CONAMET/SAM-26 EFECTOS DE LAS VARIABLES DEL PROCESO EN LAS PROPIEDADES MECÁNICAS DE FUNDICIONES ESFEROIDALES AUSTEMPERIZADAS CON MICROESTRUCTURAS TIPO DUAL PHASE Alejandro BASSO, Ricardo MARTINEZ y Jorge SIKORA División Metalurgia INTEMA Universidad Nacional de Mar del Plata - CONICET, Juan B. Justo 432, (B768FDQ) Mar del Plata, Argentina. abasso@fi.mdp.edu.ar RESUMEN En los últimos años las fundiciones nodulares austemperizdas (ADI) han mostrado una destacable aptitud para reemplazar piezas de aceros aleados, templados y revenidos, tanto forjados como colados, merced a sus importantes ventajas técnicas y económicas. Una línea de investigación de gran interés actual tiene por objetivo lograr un aumento adicional de las ya notables propiedades de las ADI, buscando mejorar específicamente la ductilidad y la tenacidad mediante modificaciones en los ciclos de tratamiento térmico. En el presente trabajo se estudian las propiedades mecánicas de fundiciones ADI con matrices tipo dualphase consistentes en ferrita alotriomórfica y ausferrita. Se analizan los efectos de distintas relaciones porcentuales de ambas fases, diferentes morfologías de ferrita y distintos tipos de ausferrita logradas para temperaturas de austemperizado de 3 y 33 C (distintos grados de ADI). Se reportan datos de resistencia y ductilidad para microestructuras con fracciones de ausferrita y ferrita variables y se realizan comparaciones con matrices convencionales, totalmente ferríticas y totalmente ausferríticas. Algunas relaciones entre cantidad de ferrita y ausferrita mostraron interesantes combinaciones de propiedades, aunque no son tan relevantes como las obtenidas anteriormente por los autores para temperaturas de austemperizado mayores (35 C). Palabras Clave: ADI, intervalo intercrítico, ferrita alotriomórfica, tratamientos, propiedades.
1. INTRODUCCIÓN Es de conocimiento general que las fundiciones de hierro con grafito esferoidal (FE) muestran una creciente utilización en la fabricación de piezas de alto compromiso, reemplazando cada vez más a aceros forjados y colados. En la práctica industrial hay numerosas piezas que requieren disponer de un alto grado de deformación y tenacidad. En estos casos las FE ferríticas son una excelente alternativa, ya que poseen valores de deformación mayores al 18% con muy buenas propiedades al impacto, aunque sus valores de resistencia a la rotura y dureza son mucho menores a los de otras matrices, tales como las perlíticas y martensíticas. Es también conocido que hace aproximadamente dos décadas comenzaron a desarrollarse y a emplearse a nivel industrial las fundiciones esferoidales austemperizadas (ADI), un material fundido y tratado térmicamente de muy alta resistencia mecánica. A consecuencia de sus notables ventajas técnicas, su crecimiento mundial ha sido notorio y actualmente las ADI compiten ventajosamente con los aceros aleados, forjados y tratados térmicamente. A pesar de su excelente resistencia mecánica y ductilidad, las ADI pueden no alcanzar la tenacidad requerida en el caso de piezas de seguridad de muy alto compromiso en servicio. Recientemente se ha comenzado el desarrollo de fundiciones esferoidales con matrices tipo dual-phase compuestas por distintas cantidades de ferrita y ausferrita [1,2]. Con este tipo de microestructuras se persiguen objetivos similares al de los aceros inoxidables tipo duplex, los cuales merced a sus microestructuras ferritico austeníticas poseen elevada resistencia mecánica con valores de limite elástico que duplican el de los aceros inoxidables austeníticos. Un ejemplo de aplicación de estos aceros es la fabricación de tanques de almacenamiento para buques de carga, donde el acero inoxidable dúplex 225 ha mostrado tener una resistencia superior al acero inoxidable austenítico 317 LN y ha permitido un ahorro significativo en el peso de la estructura. La obtención de estructuras tipo dual phase en fundiciones nodulares se produce sometiendo a las fundiciones esferoidales a tratamientos térmicos especiales llevados a cabo a partir de una austenización incompleta a temperaturas comprendidas