COMPORTAMIENTO DE CERMETS (POLVO Fe + Al 2 O 3 ) OBTENIDOS IN SITU SOBRE FUNDICIONES DE HIERRO

Transcripción

1 COMPORTAMIENTO DE CERMETS (POLVO Fe + Al 2 O 3 ) OBTENIDOS IN SITU SOBRE FUNDICIONES DE HIERRO N. Corbo (1), M. Narcisi (1), R. Dommarco (1,2), R. Martínez (2), M. Martínez Gamba (1,2) (1) Grupo Tribología Facultad de Ingeniería (2) División Metalurgia - INTEMA Universidad Nacional de Mar del Plata - CONICET Av. Juan B. Justo B7608FDQ Mar del Plata, Argentina mrmgamba@fi.mdp.edu.ar Area de interés: Materiales compuestos y nuevos materiales RESUMEN La introducción de partículas cerámicas duras en una matriz ferrosa modifica el comportamiento frente a solicitaciones asociadas con la resistencia al desgaste. Para que esto ocurra, se debe realizar una adecuada selección de las partículas, en cuanto a su dureza, tamaño, forma y dispersión. Estos materiales compuestos, de matriz metálica y partículas cerámicas, son denominados MMC (metal matrix composites) o cermets. En este trabajo se estudia la metodología para producir piezas de fundición de hierro mediante un proceso de colada tradicional en moldes de arena, colocando pastillas de MMC s, posicionadas en aquellos lugares de la pieza que sufrirán desgaste por abrasión. Se describen aquí los pasos seguidos en la producción de pastillas de MMC y del material colado en planta piloto de fundición. El material fue estudiado, evaluando la calidad metalúrgica obtenida y su resistencia al desgaste abrasivo. Palabras clave: Polvos de hierro, partículas cerámicas, sinterizado, microestructura, abrasión.

2 INTRODUCCIÓN Los materiales compuestos, consistentes en una mezcla de partículas de hierro y cerámicas (por ejemplo alúmina, Al 2 O 3 ), son producidos principalmente por procesos pulvi-metalúrgicos [1,2,3]. Mediante esta técnica se obtienen piezas de gran precisión y excelente calidad superficial. Sin embargo, si todo su volumen es obtenido por esta técnica, se restringen drásticamente formas y tamaños, y además, se eleva el costo de producción. Desde el punto de vista de su aplicación, la vida útil de muchos componentes de máquina, depende de su resistencia al desgaste. En general, los materiales con alta resistencia al desgaste son de costo elevado, por lo tanto, resulta ventajoso que sea solo la superficie la que posea esta propiedad, mientras que el núcleo puede presentar otras características, entre ellas un bajo costo relativo. Las piezas con estas características reciben el nombre de compuestos superficiales. Los MMC s reforzados con partículas cerámicas son bien conocidos por su mayor módulo específico, resistencia mecánica y resistencia al desgaste. En la actualidad se dispone de información acerca del comportamiento tribológico de aleaciones de aluminio particuladas [5, 6, 7], y en experiencias previas se evaluó la influencia de fases de refuerzo (carburos) en la resistencia a la abrasión de fundiciones de hierro con grafito esferoidal [8]. Basado en estos antecedentes, se propone aplicar estos conceptos a la fabricación de piezas de fundición de hierro, donde gracias a la versatilidad del proceso de colada, sería posible obtener superficies compuestas y, por lo tanto, una mejora en la resistencia a la abrasión en la zona de interés, con una profundidad de hasta unos 5 mm. Mediante la correcta selección de los materiales, es posible obtener MMC s con la capacidad de soportar condiciones de abrasión severa [9]. Por lo tanto, se vislumbra para estos materiales una aplicación potencial en maquinaria vial, industria ferroviaria y agrícola, industria automotriz, etc. En este trabajo se estudian los factores que controlan la estructura de la capa compuesta, en particular la cohesión entre las partículas de las pastillas MMC, y la cohesión de la pastilla con el metal base. