Estudio de la resistencia a la abrasión de fundiciones nodulares austemperadas en 2 Etapas

Abstract

Las tareas desarrolladas en el presente trabajo fueron realizadas dentro del programa de investigación y desarrollo conjunto del Grupo Tribología y el Área Metalurgia de la Facultad de Ingeniería. Se trabajó sobre la optimización de variables para el procesamiento de la Fundición Nodular (FN), cuando la principal solicitación es el desgaste por abrasión. Este tipo de solicitación es frecuente en industrias regionales, en áreas como explotación minera (canteras), construcción, movimiento de suelos, industria cerámica, caminos, elaboración de cemento, labranza de suelos, etc. El Grupo Tribología (GT) es un grupo de investigación dedicado al estudio de aspectos relativos a la Tribología: Fricción, Desgaste y Lubricación. El GT surgió a partir de trabajos realizados en la División Metalurgia del INTEMA, principalmente sobre aspectos relativos al desgaste según los mecanismos de abrasión y de fatiga de contacto. A través de los trabajos realizados hasta el presente se ha evaluado en profundidad la potencialidad del uso de la fundición nodular con diferentes microestructuras. Por un lado, se ha trabajado en la caracterización de la microestructura y los mecanismos de transformación [ i , ii , iii ]. Por otro lado, se ha evaluado la respuesta tribológica de diferentes micro-estructuras bajo distintos mecanismos de desgaste. Por ejemplo, fundiciones nodulares austemperadas (ADI – del inglés “Austempered Ductile Iron) sometidas a abrasión [iv, v, vi ], erosión [vii], y fatiga de contacto [viii, ix, x ]. También se estudiaron estructuras parcialmente acoquilladas sometidas a abrasión [ xi ] y fatiga de contacto [ xii ] Sin embargo, de acuerdo a la bibliografía, el espectro de posibilidades en términos microestruturales aún admite la posibilidad de nuevos desarrollos dentro de las fundiciones de hierro. Es así que en la actualidad se está trabajando en el desarrollo de nuevos ciclos del tratamiento térmico de austemperado, que permiten obtener nuevas variedades microestructurales. Por otro lado, cuando se consideran las propiedades mecánicas, la estructura martensítica, tanto en aceros como en fundiciones, posee como principales características una elevada resistencia y dureza, pero a su vez baja ductilidad. En particular, una elevada dureza parece ser ventajosa frente al desgaste por abrasión. En efecto, en condiciones ideales el aumento de dureza limita la profundidad de los surcos producidos por las partículas abrasivas y, por lo tanto, el volumen de material removido cuando actúan micro-mecanismos de corte [ xiii ]. Esto es así, porque existe una competencia entre la dureza del material abradido y la del abrasivo, que es decisiva en la durabilidad del primero. En materiales tradicionales la estructura martensítica provee una dureza, resistencia a la abrasión y costo satisfactorios. Cuando se requiere un aumento importante de la resistencia a la abrasión se buscan estructuras de muy alta dureza, tales como la de las fundiciones blancas (por la presencia de un contenido elevado de fase carburo) aunque a un costo elevado. Sin embargo, se ha demostrado que no es la dureza la única variable que gobierna el comportamiento de un material frente a la abrasión. La capacidad de deformación de una aleación se vuelve importante cuando el desgaste abrasivo se desarrolla según el mecanismo de micro-fatiga (el material se desprende por el solapamiento de surcos sucesivos). En este tipo de desgaste abrasivo, para durezas similares, las microestructuras más dúctiles podrán tener mayor resistencia al desgaste, ya que consumen más energía antes de liberar o perder material por abrasión. En trabajos previos del Grupo Tribología [iv, xiv ] se demostró que esto es así, en particular cuando la abrasión es severa, es decir cuando la deformación involucrada en el evento tribológico es grande. Por lo tanto, es de esperar que un aumento en el contenido de austenita pueda promover también un aumento en la resistencia al desgaste por abrasión. La cantidad de austenita retenida en la estructura de ADI puede controlarse a través del manejo de las variables de tratamiento térmico, en cantidades máximas que en este material oscilan entre el 30-35%. La literatura muestra que una nueva variante del ciclo térmico del tratamiento de austemperado, realizada en dos etapas, la primera para la nucleación de la ferrita y la segunda para su crecimiento, promueven cantidades de austenita un 25% superiores, pudiendo alcanzar entonces un contenido de 35-45% de austenita [ xv , xvi , xvii ]. Entonces, de acuerdo a lo expresado más arriba con relación a las características del desgaste por abrasión, es de esperar que esta nueva variante de austemperado en dos etapas promueva una mejora en la resistencia a la abrasión, cuestión que no ha sido estudiada en la bibliografía hasta el presente. Por lo tanto, el presente trabajo se focalizó en el estudio de la influencia que el proceso de austemperado en dos etapas posee sobre la resistencia a la abrasión del ADI bajo dos tipos de ensayo diferentes. Uno de ellos es la condición de baja presión, impuesta en el laboratorio mediante el “ensayo con rueda de goma y arena seca” (ASTM G 65). El otro es la condición de alta presión, impuesta en los ensayos de campo sobre uñas de palas cargadoras frontales.