Estudio de la evolución microestructural de los aceros de herramientas AISI A2 y D2 sometidos a tratamientos isotérmicos para aplicaciones de deformación en frío por impacto

Abstract

RESÚMEN : Los tratamientos isotérmicos de baja temperatura aplicados en aceros de herramientas para trabajo en frío con aplicación de cargas de impacto, son una alternativa a los tratamientos convencionales de temple y revenido, la cual puede ser muy útil si lo que se busca es mejorar la tenacidad de estos materiales y a la vez mantener sus buenos niveles de dureza y resistencia al desgaste. Con la aplicación de estos tratamientos se promueve la formación de estructuras multifásicas conformadas por bainita, austenita, martensita y carburos; que por sus diferentes propiedades pueden resultar en una buena combinación entre resistencia al desgaste y tenacidad para estos aceros. Este trabajo de investigación se enfocó en el estudio microestructural de los aceros AISI A2 y D2 sometidos a tratamientos de austemperado y quenching & partitioning (Q&P), contrastando las microestructuras obtenidas con las propiedades mecánicas medidas y teniendo como referencia para cada medición, los mismos aceros sometidos a temple y revenido. Luego de definir la temperatura de austenización más conveniente para cada acero (950°C para el acero A2 y 980°C para el D2) se definió la condición de sostenimiento isotérmico que permitió obtener bainita en el menor tiempo: 300°C para ambos aceros y finalmente mediante la ecuación de Koistinen y Marburguer se definieron para los tratamientos de Q&P, las temperaturas de quenching que permitieran obtener un contenido teórico de martensita de 15% y 32%: 170°C, 150°C para el A2 y 225°C, 205°C para el D2. Los resultados teóricos de contenido de martensita y las temperaturas críticas de cada acero (Ac1, Ac3 y Ms), fueron corroborados mediante dilatometría de alta resolución y así mismo está técnica permitió analizar la cinética de transformación de estos aceros, definiendo tiempos de sostenimiento isotérmico de 1, 2 y 3 horas en cada tratamiento. El análisis cinético también permitió corroborar el efecto de la martensita formada durante el quenching, como un sitio de nucleación preferente para la bainita y acelerador de la reacción bainítica. Las muestras tratadas fueron analizadas mediante Microscopía Óptica (MO), Microscopía Electrónica de Barrido (MEB) y Difracción de Rayos X (DRX). Análisis que fueron contrastados con mediciones de dureza superficial, ensayo Charpy y ensayo de tensión, buscando tener mayor claridad en la relación microestructura-procesamiento-propiedades de los aceros de estudio. El acero AISI A2 sometido a austemperado y a Q&P a la mayor temperatura de quenching mostró un aumento en la energía de impacto absorbida durante el ensayo Charpy de más del 300% respecto a la muestra templada y revenida, con disminución en su dureza entre el 15% y 20% en escala Rockwell C (HRC) y reducción en la resistencia última a la tracción entre el 5% y 7%, lo cual dejó en evidencia el beneficio de esta microestructura multifásica sobre la mejora en las propiedades de impacto de este acero. Por su parte la muestra sometida a Q&P a la menor temperatura de quenching no mostró mejoría en la energía de impacto absorbida respecto a la muestra templada y revenida. Lo anterior se relaciona con una mayor cantidad de martensita en esta muestra y con un mayor tamaño de las plumas bainíticas respecto al tamaño de las plumas de bainita observadas en el tratamiento de austemperado y el de Q&P de mayor temperatura, lo cual pudo haber sido promovido por el mayor contenido de carbono en la austenita de esta muestra, que fue estimado mediante DRX. Con respecto al acero AISI D2 no se evidenció mejoría en la energía de impacto absorbida en el ensayo Charpy con la aplicación de los tratamientos isotérmicos. En este acero se evidenció alta proporción de carburos de gran tamaño (más de 25 micrómetros) los cuales mediante análisis microelemental en MEB-EDS (Espectrometría de dispersión de energía de rayos X), se determinó que son carburos de Cr, Fe y V. Esta fase de gran tamaño que se observó en los tratamientos isotérmicos es la principal responsable de la baja energía de impacto absorbida por las muestras de acero D2. Finalmente se realizó una prueba industrial, fabricando cuchillas para deformación en frío por impacto usadas en la fabricación de escofinas de acero al carbono. Estas fueron fabricadas en acero AISI A2 y se sometieron a los tratamientos de austemperado y Q&P que ofrecieron mejores resultados en los ensayos Charpy. Se observó un aumento del 14% en la duración de las cuchillas sometidas a Q&P respecto a las cuchillas actualmente usadas en el proceso (cuchillas de acero AISI D2 templadas y revenidas). Evidenciando un beneficio tangible del diseño y uso de este tipo de tratamientos isotérmicos en herramientas usadas en aplicaciones de deformación en frío que implican cargas de impacto.