dentro del intervalo intercrítico. Recientemente la División Metalurgia del INTEMA ha comenzado a realizar estudios en este campo [3, 4, 5]. En trabajos anteriores los autores del presente trabajo demostraron que, comparativamente con estructuras 1% ausferríticas en piezas de ADI austemperizadas a 35 C, al aumentar el porcentaje de ferrita disminuye la tensión de rotura, el límite elástico y la dureza, pero en contraposición, la ductilidad experimenta un incremento porcentual mucho más significativo [4]. Dichos resultados preliminares, considerados altamente promisorios, motivaron la continuidad de esta línea de investigación, siendo el principal objetivo del presente trabajo evaluar las propiedades mecánicas para matrices con distintos porcentajes de ferrita / ausferrita, pero empleando ahora temperaturas de austemperizado mas bajas, que permitan lograr estructuras ADI de muy alta resistencia mecánica. 2. METODOLOGÍA EXPERIMENTAL Las probetas utilizadas en este trabajo fueron extraídas de bloques Y de 1 pulgada de espesor cuya composición química se muestra en la Tabla 1. %C %Si %Mn %Cu %Ni %CE 3.35 2.4.34.68.95 4.26 Tabla 1: Composición química del material utilizado Para determinar las temperaturas del intervalo intercrítico se realizaron tratamientos térmicos de temple en agua sobre cilindros de 2mm de longitud y 12m de diámetro, con el objetivo de comprobar, en primera instancia la temperatura a la cual se produce la austenización completa mediante la obtención de una matriz totalmente martensítica (temperatura Crítica Superior). Luego se prosiguió realizando tratamientos similares, pero bajando la temperatura de austenización hasta determinar la total desaparición de la fase martensítica (temperatura Crítica inferior). Para la obtención de estructuras dual phase se utilizó el ciclo térmico, denominado AB, el cual consistió en calentar la pieza de FE previamente ferritizada hasta una temperatura ubicada dentro del intervalo intercrítico, debidamente establecido previamente (etapa de austenizado incompleto). Luego las piezas fueron introducidas en un baño de sales a temperaturas de austemperizado de 33 ºC y 3 ºC. El ciclo empleado se esquematiza en la Figura 1. Los ensayos de tracción se realizaron bajo la norma ASTM E8M/88, en una máquina de ensayos Universales Mohr&Federhaff con una capacidad de carga máxima de 4 Ton. Se determinaron propiedades mecánicas mediante ensayos de tracción sobre probetas con estructuras dual-phase. También se realizaron ensayos sobre probetas con matrices 1% ferríticas y 1% ADI (empleando siempre temperaturas de austemperizado de 33 ºC y 3
ºC), para obtener valores de propiedades mecánicas que sirvan como referencia. encima de las barras se puede observar la temperatura intercrítica utilizada en cada caso. Temperatura Ciclo Tratamiento Térmico AB Tup Tlo Intervalo Intercrítico Austemperizado Tiempo Figura 1: Esquema del ciclo térmico utilizado A: Tγ = 8 ºC (5X) Todas las probetas de tracción con estructuras dual-phase fueron seccionadas después del ensayo con el fin de cuantificar efectivamente los porcentajes de ferrita y ausferrita presentes. 3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN El primer paso de este estudio consistió en la determinación del intervalo intercrítico a fin de establecer con precisión las temperaturas críticas superior e inferior del mismo y las relaciones ferrita/ausferrita en función de la temperatura. Se cuantificaron las fases ferrita y martensita (zonas correspondientes a la austenita presente antes del temple) utilizando software para análisis de imagen. Para la aleación utilizada en este trabajo, las temperaturas críticas inferior y superior resultaron 75ºC y 87ºC, respectivamente. 