Grafito grueso en piezas fundidas de hierro dúctil: por qué se forma y cómo lo previenen las fundiciones

Grafito grueso en piezas fundidas de hierro dúctil: por qué se forma y cómo lo previenen las fundiciones

La base de una máquina de hierro dúctil con paredes de aproximadamente 200 mm deja la fundición con un aspecto perfecto: superficies limpias, dimensiones sólidas y dureza normal. Meses más tarde, una muestra mecanizada desde el centro de la pared más gruesa prueba un alargamiento del 3 al 4 por ciento en lugar del 10 por ciento que promete la calidad, o se abre una grieta por fatiga junto al asiento de un cojinete. Seccione la pieza fundida en ese lugar y el grafito se verá mal: en lugar de nódulos redondos discretos, el microscopio muestra grupos de partículas conectadas con forma de coral empaquetadas entre brazos de dendrita. Se trata de grafito grueso y el material se vio comprometido antes de que la pieza soportara carga.

La versión corta: El grafito grueso es el defecto característico del hierro dúctil de sección pesada. . Se forma donde la solidificación es más lenta, prospera con alto contenido de silicio, alto equivalente de carbono y tierras raras residuales, y daña el alargamiento y la resistencia a la fatiga mucho más de lo que la dureza revela. Ambas condiciones previas (un punto de enfriamiento lento y una química permisiva) pueden eliminarse mediante ingeniería, lo que lo convierte en uno de los defectos más controlables que enfrenta una fundición. Lo que sigue cubre el defecto en sí, el daño que causa y las contramedidas que se mantienen en la producción.

Qué es realmente el grafito grueso

El grafito grueso no es una inclusión extraña ni una cavidad de contracción. Es una morfología del grafito: el carbono que debería haberse congelado en nódulos esféricos aislados, en cambio, crece como partículas agregadas e interconectadas que parecen explotadas o vermiculares bajo el microscopio. Aparece en grupos o en posiciones interdendríticas, y a simple vista puede confundirse con el grafito tipo D de los hierros de paredes delgadas, aunque pertenece a secciones pesadas que se enfrían lentamente, no a paredes delgadas que se congelan rápidamente.

Dos hábitos hacen que sea fácil pasarlo por alto. Primero, se concentra en el centro térmico de una sección pesada (el último metal en solidificarse), mientras que el grafito que se forma en la piel y en muestras de rutina puede parecer perfectamente normal. En segundo lugar, en una superficie mecanizada o fracturada se muestra sólo como un oscurecimiento localizado, una mancha gris difusa que es fácil de interpretar erróneamente como una tinción o un problema de alimentación. Cuando se detecta una fractura, el grafito unido ya ha formado una red de caminos de grietas ya preparados.

Si necesita un repaso primero, nuestro Introducción en lenguaje sencillo al hierro dúctil. cubre en qué se diferencia el material del hierro gris.

Por qué las secciones pesadas y el enfriamiento lento lo activan

La variable de control es el tiempo de solidificación local. En una pared de 25 mm, la reacción eutéctica finaliza rápidamente y cada nódulo crece de forma independiente hasta formar una esfera. En el núcleo de una columna de máquina o en el cubo del cárter de un compresor, la misma reacción puede prolongarse muchas veces más, y las partículas de grafito suspendidas en el último líquido entre las células eutécticas se conectan y crecen como un agregado en lugar de permanecer separadas. El defecto aparece exactamente donde la experiencia lo predice: en las uniones de las paredes, en protuberancias gruesas, debajo de la arena de alimentación.

La química decide si se permite que ese enfriamiento lento cause daño. Tres factores de composición surgen consistentemente. El silicio es el dominante: el defecto es raro cerca del 2 por ciento de silicio y su incidencia aumenta abruptamente hacia y más allá del 3 por ciento, lo cual es una de las razones por las que los grados ferríticos reforzados con soluciones con alto contenido de silicio exigen cuidado adicional en secciones pesadas. Un equivalente alto en carbono aumenta la exposición. Las tierras raras son más sutiles: se necesitan cerio y lantano en pequeñas cantidades para una fuerte reacción de nodularización, pero los residuos intermedios se unen repetidamente al grafito grueso en placas y barras pesadas.

El grafito grueso no trae mala suerte. Es lo que hace el hierro dúctil cuando el enfriamiento lento se encuentra con una química permisiva, y ambas variables pueden controlarse.

