Caracterización de la Microestructura de Piezas en Fundición Compacta (CGI) Mediante Métodos No Destructivos.

S. López de Echazarreta(1), J. M. Pintor(2), X. Remírez(2), R. Irigoyen(1), A. Muez(1)

(1)V. Luzuriaga – Tafalla, Ctra. Zaragoza s/n 31300 Tafalla (España), 948 700 250,  sechazar@vluzuriaga.es

(2) Universidad Pública de Navarra, Dpto. Ingeniería Mecánica, Energética y de  Materiales, Campus Arrosadía s/n, 31006 Pamplona (España)

ResumenEl   desarrollo   de   los   sistemas   de   inyección   directa   ha   logrado   reducir   las   emisiones contaminantes, y mejorar las prestaciones de los motores diesel. Pero para lograrlo se ha aumentado la presión máxima de trabajo y la densidad de potencia (potencia/cilindrada) [1].Este aumento de las presiones de trabajo ha impulsado el estudio y utilización de nuevos materiales que, como la fundición de grafito compacto (Compacted Graphite Iron, CGI), son capaces de soportar mayores esfuerzos mecánicos y térmicos.Ahora bien, para asegurar las propiedades de la fundición CGI (Compacted Graphite Iron) se necesita controlar la microestructura (nodularidad dentro del rango 0­20%). El objetivo del estudio es la caracterización de la microestructura de bloques de motor en fundición CGI fabricados en  la   fundición V.  Luzuriaga­Tafalla.  Para  ello,   se ha analizado,  sobre muestras tomadas de distintas zonas de un bloque de motor en fundición CGI, la validez de tres técnicas no destructivas: ultrasonidos, análisis modal y método QUASARTM (QRF).

Palabras Clave: fundición CGI, bloque de motor, ultrasonidos, análisis modal, QUASAR.

Abstract The latest developments in direct injection systems have reduced emissions and improved performance  of  diesel  engines.  But  to  achieve  those improvements an increase  in peak firing pressure and power density (power/capacity) have been required.New materials as Compacted Graphite Iron (CGI), which can stand higher mechanical and thermal   requirements,  are  needed.  However,   to  assure   the  CGI  castings’  properties   the nodularity range must be kept between 0 to 20 %.The goal of this project is to characterize the microstructure of CGI engine blocks cast in V. Luzuriaga­Tafalla   foundry.   Three   non­destructive   techniques   have   been   evaluated: ultrasonic, modal analysis and QUASARTM  method (QRF). The samples measured were taken from CGI engine blocks. 

Keywords: CGI, engine block, ultrasonic, modal analysis, QUASAR.

1. Introducción

El trabajo recogido parcialmente en este artículo está   integrado en un proyecto más 

ambicioso  de   la   fundición V.  Luzuriaga   ­  Tafalla  para   la   fabricación de  bloques  y 

culatas en fundición CGI. V. Luzuriaga­ Tafalla (VLT) es una fundición dedicada a la 

fabricación de bloques y culatas en fundición gris, para aplicaciones industriales y del 

sector de automóvil. VLT fabrica más de 80.000 toneladas anuales para clientes como 

Renault, PSA, Opel, VM Motori, John Deere, Perkins, Volvo Penta, etc.

La   fundición   CGI   posee   una   microestructura   específica   que   le   dota   de   peculiares 

características mecánicas y térmicas. Esta microestructura se caracteriza por la forma 

del grafito, vermicular en 2D, que realmente es una estructura coralina continua en 3D, 

ver Figura 1, embebida en una matriz ferritica/perlitica [3].

Figura 1. Fundición CGI.

Así, las propiedades de la fundición CGI se encuentran entre las de la fundición gris y 

nodular [1], ver Tabla 1. Propiedades físicas y mecánicas que son función de la forma 

del grafito y de la relación perlita/ferrita, ver Figura 2.

Tabla 1. Propiedades típicas de fundiciones perlíticas gris, compacta (CGI) y nodular.

Propiedad Gris CGI NodularLimite a Rotura (MPa) 250 450 750Módulo Elástico (MPa) 105 145 160Elongación (%) 0 1.5 5Conductividad Térmica (W/mK) 48 37 28

Capacidad de Amortiguamiento Relativo 1 0.35 0.22Dureza (HB 10/300) 179­202 217­241 217­255Límite a fatiga rotatoria (MPa) 110 200 250

Figura 2. Límite a rotura y Módulo de Young en función de la nodularidad.

