Asociación Española de Ingeniería Mecánica XVIII CONGRESO NACIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA Comportamiento frente al desgaste abrasivo de las fundiciones tipo silal con grafito esferoidal C. Camba, A. Varela, A. García, J.L. Mier, F. Barbadillo Escuela Politécnica Superior, c/ Mendizábal s/n, 15403 Ferrol ccamba@udc.es V. Blázquez Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales, c/ José Gutiérrez Abascal 2, 28006 Madrid Resumen En el presente trabajo se estudia el comportamiento frente al desgaste abrasivo de diferentes fundiciones grises tipo Silal obtenidas mediante fusión en horno de inducción. Dado que el contenido en carbono y silicio influye en la dureza y resistencia y, asimismo, en lograr la esferoidización del grafito, las diferentes fundiciones se caracterizan por su composición química, su microestructura y por sus propiedades mecánicas con el fin de correlacionar todo ello con su comportamiento tribológico. Los ensayos de desgaste abrasivo se efectúan mediante el tribómetro pin on disk siguiendo la norma ASTM G99 a temperatura ambiente, controlando la carga aplicada y la velocidad de giro en el ensayo, y midiendo simultáneamente la variación del coeficiente de fricción durante el mismo. Previamente se efectúa una preparación superficial de cada muestra ensayada para asegurar una rugosidad superficial semejante en todos los casos. INTRODUCCIÓN En el grupo de las fundiciones aleadas existen las fundiciones de matriz ferrítica de bajo y alto contenido en silicio conocidas con los nombres de silal y durirón, respectivamente. El silal es una fundición resistente al calor y que no sufre problemas de hinchamiento por calentamientos repetidos o estancia prolongada a altas temperaturas de hasta 850ºC. Hay que tener en cuenta que los fenómenos de hinchamiento en las fundiciones se deben a la porosidad de las láminas de grafito que dejan pasar los gases oxidantes dando lugar a oxidaciones internas de las mismas, de manera que en calentamientos por encima de la temperatura de transformación eutectoide se provoca el aumento del porcentaje de grafito libre y todo ello puede traer como consecuencia aumentos de volumen muy importantes en el caso de las fundiciones grises ordinarias. Las fundiciones tipo Silal presentan una microestructura ferrítica con grafito interdendrítico que es estable hasta la temperatura de transformación eutéctica por lo cual su resistencia a la oxidación a temperaturas de 850º C es muy grande evitándose el problema del hinchamiento y todavía se puede mejorar más dicho comportamiento si estas fundiciones presentan grafito esferoidal. En cuanto a su composición presentan un contenido en silicio entre el 5,5 y el 7%, con contenidos en carbono que no superan el 2,3%. Debido al silicio disuelto en la ferrita, que la fragiliza, presenta baja tenacidad y resistencia mecánica. Asimismo presenta poca resistencia al choque térmico, si bien es superior al de las fundiciones grises. Tanto sus propiedades mecánicas como su resistencia a la oxidación se pueden mejorar con la esferoidización del grafito mediante adición de magnesio, aumentando la resistencia a la tracción en un 20% al tiempo que mejora mucho su tenacidad. La adición del molibdeno aumenta a su vez la resistencia a fluencia. Dichas fundiciones se suelen utilizar en parrillas de hornos, ceniceros y en componentes de turbinas de vapor para trabajos continuos o intermitentes en rangos de temperaturas entre 650 y 825ºC. La sustitución parcial del silicio por el aluminio, en porcentajes entre el 4 y el 6%, mejora la resistencia a la
