ES2203106T3 - Un metodo para producir hierro con grafito compactado. - Google Patents

Un metodo para producir hierro con grafito compactado.

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ES2203106T3 ES99914854T ES99914854T ES2203106T3 ES 2203106 T3 ES2203106 T3 ES 2203106T3 ES 99914854 T ES99914854 T ES 99914854T ES 99914854 T ES99914854 T ES 99914854T ES 2203106 T3 ES2203106 T3 ES 2203106T3
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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.
Introducción
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.
Grafito laminar
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}.
Hierro con grafito compactado (CGI)
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.
Hierro nodular
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.
Antecedentes del invento
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)
\hskip3cm
II
\hskip1cm
15.47 – 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.
Descripción del invento
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.
Procedimiento
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.
Ejemplo
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)
\hskip4.6cm
15.47 – 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 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
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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