2 RESPUESTA A LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS.

2.1. NORMALIZADO

Comúnmente denominado perlitización. El normalizado con -

siste en llevar material a temperatura de austenización y

mantenerlo cierto tiempo, permitiendo que la austenita se

sature de carbono para que posteriormente durante el en -

friamiento se produzca la transformación perlítica.

En general el normalizado aumenta la resistencia a la tra£

ción y el limite elástico pero disminuye la ductilidad.

Con el normalizado se puede pasar de una fundición con ma­

triz ferrítica, grado ASTM 60-40-18 a una fundición con

matriz perlítica, grado ASTM 100-70-03. Esto implica que

para una misma composición química y dependiendo del trat¿

miento térmico efectuado, obtenemos diferente matriz y por

tanto, diferentes propiedades mecánicas,

2.1.1. Descripción del ciclo de normalizado.

El ciclo de normalizado recomendado es el siguiente :

33

Temperatura de austenización entre 870° y 940°C, tiempo de

austenización 1 hora más 1 hora x 25.4 mm. de espesor y en

friamiento a l a i r e (Ref, 7 y 2 ) .

940 870

Ih + 1hx25.4 mm.e

_ Ai i J e i lp ' ^ríHco)

Ve (aire) V : Velocidad de enfriamiento

Tiempo

Figura 3

2.1.2. Ciclos utilizados

Para realizar el normalizado elegimos un ciclo base y pa

ralelamente realizamos otros ciclos con diferentes tempe

raturas de austenización.

El ciclo base se ilustra en la figura 4.

i

34

tiempo

Figura 4

En este ciclo base elegimos la temperatura de austeniza -

ción igual a 900°C con los siguientes criterios :

a) La austenización ocurre en el diagrama estable (Dia -

grama de equilibrio) y el porcentaje de carbón que se puje

de disolver en la austenita está determinado por la temp^

ratura de austenización utilizada. El enfriamiento se da

según el metaestable (Diagrama de no Equilibrio), cuyo

eutectoide corresponde a 0,8 % de Carbono. Por tanto,con

mínimo 0.8 % de Carbono,soluble en la austenita del dia -

grama estable se garantiza la formación de 100 % de per -

lita en el diagrama metaestable.

En el diagrama estable (fig.2) se determina para 0.8 % de

35

Carbono la temperatura que se requiere para tener este poje

centaje de carbono en la austenita. Esta situación se

ilustra con más detalles en la Figura 5.

b) Al tomar 900°C como temperatura de austenización, es­

tamos dentro del rango de temperaturas recoraendadas para

realizar el normalizado.

5 %C

36

En el ciclo (Figura 4) utilizamos diferentes tiempos de

austenización con el propósito de determinar el tiempo re­

querido para la austenización y homogenizacicn de la ma -

triz. Esto se puede detectar cuando después del enfria -

miento se obtiene una matriz completamente perlítica. El

grado de perlitización obtenido en cada uno de los tiempos

utilizados se determina por medio de medición de dureza y

observación metalográfica.

Los tiempos utilizados en el ciclo (Fig.4) fueron t ^ = 10

minutos, t2 = 20 minutos, t3 = 30 minutos, t¿^ = 45 minutos

y t5 = 60 minutOFj.

Los otros cielos realizados fueron los siguientes :

T C

Ve (aire)

Tiempo

Figura 6

950

Ve (aire)

Tiempo

37

Estos ciclos (Fig.6) también se realizaron a tiempos dife­

rentes comprendidos entre 15 y 80 minutos.

El objeto de realizar estos ciclos es :

a) Tratar de verificar experimentalmente el primer crite­

rio con que se seleccionó la temperatura de 9O0*C, o sea

el criterio "a".

b) Tener un conocimiento más amplio de lo que ocurre en

el normalizado y poder seleccionar experimentalmente la

temperatura adecuada para normalizar las fundiciones nodu­

lares con matriz ferrítica.

c) Tratar de obtener una relación óptima entre tiempo y

temperatura de austenización.

2.1.3. Condiciones del ensayo

El normalizado lo ejecutaremos primero sobre las 12 cola -

das que presentan matriz ferrítica al estado de entrega.

Las 6 coladas que presentan matriz perlito-ferritica pri -

mero se ferritizarán y posteriormente se normalizarán. Las

2 coladas que presentan matriz perlítica se someterán ini­

cialmente al proceso de ferritización.

Los diferentes normalizados se efectuaron en un horno mar-

38

ca "solo". Dentro del horno se instala una caja metálica

con virutas de fundición y en ésta se introducen las pro­

betas metalográficas. Esto se hace con el fin de evitar

la descarburación de las probetas.

Las temperaturas se controlaron por medio de termocuplas

y los tiempos con cronómetro,

a) Probetas utilizadas :

Las probetas utilizadas en los ensayos de normalizado son

del tipo metalográfico. En todo momento se procuró que

las probetas se ajustaran a las dimensiones de la figura

7, tratando de que la masa fuese uniforme, pues diferen -

cias de masa conllevan a diferencias de temperatura para

un mismo tiempo.

5

10-

Escala 1:1 mm

Figura 7

39

b) Precisión de las mediciones

i. Multímetro : í 0.1 % t 0.01 mv

ii. Termocupla Philips tipo K

t, 2.2°C hasta 300°C

í 0.75 % desde 300°C

Por tanto, la precisión de las temperaturas utili­

zadas es :

900°C í 12''C

840°C í 10°C

950°C i 15°C

iii. Cronómetro : _ 1 segundo. Por tanto, la precisión

de las mediciones del tiempo tomado es :

No. minutos i 1 segvindo.

