Deefectos Espontaneos de Solidificacion en Hierro Nodular Hipereutectico

DEFECTOS ESPONTÁNEOS DE SOLIDIFICACIÓNEN HIERRO NODULAR HIPEREUTÉCTICO.

Norberto RIZZOValencia, Venezuela

Asesor en Alto Rendimiento en Hierro Gris y [email protected]

RESUMEN

En este trabajo examinaremos por qué, bajo ciertas circunstancias, piezas coladas en Hierro Nodular Hipereutéctico, regularmente producidas con probados buenos resultados en el tiempo, intempestivamente y en forma puntual presentan Defectos Asociados a la Solidificación, sin que en Apariencia se haya introducido cambio alguno en el Proceso, Composición Química, Sistemas de Alimentación o Materias Primas.

Nos referimos a los defectos que surgen en forma Espontánea en algunas corridas de producción y que con la misma facilidad suelen desaparecer.

Presentaremos ejemplos tomados de la práctica, donde se analizan desde los clásicos Rechupes en sus diferentes versiones, pasando por las elevadas Durezas debidas a estructuras no deseadas, hasta las menos frecuentes y conocidas Exudaciones Eutécticas, cuya aparición suele desconcertar a los fundidores que -al no relacionarlas con la verdadera causa generadora, los lleva a implementar acciones correctivas no siempre correctas.

Palabras claves:

Solidificación, Solución, Suspensión, Expansión, Contracción, Rechupe, Carburos, Exudación Eutéctica, Recarburantes Carbonáceos

INTRODUCCIÓN

Si bien la aparición de defectos relacionados con la solidificación en plantas de fundición es una realidad a la que debemos enfrentarnos sistemáticamente, también lo es el hecho de buscar soluciones efectivas, ubicando las verdaderas causas y el verdadero origen que nos permitan su pronta corrección.

Ante tal realidad, probablemente la mayor dificultad sea no contar con una clara idea del origen de estos defectos, lo que hacer difícil decidir qué acciones tomar para lograr su solución sin tener que recurrir a la aplicación de los clásicos ajustes -muchas veces intuitivos- que deberán ser comprobados mediante ensayo y error, con la gran probabilidad de no solucionar definitivamente el problema.

Para evitar caer en los ciclos sistemáticos de ajuste de los sistemas de alimentación, cambio de composición química o modificación de alguna variable de proceso, deberíamos poner atención en aquellos aspectos que -paradigmáticamente- los consideramos como de comportamiento Estable en la práctica, cuando en la realidad puede que no lo sean. Nos estamos refiriendo a la forma en que estas aleaciones se comportan durante la solidificación.

CONSIDERACIONES

CÓMO SOLIDIFICAN LOS HIERROS NODULARES HIPEREUTÉCTICOS

TÓPICO: FUNDICIÓN DE HIERRO GRIS Y NODULARPágina 1 de 17

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Según la bibliografía, el comportamiento que asume el líquido en este tipo de composiciones durante la solidificación varía según los investigadores. Mientras unos demuestran que la solidificación se encuentra asociada a un proceso de expansión, (1) (2) (3) otros concluyen que realmente está acompañada por un efecto contractivo (4) (5).

De tal dualidad de resultados (surgidos de confiables y respetadas investigaciones), se deduce que -en la práctica- el comportamiento del líquido pudiera no ser tan constante como generalmente se considera, sino que podría adoptar un comportamiento variable (6) (7) aun bajo similares condiciones de Proceso, Composición Química, Sistemas de Alimentación o Materias Primas. Surge entonces la inevitable pregunta:

¿Por qué el modo de solidificar cambia, sin que en apariencia nada cambie o, como decimos los fundidores, si siempre hacemos lo mismo?

Al decir “nada cambie o hacer lo mismo”, nos referimos estrictamente a los aspectos productivos y elementos básicos cuantificables que intervienen tanto en el proceso como en la composición química y en las materias primas utilizadas.

El hierro nodular es una aleación formada por Hierro, Carbono, Silicio, Magnesio y otros elementos, cuya solidificación comienza con la nucleación y el crecimiento de Nódulos de Grafito que poseen una densidad específica que es sólo una fracción de la del líquido que contiene al elemento que lo forma, el Carbono (7). Durante este proceso, se genera un aumento del volumen conocido en la práctica como Expansión Grafítica, concepto que hace Suponer la presencia de un Infalible comportamiento expansivo durante la Solidificación.Sin embargo, al analizar este fenómeno desde el punto de vista de las densidades en juego, tanto la del hierro líquido como la del carbono disponible para formar dichos nódulos de grafito al momento al solidificar, H. J. Coe (8) obtuvo -mediante cálculo- cambios volumétricos pocos significativos como para promover grandes expansiones.

De todas maneras, si nos remitimos a lo que vemos en la práctica cotidiana, esta situación nos demuestra que -en determinadas circunstancias- esa expansión asociada a la formación de los nódulos es Muy Evidente, mientras que en otras ocasiones (y sin existir cambios en la actividad operativa), la presencia de contracciones y cavidades internas en las piezas hace inobjetable la existencia de un comportamiento contractivo. Esta ambigüedad plantea la necesidad de conocer todos los aspectos inherentes a la forma en que el carbono interacciona en la estructura del líquido en los instantes previos a la iniciación de dicha solidificación.

