La siguiente publicación es acerca de la caracterización de aceros y fundiciones a través de la metalografía. Esta fue realizada en el laboratorio de la universidad Simón Bolívar por mi persona. Espero les sea de interés este tema el cual es de importancia para determinar muchas características relacionadas con un material metálico
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Procedimiento
La metalografía consiste en obtener una imagen de la microestructura de la muestra de interés para poder hacer una comparación con imágenes que ofrecen las bibliografías. En este caso se tiene una muestra de fundición gris la cual fue sometida a procesos de desbaste fino con grits de 240, 320, 400 y 600. Una vez terminado este paso, se precedió a hacer un pulido con alúmina de un micrón y finalmente un pulido con agua. Luego de esto se procedió a tener una imagen de la superficie de la probeta para saber si es necesario seguir con el pulido o si estaba en las condiciones correctas para realizar un ataque químico el cual permite revelar la microestructura de la muestra. Al tratarse de una muestra ferrosa se requiere de un ataque químico con nital al 2%
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Análisis
Inicialmente, se realizó un análisis de apariencia a la probeta. En esta se visualizaron defectos volumétricos, como lo son poros. A partir de esto se puede sospechar que se está en presencia de un tipo de fundición. También se observó que la superficie estaba oxidada. La microestructura presento colas de cometa similares a las de la Figura. 1 Estas se originan debido al choque de las partículas de alúmina (muy abrasivas) con las inclusiones o impurezas que tiene el material en la superficie
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Figura 1. Representación de las colas de cometa para una probeta posterior al pulido.
Fuente: UPV, (2008) , Experiencia sobre la preparación metalográfica, Universidad Politécnica de Valencia. Disponible en https://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm03/ptrb3_2_4.html
Finalizada esta etapa, se observó la probeta en el microscopio (Figura 2.a y Figura 2.b). En este se apreció una pequeña cantidad de colas de cometa, núcleos de óxido y hojuelas oscuras. Estas se pueden asociar con la microestructura de una fundición gris. Entonces se sabe que las hojuelas están constituidas de grafito.[1] De igual manera, se pueden ver unas zonas de concentración de grafito, que tienen morfología distinta a las hojuelas. Esto se debe a que dicha región se oxido, es decir, al tener el material desnudo resulto favorable termodinámicamente la oxidación de la fundición gris en agua de pH bajo. El proceso consistió en oxidación de la matriz de hierro, dejando a su paso residuos de corrosión y grafito poroso. Como consecuencia de esto el metal sufre una considerable fragilización y reducción de sus propiedades mecánicas.[2]
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(a)
(b)
Figura 2. Superficie de la probeta antes del ataque químico a) Imagen tomada con un aumento de 100x. b) Observación con un aumento de 50x. Se logra apreciar las hojuelas de grafito y la formación de núcleos de óxido.
(a)
(b)
Como ya se conoce que la probeta es una fundición gris, se puede estudiar la influencia de los elementos presentes. Inicialmente, se debe mencionar que el Si es el responsable de descomponer la cementita y formar ferrita más grafito, es decir, funciona como elemento grafitizante. También se señala que el fosforo fragiliza la fundición debido a la formación de fosfuro de hierro. De igual forma se conoce que el azufre está presente como impureza. En este caso reaccionaría con la matriz de hierro para formar FeS. Este compuesto tiene bajo punto de fusión y se aloja en los bordes de grano. Entonces, al calentar se producirían grietas por la fusión del compuesto. Para combatir este fenómeno se le agrega Mn como microaleante, ya que termodinámicamente su sulfuro es más estable y se distribuye de manera uniforme por toda la estructura del material y no se aloja en los bordes de grano. Con esto se demuestra que las inclusiones que generaron las colas de cometa fueron en su mayoría MnS. [1] [3]
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Posterior al pulido se realizó el ataque químico empleando como decapante nital 2% (2% ácido nítrico y 98% etanol). Con esto se pudo observar los microconstituyentes de la probeta. Esto se debe a que la función del reactivo es atacar las zonas de mayor energía como lo son los bordes de grano, ya que estos tienen un número de coordinación insatisfecho y carecen de orden.[3] En la Figura 3 se puede observar perlita que son las zonas de tiras alargadas alternadas entre clara y oscura (ferrita y cementita). También se observa ferrita (zona clara sin laminas) y hojuelas de grafito. Estas hojuelas suelen fragilizar la pieza, pero le da resistencia a la fatiga. También se aprecia que la cantidad de ferrita presente es muy baja, lo que se relaciona a una fundición gris tosca de aproximadamente 2% Si.[4] [5] Por otro lado, se puede mencionar que también se empleó una velocidad de enfriamiento moderada para la solidificación de la pieza, ya que esto no permite la actuación del Si en la descomposición del FeC para formar ferrita y grafito. También se puede mencionar que la fundición no fue sometida a tratamientos térmicos, debido a la poca cantidad de ferrita en la microestructura. [1].
Figura 3. Superficie de la probeta posterior al decapado a un aumento de 400x. Se observan las hojuelas de grafito, ferrita (zonas claras sin laminas) y perlita (laminas alternadas entre claras y oscuras). La cantidad de ferrita es muy baja (fundición gris tosca).
Conclusiones
• Se determinó que las piezas obtenidas por fundición tienen defectos volumétricos.
• Se demostró que la fundición gris tosca tiene hojuelas de grafito, ferrita y perlita en su microestructura.
• Se determinó la influencia del agua de bajo pH en la oxidación de una fundición gris.
Bibliografía
[1] S. Avner, Introducción a la metalurgia física, 2da edición, McGraw Hill, 1988. Pg 430-443.
[2] Norma API RP-571, " Damage Mechanisms Affecting Fixed Equipment in the Refining Industry”, Vol. 01.12, U.S.A. (2003). Pp. 127-130.
[3] W. Smith y J. Hashemi ,Fundamentos de la Ciencia e Ingeniería de los Materiales, 4ta edición, McGraw Hill, 2006. Pg 429-436 ,146-149.
[4] W. Callister Jr and D. Rethwisch, Materials Science and Engineering, 8th edition, John Wiley & Sons, Inc, 2010. Pp 323-406.
[5] ASM Handbook, (2004) “Metallography and Microstructures.”, Vol. 9, Pp. 327, 1282-1286.
Las figuras 2 y 3 son imágenes tomadas por mi persona en el laboratorio de la universidad
