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El fabricante de compresores nos pidió recientemente que revisáramos la pieza fundida de un cilindro que seguía agrietándose en el asiento de la válvula de descarga después de aproximadamente 8000 horas de funcionamiento. La pieza se produjo en hierro dúctil convencional y el modo de falla combinó fatiga por impacto con desgaste por deslizamiento. Ésa es exactamente la situación en la que las piezas fundidas de hierro dúctil austemperadas merecen una mirada detenida antes de que alguien vuelva a dibujar el componente en acero.
El hierro dúctil austemperado, comúnmente llamado ADI, es hierro dúctil que ha sido tratado térmicamente para aproximadamente duplicar su resistencia y al mismo tiempo conservar la libertad de forma de una pieza fundida. En muchos componentes fabricados actualmente con acero forjado o fabricado, ADI ofrece propiedades mecánicas comparables a un menor costo de pieza y un peso más liviano. Este artículo explica qué es ADI, cómo funciona el proceso de austemperado, qué propiedades puede especificar y dónde debería pensarlo dos veces.
¿Qué es el hierro dúctil austemperado?
ADI comienza como hierro dúctil, también conocido como hierro nodular o hierro de grafito esferoidal. El grafito en su estructura forma pequeñas esferas en lugar de las escamas que se encuentran en el hierro gris, y esa forma esférica es lo que le da al hierro dúctil su dureza y alargamiento. Si necesita un repaso sobre cómo se produce el hierro dúctil y en qué se diferencia del hierro gris, esta descripción general del hierro dúctil explica los conceptos básicos.
El tratamiento de austemperado transforma la matriz metálica alrededor de esos nódulos de grafito en una estructura llamada ausferrita. La ausferrita es una mezcla de ferrita acicular fina y austenita enriquecida con carbono. No es perlita, ni bainita, ni martensita templada. La combinación de esa matriz dura y resistente a la fatiga con nódulos de grafito dúctil le da a ADI su inusual paquete de propiedades.
Un malentendido común es que el ADI es simplemente un grado más fuerte de hierro dúctil. El material de partida es hierro dúctil, pero el tratamiento térmico es lo que produce los grados de alta resistencia. El hierro dúctil convencional ofrece resistencias a la tracción en el rango de 400 a 700 MPa; Los grados ADI comienzan alrededor de 850 MPa y superan los 1400 MPa.
Cómo funciona el proceso de austemperamiento
El austempering es un tratamiento térmico de tres etapas que requiere mucho más control que un ciclo típico de enfriamiento y revenido.
- Austenitización: la fundición se calienta hasta el rango de austenita, generalmente de 830 a 930 °C, y se mantiene hasta que la matriz esté completamente austenítica.
- Enfriamiento: la pieza fundida se transfiere rápidamente a un baño de sales fundidas que se mantiene entre 230 y 400 °C. El baño de sal enfría la pieza lo suficientemente rápido como para evitar la formación de ferrita o perlita, pero lo suficientemente uniforme como para minimizar la distorsión.
- Transformación isotérmica: la pieza fundida se mantiene a la temperatura del baño de sal durante un tiempo definido mientras la austenita se transforma en ausferrita.
El baño de sales fundidas es lo que hace que el proceso sea práctico. El enfriamiento con agua es demasiado agresivo para piezas fundidas complejas y el enfriamiento por aire es demasiado lento para la mayoría de las secciones. La sal ofrece una velocidad de enfriamiento uniforme y controlable. Después del mantenimiento isotérmico, se retira la pieza fundida y se enfría a temperatura ambiente.
La temperatura del baño de sal tiene un efecto directo en la calidad final. Las temperaturas más bajas, aproximadamente de 230 a 315 °C, producen mayor resistencia y dureza con menos ductilidad. Las temperaturas más altas, aproximadamente de 315 a 400 °C, producen mayor tenacidad y alargamiento. La misma pieza base puede austemperarse en varios grados diferentes simplemente ajustando el tratamiento térmico.