Forma en que el Líquido contiene al Carbonoen los instantes previos a la solidificación

Según Lloyd Thomas (9), la variable que determina el verdadero estado del carbono en el hierro líquido es el tamaño de las partículas que desarrolla en su seno, pudiendo encontrarse éstas bajo diferentes modos de Disolución, tales como:

a) Soluciónb) Suspensiónc) Flotaciónd) Monóxido de Carbono (CO)

donde:

a) Solución: es una mezcla microscópicamente homogénea, donde el carbono se encuentra en su mínima expresión de tamaño, el atómico, comportándose sólo como un Elemento Químico (10), sin estado cristalino, y -por ende- sin capacidad nucleante asociada, formando con el hierro una solución intersticial en la cual el carbono recién ocupa volumen en la estructura del líquido después de alcanzar su máxima densidad en torno al 3% C (11¹).


b) Suspensión: consiste en una solución no-homogénea, formada por una suspensión coloidal constituida por micro-grupos de carbono, cuya naturaleza aún no está bien definida (11¹).

Según Thomas, estos substratos van desde unos pocos átomos hasta billones de ellos (9), mientras que otras investigaciones sostienen que éstas pueden alcanzar tamaño microscópico de 1µm, el cual aumentará con la presencia de mayores porcentajes de Carbono Equivalente (CE), Temperaturas, Tiempos de sostenimiento y menores % Si, pudiendo alcanzar en algunos casos los 20 µm (11¹).A diferencia de la solución modo (a), la suspensión modo (b) es portadora de Substratos con Estructura Cristalina y Capacidad Nucleante asociada a partículas que sí ocupan Volumen en la estructura del líquido.

c) Flotación: si bien este carbono también es parte del total existente en el porcentaje de Carbono Equivalente determinado por análisis químico, debido al gran tamaño de partículas, éstas no logran desarrollar actividad química con el líquido por no alcanzar una concentración efectiva como soluto, estando presentes en éste sólo como cualquier otra inclusión exógena que -si bien no participa en el mecanismo de solidificación-, sí influye en forma indirecta en la solidificación si su porcentaje es elevado.Decimos en forma indirecta, ya que una elevada presencia de Carbono bajo este modo (c) restaría cantidades significativas de carbono activo al resto del baño, empobreciendo el líquido por disminución en la cantidad disponible de este elemento en los modos (a) y (b) y modificando así la actividad química final de todo el baño, la cual -en definitiva- será la responsable del comportamiento que asumirá el líquido durante su solidificación.

d) Monóxido de Carbono (CO): debido a los muy bajos valores en ppm de oxígeno existente en el baño en este tipo de aleación, la cantidad de carbono involucrada no afecta ni modifica la solidificación.

El Porcentaje de Carbono ylos modos de Disoluciones Presentes en el Líquido

Según el Ductile Iron Handbook, en las aleaciones Fe-C con <3,5 % C, el líquido estará conformado por una Solución Homogénea modo (a), mientras que para contenidos >3,5 % C, rango que corresponde a las composiciones Nodulares Hipereutécticas, el líquido estará constituido por una Suspensión no Homogénea modo (b) formando dispersiones dinámicas difundidas en una Solución homogénea modo (a) (11¹), donde su nivel de saturación dependerá de un conjunto de variables. Éstas pueden ser el %CE, el % Si, la Temperatura final de fusión, la Temperatura y el Tiempo de sostenimiento en proceso antes de ser colado, etc.

Por lo tanto, la solidificación de una composición Hipereutécticas comenzará desde un líquido formado por un modo (a+b), donde (b) iniciará su precipitación grafítica al alcanzar la temperatura fijada por la línea del Liquidus del diagrama Fe-C estable.Mediante nucleación y crecimientos se irán formando los nódulos primarios, proceso que continuará hasta llegar a la Eutexia, donde una predominante solución homogénea modo (a) iniciará -mediante Reacción Eutéctica- la formación de los nódulos Eutécticos.

Por consiguiente, mientras los nódulos primarios dependerán de la cantidad de suspensión no homogénea modo (b) presente en el líquido, los nódulos Eutécticos lo harán partiendo de una predominante solución homogénea modo (a), lo que implica que el concepto de una única fracción grafítica generadora de todos los nódulos presentes en la estructura no se cumple en el caso particular de las composiciones nodulares hipereutécticas. En efecto, dicha fracción estará conformada por dos Semi-Fracciones Grafíticas (SFG) diferentes, la Semi-Fracción Primaria


(SFP), conformada por nódulos Primarios y la Semi-Fracción Eutéctica (SFE), conformada por nódulos Eutécticos, donde su principal diferencia radica en cómo se forman y crecen cada uno de estos tipos de nódulos durante el proceso de solidificación (12) (13).

