LONSDALEITA

CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un aditivo para añadir a una masa de hierro fundido para producir hierro fundido con grafito esferoidal, un método para producir dicho aditivo, un método para producir hierro fundido con grafito esferoidal y artículos de hierro fundido con grafito esferoidal. Más específicamente, la presente invención se refiere a un aditivo eficaz para producir hierro fundido de alto rendimiento metálico, contracción cero durante su vaciado en molde, debido a su gran recuento de esferoides de grafito de forma de diamante hexagonal o lonsdaleita de conformidad con la clasificación de esferoide tipo I de la norma ASTM-A247.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

El hierro fundido se produce típicamente en cubilotes o en hornos inducción, y generalmente contiene 2 a 4% de carbono en peso. El carbono está íntimamente mezclado con el hierro y la forma que toma el carbono en el hierro fundido solidificado es muy importante para las características y propiedades de las piezas fundidas de hierro. Si el carbono toma la forma de carburo de hierro, entonces el hierro fundido se denomina como hierro fundido blanco o fundición blanca y tiene las características físicas de ser dura y quebradiza lo cual en ciertas aplicaciones es indeseable. Si el carbono toma la forma de grafito, el hierro fundido presenta diferentes rangos de propiedades mecánicas y plasticidades (como la maquinabilidad) y se clasifica como fundición gris, maleable, compacta, vermicular, dúctil, nodular y/o esferoidal.

El grafito o carbono libre puede presentarse en el hierro fundido en forma laminar, compacta, coralina, vermicular, nodular y/o esferoidal y en variaciones de las mismas. La forma esferoidal del grafito aporta mayor resistencia y ductilidad al hierro fundido.

La forma, tamaño, distribución y cantidad numérica que toma el grafito así como la cantidad de grafito en relación con la cantidad de carburo de hierro puede controlarse por medio de determinados aditivos que promueven la formación del grafito, antes o durante la solidificación del hierro fundido. Estos aditivos se denominan esferoid izantes, nodulizantes, activadores, afinadores de grano o inoculantes y su adicción a la fundición se realiza como una inoculación. En productos de hierro fundido, a partir de hierro en fundición líquido, siempre habrá formación de carburos de hierro. La formación de carburos de hierro en un producto de hierro fundido se evita o reduce mediante la adición de aditivos al hierro en fundición líquido. Estos aditivos son los nodulizantes y/o esferoid izantes y los inoculantes, activadores y/o afinadores de grano.

En la actualidad, el proceso de solidificación del hierro fundido pone en juego una serie de transformaciones de gran interés industrial, puesto que de ellas depende la formación del grafito, su morfología final y la estructura de la matriz metálica a temperatura ambiente. Características todas ellas que definen las propiedades mecánicas y la funcionalidad del material para su uso en piezas con elevados requerimientos.

En la etapa de solidificación, es habitual la formación de defectos de porosidad, densidad, volumen y nodularidad en el material asociados a la contracción y expansión volumétrica y metálica (macrorrechupes, rechupes, microrrechupes, así como deformaciones en los nodulos de grafito) que alteran negativamente el rendimiento metálico de la fundición y las propiedades mecánicas de las piezas de hierro fundido obtenidas.

La formación de defectos y de porosidad es especialmente crítico en el estado semisólido, en el que se producen insuficiencias de aporte de material líquido en las zonas de última solidificación. A medida que el cambio de estado avanza, el frente de solidificación debe ser alimentado constantemente con hierro en fundición líquido para evitar la formación de cavidades permanentes en el estado sólido. No obstante, a medida que se reduce la temperatura, la viscosidad del hierro en fundición líquido aumenta, disminuyendo de manera considerable la capacidad de éste para compensar el fenómeno de contracción; respecto a la nodularidad, esta se deteriora muy rápido (tiempo máximo de seguridad de 8 minutos desde reacción) generando nodulos heterogéneos en tipo, densidad y tamaño, generando líquidos contractivos y expansivos cíclicamente. Si bien estos defectos son hoy muy comunes en el mundo de la fundición, su incidencia continúa siendo uno de los principales problemas de calidad y rendimiento metálico de las fundiciones de hierro de la actualidad.

