Más información sobre el grafito en la fundición

Como material de ingeniería con una larga historia y una amplia aplicación, el rendimiento de la fundición depende en gran medida de la forma del grafito en su interior. El grafito es como un arma de doble filo en la fundición. No sólo confiere al hierro fundido propiedades únicas, sino que también tiene un efecto complejo sobre sus propiedades.

¿Qué es el grafito en la fundición?

Grafito es un alótropo del carbono que existe como fase independiente en la fundición. La fundición es una aleación de hierro y carbono con un contenido de carbono superior a 2,11% (generalmente 2,5-4,0%). Y durante su proceso de solidificación, el elemento carbono se precipitará en forma de grafito. La forma, el tamaño y la distribución del grafito en la fundición desempeñan un papel decisivo en el rendimiento de la fundición.

El grafito en la fundición

Propiedades básicas del grafito

El grafito tiene una estructura cristalina en capas típica, con débiles fuerzas de Van der Waals que unen las capas entre sí. Esta estructura confiere al grafito muchas propiedades únicas. Su textura es blanda, la dureza Mohs es de sólo 1-2, y tiene una sensación de suavidad. El grafito tiene una buena conductividad eléctrica y térmica, y su conductividad eléctrica es inferior a la de los materiales metálicos en general. Sin embargo, es un excelente conductor en materiales no metálicos. Además, las propiedades químicas del grafito son estables. No es fácil que reaccione químicamente con otras sustancias a temperatura ambiente y tiene una buena resistencia a la corrosión.

Importancia del grafito en la fundición

El grafito desempeña un papel fundamental en la fundición. Desde el punto de vista de las propiedades mecánicas, la presencia de grafito es similar a la formación de un gran número de diminutos "focos de grietas" en la matriz metálica. Esto reducirá la resistencia y la tenacidad de la fundición. Sin embargo, el grafito también confiere al hierro fundido algunas propiedades especiales. Por ejemplo, el efecto lubricante del grafito hace que la fundición tenga una buena resistencia a la fricción y al desgaste. Es de gran importancia en la fabricación de piezas como cojinetes lisos y guías de máquinas herramienta. La conductividad térmica del grafito ayuda a la fundición a disipar el calor uniformemente durante el proceso de calentamiento y a mejorar su estabilidad térmica. Además, la presencia de grafito también puede hacer que la fundición obtenga buenas propiedades de moldeado. Por ejemplo, reduce la tensión superficial del hierro líquido y mejora su fluidez. Esto favorece la fundición de piezas de formas complejas.

Diferentes tipos de grafito en la fundición

Fundición de grafito esferoidal (fundición de grafito nodular)

La fundición de grafito nodular y la fundición de grafito esferoidal se refieren al mismo material. Y no hay ninguna diferencia esencial entre los dos, sólo en el nombre de la diferencia.

Mecanismo de formación del grafito esférico

Añadir agente nodulante (como magnesio, tierras raras, etc.) e inoculante al hierro líquido es la clave. El agente esferoidizante reduce la tensión superficial del carbono en el hierro líquido y hace que el grafito crezca esféricamente. El inoculante aumentó el número de nucleaciones de grafito, refinó y homogeneizó las bolas de grafito. Y solidificó el hierro líquido en grafito esférico a una temperatura adecuada.

Propiedades de la fundición esferoidal

Excelentes propiedades mecánicas, resistencia a la tracción de más de 400MPa-1000MPa, mucho más allá de fundición gris. Alargamiento de alrededor de 2%-20%, tenacidad, buena ductilidad, puede soportar el impacto y la deformación, puede sustituir parcialmente el acero fundido. Excelente resistencia al desgaste, tiene alta resistencia a la fatiga, buena durabilidad.

Microestructura de la fundición esférica

Compuesto de grafito esférico distribuido uniformemente en una matriz metálica (ferrita, perlita o estructura mixta). La tenacidad y plasticidad de la matriz de ferrita son buenas. La matriz de perlita tiene una gran resistencia y dureza. Las bolas de grafito pequeñas y distribuidas uniformemente pueden mejorar las propiedades generales del material.

Sg hierro vs fundición

En comparación con la fundición gris, las propiedades mecánicas mejoran considerablemente. El grafito en escamas de la fundición gris corta gravemente la matriz, lo que da lugar a una baja resistencia y tenacidad. El grafito esferoidal de la fundición nodular corta poco la matriz. Aunque la fundición nodular necesita un control más preciso del tratamiento de esferoidización e inoculación, tiene buena fluidez y llenado. Puede satisfacer la producción de piezas de fundición complejas. En cuanto a su aplicación, puede utilizar fundición nodular para requisitos de resistencia y tenacidad no elevados, como la bancada de una máquina herramienta. El hierro Sg se utiliza para fabricar componentes clave en automoción, maquinaria, aeroespacial y otros campos.

