Método para obtener una aleación de hierro gris de alta resistencia para motores de combustión y fundiciones en general.

Método para obtener aleación de hierro gris de alta resistencia,

en horno de inducción en dondea) el método para desoxidar el metal líquido tiene las etapas siguientes:

- aumentar la temperatura del horno por encima de la temperatura de equilibrio de dióxido de silicio (SiO2);

- apagar el horno durante unos minutos para promover la flotación de los óxidos coalescentes y otras impurezas;- extender un agente aglutinante sobre la superficie de la partida líquida; y

- separar dicho material aglutinante, ahora saturado con los óxidos coalescentes, dejando el metal líquido mas limpioen el interior del horno.

b) la nucleación tiene las siguientes etapas:

- vertido de 15% a 30% de la partida líquida del horno sobre un cucharón específico.

- durante la operación, inoculación de 0,45% a 0,60% en peso de inoculante como aleaciones de Fe-Si-Sr o Fe-Si-Ba-La granuladas, directamente sobre la corriente demetal líquido.

- verter de nuevo el metal líquido inoculado del cucharón al horno, con el fin de mezclar este metal sobreinoculadodel cucharón con el metal sin inocular que permanece en elhorno.

- durante esta última operación el horno debe mantenerse en fase de "encendido".

- la nucleación tiene dos parámetros térmicos a partir de las curvas de enfriamiento, o sea:

1) Temperatura eutéctica bajo enfriamiento Tse Min 1115ºC; y

2) Porcentaje de temperatura de recalescencia eutéctica "ΔT" Max 6ºC ambos parámetros deben considerarseconjuntamente.

c) el intervalo de la temperatura de vertido para las coladas de HPI "Tp" (tolerancia +/- 10ºC) se define mediante unaecuación específica como una función del módulo de colada global, debiendo presentar dicho módulo de coladaglobal un rango entre 1,38 y 1,52 y

d) en la fase eutectoídica, la microestructura de HPI presenta un contenido de grafito en su matriz: ≤ 2,3% calculadomediante la "regla de la palanca" tomando como referenciael diagrama Fe-Fe3C de equilibrio.

Método para obtener una aleación de hierro gris de alta resistencia para motores de combustión y fundiciones en general

El presente invento define una nueva clase de aleación de hierro gris, producida con un nuevo método para obtener superior resistencia a la tracción, mientras que mantiene las condiciones de mecanización compatibles con las aleaciones de hierro gris tradicionales. Mas concretamente el material producido con este método puede utilizarse en motores de combustión con altos índices de compresión, o en general moldes y motores de combustión tradicionales en donde es un objetivo la reducción de peso.

ESTADO DEL ARTE

Las aleaciones de hierro gris, conocidas desde finales del siglo XIX, han constituido un éxito absoluto en la industria del automóvil debido a sus propiedades relevantes, principalmente requeridas por los motores de combustión. Algunas de estas características de aleación de hierro gris has sido reconocidas durante largo tiempo como presentando:

- Excelente conductividad térmica

- Excelente capacidad de amortiguación de vibración

- Excelente nivel de mecanización

- Índice de encogimiento relativamente pequeño (baja tendencia para porosidades internas sobre los moldes)

- Buen nivel de fatiga térmica (cuando se utiliza una aleación a base de molibdeno)

Sin embargo, debido a las exigencias en aumento de los motores de combustión tal como mas potencia, menor consumo de combustible e inferiores emisiones con fines ambientales, las aleaciones de hierro gris tradicionales difícilmente obtienen la resistencia a la tracción mínima requerida por los motores de combustión con índices de compresión superiores. En general, como una simple referencia, estas exigencias de resistencia a la tracción empiezan en un mínimo de 300 MPa, en la posición de cojinetes principales sobre bloques de cilindro o en la posición de la cara de fuego en cabezas de cilindro.

Precisamente la gran limitación de las aleaciones de hierro gris corrientes es que presentan una drástica disminución de las propiedades de mecanización cuando se requiere superior tensión.

Así pues, con el fin de resolver este problema algunos metalúrgicos y expertos en material decidieron el enfoque sobre una aleación diferente: basado en grafito compacto, usualmente conocido como hierro de grafito compacto (CGI) . Muchos documentos discuten las propiedades de CGI:

- R.D. Grffin, H.G. Li, E. Eleftheriou, C.E. Bates, " Machinability of Gray Cast Iron". Atlas Foundr y Company (Reimpreso con el permiso de AFS)

- F.Koppka e A. Ellermeier, "O Ferro Fundido de Grafita Vermicular ajuda a dominar altas pressões de combustão", Revista MM, enero/2005.

- Marquard, R & Sorger, H. "Modern Engine Design". CGI Design and Machining Workshop, Sintercast - PTW Darmstadt, Bad Homburg, Germany, Nov 1997.