Propiedades mecánicas de las piezas fundidas ADI
Las propiedades de ADI están estandarizadas internacionalmente, más comúnmente según ASTM A897/A897M. La designación del grado contiene tres números: resistencia a la tracción, límite elástico y porcentaje de alargamiento. La siguiente tabla resume los grados ADI estándar.
| Grado | Resistencia a la tracción | Fuerza de producción | Elongación | Dureza |
|---|---|---|---|---|
| 900-650-10 | 900 MPa (130 ksi) | 650 MPa (94 ksi) | 10% | 269-331 HB |
| 1050-700-7 | 1.050 MPa (152 ksi) | 700 MPa (102 ksi) | 7% | 302-375 HB |
| 1200-850-4 | 1200 MPa (174 ksi) | 850 MPa (123 ksi) | 4% | 341-401 HB |
| 1400-1100-1 | 1.400 MPa (203 ksi) | 1100 MPa (160 ksi) | 1% | 388-477 HB |
| 1600-1300-1 | 1.600 MPa (232 ksi) | 1300 MPa (189 ksi) | 1% | 402-512 HB |
Lo que significan esos números en la práctica: un grado 900-650-10 se comporta como un hierro estructural resistente con una resistencia muy superior al hierro dúctil convencional. Una calidad 1400-1100-1 actúa más como una pieza de desgaste que también soporta una carga significativa.
ADI también tiene un fuerte rendimiento ante la fatiga. La matriz ausferrítica resiste la iniciación de grietas y las tensiones residuales de compresión dejadas por el austemplado mejoran la resistencia a la fatiga por flexión. En general, ADI se compara favorablemente con los aceros al carbono y de baja aleación templados y revenidos, lo que lo convierte en un candidato para componentes donde la forja o fabricación de acero es actualmente la opción predeterminada.
Aplicaciones de piezas de fundición de hierro dúctil austemperadas
ADI aparece en transmisiones de automóviles, equipos agrícolas, maquinaria de minería, componentes ferroviarios y manejo de fluidos industriales. El hilo común es una pieza que soporta carga, experimenta fatiga o desgaste y se beneficia de ser una pieza fundida en lugar de una soldadura o forja.
Componentes del compresor
Los compresores imponen ciclos de presión, contacto deslizante y altas tensiones locales. Los cilindros, cárteres, placas de válvulas y asientos de escape necesitan un material que no se desgaste, no se agriete ni se agriete durante decenas de miles de horas. Las piezas fundidas de cilindros ADI se benefician de la combinación de dureza de la superficie del orificio y capacidad de presión. Una fundición que ya produce piezas fundidas del cilindro del compresor en hierro dúctil tiene el conocimiento del material base necesario para evaluar una versión austemplada para una aplicación de servicio severo.
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Las bombas y válvulas enfrentan requisitos de erosión por cavitación, medios abrasivos y mantenimiento de presión. La alta dureza del ADI resiste la cavitación y la erosión de partículas mejor que el hierro dúctil estándar, mientras que la ductilidad de los grados inferiores mantiene la pieza segura bajo sobrecargas. Los impulsores, anillos de desgaste y cuerpos de válvulas son candidatos naturales. Para piezas fundidas del cuerpo de la bomba en servicio de alta carga o lodos, especificar un grado austemplado puede extender significativamente la vida útil.
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Los sistemas de guía de máquinas herramienta y los componentes estructurales necesitan superficies rígidas, amortiguadoras y resistentes al desgaste. El hierro dúctil austemperado ofrece mayor dureza que el hierro fundido convencional y al mismo tiempo mantiene el carácter de amortiguación de vibraciones que hace que el hierro fundido sea valioso en máquinas herramienta. Guías, toboganes y piezas fundidas de base de máquina herramienta Se puede producir con la forma casi neta de una pieza fundida y luego rectificarse o rasparse hasta obtener la geometría final.
