Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 20, N° 1, 2000, 3-12

EFECTO DE LA TEMPERATURA DE AUSTEMPERIZADO EN LAVELOCIDAD DE CRECIMIENTO DE GRIETAS EN HIERROS

NODULARES MODIFICADOS CON COBRE, NIQUEL Y/OMOLIBDENO

(parte 1: Desarrollo Experimental y Pruebas del Medio Continuo)

aMoA. Acosta, a,bM.Martinez Madrid, aJoA. Lopez

aInstituto Mexicano del Transporte, Coordinación de Equipamiento para el Transporte,Querétaro, México,

"Universidad Nacional Autónoma de México, Física Aplicada y Tecnología Avanzada,Querétaro, México. E-mail: miguel.martinez@imt.mx

Resumen

Se realizaron estudios de las propiedades mecarncas del medio continuo en hierros nodularesaustemperizados, con el objetivo de determinar la combinación óptima de composición química ytemperatura de tratamiento isotérmico, que produzca las mejores propiedades mecánicas y una mejorresistencia a la fatiga. Para este fin, se estudiaron siete composiciones diferentes de hierros nodularesaleados con: cobre, níquel y/o molibdeno; los cuales, fueron sometidos a tres tipos de tratamientotérmico de austemperizado, para obtener microestructuras básicamente bainíticas, los ensayos serealizaron a temperatura ambiente.

Los resultados muestran que, con una menor temperatura en el tratamiento térmico deaustemperizado se obtienen mejores propiedades mecánicas. El análisis de los resultados fue reforzadocon valoraciones de la morfología y nodularidad del grafito.

Palabras Clave: Hierros Nodulares, Austemperizado, Mecánica del Medio Continuo, Propagación deGrietas por Fatiga.

Abstract

It was carried out studies of the mechanical properties of the continuous means in austemperednodular iron, in order to determine a good combination of chemical composition and isothermaltreatment temperature that produces the best mechanical properties and a better resistance to thefatigue. Seven different nodular iron compositions alloyed with copper, nickel and/or molybdenumwere studied and they were subjected to three types of austempering thermal treatment to obtain abainitic microestructure. Tests were carried out at ambient temperature.

The results show that with a lower temperature in the austempering thermal treatment bettermechanical properties are obtained. The results were correlated with the morphology and graphitenodularity.

Keywords: Nodular Irons, Austemperizado, Mechanics of the Continuous Means, Propagation ofCracks for Fatigue.

4 M A. Acosta y col. /Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales

1. Introducción

El Hierro Nodular tiene mayor resistencia a la fatigaen comparación con el Hierro Gris, debido a la formanodular del grafito, por lo tanto, son materiales deimportancia tecnológica gracias a que además poseen lassiguientes ventajas: buena relación costo - beneficio,facilidad de producción, excelente maquinabilidad ydisponibilidad de materia prima para su fabricación. Enla industria automotriz, los Hierros Nodulares se utilizanen varias partes (Fig. 1), muchas de las cuales estánsujetas a procesos de fatiga.

Investigaciones recientes han demostrado que untratamiento térmico de austemperizado mejoranotablemente las propiedades de fatiga de hierrosnodulares, haciéndolos competitivos contra los acerosforjados y otros materiales en aplicaciones donde sepresenta fatiga, como por ejemplo: partes de suspensión,flechas, cigüeñales, etcétera [1,2]. Sin embargo, a lafecha, se han.reportado pocos estudios sistemáticos delefecto de la temperatura de transformación isotérmica,así como de la composición química en elcomportamiento en fatiga de estos materiales. Enespecial, las combinaciones de aleantes como Cu-Ni, Cu-Mo, Ni-Mo y Ni-Mo-Cu, los que resultan atractivas parala producción comercial de partes hechas con hierronodular austemperizado, por su combinación depropiedades en tensión e impacto.

