RESISTENCIA A LA ABRASIÓN Y AL IMPACTO DE FUNDICIÓN NODULAR AUSTEMPERADA CON CARBUROS (CADI)

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1 RESISTENCIA A LA ABRASIÓN Y AL IMPACTO DE FUNDICIÓN NODULAR AUSTEMPERADA CON CARBUROS (CADI) Sebastián Laino, Ricardo C. Dommarco, Jorge A. Sikora Grupo Tribología Fac. Ingeniería Univ. Nac. de Mar del Plata División Metalurgia INTEMA CONICET Av. J. B. Justo 4302, B7608FDQ, Mar del Plata, Argentina slaino@fi.mdp.edu.ar RESUMEN En las fundiciones de hierro, así como también en otros materiales, los carburos son una fase dura, que actúa como refuerzo para aumentar particularmente la resistencia a la abrasión del material. Estos carburos pueden ser introducidos en las fundiciones nodulares que son sometidas luego al tratamiento térmico de austemperado. El material resultante es conocido como Fundición Nodular Austemperada con Carburos o Carbidic ADI (CADI). Si bien la resistencia a la abrasión del CADI se incrementa con el aumento del porcentaje de carburos, la resistencia al impacto del material puede verse significativamente disminuida, resultando importante lograr un adecuado equilibrio entre ambas propiedades para cada aplicación. En trabajos previos se obtuvieron fundiciones CADI mediante la precipitación de carburos inducida mediante la aleación con tenores de cromo variables entre el 1 % y 2,5 %. Se efectuó la caracterización microestructural y se evaluó la influencia del ciclo térmico de austenizado sobre la disolución de dichos carburos en los distintos materiales obtenidos. El presente trabajo tiene como objetivo evaluar la resistencia a la abrasión y al impacto del CADI. Para ello se llevaron a cabo ensayos normalizados de desgaste empleando el método de la rueda de goma y arena seca (ASTM G 65) con el fin de evaluar la resistencia a la abrasión. Asimismo se efectuaron ensayos Charpy sobre probetas sin entalla para determinar la resistencia al impacto. Complementariamente, se realizaron comparaciones con otros materiales tradicionales, tomados como referencia, y se efectuaron ensayos de campo empleando piezas reales consistentes en segmentos protectores de baldes para pala cargadora frontal. Palabras Clave: Fundición Nodular Austemperada con Carburos (CADI), microestructura, carburos, abrasión, resistencia al impacto.

2 1. INTRODUCCIÓN La Fundición Nodular Austemperada (ADI) ha sido ampliamente reconocida por sus elevadas propiedades de resistencia a la tracción y al impacto (más de 1600 MPa y más de 100 Joules para los grados 5 y 1, respectivamente, de acuerdo a la norma ASTM A ), lo cual le ha permitido reemplazar aceros forjados en numerosas aplicaciones. Es también conocida la capacidad del ADI de comportarse satisfactoriamente frente a diversos mecanismos de desgaste, tales como fatiga de contacto por rodadura, adhesión y abrasión [1,2,3]. El ADI presenta diferentes comportamientos cuando es sometido a condiciones de desgaste por abrasión, dependiendo del tribosistema (abrasión de alta o baja presión), pero muestra siempre buena performance en servicio si los parámetros de tratamiento térmico son adecuadamente seleccionados [2]. Un nuevo tipo de ADI, que contiene carburos inmersos en la típica matriz ausferrítica, denominado Carbidic ADI o CADI, ha sido recientemente introducido en el mercado mundial. Sin embargo, la literatura disponible sólo brinda información acerca de ejemplos de aplicaciones particulares y datos sobre la respuesta frente a ensayos de desgaste por abrasión, sin hacer referencia al procedimiento para producir CADI. Se espera que la presencia de carburos promueva un incremento en la resistencia al desgaste por abrasión, pero también una disminución en la resistencia al impacto. Por lo tanto, en el desarrollo de CADI se presenta el desafío de lograr un control de la microestructura tal que permita obtener un balance óptimo entre ambas propiedades, teniendo en cuenta el tribosistema. Una de las metodologías comúnmente empleadas para obtener una microestructura con carburos en estado bruto de colada es la reducción de la cantidad de elementos grafitizantes (en particular Silicio), para promover la precipitación de carburos ledeburíticos durante la solidificación debido a un menor intervalo entre