Fabricantes de bases de máquinas de fundición personalizadas, fábrica - Haian Aoyu Machinery Manufa Haian Aoyu Machinery Manufacturing Co., Ltd es un fabricante de bases de máquinas de fundición y una fábrica de bases de máquinas de fundición de China, ofrecemos... Ver producto → Consideraciones de costo y diseño
ADI no es automáticamente la respuesta correcta para cada casting. El tratamiento térmico añade costos y el costo adicional debe justificarse.
Reducción de peso
Debido a que el ADI es aproximadamente dos veces más resistente que el hierro dúctil convencional, las secciones se pueden hacer más delgadas. Las reducciones de peso del 20 al 30 por ciento son realistas cuando se rediseña una pieza de hierro dúctil existente en ADI. Al reemplazar una fabricación de acero, el costo por kilogramo de ADI es menor y se ahorra la soldadura y el mecanizado posterior a la soldadura que requiere una pieza soldada de acero.
Mecanizado después del austempering
El hierro austemperado es duro, normalmente de 300 HB o más. Perforar, roscar y fresar después del tratamiento térmico exige herramientas de carburo y aumenta el costo de mecanizado. Muchos productores mecanizan la pieza en estado de hierro dúctil y luego la templan como paso casi final. Eso funciona cuando el tratamiento térmico no distorsiona la pieza más allá de la tolerancia. Si es necesario realizar mecanizado después del austemperado, mantenga pequeñas las tolerancias de stock y planifique herramientas más duras.
Tamaño de sección y sensibilidad del proceso
La respuesta del austemperado depende del espesor de la sección. Las secciones pesadas pueden enfriarse demasiado lentamente en el centro, produciendo una estructura mixta con propiedades más bajas de lo que indica el cupón de prueba. El espesor uniforme de las paredes y las transiciones suaves lo protegen de este riesgo. Su fundición debe confirmar que el grado elegido se puede lograr en la sección más gruesa de la pieza.
Verificación de calidad
Las propiedades ADI no pueden verificarse únicamente mediante la medición de la dureza. Los cupones de prueba del mismo calor, pruebas de tracción, evaluación metalográfica y estudios de dureza en toda la pieza fundida son el conjunto de verificación normal. Si un proveedor no puede proporcionar esa documentación, trate la especificación del material con precaución. El paso del tratamiento térmico es donde se gana o se pierde la calidad ADI.
Asociación con una fundición que conoce el hierro dúctil
La fundición básica determina hasta dónde puede llevarle el austemperamento. La calidad de la masa fundida, la nodularidad, el control de la contracción y la composición química constante se establecen en la fundición antes de que la pieza llegue a un baño de sal. Aquí es donde una fundición de hierro dúctil dedicada añade valor.
Haian Aoyu Fabricación de maquinaria Co., Ltd. es una fundición de hierro dúctil y hierro gris en Nantong, China, que suministra piezas fundidas de compresores, bombas, válvulas y máquinas herramienta a clientes de América del Norte, Europa y Asia. Con una capacidad anual de 20.000 toneladas, la empresa produce las familias de componentes exactas donde se aplica ADI con mayor frecuencia, incluidos cuerpos y cilindros de compresores, cuerpos de bombas y bases de máquinas herramienta. Su equipo de ingeniería revisa las condiciones de carga y los entornos de servicio en cada proyecto, lo que hace que la etapa de cotización sea el momento adecuado para preguntar si una calidad austemperada merece consideración.
Cuando se acerque a una fundición sobre ADI, lleve tres cosas: el historial de carga completo de la pieza, el mecanismo de desgaste esperado y las tolerancias dimensionales que deben sobrevivir al tratamiento térmico. Muchos componentes fabricados actualmente a partir de piezas forjadas de acero o hierro dúctil convencional podrían producirse como piezas fundidas de hierro dúctil austemperado. El material ha sido probado en producción durante décadas, y la única forma de saber si se ajusta a su componente es conversarlo con una fundición que comprenda el proceso.
