ES2367963T3 - METHOD FOR THE PREDICTION OF THE SPHEROIDIZATION DEGREE IN DEFINED AREAS OF SPHERIDAL GRAPHIC FOUNDRY PARTS. - Google Patents
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Abstract
Método para la predicción del grado de esferoidización de piezas de fundición grafítica esferoidal, apto para predecir específicamente el grado de esferoidización en cualquier zona concreta de cualquier pieza ubicada en un racimo de piezas que se cuelan simultáneamente en un molde, siendo dicha predicción realizada en función de las condiciones de solidificación específicas del racimo y en función del módulo inverso específico de la zona de la pieza en cuestión, determinándose dicho módulo inverso a partir de predicciones convencionales del grado de esferoidización por análisis térmico y medidas reales del grado de esferoidización en piezas ya fundidas, donde dicho método, una vez diferenciadas en la pieza unas determinadas zonas, comprende: a) la determinación del módulo térmico de cada zona de la pieza mediante metodología convencional, b) la predicción del número de esferoides en cada zona de la pieza mediante herramientas convencionales de análisis térmico a partir del módulo térmico de cada zona, caracterizado porque además comprende: c) la determinación del número real de esferoides mediante análisis metalográfico directo de cada zona, d) el cálculo de dicho módulo inverso en función de la calidad metalúrgica mediante técnicas metalográficas, y e) la predicción del número de esferoides en cada zona de la pieza mediante herramientas convencionales de análisis térmico a partir del módulo inverso de cada zona que ha sido calculada a partir del número real de esferoides en dicha zona, medida metalográficamente y a partir de la predicción obtenida mediante el análisis térmico convencional.Method for the prediction of the degree of spheroidization of spheroidal graphite cast iron, capable of specifically predicting the degree of spheroidization in any specific area of any piece located in a cluster of pieces that sneak simultaneously into a mold, said prediction being made based on of the specific solidification conditions of the cluster and depending on the specific inverse module of the area of the piece in question, said inverse module being determined from conventional predictions of the degree of spheroidization by thermal analysis and actual measurements of the degree of spheroidization in parts already castings, where said method, once differentiated in the piece certain areas, comprises: a) the determination of the thermal module of each part of the piece by conventional methodology, b) the prediction of the number of spheroids in each zone of the piece by conventional tea analysis tools From the thermal module of each zone, characterized in that it also includes: c) the determination of the actual number of spheroids by direct metallographic analysis of each zone, d) the calculation of said inverse module based on the metallurgical quality through metallographic techniques, and e) the prediction of the number of spheroids in each zone of the piece by means of conventional thermal analysis tools from the inverse module of each zone that has been calculated from the actual number of spheroids in said zone, measured metallographically and from the prediction obtained by conventional thermal analysis.
Description
Campo de la Invención Field of the Invention
La invención concierne a un método predictivo del grado de esferoidización en determinadas zonas de piezas fundidas de fundición grafítica esferoidal. The invention concerns a predictive method of the degree of spheroidization in certain areas of spheroidal graphite castings.
Estado de la técnica State of the art
El grado de esferoidización de una fundición grafítica esferoidal es un dato de gran interés práctico ya que es un indicador relevante en cuanto al comportamiento mecánico de la fundición de hierro estudiada y, en especial, de su fragilidad. El grado de esferoidización representa el número de esferoides de grafito que se desarrollan por mm2 en el seno del material. The degree of spheroidization of a spheroidal graphite foundry is a fact of great practical interest since it is an important indicator in terms of the mechanical behavior of the iron foundry studied and, in particular, its fragility. The degree of spheroidization represents the number of graphite spheroids that develop per mm2 within the material.
Estos esferoides de grafito se desarrollan durante el proceso de enfriamiento, al cristalizar el carbono en pequeñas agrupaciones de forma esferoidal, de manera uniforme por toda la matriz. La determinación de su número y su concentración proporciona una idea clara de la calidad metalúrgica de la fundición grafítica esferoidal. These graphite spheroids develop during the cooling process, when the carbon crystallizes into small spheroidal clusters, evenly throughout the matrix. The determination of their number and concentration provides a clear idea of the metallurgical quality of the spheroidal graphite foundry.