Diferencias entre nódulos Primarios y Eutécticos

Si analizamos los mecanismos de formación y crecimiento de los nódulos según sus orígenes, encontramos discrepancias muy significativas entre ambos, pudiendo cada uno influir en forma muy diferente sobre la manera en que el líquido solidifique.

Los nódulos Primarios comienzan su formación en el líquido (14) a Presión Constante por hacerlo en un sistema de colada totalmente abierto por el solo hecho de estar líquido, promovidos por fuerzas termodinámicas de precipitación débiles (11²), a la temperatura más elevada y con el mayor rango de variación durante todo su crecimiento, nutriéndose de micro-grupos provenientes de una suspensión no homogénea pre-existente modo (b) en el líquido en el cual el Carbono ya ocupa volumen.

Debido a que la velocidad de difusión del carbono en el líquido es aproximadamente 20 veces mayor que en el sólido (14), un largo tiempo de enfriamiento y una baja presión metalostática pueden transformar a los incipientes nódulos que crecen en el líquido en un sumidero de carbono, absorbiendo -además de los clústeres en suspensión- parte del carbono de la solución homogénea y formando así grandes nódulos (15) con diámetros >45 µm (16) (12) (13), asociados a un bajo conteo (17).

Con respecto a los nódulos eutécticos, a diferencia de los anteriores, éstos inician su formación por migración desde una solución líquida intersticial modo (a) donde el carbono (que no ocupa volumen) forma nódulos a la temperatura casi isotérmica más baja posible, con la velocidad de difusión más lenta de todo el proceso de solidificación, impulsado por fuerzas muy altas generadas por la abrupta pérdida de solubilidad de una fase líquida que contiene 3.5 %C que solidifica y un sólido que se genera con capacidad de solo retener 1.2 %C según diagrama Fe-C, con 2.5% Si (34). Este proceso desarrolla elevadas presiones (18) (19) y -al estar el o los ataques de colada totalmente solidificado/s- lo convierte en un sistema cerrado donde la solidificación se llevará a cabo en condiciones muy cercanas a la de Volumen Constante, generándose así nódulos con diámetros <45 µm (16) (12) (13) y cantidades asociadas a mayores conteos (17).

FIGURA I

Para su visualización, en la Figura I podemos observar una micrografía de 422 nódulos/mm² con presencia de ambos tipos de nódulos, donde los Primarios se identifican por un círculo amarillo y el resto corresponderá a los Eutécticos.


Parámetro que rige el Comportamiento delLíquido Hipereutéctico en la Solidificación

Durante la producción de hierro nodular, es práctica estándar realizar análisis metalográficos sobre cupones (20) o partes de piezas, con la finalidad de verificar si lo colado es nodular y si se encuentra dentro del rango especificado.

El análisis consiste en evaluar los distintos aspectos de la típica clasificación por Tipo, Tamaño y Cantidad de nódulos por unidad de área en varios campos de la muestra, promediar y comparar lo observado contra cartas estandarizadas (11³). También puede usarse un software analizador de imágenes, el cual -mediante mediciones exhaustivas- es capaz de recabar una detallada información sobre cada uno de estos aspectos.

Sin embargo, en la práctica, cuando el análisis se hace manualmente, lo más usual en la rutina es limitarlo a verificar solamente a simple vista el grado de esferoidicidad (Tipo) de los nódulos presentes, determinando así el porcentaje de nodularidad de la estructura. Se resta así importancia a las variables Tamaño y Cantidad de dichos nódulos, tal vez porque -en la práctica- pareciera que estos aspectos no ejercen ninguna influencia en el resultado final del producto.

En nuestros trabajos (12) (23), tomando como base el Tamaño, hemos clasificado a los nódulos por su origen y, tomando como base la Cantidad por origen, hemos conformado las SFP y SFE determinadas por conteo y expresadas en porcentaje.

Debido a que ambas semi-fracciones presentes en la estructura son complementarias, las hemos relacionado entre sí mediante un índice, que denominamos Relación entre Semi-Fracciones Grafíticas (RSFG) (1)

RSFG= SFE/SFP (1)

Se trata de un índice adimensional que -en nuestros estudios (12) (13)- lo hemos vinculado con las variaciones volumétricas que presenta este tipo de aleación durante la solidificación, haciendo posible una buena estimación práctica sobre cuál ha sido el comportamiento del líquido durante el proceso de solidificación en la zona analizada micrográficamente. Este concepto es válido, en nuestro caso, para aquellas estructuras formadas en módulos geométricos con valores entre 0,30-0,90 cm y una densidad nodular por conteo superior a los 250 nódulos/mm².


GRÁFICO A En el Gráfico A hemos representado las curvas de tendencia surgidas entre la RSFG y la variación volumétrica encontrada en cuerpos de prueba, sin mazarotas, para dos diferentes módulos de ataque, 0,2 y 0,3 cm (12) (13), de donde se desprende que valores < 20 de este índice (generados por una predominancia de nódulos primarios en la estructura) hacen que el líquido se comporte Contractivo durante la solidificación, mientras que valores > 70 (que corresponden con una elevada presencia de nódulos eutécticos) hacen que el líquido solidifique expansivo.

