FENOMENOS DE FRAGILIZACION EN FUNDICIONES ESFEROIDALES AUSTEMPERIZADAS EN CONTACTO CON DIFERENTES FLUIDOS

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1 Jornadas SAM IV Coloquio Latinoamericano de Fractura y Fatiga, Agosto de 2000, FENOMENOS DE FRAGILIZACION EN FUNDICIONES ESFEROIDALES AUSTEMPERIZADAS EN CONTACTO CON DIFERENTES FLUIDOS R.A. Martínez, R.E. Boeri y J.A. Sikora División Metalurgia, INTEMA, Fac. de Ingeniería, UNMdP. J.B. Justo 4302 (7600) Mar del Plata, Argentina RESUMEN Recientemente Shibutani y Komatsu [1,2] han reportado que las fundiciones esferoidales austemperizadas (ADI) presentan un fenómeno de fragilización muy marcado cuando su superficie se encuentra en contacto con agua. En este trabajo se analiza este fenómeno para diferentes grados de ADI [3], estudiando además el efecto de otros fluidos. La metodología experimental consistió en la realización de ensayos de tracción, manteniendo la parte calibrada de la probeta sumergida utilizando una celda estanca. Se ha podido verificar este efecto, observándose una notable caída en la tensión de rotura y en la deformación de las muestras ensayadas. La utilización de medios fluidos con diferentes ph ha permitido verificar que el fenómeno de fragilización actuante no se ve afectado por la concentración de protones de la solución. Otros fluidos, tales como aceite SAE 30 o alcohol isopropílico, también producen fragilización, con diferente grado de intensidad. Cuando se utiliza WD40, (agente con alto poder de mojado) el fenómeno de fragilización desaparece y los resultados son similares a los obtenidos cuando se ensaya en seco. Se realizaron también ensayos en medios fluidos sobre fundiciones esferoidales con diferentes matrices, encontrándose respuestas diferentes según el tipo de microestructura. El presente trabajo aporta significativos avances para lograr la caracterización del fenómeno de fragilización sin poder brindar aún una explicación fehaciente de las causas que lo producen. Palabras claves ADI, Fragilización, Fluidos, Alargamiento, Agua INTRODUCCION Las fundiciones esferoidales austemperizadas (ADI) son un material con excelentes propiedades mecánicas, que combinan alta resistencia mecánica con buena ductilidad, y elevadas tenacidad y resistencia al desgaste. Por este motivo, las ADI han mostrado en los últimos años un creciente número de aplicaciones, en diversos campos tales como la fabricación de piezas de alta resistencia para camiones, automóviles, ferrocarriles, maquinaria agrícola, etc. Sin embargo, recientemente Shibutani y Komatsu reportaron que las ADI pueden experimentar una fragilización muy importante cuando el material está en contacto con agua. Como consecuencia de ello se producen importantes disminuciones en la tensión de rotura y en la elongación. El fenómeno es rápidamente revertido secando el material. El efecto 623

2 Martínez, Boeri y Sikora fragilizante se observa al aplicar carga en forma cuasi estática. En cambio el fenómeno no se detecta cuando la velocidad de aplicación de la carga es elevada, como en el caso de los ensayos de impacto. Shibutani y Komatsu. encuentran similitud entre este fenómeno y aquel encontrado en materiales que presentan fragilización por hidrógeno, proponiendo que el mecanismo es inducido por la generación de átomos de hidrógeno de agua sobre la superficie de la muestra, cuando hay deformación plástica. Los átomos de H difundirían dentro de la muestra y producirían la fragilización. Esta afirmación esta verificada mediante ensayos realizados en una atmósfera de H 2. Sin embargo, no se ha explicado el mecanismo por el cuál se generarían protones en la interfaz agua/adi. Además, la independencia del fenómeno con el tiempo de contacto con el agua, y su rápida reversibilidad, no encajan con las características usuales del efecto de fragilización por hidrógeno. Este fenómeno de fragilización presenta un alto interés académico e industrial. En lo académico, es importante develar los mecanismos involucrados, lo que requiere un profundo análisis. Desde el punto de vista industrial, es fundamental identificar las condiciones necesarias para diseñar y emplear las piezas de ADI en condiciones seguras. Debe destacarse que, a pesar de la aparente fragilidad del material ante el contacto con agua, no existen reportes de fallas catastróficas en servicio de piezas de ADI, involucrando fractura frágil. El objetivo de esta investigación es verificar las características del fenómeno de fragilización reportado por Shibutani y Komatsu, en diferentes grados de ADI y en un laboratorio independiente, evaluando la influencia de distintos fluidos, como soluciones acuosas con diferente ph, y otros fluidos, como aceite, alcohol y lubricantes especiales. METODOLOGIA EXPERIMENTAL Las probetas utilizadas en este trabajo fueron extraídas de bloques Y de una pulgada [4], de una colada industrial producida en un horno de inducción de media frecuencia. La composición química esta especificada en la Tabla I. La fundición mostró una nodularidad del 100% con 120nod/mm 2 de tamaño 5. Tabla 1. Composición química de la colada utilizada C Mn Cu Ni Mg Mo P Si S , Se mecanizaron probetas de tracción de 6,35mm de diámetro [5], las cuales fueron tratadas térmicamente, con el fin de obtener ADI de grados 2, 3 y 4 [3]. Algunas probetas fueron tratadas térmicamente para obtener matrices totalmente ferríticas (680 C por 24 hs. seguido de enfriamiento en horno) y perlíticas (austenizado a 910 C por una hora y enfriamiento en aire). Para realizar los ensayos se utilizó un dispositivo consistente en un tubo plástico con un tapón en el fondo (Figura 1). El tubo puede llenarse con el líquido seleccionado, y de esta manera la longitud calibrada de la probeta queda sumergida totalmente en el fluido. Los valores de tensión de rotura y elongación reportados son el promedio de tres ensayos. Además de agua corriente, se evaluó la influencia de agua destilada y de soluciones acuosas con ph variables, 5,5 (H 2 SO 4 ), 8,0 y 11,9 (Na(OH)), aceite lubricante mineral SAE 30, WD 40 y alcohol isopropílico (99%). 624