Es también conocido que el grado de esferoidización del Grafito de un metal fundido, el tamaño de los esferoides y la distribución de los mismos puede obtenerse del análisis de la curva de enfriamiento del mencionado metal fundido. It is also known that the degree of spheroidization of the Graphite of a molten metal, the size of the spheroids and their distribution can be obtained from the analysis of the cooling curve of said molten metal.
A este respecto existen diferentes patentes que tratan este tema, como son las siguientes: In this regard there are different patents that deal with this issue, such as the following:
En la patente JP60177116 se menciona un procedimiento para medir exacta y rápidamente el grado de esferoidización del grafito en hierro fundido mediante el empleo de termopares y posteriores cálculos matemáticos, pero no hace referencia al grado de nodulización específico de una zona en concreto. In JP60177116 a procedure for accurately and quickly measuring the degree of spheroidization of cast iron graphite by using thermocouples and subsequent mathematical calculations is mentioned, but does not refer to the degree of specific nodulization of a particular area.
En la patente WO9400755 se menciona un método para determinar el contenido en grafito de la fundición, por medio de un sistema de ultrasonidos y la comparación de los resultados con un material de referencia. En este caso se obtiene un valor medio y tampoco se aprecia influencia de la forma de la pieza. In WO9400755 a method is mentioned for determining the graphite content of the foundry, by means of an ultrasound system and the comparison of the results with a reference material. In this case, an average value is obtained and there is no influence on the shape of the piece.
En la patente US6604016 se presenta un nuevo método para la obtención de hierro en el que se puede determinar exactamente el contenido de grafito mediante el control de la curva de enfriamiento y los aditivos. Este caso es más un proceso de producción y no tiene en cuenta la forma de la pieza a obtener. In US6604016 a new method for obtaining iron is presented in which the graphite content can be determined exactly by controlling the cooling curve and the additives. This case is more a production process and does not take into account the shape of the piece to be obtained.
En la patente WO9925888 se muestra otro proceso para la obtención de hierro con grafito esferoidal, también mediante el empleo de las curvas de enfriamiento y agentes modificantes. Es una mejora del método anterior, pero sigue sin hablar de zonas diferenciadas para la pieza. WO9925888 shows another process for obtaining iron with spheroidal graphite, also by using the cooling curves and modifying agents. It is an improvement of the previous method, but it still does not speak of differentiated areas for the piece.
En la patente AU651389B se describe un proceso de obtención de hierro fundido dúctil que incluye el control del enfriamiento mediante el empleo de termopares y la corrección de la composición mediante la adición de agentes modificantes para la obtención del grado de nodularidad deseado. En este caso tampoco se habla del grado de nodularidad que se obtiene en las diferentes zonas de la pieza y también es un proceso de producción. In patent AU651389B a process of obtaining ductile cast iron is described, which includes the control of cooling by the use of thermocouples and the correction of the composition by the addition of modifying agents to obtain the desired degree of nodularity. In this case, we also do not talk about the degree of nodularity that is obtained in the different areas of the piece and it is also a production process.
En la patente US3670558 se presenta la técnica de análisis térmico inversa aplicada al estudio de la solidificación en hierro fundido permitiendo un fondo metalúrgico común para muestras que solidifican a diferentes ritmos de enfriamiento como hacen cuando coladas se sitúan en un racimo en un molde, realizando medidas relativas del grado de esferoidización para cada una de las diferentes muestras en el molde. In US3670558 the technique of reverse thermal analysis applied to the study of solidification in cast iron is presented allowing a common metallurgical bottom for samples that solidify at different rates of cooling as they do when casting is placed in a cluster in a mold, making measurements relative of the degree of spheroidization for each of the different samples in the mold.
En cualquier caso, ninguno de estos procedimientos es apto para calcular el grado de esferoidización de determinadas zonas de las piezas fundidas, o en el caso de procesos, de conseguir una fundición de la pieza en la que una zona específica de la misma posea el grado de esferoidización deseado. In any case, none of these procedures is suitable for calculating the degree of spheroidization of certain areas of the castings, or in the case of processes, of achieving a casting of the piece in which a specific area of the piece possesses the degree of desired spheroidization.
