructura de piezas fundidas vermiculares. Como se puede observar en esta revisión bibliográfica, las piezas vermiculares muestran un alto grado de similitud con las piezas laminares en algunos de los aspectos principales de su mecanismo de solidificación.

Relación entre estructura de solidificación y cavidades de contracción en

Origen y clasificación de las cavidades de contracción

Por otro lado, compensar o controlar la contracción durante el endurecimiento es mucho más complejo. La última etapa de la contracción del estado sólido puede causar otra serie de problemas.

Cavidades de contracción en fundiciones de hierro con grafito

Así, el uso de la expansión del grafito será diferente dependiendo de la morfología de las fases sólidas durante la solidificación. Las piezas fundidas laminares eutécticas presentan una zona de pasta relativamente estrecha (coexistencia de líquido y sólido), y se produce una "piel" sólida significativa en las paredes del molde, como se muestra en el diagrama de la izquierda de la Figura 1.30.

Modelado computacional del proceso de colada

Esto ahorra costes a lo largo de todo el recorrido de fabricación de la pieza fundida. Muchos de los modelos actuales recurren a aproximaciones técnicas para calcular la solidificación y, por tanto, pierden contacto con el proceso físico real.

Conclusiones de la revisión bibliográfica

Falta de información sobre la relación entre la estructura de solidificación y la ubicación de los microhuecos de contracción en piezas fundidas laminares y vermiculares. Estudiar el mecanismo de solidificación de fundiciones de hierro con grafito laminar y vermicular, con especial énfasis en el análisis de la morfología y estructura de la austenita primaria.

Modelos

Modelo A

En este apartado se describe la metodología experimental general utilizada para el desarrollo de esta tesis doctoral. La metodología particular para los diversos experimentos y análisis realizados se describirá en los siguientes capítulos.

Modelo B

Coladas

En cuanto a la inoculación, se realizó "in-stream" en todas las coladas laminares y vermiculares con 0,5% en peso de FeSi (75% Si). A su vez, para la fundición de fundición esferoidal E1 se volvió a utilizar un tratamiento tipo sándwich para realizar el tratamiento de nodularización, pero en este caso se añadió como nodulante un 1,6% en peso de FeSiMg (9% Mg).

Composición química

Para el tratamiento de nodularización de las piezas vermiculares (piezas V1 y V2), se añadió 0.6 % en peso de FeSiMg (6% Mg) mediante un tratamiento tipo sándwich, colocando el nodularizador en el bolsillo de una cuchara de tratamiento, 30 kg. En todos los casos se agregaron pequeñas cantidades de Cu y Ni, ya que estos elementos de aleación son necesarios para proporcionar la templabilidad requerida para realizar el tratamiento DAAS.

Tratamiento DAAS

Determinación del tiempo para el desmoldeo en caliente

Por estos motivos, es necesario determinar con precisión el momento adecuado para realizar el desmolde en caliente. Utilizando el software MagmaSoft sobre una pieza del modelo A se determinó la evolución de la temperatura y la fracción de líquido de la pieza en función del tiempo.

Preparación metalográfica

Ataque con reactivo color

Análisis de la orientación cristalina por EBSD

Validación de simulaciones computacionales

La conexión de los cables del termopar a una placa registradora de datos permite registrar experimentalmente una curva de enfriamiento durante la solidificación. Como primera medida para asegurar la igualdad de tiempos de solidificación entre las piezas fundidas experimentales y las simulaciones por ordenador, se ajustó la conductividad térmica de la arena de moldeo utilizada para ambas simulaciones.

Objetivos particulares

Metodología experimental

En la segunda fase de este trabajo, se realizó un análisis de la orientación cristalina de las muestras de las corrientes L1 y L2 utilizando EBSD. El análisis se realizó sobre granos equiaxiales ubicados en la región central de las muestras L1 y L2.

Resultados y discusión

Macro y microestructura de solidificación

Por otro lado, las macroestructuras obtenidas mediante la técnica DAAS sobre las muestras de fundición L1, L2 y L3 se presentan en la Figura 3.3. La morfología de la austenita que crece en la zona de unión grafítica será el tema de discusión en la siguiente sección.

Análisis del origen de la austenita eutéctica

La Figura 3.10A muestra la microestructura de ataque de color obtenida para la muestra de fundición L1 en la misma área analizada previamente por EBSD. El mismo procedimiento se siguió para la probeta correspondiente al modelo L2, con lo que se obtuvo el resultado mostrado en la Figura 3.11.

Comparación con estudios efectuados para caracterizar la formación del

La Figura 3.16 muestra la imagen SEM y el mapa de orientación del cristal obtenidos para el caso de una aleación de Al-Si modificada con 500 ppm de estroncio. 106 Los resultados de estos estudios realizados en aleaciones Al-Si brindan apoyo adicional a los hallazgos de esta tesis sobre el crecimiento de austenita primaria durante la eutéctica de fundiciones laminares.

