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Alumno: Morales Domínguez Raúl Antonio

Carrera: Ingeniero Químico Metalúrgico

4º Semestre

55 62 02 14 78

044 55 18 51 91 73

elrlo@hotmail.com

Firma:

Fabricación de Hierro Nodular con Carburos y sin Carburos

Línea de investigación: Hierros colados.

Investigador titular: Dr. José Alejandro García Hinojosa.

Investigador adjunto: IQM. Víctor Antonio Aranda Villada.

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Opinión del Integrante #2 IQM:

El haber estado en esta estancia de investigación me dejo con un gran gusto por su temática

–“La formación de hierros con y sin carburos”-, desde el primer día fue enriquecedora, ya que

se nos dio la información necesario para trabajar, se trabajaron alrededor de tres semanas,

hecho que nos hizo trabajar a un ritmo ligeramente acelerado, aplique los conocimientos que

previamente había obtenido del mismo modo se aplicaron los nuevos conocimientos, cuando

acabe la estancia pude darme cuenta de la complejidad que lleva la fabricación de un hierro.

Fabricación de Hierro Nodular con Carburos y sin Carburos

I. Abstract

La elaboración del Hierro CDI constituye nuestra materia prima para la elaboración del Hierro

CADI, para poder elaborar un hierro CADI necesitamos un hierro que sea rico en carburos,

requiriendo así un hierro con un mínimo de entre 45% y 60% de carburosAl saber que la

formación de carburos en nuestro hierro CDI se ve afectada por el elemento aleante y la

velocidad de enfriamiento (dada por el tamaño de la pieza), con estos dos criterios podemos

prever la cantidad de carburos que obtendremos en nuestras muestras. La investigación se

baso en la producción de carburos en un hierro nodular, tomando como referencia de

investigación el conocimiento previo sobre la velocidad de enfriamiento y la importancia del

elemento aleante; para poder lograr inducir a una carburización exitosa se eligió una

composición previamente conocida para un hierro 120/90/02, colando así tres muestras con

nuestra composición modificada, manteniendo una velocidad de enfriamiento igual en las

piezas, se busca analizar el efecto de estos dos comportamientos.

II.- Justificación

Para elaborar un hierro CADI se necesita un hierro CDI, al ser el hierro CDI la materia prima

para elaborar un hierro CADI, se necesita que la fabricación de nuestra materia prima deba

ser económica; debido a que un hierro CDI necesita para poder ser fabricado carbón, silicio,

manganeso, azufre o fósforo (esto depende de la composición), los elementos usados

pueden producir mayor o menor cantidad de carburos, sin embargo el precio es un papel

importante para poder obtener un hierro CDI a bajo costo.

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III.- Planteamiento del Problema

Se busca la formación de carburos en hierros nodulares teniendo así como un factor

importante al elemento aleante, sin embargo cuando un hierro nodular se empieza a

solidificar se comienzan a formar carburos, al enfriar nuestra pieza de una forma muy rápida

podemos propiciar a una formación elevada de carburos, sin embargo al tenerlo con una

cantidad elevada de carburos podemos reducir algunas propiedades físicas.

IV.- Hipótesis

1.- La velocidad de enfriamiento afectará la cantidad de carburos formados, teniendo así que

si el enfriamiento se da de orillas a centro, en las orillas tendremos una mayor formación de

carburos y en el centro una menor cantidad.

2.- Para poder obtener una mayor cantidad de carburos en un hierro nodular, debemos de

controlar la cantidad del elemento aleante.

3.- De acuerdo al modulo geométrico afectaremos la velocidad de enfriamiento, encontrando

así que en la placa con menor espesor se encuentre una mayor cantidad de carburos a

diferencia de la de mayor espesor.

V.- Objetivos

1.- Determinación y análisis de los carburos en las piezas.

2.- Analizar la influencia de los elementos aleantes con la formación de carburos.