Explicación general de la invención General Explanation of the Invention
Tradicionalmente, ante la necesidad de predecir de la manera más exacta posible el comportamiento mecánico de los diferentes materiales metálicos, se han ido desarrollando diferentes métodos mediante la tecnología del análisis térmico. Así, mediante el vertido del metal líquido en un quik-cup (modelo metalográfico de transferencia de calor microestructural) y el análisis de su proceso de solidificación, fundamentalmente en lo que a sus componentes térmicos se refiere, es posible predecir que grado de modularidad llegará a tener ese metal. Traditionally, given the need to predict as accurately as possible the mechanical behavior of different metal materials, different methods have been developed using thermal analysis technology. Thus, by pouring the liquid metal into a quik-cup (metallographic model of microstructural heat transfer) and analyzing its solidification process, fundamentally as far as its thermal components are concerned, it is possible to predict what degree of modularity will arrive To have that metal.
Este método conocido orienta la interpretación sobre el comportamiento del material y su nivel de calidad metalúrgica en un aspecto muy importante, como es el de la esferoidización. Sin embargo, en este método no se tiene en cuenta en absoluto la morfología de las piezas, sus dimensiones, módulo y otras consideraciones importantes en el proceso de solidificación, por lo que el resultado que se obtiene es un dato genérico independiente de la pieza. This known method guides the interpretation on the behavior of the material and its level of metallurgical quality in a very important aspect, such as spheroidization. However, in this method the morphology of the pieces, their dimensions, module and other important considerations in the solidification process are not taken into account at all, so the result obtained is a generic data independent of the piece.
Por otro lado, lo que realmente interesa saber desde el punto de vista industrial, además de conocer lo que va a ocurrir cuando una pieza completa se solidifique, es qué sucede en zonas muy concretas que, debido a su espesor o porque debido a las cargas de fatiga que va a sufrir puede convertirse en punto de iniciación de una fisura, son especialmente conflictivas. On the other hand, what really interests to know from the industrial point of view, in addition to knowing what will happen when a complete piece solidifies, is what happens in very specific areas that, due to its thickness or because due to the loads of fatigue that you will suffer can become the starting point of a fissure, they are especially conflictive.
Ante esta situación, la determinación genérica del número de esferoides que puede desarrollar un metal líquido, que es lo que ofrecen actualmente los sistemas operativos en el mercado, resulta totalmente insuficiente. Given this situation, the generic determination of the number of spheroids that a liquid metal can develop, which is what the operating systems on the market currently offer, is totally insufficient.
La presente invención tiene por objeto predecir el nivel de esferoidización que se va a alcanzar en una zona determinada de la pieza de fundición grafítica esferoidal previamente seleccionada y que se encuentra en una posición determinada del racimo de piezas coladas simultáneamente en un molde. En este desarrollo se va a utilizar el concepto de velocidad de enfriamiento que resulta determinante en los mecanismos de nucleación y crecimientos de los grafitos. The present invention aims to predict the level of spheroidization that is to be achieved in a given area of the previously selected spheroidal graphite cast iron and which is in a certain position of the cluster of castings simultaneously in a mold. In this development, the concept of cooling rate that is decisive in the mechanisms of nucleation and graphite growth will be used.
Los sistemas tradicionales para la determinación del grado de esferoidización se basan en el concepto del Módulo Térmico. Este parámetro, asociado a la velocidad de enfriamiento, se obtiene como el cociente entre el volumen de metal y las superficies del mismo que pueden evacuar calor y, en sistemas aislados, en los que no hay otros elementos de influencia que modifiquen el proceso de enfriamiento y por tanto el de solidificación, se puede asociar directamente con la formación de esferoides de grafito. Traditional systems for determining the degree of spheroidization are based on the concept of the Thermal Module. This parameter, associated with the cooling rate, is obtained as the ratio between the volume of metal and its surfaces that can evacuate heat and, in isolated systems, in which there are no other elements of influence that modify the cooling process and therefore that of solidification, can be directly associated with the formation of graphite spheroids.