Un valor de 30 y su entorno hace que el líquido quede libre de variaciones volumétricas, por equipararse la expansión grafítica con la contracción del enfriamiento liquido-liquido + solidificación.

De lo anterior surge que la variación volumétrica durante la solidificación estará regida por la RSFG, que relaciona las cantidades de nódulos eutécticos y primarios presentes en su estructura, cuya determinación está basada en los parámetros Tamaño y Cantidad, que en la práctica no son considerados realmente influyentes en la calidad final de la pieza.

Qué origina la aparición de los Defectos Espontáneos

Ya hemos mencionado cómo los diversos modos de disolución del carbono en el baño promueven distintos tipos de nódulos en la estructura y hemos determinado cómo la relación entre estos tipos de nódulos puede modificar el comportamiento del líquido durante su solidificación, pero ambas premisas no aportan información alguna sobre el porqué de la aparición de estos defectos sin que exista algún tipo de alteración que la genere.

Con la finalidad de encontrar en la práctica el verdadero origen de este tipo de defectos, introdujimos al proceso -como control sistemático- la determinación del índice RSFG en todos los análisis metalográficos realizados a cada uno de los tratamientos de nodulización de todas las coladas.

Durante el control de miles de batches fuimos encontrando coladas en las que se presentaban cambios significativos en los valores del índice RSFG, a pesar de contar con muy similares condiciones de proceso y composición, situación que motivó una exhaustiva revisión del proceso de fusión, detectándose así situaciones generadas por Desprolijidades Operativas. Éstas consistían en que algunos operadores utilizaban el retorno en función de la cantidad disponible, aumentándolo o disminuyéndolo significativamente según las circunstancias, llegando a prepararse desde coladas prácticamente sin retorno, hasta coladas con un muy elevado porcentaje de éste, generándose -en ambas situaciones- fuertes modificaciones en las cantidades de recarburante utilizado para alcanzar el %C final buscado, valor con el que siempre se cumplía fielmente.

Este simple pero muy importante detalle ocurrido en distintas y repetidas ocasiones nos dejó ver la gran influencia que ejerce la forma de proveer el carbono al baño sobre el comportamiento del líquido, poniendo en evidencia que el % CE (determinado por vía química) no necesariamente nos asegura un correcto comportamiento del líquido durante su solidificación.

Con la finalidad de minimizar tales variaciones, se retomó la práctica correcta de respetar las cantidades fijadas (tanto de retorno como de recarburante) durante la preparación del baño que -en nuestro caso- era sintético, alertándonos sobre los cambios que se presentaban cuando se reemplazaba una de las formas de aportar carbono al baño por otra y sobre cómo su relación afectaba el comportamiento del líquido durante la solidificación, aspecto que debería ser analizado en detalle.


Evidentemente, al mantener constantes las cantidades de retorno y consecuentemente las de recarburante en cada colada, el comportamiento del líquido se estabilizó, pero -aun así- se mantuvo un estricto control metalográfico que incluía la determinación del índice RSFG sobre cada tratamiento.

Con una mayor estabilidad en el comportamiento (que fue mantenida en el tiempo) pudimos pensar en la posibilidad de elevar progresivamente el rendimiento en los diseños de los herramentales, cuyo promedio -para ese entonces- se encontraba en el orden del 55%.

Con la incorporación a producción de nuevas referencias, diseñadas con mayor rendimiento gracias al uso de sistemas de alimentación más livianos, mazarotas más pequeñas y una mayor cantidad de figuras por molde (debido al espacio liberado en placa (21) (22) (23) (24)), continuamos trabajando con una aceptable estabilidad en el proceso.

Con la entrada de más referencias con alto rendimiento, se fue elevando paulatinamente el promedio general y con ello se fue reduciendo la cantidad de retorno disponible, originando que el líquido comenzara nuevamente a dar síntomas de inestabilidad mediante la presencia de defectos que denominamos espontáneos, por su forma de presentarse y desaparecer.

A partir de un rápido análisis, se pudo determinar que la única variación introducida al proceso era la utilización de un 50% más de los mismos recarburantes agregados para poder compensar así la menor cantidad de carbono aportado por una cantidad reducida de retorno, que sólo representaba el 30% de la carga.

Esta situación sugería que la aparición de defectos relacionados con el comportamiento del líquido, no sólo estaba relacionada con los recarburantes, sino con la cantidad utilizada de estos, evidenciándose así que la estabilidad alcanzada también dependía de la Relación entre estas materias primas y el propio Retorno (ya que cualquier variación significativa de alguna de ellas desestabilizaba el baño).