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL Para la fabricación de las pastillas MMC se utilizó una mezcla de polvo de hierro comercial marca Atomet 25, con el 98% de las partículas entre 100 y 400 Mesh, de pureza >99%, y un 20% de partículas de alúmina (Al 2 O 3 ) de 80 Mesh. Para la correcta distribución y dispersión de las partículas en la matriz se utilizó una mezcladora experimental de tipo V. Las pastillas fueron compactadas en un molde metálico (Figura 1), utilizando una prensa uniaxial de simple efecto con una carga de 100 MPa. Figura 1. Matriz utilizada para la obtención de pastillas de alúmina/polvo de hierro. Las pastillas fueron sometidas a tratamiento térmico de dos tipos. Uno de ellos consistente en un presintetizado sin protección, a 883 ºC por 60 min y el otro, un cementado en caja con carbonilla y carbonato de bario, a 920 ºC por 120 min y luego enfriada en agua. Se prepararon moldes de arena ligada con resina alquídica, utilizando un modelo en forma de cruz, con alturas de 30, 45, 60 y 75 mm, Figura 2. En cada uno de los brazos de esta cruz se colocaron las pastillas compactadas de 2x25x50 mm. Los distintos espesores de los brazos, hacen que las pastillas reciban diferentes cantidades de calor proveniente del metal líquido y, de esta manera, varía el grado de sinterizado de las pastillas y su cohesión o pegado al sustrato. La fundición de hierro fue obtenida en un horno de inducción de media frecuencia y 50 Kg de capacidad. Figura 2. Pastillas incorporadas en una cruz escalonada de fundición de hierro. De los brazos de la cruz se obtuvieron probetas de 10x25x50 mm para la caracterización del

3 material. El análisis de la microestructura se realizó mediante microscopía óptica y también electrónica de barrido ( SEM). Se prepararon probetas con diferente preparación superficial: a material con la superficie en bruto de colada o pastillas sin limpiar (PSL), b material con limpieza después de la colada o pastillas limpias (PL) y c material con superficie rectificada o pastillas rectificadas (PR), mediante rectificadora de bandera con muela de 60 Mesh. Para evaluar el comportamiento a desgaste se utilizó una máquina de ensayo que responde a la norma ASTM G 65 (ensayo de abrasión mediante rueda de goma y arena seca), de acuerdo al procedimiento B, obteniendo la resistencia al desgaste relativo, E de acuerdo a la Ecuación: E = PR / PM donde PR es la variación de peso del material de referencia (SAE 1010) y PM es la variación de peso en la muestra. Las probetas son pesadas antes y después del ensayo, obteniéndose la pérdida de peso. Por lo tanto, valores E > 1 indican una resistencia al desgaste del material estudiado superior a la del material utilizado como referencia. Para el control de peso de las muestras se utilizó una balanza con una sensibilidad de 0,001 gr. Al2O3, favoreciendo su anclaje a la matriz de polvos de hierro. Figura 4. Interfaz partículas duras y matriz de polvos de hierro, 120X. La Figura 5 muestra la interfase entre partículas de Al2O3 y la matriz de polvos de hierro compactados. Se diferencian las superficies, pues las partículas se muestran claramente de manera monolítica mientras que la matriz aparece con restos de los polvos que la componen. RESULTADOS Y DISCUSIÓN Distribución de partículas Primeramente se estudió la dispersión y distribución de la mezcla de partículas de hierro y de alúmina, obtenida con la mezcladora en V. La Figura 3 muestra una correcta distribución de las partículas de Al2O3. Figura 5. Interfaz partícula dura y polvo de Fe, 8º inclinación porta objeto, 800X. Figura 3. Distribución partículas de Al2O3. Interfaz partículas / polvos de hierro La interfaz entre las partículas duras y el polvo de hierro define la manera en que se va a comportar la pastilla en servicio. En la Figura 4 se observa la forma facetada de las partículas duras de Interfaz pastillas / fundición gris La Figura 6 muestra la interfaz entre el sustrato metálico (izquierda, fundición gris) y la pastilla (derecha). A la izquierda se observan la presencia de cavidades que podrían ser micro rechupes, así como pequeñas cavidades generadas por las reacciones pastilla / metal. A la derecha se observa la pastilla de polvos compactados con las partículas de Al2O3. También se observan poros en la matriz de polvos, los cuales pueden ser provenientes de aire contenido al momento de la compactación (poros de mayor tamaño), o bien falta de cohesión entre los polvos de hierro (poros de menor tamaño). Entre las dos superficies, se encuentra la interfaz pastilla-sustrato.