2.2. RESULTADOS DEL NORMALIZADO

2,2.1. Dureza

Durante el normalizado la dureza de la fundición nodular

ferrítica "As Cast" aumenta debido al cambio que ocurre

en la matriz, la cual pasa de ferrítica a perlítica. La

variación de dureza que se obtiene por sostener el mate­

rial un determinado tiempo a temperatura de austenización

se registra en las gráficas : Dureza Brinell contra tiem

40

po de sostenimiento a cada una de las temperaturas utili­

zadas.

Sobre cada probeta se tomaron cinco valores de dureza. En

las gráficas se utiliza la dureza promedio, la dureza má -

xima y la dureza mínima.

- Nomenclatura de las gráficas.

T^ : Temperatura de austenización

tg : Tiempo de sostenimiento a T^

XX.ZZ : El primer número XX indica la colada. El segun­

do número ZZ indica la probeta.

Ejemplo 10.5 significa colada No. 10, probeta 5.

HB/2.5 mm/187.5 Kg. : Dureza Brinell, bola de 2.5 mm, y

carga 187.5 Kg, (la banda indica la dispersión).

El signo + indica la dureza promedio : HB

El signo ® indica la dispersión máxima y mínima

G R Á F I C A S

DUREZA BRINELL , Vrs ta

4 1

C o l a d o N ° I

Ta ( in in)

t a (min )

HB i ( K g / m m ^ )

3 0 0

42

to (min )

HB

3 0 0

( Kg/mm2) C o l a c i o N° 4

t o ( m i n )

ColocJo N° 5

3 0 0

43

ta ( min )

Co lado N°6

to ( min )

120

Co loda N " 7 4 4

10 20 3 0 4 0 50 6 0 t o { min )

C o l a d o N " 8

10 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 ta ( mín)

HB t ( K o / m m 2 ) C o l a d o N * 9

45

to ( m i n )

HB I ( K g / m m 2 )

C o l a d o N** 10

6 0 t a { min )

Celo do N'' 11

46

ta (min)

Coloda N° 12

to (min)

C o l a d o N*» I

To= 840 °C - I C C

47

60 to (min)

C o l a d o N ° 2

To= 8 4 0 O C Í IO<»C

HB

2 8 0 -

2 6 0 -

2 4 0 -

2 2 0 -

2 0 0 -

1 8 0 -

1 6 0 -

1 4 0 -

1? n -

(Kg/mm2)

'

3.0-

1

o

z ; ^ ^

^ ^

3 6

- 1 — - 1 . - 1

C o l a d o N^S

To = 8 4 0 "C 1 lO^C

_ , . ' o ^ - - - " " • "

^ ^ ^ ^ " ^ "

^ " ^ ^ ^

3.7 3 8

. . 1 - . . . X J- . - L -

0

-• 'U

3.9 1

48

10 20 30 4 0 50 60 7 0 80 to (min }

(Kg/mm2)

120 1^4 0

10

4.6 I

C o l o d a N*» 4

1 0 = 8 4 0 <*C ± lO^C

4.7 I

20 30 4 0

4.8 I

5 0 6 0

4.9 _ i

7 0

4.10

8 0 to (min )

C o l o d a N ' ' 5

49

t o ( min )

C o l o d a N«>6

To = 9 5 0 " C l 15 «C

6.9 _ J —

6.10

— J

4 0 5 0 6 0 t o ( m i n )

50

C o l o d o N" 7

To= 9 5 0 * C í IS^C

7.9 1

4 0 5 0

7. 10

6 0

_ ! ! - •

7 0 8 0

to (min )

51

2,2.2. Observaciones Generales

1, h l observar los resultados de dureza obtenidos en el

normalizado a 900°C, impresos en las gráficas (páginas 41

a 46) vemos que en éstas, las correspondientes a las cola­

das No. 4 y No.11 difieren de las otras considerablemente.

Según la observación metalográfica realizada al estado de

entrega (numeral 1.6) la colada No. 4 presenta grafito

degenerado y la No. 11 presenta una matriz 60 % de perli­

ta y 40 % de ferrita (As Cast),

2, Las gráficas correspondientes a las coladas No,l, 2,

3, 5, 6, 7, 8, 9, 10 y 12 presentan mucha similitud en

los valores de dureza para xm mismo tiempo de sostenimien­

to a T^ . Esta similitud permite construir una banda de

dureza vs. t^ para agrupar los resultados obtenidos en es­

tas coladas.

3. Al observar los valores de dureza para los diferentes

normalizados a 900°C se ve que la dureza va desde 140-170

HB (estado de entrega) que corresponde a matriz ferrítica,

a valores de 270-300 HB que corresponden a matriz perli -

tica.

4. En general los resultados de dureza para el normaliza-

52

do a 840*C son similares para las coladas tratadas 1, 2, 3

y 4. Esto permite construir una banda de normalizado para

T^ = 840''C. En la construcción de esta banda se excluyen

los valores de dureza de la colada No. 4 , pues ésta pre -

senta grafito degenerado.

5. Para los normalizados a 840*'C deispués de 50 minutos de

sostenimiento a esta temperatura, la dureza se estabiliza

en xina valor de 220 - 240 HB, no alcanzándose los valores

cie dureza para matriz perlítica. Estos valores de dureza

obtenidos se encuentran dentro del rango de dureza : 187 -

255 HB, para matriz perlito-ferritica (según recomendación

ASTM A-536-70),

6. Los resultados del normalizado a 950**C también presen­

tan mucha similitud para las coladas tratadas (5, 6 y 7) a

esta temperatura. Esto nos permite elaborar una banda de

dureza contra tiempo de sostenimiento a 950"C .

