ES2203106T3 - Un metodo para producir hierro con grafito compactado. - Google Patents
Un metodo para producir hierro con grafito compactado.Info
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Abstract
Un método para producir objetos de fundición de hierro que contiene cristales de grafito compactado (vermifor- me) caracterizado por: a) preparar una masa de hierro fundido, preferentemente con los mismos requerimientos en relación con el material de base como es práctica común en la producción de hierro dúctil, teniendo sustancialmente un contenido de carbono al nivel final deseado y un contenido de silicio por debajo del valor final deseado, de manera que la temperatura de equilibrio (TE) TE = 27486 - 273.15 (ºC) 15.47 ¿ log(Si/C^2) para la reacción entre carbono y SiO2 caiga cerca de 1400ºC. b) ajustar la temperatura de la masa fundida (TM) a un valor entre la ¿temperatura de equilibrio¿ (TE) y la ¿tem- peratura de ebullición¿ (TB), a la cual el monóxido de carbono (CO) se expele de la masa, y mantener la masa a TM durante un tiempo de espera hasta que el nivel de oxígeno disuelto en la masa sea de una concentración de 50-100 ppm en el momento en que la fundición se vierte en el molde, añadir la cantidad requerida de silicio con el fin de obtener una TE aproximadamente 20ºC por debajo de TM y, después de eso, reducir el contenido de oxígeno por adición de magnesio o un material que contenga magnesio, preferiblemente una aleación de FeSiMg a un nivel de oxígeno de 10 a 20 ppm con oxígeno en solución liquida y formar, durante el proceso de reducción, partículas de magnesio que contengan silicatos.
Description
Un método para producir hierro con grafito
compactado.
Las fundiciones de hierro pueden dividirse en
cuatro grandes grupos, grafito laminar, maleable, esferoidal y
hierro con grafito compactado (CGI) según se describe en Cast Iron
Technology, de Roy Elliot, Butterworths 1988 y en el Specialty
Handbook de la ASM referentes a fundiciones de hierro, editado por
J.R. Davis & Associates en 1996. En el hierro maleable la fase
de grafito se forma como resultado de una reacción de estado sólido,
pero en otros tipos de hierro, el grafito precipita fuera de la fase
liquida durante la solidificación. Dependiendo de las partículas
nucleantes presentes en la fundición y en las condiciones
constitucionales prevalecientes (i.e. la presencia de ciertos
elementos de aleación e impurezas) las diversas formas de cristales
de grafito crecen de la fundición como láminas, nódulos o cristales
compactados (vermiformes). Las fundiciones de hierro con varias
formas de grafito muestran diferentes propiedades mecánicas y
físicas. Las fundiciones de hierro con grafito compactado, definidas
como Tipo IV en la ASTM A247 se caracterizan por tener una alta
resistencia, ductilidad razonable, buena conductividad calorífica y
alta capacidad para humedecerse, lo cual hace al material
especialmente interesante para producción de bloques de motores,
culatas, colectores de escape, frenos de disco y productos similares
para la industria automotriz. El material es, sin embargo, bastante
difícil de producir ya que requiere un nucleante específico y un
control minucioso de elementos como azufre y oxígeno. Este invento
en concreto describe un método por el cual estos requerimientos
pueden ser satisfechos durante el proceso de producción en la
fundición.
Primero presentamos un repaso de diferentes tipos
de partículas nucleantes.
Normalmente las partículas nucleantes consisten
en SiO_{2} saturado (cristobalita o tridimita) que se forman con
altos contenidos de silicio y de oxígeno, la reacción del Si a
SiO_{2} ocurre dentro del rango de temperatura normal de la colada
y hay un buen encajado de la trama (epiaxial) entre los cristales de
grafito y la cristobalita. La formación de partículas de SiO_{2}
puede, por razones cinéticas, ser facilitada por la presencia de
partículas de óxidos estables tales como el Al_{2}O_{3}.
