Caracterización de la microestructura de piezas de fundición

Caracterización de la microestructura de piezas de fundición

Caracterización de la Microestructura de Piezas en Fundición Compacta (CGI) Mediante Métodos No Destructivos.
S. López de Echazarreta(1), J. M. Pintor(2), X. Remírez(2), R. Irigoyen(1), A. Muez(1)
(1)
V. Luzuriaga – Tafalla, Ctra. Zaragoza s/n 31300 Tafalla (España), 948 700 250, [email protected]
(2)
Universidad Pública de Navarra, Dpto. Ingeniería Mecánica, Energética y de Materiales, Campus Arrosadía s/n, 31006 Pamplona (España)
Resumen
El desarrollo de los sistemas de inyección directa ha logrado reducir las emisiones contaminantes, y mejorar las prestaciones de los motores diesel. Pero para lograrlo se ha aumentado la presión máxima de trabajo y la densidad de potencia (potencia/cilindrada) [1].
Este aumento de las presiones de trabajo ha impulsado el estudio y utilización de nuevos materiales que, como la fundición de grafito compacto (Compacted Graphite Iron, CGI), son capaces de soportar mayores esfuerzos mecánicos y térmicos.
Ahora bien, para asegurar las propiedades de la fundición CGI (Compacted Graphite Iron) se necesita controlar la microestructura (nodularidad dentro del rango 0­20%). El objetivo del estudio es la caracterización de la microestructura de bloques de motor en fundición CGI fabricados en la fundición V. Luzuriaga­Tafalla. Para ello, se ha analizado, sobre muestras tomadas de distintas zonas de un bloque de motor en fundición CGI, la validez de tres técnicas no destructivas: ultrasonidos, análisis modal y método QUASARTM (QRF).
Palabras Clave: fundición CGI, bloque de motor, ultrasonidos, análisis modal, QUASAR.
Abstract The latest developments in direct injection systems have reduced emissions and improved performance of diesel engines. But to achieve those improvements an increase in peak firing pressure and power density (power/capacity) have been required.
New materials as Compacted Graphite Iron (CGI), which can stand higher mechanical and thermal requirements, are needed. However, to assure the CGI castings’ properties the nodularity range must be kept between 0 to 20 %.
The goal of this project is to characterize the microstructure of CGI engine blocks cast in V. Luzuriaga­Tafalla foundry. Three non­destructive techniques have been evaluated: ultrasonic, modal analysis and QUASARTM method (QRF). The samples measured were taken from CGI engine blocks. Keywords: CGI, engine block, ultrasonic, modal analysis, QUASAR.
1. Introducción
El trabajo recogido parcialmente en este artículo está integrado en un proyecto más ambicioso de la fundición V. Luzuriaga ­ Tafalla para la fabricación de bloques y culatas en fundición CGI. V. Luzuriaga­ Tafalla (VLT) es una fundición dedicada a la fabricación de bloques y culatas en fundición gris, para aplicaciones industriales y del sector de automóvil. VLT fabrica más de 80.000 toneladas anuales para clientes como Renault, PSA, Opel, VM Motori, John Deere, Perkins, Volvo Penta, etc.
La fundición CGI posee una microestructura específica que le dota de peculiares características mecánicas y térmicas. Esta microestructura se caracteriza por la forma del grafito, vermicular en 2D, que realmente es una estructura coralina continua en 3D, ver Figura 1, embebida en una matriz ferritica/perlitica [3].
Figura 1. Fundición CGI.
Así, las propiedades de la fundición CGI se encuentran entre las de la fundición gris y nodular [1], ver Tabla 1. Propiedades físicas y mecánicas que son función de la forma del grafito y de la relación perlita/ferrita, ver Figura 2.
Tabla 1. Propiedades típicas de fundiciones perlíticas gris, compacta (CGI) y nodular.
Propiedad
Limite a Rotura (MPa)
Módulo Elástico (MPa)
Elongación (%)
Conductividad Térmica (W/mK)
Gris
250
105
0
48
CGI
450
145
1.5
37
Nodular
750
160
5
28
Capacidad de Amortiguamiento Relativo
Dureza (HB 10/300)
Límite a fatiga rotatoria (MPa)
1
179­202
110
0.35
217­241
200
0.22
217­255
250
Figura 2. Límite a rotura y Módulo de Young en función de la nodularidad.
Como se muestra en la figura 2, la resistencia a la tracción y el módulo elástico en las fundiciones CGI aumenta con valores de nodularidad más altos, pero disminuye su maquinabilidad. Por el lado izquierdo, al formarse grafito laminar (nodularidades negativas) las propiedades mecánicas disminuyen drásticamente. Debido a esto, el grafito laminar es inadmisible en la fundición CGI. En este contexto, la necesidad de controlar la microestructura (especialmente mantener la nodularidad en el rango 0­20%) de las piezas producidas en fundición CGI es la que nos lleva a investigar, desarrollar y tratar de validar métodos de evaluación de la microestructura de fundiciones de hierro.
El objetivo principal del trabajo es por ello la caracterización de la microestructura de la producción de bloques de motor en fundición de grafito compacto (CGI) mediante el empleo técnicas de ensayo no destructivas. Además, se han perseguido otros objetivos:

Evaluar la capacidad de las técnicas de trabajar sobre piezas con acabado de fundición y en condiciones de producción (vibraciones, polvo, mantenimiento, etc.).

Cuantificar el nivel de calibrado, puesta a punto y mantenimiento de las mismas.

Ver el grado de resolución de las distintas técnicas; entendiendo como tal la capacidad de discernir entre distintas nodularidades y porcentajes de ferrita/perlita.
2. Procedimiento experimental
Se han estudiado tres técnicas de ensayo no destructivas: Ultrasonidos, Análisis modal y Quasar resonant frecuency (QRFTM); para analizar su capacidad de evaluación sobre muestras en fundición CGI tomadas de distintas zonas de un bloque de motor (criticas para su funcionamiento): entre cilindros, culata, bajo la lámina y los cojinetes, ver Figura 3. De referencia, se tomaron los resultados obtenidos de la evaluación tradicional de la microestructura mediante microscopio y de la simulación con MAGMASoftTM.
HF
WP
BE
Figura 3. Simulación con MAGMASoftTM del componente objeto de estudio, zonas de estudio y muestras tomadas.
Los parámetros medidos para evaluar la microestructura fueron: el porcentaje de nódulos (% nodularidad) y el número de partículas > 10 µm.
La caracterización de fundiciones mediante ultrasonidos toma ventaja de las interacciones elásticas e inelásticas entre las ondas de sonido y la microestructura. La medida indirecta de la morfología del grafito es posible mediante la medida con ultrasonidos de la velocidad de propagación longitudinal (VL); parámetro relacionado con las propiedades mecánicas del material a través de la siguiente ecuación
VL =
E
(1 − ν )
⋅
ρ (1 + ν ) ⋅ (1 − 2ν )
(1)
De forma paralela, aplicando las técnicas de Análisis Modal Experimental se obtuvieron las dos primeras frecuencias naturales de vibración de cada una de las muestras. Correlando estos resultados con los obtenidos a su vez de un modelo virtual, desarrollado por elementos finitos, de las muestras se dedujeron las propiedades mecánicas (E, G, ν, etc.).
Por último, se aplicó también el método QRFTM, basado en el cálculo de la matriz de las constantes elásticas del material (Cij), a partir de la respuesta en frecuencia de las muestras. Posteriormente, las propiedades del material se deducen a partir de dichas constantes elásticas mediante las expresiones siguientes.
E = 2 × C 44 × (1 +
C 44 − C11
C11
) , G = C44 , V L =
2 × (C11 + C 44)
ρ
(2)
3. Resultados y valoración de los mismos.
En este resumen, se presenta un breve extracto de algunos de los resultados obtenidos y deducidos de los ensayos realizados. Velocidades de Propagación Longitudinal
5.450
Velocidad (m/s)
5.350
5.250
5.150
5.050
Nº 1
Mod12
Nº 12
Mod12
Nº 41
Mod11
Nº 41
Mod12
Datos Bloques CGI
Nº 42
Mod11
Gris
Nº 42
Mod12
Nº 43
Mod11
0 % Nodularidad
Nº 43
Mod12
Nº 44
Mod11
Nº 44
Mod12
33 % Nodularidad
Nº 45
Mod11
Nº 45
Mod12
Nº 46
Mod12
80 % Nodularidad
PSV (mmrms/s) Figura 4. Resultados medida ultrasonidos, velocidad propagación longitudinal bloques CGI.
42.750
43.250
43.750
44.250
Bloque Nº1 Cojinete
Bloque Nº12 Cojinete
44.750
45.250
Frecuencia (Hz)
Bloque Nº41 Mod11
Figura 5. Resultado análisis modal muestras cojinete bloques Nº1 y Nº12.
C1 1
( Gpa )
C4 4
( Gpa )
Young' s
M odulus
( Gpa )
She a r
M odulus
( Gpa )
Bulk
M odulus