los diagramas estable y metaestable. Esta metodología puede combinarse con una segunda, consistente en un elevado subenfriamiento promovido por el uso de un enfriador o chill estratégicamente ubicado en el molde. Una tercera opción es alear con elementos estabilizadores de carburos, tales como el cromo, molibdeno o titanio [1,2], lo cual reduce de manera importante el intervalo entre las temperaturas eutécticas estable y metaestable, promoviendo por lo tanto la solidificación de acuerdo con el diagrama metaestable [6]. Debe tenerse en cuenta que el subenfriamiento también afecta el tamaño y cantidad de las unidades de solidificación y por lo tanto la microsegregación. Cuanto menor sea la velocidad de enfriamiento, tanto mayor será el efecto de la microsegregación, hecho que incrementa la probabilidad de precipitación de carburos en las zonas últimas en solidificar ( last to freeze o LTF), lo cual conduce a la formación de carburos aleados. Luego, el tamaño y composición de los carburos puede variar ampliamente, desde los típicos ledeburíticos sin alear hasta placas delgadas con alto contenido de elementos de aleación, dependiendo de las características de la composición química y velocidad de enfriamiento [6,7,8,9,]. Ha sido demostrado [3] que los carburos ledeburíticos, producidos ya sea mediante el control de la velocidad de enfriamiento o del contenido de Silicio (carburos no aleados), presentan una gran tendencia a la disolución durante la etapa de austenizado por ser menos estables que los carburos aleados. La disolución de carburos durante el tratamiento térmico ha sido evaluada en trabajos previos [3,4]. El objetivo del presente trabajo es evaluar las propiedades mecánicas de resistencia a la abrasión y al impacto de las diferentes variantes de CADI producidas en trabajos previos [11,12], en los que se efectuó además una completa caracterización microestructural del material. 2. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL 2.1. Preparación de probetas El material empleado para la preparación de probetas fue obtenido en una planta piloto de fusión, mediante un horno de inducción de 55 kg de capacidad y frecuencia de 3 KHz. Como materiales de carga se emplearon chatarra de acero y retorno de fundición. Todas las coladas fueron nodulizadas con FeSiMg (9% Mg en peso) e inoculadas con FeSi (75 % Si en peso). Se obtuvieron cinco coladas de fundición nodular, con contenidos aproximados de cromo de 0; 1,0; 1,5; 2,0 y 2,5 % en peso. A partir de un modelo de placa empleado y ya presentado en trabajos previos [11,12], de dimensiones 225x180x25 mm, fueron extraídas las probetas para desgaste e impacto. Las mismas se mecanizaron a partir de dos fetas de ~11 mm de

3 espesor para cada variante de material, extraídas de las mencionadas placas. Las mediciones de dureza también fueron efectuadas sobre estas probetas. Las probetas obtenidas de las cinco coladas fueron posteriormente tratadas térmicamente, mediante el austenizado durante 1 hora a 900 ºC en una mufla seguido de un austemperado en baño de sales durante 2 horas, a dos temperaturas diferentes, 280 y 360 ºC. Las probetas no aleadas, las cuales no contienen carburos (ADI convencional), fueron empleadas como materiales de referencia al evaluar la resistencia al desgaste. La identificación de las probetas en los estados bruto de colada y tratadas térmicamente se lista en la Tabla Caracterización química La resistencia a la abrasión fue evaluada por medio del ensayo Rueda de Goma y Arena Seca, Figura 1, de acuerdo a la norma ASTM G 65 y empleando el procedimiento A. El índice de Resistencia Relativa al Desgaste E, fue obtenido mediante la relación entre la pérdida de volumen de las muestras de ADI convencional, empleadas como materiales de referencia (ΔV R ), y la de las muestras de CADI (ΔV S ), de acuerdo con la Ecuación 1. Los valores de pérdida de peso fueron determinados mediante una balanza con una aproximación de 0,1 mg, y luego convertidos en valores de pérdida de volumen empleando los valores de densidad medidos para las diferentes variantes de material. R = Ecuación 1. VS E Δ ΔV La composición química de los carburos fue evaluada empleando un módulo de EDX adosado a un microscopio electrónico de barrido marca