Como se muestra en la figura 2, la resistencia a la tracción y el módulo elástico en las 

fundiciones  CGI aumenta con valores de nodularidad más  altos,  pero disminuye su 

maquinabilidad.   Por   el   lado   izquierdo,   al   formarse   grafito   laminar   (nodularidades 

negativas)   las   propiedades   mecánicas   disminuyen   drásticamente.   Debido   a   esto,   el 

grafito laminar es inadmisible en la fundición CGI. En este contexto, la necesidad de 

controlar la microestructura (especialmente mantener la nodularidad en el rango 0­20%) 

de las piezas producidas en fundición CGI es la que nos lleva a investigar, desarrollar y 

tratar de validar métodos de evaluación de la microestructura de fundiciones de hierro.

El objetivo principal del trabajo es por ello la caracterización de la microestructura de la 

producción de bloques de motor en fundición de grafito compacto (CGI) mediante el 

empleo técnicas de ensayo no destructivas. Además, se han perseguido otros objetivos:

Evaluar   la   capacidad   de   las   técnicas   de   trabajar   sobre   piezas   con   acabado   de 

fundición y en condiciones de producción (vibraciones, polvo, mantenimiento, etc.).

Cuantificar el nivel de calibrado, puesta a punto y mantenimiento de las mismas.

Ver   el   grado   de   resolución   de   las   distintas   técnicas;   entendiendo   como   tal   la 

capacidad de discernir entre distintas nodularidades y porcentajes de ferrita/perlita.

2. Procedimiento experimental

Se han estudiado tres técnicas de ensayo no destructivas: Ultrasonidos, Análisis modal y 

Quasar resonant frecuency (QRFTM);  para analizar su capacidad de evaluación sobre 

muestras en fundición CGI tomadas de distintas zonas de un bloque de motor (criticas 

para   su   funcionamiento):  entre  cilindros,  culata,  bajo   la   lámina y   los  cojinetes,  ver 

Figura 3. De referencia, se tomaron los resultados obtenidos de la evaluación tradicional 

de la microestructura mediante microscopio y de la simulación con MAGMASoftTM.

  

Figura 3. Simulación con MAGMASoftTM  del componente objeto de estudio, zonas de  

estudio y muestras tomadas.

Los   parámetros   medidos   para   evaluar   la   microestructura   fueron:   el   porcentaje   de 

nódulos (% nodularidad) y el número de partículas > 10 µm.

La   caracterización   de   fundiciones   mediante  ultrasonidos  toma   ventaja   de   las 

interacciones elásticas e inelásticas entre las ondas de sonido y la microestructura. La 

medida   indirecta   de   la   morfología   del   grafito   es   posible   mediante   la   medida   con 

ultrasonidos de la velocidad de propagación longitudinal (VL); parámetro relacionado 

con las propiedades mecánicas del material a través de la siguiente ecuación

)21()1()1(

ννν

ρ −⋅+−⋅= EVL (1)

De   forma   paralela,   aplicando   las   técnicas   de  Análisis   Modal   Experimental  se 

obtuvieron   las  dos  primeras   frecuencias  naturales  de  vibración  de  cada  una  de   las 

WPWP

HFHF

BEBE

muestras. Correlando estos resultados con los obtenidos a su vez de un modelo virtual, 

desarrollado   por   elementos   finitos,   de   las   muestras   se   dedujeron   las   propiedades 

mecánicas (E, G, ν, etc.).

Por último, se aplicó también el método QRFTM, basado en el cálculo de la matriz de 

las constantes elásticas del material (Cij), a partir de la respuesta en frecuencia de las 

muestras. Posteriormente, las propiedades del material se deducen a partir de dichas 

constantes elásticas mediante las expresiones siguientes.

))4411(2

11441(442CC

CCCE+×

−+××= ,   C44 G = ,   ρ11CVL = (2)

3. Resultados y valoración de los mismos.

En este resumen, se presenta un breve extracto de algunos de los resultados obtenidos y 

deducidos de los ensayos realizados. Velocidades de Propagación Longitudinal

5.050

5.150

5.250

5.350

5.450

Nº 1Mod12

Nº 12Mod12

Nº 41Mod11

Nº 41Mod12

Nº 42Mod11

Nº 42Mod12

Nº 43Mod11

Nº 43Mod12

Nº 44Mod11

Nº 44Mod12

Nº 45Mod11

Nº 45Mod12

Nº 46Mod12

Velo

cida

d (m

/s)

Datos Bloques CGI Gris 0 % Nodularidad 33 % Nodularidad 80 % Nodularidad

Figura 4. Resultados medida ultrasonidos, velocidad propagación longitudinal bloques CGI.

