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1 CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL
1.1. MATERIAL DE TRABAJO
El material para realizar el estudio es Fundición Nodular
producida en el Valle de Aburra. Esta fundición procede
de las Empresas APOLO y SIMESA, quienes por cada colada
nos suministraron dos bloques en Y hasta completar 20 co
ladas y por ende, 20 composiciones diferentes.
Los bloques en Y sviministrados por las diferentes empresas
se ilustran en la figura 1.
A
B
u 30
i
Figura 1 Escala 1 : 5 cms. Bloque en Y
Del bloque en Y sólo se utilizará la parte A, la parte B
(mazarota) se desecha, pues el vaciado se hace desde B
hacia A, siendo por tanto la parte B la que queda con los
defectos de fundición y la parte A generalmente queda sa
na.
Por esta razón, de la parte A, que es la representativa,
se sacarán 2 probetas de tracción, 1 probeta Jominy y pro
betas metalográficas, para efectuar los distintos ensayos.
El bloque en Y de la figura 1 obedece a la norma ASTM -
A-536, aunque se han modificado un poco las dimensiones
para poder obtener las diferentes probetas.
1.2. COMPOSICIONES QUÍMICAS
Las composiciones químicas de los bloques en Y suminis -
trados por las empresas y que corresponden a 20 coladas
diferentes, se imprimen en la Tabla # 1 .
1.3. RANGOS DE COMPOSICIÓN ESTUDIADO
De la Tabla # 1 podemos extraer el rango de composición
química en los cuales se encuentran las diferentes cola
das.
En este rango se excluyen las coladas No.14 y No.20, por
tener una composición química muy diferente
Este rango se imprime en la Tabla # 2.
OQ <
CO
H
s H D O (O
o H
u H CQ O O O
I 1 1 — 1 — 7 — r — i 1 1 — T — I — I I I I I I C N I O I I I I v O i l ^ l ^ t I I I I l O I O I I l O i O l O l I A l l í I 1 * 1 * 1 i ' 1 * 1 * 1 * 1 I l l l l l l l O I O l i l l l O l O l O I 1 ^ 1
I 1 1 1 4. J 1 1 1 4. 4- 1
I 9 i o o i o i c o i c T t i r ^ i n i r o t i n i c o i i n t I U I O l O | 0 | 0 | 0 | i H | r H | 0 | H l i H | I l * l * í * l * l * Í * l * t * t * l * l i ^ l O I O I O l O l O l O l O l O l O l O I I 1 - 1 1 4 . 4 1 — - > i •*• <i 1
I l ^ i o o i I i r s i c M i I I I I I M i m i ^ i ^ i ' < í i n i ' ; t i { N i i H i r > i i t - i | I U l O I O I O l O I O l O l ^ f l O t O l O l I 1 * 1 * l * l * í * l * l * l * l * l * j I o ^ l O | 0 | 0 | 0 | 0 | O l O | 0 | 0 | O l
I >H i r ^ i v o i v O i m i ^ l i n i i n i r - i i m i c N i I S S J O I O I O I O I O I O I O I O I O I O I I 1 * 1 * t * l * l * l * l * l * l * l * j I ^ l O l O I O I O I O I O l O I O I O I O I
t 1 1 1 + 1 1 1 1 + f 1
I i t n i c D i v O l v o i t n i v o i i ^ i r ^ i o i i I i o i o i o i o i o i o i t n i o i o i o i I co l O I O I O l O I O I O l O I O l O l O I I I * l * l * t * l * í * i * i * i * i * f I ^ l O I O I O l O I O I O I O I O l O l O l
I 1 1 r T 1 1 1 1 T 1 1
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I 1 1 1 4. í- U. 1 1 4. 4- 1 I c i m i n i o i c o i c N i t n i r ^ i f M i o i i O ^ i I X | í n | f O | r » > | i N i n i ^ f i ^ l « n i < n i < M | 1 1 * 1 * 1 * 1 * 1 * 1 * 1 * 1 * 1 * 1 * 1 I o^ l O I O I O l O I O I O I O I O l O l O l I 1 1 ( + 1 1 1 1 f. .,. 1
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I i r - í i c M i i H i I | r - ^ | . - ^ l • - ^ | r - ^ l ^ ^ I l O I O l O l r - í l i H I O l O l O I O j O I I O I O I O I « l O I O I » r • ! • ! • I • I I • ! * | 0 | • ! * | 0 | O I O t O I O I ^ I o I O I I o I O I I I I I
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1.4. DIAGRAMA ESTABLE
En la Tabla # 3 se dan los valores que permiten construir
el diagrama estable para cada una de las 20 composiciones.