El daño que causa a las propiedades mecánicas

Las pérdidas no son uniformes y esa asimetría es la que hace que el defecto sea peligroso. La dureza apenas se mueve, porque la matriz metálica prácticamente no cambia. La resistencia a la tracción en una zona afectada normalmente cae aproximadamente entre un 10 y un 20 por ciento. El alargamiento se ve mucho más afectado: comúnmente se informan pérdidas de la mitad o más una vez que el grafito grueso ocupa una parte significativa de la superficie de fractura. La resistencia a la fatiga suele ser la que más sufre, porque el grafito interconectado actúa como una muesca interna: una grieta ya no necesita comenzar en la superficie, puede comenzar en lo más profundo de la pared.

Peligro - La dureza no solucionará este defecto. Una región afectada por trozos puede resultar completamente normal en una prueba de dureza, mientras que su elongación y fatiga han colapsado silenciosamente. La aceptación de secciones pesadas debe basarse en pruebas de tracción de material representativo.

Cómo lo encuentran las fundiciones antes que el cliente

La detección tiene que ir buscando el defecto, porque el defecto no llega a la inspección rutinaria. El método directo es seccionar: cortar la pieza fundida (o una muestra de sacrificio de la misma posición térmica) en los puntos críticos conocidos, preparar la superficie y evaluar metalográficamente la forma del grafito comparándola con tablas de comparación estándar. Los inspectores también observan el oscurecimiento localizado descrito anteriormente en superficies mecanizadas o fracturadas. Para piezas fundidas demasiado grandes para seccionarlas, las pruebas ultrasónicas sirven como herramienta de detección, ya que el grafito degradado forma una velocidad del sonido considerablemente menor; Luego, cualquier área marcada se confirma metalográficamente.

Información — Una barra de prueba fundida por separado describe la masa fundida, no la pieza fundida. Para secciones pesadas, insista en los cupones adheridos a las paredes más gruesas, o muestras cortadas de zonas de puntos críticos definidas, antes de aceptar cualquier resultado de propiedad.

Prevención: química y solidificación, gestionadas juntas

palancas de química

La primera palanca es la composición. Las fundiciones que vierten secciones pesadas habitualmente mantienen el silicio tan bajo como lo permite el grado (para hierros dúctiles ferríticos estructurales, eso generalmente significa permanecer en el rango de 2,0 a 2,4 por ciento en lugar de acercarse a 3) y mantienen el equivalente de carbono bajo control por la misma razón. Las tierras raras residuales se gestionan deliberadamente: las suficientes para garantizar la nodularidad, nunca más de las necesarias. Cuando una sección necesita un seguro adicional, las microadiciones de antimonio del orden de decenas de ppm son una contramedida establecida, y en grados con alto contenido de silicio el estaño ha mostrado un efecto supresor similar.

Advertencia - Estas adiciones funcionan precisamente porque son pequeñas. El exceso de antimonio promueve sus propias formas degeneradas de grafito, y la eliminación total de las tierras raras deja la reacción de nodularización frágil contra elementos traza nocivos. Las contramedidas funcionan como una ventana equilibrada, no como interruptores independientes.

Palancas de refrigeración y diseño.

La segunda palanca es la solidificación misma. Los escalofríos contra las paredes de los puntos calientes, las nervaduras y aletas que adelgazan las uniones masivas y las secciones de pared honestamente proporcionadas acortan el tiempo de solidificación local, la causa principal del defecto. El diseño de la alimentación también es importante, porque un punto de acceso que se alimenta pero no se enfría permanece demasiado tiempo por encima del sólido. La simulación de solidificación, que se ejecuta antes de verter la primera pieza fundida, ubica los centros térmicos en la computadora en lugar de en el contenedor de desechos.

Qué deben incluir los compradores en las especificaciones

Gran parte de la protección que recibe un comprador se decide en la etapa de especificación. Nombra el grado sin ambigüedades (ASTM A536 65-45-12 o 80-55-06, o los equivalentes EN-GJS e ISO 1083) y luego indica dónde se deben probar las propiedades. El requisito de que los cupones de tracción se adhieran a las paredes más pesadas, o se corten de zonas definidas, cambia el comportamiento de la fundición de una manera que un número en un dibujo nunca lo haría. Defina la aceptación del grafito en las secciones de los puntos críticos con referencia a tablas de comparación estándar y, para piezas realmente grandes, considere la detección ultrasónica contractual.