C. Camba et al. / XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica (2010) 2 oxidación a alta temperatura y la resistencia mecánica, si bien estas aleaciones con aluminio son difíciles de fabricar debido a la gran avidez por el oxígeno que presenta el aluminio. La fundición conocida con el nombre de durirón contiene más silicio, entre el 12 y el 16%, pero menos carbono que el silal, siendo su microestructura ferrítica dado el carácter alfágeno del silicio y el alto contenido de este. Presenta alta resistencia a la corrosión seca y a la corrosión por ácidos oxidantes pero es mucho más frágil que el silal, muy dura y difícilmente mecanizable, con resistencia a tracción y al choque térmico inferior a la del silal. La adición del molibdeno mejora la resistencia a la corrosión pero no ocurre lo mismo con las propiedades mecánicas. Se utilizan para la fabricación de piezas que deban resistir la corrosión electroquímica [1-8]. MÉTODO EXPERIMENTAL Las cinco fundiciones objeto del presente trabajo fueron fabricadas en la Escuela Técnica Superior de Ingenieros Industriales de la Universidad Politécnica de Madrid, en su Planta Piloto de Fundición. Las cinco coladas tienen contenidos en carbono y silicio diferentes. Además, cuatro de las fundiciones fueron coladas empleando Ni-Mg, y para la quinta, la fundición 4, se empleó cloruro de magnesio. En cuanto a las cuatro coladas que fueron fabricadas con Ni-Mg, una de ellas, la fundición 1, se coló con una cantidad cinco veces inferior de Ni-Mg que el resto. Se analizó la composición química, en relación al carbono y al silicio, de todas las fundiciones. El contenido en carbono de las diferentes coladas se determinó mediante un analizador de carbono Leco CS-300. En cuanto al contenido en silicio, éste fue analizado por gravimetría siguiendo la norma UNE 7-028-75 Determinación gravimétrica de silicio en aceros y fundiciones [9]. También se realizó un estudio metalográfico de las mismas. Una vez llevadas a cabo las etapas de preparación superficial de las cinco fundiciones, éstas fueron atacadas con un reactivo formado por una mezcla formada por un 70% de alcohol, un 20% de ácido nítrico y un 10% de ácido fluorhídrico. El tiempo de inmersión de cada una de las muestras en el reactivo de ataque fue de 5s. Para la determinación de la dureza de las diferentes muestras se empleó un durómetro Hoytom. La escala escogida para realizar las mediciones fue la Brinell, con un penetrador de bola de 2,5mm de diámetro y una carga aplicada de 187,5kg[10]. En cuanto a la resistencia al desgaste, ésta se determinó en función de la pérdida de masa experimentada por cada una de las fundiciones tras ser sometidas al ensayo de desgaste, siguiendo la norma ASTM G99 Standard test method for wear testing with a pin-on-disk apparatus [11]. Los parámetros que se emplearon para la realización de los ensayos fueron los siguientes: pin abrasivo de bola de carburo de wolframio de 4mm de diámetro y 75HRc de dureza, y carga aplicada sobre la muestra de 10N. La duración de cada ensayo realizado fue de 1000m de desgaste lineal a una velocidad de 0,25m/s. Todos los ensayos fueron realizados a temperatura ambiente. El ensayo de desgaste, además de la resistencia al desgaste, determinó el coeficiente de fricción entre el pin abrasivo y la muestra a ensayar a lo largo de todo el ensayo. Antes de realizar los ensayos de desgaste fue necesario llevar a cabo una preparación superficial de las diferentes muestras con el fin de hacer desaparecer las posibles irregularidades superficiales y homogeneizar la rugosidad, a la vez que hacerla mínima, para eliminar la influencia que tiene sobre los resultados de desgaste el acabado superficial. Tras realizar la preparación superficial se obtuvo en todas las fundiciones una rugosidad media, R a, inferior a 1,5μm. RESULTADOS Los resultados obtenidos tras la realización del análisis químico de las cinco fundiciones se muestran a continuación en la Tabla (1). Tal y como se aprecia en la Tabla (1), las tres primeras fundiciones tienen porcentajes de carbono muy similares aunque difieren en el contenido en silicio. La fundición 4 es la que mayor contenido en carbono posee, siendo la fundición 5 la de menor porcentaje de este elemento. En la Fig. (1), que se muestra a continuación, se puede apreciar la microestructura de la fundición 1, en la cual se observa grafito esferoidal sobre una matriz ferrítico-perlítica.