- Palmer, K. B. "Mechanical properties of compacted graphite iron". BCIRA Report 1213, pp 31-37, 1976

- ASM. Speciality handbook: cast irons. United States: ASM International, 1996, p. 33

267.

- Dawson, Steve et al. The effect of metallurgical variables on the machinability of compacted graphite iron. En: Design and Machining Workshop - CGI, 1999.

Evidentemente se han requerido diversas patentes respecto del proceso CGI:

- US 4, 667, 725 de 26 mayo, 1987 a nombre de Sinter-Cast AB (Viken, SE) . Un método para producir fundiciones a partir de hierro fundido conteniendo aditivos modificadores de estructura. Una muestra de un baño de hierro fundido se permite que solidifique durante 0, 5 a 10 minutos.

- WO9206809 (A1) de 30 de abril, 1992 a nombre de SINTERCAST LTD. Un método para controlar y corregir la composición de la fusión de hierro fundido y asegurar la cantidad necesaria de agente modificador de estructura.

Si bien la aleación de CGI presenta relevante resistencia a la tracción presenta también otras serias limitaciones respecto de sus propiedades o industrialización. Entre estas limitaciones podemos enfatizar:

- Inferior conductividad térmica;

- Inferior capacidad de amortiguación de vibración;

- Inferior nivel de mecanización (por tanto, mayores costos de mecanización) ;

- Mayor índice de encogimiento (por tanto mayor tendencia a porosidades internas) ; e

- Inferior estabilidad de microestructura (fuertemente dependiente del espesor de la pared fundida) .

En este escenario el reto fue crear una aleación que mantuviese propiedades relevantes similares de la elación de hierro gris, concomitantemente con una amplia interfase de resistencia a la tracción de la aleación de CGI. Este es el alcance del presente invento.

Corrientemente el método de obtener una fundición de hierro gris en las fundiciones tiene las etapas siguientes:

-Fase de fusión: la carga (chatarra, mineral de hierro, acero, etc) se funde mediante hornos de cúpula, inducción o arco.

- Equilibrio químico: usualmente llevado a cabo sobre la partida de líquido dentro del horno de inducción, con el fin de ajustar los elementos químicos (C, Si, Mn, Cu, S, etc.) de conformidad con la especificación requerida.

-Fase de inoculación: llevada a cabo comúnmente en la operación de colada de cuchara o en la colada de molde (cuando se utilizan hornos de colada) , con el fin de promover núcleo suficiente para evitar la formación de carburo indeseable.

-Fase de colada: llevada a cabo en la línea de moldeo a una temperatura de colada usualmente definida en un rango para impedir huecos o agujeros, adherencia de arena y contracción después de solidificación de la colada. Dicho de otro modo la temperatura de colada se define actualmente como una función de la validez del material de colada.

-Fase shake-out: usualmente llevada a cabo cuando la temperatura de la colada, en el interior del molde, se enfría confortablemente bajo la temperatura eutectoide ("700°C) .

Un proceso de esta índole se aplica a fundiciones en todo el mundo y ha sido objeto de muchos libros, documentos y artículos técnicos:

- Gray Iron Founders’ Society: Casting Design, Volumen II: Taking Advantage of the Experience of Pattern maker y Foundr y man to Simplify the Designing of Castings, Cleveland, 1962.

- Straight Line to Production: The Eight Casting Processes Used to Produce Gray Iron Castings, Cleveland, 1962. Henderson, G.E. and Roberts,

- Metals Handbook, 8th Edition, Vols 1, 2, y 5, publicado por American Society for Metals, Metals Park, Ohio.

- Gray & Ductile iron Castings Handbook (1971) publicado por Gray and Ductile Iron Founders Society, Cleveland, Ohio.

- Gray. Ductile and Malleable, Iron Castings Current Capabilities. ASTM STP 455, (1969)

- Ferrous Materials: Steel and Cast Iron by Hans Berns, Werner Theisen, G. Scheibelein, Springer; 1 edicion (Octubre) 24, 2008)

- Microstructure of Steels and Cast Irons Madeleine Durand-Charre Springer; 1 edición (Abril 15, 2004)

- Cast Irons (Asm Specialty Handbook) ASM International (Septiembre 1, 1996)

Muchas patentes revelan composiciones con los componentes usuales sobre aleaciones de hierro gris, aplicados también a la presente solicitud. Sin embargo, comparado con nuestra solicitud, estas no presentan todos los componentes y/o ecuaciones que son preceptivos para regular el equilibrio preciso entre algunos componentes específicos en la composición final.

Ejemplos de lo expuesto es la patente PCT WO 2004/083474 de una composición de Volvo con la presencia preceptiva de N en su composición (no aplicado en nuestra solicitud) o la patente japonesa JP 10096040 con la exigencia de Ca en su composición (no aplicado en la presente invención) . Además es importante informar que la composición de estas patentes define alcances de variaciones en varios componentes que son demasiado amplios. En caso de aplicarse en el presente invento deteriorarían las propiedades del material principal.

