Metalurgia: Fundiciones ADI (Austempered Ductil Iron)

RESUMEN
Este informe tiene por objetivo la corroboración experimental de lo que en teoría se conoce como fundiciones
ADI. Para ello se realizó el tratamiento térmico de Austemperado, (Austempering Dúctil Iron), donde se
utilizo una barra circular de fundición gris nodular, de la cual se extrajeron diez probetas con caras paralelas.
A las probetas, se les practico el proceso de Austemperado, donde fueron llevadas a temperatura de
austenizado (entre 870ºC y 890ºC), dejándolas ahí por un cierto tiempo. Primero se sacó una probeta a los 20
minutos de austenizado para luego solo ser templada al agua con agitación. Luego las probetas son enfriadas
rápidamente, siendo trasladas a otro horno que se encontraba a temperatura de austemperado deseada, del cual
al cabo de 10 minutos se retiró la primera probeta, y luego las otras una por una, en intervalos de 30, 50 y 120
minutos, para luego someterlas a un temple en agua.
Para poder corroborar el efecto de la temperatura a diferentes tiempos de austemperado en las futuras
propiedades mecánicas de la fundición, las probetas se dividieron en dos grupos, donde el primero se enfrió a
una temperatura de 300ºC en un horno eléctrico a 2 KW. de potencia, mientras que el segundo grupo se enfrió
a 400ºC en un horno semi mufla trifásico de 18 KW. de potencia.
Una vez enfriadas las probetas se llevaron a análisis metalográfico, donde pasaron por el proceso de desbaste
y pulido, para luego ser atacadas con reactivo Nital al 3%. A continuación, las probetas se analizaron
microscópicamente.
Finalmente se les practico el ensayo de dureza Rockwell C.
Por otra parte, se obtuvo la composición química de la fundición gris nodular por medio de chispeo.
Con esto se pudo obtener los resultados necesarios para cumplir con los objetivos de esta experiencia, donde
se corroboró que a iguales tiempos de austemperado la máxima dureza la obtendrá la probeta sometida a
temperatura de 300ºC.
MATERIALES
• Anillo de fierro nodular.
• Máquina de cortar con disco.
• Alambre recocido.
• Horno eléctrico de mufla (5 litros).
• Horno semimufla (trifásico).
• Lijas.
• Pulidoras.
• Alúmina.
• Nital 3%.
• Microscopio óptico.
• Parafina.
• Máquina para medir dureza Rockwell C.
Procedimiento Experimental
Inicialmente se contó con un pequeño trozo de un anillo de fundición gris nodular aleado, otorgado por el
Señor Santiago Riveros en la Planta de Tratamientos Térmicos Küpfer Hnos. S.A., la cual fue cortada en diez
discos de caras paralelas.
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Luego estas probetas fueron amarradas con alambre, para luego insertar cinco de ellas al horno eléctrico a una
temperatura de 870ºC, donde permanecen durante veinte minutos. Luego es sacada una de ellas, la que se
templó al agua con agitación.
Luego las probetas son enfriadas rápidamente, siendo trasladas a otro horno que se encontraba a temperatura
de austemperado de 300ºC, del cual al cabo de 10 minutos se retiró la primera probeta, y luego las otras una
por una, en intervalos de 30, 50 y 120 minutos, para luego someterlas a un temple en agua.
Después con las otras cinco muestras restantes, se realizó el mismo procedimiento, a diferencia que son
enfriadas a 400ºC como temperatura de austemperado.
Una vez enfriadas las probetas se llevaron a análisis metalográfico, donde pasaron por el proceso de desbaste
y pulido, para luego ser atacadas con reactivo Nital al 3% por seis segundos aproximadamente. A
continuación, las probetas se analizaron microscópicamente y se tomaron microtomografías de ello.
Finalmente se les midió dureza Rockwell C.