4 En la Figura 8 se observa que, por debajo de la interfaz, hay una zona de carburos de hierro (fundición blanca). La presencia de estos carburos es un punto desfavorable, debido a que su fragilidad podría afectar la resistencia de la interface. Figura 6. Interfaz pastilla / respaldo, 150X. En esta interfaz se observan cavidades de gran tamaño, las cuales serían resultado de la presencia de gases generados por el proceso de colada; por otro lado, se debe considerar la baja permeabilidad de las pastillas en función de la permeabilidad típica de las mezclas de moldeo. Sin embargo, y tal como se observa en la Figura 7, hubo zonas de total fusión entre respaldo y pastilla. Esta porción de interfase se presenta sin interrupciones, incluso con presencia de pileta líquida, concepto este utilizado en soldaduras fuertes, típicamente como en las de arco eléctrico, y que deriva en una óptima adhesividad. Se advierte una correcta evacuación del aire al momento de la colada, ausencia de reacciones pastilla /metal y ausencia de elementos ajenos a los materiales en cuestión. La interfase continua demuestra un vínculo sólido entre la pastilla y respaldo. Figura 8. Interfaz respaldo / pastilla con blanqueo de la fundición gris, 150X. Efecto de la temperatura sobre la matriz de polvos de hierro La cantidad de calor que recibe la pastilla, ya sea por los tratamientos térmicos previos, o por el metal del sustrato, influirá en la microestructura resultante y, por lo tanto, en su comportamiento frente al desgaste. En la Figuras 9 y 10 se observa la microestructura de los polvos de hierro del MMC, para pastillas sin tratamiento térmico previo, y sustrato de 30 y 75 mm, respectivamente. En la primera de ellas (30 mm) se observa una distribución de defectos que están relacionados con los bordes de las partículas propiamente dichas. En la segunda (75 mm), a una distancia mayor a 1,5 mm de la interfase, se observa una distribución de defectos similar a la anterior, pero menor presencia de micro poros. Figura 7. Interfaz pastilla / respaldo, 30mm, 33X. Un aspecto a tener en cuenta en la interfaz, esta relacionado con la extracción de calor que produce la pastilla MMC sobre el frente del metal líquido, lo cual deriva en una mayor velocidad de solidificación, que influye en la micro estructura final. Figura 9. Matriz polvo de hierro. 30 mm, 3000X

5 Figura 10. Matriz polvo de hierro. 75 mm, alejado interfaz pastilla/respaldo, 3000X. En la Figura 11, para un sustrato de 75 mm, debido al efecto del calor aportado, se aprecia una menor cantidad de límites entre las partículas de polvo de Fe. Esta mayor homogeneidad en la matriz metálica influirá en el comportamiento de dichas pastillas frente a la resistencia a la abrasión E. Figura 12. Matriz polvos de hierro con bordes de partículas continuos, 3000X. En las Figuras 13 y 14, se observa un fenómeno presente únicamente en las probetas con tratamiento térmico previo. El mismo consiste en fisuras en la matriz de polvos de hierro compactados, que tienen su inicio y fin en las partículas de refuerzo. Si bien no se determinó el origen de las fisuras, se puede aceptar que las mismas se originan y terminan en las partículas de refuerzo, debido a que su forma facetada presenta aristas que podrían actuar como concentradores de tensión. Sin embargo, las fisuras no habrían condicionado críticamente el comportamiento de la fase refuerzo durante el ensayo de desgaste. Figura 11. Matriz polvo de hierro, 75 mm, cercano interfaz pastilla/respaldo, 3000X Con el objetivo de mejorar la homogeneidad de la matriz de polvos de hierro, se realizó el tratamiento térmico de las pastillas previó a la colada. En la Figura 12 se observa la matriz de polvos de hierro compactados, en donde si bien se aprecia una baja densidad de bordes de partícula, se insinúan indicios de discontinuidad en determinados límites; esto atentaría contra el comportamiento de la matriz en su capacidad de retener a las partículas duras. Por otro lado la presencia de micro poros es mayor en comparación a las probetas cuyas pastillas fueron cementadas. Esto se debe a que si bien los dos tipos de probeta recibieron tratamientos térmicos, las cementadas se mantuvieron a alta temperatura por más tiempo que las sinterizadas. Figura 13. Matriz polvo de hierro fisurada, 300X Resistencia al desgaste E La Figura 15 muestra los valores de resistencia al desgaste (E) obtenidos para las muestras con diferente preparación superficial (a, b o c) y distinto espesor. Las pastillas sin limpiar (PSL) poseen en su superficie los residuos del pegamento utilizado para su fijación al molde y también partículas que no quedaron bien incorporadas en la matriz de polvos de hierro, ya sea por falta de calor para sinterizar los polvos o por ausencia de tratamiento térmico previo.

