CARACTERIZACIÓN DE LA FUNDICIÓN GRIS EN LA INDUSTRIA FUNDISHELL

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1 REVISTA COLOMBIANA DE FÍSICA, VOL. 34, No. 1, 2002 CARACTERIZACIÓN DE LA FUNDICIÓN GRIS EN LA INDUSTRIA FUNDISHELL A. Cardona, C. Castaño, A. Jiménez, L. Urrea y L. Moreno Universidad Nacional de Colombia Sede Manizales. RESUMEN Se ha caracterizado la fundición gris que se utiliza como materia prima en la Industria Fundishell de la ciudad de Manizales. Esta caracterización incluye composición, microestructura, orientación cristalina, morfología y comportamiento mecánico. Para tal fin fueron utilizados los equipos existentes en nuestra universidad y otras instituciones. INTRODUCCIÓN La fundición gris tiene una composición que varía entre 93 y 93,8% de hierro, 2,5 y 4% de carbono y 1 a 3% de silicio. Las reacciones químicas internas derivan en la formación de hojuelas de grafito (carbono) distribuidas a todo lo largo del producto fundido en la solidificación. Esta estructura es la causa de que la superficie del metal tenga un color gris cuando se fractura., de aquí el nombre de fundición gris. La distribución de las hojuelas de grafito representa dos propiedades atractivas: buena amortiguación a la vibración, que es una característica deseable en motores y otras máquinas y cualidades de lubricación internas, que hacen maquinable la fundición. [1] Las hojuelas de grafito concentran esfuerzos, causando baja resistencia y ductilidad, pero la fundición gris tiene varias propiedades atractivas: alta resistencia a la compresión, buena maquinabilidad, adecuada resistencia al desgaste por fricción y a la fatiga térmica, buena conductividad térmica y amortiguamiento contra la vibración. [2] La velocidad de solidificación es un factor importante que determina la medida en que se forma el grafito. Velocidades moderadas y bajas de enfriamiento favorecen la formación de grafito. La velocidad de solidificación también afecta al tipo de matriz formada en el hierro fundido gris. Velocidades moderadas de enfriamiento favorecen la formación de una matriz perlítica, mientras que bajas velocidades de enfriamiento favorecen una matriz ferrítica. [3] Muchas industrias de fundición en nuestro medio elaboran sus productos a partir de fundición gris partiendo de materias primas obtenidas a partir de residuos industriales (chatarra). Debido a que no existen procesos de selección de estos residuos, la materia prima puede tener diferentes características que son trasladadas de hecho al producto. Este trabajo fue enfocado a caracterizar la fundición gris de una de las industrias de la región que utiliza como materia prima la chatarra. Se caracterizó su composición y estructura cristalina por medio de XRD (Difracción de Rayos X) y absorción atómica, su morfología mediante AFM, su microestructura por medio de Microscopía Metalográfica y sus propiedades mecánicas por medio de ensayos de tensión, dureza y corte. 157

2 REVISTA COLOMBIANA DE FÍSICA, VOL. 34, No CARACTERIZACIÓN MICROSCOPÍA METALOGRÁFICA Mediante este ensayo se pudo observar la presencia de grafito laminar, ferrita (región más clara) y perlita (región más oscura), en dos muestras diferentes, concluyendo así que esta fundición es una fundición gris ordinaria. Figura1. Fundición gris x 200 aumentos. Figura 2. Fundición gris x 1000 aumentos. (Piezas atacadas con nital al 2% durante 10 segundos). MORFOLOGÍA La superficie de las muestras fue analizada por medio de AFM (Microscopía de Fuerza Atómica), ellas muestran las formaciones de hojuelas de grafito (figura 3), y el tamaño promedio de las hojuelas (122 nm), (figura 4). 158

3 REVISTA COLOMBIANA DE FÍSICA, VOL. 34, No. 1, 2002 Figura 3. Imagen de 0.5x0.5 micras y Figura 4. Medida de parámetros de Grano. COMPOSICIÓN Mediante análisis de difracción de rayos X (XRD) se encontraron los diferentes elementos que constituyen la fundición gris estudiada. En la figura (5) se puede observar que la muestra está compuesta fundamentalmente por hierro y silicio en la forma Fe 3 Si (Siliciuro de hierro), lo cual se muestra en los tres picos principales ubicados en 45,3 º, 65,8 º y 83,3 º,.Comparando estos picos con los del patrón de referencia del software coincidiendo en una forma casi perfecta. 159

