HIERRO NODULAR

III. GENERALIDADES

3.1 Antecedentes del hierro nodular.

3.1.1 El antecesor inmediato del hierro nodular fue el hierro maleable. Viene al caso el señalamiento porque en ocasiones se confunde el termino. El hierro maleable se obtuvo por tratamiento térmico del hierro blanco formado en su totalidad por cementita Fe3C.Breve descripción: El hierro obtenido en esta condicion se vaciaba en los moldes cuyas piezas eran sometidas a un proceso de austenizacion en el horno de tratamiento termico, y una vez disueltos los carburos se enfriaban lentamente dentro del mismo horno consiguiéndose la precipitación para el carbono libre (grafito) en forma de rosetas o palimitas de maiz. Con un incremento en sus propiedades que durate muchos años lo hicieron elegible sobre todo para piezas que deberian trabajar al impacto o con cargas vibrantes.Se clasifico en hierro maleable de corazon blanco (europero) y de corazón negro (americano) según la atmosfera del horno de tratamiento (de mayor o menor oxidación). Cabe mencionar que este tratamiento termico al menos requeria 72 horas. De alli que para efectos prácticos el hierro nodular marco el principio de su declive, por lo costoso del proceso.

3.2 Aplicaciones del hierro nodular.

Es una regla establecida que el diseñador y el fundidor deben tener convergencia en los criterios para la elección de la forma y materiales que intervendran para lograr la meta del servicio de fundición.El requisito primordial es la comunicación fluida entre los deparatementos mencionados. Si la decisión recayó en el hierro nodular, conviene dejar establecido que ese nombre representa una gran familia de materiales similares, que dependiendo del analisis químico y la estructura metalografica es posible elegir el mas conveniente para un proposito dado..

IV. Especificaciones.

Hierro nodular obtenidoDirectamente ( AS CAST) Propiedades mecánicas y Composición química.

Hierro maleable

4.1 Clasificacion del hierro nodular según sus propiedades físicas y análisis químico.

Según su analisis químico, el hierro nodular es susceptible de obtenerse saliendo del molde (as cast) con matriz claramente perlitica o ferrifica, variando de 5% de perlita para el 60-40-18, hasta 95% en el 100-70-03. El resto de balance de matriz corresponde a la ferrita. Los grados ferriticos es posible obtenerlos procurando enfriar a temperaturas menores de 530°C antes de pasar a desmoldeo (shale out).Este material presenta un rango grande de aplicaciones en los diseños de ingenieria. Es posible obtener piezas en el rango de 1/16” de espesor, hasta 30” y peso desde unas onzas hasta 50 toneladas. En resumen, es un material que reune las propiedades optimas del hierro gris y la resisitencia mecanica del acero.

Por lo anterior es necesario un riguroso control de su composición quimica para mantener constantes los niveles requeridos de propiedades mecánicas.

TABLA: DE ELEMENTOS PRIMARIOS

Elemento Grado ferritico Grado Perlítico

Observaciones

Mg Magnesio 0.02 0.03 En exceso provoca la formulación de grafito estrellado o de agujas

Ce Cerio 0.02 En exceso forma carburosLa. Y. etc(lantanidos)

De 0.02 a 0.05 Promueven Formación de ferrita suave.Estabilizan los carburos.

Ca Calcio Ligeramente soluble en el hierro

Reduce tamaño de celdas

O 0.003 0.003 Oxida el magnesio, incrementa su demanda

H 0.003 0.003 Causa pinhole Estabiliza carburosN 0.009 0.009 Estabiliza perlita

Causa pinhole

ELEMENTOS ESTABILIZADORES DE PERLITA Y FORMADORES DE CARBUROS

ELEMENTO GRADO FERRITICO GRADO PERLITICO OBSERVACIONES

Cromo 0.04 max. 0.09 max. Potente estabilizador de carburos. Retarda tratamientos térmicos

Vanadio 0.03 max. 0.05 max Formador de carburos estables. Retarda el recosido

Estaño 0.01 max. 0.05 max. Estabiliza perlitaArsénico 0.02max. 0.05 max. Estabiliza perlita. Reduce elongación