Estudios realizados sobre piezas test (cilindros y cubos) de fundición esferoidal inoculada, han permitido relacionar la densidad grafítica (esf/mm2) en el centro geométrico de las mismas con el módulo térmico y con la calidad metalúrgica del metal, representada por la densidad de esferoides que proporciona el análisis térmico para el quik-cup de referencia (Fig. 1). Studies on test pieces (cylinders and cubes) of inoculated spheroidal cast iron, have allowed to relate the graphite density (sph / mm2) in the geometric center of the same with the thermal module and the metallurgical quality of the metal, represented by the density of spheroids that provide thermal analysis for the reference quik-cup (Fig. 1).
La ecuación correspondiente es entonces del tipo: The corresponding equation is then of the type:
Nº esferoides = f(M, Nat) No. spheroids = f (M, Nat)
Donde el número de esferoides viene dado en esf/mm2, M es el módulo térmico (cm) y Nat es la predicción proporcionada por el análisis térmico para el quik-cup en esf/mm2 Where the number of spheroids is given in sph / mm2, M is the thermal module (cm) and Nat is the prediction provided by the thermal analysis for the quik-cup in sph / mm2
Sin embargo, las condiciones de las piezas reales en los procesos de fundición no coinciden con las de un sistema aislado, por lo que es necesario introducir y desarrollar el concepto de un nuevo parámetro que tenga en cuenta no solo los condicionantes tradicionales, sino también la morfología de la pieza a fundir y todos los elementos particulares que influyan en la evacuación del calor en cada una de sus partes. En este punto se define el Módulo Inverso, como el módulo al que le corresponde el nivel de grafitización que manifiesta la pieza en una zona determinada. Es decir, es la capacidad real que tiene un área determinada para evacuar energía calorífica. El método de la invención se da en la reivindicación 1. However, the conditions of the real parts in the foundry processes do not coincide with those of an isolated system, so it is necessary to introduce and develop the concept of a new parameter that takes into account not only the traditional conditions, but also the morphology of the piece to melt and all the particular elements that influence the evacuation of heat in each of its parts. At this point, the Inverse Module is defined as the module to which the level of graffiti that the piece manifests in a given area corresponds. That is, it is the real capacity of a given area to evacuate heat energy. The method of the invention is given in claim 1.
Este Módulo Inverso, asociado a una zona específica de la pieza, se calcula a partir del número real de esferoides de esa zona (controlado metalográficamente) y de la predicción obtenida por medio del análisis térmico (Nat). (Fig. 2). This Inverse Module, associated to a specific area of the piece, is calculated from the real number of spheroids of that area (controlled metalographically) and the prediction obtained through thermal analysis (Nat). (Fig. 2).
La principal ventaja que permitirá obtener este sistema es el conocimiento exacto del grado de esferoidización, y con él de las propiedades de una determinada zona de una pieza ubicada en un lugar determinado del racimo de piezas que se cuela simultáneamente en un molde. Este conocimiento permitirá definir su comportamiento con una mayor fiabilidad, asegurándose de esta manera la integridad estructural del sistema o estructura y facilitando su dimensionamiento. The main advantage that will allow to obtain this system is the exact knowledge of the degree of spheroidization, and with it the properties of a certain area of a piece located in a certain place of the cluster of pieces that sneaks simultaneously in a mold. This knowledge will allow you to define your behavior with greater reliability, thus ensuring the structural integrity of the system or structure and facilitating its sizing.
La principal utilidad del método estriba en que las simulaciones y predicciones posteriores sobre el mismo racimo de piezas utilizando el módulo inverso esta vez en cada simulación, darán una estimación mucho más exacta que al utilizar los medios tradicionales. Así, ante cualquier variación de las condiciones de colado, por ejemplo una variación de la temperatura del material fundido, los sistemas de simulación predecirán de forma mucho más exacta el grado de esferoidización que se obtendrá, permitiendo al fundidor introducir las medidas correctivas pertinentes. The main utility of the method is that subsequent simulations and predictions on the same cluster of pieces using the inverse module this time in each simulation, will give a much more accurate estimate than when using traditional media. Thus, in the event of any variation in the casting conditions, for example a variation in the temperature of the molten material, the simulation systems will predict much more accurately the degree of spheroidization that will be obtained, allowing the smelter to introduce the relevant corrective measures.