Comportamiento frente al desgaste abrasivo de las fundiciones tipo silal con grafito esferoidal 3 Tabla 1. Contenido en carbono y silicio de las fundiciones. Carbono (%) Silicio (%) Fundición 1 2,05 6,22 Fundición 2 2,03 8,12 Fundición 3 2,02 3,62 Fundición 4 2,71 5,31 Fundición 5 1,56 6,75 Fig. 1. Microestructura de la fundición 1(50X a la izquierda y 200X a la derecha). Fig. 2. Microestructura de la fundición 2 (50X a la izquierda y 200X a la derecha). La microestructura de la fundición 2 se muestra en la Fig. (2). En ella se aprecia nuevamente grafito esferoidal, aunque en esta ocasión, a diferencia de la anterior, éste no se muestra de una forma tan perfecta. La matriz, al igual que en la fundición 1, es ferrítico-perlítica, pero con un menor contenido en perlita. La microestructura de la fundición 3, que se puede observar en la Fig. (3), está formada por grafito esferoidal y una matriz ferrítico-perlítica. Esta muestra tiene una microestructura muy similar a la de la fundición 1 aunque está última tiene menor proporción de perlita y de grafito esferoidal. Las fundiciones 4 y 5, que se pueden observar en la Fig. (4) y Fig. (5) respectivamente, son las únicas de las cinco muestras en las que en su microestructura no muestran grafito esferoidal. A su vez, son las únicas muestras en las que la matriz es enteramente ferrítica. En el caso de la fundición 4 el grafito se presenta de forma laminar de manera abundante y uniformemente distribuido en toda la superficie. En la fundición 5, en cambio, el grafito se presenta de manera interdendrítica, y sobre todo en el borde de grano.
C. Camba et al. / XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica (2010) 4 Fig. 3. Microestructura de la fundición 3 (50X a la izquierda y 200X a la derecha). Fig. 4. Microestructura de la fundición 4 (50X a la izquierda y 200X a la derecha). Fig. 5. Microestructura de la fundición 5 (50X a la izquierda y 200X a la derecha). Tras la realización de los ensayos de dureza Brinell en las cinco fundiciones se obtuvieron los resultados que se recogen en la tabla que se muestra a continuación, en la Tabla (2). De acuerdo con la tabla anterior, la Tabla (2), la fundición con un mayor valor de dureza es la fundición 3. La fundición 1 y la fundición 2 poseen valores de dureza muy similares y algo inferiores al de la fundición 3. El valor de dureza de la fundición 5 es ligeramente inferior al de las muestras 1 y 2. En el caso de la fundición 4, éstas presenta el menor de los valores de dureza medidos en las cinco muestras. En la Tabla (3), se muestran los valores medios de los resultados obtenidos tras la realización de los ensayos de
Comportamiento frente al desgaste abrasivo de las fundiciones tipo silal con grafito esferoidal 5 desgaste a las cinco fundiciones, así como el coeficiente de variación y el coeficiente de fricción medio. La resistencia al desgaste se expresa en función de la pérdida de masa. Tabla 2. Valores de dureza de las fundiciones. HB Fundición 1 255 Fundición 2 252 Fundición 3 285 Fundición 4 136 Fundición 5 237 Tabla 3. Resultados de desgaste de las fundiciones. Pérdida de masa (mg) Coeficiente de variación Coeficiente de fricción Fundición 1 5,39 0,06 0,49 Fundición 2 3,00 0,07 0,58 Fundición 3 1,89 0,08 0,62 Fundición 4 36,13 0,12 0,46 Fundición 5 1,74 0,14 0,66 En la Tabla (3) se puede observar como la fundición 4 presenta un comportamiento, en cuanto a lo que a la pérdida de masa se refiere, un orden de magnitud superior con respecto a las otras cuatro fundiciones, siendo también la que presenta un menor coeficiente de fricción. Las muestras que tiene mejor comportamiento al desgaste según la Tabla (3), son la fundición 3 y la fundición 5, presentando ambas valores similares de pérdida de masa. A su vez, estas dos fundiciones son las que mayor coeficiente de fricción tienen. El comportamiento frente al desgaste de la fundición 1 y la fundición 2 es algo peor