( Gpa )
Poisson' s
Ra t io
Ve l Pr op
Long
( m / s)
Ve l Pr op
Tr a ns
( m / s)
Q21
# 41, Mod 11, Pos2,Bearings
Q20 # 41, Mod 11, Pos2,BtwCyls,HF
Q22 # 41, Mod 11, Pos2,BtwCyls,WP
199,92
199,21
202,06
60,26
60,78
61,06
154,78
155,65
156,74
60,26
60,78
61,06
119,60
118,20
120,60
0,2843
0,2805
0,2835
5.250
5.256
5.297
2.882
2.903
2.912
Q11
# 43, Mod 11, Pos2,Bearings
Q14 # 43, Mod 11, Pos2,BtwCyls,HF
Q10 # 43, Mod 11, Pos2,BtwCyls,WP
193,12
197,49
199,95
59,85
60,81
60,95
152,67
155,37
156,12
59,85
60,81
60,95
113,30
116,40
118,70
0,2755
0,2775
0,2808
5.179
5.231
5.264
2.883
2.903
2.906
Q9
Q7
Q8
193,43
196,59
200,68
59,65
60,53
60,61
152,35
154,66
155,60
59,65
60,53
60,61
113,90
115,88
119,87
0,2771
0,2776
0,2836
5.194
5.243
5.298
2.885
2.909
2.912
Sa m ple #
D e scr ipt ion
# 43, Mod 12, Pos2,Bearings
# 43, Mod 12, Pos2,BtwCyls,HF
# 43, Mod 12, Pos2,BtwCyls,WP
Figura 6. Resultados constantes elásticas muestras CGI, medidos mediante QRF.
4. Conclusiones
Las muestras ensayadas han permitido validar adecuadamente la repetitividad de las medidas pero no han ayudado a la hora de establecer las tendencias de los parámetros con la variación de la microestructura.
Los tres métodos no destructivos empleados se mostraron capaces a la hora de detectar y valorar las muestras de fundición CGI. Pero la variabilidad en los resultados obtenidos hace que los métodos estudiados, tal y como se han realizado los ensayos, sean incapaces de determinar el grado de Nodularidad de las muestras con la necesaria precisión.
Pese a todo, la caracterización tradicional mediante microscopio tampoco resulta adecuada como parámetro de comparación frente a otras variables. La alta variabilidad en los resultados obtenidos del Análisis Modal el debido a limitaciones del planteamiento experimental llevado a cabo; sin embargo, el estudio de frecuencias propias parece fiable y prometedor para este tipo de aplicaciones técnicas.
Desde la perspectiva de la búsqueda de una aplicación en planta, parece imprescindible el empleo conjunto de varias de las técnicas empleadas. A priori, el uso combinado de ultrasonidos y Análisis Modal o QRF podría aportar una solución completa y eficaz al problema.
En cualquier caso, la aplicación generalizado y de forma no destructiva de las citadas técnicas sobre un bloque de motor, y no sobre muestras extraídas del mismo, presenta numerosas dificultades por su complejidad geométrica a resolver en futuros trabajos.
5. Agradecimientos
Los autores agradecen la colaboración encontrada a la hora de realizar el trabajo en la Univ. Pública de Navarra, QUASAR International, Sintercast y V. Luzuriaga­Tafalla.
6. Referencias
1. S. Dawson, T. Schroeder, Compacted Graphite Iron: A Viable Alternative, Engineering Casting Solutions AFS, 2000.
2. S. Dawson, Process Control for the Production of Compacted Graphite Iron, 102nd AFS Casting Congress, Atlanta, 1998.
3. S. Dawson, Compacted Graphite Iron: Mechanical and Physical Properties for Engine Design, Materials in Power Train VDI, Dresden, 1999.
4. SAE J1887, Automotive Compacted Graphite Iron Castings, 2002.
5. C.H. Gür, B. Aydinmakina, Ultrasonic Investigation of Graphite Nodularity in Ductile Cast Irons, 2001.
6. Ru Spec User’s Manual, Quasar International Inc, Alburquerque, 2003.