42.750 43.250 43.750 44.250 44.750 45.250Frecuencia (Hz)

PSV 

(mm

rms/

s) 

Bloque Nº1 Cojinete

Bloque Nº12 Cojinete

Figura 5. Resultado análisis modal muestras cojinete bloques Nº1 y Nº12.

Sam ple # Descript ionC1 1

( Gpa)C4 4

( Gpa)

Young's Modulus

( Gpa)

Shear Modulus

( Gpa)

Bulk Modulus

( Gpa)

Poisson's Rat io

Vel Prop Long

( m / s)

Vel Prop Trans ( m / s)

Q21 # 41, Mod 11, Pos2,Bearings 199,92 60,26 154,78 60,26 119,60 0,2843 5.250 2.882Q20 # 41, Mod 11, Pos2,BtwCyls,HF 199,21 60,78 155,65 60,78 118,20 0,2805 5.256 2.903Q22 # 41, Mod 11, Pos2,BtwCyls,WP 202,06 61,06 156,74 61,06 120,60 0,2835 5.297 2.912

Q11 # 43, Mod 11, Pos2,Bearings 193,12 59,85 152,67 59,85 113,30 0,2755 5.179 2.883Q14 # 43, Mod 11, Pos2,BtwCyls,HF 197,49 60,81 155,37 60,81 116,40 0,2775 5.231 2.903Q10 # 43, Mod 11, Pos2,BtwCyls,WP 199,95 60,95 156,12 60,95 118,70 0,2808 5.264 2.906

Q9 # 43, Mod 12, Pos2,Bearings 193,43 59,65 152,35 59,65 113,90 0,2771 5.194 2.885Q7 # 43, Mod 12, Pos2,BtwCyls,HF 196,59 60,53 154,66 60,53 115,88 0,2776 5.243 2.909Q8 # 43, Mod 12, Pos2,BtwCyls,WP 200,68 60,61 155,60 60,61 119,87 0,2836 5.298 2.912

Bloque Nº41 Mod11

Figura 6. Resultados constantes elásticas muestras CGI, medidos mediante QRF.

4. Conclusiones

Las muestras ensayadas han permitido validar adecuadamente la repetitividad de las 

medidas pero no han ayudado a la hora de establecer las tendencias de los parámetros 

con la variación de la microestructura.

Los tres métodos no destructivos empleados se mostraron capaces a la hora de detectar 

y   valorar   las   muestras   de   fundición   CGI.   Pero   la   variabilidad   en   los   resultados 

obtenidos hace que los métodos estudiados, tal y como se han realizado los ensayos, 

sean incapaces de determinar el grado de Nodularidad de las muestras con la necesaria 

precisión.

Pese   a   todo,   la   caracterización   tradicional   mediante   microscopio   tampoco   resulta 

adecuada como parámetro de comparación frente a otras variables. 

La   alta   variabilidad   en   los   resultados   obtenidos   del   Análisis   Modal   el   debido   a 

limitaciones del planteamiento experimental llevado a cabo; sin embargo, el estudio de 

frecuencias propias parece fiable y prometedor para este tipo de aplicaciones técnicas.

Desde la perspectiva de la búsqueda de una aplicación en planta, parece imprescindible 

el empleo conjunto de varias de las técnicas empleadas. A priori, el uso combinado de 

ultrasonidos y Análisis Modal o QRF podría aportar una solución completa y eficaz al 

problema.

En cualquier caso, la aplicación generalizado y de forma no destructiva de las citadas 

técnicas sobre un bloque de motor, y no sobre muestras extraídas del mismo, presenta 

numerosas dificultades por su complejidad geométrica a resolver en futuros trabajos.

5. Agradecimientos

Los autores agradecen la colaboración encontrada a la hora de realizar el trabajo en la 

Univ. Pública de Navarra, QUASAR International, Sintercast y V. Luzuriaga­Tafalla.

6. Referencias

1. S.   Dawson,   T.   Schroeder,   Compacted   Graphite   Iron:   A   Viable   Alternative, 

Engineering Casting Solutions AFS, 2000.

2. S. Dawson, Process Control for the Production of Compacted Graphite Iron, 102nd 

AFS Casting Congress, Atlanta, 1998.

3. S.   Dawson,   Compacted   Graphite   Iron:   Mechanical   and   Physical   Properties   for 

Engine Design, Materials in Power Train VDI, Dresden, 1999.

4. SAE J1887, Automotive Compacted Graphite Iron Castings, 2002.

5. C.H.   Gür,   B.   Aydinmakina,   Ultrasonic   Investigation   of   Graphite   Nodularity   in 

Ductile Cast Irons, 2001.

6. Ru Spec User’s Manual, Quasar International Inc, Alburquerque, 2003.