6 Por lo tanto, estas tuvieron una baja resistencia al desgaste E. Figura 14. Matriz polvo de hierro fisurada, 1500X Figura 15. Resistencia al desgaste E. La columna de las pastillas limpias (PL), Figura 15, corresponde a aquellas probetas sobre las que se realizó una limpieza superficial previa, utilizando la máquina para ensayos de desgaste durante un minuto. Esta variante de pastillas mostró un resistencia al desgaste superior a la variante PSL. La probeta con 30 mm de sustrato y sin tratamiento térmico fue la de peor comportamiento. Este hecho se adjudica a la falta de cohesión entre las partículas de Fe, debido a que el calor aportado por el sustrato resultó insuficiente. Esto habría generado un fácil desprendimiento, tanto de la matriz como de las partículas duras. El resto de las probetas ensayadas arrojaron valores E similares, a pesar de la diferencia de sustratos y tratamientos. A partir de esto, y considerando la influencia del espesor de sustrato, puede afirmarse que tanto el tratamiento de cementado como el tratamiento térmico, influyeron para incrementar la resistencia al desgaste de las probetas con menor espesor de sustrato, hasta valores semejantes al obtenido para la probeta con mayor espesor de sustrato y sin tratamiento térmico. Por lo tanto, cuando no pueda hacerse uso de respaldos que aporten el calor necesario, puede resolverse esta falencia con un correcto tratamiento previo. Por último, se estudió el comportamiento de pastillas con rectificado posterior (PR). Al ser estas pastillas materiales compuestos de baja maquinabilidad, esta dificultad de mecanizado generó altas temperaturas sobre la pastilla que tendieron a sinterizar las partículas de hierro, por lo que en definitiva hizo que aumentase la resistencia al desgaste. En todos los casos se observa que el mejor comportamiento esta dado en las pastillas que estuvieron cementadas y en aquellas que no tuvieron tratamiento térmico previo, pero que recibieron una alta cantidad de calor del metal de respaldo (75 mm). Respecto de los micro mecanismos de desgaste por abrasión involucrados en el tribosistema, estos se evidencian como micro surcado (micro plowing) y como micro corte (micro cutting). Desde el punto de vista de la tasa de desgaste, el micro surcado tiene una tasa moderada, ya que la deformación plástica de los bordes del surco de alguna manera ralentiza la perdida de material; por otro lado, es cierto que ese material, al estar endurecido por deformación, tiene menor capacidad para almacenar deformaciones, y por lo tanto, en un posterior tribocontacto, es factible que se desprenda. Respecto del micro corte, este micro mecanismo genera una alta tasa de desgaste, el cual se caracteriza por ser de alta tasa de remoción de material debido al alto grado de penetración de las partículas abrasivas. Análisis de las huellas de desgaste por abrasión Las huellas de desgaste muestran patrones que se pueden tipificar. Un caso son las huellas de tipo cola de cometa, las cuales se manifiestan en superficies expuestas a fatiga por contacto de rodadura, ya sea por discontinuidades del material y/o indentaciones sobre la misma [10]. En este caso, y tal como se observa en la Figura 16, fueron visibles alrededor de las partículas duras. Por debajo de las partícula (lado sur) y luego del ensayo de abrasión, se aprecia dicha huella; respecto de la partícula propiamente dicha, el lado norte de la misma muestra una superficie de aristas redondeadas propias de la acción de las arenas de ensayo, mientras que el lado sur muestra un perfil facetado ya que la misma no ha sido afectada por el desgaste. Por otro lado, y para ejemplificar lo complejo del abordaje de conceptos inherentes a la tribología, en la Figura 17 se observan con claridad dos surcos generados en el ensayo de desgaste ASTM G 65. En la parte superior se ve uno de los surcos, el cual permite observar la deformación plástica típica del mecanismo de desgaste micro surcado o micro plowing. En el centro de la imagen se ve un gran surco, en este se aprecian signos de producidos por un mecanismo de desgaste tipo micro corte o micro cutting.