3 Jornadas SAM IV Coloquio Latinoamericano de Fractura y Fatiga Figura 1. Dispositivo para ensayo RESULTADOS Y DISCUSION Las Figuras 2 y 3 muestran los valores de resistencia a la rotura y elongación para los distintos grados de ADI, ensayados en seco y con agua. La tensión de rotura de todos los grados sufre un marcado descenso cuando está en contacto con agua, llegándose a disminuciones de hasta el 75% del valor en seco. Humedo (agua) Húmedo (agua) 4 4 Grado de ADI 3 2 Grado de ADI Figura 2.Resistencia a la rotura Figura 3. Elongación La elongación sufre una disminución aun más marcada, verificándose caídas del 15 al 25% de las lecturas en seco. Los resultados al utilizar de agua destilada fueron idénticos a los obtenidos con agua corriente. 625

4 Martínez, Boeri y Sikora Si el material se fragilizara por hidrógeno, la concentración de protones en el medio acuoso podría afectar el comportamiento mecánico. Para examinar esta hipótesis se utilizaron soluciones con diferentes ph. Los resultados se sintetizan en la Figura 4 y muestran claramente que no hay ningún cambio notable en el efecto de fragilización Tens. Rotura [ MPa ] U.T.S. [ MPa ] Elongation [ % ] 8.9 ph 7 Sumergido (alcohol) Figura 4. Rotura y alargamiento para distintos ph Figura 5. Ensayos realizados en alcohol isopropílico El uso de alcohol isopropílico (99%) también causa fragilización. Como se observa en la Figura 5, para el caso del ADI grado 2, las caídas son de aproximadamente 15 y 77% para tensión de rotura y elongación, respectivamente. El ensayo para evaluar la influencia del aceite mineral SAE 30 es considerado de fundamental importancia, dado que muchos componentes de máquina trabajan en contacto con este tipo de lubricante, u otros similares. Las Figuras 6 y 7 muestran que la tensión de rotura sufre una leve pero consistente disminución, de entre el 2 y el 10%, en tanto que la elongación cae entre 29 y 42%. La fragilización causada por el aceite fue mayor para el caso del ADI de mayor resitencia mecánica. Estos resultados son sorprendentes y preocupantes, ya que los aceites lubricantes son generalmente utilizados para proteger las piezas de la corrosión, y son considerados medios inertes. Es posible que este efecto sea causado por la presencia de mínimas cantidades de agua absorbidas en la superficie del material, no desalojadas por el aceite. Sin embargo, si este fuera el caso, el mismo efecto podría producirse al ensayar en seco, lo que no ocurre. Los ensayos realizados utilizando WD40 como agente de mojado, no muestran fragilización alguna, obteniéndose resultados comparables a los ensayos en seco. En un intento de verificar la posible influencia de humedad absorbida en la superficie de las muestras, se procedió a secar las muestras a 150 C por 20 minutos, recubriendo la superficie con aceite SAE 30, antes de que éstas se enfríen completamente. Los resultados 626