ABSTRACT : Low temperatures isothermal heat treatments applied to cold work tool steels with application of impact loads are an alternative to conventional quenching and tempering heat treatments, which can be useful if what is sought is to improve toughness of these materials and at the same time maintain their good levels of hardness and wear resistance. Multiphase structures made up of bainite, austenite, martensite and carbides are promoted applying these heat treatments. The combination of the different properties of each of these phases can result in a good balance between wear resistance and toughness for these steels. This research work was focused on the microstructural study of the AISI A2 and AISI D2 tool steels subjected to austempering and quenching & partitioning (Q&P) heat treatments, associating the microstructures observed with the mechanical properties measured, and comparing with the same steels subjected to quenching and tempering. After defining the most suitable austenitizing temperature for each steel (950°C for A2 steel and 980°C for D2 steel), the isothermal holding condition that allowed obtaining bainite in the shortest time was defined: 300°C for both steels. Finally, with the Koistinen & Marburguer equation were defined the quenching temperatures that allowed to obtain a theoretical martensite content of 15% and 32%: 170°C, 150°C for the A2 steel and 225°C, 205°C for the D2 steel. The theoretical amount of martensite and the critical temperatures of each steel (Ac1, Ac3 y Ms) were corroborated by high resolution dilatometry. This technique allowed to analyze the transformation kinetics in these steels, defining holding isothermal times of 1,2 and 3 hours in each heat treatment. The transformation kinetics analysis also allowed to check the effect of martensite formed during quenching in the bainite transformation, being a bainite preferential nucleation site and an accelerator for the bainite reaction. The treated samples were analyzed by Optical Microscopy (OM), Scanning Electron Microscopy (SEM) and X-Ray Diffraction (XRD). These analyses were contrasted with surface hardness measurements, Charpy test and tensile test, looking for a greater clarity in the microstructure-processing-properties relationship in the studied steels. The AISI A2 steel subjected to austempering and Q&P with higher temperature of quenching showed an increase of more than 300% in the absorbed impact energy during Charpy test compared with quenched and tempered sample. Hardness was 15%-20% lower in Rockwell C scale (HRC) and the Ultimate Tensile Strength (UTS) was 5%-7% lower, which proved the benefit of these multiphase microstructures on the improvement in the impact properties of this steel. By the other hand the sample subjected to Q&P at lower quenching temperature did not show improvement in the absorbed impact energy compared with the quenched and tempered sample. The foregoing is related with a greater amount of martensite in this sample and with a greater size of the bainite feathers by contrast with a smaller size of the bainite feathers in the samples subjected to austempering and Q&P with lower quenching temperature. This change in the bainitic feathers size could have been caused by the amount of carbon in the retained austenite. The austenite amount was measured by X-Ray Difraction (XRD). AISI D2 steel did not improve its absorbed impact energy with the application of isothermal heat treatments. In this steel a great amount of big size carbides was evidenced (more than 25 micrometers) which across microelemental analysis in EDS (X-Ray energy dispersion spectrometry) were determined like Cr, Fe and V carbides. This large phase observed in isothermal heat treatments is mainly responsible for the low impact energy absorbed by D2 steel samples. Finally an industrial test was performed, manufacturing cold work chisels for steel rasps deformation by impact. These chisels were manufactured in AISI A2 steel and were treated with austempering and Q&P heat treatments that showed the best results in Charpy tests. An increase of 14% in the chisel life was observed in the samples subjected to Q&P compared to chisels currently used in the industrial process (AISI D2 quenched and tempered chisels). Evidence of a tangible benefit from the design and use of this type of isothermal heat treatments in cold work tools used in steel deformation by impact.