3.- Analizar la influencia de la velocidad de enfriamiento con la formación de carburos.

VI.- Introducción

La formación del hierro CDI, es tan importante que sin la fabricación de este tipo de hierro, no

podríamos obtener hierro CADI. Debido a que en un hierro CDI tenemos formación de

carburos, estamos hablando de que es un hierro nodular, al cual en su fase líquida aun

siendo un metal líquido, se le da un tratamiento de nodularización e inoculación,

determinando de esta forma la forma del grafito (buscando así una forma esferoidal).

Tenemos que dentro de la familia de las aleaciones ferrosas, tenemos una amplia gama de

propiedades, esto se debe a la forma en la que son fabricados, por medio de la fusión y

colada, podemos obtener pieza de hierro con formas predeterminadas (colada), así como

una composición en específico (fusión).

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Los hierros fundidos conforme se solidifican, siguen una serie de comportamientos los cuales

fueron tomados a razón de poder modificarlos y variar la cantidad formada de carburos en las

piezas; el tamaño de la placa (efecto de la velocidad de enfriamiento), el efecto del elemento

aleante.

El hierro CDI, combina la fluidez, la maleabilidad y la resistencia al desgaste; así mismo el

hierro CDI tiene varias propiedades similares a las del acero, entre las que encontramos:(2)(3)

I. Tenacidad.

II. Ductilidad.

III. Alta resistencia.

IV. Puede ser trabajado en frío y en caliente.

Para poder obtener el hierro CDI, debemos de obtener a partir de un hierro bajo en azufre, el

cual debe de ser tratado con magnesio y/o tierras raras para poder obtener un grafito de

forma esferoidal.

Debido a que buscamos formar carburos, debemos de controlar el tipo de matriz, y para

poder obtener la matriz deseada, la velocidad de enfriamiento y el efecto del elemento

aleante, nos permitirán obtener la matriz deseada; junto con esto la adición de algunos

estabilizadores de carburos, así mismo podemos agregar en vez de estabilizadores de

carburos lo que vendrían siendo elementos blanqueadores (cromo, molibdeno, titanio,

vanadio, manganeso, etc.).(1)

Debido a que la velocidad de enfriamiento actúa de una forma muy importante al momento

de originar carburos, se debe de tomar a consideración el módulo geométrico, obteniendo así

una gran cantidad de carburos en la superficie de la pieza y conforme nos acercamos al

centro se presentará una menor cantidad de carburos.

Una vez listo el muestreo metalográfico, después de haber preparado las piezas, se analizan

con un adquisidor de datos, usando el Imagen Pro Plus se hace el conteo de carburos

obteniendo al final sus porcentajes por las zonas capturadas.

VII.- Diseño Experimental

Para poder obtener nuestras piezas de hierro nodular, primero necesitamos hacer nuestros

moldes, los cuales consisten en un conjunto de un contenedor de metal y un contenido de

arena verde con bentonitas (arena para colar aleaciones ferrosas). El proceso por el cual se

prepara la arena es buscando tener 3% de humedad, agregándola así en una mezcladora

para arena con 1.3 litros de agua (equivalente al 3% de humedad necesaria en la arena), una

vez agregada la arena y el agua se continua a activar el mecanismo de mezclado por una

duración de 3 minutos.

Una vez teniendo nuestra arena mezclada y con el porcentaje de humedad adecuado, se

pasa al moldeo en arena verde, el cual consiste en tener un contenedor de metal de dos

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piezas, por la parte de arriba “cope” y por la parte de abajo “drag”, de tal forma que se

aprovechara a la gravedad para llenar las placas, teniéndolas entonces con una orientación

hacia el drag.

Imagen VII.I -Esquema moldeo en arena verde-

Debido a que necesitamos controlar la velocidad de enfriamiento de nuestras piezas,

tendremos un modelo, el cual consistirá en cuatro placas, un corredor y una bajada; debido al

tamaño de las placas también nos afectará su modulo geométrico, marcando por lo tanto que

nuestras piezas de menor espesor tendrán una cantidad mayor de carburos (referencia al

punto “V.- Objetivos”).