3.1 Temperatura de austemperizado = 33 ºC Empleando una temperatura de austemperizado de 33 C, se buscó obtener elevados valores de resistencia y dureza, combinados con altos valores de deformación y tenacidad, en comparación con los valores de resistencia encontrados en fundiciones convencionales con matrices perlíticas o totalmente ausferríticas (ADI convencional), tratando así de obtener microestructuras que mejoraran las propiedades obtenidas en estudios preliminares [4] En la figura 2 se observan dos tipos de microestructuras obtenidas con este tratamiento para dos temperaturas dentro del intervalo intercrítico, 8 y 84 C, respectivamente. La Figura 3 muestra los valores obtenidos en los ensayos de tracción realizados sobre probetas tratadas térmicamente empleando distintas temperaturas de austenizado incompleto. En el gráfico se anexan en los extremos los valores de las propiedades correspondientes a las probetas con matriz totalmente ferrítica (% ADI) y completamente ausferrítica (1% ADI). Por B: Tγ = 84 ºC (5X) Figura 2: Microestructuras obtenidas para dos temperaturas dentro del intervalo intercrítico (T austemp. 33ºC). Los resultados muestran que a medida que aumenta la cantidad de ausferrita en la matriz, aumenta la resistencia a la rotura y la tensión de fluencia, mientras que la deformación disminuye, tal como es de suponer. Este efecto es el mismo que el observado en trabajos previos en los cuales se austemperizó a mas altas temperaturas (35ºC) [4], sin embargo la caída en los valores de deformación resultó ser mucho mas marcada aquí que en el caso anteriormente estudiado. Esto se atribuye a que la elongación disminuye en las ADI a medida que la temperatura de austemperizado decrece. 3.2 Temperatura de austemperizado = 3 ºC La segunda temperatura de austemperizado seleccionada fue de 3 ºC. En este caso se trató de evaluar la influencia en las propiedades mecánicas utilizando matrices ausferríticas de máxima resistencia y dureza. En la figura 4 se observan dos tipos de microestructuras obtenidas con este tratamiento, logradas empleando diferentes temperaturas dentro del intervalo intercrítico.
cavidades nodulares, dado que la fractura progresa conectando nódulos de grafito y zonas LTF donde Tensión (MPa) 14 12 1 8 6 4 2 Tens. Max (Mpa) Tensión Flu. (Mpa) Deformación Ferrítica T = 78ºC T = 8ºC T = 82ºC T = 84ºC T = 86ºC ADI 27 24 21 18 15 12 9 6 3 36 4 75 77 93 1 % ADI en la matriz Figura 3: Propiedades mecánicas en función de la cantidad de ADI (T=33 ºC) en la matriz La figura 4-A muestra un bajo porcentaje de ausferrita dispuesta en las zonas LTF y en los bordes de grano de ferrita. En cambio en la micrografía de la figura 4-B es posible observar que la estructura esta compuesta por un menor porcentaje de ferrita dispersa en una matriz de ausferrita fina, típica de un tratamiento de austemperizado a 3 C. Al igual que para el tratamiento de austemperizado a 33 C, el barrido en temperaturas dentro del intervalo intercrítico se realizó cada 2ºC. La figura 5 muestra los resultados de los ensayos. Estos resultados muestran una tendencia similar a los anteriormente reportados, sin embargo, se puede observar una caída más abrupta en la deformación sin registrarse un aumento tan marcado en la resistencia. 3.3 Microscopía electrónica de barrido Las superficies de fractura de las probetas de tracción fueron observadas mediante microscopía electrónica de barrido (SEM). La figura 6 muestra la superficie de fractura de una muestra con un tratamiento intercrítico a 765 o C (matriz 78% ferrítica 22% ausferrita) para una temperatura de austemperizado de 3 ºC. Se puede observar una topografía irregular, donde la fractura avanzó con gran deformación de la matriz ferrítica, interconectando nódulos de grafito. Se puede notar que las zonas de la matriz se separan con una fractura típica de hoyuelos (dimples) o fractura dúctil. Comparando dicha muestra con la superficie observada en la muestra de la figura 7 correspondiente a una microestructura de ADI convencional (microestructura 1% ausferrita), es posible destacar que la rotura se produjo mediante un mecanismo de fractura diferente. Dado que el ADI posee una tensión de rotura más elevada, combinada con buena tenacidad, hay una mayor deformación de las la acumulación de defectos y carburos, propician el avance de la fractura A: Tγ = 785 ºC (5X) B: Tγ = 83 ºC (5X) Figura 4: Microestructuras obtenidas para dos temperaturas dentro del intervalo intercrítico (T austemp. 3ºC)..