Los defectos ocurren debido a que los nodulos de grafito se van formando por crecimiento en la fase de solidificación del hierro, es decir, en la fase que va de contracción a expansión y viceversa del material, defectos que se propician porque el tamaño, forma, estructura y distribución del grafito nodular no son adecuados, propiciando en la actualidad rendimientos metálicos en la industria de fundición del orden del 50%. Por estas razones, resulta de gran interés producir piezas de hierro dúctil a partir del uso de aditivos que propicien bajo principios termodinámicos la formación de grafitos esferoidales, desde la fase líquida del hierro, mediante la precipitación de nodulos de grafito cristalino (lonsdaleita) en una zona de reacción peritéctica de alto carbono, o fusión incongruente del carbono, por lo que en la actualidad se hace uso de nodulizantes y/o de aditivos a base de magnesio combinado con metales de tierras raras, elementos básicamente cerio o lantano en su estado de tierras raras (RE, por sus siglas en inglés), metal de tierra rara (REM, por sus siglas en inglés), elementos de tierras raras (REE, por sus siglas en inglés), óxidos de tierras raras (REO, por sus siglas en inglés) y sus combinaciones; sin embargo la producción de esferoides de grafitos diamantino hexagonal Tipo I cristalino (lonsdaleita) es muy baja, presentando las piezas producidas con estos aditivos nodulos preferencialmente amorfos compuestos por grafito hexagonal en polvo Tipos I, II, III, IV, V, según la norma ASTM A-247, generando expansiones y contracciones considerables que limitan el rendimiento metálico, así como la formación de defectos internos y deficiencias nodulares estructurales, por lo que en esencia la formación de los nodulos estructuralmente amorfos de grafitos Tipo I, II, III, IV y V según ASTM A-247 se generan hasta hoy en la fase de solidificación a partir o por debajo de la temperatura eutéctica de ese metal.

Con base en lo anterior, existe la necesidad de proveer al baño metálico de hierro un aditivo esferoid izante que propicie un patrón adecuado de formación y precipitación de grafitos esferoidales durante el proceso de fundición (en fase líquida), que garantice que dichos grafitos esferoidales adquieran preponderantemente una forma de diamante hexagonal o lonsdaleita, iguales de conformidad con la clasificación tipo I y/o II de la norma ASTM-A247, para proveer piezas de hierro fundido con una densidad esferoidal superior y de adecuada distribución de grafitos esferoidales de diamante hexagonal o lonsdaleita, siempre dentro de una solidificación (cristalización del líquido) anti-eutéctica, o sea, derivada del eutéctico, para así prevenir los defectos de porosidades y/o rechupes, contracciones y/o expansiones volumétricas incrementando el rendimiento metálico de la fundición, y mejorando las características y propiedades físicas y mecánicas de las piezas de hierro fundido que son producidas.

SUMARIO DE LA INVENCIÓN

En vista de lo anteriormente descrito y con el propósito de dar solución a las limitantes encontradas, es objeto de la invención ofrecer un aditivo para tratar hierro en fundición que permite la separación, difusión, aglomeración, precipitación, esferoidización y/o cristalización del carbono combinado, solvatado y/o coloidal presente en el hierro liquido fundido a la forma de carbono libre (grafito) predominantemente como lonsdaleita en el hierro dúctil, generado este proceso por tratamiento termoquímico para producir hierro esferoidal, hierro dúctil, hierro nodular, hierro vermicular, hierro coralino y/o hierro gris de alto grado de propiedades mecánicas superiores a clase 50. El aditivo comprende: dos o más elementos en estado metálico seleccionados del bloque S del período 2 a 7 de la tabla periódica de los elementos; y dos o más elementos en estado metálico seleccionados del bloque F del período 6 a 7 de la tabla periódica de los elementos.

También es objeto de la presente invención ofrecer un método para producir un aditivo para tratar hierro en fundición que contiene carbono para producir hierro fundido con grafito esferoidal de forma de diamante hexagonal o lonsdaleita, el método incluye las etapas de (a) proporcionar dos o más elementos en estado metálico seleccionados del bloque S del período 2 a 7 de la tabla periódica de los elementos, y dos o más elementos en estado metálico seleccionados del bloque F del período 6 a 7 de la tabla periódica de los elementos; y (b) fundir, mezclar y/o unir los dos o más elementos en estado metálico seleccionados del bloque S con los dos o más elementos en estado metálico seleccionados del bloque F de la tabla periódica de los elementos.

Es también objeto de la presente invención ofrecer un uso de un aditivo de la presente invención en un proceso de fundición para tratar hierro en fundición que contiene carbono para producir hierro fundido con grafito esferoidal de forma de diamante hexagonal o lonsdaleita.

