Aceros colados con alto Si Desarrollo de microestructuras compuestas por ferrita libre y bainita libre de carburos

Abstract

El presente trabajo final se centró en el estudio de la obtención de aceros colados de medio carbono y alto silicio con microestructuras compuestas por ferrita libre y bainita libre de carburos, principalmente realizando una caracterización de su microestructura y de sus propiedades mecánicas. Se utilizó para dicho estudio un acero cuya composición química es: 0.54% C, 2% Si, 0.64% Mn, 0.5% Cr. Las estructuras ferríticas - bainíticas libres de carburos (F-BLC), se obtuvieron sometiendo al acero a tratamientos térmicos que incluyen, en una primera instancia, un ciclo de austenizado en el campo bifásico (austenita-ferrita) que presenta el diagrama de equilibrio Fe-C, para obtener una microestructura compuesta por ferrita proeutectoide (ferrita libre) y austenita. En este primer ciclo se obtiene la ferrita libre (F) deseada en la microestructura. Luego las muestras fueron austemperadas para transformar la austenita remanente en bainita libre de carburos (BLC). Con el objetivo de tener un control sobre las microestructuras resultantes, se realizó un estudio que permitió determinar distintas variables del tratamiento térmico, tanto en la etapa de austenizado como en la etapa de austemperizado. En primer lugar, se determinaron experimentalmente las temperaturas críticas A1 y A3 que caracterizan al campo bifásico (austenita + ferrita) del acero bajo estudio. Los resultados mostraron que dicho acero presenta un campo bifásico con un rango de temperaturas muy estrecho (aproximadamente de 40°C) debido a que el contenido de carbono se encuentra cercano al eutectoide. Las temperaturas críticas A1 y A3 determinadas fueron 780°C y 810°C respectivamente. Para la obtención de las microestructuras ferrítico-bainíticas libres de carburos, las temperaturas de austenizado seleccionadas fueron 784°C, 792°C y 800°C, obteniendo un porcentaje de ferrita libre de equilibrio de aproximadamente de 18%, 11% y 4% respectivamente. Para la temperatura de 784°C, se realizó un estudio para determinar la cinética de austenizado. De esta manera se logró conocer, para una determinada temperatura dentro del campo bifásico, el tiempo mínimo necesario de permanencia isotérmica para poder lograr microestructuras con porcentajes de fases (ferrita y austenita) de equilibrio. El tiempo mínimo de cinética de austenizado determinado fue de 180 minutos. Otro estudio realizado fue el referido a la cinética de transformación de la bainita libre de carburos. Partiendo de una microestructura completamente austenítica, se determinó el tiempo mínimo de transformación para el cual la misma se detiene, es decir, la proporción de austenita y ferrita bainítica permanece constante en el tiempo. El estudio fue realizado mediante el seguimiento de la cantidad de austenita retenida medida por difracción de rayos X en función del tiempo. Se utilizaron dos temperaturas de austempering, 280°C y 330°C, obteniendo tiempos de transformación críticos de 240 y 120 minutos respectivamente. Una vez determinados todos los parámetros de tratamiento térmico, se procedió a obtener las estructuras F-BLC. Luego de dichos tratamientos, se logró con éxito la obtención de las microestructuras buscadas alcanzando distintos porcentajes de ferrita libre y bainita libre de carburos de distintas temperaturas. La caracterización de las microestructuras F-BLC permitió observar que en las estructuras coladas, durante la etapa de austenizado la fase ferrítica nuclea y crece principalmente en las últimas zonas en solidificar o “LTF” (“Last To Freeze”). Esto se debe a que estas zonas son ricas en elementos de aleación, especialmente Si y Cr, que son elementos alfágenos. La heterogeneidad química es una consecuencia de la microsegregación de los distintos elementos aleantes durante la solidificación y es la principal característica de las piezas coladas. Asimismo, se caracterizó la templabilidad y la austemperabilidad del acero mediante el ensayo Jominy. Se logró establecer que el diámetro crítico ideal del acero es de 55 mm; mientras que los diámetros críticos para las temperaturas de austemperizado fueron de 12 mm y 14 mm para las temperaturas de 330°C y 280°C, respectivamente. Luego se determinaron las propiedades mecánicas de las estructuras F-BLC mediante ensayos de tracción y dureza. La tensión de rotura osciló entre los 1000 MPa y los 1150 MPa; el límite elástico varió entre los 800 MPa y los 1000 MPa; la elongación máxima a la rotura obtenida osciló entre 7% y el 21%. Además, la dureza de las distintas variedades microestructurales fue de entre 337 HB y 477HB. Las variaciones observadas en las propiedades mecánicas se deben a la presencia de distintas cantidades de ferrita proeutectoide y las temperaturas de austemperado implementadas. Por otro lado, se realizó una comparación de los resultados obtenidos de los ensayos de tracción y dureza entre las estructuras F-BLC y BLC. Estas últimas poseen valores superiores en lo que respecta a la tensión de rotura y del límite elástico, pero con elongación por debajo de las mencionadas anteriormente. Se observó que las temperaturas de los distintos tratamientos térmicos influyen marcadamente sobre las propiedades mecánicas. A una mayor temperatura de austemperizado, la elongación aumenta y los valores de tensión de rotura disminuyen. Por su parte, la disminución de la temperatura del austenizado provoca una mayor deformación a la rotura, debido al incremento de ferrita presente en la microestructura. Los resultados preliminares de este estudio relevan la posibilidad de obtener satisfactoriamente estructuras F-BLC en aceros colados a pesar de la microsegregación de elementos de aleación presente en su microestructura. Por su parte, las mejores combinaciones de propiedades mecánicas se obtuvieron realizando tratamientos térmicos con una baja temperatura de austenizado y una alta temperatura de austemperado. Para las variables analizadas en el presente trabajo, la mejor combinación de resistencia y ductilidad se logró con un tratamiento a 784°C – 330°C, respectivamente. Este tratamiento térmico permitió obtener microestructuras F-BLC con aproximadamente 18% de ferrita libre. Se espera que los resultados obtenidos promuevan nuevas investigaciones en el campo y favorezcan el desarrollo de aplicaciones prácticas eficientes.