Se ha encontrado que en hierros con grafito
compactado las partículas de SiO_{2} no son muy eficientes como
partículas nucleantes pero si lo son varias formas de silicatos de
magnesio. En circunstancias donde el SiO_{2} esta presente hay un
gran riesgo de que las laminas de grafito nucleen, lo cual es
desastroso para la calidad del hierro con grafito compactado. Las
partículas de silicatos son, sin embargo, buenos nucleantes para los
cristales de grafito compactado que se desarrollarán plenamente
siempre y cuando el contenido de oxígeno remanente, después del
tratamiento por magnesio de la fundición se mantenga en un rango
apropiado de entre 20 a 60 ppm.
No está muy claro qué tipo de partículas
nucleantes son las más eficientes para iniciar el crecimiento de
partículas de grafito nodular, las cuales, debido a una gran
desoxidación, a una concentración remanente de oxígeno de entre 5 y
10 ppm, se desarrollan en una forma nodular.
Es obvio de lo anteriormente expuesto, que en
fundiciones grises y en hierros de grafito compactado, las
partículas nucleantes consisten en productos de desoxidación, en
hierro gris preferentemente óxido de silicio (SiO_{2}) y en hierro
con grafito compactado, después de la adición de magnesio,
partículas de silicato de magnesio. Estas últimas partículas
necesitan un mayor grado de subenfriamiento antes de que pasen a ser
activas como núcleos.
La relativa cantidad de partículas de silicatos
formadas con la adición del magnesio en el comienzo del proceso de
desoxidación depende de la cantidad de oxígeno presente
originalmente en la fundición. Un control del contenido de oxígeno
(oxígeno disuelto), es por tanto, de gran importancia en la
producción de hierro con grafito compactado. Existen diferentes
medios para valorar el contenido de oxígeno, desde mediciones
directas basadas en EMF (fuerza electromotriz) a métodos indirectos
basados en análisis térmicos. Cualquier experto en este campo conoce
estas técnicas. Debe de hacerse notar, sin embargo, que las
mediciones directas y la determinación del contenido de oxígeno en
muestras extraídas en condiciones de vacío, muestran resultados más
bajos que las muestras vaciadas en molde de muestra, donde el
oxígeno puede ser absorbido desde el aire y desde el material del
molde mismo.
En hierro líquido ciertas reacciones son de
importancia específica en la determinación de las condiciones
termodinámicas. Primero la temperatura de reducción del SiO_{2}
por el carbono
\newpage
ISiO_{2} + 2C <--> Si
+ 2
CO
Podemos referirnos a esta temperatura como la
"temperatura de ebullición" (TB) cuando aparecen las burbujas
mientras se expele el gas CO. Esta temperatura está usualmente entre
50 y 100ºC por encima de la "temperatura de equilibrio" (TE) a
la cual más captación de oxígeno conlleva la formación de SiO_{2}
saturado.
TE = 27486
\hskip1cm- 273.15(ºC)
\hskip3cmII
\hskip1cm15.47 – log(Si/C^2)
La relación entre estas dos temperaturas está
dada por
IIITB = 0,7866 TE +
362
que expresa el desplazamiento del "punto de
ebullición". El intervalo de temperatura entre TE y TB depende
del contenido de carbono y de silicio de la fundición, pero se
encuentra comúnmente entre 1400 y 1500ºC. En esta región de
temperaturas el oxígeno puede se rápidamente captado y absorbido por
la fundición. La velocidad de absorción del oxígeno, hasta el punto
en que se forma FeO, depende de la diferencia de temperaturas entre
la temperatura real de la fundición (TM) y TE. La absorción sigue
con una función exponencial. La temperatura a la cual la fundición
se vierte en los moldes es usualmente ajustada a valores entre TE y
TB, siendo más finas las secciones de hierro de grafito compactado
en la pieza fundida y cuanto más elevada sea
aquélla.