Otro ejemplo es la Patente Europea EP 0616040 para la desulfurización de una aleación de colada gris. En esta patente Europea el componente "S" debe ser eliminado. A diferencia, el presente invento requiere el componente "S" como factor importante para generar el núcleo necesario.

El objeto del presente invento es definir una aleación, como se expone en la reivindicación 1, obtenida con un nuevo método, que presenta las propiedades mecánicas y físicas de la aleación de hierro gris, con un rango de interfase amplio de la resistencia a la tracción de CGI. Esta nueva aleación, a base de grafito en hojuelas, es una aleación de Hierro de Alta Prestación "High Performance Iron (HPI) ". Por consiguiente,... [Seguir leyendo]

1. Método para obtener aleación de hierro gris de alta resistencia, en horno de inducción en donde a) el método para desoxidar el metal líquido tiene las etapas siguientes:

- aumentar la temperatura del horno por encima de la temperatura de equilibrio de dióxido de silicio (SiO2) ;

- apagar el horno durante unos 5 minutos para promover la flotación de los óxidos coalescentes y otras impurezas;

- extender un agente aglutinante sobre la superficie de la partida líquida; y

- separar dicho material aglutinante, ahora saturado con los óxidos coalescentes, dejando el metal líquido mas limpio en el interior del horno.

b) la nucleación tiene las siguientes etapas:

- vertido de 15% a 30% de la partida líquida del horno sobre un cucharón específico.

- durante la operación, inoculación de 0, 45% a 0, 60% en peso de inoculante como aleaciones de Fe-Si-Sr o Fe-Si-Ba-La granuladas, directamente sobre la corriente de metal líquido.

- verter de nuevo el metal líquido inoculado del cucharón al horno, con el fin de mezclar este metal sobreinoculado del cucharón con el metal sin inocular que permanece en el horno.

- durante esta última operación el horno debe mantenerse en fase de "encendido".

- la nucleación tiene dos parámetros térmicos a partir de las curvas de enfriamiento, o sea:

1) Temperatura eutectica bajo enfriamiento Tse Min 1115°C; y 2) Porcentaje de temperatura de recalescencia eutéctica " T" Max 6°C ambos parametros deben considerarse conjuntamente.

c) el intervalo de la temperatura de vertido para las coladas de HPI "Tp" (tolerancia +/- 10°C) se define mediante una ecuación específica como una función del módulo de colada global, debiendo presentar dicho módulo de colada global un rango entre 1, 38 y 1, 52 y

d) en la fase eutectoídica, la microestructura de HPI presenta un contenido de grafito en su matriz:: 2, 3% calculado mediante la "regla de la palanca" tomando como referencia el diagrama Fe-Fe3C de equilibrio.

2. Aleación de hierro gris de alta resistencia, producida de conformidad con el método de la reivindicación 1, en donde

- el equivalente de carbono (CE) se define en la proporción de 3, 6% - 4, 0% en peso manteniendo el contenido de C de 2, 8% - 3, 2%

- el contenido de Cr se define en un máximo de 0, 4% y, cuando se asocia con Mo, la proporción definida es Cr % + Mo % : 0, 65%

- el Cu y Sn se asocian de conformidad con la siguiente ecuación: 0, 010% : [Cu %/10 + Sn %] : 0, 021%

- el contenido de Mn se define entre 0, 4% y 0, 5% y se asocia con S, dichos contenidos de S y Mn se definen en los siguientes rangos calculados para la proporcion [Mn%/S%]:

- Porcentaje Mn = 0, 40%: Mn/S = 3, 3 a 3, 9

- Porcentaje Mn = 0, 47%: Mn/S = 4, 0 a 5, 0

- Porcentaje Mn = 0, 50%: Mn/S = 4, 9 a 6, 0

- El contenido de Si define en la proporción de 2, 0% a 2, 40%.

- El contenido de "P" define en la proporción de P% : 0, 10%.

3. Aleación de hierro gris de alta resistencia, de conformidad con la reivindicación 2, en donde las propiedades

físicas son:

indice de transferencia de calor (W/m °K) : 45 a 60

Dureza (HB) 230 a 250

Resistencia a la tracción (Mpa) 300 a 370

Resistencia la fatiga (Mpa) : Mediante flexión rotatoria Fatiga termica (Ciclos) : Rango de temperatura 50°C-600°C 170 a 190 20x103

Mecanización (Km) : Fresado con herramienta de cerámica

a velocidad de 400 m/min. : 9 a 11

Microestructura perlit.

9. 100%; gráfica A, 4/7

Tendencia al encogimiento (%) 1, 0 a 2, 0

Factor de amortiguamiento (%) : 90 a 100

Coeficiente de Poisson: a temperatura ambiente 0, 25 a 0, 27

Figura 8

Figura 9