Cuando el hierro fundido gris tiene un alto equivalente de carbono (4.10 % CE o más), una pequeña cantidad de titanio puede mejorar las propiedades mecánicas del hierro fundido y la uniformidad de las diferentes secciones de la pieza fundida. Este trabajo estudia el efecto de diferentes cantidades de titanio en la calidad del hierro fundido gris, como la estructura, las propiedades mecánicas y la densidad, con un equivalente de carbono medio y bajo (3.65 % a 3.85 % CE). Los resultados de las pruebas muestran que el titanio promueve la formación de grafito tipo D en el hierro fundido; cuando el grafito tipo D alcanza una cierta proporción, especialmente cuando la relación Si/C es alta, sus propiedades mecánicas aumentan significativamente; con el aumento de titanio y aluminio, la densidad del hierro fundido gris disminuye y la probabilidad de contracción aumenta.
En el proceso de producción de hierro fundido, con el uso a gran escala de materiales de horno metálico como arrabio y chatarra de acero, el titanio se incorpora en mayor o menor medida al hierro fundido. Numerosos estudios indican que, tras añadir titanio al hierro fundido gris, la mayoría de los compuestos de titanio se encuentran en la matriz metálica, pero aún queda una parte de nitruro o carbonitruro de titanio en la capa interfacial entre la ferrita y el grafito. Los compuestos de titanio con una dureza de 3200 HV o superior reducen considerablemente la maquinabilidad del hierro fundido. Además, un contenido excesivo de titanio (0.096 %) produce fisuras térmicas durante el mecanizado de las piezas fundidas. Sin embargo, las piezas de hierro fundido grafitado tipo D con adición de titanio presentan buena resistencia a la oxidación, al crecimiento de cristales y a la fatiga térmica. En condiciones de trabajo de 500-700 °C, la vida útil puede triplicarse en comparación con el hierro fundido CrMoCu de uso común. El titanio está estrictamente prohibido como elemento interferente en el hierro dúctil. Sin embargo, en algunos tipos de hierro fundido vermicular, se añade titanio al agente vermicularizante como elemento beneficioso para ampliar el rango de tratamiento vermicular. En condiciones de alto equivalente de carbono, la aleación con microtitanio puede mejorar la resistencia y la dureza de las piezas de hierro fundido gris y la uniformidad de la sección transversal de las piezas fundidas. Además, pequeñas cantidades de titanio pueden neutralizar el exceso de nitrógeno en el hierro fundido para reducir la frecuencia de poros de nitrógeno similares a grietas.
1. El efecto del titanio en la estructura y las propiedades mecánicas de las piezas de hierro fundido gris.
El titanio puede aumentar el núcleo de austenita en la fundición gris y refinar los granos de austenita primaria. La Asociación Americana de Fundición señaló que el titanio actúa como agente grafitizante y reductor para la fundición, además de refinar los granos y mejorar su resistencia a la tracción y a la flexión. Cuando el contenido residual de titanio oscila entre el 0.08 % y el 0.25 %, puede mejorar la resistencia a la tracción de la fundición con alto equivalente de carbono y reducir la de la fundición con bajo equivalente de carbono.
En la fundición en seco con bajo contenido de titanio, la tendencia al subenfriamiento del hierro fundido es pequeña, y se producen principalmente grafito de tipo A y tipo E. Sin embargo, a medida que aumenta el contenido de titanio, la tendencia al subenfriamiento también aumenta, lo que favorece la formación de grafito de tipo D. Cuando el grafito de tipo D supera el 90%, las propiedades mecánicas de la pieza fundida mejoran significativamente. Debido a la elevada tendencia al subenfriamiento de la arena húmeda y al aumento del contenido de titanio, también aparece una gran cantidad de grafito de tipo D en las juntas calientes, gruesas y de gran tamaño, de la pieza fundida.