Las expresiones matemáticas con que se calculan estos va
lores son fvmción de la composición química y se han de
ducido experimentalmente. (Ref. 8, 9 y 10).
TABLA # 3
T T T r T T 1 r 1 {Colada I C' I E' ! S* ¡ T; I TJ; ! Se 5 Pg ¡ I N o . ! I i ! ! ! I ! T T T r T T 1 '~T 1
I 1 I 3.41 ¡ 1.28 ¡ 0.50 I 800 ¡ 1165 ¡ 1.04 ¡ 1.94 ¡ T T T r r T 1 r 1 I 2 ¡ 3.40 { 1.28 } 0.50 ¡ 800 ¡ 1165 í 1.04 ¡ 1.94 ¡ f 1.-_ 4 4 1. 4 1. 4 _| ¡ 3 I 3.51 ¡ 1.37 ¡ 0.53 ¡ 791 { 1160 ¡ 0.94 ¡ 1.54 ¡ J X L I J X J í. I
{ 4 I 3.50 { 1.37 I 0.53 ¡ 792 ¡ 1160 j 1.03 ¡ 1.70j 4 4 4 ) 4 + 4 4 1
I 5 I 3.48 ! 1.34 I 0.52 i 794 ! 1162 I 0.98 ! 1.67 i { + Y f i . ., ^ 1
I 6 I 3.52 ! 1.37 ¡ 0.53 ' 788 ¡ 1160 ¡ 0.98 ! 1.62 | 1 T r 1 T T 1 r 1 j 7 j 3.41 ¡ 1.28 ¡ 0.50 | 798 ¡ 1165 ¡ 1.09 { 2.01 | f 4 4 4 4 4 f 4 ^ ¡ 8 I 3.51 I 1.36 ¡ 0.53 | 791 ¡ 1160 ¡ 1.07 j 1.76 ¡ I J. i i J X i X I
¡ 9 I 3.47 I 1.34 I 0.52 | 793 | 1162 | 0.95 ¡ 1.60 ¡ ». 4 1 1 4 4 4 4 1
I 10 ! 3.55 I 1.41 ¡0.55 ¡ 787 i 1156 í 0.89 ! 1.34 4 »- -t 1 1 i + 1 -I- 1
I 11 I 3.51 I 1.37 ! 0.53 ! 790 ! 1159 1 1.03 i 1.68 I
Continuación...
1 1
Colada I C I E' I S' I T, I T„ { S I P„ | • I • i * * i ' ' ^ i O | ( 7 ,
No. I ! I ¡ ¡ I I I }. 4 4 4 4 4 !_ 4
12 ¡ 3.51 { 1.37 I 0.53 ¡ 790 | 1159 { 1.04 ¡ 1.67 } I X X X l 1 I I
13 I 3.48 I 1.34 } 0.52 } 792 } 1162 j 1.03 ¡ 1.78 } 1 4 4 1 1 1 1 1
14 I 3.57 I 1.40 I 0.55 I 781 ¡ 1156 I 0.98 I 1.53 I 15 I 3.52 I 1.37 ! 0.53 I 787 ! 1160 I 0.99 I 1.65 !
1 T T r r T 1 1 16 I 3.54 { 1.39 I 0.54 j 786 } 1157 j 0.85 | 1.29 |
} 4 . j ^ j ^ , , 17 ¡ 3.51 I 1.37 { 0.53 j 789 ¡ 1160 { 0.97 ¡ 1.60 {
^ X X 4 4 4 y ^ 18 I 3.54 I 1.39 j 0.54 j 787 ¡ 1157 | 1.21 ¡ 1.63 ¡
1 4 í 1 1 X 1 1
19 I 3.54 I 1.39 I 0.54 I 787 I 1157 I 1.19 I 1.66 I 1 4 4 ^ ( 4 f_ 1
20 I 3.63 I 1.44 I 0.56 I 772 I 1153 ¡ 1.00 I 1.49 I
Explicación de los valores :
C E'
S' TA
TE So
Es el nuevo eutéctico Es la máxima solubilidad de carbono en la austeni-ta. Es el nuevo eutectoide Es la temperatura crítica (Aj ) Es la temperatura eutéctica Es el índice de saturación. Informa cuando una fundición es hiper, hipo o eutéctica. Es el potencial de grafitización.
