MÉTODO PARA LA PREDICCIÓN DEL GRADO DE ESFEROIDIZACIÓN EN ZONAS DEFINIDAS DE PIEZAS DE FUNDICIÓN GRAFÍTICA ESFEROIDAL.

Método para la predicción del grado de esferoidización en zonas definidas de piezas de fundición grafítica esferoidal. Campo de la Invención La invención concierne a un método predictivo del grado de esferoidización en determinadas zonas de piezas fundidas de fundición grafítica esferoidal. Estado de la técnica El grado de esferoidización de una fundición grafítica esferoidal es un dato de gran interés práctico ya que es un indicador relevante en cuanto al comportamiento mecánico de la fundición de hierro estudiada y, en especial, de su fragilidad. El grado de esferoidización representa el número de esferoides de grafito que se desarrollan por mm 2 en el seno del material. Estos esferoides de grafito se desarrollan durante el proceso de enfriamiento, al cristalizar el carbono en pequeñas agrupaciones de forma esferoidal, de manera uniforme por toda la matriz. La determinación de su número y su concentración proporciona una idea clara de la calidad metalúrgica de la fundición grafítica esferoidal. Es también conocido que el grado de esferoidización del Grafito de un metal fundido, el tamaño de los esferoides y la distribución de los mismos puede obtenerse del análisis de la curva de enfriamiento del mencionado metal fundido. A este respecto existen diferentes patentes que tratan este tema, como son las siguientes: En la patente JP60177116 se menciona un procedimiento para medir exacta y rápidamente el grado de esferoidización del grafito en hierro fundido mediante el empleo de termopares y posteriores cálculos matemáticos, pero no hace referencia al grado de nodulización específico de una zona en concreto. En la patente WO9400755 se menciona un método para determinar el contenido en grafito de la fundición, por medio de un sistema de ultrasonidos y la comparación de los resultados con un material de referencia. En este caso se obtiene un valor medio y tampoco se aprecia influencia de la forma de la pieza. En la patente US6604016 se presenta un nuevo método para la obtención de hierro en el que se puede determinar exactamente el contenido de grafito mediante el control de la curva de enfriamiento y los aditivos. Este caso es más un proceso de producción y no tiene en cuenta la forma de la pieza a obtener. En la patente WO9925888 se muestra otro proceso para la obtención de hierro con grafito esferoidal, también mediante el empleo de las curvas de enfriamiento y agentes modificantes. Es una mejora del método anterior, pero sigue sin hablar de zonas diferenciadas para la pieza. En la patente AU651389B se describe un proceso de obtención de hierro fundido dúctil que incluye el control del enfriamiento mediante el empleo de termopares y la corrección de la composición mediante la adición de agentes modificantes para la obtención del grado de nodularidad deseado. En este caso tampoco se habla del grado de nodularidad que se obtiene en las diferentes zonas de la pieza y también es un proceso de producción. En la patente US3670558 se presenta la técnica de análisis térmico inversa aplicada al estudio de la solidificación en hierro fundido permitiendo un fondo metalúrgico común para muestras que solidifican a diferentes ritmos de enfriamiento como hacen cuando coladas se sitúan en un racimo en un molde, realizando medidas relativas del grado de esferoidización para cada una de las diferentes muestras en el molde. En cualquier caso, ninguno de estos procedimientos es apto para calcular el grado de esferoidización de determinadas zonas de las piezas fundidas, o en el caso de procesos, de conseguir una fundición de la pieza en la que una zona específica de la misma posea el grado de esferoidización deseado. Explicación general de la invención ES 2 367 963 T3 Tradicionalmente, ante la necesidad de predecir de la manera más exacta posible el comportamiento mecánico de los diferentes materiales metálicos, se han ido desarrollando diferentes métodos mediante la tecnología del análisis térmico. Así, mediante el vertido del metal líquido en un quik-cup (modelo metalográfico de transferencia de calor microestructural) y el análisis de su proceso de solidificación, fundamentalmente en lo que a sus componentes térmicos se refiere, es posible predecir que grado de modularidad llegará a tener ese metal. Este método conocido orienta la interpretación sobre el comportamiento del material y su nivel de calidad metalúrgica en un aspecto muy importante, como es el de la esferoidización. Sin embargo, en este método no se tiene en cuenta en 2 absoluto la morfología de las piezas, sus dimensiones, módulo y otras consideraciones importantes en el proceso de solidificación, por lo que el resultado que se obtiene es un dato genérico independiente de la pieza. Por otro lado, lo que realmente interesa saber desde el punto de vista industrial, además de conocer lo que va a ocurrir cuando una pieza completa se solidifique, es qué sucede en zonas muy concretas que, debido a su espesor o porque debido a las cargas de fatiga que va a sufrir puede convertirse en punto de iniciación de una fisura, son especialmente conflictivas. Ante esta situación, la determinación genérica del número de esferoides que puede desarrollar un metal líquido, que es lo que ofrecen actualmente los sistemas operativos en el mercado, resulta totalmente insuficiente. La presente invención tiene por objeto predecir el nivel de esferoidización que se va a alcanzar en