Boro 0.002 max 0.002 max. Forma borocarburos estables

ELEMENTOS RESIDUALES Y PARA PROPÓSITOS ESPECIALES

ELEMENTOS ESFEROIDIZANTES

ELEMENTOS GASEOSOS

Plomo 0.002 max. 0.002 max. Degenera los esferoides, impide su formación

Titanio 0.030 max. 0.030 max. Forma grafito vermicularAluminio 0.040 max. 0.040 max. Forma grafito vermicularAntimonio 0.003 max. 0.003 max. Forma laminillas de grafito, estabiliza

carburosBismuto 0.002 max. 0.002 max. Forma laminillas de grafito, estabiliza

carburosCirconio 0.100 max. 0.100 max. Forma grafito vermicular

CLASIFICACIÓN DE HIERROS NODULARES DE ACUERDO A LA

NORMA A 536 (GRADOS O CLASES)

Grado o clase 60-40-18 65-45-12 80-55-06 100-70-03

R. a la tensión, psi

60,000 65,000 80,000 100,000

R. A la cadencia, psi

40,000 40,000 55,000 70,000

Elongación, %

18 12 6 3

V. DESCRIPCIÓN DEL PROCESO

5.1 La caracteristica pricipal de este proceso es que por encima de la temperatura del liquidus se maneja una temperatura de sobrecalentamiento (recalentamiento) elevada, por lo que a la salida del horno se requiere una temperatura de 1480 a 1500°C como minimo, porque en fundir la aleación nodulizante se ocupan 30 o 40°C y en dos transvases se incrementa la perdida de gradiente.

Al solidificar presenta una expansion en vez de contracción, por lo que un punto muy critico a controlar es la dureza o rigidez del molde.

Cualquier unidad de fusión que se utilice para producir hierro gris, maleable o acero se puede utilizar para este proceso.

Fundamentalmente son 4 las operaciones que se realizan en su obtención:*Obtención del hiero base.*Desulfurizacion.*Reaccion nodulizante.*Inoculación.

VI. Taller

6.1 Materiales.

6.1.1. Refractarios 6.1.2. Agentes recarburizantes.6.1.3. Chatarra de acero.6.1.4. Retorno-precauciones y cuidados.6.1.5. Ferroaleaciones.6.1.6. Diferentes tipos de arrabio.

Arrabio Sorel.6.1.7. Agentes desulfurantes.

6.2 unidades de fusión.6.2.1. Horno de Induccion sin núcleo de baja frecuencia.6.2.2. Horno de arco directo.6.2.3. Horno de cuba (cubilote).

6.1 Materiales.

6.1.1. Refractarios.

Depediendo de la unidad de fusion que se use el refractario a emplearse puede ser acido o basico. Por ejemplo:En el horno de induccion sin núcleo se utiliza, para efectos de economizar, la cuarcita SiO2 (acido). En este horno generalmente no se hacen flujos de escoria. En el horno de cubilote, ya que el metal esta en contacto con el choque combustible y el azufre se incorpora, por lo que es recomendable usar, por lo menos en el crisol, el refractario es basico (Cromita) para cagar desulfurate y proteger el revestimiento.6.1.2. Agentes recarburizantes.

Este contenido en el grafito en escamas, en el Carbo-coque, coque de petróleo, coque breeze etc. Es el amterial necesario para proporcionar el contenido de carbono al acero (chatarra) fundido. Generalmente se debe conocer el contenido de carbono (carbono fijo) y porciento de absorción; al calcular la cantidad a agregarse.

6.1.3. Chatarra de acero.

Este es un material estratégico y clave para producir el hierro nodular desde un punto economico atractivo. Solo se debe controlar al maximo el contenido de Manganeso ya que por ser estabilizador de carburos, tiende a perlitizar el producto. El acero de origen estructural y de placa contiene de 0.50 a 0.70% de Manganeso por lo que resluta elegible para los hierros nodulares de matriz perlitica, excepto el 65-45-12 y 60-40-18.

