Tribología de Fundición Nodular Austemperada con Carburos: Fatiga de Contacto y Deslizamiento

Abstract

La fundición nodular austemperada, en inglés Austempered Ductile Iron o ADI, es un material ferroso fabricado por colada. Su microestructura consiste en partículas de grafito libre en forma nódulos, inmersos en una matriz compuesta por una mezcla fina de ferrita y austenita, obtenida mediante tratamiento térmico. Este material ha demostrado tener excelente resistencia al desgaste bajo diferentes mecanismos como fatiga de contacto por rodadura (FCR), deslizamiento y abrasión. No obstante, con el objetivo de mejorar su resistencia al desgaste por abrasión, se desarrolló la fundición nodular austemperada con carburos, en inglés Carbidic ADI o CADI, mediante la incorporación de carburos a su microestructura. Esto se logra por distintos caminos, como: el diseño de molde, el control de composición química, la introducción directa de carburos en el molde o sus combinaciones. El carburo posee muy alta dureza, y actúa como un refuerzo de la matriz, incrementando su resistencia a la abrasión, aunque reduce la ductilidad y la tenacidad al impacto. Sin embargo, es posible encontrar un balance entre estos efectos, permitiendo al material alcanzar propiedades competitivas con otros materiales resistentes a la abrasión, por ejemplo, la fundición de hierro blanca u otros “Abrasion Resistant Irons”. Hasta el presente, los estudios tribológicos sobre CADI se han enfocado en el desarrollo de su capacidad para resistir la abrasión a través del control de la microestructura, principalmente tamaño, cantidad y dispersión de carburos, tanto en condiciones de servicio de baja presión como de alta presión. No obstante, dadas las características microestructurales del CADI, es posible plantear como hipótesis que este material tenga también muy buena respuesta frente a otros mecanismos de desgaste, como la fatiga de contacto por rodadura (FCR) o el desgaste por deslizamiento, haciendo que se amplíen las aplicaciones potenciales a diferentes áreas industriales. En este sentido surge la necesidad de estudiar la resistencia al desgaste de CADI, tanto a la FCR como frente al deslizamiento, y su relación con las características de su microestructura. Por lo tanto, en este trabajo de tesis, los estudios de FCR fueron realizados utilizando material en el que la precipitación de carburos fue controlada combinando dos metodologías. Una de ellas con dos geometrías de molde de distinta forma y espesor, para obtener dos velocidades de solidificación, y la otra, mediante el diseño criterioso de la composición química. Los resultados mostraron que la variación de la microestructura de la matriz, controlada a través del tratamiento térmico, tiene una influencia secundaria en la respuesta del material frente a la FCR. Por otro lado, en general la dureza es una propiedad muy importante para la FCR, en el CADI su aumento no siempre resultó en una mejora en la vida hasta la falla, indicando que otras propiedades o características de la microestructura también pueden ser determinantes. Se observó que el desempeño del CADI sometido a FCR es superior al del ADI, y que, gracias a la presencia de carburos, posee más opciones para el control de su microestructura, como el tamaño, la cantidad y la distribución de las partículas de carburo y de grafito, pudiendo optimizar la respuesta del material para cada aplicación particular. Para el estudio y desarrollo del CADI frente al desgaste por deslizamiento, el material se fabricó colando en un molde con una coquilla en un extremo, obteniendo así un abanico de velocidades de solidificación y, por lo tanto, con cantidades variables de grafito y de carburo en función de la distancia a la coquilla. Luego el material recibió el tratamiento térmico a dos temperaturas de austemperado. Así, se evaluó la influencia de una variedad importante de microestructuras, sobre la fricción y el desgaste por deslizamiento. También se estudiaron las huellas de desgaste, analizando el micro-mecanismo de desgaste o daño presente y su relación con la microestructura en las distintas variantes de material. Por otro lado, se estudió la influencia de la velocidad de solidificación sobre la eficiencia del tratamiento térmico. Una elevada extracción de calor no sólo incrementa la velocidad de solidificación y la cantidad de carburos, sino que también condiciona la efectividad del tratamiento térmico posterior de la matriz. Sin embargo, se observó que el CADI de peor desempeño superó por casi diez veces la resistencia al desgaste del ADI de mejor desempeño, incluso cuando sus niveles de dureza resultaron comparables. A su vez, a través del estudio de la influencia de las diferentes características microestructurales, se demostró que es posible optimizar la resistencia al desgaste por deslizamiento, permitiendo diseñar la estructura de CADI para cada aplicación. Los estudios realizados demuestran que es posible obtener una gran variedad de microestructuras a través del diseño de molde, el control de la composición química y el tratamiento térmico, permitiendo optimizar al material según cada aplicación. De esta manera se observa que efectivamente el CADI, no sólo mejora el desempeño tribológico respecto del ADI cuando es sometido a la abrasión, para la cual fue concebido, sino también cuando el daño o desgaste se produce por mecanismos como la FCR o el deslizamiento (adhesión, fatiga), ampliando de este modo las aplicaciones potenciales del CADI a diferentes piezas, mecanismos o incluso áreas industriales. Mail del autor Diego Iván Pedro <dpedro@fi.mdp.edu.ar>