Tal situación nos llevó a realizar un exhaustivo análisis, no sólo de los recarburantes utilizados en nuestra planta, sino también de los disponibles en el mercado. Este análisis se realizó en reconocidas Universidades y laboratorios metalúrgicos de distintos países, junto a pruebas de comportamiento en planta. Los detalles y resultados de dicho análisis (no publicados) escapan a los alcances de este trabajo pero se puede decir que éstos ponen en evidencia la gran influencia que ejercen los diferentes tipos de Recarburantes Carbonáceos cuando son utilizados como única fuente proveedora de todo el nuevo carbono incorporado al baño. En nuestro caso, esto resulta mucho más crítico por tratarse de una preparación totalmente Sintética y con muy bajos porcentajes de retorno, como los ya mencionados.

Los Recarburantes y su Relación con los Defectos Espontáneos

En el mercado existe una multiplicidad de recarburantes Carbonáceos (25) (26), todos ellos de Muy Buena Calidad si se los evalúa desde aspectos básicos tales como la pureza de su composición (lo que en la práctica no siempre puede verse como una ventaja real (27)) y la Capacidad de Disolución o facilidad para ser incorporado al baño (28) (atributo que si bien es importante, no define qué tipo de disolución asumirá el carbono en la estructura del líquido ni en qué proporción -entre las posibles mencionadas- lo hará).

Si tenemos en cuenta que las características puramente químicas de cualquier recarburante son prácticamente independientes del modo de disolución que el carbono asuma en el baño, la calidad evaluada por esta vía nunca podrá ser relacionada con los diferentes tipos de disolución que este elemento logre formar en el líquido y -menos aún- con el comportamiento final que sea capaz de generar durante su solidificación.


A partir de los datos recogidos en los estudios y análisis realizados (como los recabados en pruebas de uso en la actividad productiva cotidiana), sobre los distintos recarburantes a los que se tuvo acceso y a partir de los valores comparativos surgidos de los análisis metalográficos de control mediante la determinación del índice RSFG, podemos decir que la influencia que los recarburantes ejercen sobre el comportamiento del líquido durante la solidificación es Muy Significativa. En efecto, existen desde los que pueden hacer que un líquido solidifique totalmente contractivo, hasta los capaces de hacer que el líquido solidifique fuertemente expansivo, pasando por otros que podríamos considerarlos intermedios por presentar esas mismas tendencias pero en forma más moderada, con un rango de variación que puede ir desde líquidos ligeramente expansivos hasta líquidos suavemente contractivos.

Otro aspecto a tener muy en cuenta es la estabilidad del comportamiento que esta materia prima genera en los líquidos, pudiendo decir que en el mercado existen desde los que lo hacen aceptablemente estables como para mantener un proceso sin grandes sorpresas, hasta los que podríamos clasificar como variables, capaces de generar fluctuaciones significativas aun dentro de una misma partida, situación que suele desconcertar al fundidor al no imaginar que el origen de tal variación es generada por esta materia prima.

Otra situación que puede ser creada por los recarburantes es la de promover una Solidificación Dual, o sea, permitirle al líquido solidificar obedeciendo simultáneamente a los dos tipos de diagramas de equilibrio Fe-C, donde una parte responde al diagrama estable hierro-grafito y la otra al meta-estable, hierro-cementita.

Esta dualidad en la forma de solidificar puede ir desde la presencia de una pequeña fracción meta-estable (que -en la práctica- se pone en evidencia al observar una elevación de la dureza por la presencia de una mayor cantidad de perlita en su matriz, la que químicamente debería corresponder con una estructura predominantemente ferrítica, si nos basamos en los porcentajes de los elementos gamágenos presentes en su composición) hasta una fracción mayor que puede evidenciar -en su estructura- la presencia de un constituyente que suele ser mal clasificado, al que generalmente se lo denomina carburos, cuando en realidad se trata de uno de los constituyentes del eutéctico meta estable, el cual -por la dinámica de la solidificación- se podría definir como Pseudo- Ledeburita Transformada, una presencia totalmente atípica para una composición química prácticamente libre de elementos formadores y estabilizadores de carburos y un proceso de inoculación es normal.

FIGURA II FIGURA III

En la Figura II se pueden observar nódulos primarios (grandes) y pocos nódulos eutécticos (pequeños) con muy bajo conteo en una matriz con muy alto porcentaje de perlita y bajo porcentaje de ferrita. Sin embargo, según su análisis químico, debería corresponder a una matriz con 90% de ferrita.

En la Figura III se pueden observar pocos y grandes nódulos primarios, con ausencia total de nódulos eutécticos, debido a que todo el carbono en solución homogénea (que debería originar nódulos eutécticos al alcanzar la Eutexia debido a una muy elevada afinidad química carbono/hierro generada por características propias del recarburante) estabilizó la formación de cementita, en lugar de promover nódulos de grafito eutéctico durante la solidificación final. Es decir, la solidificación se rigió por el diagrama Meta-Estable Fe-Cementita, a pesar de contar con un análisis químico correcto y un adecuado proceso de inoculación.


Ejemplos de Defectos Espontáneos tomados de la Práctica

A) Rechupe Primario

En la Figura IV se observan dos cortes sobre un mismo tipo de carrier, uno con rechupe primario y otro libre de defecto.