Philips, a fin de analizar los efectos de la microsegregación y su influencia sobre la disolución de carburos durante el tratamiento térmico. Los valores reportados resultaron del promedio de tres determinaciones Ensayos mecánicos La dureza Brinell (HBW) de las probetas fue determinada empleando una bolilla de carburo de tungsteno de 2,5 mm de diámetro y una carga de 187,5 kg. La dureza de los carburos, se determinó mediante ensayos de microindentación, empleando un indentador Vickers con una carga de 200 g. Figura 1. Representación esquemática del ensayo de abrasión mediante Rueda de Goma y Arena Seca (ASTM G 65). Tabla 1. Identificación de probetas, tanto en estado bruto de colada como tratadas térmicamente. Temperatura de austenizado 900 ºC en todas las probetas. Identificación Colada (%Cr) Condición Temp. de austemperado [ºC] C1 1 (2,5) As-cast - A (2,5) Austemperada 280 A (2,5) Austemperada 360 C2 2 (2,0) As-cast - A (2,0) Austemperada 280 A (2,0) Austemperada 360 C3 3 (1,5) As-cast - A (1,5) Austemperada 280 A (1,5) Austemperada 360 C4 4 (1,0) As-cast - A (1,0) Austemperada 280 A (1,0) Austemperada 360 C5 5 (0) As-cast - ADI (0) Austemperada 280 ADI (0) Austemperada 360

4 Los ensayos de resistencia al impacto fueron realizados de acuerdo con la norma ASTM E 23, empleando probetas de 10x10x55 mm sin entalla y un péndulo Amsler con una energía inicial de 300 J (velocidad de impacto de 5 m/s). Los valores reportados surgieron del promedio de dos determinaciones. con el contenido de carburos, siguiendo una tendencia similar a la obtenida al aplicar el concepto de dureza equivalente (regla de la palanca) [13]. Este efecto de refuerzo de los carburos sobre la dureza fue similar para las dos temperaturas de austemperado. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 3.1. Caracterización química de carburos El contenido de Cromo de los carburos presentes en las coladas C1 y C4, determinado mediante EDX, permitió comprobar que los mismos son del tipo M 3 C, con el Cr sustituyendo parcialmente al Fe. Se encontraron carburos aleados con contenidos de Cr de 8,2 y 6,7 % para las coladas C1 y C4, respectivamente. Dichos valores surgieron de un promedio de tres determinaciones para cada colada. El %Cr en los carburos superior al %Cr global de la colada, viene dado por los efectos de la microsegregación. El contenido de carburos presente en las diferentes coladas ha sido cuantificado en trabajos previos [11, 12], para las condiciones bruto de colada (as cast) y tratado térmicamente. Se ha demostrado que los carburos aleados presentes en todas las coladas son estables frente al tratamiento térmico, es decir, muestran una tendencia prácticamente nula hacia la disolución durante la etapa de austenizado. Los contenidos de carburos determinados fueron de 21, 13, 11 y 5 % para las coladas C1, C2, C3 y C4, respectivamente. En la Figura 2 se muestra la microestructura de una de las variantes de CADI evaluadas, pudiéndose observar la presencia de carburos y nódulos de grafito inmersos en la matriz ausferrítica Ensayos mecánicos 100 μm Figura 2. Microestructura de una de las variantes de CADI evaluadas (A1-280). Dureza, HBW contenido de carburos (x10), % %carburos 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 contenido de cromo, % Figura 3. Dureza (HBW) y contenido de carburos vs. %Cr para todas las variantes de CADI. La microdureza Vickers de los carburos fue determinada como el promedio de tres mediciones en cada colada. En todas las coladas se encontró una dureza de los carburos de 1100 HV 200, con una dispersión máxima σ n-1 = 25, Dureza La dureza Brinell fue determinada como el promedio de cinco determinaciones, con una desviación estándar máxima σ n-1 6,4 para las muestras A1-280 y A2-280, y con σ n-1 < 4 para las demás muestras. Los resultados para las dos temperaturas de austemperado evaluadas se reportan en la Figura 3, la cual muestra que el efecto de refuerzo de los carburos se incrementa Ensayos de abrasión La Figura 4 muestra los valores de densidad para todas las coladas evaluadas, medidos sobre bloques calibrados de 10x10x25 mm. A fin de validar la precisión del método usado, también fue medida y reportada la densidad de un bloque calibrado de acero SAE 1010.