que el de las muestras 3 y 5. De estas dos muestras es la fundición 2 la que presenta una menor pérdida de masa, y un coeficiente de fricción más elevado. En los ensayos de desgaste, además de determinar la resistencia al desgaste de las diferentes muestras en función de la pérdida de masa que experimentan durante el ensayo, se obtiene el coeficiente de fricción a lo largo del mismo entre la fundición y el pin abrasivo de carburo de wolframio. En las siguientes figuras, Fig. (6), Fig. (7) y Fig. (8), se muestran de manera gráfica los coeficientes de fricción obtenidos en los ensayos de desgaste. Las tres figuras mostradas sirven como ejemplo de patrón de comportamiento de las cinco fundiciones. En la Fig. (6) se representa el patrón de comportamiento correspondiente a la fundición 1 y a la fundición 2, en la que se puede observar que el coeficiente de fricción tarda bastantes metros en alcanzar el valor definitivo, y no se llega a estabilizar hasta casi el final del ensayo. En la Fig. (7), que corresponde al patrón de la fundición 3 y de la fundición 5, se aprecia como el coeficiente de fricción aumenta progresivamente a lo largo del primer tercio del ensayo, para mantenerse después constante en los dos tercios restantes. La Fig. (8), refleja el coeficiente de fricción de la fundición 4. Éste crece rápidamente al comienzo del ensayo, para estabilizarse acto seguido a lo largo del mismo.
C. Camba et al. / XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica (2010) 6 Fig. 6. Patrón de comportamiento del coeficiente de fricción durante el ensayo de desgaste para las fundición 1 y fundición 2. Fig.7. Patrón de comportamiento del coeficiente de fricción durante el ensayo de desgaste para fundición 3 y fundición 5. Fig. 8. Patrón de comportamiento del coeficiente de fricción durante el ensayo de desgaste para las fundición 4.
Comportamiento frente al desgaste abrasivo de las fundiciones tipo silal con grafito esferoidal 7 DISCUSIÓN En la gráfica que se presenta a continuación en la Fig. (9), se muestran los resultados obtenidos tras la realización de los ensayos de desgaste y dureza para las cinco fundiciones, ordenando las muestras en función del contenido en carbono, siendo la fundición 5 la de menor contenido y la fundición 4 la que más carbono presenta. El coeficiente de fricción se ha multiplicado por 100 para poder ser representado con el resto de variables, y el contenido en carbono por 10. Fig. 9. Resultados de desgaste, dureza y coeficiente de fricción obtenidos para las cinco fundiciones. En la gráfica anterior se puede comprobar que la pérdida de masa aumenta con el contenido en carbono a la vez que disminuye el coeficiente de fricción. Esto se debe a que el grafito presente en las diferentes muestras, tanto mayor cuanto mayor es el contenido en carbono, es un compuesto blando que se desprende en las primeras etapas del ensayo de desgaste ocasionando una mayor pérdida de masa, y que además este grafito posee un efecto lubricante haciendo disminuir el coeficiente de fricción. En la gráfica reflejada en la Fig. (9) se puede observar como al aumentar la dureza disminuye la pérdida de masa experimentada durante el ensayo de desgaste, con la excepción de la fundición 5. Las fundiciones 1 y 2 presentan un comportamiento frente al desgaste algo superior al de las muestras 3 y 5. De estas dos muestras la que experimenta una menor pérdida de masa es la fundición 2, esto es debido al contenido en grafito que presenta esta fundición, que es mayor que el de la fundición 1. El grafito presente en la fundición tiene un efecto lubricante, lo que conlleva una mayor resistencia al desgaste. La muestra 2 tiene un peor comportamiento frente al desgaste que la muestra 3. Esto se debe a que la fundición 2 presenta una mayor dureza que la 3. La diferencia existente entre la dureza de la fundición 2 y 3 estriba en su microestructura, tal y como se puede observar en