Otro objeto de la presente invención consiste en ofrecer un método para elaborar piezas de hierro fundido con grafito esferoidal de forma de diamante hexagonal o lonsdaleita, el método incluye las etapas de: (a) preparar una fundición de hierro líquido con carbono a partir de una carga metálica determinada; (b) reaccionar la fundición de hierro líquido con un aditivo a manera de agente esferoidizante previamente preparado y que comprende dos o más elementos en un estado metálico seleccionados del bloque S del período 2 a 7 de la tabla periódica de los elementos, y dos o más elementos en un estado metálico seleccionados del bloque F del período 6 a 7 de la tabla periódica de los elementos; (c) permitir la formación y precipitación de grafitos esferoidales en la fundición del hierro en fase líquida; (d) inocular la fundición de hierro con un aditivo a manera de activador y afinador de grano para nodulizar grafito del carbono remanente en la fundición de hierro después de la esferoidización primaria y estabilizar las fases micro estructurales, en donde el agente activador o afinador de grano comprende dos o más elementos en estado metálico seleccionados del bloque S del período 2 a 7 de la tabla periódica de los elementos, y dos o más elementos en estado metálico seleccionados del bloque F del período 6 a 7 de la tabla periódica de los elementos; y (e) vaciar en un molde la fundición de hierro. La producción de cualquier tipo de pieza de hierro fundido con este método proporciona rendimientos metálicos ¡guales o superiores al 75% (75% mínimo de Hight Yield, por su siglas en inglés), con base en la baja contracción lineal, volumétrica y/o metálica que es generada por el uso del aditivo de la presente invención, principio técnico denominado "contracción cero".

Finalmente, otro objeto de la invención es ofrecer una pieza de hierro fundido preparada de conformidad con el método para elaborar piezas de hierro con grafito esferoidal de la presente invención, la pieza de hierro fundido incluye elementos de contracción lantánida y elementos de contracción escandida en proporción estequiométrica de conformidad con el porcentaje del aditivo a manera de agente esferoidizante y del aditivo a manera de agente activador utilizados durante su preparación de la pieza de hierro fundido; al menos un 80% de presencia de grafitos esferoidales cristalinos de diamante hexagonal o lonsdaleita de conformidad con la clasificación de esferoide tipo I de la norma ASTM-A247; una densidad mínima de esferoides de grafito de 300 esferoides/mm ² ; y un tamaño de los esferoides de grafitos menor al número 4.

DESCRIPCIÓN BREVE DE LAS FIGURAS

Otras características de la presente invención serán evidentes a partir de la siguiente descripción detallada considerada en conexión con los dibujos adjuntos. Debe entenderse, sin embargo, que los dibujos están elaborados solamente como una ilustración y no como una definición limitativa de la invención, en los cuales:

Figura 1 muestra una fotografía de una realización de presentación del aditivo para tratar hierro en fundición de la presente invención;

Figura 2 muestra una realización de un árbol de horquillas de suspensión de automóvil moldeadas en molde de arena obtenido a partir del método para elaborar piezas de hierro fundido con grafito esferoidal de forma de diamante hexagonal o lonsdaleita de la presente invención;

Figura 3A es una microfotog rafia 100X de muestra metalográfica de una horquilla de suspensión de automóvil de la Figura 2, mostrando una distribución de grafitos tipo I cristalino (lonsdaleita) de conformidad con la presente invención; Figura 3B una microfotografía 1000X de la muestra metalográfica de una horquilla de suspensión de automóvil de la Figura 2 mostrando a detalle una estructura del grafito tipo I cristalino (lonsdaleita) presente de conformidad con la invención;

Figura 4 muestra una realización de un árbol de ruedas de uso ferroviario moldeadas en molde de arena obtenido a partir del método para elaborar piezas de hierro fundido con grafito esferoidal de forma de diamante hexagonal o lonsdaleita de la presente invención; y

Figura 5A es una microfotog rafia 100X de muestra metalográfica de una rueda de la Figura 4, mostrando una distribución de grafitos tipo I cristalino (lonsdaleita) de conformidad con la presente invención; Figura 5B una microfotografía 1000X de una muestra metalográfica de una rueda de la Figura 4 mostrando a detalle una estructura del grafito tipo I cristalino (lonsdaleita) presente de conformidad con la invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN

Los detalles característicos de la invención se describen en los párrafos siguientes, los cuales son con el propósito de definir al invento pero sin limitar el alcance de éste.

Bajo en contexto de la presente invención, el término "elemento en estado metálico" significa un elemento que constituye un metal (en el aditivo para tratar hierro en fundición de la presente invención) donde el "metal" bien puede ser alcalino, alcalino-terreo, de transición o de transición interna, reducido con una pureza de al menos del 85% de cada elemento en particular; el término "elemento en estado metálico" corresponde a un metal puro y que no incluye ningún compuesto que tenga un enlace iónico o enlace covalente, como un óxido, fluoruro, sulfuro, carbonato o nitruro del mismo. El elemento en estado metálico está incorporado o no en una aleación o un compuesto intermetálico, mineral o sintético que incluye su fase madre o solvente.

En el contexto de la presente invención, el término "contracción cero" significa contrarrestar la expansión grafitica generadas por el cambio de densidad (Gr/cc) entre el carbono combinado y/o el carburo de hierro contra la formación de grafito (hexagonal) o carbono libre dentro del hierro. Igualmente aplica a contrarrestar las contracciones y/o expansiones volumétricas producidas por el hierro en los cambios de fase de la materia en el proceso de transformación de fusión y/o solidificación.