En el caso de producir CGI se requiere una
adición de silicio seguida de desoxidación con magnesio. Para
calcular la cantidad de desoxidación adicional necesaria para
producir CGI, el oxígeno potencial de la fundición debe ser conocido
con precisión. Esto puede ser determinado con cálculos, calibración
o por medición directa o indirecta de contenido de oxígeno, por
métodos conocidos per se.
El objetivo del proceso de desoxidación es
doble:
a) para precipitar partículas de silicatos de
Mg/Fe que constituyen buenos emplazamientos de nucelación para
cristales de grafito compactado y
b) para reducir el contenido de oxígeno de la
fundición al nivel deseado, antes del vaciado de la fundición en los
moldes.
A menos que el proceso sea controlado dentro de
rangos muy estrechos, existe un gran riesgo de que aparezcan
cristales laminares o un exceso de cristales nodulares en la pieza
de fundición. A continuación especificaremos estos límites.
Así, el presente invento se refiere a un método
de producir objetos de fundición de hierro que contiene cristales de
grafito compactado (vermiforme):
a) preparando una masa de hierro fundido,
preferentemente con los mismos requerimientos, en cuanto al material
de base que son práctica común para la producción de hierro dúctil,
teniendo básicamente un contenido de carbono a un nivel final
deseado y un contenido de silicio por debajo del valor final
deseado, de manera que la temperatura de equilibrio (TE) para la
reacción entre el carbono y el SiO_{2} caiga cerca de los
1400ºC.
b) ajustando la temperatura de la masa de (TM) a
un valor entre la temperatura de equilibrio (TE) y la "temperatura
de ebullición" (TB) a la cual el monóxido de carbono (CO) se
expele de la masa de fundición, para permitir la absorción del
oxígeno por la masa a un nivel que exceda el nivel deseado en el
momento en que la masa en fusión se vierte en el molde,
preferentemente por encima de una concentración de los
50-100 ppm, añadiendo una cantidad requerida de
silicio, y después de eso, reduciendo el contenido de oxígeno por
adición de magnesio o de un material que contenga magnesio,
preferentemente una aleación FeSiMG a un nivel de oxígeno de 10 a 20
ppm en solución liquida, y formando, durante el proceso de
reducción, partículas de magnesio que contengan silicatos.
La temperatura de la masa puede ser ajustada
durante la absorción del oxígeno a un valor de al menos 20ºC sobre
TE y hasta 10ºC por debajo de TB.
La adición de un agente desoxidante está
calculada preferiblemente para obtener una pieza de fundición que
contenga más de 80% de cristales de grafito compactado, siendo el
resto cristales nodulares y careciendo prácticamente de laminas de
grafito en secciones de pared de entre 3 y 10 mm.
\newpage
El contenido de oxígeno es analizado
adecuadamente, preferiblemente por análisis térmico, antes de la
adición del material de reducción de oxígeno.
De acuerdo con una realización preferida, los
objetos de fundición, debido a la absorción de oxígeno durante el
vaciado y llenado del molde de arena con la masa fundida, alcanzan
una cantidad final de oxígeno de
| en un módulo M de 0.5 cm. | |
| (espesor de pared de hasta 10 mm) | 40-60 ppm |
| en un módulo M entre 0.5 y 1 cm. | |
| (espesor de pared entre 10 y 20 mm) | 30-50 ppm |
| en un módulo M por arriba de 1 cm. | |
| (espesor de pared por encima de 20 mm) | 20-40 ppm |
donde la proporción entre los silicatos de
magnesio y silicatos de hierro debe ser >2 y se permite que una
cantidad adicional de, preferiblemente, 20 ppm de oxígeno como
máximo esté presente en otras formas. En las piezas fundidas
solidificadas el oxígeno se encuentra principalmente combinado con
silicatos tales como FeO.SiO_{2} y MgO.SiO_{2} y/o
2FeO.SiO_{2} y
2MgO.SiO_{2}.