una zona determinada de la pieza de fundición grafítica esferoidal previamente seleccionada y que se encuentra en una posición determinada del racimo de piezas coladas simultáneamente en un molde. En este desarrollo se va a utilizar el concepto de velocidad de enfriamiento que resulta determinante en los mecanismos de nucleación y crecimientos de los grafitos. Los sistemas tradicionales para la determinación del grado de esferoidización se basan en el concepto del Módulo Térmico. Este parámetro, asociado a la velocidad de enfriamiento, se obtiene como el cociente entre el volumen de metal y las superficies del mismo que pueden evacuar calor y, en sistemas aislados, en los que no hay otros elementos de influencia que modifiquen el proceso de enfriamiento y por tanto el de solidificación, se puede asociar directamente con la formación de esferoides de grafito. Estudios realizados sobre piezas test (cilindros y cubos) de fundición esferoidal inoculada, han permitido relacionar la densidad grafítica (esf/mm 2 ) en el centro geométrico de las mismas con el módulo térmico y con la calidad metalúrgica del metal, representada por la densidad de esferoides que proporciona el análisis térmico para el quik-cup de referencia (Fig. 1). La ecuación correspondiente es entonces del tipo: Nº esferoides = f(M, Nat) Donde el número de esferoides viene dado en esf/mm 2 , M es el módulo térmico (cm) y Nat es la predicción proporcionada por el análisis térmico para el quik-cup en esf/mm 2 Sin embargo, las condiciones de las piezas reales en los procesos de fundición no coinciden con las de un sistema aislado, por lo que es necesario introducir y desarrollar el concepto de un nuevo parámetro que tenga en cuenta no solo los condicionantes tradicionales, sino también la morfología de la pieza a fundir y todos los elementos particulares que influyan en la evacuación del calor en cada una de sus partes. En este punto se define el Módulo Inverso, como el módulo al que le corresponde el nivel de grafitización que manifiesta la pieza en una zona determinada. Es decir, es la capacidad real que tiene un área determinada para evacuar energía calorífica. El método de la invención se da en la reivindicación 1. Este Módulo Inverso, asociado a una zona específica de la pieza, se calcula a partir del número real de esferoides de esa zona (controlado metalográficamente) y de la predicción obtenida por medio del análisis térmico (Nat). (Fig. 2). La principal ventaja que permitirá obtener este sistema es el conocimiento exacto del grado de esferoidización, y con él de las propiedades de una determinada zona de una pieza ubicada en un lugar determinado del racimo de piezas que se cuela simultáneamente en un molde. Este conocimiento permitirá definir su comportamiento con una mayor fiabilidad, asegurándose de esta manera la integridad estructural del sistema o estructura y facilitando su dimensionamiento. La principal utilidad del método estriba en que las simulaciones y predicciones posteriores sobre el mismo racimo de piezas utilizando el módulo inverso esta vez en cada simulación, darán una estimación mucho más exacta que al utilizar los medios tradicionales. Así, ante cualquier variación de las condiciones de colado, por ejemplo una variación de la temperatura del material fundido, los sistemas de simulación predecirán de forma mucho más exacta el grado de esferoidización que se obtendrá, permitiendo... [Seguir leyendo]

1.- Método para la predicción del grado de esferoidización de piezas de fundición grafítica esferoidal, apto para predecir específicamente el grado de esferoidización en cualquier zona concreta de cualquier pieza ubicada en un racimo de 5 piezas que se cuelan simultáneamente en un molde, siendo dicha predicción realizada en función de las condiciones de solidificación específicas del racimo y en función del módulo inverso específico de la zona de la pieza en cuestión, determinándose dicho módulo inverso a partir de predicciones convencionales del grado de esferoidización por análisis térmico y medidas reales del grado de esferoidización en piezas ya fundidas, donde dicho método, una vez diferenciadas en la pieza unas determinadas zonas, comprende: a) la determinación del módulo térmico de cada zona de la pieza mediante metodología convencional, ES 2 367 963 T3 b) la predicción del número de esferoides en cada zona de la pieza mediante herramientas convencionales de análisis térmico a partir del módulo térmico de cada zona, caracterizado porque además comprende: c) la determinación del número real de esferoides mediante análisis metalográfico directo de cada zona, d) el cálculo de dicho módulo inverso en función de la calidad metalúrgica mediante técnicas metalográficas, y 20 e) la predicción del número de esferoides en cada zona de la pieza mediante herramientas convencionales de análisis térmico a partir del módulo inverso de cada zona que ha sido calculada a partir del número real de esferoides en dicha zona, medida metalográficamente y a partir de la predicción obtenida mediante el análisis térmico convencional. 6 FIGURA 1 ES 2 367 963 T3 Temperatura (ºC) 7 Tiempo FIGURA 2 Densidad gráfica (sph/mm 2 ) ES 2 367 963 T3 Módulo térmico 8 Densidad de esferoides obtenida metalográficamente Módulo real de solidificación Relación densidad gráfica con módulo térmico y calidad metalúrgica Predicción de la densidad gràfica para el quik-cup FIGURA 3 Zona 3 Zona 2 Zona 4 ES 2 367 963 T3 9 Zona 1 FIGURA 4 Zona 2 ES 2 367 963 T3 Zonas 3 y 4 Zona 1