En la presente descripción, el término "hierro fundido" significa hierro dúctil, hierro nodular, hierro esferoidal, hierro vermicular, hierro coralino, hierro globulizado, o hierro gris de altas propiedades mecánicas. En la presente descripción, el término "hierro dúctil" significa la tendencia y/o la presencia de la propiedad de elongación en un hierro de fundición a temperatura ambiente.

La composición de aditivo para tratar hierro en fundición que contiene carbono para producir hierro fundido con grafito esferoidal de acuerdo a la invención muestra compuestos que a su vez pudieran consistir de múltiples componentes.

Los compuestos son descritos individualmente a continuación, sin que necesariamente sean descritos en un orden de importancia.

ELEMENTOS DEL BLOQUE S DE LA TABLA PERIÓDICA

El aditivo para tratar hierro en fundición que contiene carbono para producir hierro fundido con grafito esferoidal de forma de diamante hexagonal o lonsdaleita, de la presente invención, contiene dos o más elementos en estado metálico seleccionados del bloque S del período 2 a 7 de la tabla periódica de los elementos, particularmente seleccionados del grupo IA, tales como litio, sodio, potasio y rubidio, y del grupo HA, tales como berilio, magnesio, calcio y bario.

Estos dos o más elementos en estado metálico se encuentran en una cantidad de 2% al 15% en peso del total del aditivo.

ELEMENTOS DEL BLOQUE F DE LA TABLA PERIÓDICA

El aditivo para tratar hierro en fundición que contiene carbono para producir hierro fundido con grafito esferoidal de forma de diamante hexagonal o lonsdaleita, de la presente invención, contiene dos o más elementos en estado metálico seleccionados del bloque F del período 6 a 7 de la tabla periódica de los elementos. Dentro del bloque F, periodo 6 se seleccionan de lantano, cerio, praseodimio y neodimio; y dentro del bloque F, periodo 7 se seleccionan de actinio, torio y protactinio.

Estos dos o más elementos en estado metálico se encuentran en una cantidad de 1% al 15% en peso del total del aditivo, siempre y cuando estén como mínimo cuatro elementos juntos en el aditivo, los dos del bloque S y los dos del bloque F: a. Se obtienen los mismos resultados cuando los dos elementos del bloque F (siempre sea sean mínimo dos) se encuentren cada un de los elementos en el porcentaje de 1% en peso mínimo.

b. Esto tiene una condición obligatoria y es siempre y cuando los otros dos elementos del aditivo (mínimo dos elementos correspondientes al bloque S) se mantengan en el mismo 2% en peso mínimo de concentración de cada elemento en el aditivo. La presente invención es la primera práctica que contempla el uso conjunto de dos elementos del bloque F (trabajando juntos) en este tipo de aplicación.

ELEMENTOS DEL BLOQUE P DE LA TABLA PERIÓDICA

El aditivo para tratar hierro en fundición que contiene carbono para producir hierro fundido con grafito esferoidal de forma de diamante hexagonal o lonsdaleita, de la presente invención, adicionalmente comprende elementos seleccionados del bloque P de la tabla periódica de los elementos, particularmente seleccionados del grupo IV A, tales como carbono y silicio, y del grupo VI A, tales como oxígeno y azufre.

Los elementos del bloque P del grupo IV A y/o del grupo VI A se pueden encontrar en una cantidad de 7% al 70% en peso del total del aditivo.

BASE, VEHÍCULO O SOLVENTE DEL ADITIVO

El aditivo para tratar hierro en fundición que contiene carbono para producir hierro fundido con grafito esferoidal de forma de diamante hexagonal o lonsdaleita, de la presente invención, puede ser utilizado en metalurgia, en la producción y fabricación de hierro dúctil, hierro nodular, hierro esferoidal, hierro vermicular, hierro coralino, hierro globulizado, y en la producción y fabricación de hierro gris de altas propiedades mecánicas (a partir de clase 50 Gray Iron) que se encuentran en las bases siguientes:

(a) Base metálica o metaloide:

• Bases o solvente constituidas por metales y/o metaloides, como por ejemplo: ferro-manganeso, ferro-silicio, que son aleados con los elementos en estado metálico del bloque S y bloque F de la tabla periódica de los elementos antes indicados, base que como solvente los contiene como solutos, bien sea en una relación sólido en sólido o sólido en soluble.

o Base o solvente de aleaciones metálicas y/o metaloides, que trabajan como vehículo de los elementos en estado metálico del bloque S y bloque F de la tabla periódica de los elementos antes indicados, esta base puede contener como base metálica y/o metaloide, cualquier nivel porcentual de un metaloide o metal con los correspondientes niveles de contaminantes metálicos y no metálicos asociados a la genética mineralógica (genética del área del mineral utilizado en la fabricación de la base o solvente) así como las impurezas resultantes de todos los demás componentes minerales utilizados en la fabricación de las base o solvente, tales como fundentes, reductores y demás inherentes del proceso propio de producción de dichas bases metálicas o metaloides.