Conclusiones

De esta forma, las observaciones de este trabajo permiten aclarar el mecanismo de crecimiento cooperativo entre austenita y grafito laminar, proporcionar detalles de la interacción entre ambas fases hasta ahora desconocidos y confirmar el origen dendrítico de la austenita en crecimiento. el área conectada. A partir de este nuevo conocimiento, queda claro que para lograr el objetivo de refinar la estructura de solidificación de la austenita, los estudios deberían centrarse en encontrar nuevos inoculantes que promuevan la nucleación de la austenita primaria a partir del fluido.

Objetivos particulares

Metodología experimental

La determinación de la nodularidad de las muestras se realizó en micrografías sin ataque por comparación con tablas estándar. Como paso final, se preparó una porción de una pieza fundida V1 y EBSD realizó un análisis de la orientación de los cristales.

Resultados y discusión

Macro y microestructura de solidificación

En esta figura, casi toda el área mostrada está incluida en un solo grano de las áreas columnares que se muestran en la Figura 4.4 y la Figura 4.5. Por otro lado, los nódulos de grafito presentes (indicados por rectángulos negros en la Figura 4.10) siempre están envueltos.

Análisis del origen de la austenita eutéctica

Por este motivo, en el caso de los moldes vermiculares, también sería incorrecto denominar "gránulos" a las colonias eutécticas. La nucleación y el crecimiento de hendritas de austenita y grafito se producen de forma independiente en el líquido.

Ubicación de microcavidades de contracción

Estos resultados coinciden con los reportados previamente en el apartado 1.5.2 para hierros nodulares y sugieren que el origen de estos defectos radica en el suministro insuficiente de líquido para compensar la contracción que se produce durante la solidificación en combinación con el desprendimiento de gases disueltos. el líquido. El aumento de la porosidad se ve favorecido por la contracción que se produce durante la solidificación, la cual va acompañada de una disminución de la presión en la región en cuestión.

Conclusiones

Estos aspectos revelados respecto a la formación de microcavidades de contracción en piezas vermiculares y su relación con la macro y microestructura de solidificación se consideran fundamentales como un primer paso para diseñar modelos computacionales que permitan determinar con mayor precisión las áreas de las piezas con mayor probabilidad de solidificar. la aparición de estos defectos. Los microhuecos de contracción en las piezas vermiculares son en su mayoría intragranulares y están ubicados entre los brazos de las dendritas de austenita.

Objetivos particulares

125 para caracterizar la transición equiaxial columnar en todas las piezas fundidas de hierro con grafito.

Metodología experimental

Finalmente, en base a los resultados obtenidos para las piezas fundidas L4 y V2, se decidió ampliar el análisis a muestras de fundición esferoidal hipoeutéctica E1, cuyas piezas también corresponden al modelo B descrito en el apartado 2.1.2. Las muestras fundidas de E1 también fueron sometidas a tratamiento DAAS, lo que permitió revelar su macroestructura de solidificación con la presencia de granos equiaxiales y columnares y su correspondiente transición columnar-ecuaxial.

Resultados y discusión

Resultados de las simulaciones efectuadas con MagmaSoft para la colada

MagmaSoft realiza los cálculos de estos dos parámetros por defecto a 2 ºC por encima de la temperatura del líquido [98]. De manera similar, la velocidad de enfriamiento en los diferentes puntos de la fundición L4 se muestra en la Figura 5.2.

Resultados de las simulaciones efectuadas con MagmaSoft para la colada

En cada macroestructura, la posición de la transición columna-coaxial se marcó manualmente mediante una línea. Este valor del gradiente de temperatura es el gradiente crítico en el que se produce la transición del equilibrio columnar, y en el caso de las piezas laminares hipoeutécticas L4 tiene un valor cercano a 1,2 ºC/mm.

Ubicación de la transición columnar-equiaxial en piezas de fundición

Este hallazgo indica que, bajo las condiciones experimentales evaluadas, existe un gradiente de temperatura crítico que define la transición equiaxial de la columna, y que es el mismo para una fundición laminar eutéctica que para una vermicular hipereutéctica.

Influencia de las zonas columnares y equiaxiales en la distribución de

La Figura 5.17 presenta la evolución del número de colonias eutécticas por unidad de área en función de la velocidad de enfriamiento promedio calculada en la Tabla 5.1, tanto en regiones columnares como equiaxiales. 142 Con respecto al efecto de la velocidad de enfriamiento, la Figura 5.18 muestra que el número de granos iguales y columnares por unidad de área se ve afectado por este factor.

Estudio de la transición columnar-equiaxial en fundiciones

Los resultados del gradiente de temperatura determinado por MagmaSoft punto a punto para los tres volúmenes de calor E1 se presentan en la Figura 5.19. De manera similar, la velocidad de enfriamiento en los diferentes puntos de la pieza fundida E1 se representa en la Figura 5.20.

Conclusiones

Sikora, "Solidification macrostructure of spheroidal graphite cast iron", International Journal of Cast Metals Research, vol. Massone, "Investigation of Shrinkage Porosity in Cast Iron with Spherical Graphite", International Journal of Cast Metals Research, vol.