7. La respuesta a 95O"C es más rápida que a 900"C y como

se observa en las gráficas de las páginas 49 y 50 a los 10

minutos de austenización a esta temperatura ya se tiene

una dureza de 285-295 HB aproximadamente que corresponde a

matriz perlítica.

53

2.2.3. Bandas de dureza

Dado que los resultados de normalización a 900*0 , 840°C y

950''C para las diferentes coladas son muy similares, se

elaboran bandas de dureza cjue agrupen los resultados obte­

nidos tanto a 900*0 como a 840°y a 950*0.

En la elaboración de la banda de dureza para los normaliz¿

dos efectuados a 900*0 se excluyen las coladas No. 4 y 11

por razón anotada en el numeral 2.2.2.

Las bandas se elaboran con los valores promedios de dureza;

tomando el valor promedio máximo y el valor promedio mini -

mo.

La información que dan estas bandas es válida para el rango

de composición estudiado siempre y cuando se parte del es -

tado ferritico.

Si el estado inicial no es ferritico y se tiene una matriz

ferrito-perlítica o perlito-ferritica debe buscarse en el

diagrama estable (Fig,2, pág.8) la temperatura de austeni -

zación correspondiente para el porcentaje de carbón disuel­

to en la matriz.

54

B A N D A S DE DU R E Z A B RIN E LL Vrs t a

GRÁFICA N° I

Ta= 900 "C í 12 "C

6 0 ta ( mln )

C O N V E N C I O N E S

A HB máximo

** H B mínimo

B A N D A S DE D U R E Z A B R I N E L L V r s to

GRA F I C A N " 2

55

3 0 0 -

To= 8 4 0 °C i 'iO°C

10 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0

C O N V E N C I O N E S

& H B mó X i mo

o H B m í n i m o

B A N D A S DE D U R E Z A B R I N E L L V rs t o 56

G R Á F I C A N 0 3

{ Kg/mm^)

To = g s o ^ c í 150C

J , 3 0 4 0 5 0 6 0 to ( min }

C O N V E N C I Ó N E S

A HB m á x i m o

o H D m í n i m o

57

2,2.4. Observación metalográfica

Esta, junto con la medición de dureza, constituye una he -

rramienta de control y análisis fundamental, cuando se re¿

lizan tratamientos térmicos. En el caso particular del

normalizado sirve para controlar el avance de perlita en

la matriz a medida que aumenta el tiempo de sostenimiento

a la temperatura de austenización.

Con esta mira, se realizó la observación de todas las pro­

betas que fueron sometidas a tratamiento térmico. Sin em­

bargo, dada la similitud obtenida para casi todas las co -

ladas, como lo comprueban los res'jltados de dureza, no se

reseñarán todas, sino un número suficiente para entender y

analizar lo ocurrido. Para el normalizado a 900*C se re -

ferenciará lo que ocurrió con la colada No. 1, la cual es

representativa de las coladas 2, 3, 5, 5, 7, 8, 9, 10 y 12,

pues éstas 10 coladas tienen grafito tipo I y/o II y la

matriz de la cual se parte para realizar el tratamiento es

ferrítica, se hará la reseña de lo ocurrido con las cola -

das No. 4 y 11 que muestran respuestas que difieren de las

anteriores. La colada No. 4 tiene la particularidad de

presentar grafito muy degenerado, tipo IV. La otra colada,

la colada No. 11,tiene en el estado de entrega matriz per-

58

lito-ferrítica. Se describirán las probetas 1.1, 1.2, 1.3,

1.4, 1.5. La probeta 1.0, como todas las correspondientes

al estado inicial ya se referencian en la Tabla # 5, nume­

ral 1.6. Igualmente se hará la descripción de las probetas

4.1, 4.2, 4.3, 4.4 y 4.5. Así mismo se describirán las pro

betas 11.1, 11.2, 11.3, 11.4 y 11.5,

- Colada No.l, T^ = 900*C

Probeta 1.1

í>resenta aproximadamente 45 % de perlita en la matriz. En

algunas partes los granos ferríticos y los perliticos apa­

recen alargados pero sin ninguna orientación definida.

Probeta 1.2

Presenta aproximadamente 90 % de perlita en la matriz. La

perlita es fundamentalmente gruesa (a 800 x se distingue

su forma laminada).

Probeta 1.3

La perlitización se ha dado completamente. En los limites

de grano perlitico aparece vm poco de granos ferríticos.

En porcentaje se tiene aproximadamente un 97 % de perlita y

3 % de ferrita.

59

Probetas 1.4 y 1.5

Se presenta una situación muy similar a la descrita para la

probeta 1.3, es decir, las diferencias que pueden existir

no son apreciables.

En ninguna de las probetas la forma del grafito se ve afec­

tada y tampoco se percibe ninguna disminución en su tamaño.

- Colada No.4, Ta = 900*C

Probeta 4.1

Como todas las de la serie de la colada No. 4 presenta gra­

fito tipo IV. La perlitización de la matriz se ha dado en

un 70 %, predominando la perlita virgen.

Probeta 4.2

Presenta aproximadamente un 80 % de perlita, en su mayoría

gruesa. En gran parte la ferrita forma red alrededor de

los granos perliticos. Existen también zonas donde apare -

cen granos perliticos y ferríticos.

Probetas 4.3, 4.4 y 4,5

La situación que presentan estas probetas es muy similar,

tienen aproximadamente un 70 % de perlita, es decir, para

60

ninguna se alcanza la perlitización total,

- Colada No.11, Ta = 900*C

Probeta 11.1

La perlitización, ya es alta para 10 minutos de sostenimien

to, pues se tiene un 95 % de perlita. La ferrita se sitúa

en los limites de granos perliticos.