5 Jornadas SAM IV Coloquio Latinoamericano de Fractura y Fatiga obtenidos son similares a los realizados en aceite sin efectuar secado previo, lo cuál no permite descartar un efecto intrínseco al aceite mineral. La realización de ensayos de probetas de fundición esferoidal con otras matrices obtenidas por tratamiento térmico de la misma colada mostraron que las matrices perlíticas sufren una disminución importante de la tensión de rotura mientras que las ferríticas no muestran cambios en su comportamiento, estos resultados se observan en la Figura 8. El rol de la microestructura en la fragilización no está bien clarificado. La fragilización ha sido identificada en matrices compuestas por ferrita y austenita (ADI), ferrita y cementita Sumergido (Aceite SAE 30) 4 grado de ADI Figura 6. Ensayos realizados en aceite. Alargamiento 627

6 Martínez, Boeri y Sikora Sumergido (Aceite SAE 30) 4 grado de ADI Figura 7. Ensayos realizados en aceite. Tensión de rotura 1200 Tensión de Rotura Alargamiento Húmedo (agua) P F F P P = Matriz Perlitica F = Matriz Ferritica Figura 8. Ensayos de tracción de FE con diferentes matrices 628

7 Jornadas SAM IV Coloquio Latinoamericano de Fractura y Fatiga perlita) y martensita revenida (distribución fina de carburos en una matriz ferrítica). Por otro lado la fragilización no se evidenció en matrices ferríticas. Datos bibliográficos muestran que en aceros de alto silicio con una matriz de composición similar a la matriz de la fundición utilizada en este estudio ( C; Si 0.7-1Mn)[6,7] presentan un fenómeno de fragilización, pero produciendo disminución solo en la elongación, sin afectar la tensión de rotura. Queda claramente establecido que la microestructura tiene influencia sobre el fenómeno de fragilización, sin embargo las causas no son evidentes. El grafito no parece estar ligado al efecto, ya que como se mencionó anteriormente los aceros, sin grafito libre y con matrices similares también se fragilizan, y además la fundición con matriz ferrítica, con abundante grafito libre, no se fragiliza en contacto con agua. La austenita, presente en las ADI en proporciones que pueden alcanzar el 30%, no parece ser la causa del fenómeno, ya que otras microestructuras sin austenita son también afectadas. De esta manera, no puede adjudicarse la responsabilidad del fenómeno de fragilización a ninguno de los componentes de la microestructura, en forma individual. Un factor que podría contribuir a la fragilización es la cantidad de interfase en la microestructura de la matriz. Las interfases son caminos favorables para difusión y sitios altamente reactivos. Las matrices ausferríticas y perlíticas, que son muy susceptibles a la fragilización, tienen considerable cantidad de interfase. La martensita revenida, formada por ferrita y carburos, tiene también alta cantidad de intefase. Por otra parte, las matrices ferríticas solo presentan el límite de grano ferrita-ferrita y las interfases ferrita-grafito. De aquí se puede especular que la menor cantidad de sitios preferenciales para la difusión podría contribuir a inhibir el fenómeno de fragilización en las matrices ferríticas. CONCLUSIONES - Se verificó el efecto de fragilización reportado recientemente, en un laboratorio independiente y utilizando fundiciones con diferentes composiciones químicas - El ensayo a la tracción de ADI en contacto con agua ocasiona una importante disminución en la tensión de rotura y la elongación, en los dos grados de ADI estudiados. - El efecto de fragilización no se ve afectado por la concentración de protones en el agua, dado que los resultados son similares utilizando soluciones de agua con distinto ph, desde 5.5 hasta El efecto de fragilización se presenta también cuando las muestras están en contacto con alcohol isoprópilico y aceite lubricante SAE El WD40, fluido con alto poder de mojado, no causa fragilización - Las fundiciones esferoidales de matriz perlítica también sufren fragilización cuando está en contacto con agua - Las fundiciones esferoidales de matriz ferrítica no sufren fragilización en contacto con agua. - Este estudio avanza en la caracterización del fenómeno de fragilización del ADI, no pudiéndose por el momento dar una explicación definitiva a las causas que lo producen. AGRADECIMIENTOS A la UNMDP, el FONCYT y el CONICET, por el apoyo económico. 629

8 Martínez, Boeri y Sikora REFERENCIAS 1. Shibutani et. Al, Embrittlement of austempered spheroidal graphite cast Iron, International Journal of Cast Metals Research, , Komatsu et al., Embrittlement characteristics of facture toughness in ductile iron by contact with water, International Journal of Cast Metals Research, , ASTM A 897M Standard specification for austempered ductile iron castings, Annual book of ASTM standards. Philadelphia, ASTM A Standard test methods and definitions for mechanical testing of Steel Products, Annual book of ASTM standards. Philadelphia, ASTM A Standard specification for ductile iron castings, Annual book of ASTM standards, Philadelphia, Scully, J.C. Corrosion Science, 5, 547, A.J. Sedriks, J.A.S. Green. Corrosion, 25, 325, E. Roy, Cast Iron Technology, Butterworth & Co Ltd.,