El diagrama estable sólo se construirá para una de estas
composiciones, pues las variaciones que presentan los va
lores de la Tabla # 3 no son muy significativos.
En la figura 2 se da el diagrama estable para la composi-
ción No. 2
8
T'*C
y + G
TA 800°C
J' -r G
OL + G
0.5 1 1.28 2 3 3.4 4 5 % C
Figura 2
Diagrama Estable
1.5. DUREZA
Dos razones fundamentales explican la realización de este
ensayo. La primera obedece al hecho de que la dureza es
un ensayo complementario a la observación metalográfica,
es decir, las conclusiones que se puedan extraer de una
observación al microscopio adquieren validez según la du
reza del material observado, correlativamente, la explic¿
ción que se pueda dar a la dureza presentada por un mate
rial, en muchos casos, se basa en su estructura microscó
pica. Para nuestro caso en particular esto es absoluta -
mente cierto.
La segunda razón por ],a cual se realizó el ensayo de du -
reza en el material as-cast, es que éste posibilita esta
blecer comparaciones con el material tratado térmicamente.
En este sentido, lo qae se hará será construir la curva
de Dureza vs. Tiempo de sostenimiento a la temperatura de
aust en i zación., en la cual el primer punto corresponde a
la dureza del material sin tratar.
Se escogió el Ensayo Brinell con carga de 187.5 Kg. y bola
. e 2*5 rom. La dureza Brinell da mayor representatividad
y menor dispersión cuando se trata de un material hetero -
géneo^ como es el caso de la fundición nodular en la cual
10
se tiene una matriz más dura <jue los nodulos de grafito.
La carga utilizada y la bola escogida se deben al tipo
de equipo empleado : un durimetro Wolpert Universal.
Sobre las probetas se hicieron cuatro mediciones y se
promediaron.
Los resultados obtenidos aparecen en la Tabla # 4 , en la
cual aparece la probeta representativa de una colada, ex
traída de los bloques en Y; d es el diámetro promedio de
la huella; HB es el número de dureza Brinell para cada me
dición y HB es el número de dureza promedio para cada
probeta.
TABLA # 4
DUREZAS DEL MATERIAL AS-CAST
1 1 d { HB 1 HB 1 1 COLADA N o . i mm. i 2 , 5 mm. i i ! 1 1 187.5 Kg, 1 1 1 1 1 1—r "1 1 ¡ 1 , 1 8 ! 161 1 ! ¡ ¡ 1.20 ¡ 156 1 1 1 1 1 1.21 ¡ 153 } 156 1 1 } 1.20 } 156 ¡ 1 t . _ _ _ _ ^ _ _ _ _ _ „ « l __-._ - _ . - l -.-._ 1 - J 1 j ^ j j 1 1 ' ^ 1 ^ ^ 1 1 1 2 1 1 .24 I 145 ¡ 143 j 1 1 1 .26 1 140 1 I
! i ! 1 1
C o n t i n u a c i ó n . .
11
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L._»._
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3
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1
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1
1 1 I
1
1 1 i 1
_ d mm.
1.20 1.16 1.13 1.18
1.27 1.27 1,27 1,28
1,25 1.26 1.25 1.25
1.22 1.26 1.24. 1.26
1.16 1.18 1,18 1.19
1.14 1.15 1.16 1.15 1.15
1.13 1.16 1.14 1.15 1.14
. — — . . — .
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1 1
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1 1 i 1 1 1 i 1 -1 1 i
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! 1 1 1 1 1 1
. — X —
.___ ,
HB 2.5 mm. 187.5 Kg.
156 167 177 161
138 138 138 134
143 140 140 143
150 140 145 140
167 161 161 158
174 170 167 170 170
177 167 174 170 174
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1 i .—.J-.
