Estudio del efecto de agentes inoculantes, desoxidantes y desulfurantes en la fabricación de hierros grises

Abstract

RESUMEN: Las fundiciones son aleaciones hierro-carbono-silicio, las cuales se clasifican dependiendo de la morfología de los precipitados de grafito en: fundición blanca, gris y dúctil, principalmente. Las fundiciones grises generalmente contienen entre 2.5 y 4 % C y de 1.0 a 3.0 % Si, presentan una microestructura que consiste en láminas de grafito. Las propiedades de las fundiciones de hierro gris se ven influenciadas por la forma y distribución de las láminas de grafito. La especificación ASTM A247 clasifica la forma, distribución y el tamaño de las hojuelas de grafito, en donde, el tipo A presenta una distribución aleatoria de laminillas de tamaño uniforme y es el tipo preferido para aplicaciones automotrices de resistencia al desgaste como en la fabricación de discos de freno. Industrialmente se prepara el metal base en hornos de inducción o cubilote a partir de chatarra de acero, arrabio y retorno como carga metálica, posteriormente se inocula el metal base en la olla con FeSi o CaSi. La generación de esta microestructura depende de la composición química del hierro, velocidad de enfriamiento y la etapa de inoculación. En este trabajo se caracterizó un disco de freno reciclado para conocer su microestructura, composición química y propiedades mecánicas en base a la norma ASTM A159 se determinó que corresponde a un hierro gris grado G3000. Posteriormente se fabricaron hierros grises grado G3000 en un horno de inducción marca Inductotherm de 25 kg. de capacidad, mediante seis procedimientos diferentes en la etapa de inoculación. Se evaluó el efecto de la adición de dos agentes inoculantes comerciales calcifer (base Ca y Ba) y cabala (base Ca), dos inoculantes comerciales con adiciones de aluminio y adición de dos agentes desulfurantes comerciales base magnesio (5R y 9C3), sin inoculación. Se determinó el efecto de los seis procesos diferentes en la fabricación de los hierros grises sobre el efecto en la formación de las hojuelas de grafito de acuerdo a la norma ASTM A247. Se determinó la composición química de los hierros fabricados mediante el espectrofotómetro de emisión óptica (chispa), el análisis microestructural se llevo a cabo con microscopia óptica y MEB/EDS, y la caracterización mecánica se llevo a cabo mediante ensayos de tensión bajo la norma ASTM E8 y determinación de dureza bajo norma ASTM E10. Los resultados indican que el inoculante calcifer presentó la mejor distribución y tamaño apropiado de hojuela, esto es grafito tipo A y tamaño de 4, en una matriz perlitica. La adición de aluminio a este inoculante presento una matriz perliticaferritica, con grafito tipo A y tamaño de 5. Los resultados de tensión y dureza corroboran los resultados microestructurales para estas dos pruebas ya que presentaron valores de UTS mayores a 30000 psi, superiores a los que marca la norma ASTM A159 para este grado de hierro. Los hierros fabricados con la adición de agentes desulfurantes presentaron formación de hojuelas del tipo D y tamaños de 1 para el agente 9C3 y de nódulos para el agente 5R, lo que indica una formación inadecuada de hojuelas de grafitos. El análisis con el MEB indica que el mecanismo de crecimiento de las hojuelas es a partir la formación inicial de partículas de óxidos, sulfuros y combinaciones entre ellos. ABSTRACT: Cast irons are alloys based on iron-carbon-silicon, which are rating according with graphite morphology as: white cast, gray and ductile irons, mainly. Grey cast iron generally contains about 2.5 and 4 % C and from 1.0 to 3.0% Si, with a microstructure constituted by graphite flakes. Grey cast iron properties are influenced by shape and distribution of graphite flakes. The specification ASTM A247 classifies the shape, distribution and graphite flakes size, where A type presents a random distribution of graphite flakes with a uniform size, this is the preferred type for wear resistance automotive applications, as in the manufacture of brake discs. Industrially, metal is prepared in cupola or induction furnaces from scrap steel, pig iron and scrap iron, then base metal is inoculated with FeSi or CaSi. The microstructure generation depends on the chemical composition, cooling rate and inoculation process. In this work a brake disc recycled was characterized to know their microstructure, chemical composition and mechanical properties, according with ASTM A159, it corresponds to a G3000 grade cast iron. After that, G3000 grey cast irons were manufactured in an inductotherm induction furnace of 25 kg of capacity for six different procedures in the inoculation stage. These are, with adding of two different commercial inoculants cabala y calcifer, two commercial inoculants with aluminum additions and adding two different commercial desulphurising agents based magnesium (9C3 and 5R) without inoculation. The effects of the six different processes were evaluated on the graphite flake formation based on ASTM A247. Grey cast iron produced were characterized by chemical composition of with optical emission spectrometer, the microstructural analysis was carried out with optical and SEM/EDS microscopy, and the mechanical characterization was conducted under tension and hardness tests according with ASTM E8 and ASTME10, respectively. The results indicate that calcifer inoculant presented the best graphite flakes distribution (A type) and size (4) in a perlitic matrix, while aluminum addition promotes a perlitic-ferritic matrix with graphite type A and size of 5. Mechanical results are in agreement with those obtained in the microstructural characterization. UTS values greater than 30,000 psi were obtained as is point out in ASTM A159 for this iron grade. Irons manufactured with the addition of desulphurising agents presented graphite type D and size of 1 to the agent 9C3 and graphite nodules to the agent 5R, indicating an inadequate forming of graphite flakes. Analysis by SEM indicated that the growth mechanism of the graphite flakes is from the initial formation of particles of oxides, sulphides and combinations.