5 Tabla 3. Valores de resistencia relativa al desgaste (E) para probetas de CADI austemperadas a 360 ºC. Material de referencia, ADI 360. Muestra (% Cr) Resistencia relativa al desgaste - E ADI 360 (0) 1 A1-360 (2,5) 1,95 A2-360 (2,0) 1,76 A3-360 (1,5) 1,6 A4-360 (1,0) 1,08 Figura 4. Valores de densidad en función del contenido de Cr, para todas las coladas evaluadas. En las Tablas 2 y 3 se listan los valores de Resistencia Relativa al Desgaste (E) obtenidos para todas las probetas de CADI a las dos temperaturas de austemperado, 280 y 360 ºC. Los valores reportados surgieron del promedio de cuatro determinaciones, con una desviación estándar máxima σ n-1 = 0,06. En cada caso, las probetas de CADI fueron comparadas contra las muestras de ADI convencional (0 %Cr) austemperadas a la misma temperatura, es decir, las probetas identificadas como ADI 280 y ADI 360 fueron utilizadas como materiales de referencia. Estos valores muestran que el efecto de refuerzo de los carburos resulta más intenso para la matriz más blanda (ADI 360). Una respuesta similar con respecto a la dureza fue también observada en ADI austemperado a diferentes temperaturas [2] y ensayado según la norma ASTM G 65, aun cuando las mismas variantes de material mostraron un comportamiento diferente cuando la condiciones abrasivas impuestas fueron más severas (como se observó en ensayos de campo). Estos resultados son también presentados en la Figura 5, en la forma de pérdida de volumen en función del contenido de cromo de la colada, mostrando un importante incremento en el efecto de refuerzo de los carburos cuando el %Cr es 1,5 % o superior. Tabla 2. Valores de resistencia relativa al desgaste (E) para probetas de CADI austemperadas a 280 ºC. Material de referencia, ADI 280. Muestra (% Cr) Resistencia relativa al desgaste - E ADI 280 (0) 1 A1-280 (2,5) 1,73 A2-280 (2,0) 1,52 A3-280 (1,5) 1,45 A4-280 (1,0) 1,23 Figura 5. Valores de pérdida de volumen en función del contenido de cromo, para muestras de CADI austemperadas a 280 y 360 ºC. (Procedimiento según norma ASTM G 65) Ensayos de impacto Los resultados de resistencia al impacto [J] versus contenido de cromo y versus el contenido de carburos se muestran en la Figura 6. Tal como se esperaba, la resistencia al impacto decreció al incrementarse el contenido de Cr, pero alcanzando un nivel cuasi-estacionario a 7 J para un %Cr > 1,5 para las dos temperaturas de austemperado evaluadas. A fin de comparar con los valores obtenidos para las muestras de CADI, también fueron ensayadas probetas de ADI 280 y ADI 360 convencionales, obteniendo valores de resistencia al impacto de 101 y 138 J, respectivamente. La desviación estándar máxima fue σ n = 2,4 para las probetas de CADI y σ n = 16,2 para las de ADI empleadas como referencia. También se observa una influencia del tipo de matriz ausferrítica; para todos los contenidos de Cr, las probetas austemperadas a 360 ºC mostraron mayores valores de resistencia al impacto que aquellas austemperadas a 280 ºC. El análisis de los ensayos de desgaste y de los resultados de resistencia al impacto en conjunto,