Imagen VII.II -Modelo de las placas-

Para poder hacer la fusión de nuestro hierro se partió de una composición ya conocida, dada

para un hierro nodular 120/90/02 modificado. Para las piezas preliminares o C0 se partió sin

agregar ningún estabilizador de carburos, para la primera colada o C1 se agregó un

estabilizador de molibdeno, así mismo para la segunda colada o C2 se añadieron dos

estabilizadores, estos fueron el molibdeno y el cromo. Durante la fusión de cada una de estas

piezas se medían temperaturas y se les realizaba la prueba de la “moneda”, con la prueba de

la moneda, se checaban las composiciones de nuestros elementos dentro de nuestra

aleación, teniendo así que si bajaba el porcentaje de uno de estos por pérdida en escoria o

gases, se le añadía el faltante para llegar a la composición deseada.

Una vez listo nuestro metal líquido, se procedía a vaciarlo en una olla de colada previamente

calentada, en esta etapa era en donde se le añadía el nodularizante a base de magnesio por

el método “sándwich” (con esto se busca una formación esferoidal del nódulo de grafito),

posterior a que nuestro hierro se nodularizara se le agregaba el inoculante para así obtener

la matriz deseada.

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Imagen VII.III –Nodularización e inoculación-

Una vez que se llenaba el molde con nuestro metal líquido, se deja reposar dejando enfriar

las piezas, posterior a su enfriamiento se sacan del molde, se les retira el corredor y la

bajada, dejando de tal forma las placas sin excesos que no se vayan a utilizar, tomando así

las placas número dos y tres para su caracterización.

Para poder caracterizar nuestras piezas, se necesita primero reducirles el tamaño, lo

suficiente para poder tomarlas con la mano o si no de tal forma que se les pueda hacer un

montaje en frío o en caliente; para nuestras piezas primero las pasamos por la cortadora de

disco, usando un disco para materiales con una dureza superior a los 500 HVN (hardness

vickers number), una vez cortadas las piezas se continua con la secuencia de desbaste

comenzando primero con una lija “80” para eliminar la rebaba e inducir la planicidad en

nuestra pieza, seguido de esta lija se continuaron con las lijas “ 240, 320 ,400 y 600”, una vez

acabando en la lija “600” se prosigue con la secuencia de pulido, usando alúmina con una

micra de tamaño lubricando el pulido con agua y jabón ( para evitar la formación de

“cometas” en el nódulo de carbón).

Ya cuando se termina la secuencia de pulido tanto en grueso como fino, se sigue con la toma

de imágenes siendo así obtenidas las imágenes de las piezas: Sin ataque (SA), Con Ataque

(CA) y Sobre Atacada ( SSA), por medio de un microscopio metalográfico (óptico), ayudado

de un software para la toma de imágenes mediante la cámara integrada al microscopio; para

poder observar el tipo de matriz en nuestros hierros se les ataco con -nital2-, por un tiempo

de 30 segundos , de la misma forma después se continuó sobre atacando la pieza con un

reactivo con la siguiente composición : 10 ml de HNO3, 4 ml de HF y 97 de agua destilada, el

reactivo se coloca en una caja de petri, se coloca la pieza haciendo contacto con el reactivo y

moviendo la pieza se checa que el reactivo no se torne amarillento, por lo cual se sobre

ataca solo por un minuto y si se pone amarillento el reactivo se retira la pieza se esperan

unos segundos y se continua sobre atacando ( solo si a los 30 el reactivo esta amarillento).