4 REVISTA COLOMBIANA DE FÍSICA, VOL. 34, No Suessite Lin (Counts) Theta - Scale File: I.in dustrial.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: En d: Step: Step tim e: 0.1 s - Tem p.: 25 C (Room ) - Time Started : 0 Operations: Backg round 0.068,0.000 Smooth Import (N ) - Suessite - Fe3Si - Y: % - d x by: 1. - W L: C ubic - Figura 5. Picos correspondientes a Siliciuro de hierro (primeros tres). En la figura (6) se encuentra que la muestra contiene además algunas trazas de martensita en la proporción Fe 1,945 C 0,055 que se identifican en los picos de 44.2, 99 y 116, referentes al patrón observado coincidiendo también en forma casi perfecta. El contenido de Fe 3 Si se encuentra en la fase cúbica y las trazas de martensita en la fase tetragonal. De acuerdo a los resultados se concluye que la muestra analizada es un hierro de fundición, sin embargo no se puede decir de que tipo, ya que seria necesario un análisis cuantitativo para determinar porcentajes de Silicio y Carbono. 160

5 REVISTA COLOMBIANA DE FÍSICA, VOL. 34, No. 1, 2002 Carbon Iron m artensite Lin (Counts) Theta - Scale File: I.in dustrial.raw - Type: 2Th/Th locked - Start: En d: Step: Step tim e: 0.1 s - Tem p.: 25 C (R o o m ) - T im e S tarte d : 0 O perations: Backg round 0.068,0.000 Smooth Import (C ) - Carbon Iron m artensite - C 0.055Fe Y: % - d x by: 1. - W L: Tetragonal - I/Ic PD F Figura 6. Picos correspondientes a trazas de martensita El análisis cuantitativo realizado parcialmente en el laboratorio de química, mostró los siguientes resultados: Tabla 1. Porcentajes de algunos elementos encontrados en una de las muestras de fundición gris. ELEMENTOS PORCENTAJE Hierro 77,14 Manganeso 0,37 Fósforo 0,21 Azufre 0,36 PROPIEDADES MECÁNICAS. En el laboratorio de resistencia de materiales se realizaron las pruebas de tensión, dureza, cortante simple y doble. A partir de estas pruebas se obtuvieron los valores que aparecen en la tabla 2, para las propiedades mecánicas. 161

6 REVISTA COLOMBIANA DE FÍSICA, VOL. 34, No Tabla 2. Propiedades mecánicas. Propiedades mecánicas Resultados prácticos Módulo de elasticidad 46 Gpa Resistencia a la tensión 244 Mpa Ductilidad 0,4 % Dureza Brinell 191 Cortante simple 23 Mpa Cortante doble 21 MPa CONCLUSIONES A partir del análisis metalográfico, se puede concluir que las fundiciones analizadas corresponden en efecto a una fundición gris, debido a la presencia de fases tales como: grafito en hojuelas, ferrita y perlita. Las imágenes de AFM nos permiten observar la formación de las hojuelas de grafito y el tamaño promedio de las mismas en cuanto al ancho. El análisis por XRD muestra la presencia de los principales elementos de la fundición gris, tales como hierro, carbono y silicio. Sin embargo, el análisis cuantitativo, a pesar que nos muestra esos mismos elementos, presenta un porcentaje muy bajo de contenido de hierro con respecto a la teoría. Los resultados de los ensayos mecánicos, muestran en algunas propiedades tales como: ductilidad valores coherentes con los teóricos y otros que se apartan significativamente de los mismos, por ejemplo: resistencia a la tensión y módulo de elasticidad. AGRADECIMIENTOS Expresamos nuestros agradecimientos a las instituciones que colaboraron en la realización de este proyecto: Universidad Nacional, Industria Fundishell, SENA y al personal de laboratorios. REFERENCIAS [1] M.P Groover, Fundamentos de Manufactura Moderna, 1ª edición, Prentice may, México, [2] D. R Askeland, Ciencia e ingeniería de Materiales, 3ª edición, International Thomson Editores, México, [3] W.F Smith, Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de materiales, 2ª edición, McGraw- Hill, México,