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MATERIAS PRIMAS PARA LA PRODUCCIÓN
DE HIERRO DUCTIL. La forma esferidal del grafito que caracteriza al
hierro dúctil es producida usualmente con un contenido de magnesio de
aproximadamente de 0.04 a 0.06 %. El magnesio es un elemento altamente reactivo
a la temperatura del hierro fundido, combinándose fácilmente con oxígeno y
azufre. Para economizar magnesio y por la limpieza del metal, el contenido de
azufre del hierro a ser tratado debe ser bajo (preferiblemente < 0.02%), esto se
logra fácilmente en un horno eléctrico por fundición de cargas basadas en
chatarra de acero a hierro en lingotes de calidad especial para la producción
del hierro dúctil, junto con chatarra de hierro dúctil. El bajo contenido de
azufre puede obtenerse también por fundición en una cúpula básica, ya que el
ácido del
hierro fundido de la cúpula tiene un alto
contenido de azufre y normalmente necesita ser desulfurado antes del tratamiento
por desulfurización continua o en serie en un cucharón o recipiente especial. El
tratamiento en cúpula ácida del hierro fundido sin la desulfurización previa no
es recomendable, porque el hierro consume más magnesio y produce excesiva
escoria de sulfuro de magnesio, que es difícil de remover por completo.
Para producir hiero dúctil con la mejor combinación de
resistencia, alta ductilidad y dureza, las materias primas que deben elegirse
serán aquellas con bajo contenido de elementos indeseables, particularmente
aquellos que promueven una matriz de estructura perlítica. Un bajo contenido de
magnesio es también necesario para conseguir ductilidad del material colado y
para facilitar el éxito de los tratamientos térmicos para producir una
estructura ferrítica. Para este propósito es necesario usar chatarra de acero de
calidad especial o hierro en lingotes, también de calidades especiales. Las
calidades de alta resistencia de hierro dúctil pueden ser hechas de chatarra de
acero estructural, hierro en lingotes y retornos de fundición, pero determinados
elementos, tales como, plomo, antimonio y titanio, son mantenidos siempre lo más
bajo posible para lograr una buena estructura de grafito. Esos efectos
indeseables, sin embargo, ser compensados con la adición de una pequeña cantidad
de cerio que da un contenido residual de cerio de 0.003 a 0.01%. Un importante
control de las materias primas implica la exclusión del aluminio que puede
promover fragilizaciones y defectos superficiales en el siguiente cuadro se
muestran los contenidos típicos de los elementos menores de tres materias primas
usadas en la manufactura de hierro dúctil.
CONTROL DE LA COMPOSICIÓN. Carbono. En la
práctica de la fundición en hornos eléctricos, el carbono deriva del hierro en
lingotes, carburizantes y chatarra de hierro fundido. La carburización de cargas
de chatarra de acero se logra agregando grafito de bajo azufre o coque
grafitizado, la proporción de solución y la recuperación del carbono aumenta con
la pureza de la fuente de carbono usada. En cúpula de fundido, el carbono
también deriva del coque cargado. El rango óptimo para este elemento es de 3.4 a
3.85%, dependiendo del contenido de silicio. Por encima de este rango, hay
peligro de flotación de grafito, (especialmente en secciones pesadas) y de un
aumento en la expansión durante la solidificación, que conlleva a
fragilizaciones, particularmente en moldes de arena blanda. Por debajo de este
rango, las fragilidades pueden también ocurrir por la falta de carbono. Silicio.
El silicio entra al hierro dúctil desde las materias primas, incluyendo chatarra
de hierro fundido, hierro en lingotes y ferroaleaciones, y en pequeña parte
desde el contenido de silicio de las aleaciones agregadas durante la
inoculación. El rango preferente es de alrededor de 2 a 2.8%. Más bajos niveles
de silicio conducen a una alta ductilidad en hierros tratados térmicamente, pero
a peligros de carburos en las secciones delgadas, mientras que un alto contenido
de silicio acelera el recocido y ayuda a evitar carburos en las secciones
delgadas. Así como crece el contenido de silicio, la temperatura de transición
dúctil-frágil en hierro ferrítico aumenta. La dureza y la resistencia a la
tracción también aumentan. Carbono equivalente (CE). Los contenidos de carbono,
silicio y fósforo pueden ser considerados juntos como un valor de CE, que puede
ser una guía muy útil para analizar el comportamiento de las fundiciones y
algunas propiedades. Hay varias formulas de CE, y son muy usadas para calcular
las propiedades de la fundición y la estructura solidificada del hierro. Cuando
el carbono equivalente:
CE = c% +1/3 (Si% + P%)
Es igual a 4.3%, el hierro será de composición y estructura completamente
eutéctica, y la desviación del valor de CE desde este valor es una medida de la
cantidad relativa de eutéctico. Si CE es menor que 4.3%, habrá una porción de
dendritas; si CE es mayor que 4.3%, habrá nódulos de grafito primario en la
estructura. El grado de saturación Sc, es a veces usado, para expresar la
proximidad a la composición eutéctica. El valor de Sc puede determinarse por la
siguiente ecuación:
Sc = %C / 4.23 – 0.3 (%Si + % P)
Cuando Sc es menor que 1, el hierro es hipoeutéctico y contendrá dendritas
primarias. Si Sc es mayor que 1, habrá grafito primario en la estructura. El
carbono equivalente líquido (CEL) es una medida de la temperatura de líquidus,
la cual tiene un mínimo valor en la composición eutéctica; que es CEL = %C + %Si
/4 + %P /2. la máxima fluidez ocurre cuando es alcanzado este valor. El CEL solo
puede ser medido convenientemente para hierros no tratados previamente con
magnesio. Es usual pretender valores cercanos a 4.4 – 4.5, valores muy
superiores a estos se restringen para evitar la flotación del grafito.