El titanio aumenta la tendencia al subenfriamiento del hierro fundido gris, lo que provoca la formación de numerosas ramificaciones de grafito. Estas numerosas ramificaciones cortas y curvas de grafito tipo D reducen la distancia de difusión del carbono, lo que hace que la austenita cercana al grafito se transforme en ferrita durante el enfriamiento de la fundición, reduciendo así sus propiedades mecánicas. Sin embargo, debido a la gran cantidad de dendritas de austenita, el grafito tipo D es corto y el efecto de división de la matriz es mínimo. Además, el eutéctico de grafito tipo D presenta una buena forma esférica, entre otras razones, lo que explica que, en comparación con el hierro fundido de la misma matriz, el hierro fundido con grafito tipo D tenga mayor resistencia.
2. La influencia del titanio y el aluminio en la densidad
Las piezas de hierro fundido gris con menor contenido de titanio no presentan contracción interna, y la contracción superficial es menor. A medida que aumenta el contenido de titanio, aumenta la probabilidad de contracción interna en la pieza fundida. La probabilidad de contracción con 0.056 % de Ti y 0.016 % de Al es baja, de tan solo el 50 %. Cuando los contenidos de titanio y aluminio en las piezas de hierro fundido gris alcanzan el 0.17 % y el 0.023 % respectivamente, la probabilidad de contracción interna en la pieza fundida es del 75 %. En este caso, la contracción se produce no solo en la sección caliente de la pieza fundida, sino también en la sección no caliente y en una pequeña sección caliente.
No existe un análisis mecanicista claro sobre la causa de la contracción del titanio. En cuanto a la influencia del aluminio, los datos indican que el aumento de su contenido en el hierro fundido reacciona con las moléculas de agua del inóculo y la arena húmeda bajo la acción del hierro fundido caliente para formar hidrógeno. El metal fundido tiene un alto contenido de hidrógeno, y el hidrógeno disuelto en la fase líquida residual se enriquece continuamente durante el proceso de solidificación, lo que incrementa el contenido de hidrógeno de la fase líquida en el pequeño baño de fusión aislado. A medida que el pequeño baño de fusión se transforma de fase líquida a sólida y se produce una pérdida de volumen, el hidrógeno disuelto también precipita y ocupa el espacio del pequeño baño de fusión, formando poros de precipitación. En este momento, los dos defectos de contracción intergranular y poros de precipitación de hidrógeno son simbióticos y difíciles de distinguir. Por lo tanto, para eliminar la contracción intergranular, se deben tomar medidas para prevenir la formación de poros de precipitación y minimizar el contenido de hidrógeno del metal fundido. Por consiguiente, este tipo de defecto compuesto de microcontracción y microporos se forma fácilmente bajo la acción combinada del titanio y el aluminio.
Conclusiones 3
Los resultados de las pruebas muestran que, bajo la condición de 3.65% a 3.85% CE, se cumplen las siguientes condiciones para las piezas fundidas de hierro gris:
3.1 Una cierta cantidad de titanio aumenta la tendencia al subenfriamiento del hierro fundido y favorece la formación de grafito tipo D en las piezas fundidas de hierro gris. La cantidad de grafito tipo D en el moldeo en arena húmeda es significativamente mayor que en el moldeo en arena seca.
3.2 A medida que aumenta la cantidad de titanio en el hierro fundido, la cantidad de grafito tipo D en las piezas fundidas de hierro gris aumenta continuamente. Cuando la proporción de grafito tipo D alcanza un nivel elevado, también aparece una gran cantidad de grafito tipo D en las zonas calientes más gruesas y extensas de las piezas fundidas. Las propiedades mecánicas de las piezas fundidas con un alto equivalente de carbono y una alta relación silicio-carbono aumentan significativamente. Cuando el equivalente de carbono desciende al 3.66 %, la resistencia disminuye significativamente a medida que aumenta la cantidad de titanio.
3.3 A medida que aumenta la cantidad de titanio y aluminio, la densidad de las piezas fundidas de hierro gris disminuye y la probabilidad de contracción aumenta significativamente. Cuando el Ti es del 0.17 % y el Al del 0.023 %, la probabilidad de contracción de la pieza fundida gris es del 70 %.