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VIII.- Resultados

Tabla VIII.I –Composiciones Químicas de las tres coladas realizadas-

Colada Promedios de las Composiciones Preliminar

Colada1 (C1)

Colda2 (C2)

Imagen VIII.II –C0 Placa 2 100x SA- Imagen VIII.III –C0 Placa 3 100x SA-

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Imagen VIII.IV –C1 Placa 2 100x SA- Imagen VIII.V – C1 Placa 3 100x SA-

Imagen VIII.VI –C2 Placa 2 100x SA- Imagen VIII.VII –C2 Placa 3 100x SA-

Tabla VII.XXIV- Análisis de las imágenes SA-

Placas Número Tipo de Grafito

% Nodularidad

ᵨ de nódulos

Tamaño del Nódulo

Preliminar 2 Il 50-60% 50 #6

3 Il 80% 50 #6

C1 2 I 80% 100 #5-6

3 I 70% 100 #5

C2 2 I 90-100% 100 #7

3 I 90-100% 150 #6

Para el tipo de grafito el “I” es referente a grafito esferoidal, mientras que el grafito “II” hace referencia a un grafito vermicular.

Imagen VIII.VIII –C0 Placa 2 100x CA- Imagen VIII.IX –C0 Placa 2 100x CA-

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Imagen VIII.X-C1 Placa 2 100x CA- Imagen VII.XI-C1 Placa 3 100x CA-

Imagen VII.XII- C2 Placa 2 100x CA- Imagen VII.XIII- C2 Placa3 100x CA-

Tabla VII.XXI –Tipo de Matriz-

Placa Tipo de Matriz

C0 2 25% Perlita – 75% Ferrita 3 50% Perlita – 50% Ferrita

C1 2 100% Perlita 3 100% Perlita

C2 2 100% Perlita 3 100% Perlita

Imagen VII.XIV- C0 Placa2 100X SSA- Imagen VII.XV- C0 Placa3 100X SSA-

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Tabla VII.XX- Conteo de carburos para C0-

C0 Placas Or1 Int1 Cen1 Cen2 Int2 Or2 PROMEDIO

2 18.29 --- 19.16 --- --- 18.72 18.72

3 24.64 --- 21.30 --- --- 26.39 24.11

Imagen VII.XVI-C1 Placa2 100X SSA- Imagen VII.XVII-C1 Placa3 100X SSA-

Tabla VII.XXII- Conteo de carburos para C1-

C1 Placas Or1 Int1 Cen1 Cen2 Int2 Or2 PROMEDIO

2 22.46 16.50 16.64 18.40 21.50 24.35 19.98

3 22.00 25.18 22.07 18.70 18.18 22.45 21.43

Imagen VII.XVIII-C2 Placa2 100X SSA- Imagen VII.XIX-C2 Placa3 100X SSA-

Tabla VII.XXIII- Conteo de carburos para C2-

C2 Placas Or1 Int1 Cen1 Cen2 Int2 Or2 PROMEDIO

2 15.11 13.57 12.84 15.83 16.39 18.43 15.36

3 17.07 15.40 11.50 8.80 15.77 18.06 14.43

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IX.- Análisis de Resultados

Tal como se observa en las tablas VII.XX,VII.XXII y VII.XXIII, se nota el crecimiento en la

formación de carburos, esto va acorde a la imagen VII.II, en donde la pieza #3 es más

delgada que la pieza #2, gracias a esto podemos notar que la formación de carburos a un

menor espeso aumenta. Sin embargo debido a como se enfría nuestra pieza es prudente

observar el como sucede la generación de carburos por las orillas, los intermedios y los

centros; al observar las tres zonas previamente mencionadas, se ubica tanto en la Colada 1

así como en la Colada 2 una tendencia en la cual las orillas son ricas en carburos, dejando

así al centro con una menor cantidad de carburos.

Imagen IX.I

Por medio de lo anterior y con el apoyo de la imagen IX.I, podemos observar que las orillas

son ricas en carburos, esto se debe a que cuando tenemos nuestro material enfriándose las

primeras partes que se enfrían son las orillas, consecuentemente a las orillas siguen las

partes intermedias y al último el centro de las piezas es el que se enfría.

