Relación entre la microestructura y las propiedades mecánicas en un acero fundido con estructura bainítica libre de carburos

Abstract

RESUMEN: El desarrollo de nuevos materiales, especialmente en los aceros, está enfocado en la mejora de sus propiedades mecánicas a partir de una optimización en su microestructura, principalmente como resultado del manejo de elementos de aleación y tratamientos térmicos que, en conjunto, logren estructuras que ofrezcan prestaciones superiores en su desempeño. Dentro de este nuevo grupo de aleaciones, los aceros bainíticos nanoestructurados libres de carburos, se presentan como un material promisorio, ya que entregan propiedades mecánicas superiores, que combinan una alta resistencia mecánica y tenacidad con una buena ductilidad, propiedades que en aceros convencionales normalmente se encuentran no relacionadas. Uno de los inconvenientes que se encuentran para darle una mayor utilización a este tipo de materiales radica en lo prolongado de las etapas de tratamiento isotérmico necesarias para la obtención de las fases microestructurales que le confieren sus propiedades, además del hecho de que no ha sido muy estudiado este tipo de tratamientos en aceros fundidos, debido a que su desarrollo y principal uso ha estado enfocado en aumentar propiedades mecánicas de elementos estructurales usados en el área automotriz. Estas piezas son fabricadas normalmente de secciones laminadas, las cuales presentan características microestructurales propias del proceso de conformación plástica posterior a la fundición del material como lo es el refinamiento del tamaño de grano, el cual se considera fundamental para la nucleación y crecimiento de la ferrita bainítica además de la eliminación de porosidades y defectos que pueden ser perjudiciales para el material. Dentro de las opciones que se tienen para disminuir los tiempos de tratamiento está el aumento de la temperatura de tratamiento isotérmico, lo que trae como consecuencia un aumento en el tamaño de las placas de ferrita bainítica y austenita retenida, con la consecuente disminución de la resistencia mecánica. En este estudio se evaluó el comportamiento mecánico de un acero fundido tratado isotérmicamente en la región bainítica a dos temperaturas, 250°C y 300°C y tres tiempos para cada una, 2, 4 y 8 horas para la temperatura de 250°C y 1, 2 y 4 horas para la temperatura de 300°C. Los resultados son comparados con los obtenidos mediante el tratamiento hecho en materiales laminados que son los que comúnmente se emplean en la industria masivamente. Se estudiaron los efectos producidos por los parámetros de tratamiento como tiempo y temperatura sobre la evolución de la microestructura y su efecto en el comportamiento mecánico del material. Parámetros como dureza, energía absorbida en impacto charpy, esfuerzo máximo de tensión, esfuerzo de cedencia y elongación, fueron relacionados con los aspectos microestructurales mostrados por el material. Los aceros bainíticos libres de carburos fundidos obtenidos presentaron durezas entre 51 y 55 HRC, energías de impacto Charpy entre 7 y 18 J, UTS entre 1449-1917Mpa, YS entre 1394MPa y 1859MPa y alargamientos entre 1.72% y 9.32% con tiempos de tratamiento óptimos relativamente cortos, que van de una hora para la temperatura de tratamiento de 300o C y de 4 horas para la temperatura de 250o C. Estas propiedades son excepcionales para un acero fundido y son comparables con las que se obtienen en aceros bainíticos libres de carburos producidos a partir de materiales laminados con tiempos de transformación mucho mayores, lo cual abre un potencial de aplicación para la fabricación de piezas de acero fundidas sometida a condiciones extremas de carga mecánica. Además, se pudo determinar que los factores más influyentes en la variación de las propiedades son el porcentaje de austenita retenida y ferrita bainítica junto con la variación del carbono en la austenita.