Aceros Colados Bainíticos libres de Carburos: Estudio de la estructura de solidificación, cinética de transformación y propiedades mecánicas

Abstract

El acero es el material más importante utilizado en la industria debido a su bajo costo relativo y al amplio rango de propiedades mecánicas que se obtienen gracias a sus variantes microestructurales, que pueden alcanzarse controlando la composición química y los parámetros de procesamiento. Entre los aceros de mayor relevancia se destacan los que poseen microestructura bainítica. La bainita, epicentro de las investigaciones relacionadas a la industria automotriz, minera y del petróleo, es un agregado de fases descubierto por Davenport y Bain durante experimentos con transformaciones isotérmicas de aceros, en 1930. Transcurrido el tiempo, la bainita ha sido asociada a tecnologías de vanguardia debido a los grandes desarrollos en teorías de transformaciones de fase y la sorprendente combinación de propiedades mecánicas que pueden lograrse con este tipo de microestructuras, especialmente resistencia y tenacidad. Sumado a esto, el bajo costo de procesamiento de la bainita ha llevado a aumentar su uso en diferentes aplicaciones industriales.Una nueva variante de aceros bainíticos con altos contenidos de silicio, de reciente desarrollo, posee una microestructura con una cantidad elevada de austenita retenida y se caracterizan por estar libres de carburos, dando origen de esta manera a los denominados ?aceros bainíticos libres de carburos?. Sobre estos aceros en los últimos años se han realizado numerosos estudios con la finalidad de optimizar su composición química y procesamiento, y de caracterizar sus propiedades mecánicas y correlacionarlas con su microestructura. Esta nueva generación de aceros con estructuras libres de carburos ha mostrado una excelente relación de propiedades mecánicas-costos de producción, con la posibilidad de obtener microestructuras de elevada resistencia, dureza y tenacidad, que abren excelentes perspectivas de utilización en diversas aplicaciones.Los trabajos reportados en la literatura particularmente sobre aceros bainíticos libres de carburos están centrados en la determinación de sus propiedades mecánicas y al desgaste en función de la composición química y variables del tratamiento térmico. Sin embargo, es importante remarcar que estos estudios, casi en su totalidad, están realizados sobre aceros que, previamente al tratamiento de austemperizado, han sufrido un tratamiento termomecánico de homogeneización y laminación o forjado, lo que genera una matriz metálica prácticamente libre de defectos como porosidad y rechupes, y con muy bajos niveles de segregación de elementos químicos. Sin embargo, muchas piezas de acero relacionadas con la industria automotriz, minera o petrolera se pueden obtener a través de la técnica de fusión y colado (cigüeñales, arboles de leva, cuerpos de bomba, partes de suspensión, etc.) y dichas piezas poseen geometrías y espesores variables. Es ampliamente reconocido que las propiedades mecánicas de piezas fundidas difieren de aquellas obtenidas por laminación o forja.En trabajo de tesis estuvo centrado en la obtención y caracterización de microestructuras bainíticas libres de carburos obtenidas a partir de aceros colados de alto silicio. El estudio incluyó el diseño de 7 aceros aptos para ser tratados térmicamente y obtener bainita libre de carburos. Para diseñar la composición química de los mismos, se han utilizado valores y tendencias encontradas en bibliografía. Luego se ha realizado una caracterización de la estructura de solidificación de los aceros en su estado bruto de colada y se ha cuantificado la microsegregación de elementos de aleación. La presencia de un patrón de microsegregación, con zonas más y menos aleadas, es la principal característica de los aceros colados y que diferencia a éstos de aquellos obtenidos mediante laminado o forja.Luego se determinó la austemperabilidad de los aceros estudiados en este trabajo. Este concepto está relacionado con el máximo tamaño de pieza que puede ser tratada térmicamente y obtener una microestructura completamente bainítica, evitando la formación de fases indeseadas como la ferrita y perlita. Para esto, se desarrolló y validó un procedimiento, mediante simulaciones numéricas, que permite obtener el máximo diámetro austemperable a partir de la realización de un ensayo estándar de templabilidad. Los resultados indican que los aceros diseñados permiten obtener piezas completamente bainíticas en un amplio rango de tamaños, desde unos pocos hasta varias decenas de milímetros de diámetro.Posteriormente, se estudió la transformación bainítica para cada uno de los aceros a distintas temperaturas de transformación. Estas últimas fueron seleccionadas a partir de la composición química de los aceros y buscando obtener distintas propiedades mecánicas. En este sentido, se lograron obtener las microestructuras deseadas en tiempos acordes a los procesos industriales y se verificó que la microsegregación influye en la cinética reacción, siendo ésta más rápida en las zonas menos aleadas. Además, también se realizó una caracterización de las microestructuras obtenidas y se observó que las mismas no son homogéneas debido a la heterogeneidad en cuanto a composición química presente en los aceros colados. Por último, se realizó una caracterización mecánica de las microestructuras obtenidas. Los ensayos de tracción arrojaron que la tensión de rotura de los aceros es dependiente de la temperatura de transformación isotérmica y que un aumento de la tensión máxima involucra, para un acero en particular, una disminución de su ductilidad. Además, cabe mencionar que se obtuvieron combinaciones de resistencia-ductilidad muy buenas, que cumplen con algunos grados de la norma ASTM, que regula los aceros colados, y se ha superado la performance de la mayoría de los aceros colados con microestructura bainítica libre de carburos reportados en bibliografía. También se superó la performance de muchos aceros avanzados de alta resistencia.