7 al desgaste es del orden de las tratadas y en caso de fabricación su coste seria menor. Figura 16. Huellas cola de cometa a partir de una partícula dura, 150X. Figura 17. Daño superficial por microsurcado y microcorte, 7500X. CONCLUSIONES Se observa el buen comportamiento de los herramentales empleados para la obtención de las pastillas, tanto en la etapa de mezclado como la de compactado. Se observó un correcto diseño del modelo y del molde, evitando erosiones sobre las pastillas, y posibilitando que todas reciban el metal colado al mismo momento. La evacuación de gases durante la colada es un punto a estudiar en el diseño del molde, pues la retención de gases podría ser la causa de los defectos observados en la interfaz pastilla/sustrato. Parecería fundamental, para caracterizaciones en laboratorio, un proceso de limpieza superficial previo al ensayo para obtener datos que reflejen el verdadero comportamiento de las probetas ante agentes abrasivos. Las probetas con tratamiento térmico mostraron una resistencia al desgaste similar a la de las probetas cementadas, pero su costo de fabricación es menor. En piezas fundidas con espesores de pared mayores o iguales a 75 mm se recomienda las pastillas sin tratamiento térmico pues su resistencia REFERENCIAS 1. Wang Y., Zhang X., Zeng G., Li F. Cast sinter technique for producing iron base surface composites, Materials and Design 21 (2000) Wang Y., Li F., Zeng G., Feng D. Structure and wear resistance of an Fe-VC surface composite produced in situ, Materials and Design 20 (1999) Posmyk A. Influence of material properties on the wear of composite coatings, Wear 254 (2003) Raghunat C., Bhat S., Rohatgi P.K. In situ technique for sinthesizing Fe-TiC composites, Scripta Materiallia et Metallurgica 32 Nº4 (1995) Chaterjee S., Pal T.J. Wear behaviour of hardfacing deposits on cast iron. Wear 255 (2003) García-Cordovilla C., Narciso J., Louis E. Abrasive wear of aluminum alloy/ceramis paticulate composites. Wear 192 (1996) Martínez Gamba M., Dommarco R., Martínez R. Evaluación de la estructura y resistencia al desgaste de capas compuestas (cermets) obtenidas in situ sobre fundiciones esferoidales, CONAMET/ SAM MEMAT 2005, Mar del Plata, Argentina 8. Ceccarelli, B.; Dommarco, R.; Martinez, R.; Martinez Gamba, M. Abrasion and impact properties of partially chilled ductile iron, Wear 256 (2003) Smith A. V., Chung D.D.L. Titanium diboride particle-reinforced aluminium with high wear resistance, Journal of Materials Science 31 (1996) Dommarco R., Bastias P., Dall O H., Hahn, G., Rubin C. Rolling Contact Fatigue (FCR) resistance of Austempered Ductile Iron (ADI), Wear 221 (1998)