AUSTEMPERADO DE LOS HIERROS FUNDIDOS NODULARES ADI
El desarrollo del tratamiento especial de austemperado ADI (Austempering Ductile Iron), en hierros fundidos
nodulares es más bien reciente (1980).
En una búsqueda por mejorar las propiedades mecánicas de colada, se realiza este tratamiento térmico. Luego
del tratamiento térmico isotérmico, las aleaciones ADI obtienen un mejoramiento en lo que refiere a
propiedades mecánicas, tales como son la resistencia a la tracción, la tenacidad, la resistencia al desgaste y a
la fatiga. Por otra parte estas características además pueden mejorarse con una combinación de elementos
aleantes e inoculantes y el control de la micro estructura.
La fundición ADI es una fundición gris nodular débilmente aleada, con tratamiento isotérmico de la austenita
subenfriada por un tiempo determinado a la temperatura deseada de tratamiento. Lo que se muestra
gráficamente a continuación.
Tº C
Austenita
B C Perlita
Ausferrita
D E Bainita
AF
Tiempo (min.)
Ciclo de Austemperado de una fundición ADI
Donde la Ausferrita es la mezcla mecánica de dos fases Ferrita acicular y Austenita de alto carbono
(estabilizada) y total ausencia de carburos, a diferencia de la Bainita que se compone de una mezcla de
Carburo más Ferrita.
2
El ciclo mostrado anteriormente demuestra esquemáticamente como el tratamiento comienza con un
calentamiento alrededor de los 870 a 890 ºC (A−B) y la mantención a esa temperatura durante 1 a 3 horas
(B−C). Durante este tiempo la estructura se homogeneiza a un estado totalmente austenítico. Luego se realiza
un enfriamiento rápido hasta la temperatura de austemperado deseada (C−D), la cual fluctúa entre los 240 a
400ºc, siendo esta temperatura mantenida por un intervalo de tiempo de 1 a 4 horas (D−E).
Finalmente se enfría a una temperatura ambiente(E−F), antes de que comience la precipitación de carburos
correspondiente al región bainítica.
La microestructura de la fundición nodular austemperada es conocida como ausferrita, la cual es una
microestructura ferrítica acicular con austenita estabilizada, como consecuencia del enriquecimiento en
carbono sufrido por la formación de ferrita durante el austemperado, acompañado de cantidades variables de
austenita.
A continuación se muestra gráficamente la formación de ausferrita durante el tratamiento de austemperado.
Borde de grano Ac Ac Borde de Grano
Austenita
Ferrita
En este esquema se muestran las placas de ferrita que nuclean y crecen en la matriz austenítica, esto conlleva a
la reyección de carbono hacia sus alrededores, enriqueciendo la austenita adyacente a esta zona (Ac).
La transformación del austemperado tiene dos etapas. En la primera reacción se produce una transformación
de la austenita a placas de ferrita y austenita estabilizada, es decir muy altas en carbono, donde es estructura
ausferrítica. Para tiempos prolongados de tratamiento, ocurre la segunda reacción en la que se produce una
descomposición de la austenita rica en carbono simultáneamente en ferrita y carburo, es decir a bainita.
La transformación ausferrítica se debe a la influencia que el silicio ejerce en la descomposición de la
austenita. Se observa que el silicio desplaza la línea solvus de la austenita a menores concentraciones de
carbono y a más altas temperaturas. Esto producirá la nucleación y el crecimiento de la ferrita acicular en la
austenita, durante el austemperado.
Por otra parte se tiene que el silicio acelera la transferencia de carbono entre la matriz austenítica y los
nódulos de grafito y además contribuye al endurecimiento por solución de la ferrita.
Además no se debe olvidar que el manganeso también desplaza la línea solvus de la austenita a menores
concentraciones de carbono
Aplicaciones
El potencial de usos para las fundiciones austemperadas es basto y variado, ya que son utilizadas en tractores,
autos, y vehículos varios, además se encuentra presente en algunas piezas industriales como las puntas de
palas y bolas de molino, entre otras aplicaciones dentro del campo de la minería. Por otra parte no se debe
olvidar ni desmerecer la utilización militar.