Si usamos el enfriamiento con un factor proporcional para generar carburos, ya sea con o sin

estabilizadores, debemos de tomar en cuenta que pese a que un enfriamiento brusco de

nuestra pieza puede fomentar la formación de carburos, así mismo puede fomentar a que

nuestra pieza de frágil y no solo frágil si no evitando que obtengamos una matriz así como un

tipo de propiedad que queremos aumentar.

Observando las imágenes VIII.II y VIII.III, podemos compararlas así mismo con las demás

imágenes como las VIII.IV, VIII.V, VIII.VI y VIII.VII, con lo cual notamos con el carbón grafito

que parece tener en las imágenes VIII.II y VIII.III una forma vermicular,que las imágenes

VIII.IV, VIII.V, VIII.VI y VIII.VII marcan la diferencia con el tipo de nódulo, el cual es en su

mayoría esferoidal; por lo tanto al encontrar vermículos dominando en estas piezas

preliminares, podemos adjudicarle este hecho a una ineficiente nodularización, resultado de

un factor humano o por el mismo nodularizante.

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Como se puede leer en la tabla VIII.I, nuestras muestra preliminares son ricas en una matriz

perlítica-ferrítica, mientras que las muestras de la Colada 1 son ricas en molibdeno y por

último nuestra Colada 2 es rica en molibdeno y cromo, el efecto de estos elementos aleantes

se puede notar revisando las mismas tablas con las cuales se ve una tendencia a formar

carburos (tablas VII.XX,VII.XXII y VII.XXIII), con lo cual esta tendencia afecta a nuestras

propiedades físicas.

Imagen IX.II

Con las mismas tablas previamente mencionadas (para la C0,C1 y C2), observamos la

variación en la composición química, teniendo así lo siguiente:

Preliminar > Colada 1 > Colada 2

Esto nos muestra que la cantidad de carburos fue aumentada, esta vez no por el hecho de la

velocidad de enfriamiento, si no por el efecto de los elementos aleantes. Este efecto puede

ser inducido por cualquier elemento que pueda ser empleado para este tipo de aleación

ferrosa, sin embargo solo bajo un cierto criterio están permitidos emplearlos.

X.- Conclusiones

1.- Se pueden utilizar los siguientes elementos para el blanqueamiento de nuestros hierros:

cromo y molibdeno, obteniendo así una formación de carburos.

2.- El tamaño de la pieza afecta a la velocidad de enfriamiento, teniendo que la existencia de

un espesor más grande afecte la distribución y formación de carburos dentro de la pieza.

3.- La forma del nódulo se puede controlar haciendo uso de nodularizantes.

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4.- Por medio del cómo se enfría el metal líquido -“de afuera para adentro”-, se pueden

encontrar una mayor cantidad de carbono mientras nos acercamos a las orillas e

inversamente mientras más nos acercamos al centro encontramos una menor cantidad de

carburos.

5.- Para poder fabricar hierro CADI a partir de CDI, debemos de cuidar cuales elementos

aleantes agregar, así como estabilizadores de carburos, nos pueden ayudar en el proceso de

austemperizado.

XI.- Referencias.

1.- Kovac B.V.,1991 y Laino S., Dommarco R., Sikora J., 2004.

2.- Catalán Calderón Jonathan, “Fabricación de un hierro nodular con fracción controlada de Carburos”, Tesis de Licenciatura, Facultad de Química UNAM, 2010.

3.- Aranda Villada Víctor Antonio, “Efecto de la Temperatura y Tiempo de Austenización en la Disolución de Carburos en un Hierro Nodular Blanqueado (D 120/90/02 Modificado)” Tesis Licenciatura, Facultad de Química UNAM, 2010.

4.- Avner, Introducción a la Metalurgia Física, 2da Edición, Capítulo 11