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137
142
144 .
162
170
172
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12
1 1 1 , COLADA No.
U — . — — . — . -1
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I 1 1 1 1 1
d mm.
1.14 1.17 1.15 1.17 1.15
1.00 1.05 1.05 1.04 1.03
1.14 1.16 1.15 1.15 1.18
1,00 0.97 1.00 1.00 0.97
0.92 0.925 0.92 0.92 0.925
1.10 1.13 1.09 1.10 1.12
1 1 1 1 1 1
I 1 1
1 1
_ — —
, . L. . . .
KB 2.5 mm. 187.5 Kg.
174 164 170 164 170
229 207 207 211 215
174 167 170 170 161
229 244 229 229 244
272 269 272 279 269
187 177 191 187 180
1-—
~ • • T' ~'
1
1 •
.-_L_.
HB
168
214
168
235
272
184
1 1 1
1 I
— 4 1 1 I 1 1
1 1 i
1 1
""*""t 1 1 1 1 1 1 1 1 1 i 1 1 1 1 1 1 1 i 1 1
1 1 1 1 1 1 1 i
1 1
i 1
1 1
Continuación
13
COLADA No.
16
d mm.
4 0.97 0.96 0.98 0.98 0.97
HB 2.5 mm. 187.5 Kg,
244 249 239 239 244
HB
243
17
4"
1.06 1.05 1.09 1.10 1.11
4
202 207 191 187 184
194
4
18
0.99 0.98 0.98 0.99 1.00
231 239 239 231 229
234
I — t
i I I I I
I I I
.J I
19
1.15 1.15 1.16 1.14 1.15
170 170 167 174 170
170
20
0.92 0.915 0.92 0.915 0.92
272 275 272 275 272
273
1.6. METALOGRÁFIA
La observación de la estructura del material as-cast es
14
necesaria, pues posibilita llevar \in control de cuan ferrj.
tica es la matriz y cuál es el tamaño y tipo del grafito
de cada una de las composiciones estudiadas. También por
que es un plinto de comparación para saber cuánto va aumen
tando la cantidad de perlita a medida que el tiempo de
austenización aumenta en el normalizado.
Debido a los problemas que presenta la fvindición nodular
para el pulido, especialmente si se desean tomar microgra-
fías, haremos una reseña al respecto.
1.6.1. Pulido
Para el pulido se siguieron en general las recomendacio -
nes que sobre este aspecto trae el Metals Handbook, Vol.8
{ 3).
A continuación aparece una traducción de las partes esen
ciales de dichas recomendaciones.
Pulido de fundiciones nodulares.
Debido a la presencia del grafito en las fundiciones no -
dulares y dúctiles en general, por su naturaleza blanda y
por ser fácilmente desprendible, es necesario tomar cier
tas precauciones con respecto a la preparación metalográ-
15
fica de las muestras, que no son necesarias en los otros
metales ferrores. Además, hay que tener en cuenta que el
color del grafito puede afectar las micrografias, pues
puede ser confundido con otra fase.
Desbaste y pulido grueso
Estas etapas se pueden realizar de igual forma que todos
los materiales ferrosos y por lo tanto, se tendrán los
mismos cuidados. El desbaste se hace generalmente sobre
xina cinta abrasiva que es impulsada por un motor. Esta
etapa puede llevarse a cabo utilizando refrigerante o en
seco, pero hay que tener cuidado con el calentamiento.
El pulido grvieso debe realizarse empezando por un papel
de grano grueso y cada vez pasando a uno más fino, utili
zando agua como lubricante, teniendo cuidado de girar la
probeta 90 grados cada que ceuiibia el papel para garantí -
zar remover la capa de distorsión creada por el papel an
terior e igualmente, es fundamental un buen lavado de la
probeta.
Este pulido preferiblemente debe ser manual, pues el uti
lizar discos giratorios puede revertir en desprendimiento
y daño del grafito. El juego de papeles más recomendable
es 280, 320, 400 y 600.