Probeta 11.2

Este probeta presenta dos zonas ; una muy perlítica (aproxi

madamente 95 %) y otra en la cual la perlitización es menor,

del orden del 65 %. La zona de menor porcentaje de perlita

apareció en distintos sitios de la probeta, sólo considera­

mos la otra zona.

Probetas 11,3, 11.4 y 11.5

Presentan perlitización en un 98 % aproximadamente. La po­

ca ferrita que existe se sitúa en los limites de"grano per-

lítico en forma de pequeños granos.

Con las 4 coladas normalizadas a 840*C teunbién se obtuvie­

ron respuestas análogas, sólo la colada No,4, la de grafito

degenerado, no alcanza la dureza obtenida en las otras 3,

61

pero en términos generales la tendencia es similar en todas

las coladas. La descripción de lo ocurrido eon las probé -

tas de la colada No.l a 840°C puede generalizarse, por lo

tanto se hará la reseña de las probetas 1.6, 1,7, 1.8, 1.9

y 1.10.

- Colada No. 1, T^ = 840*0

Probeta 1.6

Se ha alcanzado un 25 % de perlita, la cual es fundamental­

mente gruesa.

Probeta 1.7

Con respecto a la 1.6 ha aumentado algo en la perlita,

aproximadamente existe un 35 % de ella.

Probetas 1.8, 1.9 y 1.10

En éstas ya se obtiene el máximo de perlita (50 a 60 % ) , que

se puede alcanzar para la temperatura de 840*C.

En lo que respecta al normalizado a 950*0, la descripción

se hará para la colada No.6, siendo extensibles los resulta­

dos a las coladas No. 5 y No. 7 .

62

- Colada No. 6, Ta = 950*0

Probeta 6.6

Para esta probeta ya se obtiene prácticamente el 100 % de

perlita.

Probetas 6.7, 6.8, 6.9 y 6,10

En estas probetas, fundamentalmente a partir de la 6.8 a-

parece una red rodeando los granos perliticos, mediante

diferentes ataques no se pudo precisar su naturaleza, aun­

que teóricamente puede corresponder a cementita.

2.3, FERRITIZACION

La ferritización es un trateuniento térmico ejecutable en

fundiciones grises y nodulares. Por medio de este trata­

miento se transforma una matriz perlítica (láminas alter­

nadas de Fe (o<) y Fes C), en una matriz ferrítica (Fee<).

Al darse la transformación lo que ocurre es la disociación

de las láminas de cementita. De por si la cementita es un

compuesto inestable y al aumentar la temperatura su inesta­

bilidad se incrementa., permitiendo con facilidad su diso -

ciación. Esta disociación está determinada por la siguien

te reacción :

63

Fe3C — - 3 Fe + C

lo que significa que se obtendrá ferrita (hierro c?<) y

carbono libre. Este carbono libre emigra o se difunde

hacia los nodulos de grafito por presentar éstos, mejo -

res condiciones de estabilidad energética (bajo condicio

nes de equilibrio),

Por medio de la ferritización se disminuye el limite e -

lástieo y la resistencia a la tracción pero se incremen­

ta la elongación generando, por tanto, vin mejoramiento

de la ductilidad. También se mejora la maquinabilidad.

Para lograr este mejoramiento de ductilidad se han desa­

rrollado varios ciclos térmicos o tratamientos.

2.3.1. Ciclos recomendados para ferritización

2.3.1.1. Ciclo Subcrítico

Este ciclo utiliza una temperatura de 690*0 - 700*C y que

es inferior a la temperatura critica o eutectoide durante

un periodo de 5 h más 1 h x 1" de espesor, permitiéndose

la disociación de la cementita. Transcurrido este tiempo

se enfria en el horno a una velocidad de 40*C/hora hasta

llegar a 550*0. De 550*0 hasta temperatura ambiente, el

enfriamiento se hace al aire. Fig. 8

T*C I

690*0

550*0

64

(Temp.Critica)

Ve (Horno 40*c/h)

Vp (aire)

-• tiempo

FIGURA 8

Cielo Subcrítico

2.3.1.2. Ciclo Hipercrítico

En este cielo la fundición nodular se calienta hasta tem -

peratura de austenización, manteniendo a esta temperatura

durante 1 hora + 1 hora x 1" de espesor. En este lapso

de tiempo se permite la homogenización de la austenita.

Transcurrido este tiempo se enfria en el horno hasta una

temperatura de 650*C y a una velocidad menor de 20*CAiora,

Durante este lento enfriamiento (condiciones similares a

las de equilibrio), la austenita transformará a ferrita

más grafito, (ciñéndose prácticamente al diagrama esta -

ble Fe-G), Este ciclo se ilustra en la figura 9,

65

T*C

1000-

900-

800=

700-

600-

500-

40O-

300-

1 h + 1 h X 1" de e

Ve (horno <20*cA) -A'

650*0

FIGURA 9

Cielo Hipercrítico

Ve (aire)

tiempo

2,3,1,3, Ciclo de doble etapa

En este ciclo la fundición nodular se calienta hasta tem­

peratura de austenización, manteniendo a esta temperatura

durante 1 hora más 1 hora x 1" de espesor. En este lapso

de tiempo se permite la homogenización de la austenita.

Transcurrido este tiempo se pasan las muestras a una tem­

peratura de 690*0. En el paso desde la temperatura de

austenización a la de 690*C se da la transformación de la

austenita en perlita (pues el paso se hace en condiciones

de no equilibrio, ya que el enfriamiento hasta la tempe -

ratura de 690*0 se hace al aire).