Breve descripción de los dibujos Brief description of the drawings
La Figura 1 muestra la representación gráfica de la curva de enfriamiento en función del tiempo. Figure 1 shows the graphical representation of the cooling curve as a function of time.
En la Figura 2 se representa la metodología seguida en el desarrollo para el cálculo del Módulo Inverso a partir del análisis térmico y el estudio metalográfico. Figure 2 shows the methodology followed in the development for the calculation of the Inverse Module from thermal analysis and metallographic study.
La Figura 3 muestra la horquilla empleada en el caso práctico 1. Figure 3 shows the fork used in case study 1.
La Figura 4 muestra la horquilla empleada en el caso práctico 2. Descripción detallada de realizaciones particulares A continuación se incluyen dos ejemplos de aplicación del método para la predicción del grado de esferoidización en Figure 4 shows the fork used in case study 2. Detailed description of particular embodiments Two examples of application of the method for predicting the degree of spheroidization in
zonas definidas de piezas de fundición grafítica esferoidal en función de su módulo inverso. Defined areas of spheroidal graphite castings depending on their inverse module.
Caso 1: Se trata de una horquilla de freno de automóvil en la que se diferencian cuatro zonas: (Fig. 3) Case 1: This is a car brake fork in which four zones are differentiated: (Fig. 3)
1.- Lo primero es diferenciar las zonas: 1.- The first thing is to differentiate the zones:
Zona 1: Parte media del arco delgado inferior Zone 1: Middle part of the lower thin arch
Zona 2: Parte media del arco grueso superior Zone 2: Middle part of the upper thick arch
Zona 3: Moyú izquierdo adyacente al arco superior Zone 3: Moyú left adjacent to the upper arch
Zona 4: Moyú derecho adyacente al arco superior Zone 4: Right Moyú adjacent to the upper arch
2.- En cada una de las zonas anteriores se calcula el módulo térmico mediante la metodología clásica obteniéndose los 2.- In each of the above areas the thermal module is calculated using the classical methodology, obtaining the
siguientes resultados: Zona 1: Mt = 0.28cm Zona 2: Mt = 0.57cm Zona 3: Mt = 0.62cm Zona 4: Mt = 0.62cm 3.- En función de la calidad metalúrgica establecida y del módulo térmico se predice el número genérico de esferoides following results: Zone 1: Mt = 0.28cm Zone 2: Mt = 0.57cm Zone 3: Mt = 0.62cm Zone 4: Mt = 0.62cm 3.- The generic number is predicted based on the metallurgical quality established and the thermal module of spheroids
mediante quik-cup. Zona 1: Nesf(gen) = 350esf/mm2 Zona 2: Nesf(gen) = 300esf/mm2 Zona 3: Nesf(gen) = 290esf/mm2 Zona 4: Nesf(gen) = 290esf/mm2 4.- Determinación del número real de esferoides en la zona objetivo mediante análisis metalográfico Zona 1: Nesf(met) = 435esf/mm2 Zona 2: Nesf(met) = 260esf/mm2 Zona 3: Nesf(met) = 242esf/mm2 Zona 4: Nesf(met) = 242esf/mm2 5.- Cálculo del módulo inverso en función de la calidad metalúrgica y del número de esferoides de la pieza obtenido en by quik-cup Zone 1: Nesf (gen) = 350esf / mm2 Zone 2: Nesf (gen) = 300esf / mm2 Zone 3: Nesf (gen) = 290esf / mm2 Zone 4: Nesf (gen) = 290esf / mm2 4.- Determination of the number Real spheroid in the target zone by metallographic analysis Zone 1: Nesf (met) = 435esf / mm2 Zone 2: Nesf (met) = 260esf / mm2 Zone 3: Nesf (met) = 242esf / mm2 Zone 4: Nesf (met) = 242esf / mm2 5.- Calculation of the inverse module according to the metallurgical quality and the number of spheroids of the piece obtained in
el paso anterior Zona 1: Mi = 0.28 cm Zona 2: Mi = 0.60 cm Zona 3: Mi = 0.67 cm Zona 4: Mi = 0.67 cm Este valor se calcula para diversas calidades, es decir para diferentes valores de densidad de esferoides, por lo que el the previous step Zone 1: Mi = 0.28 cm Zone 2: Mi = 0.60 cm Zone 3: Mi = 0.67 cm Zone 4: Mi = 0.67 cm This value is calculated for different qualities, that is, for different values of spheroid density, by what he
valor que se obtiene al final es un valor medio de los obtenidos en todos los ensayos. En general se puede afirmar que value obtained at the end is an average value of those obtained in all tests. In general it can be said that
no existe mucha diferencia entre los valores obtenidos. There is not much difference between the values obtained.