16
La parte final del pulido grueso es la más importante de
esta etapa. Una vez se ha llegado al papel 600, antes de
pasar al pulido fino, es necesario realizar un pulido
grueso en seco, con el fin de evitar el desprendimiento
del grafito. Para ello debe emplearse papel emery de dos
calidades (0.0 y 0.0.0). Para ayudar a quitar la capa
distorsionada es recomendable realizar el ataque (con pi-
cral las fundiciones perliticas, con nital las ferriticas)
de las probetas antes que se comience el pulido. El pa -
peí debe ser lavado con alcohol para quitar las particu -
las de metal arrancadas y después secado en una corriente
de aire. Nuevamente se repite el proceso hasta que la ma
triz haya sido desbastada uniformemente. Sólo cuando se
ha conseguido retener el grafito se debe pasar al pulido
si se desea una probeta perfectamente pulida.
Después del desbaste y antes del pulido fino, las probe
tas deben ser atacadas con picral o nital, dependiendo
que sean perliticas o ferriticas.
Pulido Fino
Los mejores resultados en el pulido fino de fundiciones
grafiticas se han conseguido utilizando pasta de diaman
te como abrasivo, siendo las mejores las de 1 y 0.25 mi
eras.
17
En esta etapa también se debe alternar el pulido y el ata
que con el fin de conservar el grafito y retirar la capa
de metal distorsionada.
En lo referente al paño para pulido utilizado, se debe te
ner bastante cuidado, pues si el paño es de lana o pelos
largos, se produce un buen pulido de la matriz pero el
grafito se arrastra fácilmente. Por el contrario si la
lana o pelo son cortos, aunque el paño presenta buenas ca
racterísticas en cuanto a retención del grafito, su efi -
ciencia para pulir las rayas de la matriz dejadas por et¿
pas anteriores es muy baja. El paño ideal es entonces
aquel que es sintético y aterciopelado (Synthetic Relvet
Cloth, S.V.C.). Para su utilización debe estar bien pre -
parado, es decir, debe colocarse bien templado sobre el
disco de metal y debe dejarse girar durante 3 minutos sos
teniendo una probeta sobre él.
Para comenzar el pulido se debe depositar en el paño, me
diante una jeringa, un cordón de pasta de diamante de 1
miera, de aproximadamente 1,1/2" de longitud, y con los
dedos limpios se debe esparcir el disco. Es necesario
utilizar aceite que sirve para retener el diamante en el
disco y como lubricante. La probeta debe sostenerse con
18
la mano sobre el paño, firmemente, pero la presión no de
be ser excesiva, durante aproximadamente 1 minuto. Luego
se lava bien la probeta y se ataca (nital o picral según
el caso). Este proceso se continúa por unas 3 ó 4 veces.
Después se pasa al paño que contiene 0,25 mieras y se
realiza el mismo proceso. Para micrografias sobre todo de
más de 800 x se debe hacer un pulido final con alúmina de
0.05 mieras, pero éste no debe ser muy largo pues existe
el peligro de que se dañen los nodulos.
Inicialmente se siguió el proceso tal cual lo recomienda
el Metals Handbook, sin embargo los resultados obtenidos
no fueron muy satisfactorios, pues aunque sa consiguió
preservar el grafito, la matriz quedaba muy rayada.
Después de varios ensayos, los mejores resultados se con
siguieron seguiendo las recomendaciones mencionadas ante
riormente, durante la etapa de desbaste y pulido grueso.
En lo que respecta a la parte final se eliminó el proceso
de ataque y pulido repetitivo, también se eliminó el paso
por el paño que contenia diamante de 0.25 mieras, es de -
cir, después de pulir con diamante de 1 miera se pasó a
alúmina de 0.05 mieras. También se observó que, si bien
la limpieza es importante siempre en el proceso de pulido.
19
en el caso de las fundiciones nodulares es necesario ser
muy estricto, y cuando se pasa de una etapa a otra, hay
que ser muy riguroso en el lavado de la probeta.
En lo que respecta al ataque, siempre se realizó con nital
2%, excepto en casos excepcionales, que después serán xese
nados.
Los resultados obtenidos en la observación metalográfica
aparecen en la Tabla # 5 , En ella se reseña el porcenta -
je de ferrita y perlita existente en la matriz, calculando
aproximadamente mediante observación microscópica, reali -
zando la observación a diferentes aumentos (lOOx, 200x ,
400x y 800x); asi mismo se reseña el tipo y el tamaño del
grafito. Esto se hace por comparación en las tablas De -
signación ASTMfc247. De acuerdo a las A.S.T.M. la obser -
vación se realizó a lOOx.