El invento también se aplica a objetos de
fundición manufacturados como se ha expuesto anteriormente, en
especial, bloques de motor, culatas, volantes, frenos de disco y
productos similares, en los cuales en piezas con espesores de pared
de entre 3-10 mm, el carbón grafitizado, hasta al
menos un 80% y preferiblemente hasta al menos un 90%, son cristales
de grafito compactado, siendo el resto cristales nodulares y estando
el material prácticamente libre de láminas de grafito.
Todas las partes y porcentajes son en peso.
En un caso práctico, se prepara una masa de
hierro colado usando un material de base con un contenido bajo de
azufre como es practica común en la producción de fundiciónnodular.
El contenido de carbono se ajusta cerca del valor final deseado,
mientras que el contenido de silicio es más bajo que el contenido
final deseado y se ajusta de manera que la temperatura TE caiga
cerca de los 1400ºC. La temperatura real de la masa TM se ajusta
ahora a un valor ligeramente inferior a TB, es decir, en la región
donde el oxígeno puede ser absorbido por la masa fundida desde el
aire circundante a una velocidad relativamente alta. Después de un
tiempo estimado a una temperatura especifica, se mide el contenido
de oxígeno ahora obtenido, preferentemente por un procedimiento
estándar de análisis térmico, el cual aparte del nivel de oxígeno
disuelto, pueda dar, también, información del tipo de inclusiones de
óxido y del comportamiento de cristalización inherente de la masa
fundida en esta etapa. La experiencia muestra que la temperatura de
la masa debe de ser, preferentemente, al menos 20ºC por encima de TE
y 10ºC por debajo de TB y el tiempo de espera debe de ser controlado
de acuerdo al contenido inicial de oxígeno de la masa fundida.
Preferiblemente, cuando el nivel de oxígeno de la
masa alcanza un valor de entre 50-100 ppm, la
cantidad remanente de silicio es añadida de manera que la
temperatura TE calculada ahora caiga alrededor de 20ºC por debajo de
TM. Para retener niveles altos de oxígeno, el silicio puede ser
alternativamente añadido durante la transferencia de la masa fundida
a un recipiente de tratamiento.
A una concentración de carbono del 3.6% una
fundición requiere un nivel de silicio del 1.4% para alcanzar una
temperatura TE de 1400ºC. En este caso la temperatura TB puede ser
calculada de acuerdo con las fórmulas expuestas anteriormente para
obtener 1460ºC. Incrementando la temperatura real de la masa (TM)
desde 1380ºC a 1440ºC tiene lugar una rápida captación de oxígeno,
por encima de la requerida para satisfacer el SiO_{2}. La adición
de silicio a una concentración final del 2.3% disminuye la
diferencia TM-TE por lo cual se reduce la posterior
captación de oxígeno. Después de esta etapa la temperatura de fusión
se eleva por un corto periodo de tiempo a una temperatura de
tratamiento (TT) para compensar la disminución en la temperatura
durante la transferencia al recipiente de tratamiento (esta
disminución es del orden de 50ºC). Durante la transferencia ocurrirá
otra captación de oxígeno en el rango de 20 ppm, lo cual tiene que
ser considerado en el cálculo de la cantidad requerida de agente
desoxidante. Después del proceso de desoxidación, no es necesario
ningún tratamiento posterior y la masa puede ser vertida en los
moldes.
Durante el tratamiento de la fundición con
magnesio o una aleación FeSiMg, se pueden formar silicatos de
magnesio (MgO, SiO_{2}, 2MgO o SiO_{2}) así como silicatos de
hierro (FeO, SiO_{2} o 2FeO, SiO_{2}) y mezclas como la olivina
de acuerdo a las actividades del silicio, el oxígeno y el magnesio.
Los silicatos de magnesio constituyen el más potente agente
nucleante para los cristales de grafito compactado, mientras que los
compuestos con contenido de hierro parecen ser inactivos.