El estado de tratamiento térmico también merece su propia línea. Un recocido ferritizante da carácter a los grados ricos en alargamiento, pero ningún recocido puede reparar el grafito grueso que se formó durante la solidificación.

Un número de grado en un dibujo no demuestra nada sobre el centro de una pared de 200 mm. El lugar de muestreo sí lo hace.

Éxito - La frase más valiosa en una especificación de fundición de secciones pesadas es la que nombra el lugar de muestreo. Todo lo demás se deriva de ello.

Dónde se concentra el riesgo en componentes reales

Los componentes más expuestos son los que los usuarios finales rara vez ven: formas masivas de hierro dúctil que soportan carga con paredes gruesas que se cruzan. Las bases de máquinas herramienta concentran el metal exactamente de la manera que produce largos tiempos de solidificación, y su estabilidad dimensional a lo largo de años de servicio depende de una matriz sólida dentro de la pared. Los tratamos como un reloj de grafito grueso desde la primera simulación en adelante.

Fundición de base de máquina herramienta de hierro dúctil Esta base de resina fundida en arena soporta husillos, camas y mesas de trabajo, proporcionando la rigidez y resistencia a la vibración que mantienen las máquinas herramienta precisas. Sus gruesas paredes que se cruzan exigen una forma sólida de grafito dentro de la fundición. Ver producto →

Las columnas de las máquinas herramienta tienen el mismo perfil (altas, gruesas y estructuralmente centrales) con la exigencia adicional de que la geometría se mantenga fiel mientras la máquina corta. La forma de grafito dentro de la pared es parte de esa promesa.

Fundición de columnas de máquinas herramienta para rigidez y posicionamiento La columna soporta y posiciona la herramienta, mesa de trabajo o pieza de trabajo, y debe mantener la geometría fiel durante el corte. Las secciones altas y de paredes gruesas hacen que la estructura interna de grafito y la estabilidad dimensional sean las principales preocupaciones de calidad aquí. Ver producto →

Los componentes del compresor combinan el espesor de la sección con el servicio giratorio. Los cárteres y las carrocerías apilan gruesos resaltes de asiento de cojinete y paredes de cilindro en una sola pieza fundida, y los equipos rotativos son implacables con los defectos internos. Nuestro programa de fundición de compresores Cubre cuerpos, cárteres, asientos de cojinetes, asientos de rotores y cilindros donde esta combinación es rutinaria.

Fundición del cárter del compresor con asientos de cojinete gruesos Este cárter combina secciones pesadas, resaltes de asiento de cojinete y paredes de cilindro en una sola pieza fundida para servicio giratorio. Los equipos rotativos toleran pocos defectos internos, por lo que la solidificación sólida en paredes gruesas es esencial. Ver producto →

Los cuerpos de las bombas y las piezas que retienen la presión añaden carga cíclica sobre las secciones pesadas, y los componentes de la energía eólica (bujes y bastidores principales de hierro dúctil de secciones pesadas) se encuentran en el extremo más exigente del mismo problema.

La conclusión

El grafito grueso en las piezas fundidas de hierro dúctil es un defecto del tiempo y de la química: crece donde las secciones pesadas se enfrían lentamente y una composición permisiva lo permite, deja la dureza intacta y reduce desproporcionadamente el alargamiento y la resistencia a la fatiga mientras se esconde de los controles de rutina.

• Se forma en los centros térmicos de secciones pesadas, no en paredes delgadas.
• El silicio que se acerca al 3 por ciento, el alto equivalente de carbono y los residuos intermedios de tierras raras aumentan el riesgo.
• La detección significa seccionar los puntos críticos para la metalografía; la dureza y las muestras de piel no lo revelarán.
• Las ventanas de silicio de gama baja, los residuos de tierras raras cubiertos, las pequeñas adiciones de antimonio o estaño y el enfriamiento local lo suprimen.
• La herramienta más poderosa del comprador es una especificación que indica el grado, la ubicación de muestreo y la aceptación del grafito basada en puntos críticos.

Ninguna de estas medidas es exótica; son una práctica estándar en cualquier fundición que vierte regularmente bases y marcos de varias toneladas. La diferencia entre una fundición pesada que funciona durante décadas y una que se agrieta en servicio suele decidirse meses antes de la entrega: en la hoja de química, el modelo de simulación y el plan de muestreo. Las fundiciones que controlan esos documentos y los compradores que los leen rara vez se encuentran con grafito grueso en un informe de falla.