6.- Predicción del número de esferoides en función del módulo inverso En este paso se calcula el número de esferoides empleando el valor medio del módulo inverso calculado en el apartado anterior. 6.- Prediction of the number of spheroids according to the inverse module In this step, the number of spheroids is calculated using the average value of the inverse module calculated in the previous section.
Caso 2: Se parte otra de vez de una horquilla de freno, diferente a la anterior. Case 2: The brake fork is split again, different from the previous one.
1.- Lo primero es diferenciar las zonas; cuatro en este caso (Fig. 4) 1.- The first thing is to differentiate the zones; four in this case (Fig. 4)
2.- En cada una de las zonas anteriores se calcula el módulo térmico mediante la metodología clásica obteniéndose los 2.- In each of the above areas the thermal module is calculated using the classical methodology, obtaining the
siguientes resultados: Zona 1: Mt = 0.28cm Zona 2: Mt = 0.37cm Zona 3: Mt = 0.71cm Zona 4: Mt = 0.71cm 3.- En función de la calidad metalúrgica establecida y del módulo térmico se predice el número genérico de esferoides following results: Zone 1: Mt = 0.28cm Zone 2: Mt = 0.37cm Zone 3: Mt = 0.71cm Zone 4: Mt = 0.71cm 3.- Depending on the established metallurgical quality and the thermal module, the generic number is predicted of spheroids
mediante quik-cup. 4.- Se determina el número real de esferoides en la zona objetivo mediante análisis metalográfico Zona 1: Nesf(met) = 432esf/mm2 Zona 2: Nesf(met) = 319esf/mm2 Zona 3: Nesf(met) = 229esf/mm2 Zona 4: Nesf(met) = 229esf/mm2 5.- Se calcula el módulo inverso en función de la calidad metalúrgica y del número de esferoides de la pieza obtenido en by quik-cup 4.- The actual number of spheroids in the target zone is determined by metallographic analysis Zone 1: Nesf (met) = 432esf / mm2 Zone 2: Nesf (met) = 319esf / mm2 Zone 3: Nesf (met) = 229esf / mm2 Zone 4: Nesf (met) = 229esf / mm2 5.- The inverse module is calculated based on the metallurgical quality and the number of spheroids of the piece obtained in
el paso anterior Zona 1: Mi = 0.30 cm Zona 2: Mi = 0.47 cm Zona 3: Mi = 0.77 cm Zona 4: Mi = 0.77 cm Este valor se calcula para diversas calidades, es decir para diferentes valores de densidad de esferoides, por lo que el the previous step Zone 1: Mi = 0.30 cm Zone 2: Mi = 0.47 cm Zone 3: Mi = 0.77 cm Zone 4: Mi = 0.77 cm This value is calculated for different qualities, that is, for different values of spheroid density, by what he
valor que se obtiene al final es un valor medio de los obtenidos en todos los ensayos. En general se puede afirmar que value obtained at the end is an average value of those obtained in all tests. In general it can be said that
no existe mucha diferencia entre los valores obtenidos. 6.- Finalmente, se realiza la predicción del número de esferoides en función del módulo inverso, empleando el valor medio del módulo inverso calculado en el apartado anterior. There is not much difference between the values obtained. 6.- Finally, the prediction of the number of spheroids is performed according to the inverse module, using the value mean of the inverse module calculated in the previous section.
Claims (1)
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