Determinación del comportamiento en fatiga y desgaste de un acero con bainita nanoestructurada libre de carburos en la capa carbo-austemperada y microestructura multifásica en el núcleo (2020)
RESUMEN: El carbo-austemperado se establece como una alternativa interesante para el reemplazo del tratamiento convencional de cementación, especialmente en aplicaciones que exigen alta estabilidad y confiabilidad contra el desgaste y la fatiga (ej., piñones, ruedas dentadas y ejes motorizados), esto gracias a las altas tensiones de comprensión que se alcanzan en la superficie. Además, a pesar de la alta dureza de la estructura bainítica de alto carbono, se logran mantener altos niveles de ductilidad. Por esta razón, esta tesis se enfocó en determinar el comportamiento en fatiga y desgaste de un acero fundido carbo-austemperado, de composición química base: 0.29C–1.87Si–0.55Mn– .92Cr (% masa), con nanobainita en la superficie carburada (0.76C % masa) y microestructura multifásica en el núcleo. En primer lugar, mediante ensayos dilatométricos se analizaron las cinéticas de transformación en la región austenítica y bainítica, con el objetivo de correlacionar la evolución microestructural con las condiciones de ciclo térmico utilizadas. A partir de lo cual, se establecieron dos temperaturas de austenización (Tγ) y tratamiento isotérmico (Tiso), 830ºC-900ºC y 250ºC-300ºC, respectivamente. Con la condición de austenización de 830ºC, se buscó no sólo aprovechar la estructura bainítica para fortalecer y endurecer la superficie del acero carburizado, sino que a partir del gradiente existente en carbono superficie/núcleo, introducir condiciones de austenización intercrítica en el núcleo, manteniendo austenización total en la superficie, ya que se presume que la microestructura multifásica que se podría desarrollar en el núcleo, puede mejorar el rendimiento en tensión y fatiga del acero carburado, sin afectar el comportamiento en desgaste. En segundo lugar, se estudiaron las propiedades mecánicas, con el objeto de profundizar en las relaciones microestructura-procesamiento-propiedades. En concreto, se realizaron ensayos de tracción, impacto y dureza sobre las muestras carbo-austemperadas y en condición cementada, como material de referencia. La combinación de estructuras bainíticas y multifásicas, en el acero carboaustemperado favoreció excelentes propiedades mecánicas, alta resistencia (1.1-1.4 GPa), buena ductilidad (8-10%) y alta dureza superficial (500-570HV10). Las estructuras bainíticas obtenidas en la superficie carburada, fueron esencialmente idénticas a las ampliamente caracterizadas en aceros nanobainíticos, compuesta por una matriz de placas nanométricas entrelazadas de ferrita bainítica (αb) y austenita retenida (γret), esta última en dos morfologías diferentes, como láminas entre las subunidades de αb y como bloques. Por su parte la microestructura del núcleo consistió en una mezcla de ferrita proeutectoide (α) + αb + martensita revenida (α´T) + γret, cuyas fracciones varían en función de Tiso y Tγ, resaltando la ausencia de α´ en la condición 830ºC/300ºC. Estos resultados, permitieron realizar un análisis de las relaciones entre el comportamiento mecánico frente a las variaciones microestructurales, producto de aplicar diferentes condiciones de tratamiento térmico, atendiendo de esta manera, la relación entre el aporte individual y/o cooperativo de cada uno de los microconstituyentes presentes, con las variables de proceso. Además, de las propiedades ya mencionadas, como tercer punto, se estudió el comportamiento frente a fenómenos de desgaste y fatiga. Se examinó el efecto de las condiciones de tratamiento térmico, Tγ/tγ y Tiso/tiso, sobre el comportamiento al desgaste en condiciones de rodadura/deslizamiento del acero fundido carbo-austemperado con estructura nanobainítica en la superficie. Los resultados mostraron que el daño por desgaste en aceros carbo-austemperados se debe principalmente a la fatiga de contacto, con un pequeño grado de abrasión y adhesión. Los aceros carbo-austemperados muestran una mejor resistencia al desgaste que los aceros carburizados-Q&T. Además, la tasa de desgaste específica en aceros carbo-austemperados fue menor a medida que disminuyó la Tiso. Los resultado se explican en términos de las diferencias microestructurales, el comportamiento de endurecimiento y la plasticidad de los materiales en estudio. Frente al comportamiento en fatiga, se estudiaron qué características microestructurales gobiernan la respuesta de los aceros fundidos carbo-austemperados en condiciones de flexión/rotación. Los resultados mostraron que el buen rendimiento en fatiga de estos materiales en comparación con la condición Q&T, puede explicarse en términos de las tensiones de compresión en la superficie, la eficiencia del efecto de achatamiento plástico en la punta de la grieta y en las características microestructurales de la fase bainítica. Además, las muestras nanobainíticas carbo-austemperadas mostraron un mejor rendimiento en fatiga a medida que la Tiso disminuye, lo que está relacionado con el aumento de las barreras microestructurales para la libre propagación de grietas en la etapa I, lo que conlleva a una trayectoria más corta para el libre deslizamiento de dislocaciones. Por último, cabe destacar que no parece haber un efecto de la Tγ en las tasas de desgaste y en la vida en fatiga de las muestras carbo-austemperadas, lo que sugiere que el tamaño de grano austenítico no juega un papel importante frente a estos fenómenos en aceros fundidos carbo-austemperados, lo que permite desarrollar microestructuras multifásicas en el núcleo, sin comprometer la resistencia en desgaste y fatiga de este tipo de materiales. De acuerdo con estas características, el acero fundido carbo-austemperado puede ser una tecnología de proceso primaria para obtener piezas semiterminadas o terminadas con geometrías complejas que requieren alta resistencia y tenacidad, que no pueden lograrse fácilmente mediante procesos de deformación plástica, como el laminado o la forja, por lo que el desarrollo de aceros fundidos carbo-austemperados es una forma de mejorar las aplicaciones potenciales de los aceros nanobainíticos.