Mejora y control de la calidad metalúrgica de la fundición esferoidal mediante análisis térmico y acondicionadores

Abstract

The main objective of this doctoral thesis is to improve and control the metallurgical quality to obtain cast parts of ductile iron. In order to achive this target, it is necessary to consider all the elaboration process of the metal, beginning with the melting of the metallic charge, continuing with the nodulization treatment and finishing with the inoculation. The revision of the state of the art was focused on metallurgical aspects, enumerating different parameters that influence the microstructure formation of ductile iron. Thermal analysis possibilities have been described, in order to evaluate the metallurgical quality of the melt. In the same way, the last publications about increasing the metallurgical quality using conditioners have been examinated. The experimental work was carried out in the factory Victorio Luzuriaga Usurbil S. A. (VLU), therefore in the first stage the different phases of the melt elaboration process were studied using a thermal analysis equipment. It was found that the metallurgical quality in the pouring furnaces was very deficient and that the way the Magnesium treatment was done was affecting in a negative way. Therefore and as a result of the state of the art study, it was decided to introduce a new conditioning phase before the Magnesium treatment. It was decided to use a conditioner in development from FOSECO Company, whose main agent is Barium. After several tests it was fixed a proper procedure to carry on the new phase, adapted to VLU´s facilities, showing higher temperatures of the eutectic reaction in the treatment ladle and in the pouring furnace. In addition, a new conditioner has been developed, based on Barium and Boron, for which a patent request is being transacted. The castings produced with conditioned melt show an increment of nodules numbers, better distribution of them and higher ferrit content. Moreover mechanical properties are affected, losing hardness, decresing tensile strength, and increasing elongation and impact behaviour. During the characterization work, Barium presence inside of the graphite nuclei has been reported and it was also observed that Boron forms carbides around the graphite. In this way it was deduced the manner they contribute to the observed microstructural improvements.

Doktoretza lan honen helburu nagusia grafito esferoidaleko fundiziozko piezak ekoizteko kalitate metalurgikoa hobetzea eta kontrolatzea da. Horretarako saldaren elaborazio prozesu guztia kontutan hartu behar da, zeinek karga metalikoaren galdaketa, nodulizazio tratamendua eta inokulazioa barneratzen dituen. Egindako bibliografia azterketan aspektu metalurgikoak azpimarratu dira. Alde batetik grafito esferoidaleko fundizioaren mikroestrukturaren formazioan parte hartzen duten parametroak zehaztu dira. Bestalde, analisi termikoak saldaren kalitate metalurgikoa ebaluatzeko eskaintzen dituen aukerak aztertu dira. Azkenik, kalitate metalurgikoa hobetzeko egokitzaileen erabilerari buruzko behaketa egin da. Esperimentazio atala Victorio Luzuriaga Usurbil S. A.-n (VLU) burutu da. Lehenengo fase batean analisi termikoko ekipamendu baten laguntzaz saldaren elaborazio prozesuaren fase ezberdinak aztertu ziren. Magnesio tratamendua gauzatze moduaren ondorioz kalitate metalurgikoa galdaketa labeetan oso urria zela nabarmendu zen. Bibliografia azterketaren emaitzak kontutan hartuz, Magnesio tratamenduaren aurretik egokitze etapa berri bat barneratzea adostu zen arazoari aurre egiteko asmoz. FOSECO enpresan garatzen ari ziren produktu egokitzaile bat erabiltzea erabaki zen, bere eragile nagusia Barioa delarik. Hainbat proba ondoren, VLU-ko instalazioetara moldaturiko etapa berri hau burutzeko prozedura egoki bat ezarri zen. Bestalde, Bario eta Boroan oinarritutako egokitzaile berri bat garatu da, honen inguruko patente eskaera bat tramitatzen ari delarik. Egokitutako saldarekin galdaturiko piezek nodulu kopuruaren handitzea, beraien banaketa hobea eta matrizearen ferrita portzentaiaren gehikuntza erakusten dute. Ondorioz, piezek gogortasun galera bat, trakzio-saiakuntzan erresistentzia txikiagoa eta luzapenaren handitzea eta Charpy-saiakuntzan emaitza hobeak erakusten dituzte. Burututako karakterizazio lanean Karbonoa grafito esferoidal erara hazten den germenetan Bario aurkitu da. Gainera, Boroak grafitoaren inguruan karburoak osatzen dituela ikusi da. Horrela, bi elementuek aztertutako mikroestrukturaren hobekuntzetan nola laguntzen duten argitu delarik.