6.1.4. Retorno-precauciones y cuidados.

Este material esta constituido por los sistemas de colada y alimentación de las piezas, piezas rechazadas, etc. Es muy importante señalar que el yiel (rendimiento) en los moldes es el orden de 40 a 60%. En el metal practice (materiales de carga de horno) se usa hasta un 50% de retorno. Se sugiere, dadA su importancia, separar los retornos de los diferentes grados del nodular, para aprovechar los diversos contenidos en los perlitico, ferriticos e incluso los aleados. De esta manera evitaremos contaminantes que nos den hierro fuera de especificación. No olvidarnos. “Se deben esmerar en controlar el retorno e identificarlo de fomra conveniente”.

6.1.5. Ferroaleaciones.

Las ferroaleaciones mas comúnmente usadas: Ferrosilicio en roca o en grano de 50% o 75% Ferro- Manganeso, en rosca 50% u 80% Ferro- silicio- Magnesio con 45 / 48% Si y de % ó 9% de Mg.

El agregar los elementos necesarios en forma de ferraleacion nos beneficioa al bajar su punto de fusión.

6.1.6. Diferentes tipos de arrabio.Arrabio Sorel.

Es muy recomendable el uso de arrabio para enriquecer el liquido solidificante de los hierros. El arrabio o hierro de 1era fusion tiene una sola fusion. El retorno ¿Cuántas lleva? R = n+1 de alli la conveniencia del uso del material antes señalado. Otro de los propositos es eliminar o reducir los elementos promotores de hojuelas de grafito o estabilizadores de varburos. Se recomienda el uso de arrabio de bajo contenido de fosforo. En el Metal Practice, considerar de 15 a 30% de arrabio bajo en fosforo.Adicionalmente se controlan los altos niveles de silicio y manganeso por dilucion. En los ultimos tiempos se esta usando el llamado Arrabio Sorel que es producido en Cananda y Sudáfrica y que en su contenido trae bajo fosforo, menos de 0.02 de azufre, 0.43% de carbono y 0.13& de silico con trazas de manganeso (0.010%).

6.1.7. Agentes desulfurantes.

Sobre todo dependiendo de la unidad de fusion empelada, y el tipo de refractario puede agregarse CaC2 (Carburo de Calcio) para desulfurar.Tambien se ha usado Na2CO3, pero los problemas ambientales que acarrea los hacen poco elegible.

6.2 Unidades de fusion (HORNOS).

Como se dijo antes, cualquier unidad de fusion empleada para obtener acero, hierro grsi, etc. Puede usarse en la preparación del hierro base. Deben tomarse en cuenta algunos puntos que a continuación se señalan:

Es necesario o deseable la instalacion de equipo nuevo. Producir varios grados de hierro nodular. Atractivo volumen de producción. Disponibilidad y bajo precio de la chatarra. Recursos energéticos en abundancia y a bajo costo. Medio ambiente.

Requisitos Indispensables en cualquier unidad de fusion.

Entrega oportuna del hierro liquido (metal base) con su analisis químico correcto. Entrega del hierro liquido (metal base) en la temperatura apropiada. Buscar la manera de minimizar los costos de fusion mediante un Metal Practice.

Idoneo, (composición de la carga).

6.2.1. Horno electrico de Induccion sin núcleo de baja frecuencia.

Esta unidad presenta una gran economia y desde el punto del metal obtenido produce una gran homogenización gracias a las corrientes de Hedí, que permiten la transferencia calorifica por el fenómeno de conveccion. Se utiliza corriente de 60 Hz; la cual crea un

campo magnetico al circular por la bobina cuyo centro esta en el crisol de refractario monolitico- (corrientes de Focault) 6.2 unidades de fusion, hornos.

Ventajas del horno electrico de induccion de baja frecuencia.o Facil y rapido control de la temperatura.o Uniformidad y facilidad de ajuste químico.o Suministro acompasasdo de metal fundió con una adecuada practica de

recargueso Evita la introducción de azufre.o Reduce perdidas de fusion.o No introduce humedad relativa del ambiente.

Consumo energético.Aproximadamente 500 KwH por tonelada, iniciando la carga fria al rango de los 1480°C.La eficiencia termica es del 65% que comparada con el cubilote, 5%, y el horno de arco, 20% resulta muy superior

Un incremento de 60°C por tonelada requiere de 13 a 15 KwH, de ahí que con el programa de reaacargues aumenta la velocidad de fusion, siendo estos del 20%.