Micrografías tomadas en idénticas zonas en ambas piezas de distintas coladas determinan que la zona defectuosa presenta 325 nódulos/mm² (donde 9,5% son Primarios y 90,5% son Eutécticos) y una RSFG=10, mientras que el análisis de la zona sana muestra 481 nódulos/mm² (donde 1,8% son Primarios y 98,2% son Eutécticos) y una RSFG= 56.

FIGURA IV

Según el Gráfico B, tomando como base un módulo de ataque a la pieza de .3 cm (curva azul), se puede ver que la zona de la pieza defectuosa presentó una contracción por solidificación del 1%, mientras que la zona libre de defecto presentó una expansión del 0,9%.

GRÁFICO B

El motivo que generó el defecto fue un cambio de comportamiento del líquido durante la solidificación, que se debió a una considerable disminución de retornos en la carga y a un aumento en la cantidad de recarburante utilizado para alcanzar el valor prefijado de carbono en el baño.


Ambos análisis ponen de manifiesto cómo el Tamaño y la Cantidad de nódulos presentes en su microestructura evidencian la influencia que ejerce esta materia prima sobre el comportamiento volumétrico del líquido al solidificar.

B) Sopladura (o Rechupe Primario)

En la Figura V podemos observar un tipo de defecto que, por su superficie internamente suave, denota que su formación está asociada a la separación de un gas disuelto en el líquido, el cual forma una burbuja (típica sopladura).

FIGURA V

Según el análisis metalográfico tomado de la zona adyacente al defecto, se observa una estructura conformada por un total de 485 N/mm², para una SFP igual a 14,2%, una SFE igual al 85,8% y un índice RSFG igual a 6,0.

Con el valor del Índice así obtenido y recurriendo al gráfico C, podemos determinar que la variación volumétrica durante la solidificación fue de 1,5%, lo que determina que en esa zona el líquido estuvo expuesto a una contracción durante la solidificación y que en realidad la supuesta sopladura formada por gas con salida al exterior, es un rechupe primario debido al comportamiento muy contractivo del líquido en los momentos previos a la solidificación.

Su origen, al igual que el anterior, fue causado por una disminución significativa de la cantidad de retorno en la carga. Es decir, la preparación del baño fue casi totalmente sintética, generando un aumento en la cantidad de recarburante utilizado para alcanzar el valor prefijado de carbono, situación que modificó el comportamiento del líquido durante su solidificación.

GRÁFICO C

C) Rechupe Secundario


En la Figura VI se observan dos defectos asociados a puntos calientes de la pieza, con la típica presencia de zonas con cavidades inter-dendríticas que forman micro-porosidades.

Una micrografía tomada sobre el Módulo Significativo Menor de la pieza (que es el de mayor volumen con menor módulo geométrico), el cual es el primero en solidificar, posee un valor de .31 cm, conforma todo el cuerpo del Carrier más las aletas de refrigeración y presenta en su estructura sin ataque 600 nódulos/mm² (1 % de los cuales son primarios) y una RSFG= 99. Se trata de características metalográficas típicas de una composición casi eutéctica pura, a pesar de tener una composición química con 4,46 %CE (32) francamente hipereutéctica.

FIGURA VI

Si llevamos el Índice RSFG = 99 al gráfico D, al líquido le corresponde -durante la solidificación- un comportamiento 1,5% expansivo en todo el volumen del módulo significativo menor.

Este tipo de solidificación, siempre asociada con altas fuerzas expansivas, logra deformar todo el molde aumentado el volumen de la cavidad en general; queda así un último líquido ínter-dendrítico remanente en las zonas calientes que -por su estado de confinamiento- es imposible de alimentar la contracción de solidificación, generando así dos rechupes del tipo secundario (31) (32).

Este defecto fue generado por una sustitución paulatina de uno de los recarburantes (que mostraba cierta inestabilidad) por otro (que en pruebas de corta duración y aun cuando el retorno utilizado estaba conformado por el recarburante anterior, funcionaba excelentemente) y -si bien su incremento fue muy gradual- se comenzó a observar una elevación en el valor del índice RSFG a medida que el retorno estaba siendo generado por el nuevo recarburante incorporado. Se creaban así progresivamente expansiones mayores a las esperadas, situación que se corrigió ajustando el sistema de alimentación para adaptarlo a un líquido más expansivo.

GRÁFICO D


D) Exudación Eutéctica

Es el menos común de los defectos en hierro nodular; suele aparecer como consecuencia de la expansión del último líquido que intenta solidificar en un punto caliente de la pieza encerrado por una gruesa piel ya formada que resiste la presión de expansión generada por el líquido al intentar la formación de los nódulos eutécticos. Con el descenso de la temperatura la presión aumenta y la piel colapsa y se derrama el exceso de líquido lo que genera que baje la presión y permite solidificar esa zona al poder expandirse.

Este tipo de defecto también suele aparecer frecuentemente dentro de la cavidad interna de las mazarotas, dentro de un rechupe primario o en algún rincón cóncavo en piezas de hierro gris (30); su rara aparición en piezas de hierro nodular suele desconcertar a los fundidores sobre su origen.

