Efecto del tratamiento de magnesio sobre el potencial de nucleación de la fundición dúctil

Es bien sabido, que la calidad metalúrgica y el potencial de nucleación del hierro fundido están totalmente  influenciados por una serie de factores tales como la carga metálica, la composición química, el tratamiento en estado líquido (procesos de esferoidización e inoculación) y las temperaturas de fusión y  mantenimiento. De todos ellos, el tratamiento de esferoidización proporciona una base importante para la posterior inoculación, proporcionando un gran número de puntos de nucleación para el grafito, jugando además un  importante rol  como responsable de la precipitación de grafitos en forma de esferoides y, en consecuencia, una mejora en  las propiedades mecánicas. Las aleaciones de ferrosilicio, que contienen entre 3 y 9% de magnesio y pequeñas adiciones de Al, Ca, La y Ce, son la composición más utilizada para las aleaciones de tratamiento. 

Para comprender mejor la influencia de estos elementos en el proceso de nucleación del grafito, se realizaron varias coladas, las cuales fueron tratadas con 3 diferentes tratamientos  de Mg (sin Tierras Raras (RE), con un contenido del 1,3% RE y otro del 2,3% ER), las cuales se vertieron en una serie de tazas estánadar para su posterior análisis térmico. Algunas de esas tazas fueron inoculadas  con un inoculante rico en Ce (1,83% Ce, 0,95% Al, 0,91% Ca). Después de enfriarlas a temperatura ambiente, las  muestras fueron seccionadas y preparadas para su caracterización metalográfica con el fin de identificar la naturaleza de las inclusiones que pueden actuar como  puntos de nucleación para el grafito a través de algunas de las técnicas más avanzadas del FEG-SEM (espectros, mappings y line scans).

Resulados y discusión 

Los sulfuros de Mg-Ca con forma esferoidal-Ca y los nitruros poligonales complejos de Mg-Si-Al son las principales inclusiones detectadas actuando como puntos de nucleación del grafito. Ambos pueden aparecer solos o combinados entre ellos, restringiendo su crecimiento en una o varias direcciones. También se encontraron numerosos carburos de Ti con forma cúbica, dependiendo del contenido de Ti en el metal base, los cuales suelenaparecer en los extremos de los nitruros. Además, varios óxidos de Mg o MgAl fueron también detectados, actuando en la mayoría de los casos, como núcleos de esos sulfuros.

 

Diferentes tipos de núcleos para el grafito: a)  un (MgCaRE)S con forma esferoidal; b) un (MgSiAl)N con forma cúbica; c)  unTiC  creciendo en los extremos de  (MgSiAl)N poligonal.

Se encontró una relación directa entre el tipo de aleación de Fe-Si-Mg utilizada y el número de grafitos con tierras raras en el núcleo. La presencia de sulfuros parece estar relacionada con el tipo de tratamiento de nodularización utilizado, aumentando su presencia con un mayor % de Tierras Raras en la aleación tratada con magnesio. Su supremacía se ve mejorada por la falta de inoculación, lo que demuestra la influencia del tratamiento de esferoidización en el proceso de nucleación. La explicación podría ser la excelente afinidad entre S y RE para formar sulfuros complejos ricos en cerio y lantano (tierras raras). Se supone que estos compuestos pueden actuar como buenos puntos de nucleación debido a las bajas bajas energías de formación que presentan (4.07E+05 J/mol para CeS, -6.16E+05 J/mol para Ce2S3, -6.42E+05 J/mol para La2S3), así como a la buena similitud existente (bajo disregistry) entre los planos cristalinos de los sulfuros y el grafito (2,9% para CeS,  1.5% LaS). 

 

Relación entre el tipo de FeSiMg y la cantidad de grafito con RE en los núcleos. 

 

Aunque en la mayoría de los casos las RE aparecen como sulfuros, también se observaron algunos silicatos y fosfatos ricos en La y Ce en los casos de bajo y medio contenido de RE en el tratamiento de esferoidización. Siempre se caracterizan por un color más blanco y pueden aparecer de 3 maneras diferentes: como una inclusión singular perfectamente distribuida alrededor de todo el punto de nuclaeción, como una carcasa concentrada en la periferia del núcleo, o como un anexo a otra inclusión ya existente. Aunque todavía no hay explicación de estas diferencias en la distribución, todas ellas parecen favorecer la precipitación de grafito con una forma más regular mejorando la capacidad de nucleación del metal. 

 

Distribución de la RE en los núcleos: a) alrededor de toda la inclusión; b) como una carcasa distribuida en la periferia; c) como una carcasa parcial.

Los principales resultados de esta investigación se han presentado en el 12º Simposio Internacional sobre la Ciencia y el Procesamiento del Hierro Fundido (12th International Symposium on the Science and Processing of Cast Iron - SPCI XII) que se celebró del 9 al 12 de Noviembre de 2021 en la ciudad de Muroran, en Japón.