o Base metálica y/o metaloide que como solvente puede contener en mezcla sólida en solución en fase o forma de metal y/o no metal, cualquier nivel porcentual en masa (peso) de impurezas y/o aleantes de los elementos tales como aluminio, azufre, bario, berilio, calcio, carbono, flúor, hierro, litio, magnesio, manganeso, potasio, rubidio, silicio, sodio; y la posible presencia de trazas, tales como sulfuros metálicos, oxígeno, óxidos metálicos, óxidos lantánidos, fluoruros lantánidos, sulfuros lantánidos y/o tierras raras propias del proceso de producción de dicha base metálica y/o metaloide.

(b) Base no metálica

• Base o solvente constituida por elementos (metales y/o no metales) en fase o forma no metálica, como por ejemplo: concreto, ladrillos prensados de minerales, plásticos, pastas sintéticas, que sirve de sustrato o sustento o solvente, donde han sido agregados y/o aglomerados, conteniendo los elementos en estado metálico del bloque S y bloque F de la tabla periódica de los elementos antes indicados dentro de esa base no metálica, en fase o mezcla sólida .

o Base no metálica, que como solvente puede contener en mezcla, en fase de metal y/o no metal, cualquier nivel porcentual en masa (peso) de impurezas y/o agregados de los elementos tales como aluminio, azufre, bario, berilio, calcio, carbono, flúor, hierro, litio, magnesio, manganeso, potasio, rubidio, silicio, sodio; y la posible presencia de trazas tales como sulfuros metálicos, oxígeno, óxidos metálicos, óxidos lantánidos, sulfuros lantánidos y/o tierras raras propias del proceso de producción de dicha base no metálica.

MODO DE PREPARACIÓN DEL ADITIVO DE LA INVENCIÓN

El aditivo para tratar hierro en fundición que contiene carbono para producir hierro fundido con grafito esferoidal de forma de diamante hexagonal o lonsdaleita, de la presente invención, pueden ser elaborado bien sea por uno, por varios o por la unión parcial de los procesos industriales siguientes:

1. Por reducción metálica, bien sea reducción directa, primaria y/o secundaria, en donde los elementos en un estado metálico seleccionados del bloque S y del bloque F de la tabla periódica pueden ser reducidos y/o metalizados en forma conjunta y/o separada.

2. Por fusión y/o fisión secundaria, en donde los elementos en un estado metálico seleccionados del bloque S y del bloque F de la tabla periódica pueden ser reducidos y/o metalizados en forma conjunta y/o separada.

3. Por ajuste de aleación conjunta y/o separada, bien sea en la fase de reducción directa, primaria y/o en la fase de reducción secundaria metálica; o en la fase posterior de fusión y/o fisión metálica secundaria, en donde los elementos en un estado metálico seleccionados del bloque S y del bloque F de la tabla periódica pueden ser reducidos, mezclados y/o metalizados en forma conjunta y/o separada.

4. Por mezcla mecánica de los elementos en un estado metálico seleccionados del bloque S y del bloque F de la tabla periódica en forma conjunta o separada, que pueden ser previamente reducidos, metalizados y/o fundidos de acuerdo a los proceso industriales 1, 2 y 3 antes indicados.

5. Por solvatación de aleaciones y/o por agregados de compuestos metálicos y/o no-metálicos conteniendo los elementos en un estado metálico seleccionados del bloque S y del bloque F de la tabla periódica, y obtenidos de acuerdo a los proceso industriales 1, 2 y 3 antes indicados.

6. Por mezcla mecánica de los diferentes compuestos metálicos con no metálicos, conteniendo los elementos en un estado metálico seleccionados del bloque S y del bloque F de la tabla periódica, y obtenidos de acuerdo a los proceso industriales 1, 2 y 3 antes indicados.

7. Por agregados metálicos y no metálicos, en forma de bloques, masas, pastas, alambres, hilos, encapsulados o agregados conteniendo los elementos en un estado metálico seleccionados del bloque S y del bloque F de la tabla periódica que hayan sido obtenidos de acuerdo a los proceso industriales 1, 2 y 3 antes indicados.

El aditivo de la presente invención, para su presentación como producto en el mercado, puede estar incorporado en polvos o granulados metálicos (como se ilustra en Figura 1), en polvos o granulados no metálicos, en polvos y/o granulados metálicos y no metálicos encapsulados o entubados en otro metal u otro tipo de material, en granulados metálicos y/o no metálicos, en agregados metálicos y/o no metálicos, en aleaciones sólidas metálicas o no metálicas en cualquier granulometría, en pastas de metales y/o no metales, en compuestos sintéticos en cualquier presentación y sus combinaciones.