FIGURA VII

Para que este defecto se presente se requiere la combinación de dos factores, un sistema de alimentación diseñado para alimentar piezas coladas con un líquido típico contractivo y el uso de un recarburante inestable en el tiempo, capaz de presentar cambios haciéndose puntual expansivo, por cambiar su forma de disolverse en el líquido.

Todo comienza cuando la zona o punto caliente en cuestión alcanza la Eutexia y el líquido se encuentra rodeado por una rígida piel sólida que lo confina a un volumen constante.

Bajo esas condiciones, el proceso de solidificación se detiene a pesar de haber alcanzado la eutexia y -como la temperatura continúa bajando- la necesidad de formar nódulos eutécticos genera un aumento en la presión interna tal que logra deformar la piel, pequeñas cantidades de liquido comienza a solidificar surgiendo así la típica recalescencia que produce la re-fusión de una zona muy pequeña de esa piel que se perfora y libera el líquido sobrante, bajando así la presión y logrando la solidificación total del punto caliente.

El líquido que se derrama ocupa el volumen entre la superficie externa de la pieza totalmente solidificada y la pared del molde creándose el defecto.

La escama así formada posee un espesor de apenas algunas décimas y un peso de apenas algunos gramos, quedando adherida a la pieza únicamente por la zona por donde exudó, encontrándose todo el resto de la escama (formada por el metal exudado) totalmente despegada de la pieza.

Para corroborar que realmente se trate de este tipo de defectos y no de una unión fría o salpicadura durante el colado, recurrimos al análisis químico tanto del material de la escama como del material de la pieza. Se puede ver que los valores obtenidos definen claramente la diferencia que pone en evidencia que no se trata de la presencia de algún otro defecto, ya que


ambas composiciones solidificaron en condiciones de Presión y Temperatura extremadamente diferentes, tal como lo indican los valores químicos representados en la Tabla I (32).

Composición (%) Sobre pieza Sobre defectoC 3,64 2,96Si 2,51 2,79CE 4,48 3,89

TABLA I

En la Figura VII podemos apreciar la escama adherida a la pieza y su estructura metalográfica tomada de la hojuela en la zona totalmente despegada de la pieza. Se pueden observar nódulos cuyos diámetros varían de 2 a 12 µm, con un conteo del orden de los 2.500 nódulos/mm².

En nuestro caso, este defecto se presentó con cierta frecuencia como el Típico Espontáneo, ya que aparecía y desaparecía sin que se llevaran a cabo cambios en el proceso. Su verdadero origen fueron las variaciones volumétricas por cambio de comportamiento del líquido durante la solidificación, generadas por el recarburante utilizado en esos momentos, el cual mostraba marcada inestabilidad. La solución definitiva fue sustituirlo por completo y -de esta forma- el defecto nunca más se volvió a presentar.

CONCLUSIÓN

La presencia de defectos Espontáneos (que en ciertos momentos del proceso productivo se pueden transformar en sistemáticos si se producen cíclicamente) se debe a fluctuaciones que sufre el comportamiento del líquido durante la solidificación, situación que no puede ser detectada por no ser reflejada por ninguno de los parámetros convencionales de control, tanto químicos como de proceso.

En toda fundición de Hierro Nodular Hipereutéctico, principalmente cuando el baño es preparado en forma sintética con baja utilización de retorno y alto aporte de carbono mediante recarburantes carbonáceos, el punto más Endeble pasa a ser el comportamiento del líquido durante la solidificación.

En este aspecto, el líquido ya no responderá al concepto de una hipereutecticidad constante, calculada en función del contenido de carbono y silicio de su composición química y resumida en el valor de su %CE, como generalmente se considera, sino a la hipereutecticidad surgida de la proporción entre los nódulos eutécticos y primarios que se formen en su estructura durante la solidificación. Estas cantidades se ven muy influenciadas además de las variables clásicas del proceso, por los modos de disolución que asuma el carbono aportado por el o los recarburante/s empleado/s. Estos recarburantes son capaces de transferir al líquido su Estabilidad o Variabilidad, según sean las características de esta materia prima. Esta situación puede afectar de tal manera la RSFG presente que se llegue a modificar El Porcentaje de Carbono contenido en el Eutéctico (valor siempre considerado como Constante en 4,3 %CE), transformando al líquido eutéctico en una composición de Comportamiento totalmente Variable, con un rango de fluctuación entre 4,1 y 4,6 %CE (tal como se observa en la práctica (31) (32)), según sea el valor del módulo térmico que contiene al líquido que solidifica.

Por esta razón, las plantas de fundición eléctricas que utilizan el método de preparación sintética para la elaboración de su metal base, recurren al uso de abundantes cantidades de retorno en su carga, inclusive con la incorporación de arrabio como alternativa, por ser ambas materias primas muy estabilizadoras del comportamiento del líquido durante su solidificación. Esta situación afecta sensiblemente el Rendimiento Metálico por molde (en el caso de tener que generar una


elevada cantidad de retorno) y provoca un Mayor Costo en insumos (en el caso de utilizar el agregado de arrabio como materia prima imprescindible para mantener la estabilidad).