Con velocidades crecientes de enfriamiento
durante la solidificación en el molde, es decir secciones con
paredes más delgadas, el número relativo de partículas nucleantes
debe de ser más alto para prevenir la formación de laminas de
grafito y, al mismo tiempo, la actividad del oxígeno debe de ser
alta para prevenir la formación de cristales nodulares.
Se ha probado de forma empírica que para un
espesor de pared < 10mm (M<0,5 cm) se requiere una actividad
de oxígeno de 40-60 ppm, a M =
0,5-1,0 cm (espesor de pared 10-20
mm) la concentración de oxígeno debe de ser de 30-50
ppm y para M>1,0 (espesor de pared >20 mm) se requiere un
nivel de oxígeno de 20-40 ppm.
El oxígeno es captado durante el vertido y
llenado del molde. Cuanto mayor sea la relación
superficie-volumen, mayor será la captación de
oxígeno. Por tanto, el nivel de oxígeno justo antes del vertido
tiene que ser optimizado a un determinado modulo.
Claims (5)
1. Un método para producir objetos de fundición
de hierro que contiene cristales de grafito compactado (vermiforme)
caracterizado por:
a) preparar una masa de hierro fundido,
preferentemente con los mismos requerimientos en relación con el
material de base como es práctica común en la producción de hierro
dúctil, teniendo sustancialmente un contenido de carbono al nivel
final deseado y un contenido de silicio por debajo del valor final
deseado, de manera que la temperatura de equilibrio (TE)
TE = 27486
\hskip1cm- 273.15 (ºC)
\hskip4.6cm15.47 – log(Si/C^2)
para la reacción entre carbono y SiO_{2} caiga
cerca de
1400ºC.
b) ajustar la temperatura de la masa fundida (TM)
a un valor entre la "temperatura de equilibrio" (TE) y la
"temperatura de ebullición" (TB), a la cual el monóxido de
carbono (CO) se expele de la masa, y mantener la masa a TM durante
un tiempo de espera hasta que el nivel de oxígeno disuelto en la
masa sea de una concentración de 50-100 ppm en el
momento en que la fundición se vierte en el molde, añadir la
cantidad requerida de silicio con el fin de obtener una TE
aproximadamente 20ºC por debajo de TM y, después de eso, reducir el
contenido de oxígeno por adición de magnesio o un material que
contenga magnesio, preferiblemente una aleación de FeSiMg a un nivel
de oxígeno de 10 a 20 ppm con oxígeno en solución liquida y formar,
durante el proceso de reducción, partículas de magnesio que
contengan silicatos.
2. Un método de acuerdo a la reivindicación 1,
caracterizado por ajustar la temperatura TM de la masa
durante el tiempo de espera a un valor de, al menos, 20ºC por encima
de TE y, como máximo, de 10ºC por debajo de TB.
3. Un método de acuerdo a cualquier
reivindicación precedente, caracterizado porque la adición de
un agente desoxidante se calcula para obtener una pieza de fundición
que contenga más de 80% de cristales de grafito compactado, siendo
el resto cristales nodulares y careciendo prácticamente de grafito
laminar, en secciones de pared de entre 3 y 10 mm.
4. Un método de acuerdo con cualquier
reivindicación precedente, caracterizado porque el contenido
de oxígeno es analizado, preferentemente por análisis térmico, antes
de la adición del material reductor de oxígeno.
5. Un método de acuerdo a cualquier
reivindicación precedente, caracterizado porque los objetos
de fundición mantienen al final una cantidad de oxígeno de
en donde la proporción de silicatos de magnesio y
de silicatos de hierro debe de ser >2 y se permite que una
cantidad adicional de 20 ppm de oxígeno como máximo esté presente en
otras formas y, en las piezas solidificadas, el oxígeno se encuentra
principalmente combinado con silicatos tales como FeO.SiO_{2} y
MgO.SiO_{2} y/o 2FeO.SiO_{2} y
2MgO.SiO_{2}.
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