66

A la temperatura de 690*0 se mantienen las muestras duran

te un tiempo que oscila entre 1 hora y 5 horas. (depende

de la composición química), En este período de tiempo se

da la disociación de la cementita produciéndose hierro

y carbono. El enfriamiento desde la temperatura de 690*0

se puede hacer al aire. Como resultado final, se tendrá

a temperatura eutibiente hierro alfa (ferrita) y carbono

(grafito), El ciclo se ilustra en la figura 10.

FIGURA 10

Cielo de doble Etapa

Ve (aire)

T iempo

67

2.3.2. Recomendaciones de utilización

- El ciclo subcrítico se utiliza cuanc2o la fundición es

de matriz perlito-ferritica o perlítica y no presenta ce­

mentita masiva. También se utiliza cuando los requerí -

mientos a impacto o choque no son muy severos, pues com -

parado con los ciclos hipercrítico y de doble etapa pro -

duee menor resistencia al impacto que estos dos.

- Los ciclos hipercrítico y de doble etapa se utilizan

cuando la matriz es perlítica y además presenta cementita

masiva. También se utilizan cuando los requerimientos de

impacto son más severos. (Ref. 7).

2.3.3. Ciclo utilizado

Para la realización del ferritizado elegimos el ciclo de

doble etapa, por las siguientes razones :

a) No poseemos programador tiempo-temperatura que nos

permitiese regular la velocidad de enfriamiento en el hor;

no.

b) Es este ciclo se homogeniza la austenita y se disuel­

ven los carburos existentes, produciéndose al final una

matriz ferrítica más homogénea.

e) Produce mayor resistencia al impacto.

68

d) Es más fácil de controlar la transformación pudiéndose

obtener porcentajes de perlita y ferrita deseados.

Los criterios tenidos en cuenta para la realización del

cielo fueron los siguientes :

a) Temperatura de austenización. La temperatura de aus­

tenización utilizada fue la que encontramos como tempera­

tura óptima de normalizado (900*0), pues a ésta tempera -

tura la austenita sólo disuelve 0.8 % C, obteniéndose po_s

teriormente, al pasar a 690*0, 100 % de perlita.

b) El tiempo utilizado en la austenización fue de 40 mi­

nutos, pues en los resultados encontrados en el normali -

zado a 30 minutos se obtiene matriz 100 % perlítica.

c) La temperatura de sostenimiento isotérmico subcrítico

(690*0) es la recomendada, aunque no se excluye la posi -

bilidad de utilizar temperaturas un poco superiores o in­

feriores. (Ref.10).

d) Los tiempos utilizados en el sostenimiento isotérmico

subcrítico van desde 10 minutos hasta 6 horas.

e) Las probetas utilizadas en los diferentes ensayos reai

lizados fueron del tipo metalográfico (ver numeral 2.1.3,

69

l i t e r a l a ) .

2 , 4 . RESULTADOS DE LA FERRITIZACION

2 . 4 . 1 . D u r e z a

Durante el tratamiento de ferritización, se va transfor -

mando la matriz de perlítica en ferrítica, por lo cual,

la dureza del material va dism.inuyendo al aumentar el

tiempo de sostenimiento a 690*C.

I ara lograr estudiar el proceso, en cada tratamiento se

utilizaron por lo menos 5 probetas, las cuales se sostu­

vieron tiempos variables a 690*0. Con esto, efectuando

medición de durezas y realizando observación metalográfi­

ca, se puede analizar el avance de la ferritización con

el tiempo. Los resultados de durezas de presentan en

gráficos de dureza Brinell (HB) vs. tiempo de sostenimien

to a 690*0 (ts), Los criterios para la elaboración de los

gráficos son los mismos que los expuestos para los gráfi­

cos de normalizado,

- Nomenclatura de los gráficos

Ts : Temperaturas de sostenimiento

ts ; Tiempo de sostenimiento a Ts

XX,ZZ : El primer número XX indica la colada. El según-

70

do número ZZ indica la probeta.

Ejemplo : 16.5 significa colada No.16, probeta 5.

HB/2.5 mm/187.5 Kg. Dureza Brinell, bola de 2.5

mm, y carga 187,5 Kg. (La banda indica la dispejc

sión).

El signo + indica la dureza, promedio : HB

El signo • indica la dispersión máxima y mínima.

co lada N** I

Ts= 690*' c i lO^C

c o l a d o N* 2

Ts = 690<»C± IO*C

c o l a d o N* 3

T s = 690**C t IO*C

4 Hs. t i e m p o ( t s )

c o l a d o N* 5

Ts = 6 9 0 < * C Í IO*»C

HB <

3 3 0

3 1 0 -

2 9 0 -

2 7 0 -

2 5 0 -

2 3 0 -

2 1 0 -

1 9 0 -

170 -

150 - 15.1

1/ 15.2 - I — 15

c o l a d o N * I 3

T s = 690*»C ± IO°C

c o l a d o N** I 5

T s = 6 9 0 O C - I lO^C

15.2 I

15.4 15.5 I 1 \ "

225 mts. 4 Hs

t i e m p o ( t s )

45 75 - | 105

I 135

—I— 165

- I — 195

c o l a d o N* 16

Ts = 690OC i IO°C

mts. 4 Hs

t iampo ( t t )