El objetivo principal de esta tesis doctoral consiste en mejorar y controlar la calidad metalúrgica para la obtención de piezas de fundición con grafito esferoidal. Para ello es necesario englobar todo el proceso de elaboración del metal, comenzando con la fusión de la carga metálica, continuando con el tratamiento de nodulización y finalizando con la inoculación. En la revisión bibliográfica realizada se ha incidido en aspectos metalúrgicos, detallando los diferentes parámetros que intervienen en la formación de la microestructura de las fundiciones con grafito esferoidal. Se han analizado también las posibilidades que ofrece el análisis térmico para evaluar la calidad metalúrgica del caldo. Del mismo modo, se ha indagado en las últimas publicaciones realizadas para incrementar la calidad metalúrgica empleando acondicionadores. El trabajo experimental se ha desarrollado en Victorio Luzuriaga Usurbil S. A. (VLU), y en una primera fase se estudiaron las diferentes etapas del proceso de elaboración del metal con la ayuda de un equipo de análisis térmico. Se determinó que la calidad metalúrgica en los hornos de colada era muy deficiente, a lo cual contribuía el modo de realizar el tratamiento de Magnesio. Por lo tanto y como resultado del análisis del estado del arte, se decidió tratar de mejorar la calidad metalúrgica introducciendo una nueva etapa de acondicionado antes del tratamiento de Magnesio. Se decidió emplear un acondicionador en fase de desarrollo de la firma FOSECO, cuyo agente principal es el Bario. Tras varios ensayos se estableció un procedimiento para la realización adecuada de esta nueva etapa, adaptándola a las instalaciones de VLU, observándose un incremento considerable de las temperaturas a las cuales transcurre la reacción eutéctica tanto en la cuchara de tratamiento como en el horno de colada. A partir de la experiencia obtenida, se ha desarrollado un nuevo acondicionador en base a Bario y Boro, para el cual se está tramitando la solicitud de una patente. Las piezas fundidas con el caldo acondicionado presentan un incremento del número de nódulos, mejor distribución de los mismos y una mayor ferritización de la matriz. Estos hechos se traducen en la pérdida de dureza, menor resistencia en el ensayo de tracción y en el incremento considerable del alargamiento y del comportamiento al impacto. Durante el trabajo de caracterización realizado se ha observado que el Bario está presente en los gérmenes sobre los que precipita el Carbono formando grafito esferoidal y que el Boro, forma carburos alrededor de los mismos, deduciéndose así el modo con el cual ambos contribuyen a las mejoras microestructurales observadas.

Die Zielsetzung dieser Doktorarbeit ist, die Verbesserung und Kontrolle der metallurgischen Qualität bei der Herstellung von Gussstücken aus Gusseisen mit Kugelgraphit. Dazu ist es erforderlich, den gesamten Herstellungsprozess zu betrachten, vom Schmelzprozess, der Magnesiumsbehandlung bis hin zur Impfung. Schwerpunkt bei der Auswertung des derzeitigen Standes des Wissens, waren insbesondere die metallurgischen Aspekte, es wurden die verschiedenen Parameter, die die Mikroestruktur von Gusseisen mit Kugelgraphit beeinflussen dargestellt. Auch die Möglichkeiten der thermischen Analyse zur Bewertung der metallurgischen Qualität einer Schmelze wurden analysiert. In diesem Zusammenhang, wurden Veröffenlichungen ausgewertet die sich mit der Verbesserung der metallurgischen Qualität anhand von Zusätzen beschäftigen. Der experimentelle Teil der Arbeit wurde bei Victorio Luzuriaga Usurbil S. A. (VLU) durchgeführt, in der ersten Phase wurden die unterschiedliche Stadien der Schmelze im Herstellungsprozess mit Hilfe der thermischen Analyse untersucht. Es wurde eine mangelhafte metallurgische Qualität im Giessofen festgestellt, wobei die Art der Magnesiumbehandlung von Bedeutung war. Aufgrund der Ergebnisse der Experimente in der Giesserei und der Literaturrecherche, wurde entschieden eine neue Behandlungsstufe vor der Magnesiumsbehandlung durchzuführen. Es wurde entschieden ein neuentwickeltes Produkt der Firma FOSECO, dessen Hauptwirkstoff Barium ist, zunutzen. Nach mehreren Versuchen wurde ein neues Behandlungsverfahren festgelegt, um die neue Behandlungsstufe in geeigneter Weise durchzuführen zu können und an die Einrichtungen von VLU angepasst. Mit diesem Verfahren wurde eine Erhöhung der Temperatur der eutektischen Reaktion in der Behandlungspfanne und im Giessofen erreicht. Es wurde auch ein auf Barium und Bor basierendes Behandlungsmittel entwickelt, für welches ein Patentantrag gestellt wurde. Gusstücke die mit dieser Schmelzbehandlung hergestellt wurden, weisen eine höhere Anzahl an Graphitkugeln, eine Verbesserung ihrer Verteilung und eine Erhöhung des Ferritanteils auf, bei gleichzeitig verminderter Härte, geringerer Festigkeit und einer grösseren Bruchdehnug sowie einer verbesserten Kerbschlagzähigkeit. Bei der Probencharakterisierung wurde festgestellt, dass Barium in den Keimen, auf denen sich der Kohlenstoff in Form von Gaphitkugeln ausscheidet, vorliegt. Es wurde auch beobachtet, dass Bor in der Umgebung der Graphitkugeln Karbide bildet. Auf diese Weise konnte die Mitwirkung dieser Elemente an der Verbesserung des Gefüges festgestellt werden.