las Fig. (2) y Fig. (3) respectivamente. Las muestras 3 y 5 son las fundiciones que mayor resistencia al desgaste presentan y las que mayor coeficiente de fricción medio tienen. Este resultado aparentemente incoherente se explica si nos fijamos en la Fig. (7), donde se aprecia que en una buena parte del ensayo el coeficiente de fricción es muy bajo con respeto al valor medio, a causa del efecto lubricante del grafito. Esto implica que durante esta parte del ensayo la pérdida de masa es menor. De las cinco muestras analizadas es la fundición 3 la que tiene un mejor comportamiento frente al desgaste, esto se justifica observando la microestructura de la muestra, Fig. (3), formada por una matriz ferrítico-perlítica y grafito esferoidal, dado que el grafito posee un efecto lubricante, y ésta es la muestra que en mayor cantidad lo presenta. El comportamiento de la fundición 5, con una dureza semejante a las fundiciones 1 y 2, y una pérdida de masa
C. Camba et al. / XVIII Congreso Nacional de Ingeniería Mecánica (2010) 8 durante el desgaste similar a la fundición 3, sólo podría explicarse en función de su microestructura, puesto que es la única de las cinco muestras que presenta grafito interdendrítico. La fundición 4 presenta una pérdida de masa un orden de magnitud superior al resto de las muestras. Esto se debe a que su dureza también es notablemente inferior si la comparamos con el resto de fundiciones. Este menor valor de la dureza se justifica si se observa la Fig. (4) en la cual se muestra la microestructura de la fundición 4 que posee una matriz ferrítica y grafito laminar. Esta muestra también se diferencia del resto en su disposición del grafito, que es laminar debido a que la colada de dicha muestra se efectúa con Cl-Mg en lugar de Ni-Mg. CONCLUSIONES Han sido analizadas cinco fundiciones tipo silal en relación a su comportamiento frente al desgaste, su contenido en carbono y en silicio, su microestructura y su dureza Brinell. Cuatro de estas fundiciones han sido coladas añadiendo Ni-Mg, mientras que sólo una de ellas se ha fabricado con Cl-Mg. Se ha constatado que el procedimiento de colada influye de manera relevante tanto en el comportamiento frente al desgaste, como en la dureza y en la microestructura de la fundición. La muestra 4 es la única de las cinco que se ha colado con Cl-Mg, y es la que peores resultados ha presentado. El mejor comportamiento frente al desgaste lo presentan aquellas fundiciones que contienen grafito esferoidal en su microestructura. Se ha podido comprobar que a medida que aumenta el contenido en carbono de este tipo de fundiciones también lo hace la pérdida de masa, a la vez que disminuye el coeficiente de fricción. REFERENCIAS [1] V. Blázquez Martínez. Metalografía de las aleaciones férreas, E.T.S.I.I., (1991). [2] J.A.Pero-Sanz. Fundiciones férreas. Materiales para ingeniería, Dossat, (1994). [3] N.N. Aleksandrov, N.I. Klochnev. Production Technology and Properties of Heat-Resisting Cast Iron, Israel Program for Scientific Translations, (1965). [4] J.R. Davis. Cast Irons, ASM International, (1996). [5] J. Apraiz Barreiro. Fundiciones, Dossat, (1986). [6] W. Fairhust, K. Roehrig. High Silicon Nodular Irons, Foundry Trade Journal, 146 (1979), 657-681. [7] S.L. Liu, C.R. Loper, T.H. Witter. The role of graphitic inoculants in ductile iron, Transactions of the American Founfrymen s Society, 100 (1992), 899-906. [8] R. Castillo, V. Bermont, V. Martínez. Relations between microstructure and mechanical properties in ductile cast irons: a rewiew, Revista de Metalurgia, 35 (1999), 329-334. [9] Norma UNE 7-028, Determinación gravimétrica de silicio en aceros y fundiciones, (1975). [10] Norma UNE-EN ISO 6506-1, Materiales metálicos. Ensayo de dureza Brinell. Parte 1: método de ensayo, (2005). [11] ASTM Standard G99, Standard Test Method for Wear Testing with a Pin-on-Disk Apparatus, ASTM International, West Conshohocken, PA (2008).