MODO DE APLICACIÓN DEL ADITIVO EN FUNDICIÓN El aditivo de la presente invención puede ser utilizado en la producción y fabricación de hierro dúctil, hierro nodular, hierro esferoidal, hierro vermicular, hierro coralino, hierro globulizado o hierro gris de altas propiedades mecánicas. El aditivo de la presente invención actúa como:

a) Un agente esferoid izante del carbono libre (grafito), mediante la manipulación termodinámica del hierro líquido, generando un esferoide en la forma específica de diamante hexagonal o lonsdaleita, que ha sido clasificado como un esferoide tipo I y II según ASTM-A247 en las fundiciones de hierro dúctil conocido también como hierro nodular.

b) Un agente retenedor de coralinoides del carbono libre en su forma alotrópica de grafito hexagonal amorfo, semicristalino y/o cristalino, mediante la segregación conjunta de cúmulos grafiticos, trombas grafiticas y/o mangas grafiticas que termodinámicamente forman meso ciclones grafiticos. Estas aglomeraciones de grafito se agrupan, bien sea en vermiculas de grafito hexagonal, coralinas pétreas de grafito hexagonal, ventosas amorfas de grafito hexagonal, lonsdaleitas de grafito diamantino hexagonal y/o la mezcla mancomunada presentando los tipos I, II, III, IV, V y VII de conformidad con la norma ASTM- A247 como formas de aglomeración del carbono libre que están presentes como grafito hexagonal dentro del hierro producido.

c) Un agente inhibidor y moderador del crecimiento longitudinal de la lámina de grafito hexagonal y como recrecedores de la lámina de grafito hexagonal en su plano axial (grafito laminar) tipo VII de conformidad con la norma ASTM-A247 en las fundiciones de hierro gris de altas propiedades mecánicas con distribución tipo A, B y C.

d) Un agente activador genético, como aportadores de energía libre al baño metálico, como sostenedores isotérmicos, como pasivadores iónicos, como moderadores del carbón combinado y/o como afinadores de grano austenitico; que viene a controlar la segregación, el sostenimiento y la difusión del carbono combinado dentro de las fases estructurales cristalinas (matriz) que van a estar presentes en las fundiciones de hierro solidificado.

Con base en lo anterior, la presente invención también es un método para producción de hierro fundido bajo la práctica de alto rendimiento metálico para elaborar piezas que requieren una alta rentabilidad lograda a través de un alto rendimiento metálico (Hight Yield por su nombre en inglés) y un alto rendimiento de molde, por consiguiente se desea cristalizar una gran cantidad de grafito esferoidal en forma de diamante hexagonal o lonsdaleita de conformidad con la clasificación de esferoide tipo I y II de la norma ASTM-A247 en la fase líquida de la fundición de hierro, por lo tanto a la fundición de hierro se le debe hacer reaccionar e inocular el aditivo de la presente invención a manera de agente esferoidizante y/o agente activador o afinador de grano, respectivamente. Es por tanto que el método para elaborar piezas de hierro fundido de contracción cero y con grafito esferoidal, contempla las etapas de: (a) preparar una fundición de hierro con carbono a partir de una carga metálica determinada; (b) reaccionar la fundición de hierro con un aditivo a manera de agente esferoidizante de la presente invención; (c) permitir mediante una reacción termoquímica la formación y precipitación de grafitos esferoidales en la fundición del hierro en fase líquida; (d) inocular la fundición de hierro con un aditivo a manera de agente activador o afinador de grano de la presente invención para nodulizar grafito remanente a partir del carbono remanente y retener solo el carbono combinado requerido dentro de las fases estructurales en esa fundición de hierro; y vaciar el metal fundido en un molde con una relación mínima de 750 kilos de piezas por tonelada métrica de fundición de hierro tratado y vaciado.

El aditivo a manera de agente esferoidizante y el aditivo a manera de agente activador o afinador de grano de la presente invención comprenden dos o más elementos en estado metálico seleccionados del bloque S del período 2 a 7 de la tabla periódica de los elementos, y dos o más elementos en estado metálico seleccionados del bloque F del período 6 a 7 de la tabla periódica de los elementos.

La fundición de hierro con carbono se prepara en cualquier equipo de fusión de hierro, con una temperatura mínima de 1350 °C y una temperatura máxima recomendada de 1500 °C, con hierro metálico, chatarra de acero y/o de fundición, ajustando la composición química a los valores normales recomendados de carbono, silicio y los elementos de aleación tales como manganeso, cromo, entre otros; que sean necesarios en función del grado recomendado para dicha aleación de fundición de hierro. Este baño metálico es posteriormente esferoidizado e inoculado con los aditivos de la presente invención.

