Estudio del efecto de inoculantes comerciales en la disminución de la micro-porosidad en componentes fundidos de hierro de alto silicio

Las aleaciones de alto silicio han vivido un significativo auge en los últimos años debido a que presentan una estructura muy homogénea, muy buenas propiedades mecánicas y un buen comportamiento frente a ambientes agresivos. Sin embargo, cuentan con un importante inconveniente, que viene dado por una tendencia a la formación de micro-rechupe, lo que generará problemas de sanidad interna de las piezas. 

Con el fin de determinar la influencia del proceso de inoculación en la reducción de la microporosidad, garantizando piezas sanas con una mejor calidad metalúrgica, el Centro de Investigación Metalúrgica AZTERLAN ha realizado un estudio comparativo entre varios inoculantes presentes en el mercado. Dicha investigación se ha llevado a cabo tanto a nivel de laboratorio, como a nivel de proceso industrial, presentando ambos entornos resultados muy similares.

En ambos casos, se ha partido de la misma pieza patrón, una taza térmica (también llamada quick-cup), la cual ha sido inoculada con distintos inoculantes comerciales. La principal diferencia entre todos ellos viene dada por los elementos traza que forman parte de su composición química, destacando entre otros el lantano, el cerio, el zirconio, el calcio, el aluminio o el manganeso. 

El estudio del efecto de la inoculación sobre la calidad de las piezas se ha realizado desde cuatro puntos de vista distintos, que se complementarán dando una visión global de la situación. Estas diferentes perspectivas abarcan un estudio del defecto interno mediante tomografía axial computerizada, el análisis térmico de las curvas de enfriamiento mediante sistema Thermolan® para definir la calidad metalúrgica, así como una caracterización completa de la microestructura del material y un exhaustivo conocimiento de los principales puntos de nucleación del grafito mediante las técnicas más avanzadas de microscopía electrónica de barrido.

Principales resultados del estudio comparativo

El estudio de las curvas de enfriamiento realizado mediante el sistema de análisis térmico Thermolan® desarrollado por AZTERLAN, permite determinar algunos de los principales parámetros que caracterizan el proceso de solidificación de una pieza, obteniéndose los mejores resultados para los inoculantes ricos en zirconio.  

Principales resultados obtenidos mediante el análisis térmico realizado con Thermolan®

Como era de esperar, las muestras no inoculadas han presentado un mayor porcentaje de porosidad que las muestras inoculadas, por lo que en todos los casos, los inoculantes aplicados han favorecido la calidad de las piezas. Esto queda de manifiesto al llevar a cabo el estudio de la microestructura, donde las muestras no inoculadas vienen caracterizadas por una distribución grafítica muy amplia, con grafitos de todos los tamaños, cuya forma se aleja bastante del esferoidal siendo más próxima al vermicular y con una pobre densidad grafítica.
 

Análisis de las porosidades internas de muestras no inoculadas (izda.) e inoculadas (dcha.) mediante análisis tomográfico

Por el contrario, las muestras inoculadas muestran un mayor número de esferoides, con un grafito mucho más redondeado y una distribución desplazada hacia la izquierda, siendo ello indicativo de la formación de grafito de menor tamaño. Es de asumir que este grafito más pequeño se forma en los últimos instantes de solidificación, contribuyendo a contrarrestar la contracción de la austenita y por tanto a minimizar la formación de micro-rechupe. Todas las muestras con esta distribución grafítica se comportarán mejor que aquellas que no la tienen.
 

El análisis metalográfico de muestras no inoculadas (izda.) e inoculadas (dcha.) muestran formas y distribuciones grafíticas claramente diferenciadas

Por su parte, el estudio del proceso de nucleación, realizado a través de mappings, line scan y espectros, ha permitido determinar que las principales inclusiones no metálicas que actúan como puntos de nucleación del grafito esferoidal en las aleaciones de alto silicio son los (MgSiAl)N, presentando todos ellos una clara forma poligonal, los cuales pueden actuar como nucleantes, solos o combinados con otro tipo de inclusiones como complejos sulfuros del tipo (SbCeLa)S o carburos de titanio (TiC) en función de los inoculantes que hayan sido adicionados.
 

El estudio de nucleación mediante SEM de muestras no inoculadas (izda.) e inoculadas (dcha.) muestra una mejor calidad metalúrgica en las segundas.

Los principales resultados de este estudio han sido presentados en el 125 MetalCasting Cogress (2021) organizado por la American Foundry Society y publicados en revistas científicas como el International Jounal of MetalCasting y Minerals.