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

Abstract

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.

ABSTRACT: Carbo-austempered steels are established as an exciting alternative for the replacement of conventional carburized quenched and tempered (carburized-Q&T) steels, especially in applications demanding high stability and reliability against wear and fatigue (e.g., pinions, gear wheels and power shafts), thanks to the high compressive stresses formed on the surface. Also, even at high hardness, a high carbon bainitic case remains ductile. For this reason, this thesis has focused on determining the fatigue and wear behavior of a carbo-austempered cast steel with a chemical composition: 0.29C - 1.87Si - 0.58Mn - 0.92Cr (wt. %), with nanobainite structure on the carbo-austempered layer (0.76C wt. %) and a multiphase structure in the core. Firstly, through dilatometry tests the phase transformation kinetics in the austenitic and bainitic regions have been analyzed, with the aim of correlating the microstructural evolution with the thermal cycle conditions used. From which, two austenitization (Tγ) and isothermal (Tiso) treatment temperatures were established, 830ºC-900ºC and 250-300ºC, respectively. With the Tγ=830ºC condition, the aim was not only taking advantage of nanostructured bainitic in strengthening and toughening the surface of the carburized cast steel, but also introducing the austenitizing conditions to produce an intercritical austenitizing in the core, while keeping a full austenitizing in the case, it is hypothesize that the multiphase microstructure that could be developed in the core, can improve tensile and fatigue performance of the material, without affecting the wear behavior. Secondly, the mechanical properties have been studied in order to deepen the microstructure-process-property relationships. In particular, tensile, energy impact and hardness tests have been carried out on carbo-austempered and carburized-Q-T (as a reference material) specimens. The combination of bainitic and multiphasic structures, in the carbo-austempered steel, favored excellent mechanical properties, high strength (1.1-1.3GPa), good ductility (8-10%) and high hardness (500-570HV10). The microstructure is, as expected, a matrix of interlinked nanosized bainitic ferrite plates (αb) with dispersed retained austenite (γret), the latter existing in two different morphologies, as nanofilms between the αb subunits and as blocks. The microstructure of the core consisted of a mixture of proeutectoid ferrite (α) + αb + martensite (α'T) + γret, whose fractions vary depending on the Tiso and Tγ, highlighting the absence of α' at the 830ºC/300ºC condition. These results, have allowed an analysis of the relationship between microstructure and mechanical behavior, as a function of different thermal treatment conditions, addressing in this way the relationship between the individual and cooperative contribution of each one of the present constituent, with the process parameters. In addition to the properties already mentioned, as a third point, it has been studied the behavior against wear and fatigue phenomena. In this work the effect of heat treatment conditions, i.e. austenitizing and isothermal transformation temperatures on the wear behavior under rolling/sliding conditions of a carbo-austempered cast steel with a nanobainitic structure in the surface was examined. The results show that wear damage in carbo-austempered steels are due mainly to contact fatigue, with a small extent of abrasion and adhesion. Carbo-austempered steels show a better wear resistance than carburized Q&T steels. Also, the specific wear rate in carbo-austempered steels was lower as the isothermal heat treatment temperature decreased. Results are explained in terms of the microstructural differences, hardening behavior and plasticity of the materials under study. In terms of fatigue behavior, the structural and crystallographic characteristics govern the response of carbo-austempered cast steel by rotating-bending test was studied. The results were explained based on the higher compressive residual stresses at the surface, the better crack tip blunting effect and the more complex and miss-oriented microstructure present in carbo-austempered samples. Also, nanobainitic carbo-austempered samples exhibited better fatigue performance as the isothermal treatment temperature decreases linked to the increasing in microstructural barriers for Stage I crack propagation, which lead to a shorter dislocation glide path. Finally, there seems not to be an effect of the austenitizing temperature on the wear and fatigue life of carbo-austempered samples, which suggests that PAGS does not play a role in these phenomena in carbo-austempered steels, which allows to develop multiphasic microstructures at the core, without compromising wear and fatigue resistance in this type of materials. According to these features, carbo-austempered nanobainitic cast steel can be a primary process technology for obtaining near finished or finished parts with complex geometries that require high strength and toughness, which cannot be achieved easily by plastic deformation like rolling or forging, thus developing carbo-austempered cast steels is a way of enhancing the potential applications of the nanobainitic steels.