75

C o l o d o N * 19

T S = 6 9 0 « » C Í IO«>C

— I — 75

19.4 19.5 JL

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4 Hs 2 2 5

t i e m p o ( t s )

c o l a d o N* IO

T s = 6 9 0 «»C 1 l O ^ C

He

3 3 0 -

3 1 0 -

2 9 0

2 7 0

2 5 0 -

2 3 0 -

2 1 0 -

1 9 0 -

170

I 5 0 H 11.7

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15

15

c o l a d a N* II

T8= 690OC - I0**C

11.9 I X.

45 7 5 I

— 1 —

105

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45 75 105 135 165 195

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76

-+

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165 195 2 2 5 mts. 3 4 Hs.

t i e m p o ( t s ) HB <

3 3 0 -

3 10 -

2 9 0 -

2 7 0 -

2 5 0 -

2 3 0 -

2 1 0 -

1 9 0 -

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t i e m p o (ts)

77

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I

75

14.4

105

c o l a d o N* 14

T s = 6 9 0 " C i IO«>C

135 ~ i — 165 195

14.5 -1 1 225

4 H tiempo ( ts)

78

2,4.2, Observaciones Generales

1, Al observar los resultados de dureza obtenidos en cl

tratamiento de ferritización realizado, impresos en las

gráficas, páginas 71 a 77 vemos que las coladas No, 1, 2,

3, 5, 13, 15, 16, 18 y 19, alcanzan una dureza de 160 HB

para un tiempo de 5 horas de sostenimiento a 690*0 y los

resultados obtenidos son muy similares. Esta dureza, 160

HB, corresponde a matriz ferrítica. Las coladas No. 10 y

12 difieren considerablemente de las anteriores, pues pa­

ra 5 horas a 690*0 sólo se alcanza una dureza de 220 HB.

2, Al» observar, en la Tabla # 1, las composiciones quim_i

cas de las diferentes cc ladas ferritizadas, vemos que to -

das ellas tienen el % de carbono entre 4.20 y 3,0, el % de

Silicio entre 2.78 a 2.28 y el % de manganeso entre 0.46 y

0.26, Asi mismo se ve que las coladas No,l, 2, 3 y 5 tie -

nen porcentajes de Cobre, Niquel y Cromo inferiores a 0.09.

Las coladas No, 13, 15, 16, 18 y 19 tienen porcentajes de

Niquel y de Cobre superiores a 0,1 y las coladas No. 10,

11, 12 y 14 tienen porcentajes de cobre superiores a 0.1 y

porcentajes de niquel inferiores a 0.04,

3, En los resultados se puede observar que para todas las

coladas, la probeta enfriada al aire desde la temperatura

79

de austenización (900*0) presenta una dureza entre 280 HB

y 320 HB, verificando así que las probetas intrcxiucidas a

las sales, cuya temperatura era 690*0, tenían matriz per-

litieeL, la cual mediante un sostenimiento a esta tempera­

tura transforma en matriz ferrítica.

La dureza de las probetas enfriadas al aire se ubican en

las gráficas HB vrs. tg en ts = O .

2,4,3, Bandas de Dureza

Los resultados obtenidos en la ferritización se pueden a-

grupar en tres bloques :

1, Los correspondientes a las coladas No.l, 2, 3 y 5.

Estas coladas tienen pequeñas trazas de cobre y niquel.

2, Los correspondientes a las coladas No. 13, 15, 16, 18

y 19. Estas coladas tienen porcentajes de cobre y niquel

superiores a 0.1

3, Los correspondientes a las coladas No. 10 y 12. Es­

tas coladas tienen porcentajes de cobre superiores a 0.1

y porcentajes de níquel inferiores a 0.04.

Los elementos base de todas las coladas tratadas están den

tro del rango dado en la observación # 2 y coinciden eon

80

el estipulado en la Tabla # 2.

Dado que los resultados de las coladas No, 1, 2, 3 y 5 son

muy similares, se elabora una banda de dureza que los agru

pe. Gráfico No, 4

De igual manera y por la misma razón se elabora una banda

de dureza que agrupe los resultados de las coladas No, 13,

15, 16, 18 y 19, Gráfico No, 5,

ídem para las coladas No, 10, 11, 12 y 14. Gráfico No.6 .

Las bandas se elaboran con los valores promedios de dure­

za; tomando el valor promedio máximo y el valor promedio

mínimo.

La información que dan estas bandas es válida para las di­

ferentes composiciones siempre y cuando se parta del esta­

do perlitico.

8 1

HB i ( K g / m m 2 )

Gro f ic o N® 4

Bondo de f e r r i t i z a c i ó n

HB Vrs t s .

t e m p . de s o s t e n i m i e n t o 6 9 0 * ' c í i o * * c

r o n g o de composicio 'n q u í m i c a

% C % M n % S i % N i %Cu */o Cr

3,55 0,33 2.78 0.07 0.08 O O O O O < 0 .054

3.30 0.30 2 .45 0.04 0.07

4 0 60 J_

120 I

210

-Tr­i s 4 5 75

~T— 105 135

1 1— 165 195

3

T T 2 2 5 255

4

—I 285 •"* '

5 Hs. t ieinpo(ts)

82 ( K g / m m 2 )

Gráf i co N ** 5

Bonda de fe r r i t i zac ión HB Vrs ts

temp. de sostenimien to 690 '»C- iO ' ' c rango de composición química

7o C % M n 7o Si 7o Ni 7oCu 7o Cr 4 . 3 0 0 . 4 7 2 .55 0.12 0.0 8

O a o o o •< 0.0 8 3.0 0.37 2 .35 0 .08 0^11

2 8 5 mts.