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23
1.7. TRACCIÓN
Hasta el momento se hicieron ensayos de tracción sobre
probetas en estado as-cast, (Ferriticas y Perlitoferríti-
cas) con el fin de conocer los esfuerzos y deformaciones
de interés en la caracterización del material.
1.7.1. Equipo
Se utilizó una prensa de 10 toneladas, marca VEB ZDIO. La
última fecha de calibración fué : Diciembre 16/78 y el
error obtenido fue del 0.5 % para la escala de 10 tonela
das, que es un porcentaje permisible por la especifica -
ción ASTM E 4-64 (6).
La escala de 10 toneladas tiene una resolución de 50 Kgs.
1.7.2. Probetas
Para el sitio de donde se sacó la probeta del bloque "Y"
y para las dimensiones de la misma, se siguieron las re -
comendaciones de la especificación ASTM A 536-71 (4).
Para caracterizar las fundiciones nodulares con matriz f¿
rritica, en estado as-cast, se hicieron ensayos de trac -
ción sobre 21 probetas (se descartan 4) correspondientes
24
a 12 composiciones químicas diferentes. Los resultados
obtenidos se clasifican en la tabla # 6.
En cuanto a las fundiciones nodulares con matriz perlito-
Ferrítica, no podemos hablar exactamente de su caracteri
zación, ya que los ensayos se hicieron sobre nueve probe
tas correspondientes a 7 composiciones y en las cuales
hubo que descartar 4 probetas, ya que presentaban defee -
tos como porosidades o porque su composición presenta co
bre en bastante porcentaje. Es asi como en propiedades
mecánicas de estas fundiciones de matriz perlito-ferriti-
cas sólo podemos darlas como una tendencia mostradas por
6 probetas de 7 composiciones diferentes. Para los resuj^
tados ver Tabla # 7.
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30
1.8. OBSE RVACIONE S
1°. El método del promedio aritmético y de los intervalos
de divergencia se utilizó en vista de que el número de en
sayos no era suficiente en el empleo de otro sistema esta
dístico de evaluación.
2**. De la Tabla # 7 se desprende como las probetas que
tienen defectos de fabricación (porosidades) también pre -
sentan valores bajos en sus propiedades mecánicas.
3°. Al realizar la observación metalográfica y la medición
de dureza, vemos que las coladas 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9,
10, 12 y 19 tienen matriz ferrítica y su dureza está entre
140 HB y 170 HB. Esto coincide con lo que trae el Gray and
Ductile (Ref. 7, pág. 241) para el grado 60-40-18, cuya ma
triz es ferrítica y su dureza está comprendida entre 149 HB
y 187 HB, según recomendación ASTM A-536-70.
Las coladas 11, 13, 15, 16, 17 y 18 presentaron matriz per-
lito-ferrítica y la dureza medida está entre 194 HB y 243
HB. Esto coincide según la recomendación ASTM-A-536-70 con
el grado 80-55-06, cuya matriz es perlito-ferritica y su
dureza está comprendida entre 187 HB y 255 HB.
4**. En cuanto a propiedades mecánicas, las coladas que
31
presentaron matriz ferrítica se ajustan al grado 60-40-18,
excepto la colada No. 4 que presentó grafito vermicular,
como resultado de demorar más de 10 minutos el vaciado, una
vez se le haya adicionado el magnesio para la nodulización.
Las coladas que presentaron matriz perlito-ferritica las
podemos asimilar al grado 80-55-06, aunque en realidad el
porcentaje de ductilidad que presentan es superior a 6 %,
pero sus valores de resistencia permiten asimilarlas a di -
cho grado.
5", Las coladas 14 y 20 presentan matriz perlítica pero a
su vez también presentan porcentajes de cobre de 0.4 %, lo
que hace que su composición química se salga del rango es -
tudiado. El cobre es un elemento perlitizante y se utiliza
en la fundición con este propósito en porcentajes superio -
res a 0.5 % dependiendo del espesor de la pieza. Posterior
mente analizaremos la influencia que ejerce este porcentaje
de cobre en las coladas 14 y 20 en los tratamientos térmi -
COS.