Si la meta es elevar el rendimiento, con un nivel de estabilidad similar a la conseguida en un proceso convencional, habrá que contar con un líquido que no presente fluctuaciones volumétricas durante la solidificación. Esta situación sólo es posible si se cuenta con recarburantes carbonáceos con características de dilución muy Constantes en el tiempo, hecho que le permitirá al líquido comportarse siempre en forma muy estable durante la solidificación.

En cuanto a cómo controlar el comportamiento del líquido durante todo el proceso de solidificación, además de los métodos tradicionales, debemos incluir la determinación metalográfica del índice RSFG en cada uno de los tratamientos, lo que permitirá conocer -en Tiempo Real- cuáles son las tendencias que va asumiendo el comportamiento general del líquido durante la solidificación. De esta manera, se podrá ejercer en forma indirecta un control sobre las variaciones que podrían estar aportando tanto los recarburantes como el conjunto de materias primas utilizadas, evitándose así sorpresas por cambios que podrían ser desde graduales hasta intempestivos, según sea la estabilidad o inestabilidad de los recarburantes y del resto de las materias primas utilizadas.

En el caso particular de tratarse de un proceso Totalmente Convencional con rendimientos que no superen el 55% (situación que implica contar con por lo menos 45% de retorno además de un porcentaje de rechazo, dando como resultado una gran disponibilidad de retorno en cada carga (>50%), más arrabio -si lo hubiera-), la presencia de defectos Espontáneos -en estas condiciones- es una clara evidencia de la utilización de algún recarburante Muy Inestable. En efecto, a pesar de la presencia de una abundante cantidad de retorno estabilizador en la carga, la Variabilidad de esta materia prima es capaz de generar un comportamiento tan errático que alcance a desbalancear al líquido durante su solidificación y generar defectos, siendo la única solución -en este caso- su identificación e inmediato reemplazo.

Comentario Final

Con el transcurrir del tiempo y habiendo desarrollado un muy buen control sobre el comportamiento del líquido mediante el índice RSFG, surgió una solicitud de producción de una nueva pieza, con un alto requerimiento de moldes según las unidades solicitadas.

Se trataba de una caja diferencial modelo 70 a moldear en una máquina Disa 2070 MK2-B que -por sus dimensiones- sumadas a las de su sistema de alimentación (y para respetar estrictamente las recomendaciones del fabricante del equipo de moldeo), sólo admitiría una figura por molde, requiriendo consecuentemente muy poco metal por molde. Esta situación comprometía el funcionamiento normal del colador automático que, por ser sin calentamiento, requeriría para su normal funcionamiento una rápida demanda y renovación de metal líquido que permitiese mantenerse los rangos de temperatura fijados.

Ante tal situación y basados en la estabilidad del líquido alcanzada, se resolvió sacrificar algunas de las distancias entre las figuras y el borde del molde, no siguiendo estrictamente las recomendaciones del fabricante del equipo moldeador, desarrollando en forma Tentativa un herramental Experimental con dos figuras por molde ubicadas en forma horizontal, o sea, perpendicular a la placa.


FIGURA VIII

En la Figura VIII se muestra el diseño final que se le dio al herramental, dotándolo de un sistema de colada de alto rendimiento para dos piezas de 34,2 kg c/u, siendo el peso neto total de 68,40 kg y el peso bruto total de 80,45 kg. El rendimiento fue del 85%, utilizando un filtro por molde y aplicando los conceptos propuestos en los trabajos (21) (22) (23) (24) (33).

De este producto se elaboraron más de 300.000 unidades con un promedio de rechazo de 2.630 PPM en el cliente y un rechazo interno de planta del 7%. Más del 60% de ese valor correspondía a defectos generados por el agrietamiento del pan de arena, debido a lo exigido que se encontraba el molde. Sin embargo, el porcentaje de defectos relacionados con la solidificación fue muy bajo.

Esta experiencia nos demostró que diseños de herramentales con pocas figuras por molde y sistemas de colada muy conservadores, que dan como resultado muy bajos rendimientos, no aseguran por sí solos una mayor estabilidad del proceso ni un menor nivel de rechazo, ya que la solución reside en contar con un líquido de comportamiento muy estable en el tiempo y un sistema de detección de la inestabilidad del liquido mediante el índice propuesto basado en el tamaño y cantidad de nódulos presentes en su estructura.

Agradecimientos

Al Ing. Francisco Benforte, por su ayuda en la evaluación del presente trabajo desde el punto de vista técnico, como director de grandes plantas.

Al ingeniero metalúrgico Hugo F. Grosso, quien -en base a su experiencia en el campo de los procesos de fundición gris y nodular- confirmó los resultados encontrados con el uso del índice Relación entre Semi-Fracciones Grafíticas (RSFG) y su muy útil determinación.

También agradezco a Silvia Bacco (del Centro de Idiomas y Computación) por haberse encargado de la corrección de estilo y la diagramación de este documento.

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Deefectos Espontaneos de Solidificacion en Hierro Nodular Hipereutectico