5 Hs

t i empo ( ts )

83

( Kg /mm2)

G r á f i c o N * 6

9 0 ° C - I o "C

ímica

i % C u 7oCr

6 0.3 9 a < 0-0 5

2 0.15

84

2.4,4. Observación Metalográfica

La observación metalográfica permite conocer la clase y

cantidad de transformación ocurrida en el proceso al avan­

zar, el tiempo de ferritización (ts a 690*C),

Mediante las diferentes observaciones realizadas pudimos

establecer que el proceso de ferritización se efectúa en

tres etapas, a saber :

1* El espesor de las laminillas de cementita y de ferri­

ta que componen la perlita va aumentando, es decir, la per.

lita se va haciendo cada vez más gruesa y por tanto, más

resoluble su forma laminar al microscopio.

2* La cementita va transformando su forma laminar en glo­

bular. Esta globulizaeión se da por zonas, existiendo si­

tios en la probeta donde ha sido muy rápida y otros donde

ha avanzado poco,

3* La última etapa de la ferritización consiste en la de£

composición del carburo de hierro (cementita) en hierro

alfa (Ferrita) más carbono libre que se difunde hacia los

nodulos de grafito existentes.

Las coladas sometidas a ferritización, presentaron en ge -

85

neral la secuencia anterior. Sin embargo en algunos, la

última etapa no se dio completamente, bien porque el tiem

po necesario para la ferritización fue insuficiente o por

que contenían pequeñas cantidades de elementos estabili -

zadores del carburo de hierro.

Se hará la descripción de la colada No.5 como representa­

tiva de lo ocurrido y lo descrito es extensible a las o -

tras, teniendo en cuenta que las coladas en las cuales no

se obtuvo una dureza de 150 HB aproximadamente, después

de un ts entre 4 y 5 horas (ver gráficos HB vs. ts), fue

porque en ellas no se produjo total o parcialmente la ter

cera etapa del ferritizado descrita anteriormente.

Colada No. 5

Probeta 5.11

Presenta aproximadamente 95 % de perlita en la matriz. La

perlita es muy fina. La ferrita existente es alargada y

está \2bicada en los limites de los granos perliticos.

Probeta 5,12

Se aprecia 100% de perlita, pero muy gruesa (a 200 x se

distingue su forma laminar). En algunas zonas ya ha eo -

menzado la segunda etapa del ferritizado, la globulizaeión

de la cementita.

86

Probeta 5.13

Ya existen zonas completamente ferriticas, aproximadamen­

te un 15 % de la matriz y se encuentra alrededor de los

nodulos de grafito. La perlita existente es muy gruesa y

continúa en aumento el proceso de globulizaeión de la ce­

mentita.

Probeta 5.14

Para este tiempo de sostenimiento, 2 horas a 690*0, se ha

logrado 70 % de ferrita. La globulizaeión de la cementi­

ta es casi total.

Probeta 5.15

La misma situación que la probeta 5.14 pero en ésta la

ferritización es de aproximadamente 90 %.

Probeta 5.16

Prácticamente se logró el 100 % de ferritización.

2.5, ENSAYOS JOMINY

Es el método seguido para determinar la templabilidad de

un acero o de una fundición. El ensayo se realizó en 20

probetas de cada una de las coladas siguiendo las recomen

daciones de la designación ASTM A-255-67 (Ref.3).

Con el ensayo se pretende medir la profundidad de temple

87

en una probeta de una pulgada de diámetro, enfriada me -

diante un chorro de agua desde la temperatura de austeni­

zación. La penetración del temple se conoce tomando me­

diciones de dureza a lo largo de una arista de la probeta,

desde el extremo donde el enfriamiento es más rápido has­

ta aproximadamente la cara opuesta.

2.5.1. Condiciones del ensayo

El calentamiento de la probeta hasta la austenización se

realizó en una caja con virutas de fundición que se encon

traba al interior de una mufla marca "Solo", basculante,

que permite conseguir temperaturas hasta de 1.200*0. Las

probetas se introducen en virutas de fundición para evi -

tar la decarburación de las mismas.

La temperatura de austenización fue de : 900*C í 12*0 y

se controló por medio de termocuplas.

Esta temperatura se seleccionó de acuerdo con los resul -

tados obtenidos durante el normalizado a 900*0, resulta -

dos que determinan que para 30 minutos de sostenimiento a

900*C se obtiene austenización completa y homogénea. Por

ello para realizar el ensayo Jominy austenizamos las pro­

betas a 900*0 durante 30 minutos, cumpliendo asi las es -

pecificaciones que sobre tiempo y temperatura trae la Ñor

68

ma ASTM (A-255-67) para el Ensayo Jominy.

El enfriamiento establecido por la Norma se realizó en un

equipo "METASERV" y en todo momento se procuró que el tiem

po transcurrido desde el momento de sacar la probeta del

horno hasta que comience el enfriamiento fuese inferior a

5 segvmdos.

2.6. RESULTADOS DEL ENSAYO JOMINY

2.6,1. Dureza

La medición de dureza se realizó en un durómetro marca

"Wolpert" con el sistema de dureza Vickers por presentar-

2 se valores de dureza superiores a 400 Kg/mm que no son

representativos eon el método Brinell.

En las páginas 89 a 98 se dan las gráficas dureza Vie -

kers (HV) contra distancia (d) en pulgadas, de los ensa -

yos Jominy realizados a las 20 coladas, objeto de nuestro

estudio.