6 se resume en la Tabla 4, la cual muestra que tanto la colada con 1,5 %Cr (A3-280 y A3-360), así como también las muestras A2-360 (2 %Cr) y A4-280 (1 %Cr), presentan un buen balance entre resistencia al desgaste y al impacto, bajo estas condiciones experimentales. Para otros tribosistemas, deben efectuarse estudios particulares. que tiene asociadas (elevados costos, paradas de máquina, etc.). En el presente trabajo, se evaluó la performance en servicio de segmentos de protección de balde de pala cargadora frontal de 105 CV, fabricados en CADI. Se utilizaron dos segmentos de CADI, con 1,0 y 2,0 %Cr, y uno de ADI empleado como referencia. La temperatura de austemperado de los tres segmentos fue de 300 ºC. Bajo estas condiciones de servicio de abrasión severa, diferentes a las de menor severidad impuestas en el laboratorio, el CADI mostró una menor resistencia al desgaste que el ADI, tal como se observa en el gráfico de Resistencia Relativa al Desgaste E vs. Horas de servicio, Figura 7. La menor resistencia al desgaste se observó para el mayor contenido de Cr y por lo tanto de carburos. 1,10 Figura 6. Resistencia al impacto en función del contenido de cromo. Tabla 4. Ranking de resistencia al desgaste para todas las muestras evaluadas, indicando además la resistencia al impacto. Muestra Pérdida de volumen [mm 3 ] Resistencia al impacto [J] A ,29 6,8 A ,57 6,8 A ,14 8,3 A ,86 9,8 A ,14 11,3 A ,71 25 A ,14 12,2 ADI ,29 101,5 A ,86 26 ADI , ENSAYOS DE CAMPO El uso de un material para una nueva aplicación, debe ser previamente evaluado mediante ensayos de campo, aun teniendo en cuenta las dificultades Resist. relativa al desgaste - E 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 ADI CADI1Cr CADI2Cr 0, Horas máquina Figura 7. Resistencia relativa al desgaste vs. Horas de servicio de los segmentos de CADI evaluados. ADI empleado como material de referencia. 5. CONCLUSIONES Ha sido posible obtener CADI con diferentes contenidos de carburos (5 21% para contenidos de Cr entre 1 y 2,5%, respectivamente), empleando cromo como principal elemento de aleación. La presencia de carburos en la microestructura puede incrementar la resistencia al desgaste hasta un 100% para las muestras de CADI evaluadas, con respecto a un ADI convencional austemperado a la misma temperatura. Bajo las condiciones experimentales empleadas, la presencia de carburos en las coladas con un contenido de Cr del 1,5% o superior, produjo un

7 marcado refuerzo de la matriz con respecto a la abrasión. Tal como se esperaba, la resistencia al impacto decreció con el incremento del %Cr, alcanzando un nivel cuasi-estacionario a 7 Joules para contenidos de Cr > 1,5%, para las dos temperaturas de austemperado investigadas. Las muestras con un contenido de Cr del 1% exhibieron valores superiores de resistencia al impacto ( 25 J). Bajo las condiciones experimentales empleadas, la mayor resistencia a la abrasión fue obtenida para la muestra A1-280, con el mayor contenido de cromo (2,5 %Cr) y la menor temperatura de austemperado (280 ºC). Sin embargo, cuando es necesario contemplar la resistencia al impacto, pueden tenerse en cuenta otras variantes de CADI. Para las dos temperaturas de austemperado evaluadas, la colada con 1,5 %Cr (muestras A3-280 y A3-360), así como también las coladas con 2,0 %Cr (muestra A2-360) y con 1 %Cr (muestra A4-280), mostraron un muy buen balance entre resistencia a la abrasión y al impacto. Los ensayos de campo mostraron que para esta condición de servicio el contenido de carburos presente no actuó como fase de refuerzo frente a la abrasión. A diferencia del ensayo de laboratorio, la variante de CADI con menor contenido de carburos mostró mayor resistencia a la abrasión.