Tensión (MPa) 14 12 1 8 6 4 2 Figura 7. Superficie de fractura de un ADI (ausferrita) Tγ=9ºC, 3ºC (4X) Tens. Max (Mpa) Tensión Flu. (Mpa) Deformación 27 Ferrítica T = 765ºC T = 785ºC T = 85ºC T = 83ºC T = 855ºC 22 42 7 84 98 1 % ADI en la matriz Figura 5: Propiedades mecánicas en función de la cantidad de ADI (T= 3 ºC) en la matriz. ADI 24 21 18 15 12 9 6 3 Deformación (%) La fractura típica de un ADI como el mostrado ha sido estudiada previamente y el modo de fractura es el denominado como de cuasi clivaje. Este un mecanismo mixto en el cuál coexisten zonas de fractura dúctil (ausferrita) con lagunas de aspecto plano comúnmente relacionadas con rotura por clivaje (probablemente zonas LTF). La figura 8 muestra la superficie de fractura de una probeta con un tratamiento intercrítico a 765ºC austemperizada a 3 ºC en donde la microestructura es ferrítica con algunas zonas de ausferrita. Una imagen ampliada de la zona de fractura plana inducida por la laguna ausferrítica dentro de la matriz predominantemente ferrítica puede observarse en la figura 9. Figura 6. Superficie de fractura de una muestra con 78% ferrita y 22% ausferrita (4X) Figura 8. Fractura de una muestra con 15% de ausferrita (4X) Actualmente se están realizando estudios de mecanismos de fractura de fundiciones esferoidales con este tipo de microestructuras, principalmente sobre un análisis más exhaustivo de las superficies de fractura para diversos tratamientos en los que hay, por ejemplo, matrices ferríticas con zonas LTF encapsuladas con cantidades variables de ausferrita producidas a diferentes temperaturas, y matrices ausferríticas con una red continua de ferrita alotriomórfica.
registradas en anteriores estudios empleando temperaturas más altas (35 C). Sin embargo se considera fundamental evaluar otras propiedades específicas como por ejemplo la resistencia al desgaste y a la fatiga. - Para una relación constante ferrita-ausferrita, se observa que la disminución de la deformación y el aumento en la resistencia a la rotura se hace mas marcada a medida que disminuye la temperatura de austemperizado, es decir, a medida que aumenta el grado de ADI. - Mediante SEM se pudieron identificar aspectos relacionados con el modo de fractura de distintos tipos de microestructuras dual-phase 5. REFERENCIAS Figura 9. Fractura de una muestra con 15% de ausferrita (1X) 4. CONCLUSIONES - Al igual que en otro estudio previo, se comprobó que para las temperaturas de austemperizado empleadas en este trabajo, a medida que aumenta la cantidad de ausferrita en la microestructura aumenta la resistencia a la rotura, la tensión de fluencia y la dureza, mientras que la deformación disminuye. - Para pequeñas cantidades de ausferrita no se observan cambios notables en las propiedades mecánicas con respecto a las probetas con microestructuras ferríticas, independientemente de la temperatura de austemperizado. Los cambios comienzan a ser evidentes cuando se logra formar una red continua de ausferrita sobre la matriz ferrítica. - A diferencia de lo previamente esperado, las propiedades mecánicas de resistencia y deformación logradas con las temperaturas de austemperizado empleadas en el presente caso, no mostraron combinaciones tan notables como las 1. J. Aranzabal, G. Serramoglia, C.A. Goria, D. Rousiere. Development of a new mixed (ferritic ausferritic) ductile iron for automotive suspensión parts Int. Journal of cast metals research. Vol 16 No 1-3, pp 185-19 (22). 2. C. Verdu, J. Adrien and A. Reynaud Contributions of dual phase heat treatments to fatigue properties of SG cast irons International Journal of cast metals research. Vol 18, No 6. pp 346-354 (25). 3. M. Miranda, R.A. Martínez, J.A. Sikora. Fundiciones esferoidales austemperizadas con ferrita libre: estudio preliminar Jornadas CONAMET - SAM Vol 1 pp. 463-466 (24) 4. Alejandro Basso, Ricardo Martinez y Jorge Sikora. Development of dual phase ADI. 8th International Symposium of Science and Processing of Cast Iron China, Oct. 26 5. A.Basso, R.A. Martínez, J.A. Sikora Fundiciones esferoidales austemperizadas con microestructuras tipo dual phase. Anales del Congreso Binacional SAM/CONAMET 18 al 21 de Octubre de 25 Mar del Plata Argentina.