El aditivo a manera de agente esferoidizante puede ser de múltiples bases tales como ferro-silicio, ferro-manganeso, briquetas metálicas, reducidas y/o no metálicas, concreto, cerámicos, masas metálicas, alambres, hilos metálicos rellenos, encapsulados, plásticos, etc. y se agrega o se incorpora a la fundición de hierro por medio de cualquier método de inoculación siempre dentro del metal líquido a ser esferoidizado y/o activado.

El aditivo a manera de agente activador y/o afinador de grano puede ser de múltiples bases tales como ferro-silicio, ferro-manganeso, briquetas metálicas, reducidas y/o no metálicas, concreto, cerámicos, masas metálicas, alambres, hilos metálicos rellenos, encapsulados, plásticos, entre otros, y se agrega o se incorpora a la fundición de hierro por medio de cualquier método de inoculación que garantice que siempre llegará a estar en contacto y dentro del metal líquido a ser inoculado y/o activado.

El aditivo a manera de agente esferoid izante se agrega en una cantidad desde 0.40% hasta 1.50% del aditivo en peso sobre el metal líquido a ser tratado o esferoidizado; mientras que el aditivo a manera de agente activador o afinador de grano se agrega en una cantidad desde 0.10% hasta 1.0% en peso o en proporción sobre el metal liquido de hierro a ser inoculado.

RENDIMIENDO EN FUNDICIÓN Y PIEZAS DE HIERRO FUNDIDO PRODUCIDO

Las piezas de hierro fundido obtenidas de conformidad con el método para elaborar piezas de hierro fundido de contracción cero y con grafito esferoidal de forma de diamante hexagonal o lonsdaleita de la presente invención, muestran una microestructura con grafitos esferoidales de diamante hexagonal o lonsdaleita en el rango mínimo de 300 esferoides/mm ² , siendo el tamaño de los grafitos menor a 4 y una distribución de los grafitos en forma tipo I y II en un 80% mínimo. Estos parámetros de densidad, tamaño y distribución han sido medidos de conformidad con lo establecido en la norma ASTM A-247.

Asimismo, las piezas de hierro fundido obtenidas de conformidad con el método para elaborar piezas de hierro fundido de contracción cero y con grafito esferoidal de forma de diamante hexagonal o lonsdaleita de la presente invención, presentan en su composición química elementos de contracción lantánida y elementos de contracción escandida que se originan de las reacciones de los elementos en estado metálico seleccionados del bloque F del período 6 a 7 de la tabla periódica de los elementos contenidos en los aditivos de la presente invención utilizados en el método de la presente invención con el que fueron elaboradas. El contenido de estos elementos de contracción lantánida y elementos de contracción escandida obedecen a la relación estequiométrica en peso del aditivo utilizado.

El hecho que durante el método para elaborar piezas de hierro fundido de contracción cero y con grafito esferoidal de forma de diamante hexagonal o lonsdaleita de la presente invención se formen y precipiten los grafitos esferoidales de diamante hexagonal o lonsdaleita de conformidad con la clasificación de esferoide tipo I y II de la norma ASTM-A247, permite obtener un alto rendimiento metálico entre 55% y 95%, preferentemente entre 75% y 95%, en comparación con los métodos de fundición tradicionales que en todos los procesos industriales existentes que rondan entre 45% y 55% de rendimiento metálico típico promedio, con productividades operativas entre 41% y 50% típicos promedios. Estos altos rendimientos metálicos se logran por el efecto técnico de contracción cero provocado por la alta concentración de grafitos esferoidales de diamante hexagonal o lonsdaleita formados, dando origen a que se compense la expansión grafitica y la contracción metálica por efecto de una densidad operativa estable definida como "calidad metalúrgica" y por una viscosidad menor del líquido al ser vaciado.

EJEMPLOS DE REALIZACIÓN DE LA INVENCIÓN

La invención ahora será descrita con respecto a los ejemplos siguientes, los cuales son únicamente con el propósito de representar la manera de llevar a cabo la implementación de los principios del invento. Los ejemplos siguientes no intentan ser una representación exhaustiva de la invención, ni intentan limitar el alcance de ésta.

PREPARCIÓN DE EJEMPLOS DE ADITIVOS DE LA INVENCIÓN

Se prepararon doce aditivos que actúan como agentes esferoid izantes de composiciones químicas de ejemplos 1 a 12 de conformidad con la presente invención y cuya composición en % peso se muestra en Tabla 1.

Tabla 1

Asimismo, se prepararon otros doce aditivos que actúan como agentes esferoidizantes de composiciones químicas de ejemplos 13 a 24 de conformidad con la presente invención y cuya composición en % peso se muestra en Tabla 2.

Tabla 2

Por otro lado, se prepararon doce aditivos que actúan como agentes activadores o afinadores de grano de composiciones químicas de ejemplos 25 a 36 de conformidad con la presente invención y cuya composición en % peso se muestra en Tabla 3.