Su uso se ve favorecido debido a la baja densidad con respecto a las piezas de acero, además de su alta
resistencia a la amortiguación. Además se debe considerar el bajop costo que estas piezas poseen.
Análisis de Chispeo
3
FE−20 FE − Cast Iron ADI
X
1
2
3
4
Promedio
C
3.54
3.42
3.44
3.49
3.47
Si
2.43
2.40
2.43
2.41
2.42
X
1
2
3
4
Promedio
Ti
0.00502
0.00490
0.00479
0.00469
<0.005
Mn
0.480
0.494
0.500
0.504
0.494
V
0.00459
0.00459
0.00467
0.00482
<0.005
P
0.0171
0.0157
0.0155
0.0152
0.0159
S
0.0130
0.00937
0.00978
0.0106
0.0107
W
0.0113
0.0195
0.0250
0.0296
0.0213
Cr
0.172
0.169
0.168
0.168
0.169
Mg
0.0514
0.0352
0.0350
0.0324
0.0385
Mo
0.154
0.146
0.147
0.145
0.148
Fe
91.87
91.98
91.90
91.85
<91.90
Ni
0.483
0.496
0.499
0.505
0.495
Ceq
−−−
−−−
−−−
−−−
4.28
PROPIEDADES DE LAS FUNDICIONES ADI
Las propiedades presentada por las fundiciones ADI, son condicionadas por los parámetros del tratamiento
térmico, es decir tiempo, temperatura. Referente a la comparación con el hierro nodular a partir del cual fue
hecho existen algunas mejorías, como por ejemplo el módulo elástico de la fundición ADI es 20% menor con
relación al acero, por lo tanto este factor se debe considerar en la etapa de diseño.
Además las aleaciones ADI poseen el doble de resistencia que las fundiciones nodulares, sin olvidar que
presentan un alto alargamiento y tenacidad. Por otra parte poseen resistencia al desgaste y fatiga, lo cual
permite en las etapas de diseño reducir el peso y costo de las puiezas.
La siguiente tabla muestra valores de propiedades mecánicas para diferentes cinco grados de la norma ASTM
A897−90 para este material.
Grado ASTM
Resistencia a la
Límite elástico
Alargamiento
A897−90
1
2
3
4
5
Tracción (Mpa)
840
1050
1225
1400
1610
(Mpa)
560
700
875
1085
1295
(%)
10
7
4
1
−−−
Dureza (HB)
269 − 321
302 − 363
341 − 444
388 − 477
444 − 555
Bibliografía
• Introducción a la metalurgia de las fundiciones grises
Dr. Oscar Bustos.
• Tratamientos Térmicos.
José Apraiz
4
Fueron tomadas 10 microfotografías consideradas representativas de lo que sucede en un tratamiento térmico
de austemperado.
5
Fig. 1. Austenitizado a 870ºC, austemperado a Fig. 2. Austenitizado a 870ºC, austemperado a 300ºC por 20
min. 200X. 300º C, Por 20 minutos, 500X
6
Fig. 3. Austenitizado a 870ºC, austemperado a Fig.4 Austenizado a 870ºC, austemperado
300ºC por 50 minutos, 200X a 300ºC, por 50 minutos, 500X.
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8
Fig. 5 Austenizado a 490ºC, austemperado FiG. 6 Austenizado a 890, austemperado
A 400ºC, por 15 minutos a 200X a 400ºC, por 15 minutos, 200X.
9
Fig. 7. Austenizado a 890ºC, austemperado Fig. 8 Austenizado a 890ºC, austemperado
A 400ºC 45 minutos, 200X a 400ºC, 45 minutos 500X
10
FiG. 9. Austenizado a 890ºC, austenizado a Fig. 10. Austenizado a 890ºC, Austemperado
400ºC, 200X. A 300ºC, 200X.
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