Fundición gris

Microestructura de la fundición gris

Compuesto de grafito en escamas y matriz metálica (ferrita, perlita o estructura mixta), el grafito en escamas debilita la continuidad de la matriz, lo que da lugar a propiedades mecánicas deficientes.

Escamas de grafito en fundición gris

Su forma es irregular, en escamas o en tiras. Su tamaño, cantidad y distribución afectan al rendimiento. Los copos de grafito grandes reducen la resistencia y la tenacidad, y una distribución fina y uniforme puede mejorar el rendimiento. Escama de grafito confiere a la fundición gris una buena amortiguación. Es adecuado para la fabricación de bancadas de máquinas herramienta, bloques de cilindros de motores y otras piezas que necesitan absorción de impactos.

Tamaño de las escamas de grafito en la fundición

Medido por longitud y grosor, la longitud es de decenas a centenares de micras, y el grosor de varias a decenas de micras. El tamaño se ve afectado por el proceso de fundición y la composición química. El alto equivalente en carbono y la lenta velocidad de enfriamiento hacen que la lámina de grafito aumente de tamaño, y la adición de elementos de aleación (como silicio y manganeso) puede refinarse.

Fundición de grafito compactado

Mecanismo de formación del grafito en forma de gusano

Es necesario controlar estrictamente la composición del hierro líquido y el proceso de tratamiento. Se añade una cantidad adecuada de vermiculador (complejo de magnesio, tierras raras y otros elementos) y se prepara con la inoculación. El vermiculador hace que el grafito adquiera una forma vermicular con un extremo liso. Actuar entre un nodulador y ningún tratamiento, y formar un grafito vermicular en condiciones de solidificación adecuadas.

Propiedades de la fundición de grafito compactada

Rendimiento entre hierro dúctil y hierro gris. Resistencia a la tracción 300MPa-500MPa, superior a la fundición gris. La tenacidad y la ductilidad son mejores que las de la fundición gris, pero ligeramente peores que las de la fundición nodular. Buena conductividad térmica, cercana a hierro fundido gris, resistencia al desgaste y resistencia a la fatiga térmica, puede trabajar a alta temperatura, carga alterna.

Microestructura de la fundición de grafito compactada

Compuesto por grafito en forma de gusano distribuido uniformemente en una matriz metálica (ferrita, perlita o estructura mixta). El tamaño, la cantidad y la distribución del grafito compactado afectan a las propiedades del material y controlan razonablemente la disponibilidad de fundición de grafito compactado fino.

Análisis de microestructuras de fundición

Métodos analíticos

Existen varios métodos para estudiar la microestructura del hierro fundido. Normalmente se utiliza el microscopio metalográfico. Tras pulir y corroer las muestras de hierro fundido, se puede observar la morfología, el tamaño y la distribución del grafito, así como las características de la estructura de la matriz metálica. La microscopía electrónica de barrido (SEM) tiene mayor resolución y puede ver estructuras finas como la interfaz entre el grafito y la matriz. El microanálisis por sonda de electrones (EPMA) puede analizar cuantitativamente los elementos de la fundición y determinar la composición química de las distintas fases. Y puede utilizar la difracción de rayos X (DRX) para analizar la estructura cristalina de cada fase.

Relación entre microestructura y propiedades

La microestructura de la fundición determina directamente su rendimiento. La morfología, el tamaño y la distribución del grafito afectan significativamente a las propiedades mecánicas. El grafito esferoidal tiene el menor efecto sobre la rotura de la matriz, y la resistencia y la tenacidad son mayores. El grafito en escamas de la fundición gris reduce la resistencia y la tenacidad, pero tiene una buena absorción de impactos. El grafito compactado hace que la fundición vermicular sea algo intermedio. La estructura de la matriz metálica también es muy importante, la tenacidad de la fundición con matriz de ferrita es buena. Y la resistencia y dureza de la matriz de perlita son elevadas. Ajustando la fundición y la composición química para controlar la microestructura, se pueden obtener materiales de fundición que satisfagan los distintos requisitos de rendimiento.

Conclusión

El grafito en la fundición tiene diversas formas, y las distintas formas confieren diferentes propiedades a la fundición. Estudiando la microestructura del hierro fundido mediante diversos métodos analíticos, podemos aclarar la relación entre la microestructura y las propiedades. En el futuro, con el desarrollo de la ciencia y la tecnología de los materiales, la investigación sobre el grafito en la fundición será más profunda. Y se espera desarrollar materiales de hierro fundido con mejores prestaciones y aplicaciones más amplias.