Manganeso. La principal fuente de manganeso es la chatarra de acero usada
en la carga. Este elemento debe ser evitado para obtener la máxima ductilidad.
En hierros ferríticos este debe ser de 0.2% o menos. En hierros para ser usados
en la condición perlitica, este puede estar en 1%. El manganeso esta sujeto a
una microsegregacion indeseable, esto es así especialmente en secciones pesadas,
en las que el manganeso fomenta la aparición de carburos en los bordes de grano,
lo cual promueve a una baja ductilidad, baja tenacidad y perlita persistente.
Magnesio. El contenido de magnesio requerido para producir grafito esferoidal,
varia entre 0.04 y 0.06%. Si el contenido de azufre inicial es mas bajo que
0.015%, un contenido de magnesio mas bajo (0.035 a 0.04%) pude ser
satisfactorio. Si el contenido de magnesio es demasiado bajo pueden obtenerse
estructuras de grafito compacto con propiedades inferiores, mientras que un
contenido demasiado alto puede promover a defectos superficiales. Azufre. El
azufre deriva del cargado de materias primas metálicas. En cúpulas de fundido,
este también es absorbido por el coque. Antes del tratamiento con magnesio, el
contenido de azufre debe ser lo más bajo posible, preferiblemente por debajo de
0.02%. El contenido final de azufre del hierro dúctil está generalmente por
debajo del 0.015%, pero si el cerio está presente, éste puede ser más alto por
la presencia de sulfuro de cerio en el hierro. Contenidos finales excesivos de
azufre son asociados con escorias de sulfuro de magnesio. Cuando se usa cúpula
de hierro fundido, es común desulfurizar el metal – generalmente con cal o
carbura de calcio, continuamente o en series, antes del tratamiento de magnesio-
a niveles de 0.02% o menores.
Cerio. Puede ser agregado para neutralizar partículas
indeseables de elementos que interfieren en la formación del grafito esferoidal
y para ayudar a la inoculación, en % que pueden variar entre 0.003 y 0.01%. En
fundiciones de muy bajo contenido de elementos menores, el cerio puede ser
indeseable y puede promover formaciones de grafito no esferoidal, especialmente
en secciones gruesas. El cerio es agregado como un constituyente menor en
aleaciones de adición de magnesio e inoculantes para mejorar la estructura del
grafito. Elementos menores que promueven el grafito no esferoidal. Plomo,
antimonio, bismuto y titanio son elementos indeseables que pueden incorporarse
en pequeñas partes con las materias primas en la carga, pero sus efectos pueden
ser neutralizados con la adición de cerio. Elementos menores que promueven la
perlita. Níquel, cobre, manganeso, estaño, arsénico y antimonio, todos promueven
la perlita y son listados en orden creciente de influencia. Pueden ingresar en
el hierro como partículas constituyentes de la materia prima. El cobre hasta un
0.3% y el estaño hasta un 0.1% son usados deliberadamente cuando se requieren
estructuras completamente perlíticas. Una carga de alta pureza es esencial para
lograr estructuras completamente ferríticas o con recocido mínimo. Aluminio. La
presencia de finísimas cantidades uniformes de aluminio en el hierro dúctil
promueve la porosidad subsuperficial y superficial, por lo tanto debe ser
evitado. La mayoría de las fuentes comunes de aluminio son contaminantes en
aceros y en chatarra de hierro fundido (como ejemplo tenemos, los pistones de
aluminio provenientes de las chatarras de motores de aluminio). Otra fuente es
el aluminio contenido en los inoculantes. Un porcentaje de aluminio tan bajo
como 0.01% puede ser suficiente como para causar cavidades en el hierro dúctil
conteniendo magnesio. Fósforo. Es normalmente mantenido por debajo del 0.05%,
porque promueve fragilidades y reducciones en la ductilidad. Elementos menores
que promueven carburos. Cromo, vanadio y boro son todos promotores de carburos.
El magnesio puede también acentuar los efectos estabilizantes de carburos de
estos elementos, especialmente en secciones pesadas donde la segregación provoca
la formación de carburos en los bordes de grano. Son controlados por una
cuidadosa selección de las materias primas metálicas para fundición.
Elementos aleantes que promueven el endurecimiento. El níquel hasta un 2%
y el molivdeno hasta un 0.75% son los elementos que se agregan generalmente para
promover el endurecimiento cuando se vayan a aplicar tratamientos térmicos.
Pequeñas cantidades de manganeso y cobre promueven también el endurecimiento,
pero son normalmente usados en combinación con otros elementos. El cobre tiene
una solubilidad limitada y debe ser mantenido por debajo del 1.5%.
Elementos aleantes para lograr propiedades especiales. Las estructuras de
matriz austenítica son logradas por adición de 20% o más cuando se requiere
resistencia al calor, a la corrosión o a la oxidación, y hasta un 5% de cromo
puede también agregarse para tales fines. Los contenidos de níquel hasta un 36%
producen hierros de propiedades controladas de baja expansión. Hasta un 10% de
manganeso en los hierros austeníticos conduce a una baja permeabilidad
magnética, y se acepta un bajo contenido de níquel para lograr una austenita
estable. Un contenido de silicio de hasta un 6% produce estructuras de matriz
ferríticas con reducido crecimiento, distorsión térmica y rotura a elevadas
temperaturas. La adición de hasta un 2% de molibdeno a los hierros perlíticos,
ferríticos y austeníticos confieren mejoras en el creep y resistencia a
temperaturas elevadas. Colaborado por:
Peter E. para
arquitectura y construccion en ARQHYS. |