Tabla 3

Asimismo, se prepararon otros doce aditivos que actúan como agentes activadores o afinadores de grano de composiciones químicas de ejemplos 37 a 48 de conformidad con la presente invención y cuya composición en % peso se muestra en Tabla 4.

Tabla 4

PREPARACIÓN DE HIERRO NODULAR AUTOMOTRIZ GRADO ASTM D-654512

Se preparó una fundición de hierro con 3.70% de peso en carbono, a partir de una carga metálica de 1,500 kg constituida de 30% de hierro de retorno y 70% de lámina de acero, a una temperatura de fusión de 1,480 °C. Se hace reaccionar la fundición de hierro a una temperatura de 1,480 °C en un caldero de reacción conteniendo el aditivo a manera de agente esferoid izante del Ejemplo 10 de la Tabla 1, en una cantidad de 10.5 kg, permitiendo la formación y precipitación de grafitos esferoidales en la fundición del hierro en fase líquida durante 45 segundos de reacción; posteriormente se inoculó a la fundición de hierro el aditivo a manera de agente activador o afinador de grano del Ejemplo 34 de la Tabla 3 en una cantidad de 2.25 kg en forma granular; luego se vaciaron 180.5 kg de la fundición de hierro en un molde de arena verde para moldear 10 horquillas de suspensión de automóvil (como se ¡lustra en Figura 2), cada una de las horquillas de suspensión requiriendo 15.52 kg de hierro fundido, dando un total de 155.20 kg de hierro fundido requerido para el total de horquillas de suspensión, representando el total de horquillas de suspensión obtenidas un rendimiento metálico de 85.98% respecto del total de hierro fundido bruto vaciado (180.5 kg); finalmente se sometieron a enfriamiento normal por 1 hora y se retiraron las horquillas de suspensión de hierro fundido del molde de arena.

Se tomó una muestra de las piezas de hierro fundido antes obtenidas para un análisis metalográfico consistente básicamente en corte, pulido y vista en microscopio, observándose, a un aumento de 100X, grafito tipo I cristalino (lonsdaleita) en un 100% con tamaño 6 y una densidad esferoidal de 480 esferoides/mm ² (como se ¡lustra en Figura 3A); mientras que a un aumento de 1000X se observa lonsdaleita constituida por esferoide cristalino de grafito (como se ¡lustra en Figura 3B). PREPARACIÓN DE HIERRO NODULAR FERROVIARIO GRADO ASTM D-805506

Se preparó una fundición de hierro con 3.85% de peso en carbono, a partir de una carga metálica de 3,500 kg constituida de 40% de retorno, 55% de lámina de acero y 5% de arrabio, a una temperatura de fusión de 1,500 °C. Se hace reaccionar la fundición de hierro a una temperatura de 1,450 °C en un caldero de reacción conteniendo el aditivo a manera de agente esferoid izante del Ejemplo 22 de la Tabla 2, en una cantidad de 35 kg, permitiendo la formación y precipitación de grafitos esferoidales en la fundición del hierro en fase líquida durante 56 segundos de reacción; posteriormente se inoculó a la fundición de hierro el aditivo a manera de agente activador o afinador de grano del Ejemplo 45 de la Tabla 4 en una cantidad de 5.25 kg en forma granular; luego se vaciaron 218.75 kg de la fundición de hierro en un molde de arena de 60 ruedas (como se ¡lustra en Figura 4), cada una de las ruedas requiriendo 3.5 kg de hierro fundido, dando un total de 210 kg de hierro fundido requerido para el total de las ruedas, representando el total de ruedas obtenidas un rendimiento metálico de 96% respecto del total de hierro fundido bruto vaciado (218.75 kg); finalmente se sometieron a enfriamiento normal por 1 hora y se retiraron las ruedas de hierro fundido del molde arena.

Se tomó una muestra de las piezas de hierro fundido antes obtenidas para un análisis metalográfico consistente básicamente en corte, pulido y vista en microscopio, observándose, a un aumento de 100X, grafito tipo I cristalino (lonsdaleita) en un 100% con tamaño 6 a 7 y una densidad esferoidal de 520 esferoides/mm ² (como se ¡lustra en Figura 5A); mientras que a un aumento de 1000X se observa lonsdaleita constituida por esferoide cristalino de grafito (como se ¡lustra en Figura 5B).

Con base en las realizaciones descritas anteriormente, se contempla que las modificaciones a estas realizaciones descritas, así como las realizaciones alternativas serán consideradas evidentes para una persona experta en el arte de la técnica bajo la presente descripción. Es por lo tanto, contemplado que las reivindicaciones abarcan dichas realizaciones alternativas que estén dentro del alcance del presente invento o sus equivalentes.