HV

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600 —

5 0 0

4 0 0

3 0 0

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99

2.6.2, Banda de templabilidad

Una inspección simple sobre las gráficas HV vs, d impre­

sas en las páginas 89 a 98 muestra que todas las coladas

excepto la colada No,12, presentan una gran similitud en

la respuesta al Ensayo Jominy. Es decir, para vina misma

distancia en la probeta obtenemos valores de dureza simi­

lares para todas las coladas. Esta similitud permite a-

grupar los resultados en una banda de templabilidad. En

la construcción de dicha banda se excluye la colada No.12

por no presentar templabilidad alguna como consecuencia

de haber transcurrido mucho más de 5 segundos en el paso

de la probeta desde el horno hasta el equipo de enfria -

miento. Así mismo, se'excluyen las coladas No.14 y No.20,

pues presentan composición química diferente a las otras

coladas; contienen porcentajes de cobre de 0.39 y 0.38 %

respectivamente. El cobre como elemento de aleación mejo

ra la templabilidad y estabiliza la perlita.

Para construir la banda de templcibilidad que se da en la

gráfica No.7/ pág.103 se tomó el valor máximo y el valor

mínimo para cada 1/16 de pulgada. Esto se hizo para las

probetas correspondientes a 17 coladas.

En la gráfica No.8, pág. 104 los valores de dureza Vickers

100

del gráfico No.7, pág. 103 se han transcrito a Dureza Roc­

kwell y las distancias se dan en escala logarítmica eon

el propósito de poder establecer comparaciones con las

bandas de templabilidad que trae el Metal Handbook, Vol.l

(Ref.l) para los aceros. Después de realizar múltiples

comparaciones se vió que la banda de templabilidad que

mayor analogía presenta con la banda de templabilidad de

la fundición nodular (rango estudiado) corresponde a un

acero 1041, Por tanto, en el gráfico No.8 se dan dos

bandas de templabilidad : la continua corresponde a la

fundición nodular y la discontinua corresponde al acero

1041,

En la Tabla # 8 se dan los valores de dureza máximo y mí­

nimo que permiten construir tanto el gráfico No.7 como el

No. 8 ,

TABLA # 8

DISTANOIA DUREZA MAXIMA DUREZA MÍNIMA.

(1/16")

1

2

3

4

Vickers

724

689

689

642

3-(Rockwell

(61.2)

(59.6)

(59.6)

(57.3)

0) Vickeri

493

428

345

311

s-(Rock

(48.6)

(43.5)

(36.0)

(30.8)

101

Continuación .

DISTANCIA DUREZA MAXIMA DUREZA MÍNIMA

(1/16")

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

17

18

19

20

21

22

23

24

Vickers

525

446

397

345

322

322

247

317

311

306

302

297

297

287

287

287

283

274

270

260

5- (Rocki

(50.8)

(45.0)

(40.4)

(36.0)

(32.4)

(32.4)

(21.7)

(32.1)

(30.8)

(30.4)

(30.0)

(29.2)

(29.2)

(28.0)

(28.0)

(28.0)

(27.9)

(26.9)

(25.5)

(24.2)

Vickers-(Rockwell O)

274

266

251

254

243

237

230

230

230

230

227

230

230

230

209

217

217

215

217

201

(30.6)

(25.3)

(22.0)

(22.8)

(20.6)

(18.5)

(17.6)

(17.6)

(17.6)

(17.6)

(17.4)

(17.6)

(17.6)

(17.6)

(12.8)

(15.2)

(15.2)

(14.8)

(15.2)

(11.0)

102

Continuación ...

DISTANCIA DUREZA MAXIMA

(1/16") Vickers-(Rockwell O)

28 258 (23.3)

32 243 (21.0)

36 243 (21.0)

40 237 (18.5)

DUREZA MÍNIMA

Vickers-(Rockwell O)

201 (11.0)

196 (10.0)

179 ( 5.5)

186 { 7.8)

1 0 3

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105

2.6.3. Observación Metalográfica

Se hace con el fin de relacionar la dureza en determinado

punto de la probeta Jominy con la estructura en dicho lu­

gar. Las probetas Jominy correspondientes a las 17 cola­

das presentaron una respuesta muy similar a la penetración

del temple, y es por eso que sólo hademos la descripción

metalográfica de una probeta Jominy.

COLADA No, 1

O" - 1/16" : Se presenta una estructura acicular;

agujas pequeñas de martensita.

1/16" - 1/8" : Estructura acicular; agujas de marten­

sita más gruesas. Aparece un poco de

ferrita acicular.

1/8" - 3/16" : Aparecen las agujas de martensita más

gruesas. Aumenta la cantidad de ferró.

ta a 10 %,

3/16" - 1/4" : Se presentan las agujas en mayor tama­

ño y la ferrita es cerca del 15 % .

1/4" - 5/16" : El tamaño de las agujas ha aumentado,

lo mismo que el porcentaje de ferrita.

5/16" - 3/8" : Aparecen pequeños granos de perlita fi­

na. Aumenta el contenido de ferrita.

106

3/8" - 7/16"

7/16" - 1/2"

1/2" - 9/16"

9/16" - 5/8"

5/8" - 11/16"

11/16" - 3/4"

Aumenta la cantidad de granos perliti­

cos. Disminuye la estructura acicular,

aumenta la cantidad de ferrita y coraie

za a conformarse en granos.

Prácticamente ha. desaparecido la estruc

tura acicular. Aumentan los granos

perliticos y están mejor conformados.

Un poco después de 1/2" el contenido

de perlita es del 80 % y el de ferrita

20 % aproximadamente. A los 9/16" la

ferrita ha llegado al 50 % y la perli­

ta al 50 % .

Los porcentajes de perlita y de ferri­

ta son similares (50 %).

Similar a la anterior.

Avimenta la ferrita de manera progresi­

va hasta el final de la probeta, lie -

gando al final de la probeta a 70 % de

ferrita y 30 % de perlita.