Aplicabilidad de modelos matemáticos para simular la nucleación de partículas de grafito en fundición esferoidal de pequeños espesores

Abstract

El estudio detallado de la potencial aplicación de la fundición esferoidal en la fabricación de piezas de espesores inferiores a 6 mm es muy reciente. La información con que se cuenta en la actualidad es escasa, contrariamente al estado de conocimiento de su aplicación en espesores convencionales. Uno de los campos de estudio es el referido al cálculo de la evolución del número de partículas de grafito en la etapa de solidificación. Este aspecto ha sido examinado en detalle para espesores convencionales a través de numerosos modelos propuestos por diferentes autores. Es bien conocido el notable aumento del conteo nodular que se logra con el incremento de la velocidad de enfriamiento, como consecuencia de colar espesores delgados. Este aumento del conteo nodular puede tener un efecto importante en las transformaciones de fase en estado sólido, en la microestructura y en las propiedades mecánicas, y es aquí donde radica la importancia de este estudio. Los objetivos de este trabajo son: realizar una revisión de modelos reportados en la bibliografía para espesores convencionales y analizar su posible aplicación en piezas de espesores delgados; identificar aquel modelo matemático que se aproxime con mayor exactitud a los datos recolectados de la experimentación en piezas prototipo de espesores delgados; y por último proponer un modelo matemático aplicable a la evolución de partículas de grafito con el fin de disminuir las discrepancias posibles entre datos de conteo nodular modelados y medidos. A tal fin se escribió un programa de cálculo con todos los modelos de nucleación reportados. Algunas de las variables a ingresar son la composición química, temperatura de colada, velocidad de extracción de calor y diferentes coeficientes no claramente especificados en las publicaciones. Se realizaron también comparaciones con datos experimentales obtenidos sobre coladas instrumentadas con termocuplas, para prototipos de espesores en un rango de 38,1 a 1,5 mm.

Recently, the scientific community has begun to study in detail the potential application of ductile iron in the production of thin wall components. Efforts are focused on the identification of the operative conditions necessary to obtain parts free of defects, with the desired microstructure. These aspects have been widely examined in the past for parts of conventional thicknesses (more than 5 mm), either experimentally or by using computational programs to model the solidification process. Nevertheless, modeling of thin walled parts is still unreliable, since specific databases are not available. It is well known that noticeable increments of nodule count take place when the cooling rate increases, for example as a consequence of the presence of thin walls. The increase in the nodule count can have an important effect on the solid-state phase transformations of ductile iron, and on its microstructure and mechanical properties; these are the goals of the present work. The objectives of this work are: to review the current models for conventional thicknesses and to analyze their application for being used in thin wall parts; to identify those mathematic models that match with the experimental data on thin wall prototype castings; and finally the creation of a new model capable to calculate the evolution of the graphite particles with sufficient precision according to measured and modeled nodule count. In order to do that a computer program was written capable to analyze the current nucleation model. Some of the input parameters were chemical composition, pouring temperature, heat transfer rate and a number of coefficients not clearly defined in all models. Comparison with experimental data from instrumented thin wall prototypes, ranging from 1.5mm to 38.1mm, was also carried out.