Los datos de los ensayos mecánicos del mediocor '\nuo (Tensión y Dureza) servirán para la selección demate 'iales, buscando la combinación óptima decomp isición y temperatura de tratamiento isotérmico,que pi oduzca las mejores propiedades mecánicas, asícomo una mayor resistencia a los procesos de fatiga,tema que es tratado en la segunda parte de esta.nvestigación,

con Hierro Nodular,

2. Antecedentes

El hierro nodular austemperizado, es esencialmentediseñado para aplicaciones que requieren unacombinación de alta resistencia y alta tenacidad, estaspropiedades son el resultado de múltiples factoresdestacando: las características microestructurales, la

nodularidad y los tipos de microconstituyentes que posee laaleación; donde la nodularidad se refiere al porcentaje degrafito que se encuentra en forma de nódulos dentro de lafundición de hierro [2].

2.1. Efectos de los elementos aleantes

El efecto de los elementos aleantes determinan lastendencias de transformación microestructural durante eltratamiento térmico de los hierros nodulares, los cuales seenumeran a continuación:

Molibdeno• Incrementa la solubilidad del carbono en la austenita y

baja el coeficiente de difusión, incrementando elvolumen de austenita estabilizada y disminuyendo elcontenido de ferrita[ 4-7].

• El efecto sobre la templabilidad es diez veces superioral cobre[8].

• Forma carburo s muy difíciles de disolver.• Se usa especialmente en piezas de gran sección.• Con contenidos superiores al 0.3% se incrementa la

segregación lo cual es nocivo en algunas fundiciones[4,5,9].

Níquel• Disminuye la transferencia de carbono entre la matriz

y los nódulos de grafito.• Estabiliza la fase austenítica, por lo tanto disminuye la

temperatura de austenitización (transformación aaustenita).

• Kovacs señala que no afecta la cinética de la 1a etapa(nucIeación de ferrita y austenita de alto carbono) peroretarda la precipitación de carburos. Por otro lado,algunos autores afirman que este elemento retardaconsiderablemente la la etapa, este efecto es másmarcado cuando el níquel se usa en combinación concobre[ 4,8,9,10].

• El níquel incrementa el tiempo del tratamiento deaustemperizado, requerido para alcanzar el máximoesfuerzo tensil para cualquier temperatura{8].

• Existe acuerdo para señalar que, incrementando elcontenido de níquel en las fundiciones nodularesaustemperizadas, se incremenía la ductilidad,alcanzando la máxima alrededor 00/0; a mayorescontenidos hay una gradual en estapropiedad[ 4,5,8",11].

• Por otra parte, la re;tisteo::a tensión disminuyecuando se increm COIMelD:JíIO de níquel y dentrode un rango de perizado de 300a 400°C[4].

Cobre• De efectos si:::=i!~~ ¡¡¡!¡;::q:1d, pero más económico, se

agrega -dad de templado.• Es de la perlita en las

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• Crea una barrera para la difusión del carbono, por loque retarda el tiempo de austenitización[9].

• No se ha reportado que altere el inicio de latransformación en el austemperizado, pero se creeque retarda la aparición de carburos y por enderetarda la 28 etapa, por lo que amplía el intervalo detiempo donde se tiene la máxima ductilidad yresistencia al impacto[4,8].

2.2. Etapas de la transformación isotérmica delAustemperizado

En la Fig. 2, se puede apreciar un ciclo típico deltratamiento térmico de austemperizado, en donde la piezade fundición es austenitizada (formación de Austenita)entre 850 y 950°C, templada posteriormente en un bañode sales fundidas en un rango de temperatura de 300-500°C Y mantenida a esta temperatura por el tiemponecesario para lograr la transformación'f de la austenitaen bainita.

600 EUTA~I! 400

!••Q.

E 200••r-MARTENSITA

10 rooTiempo (seg)

HJOO ieceo

Fig. 2. Diagrama de transformaciónisotérmica, mostrando latrayectoria del tratamiento térmico de austemperizadotípico para el hierro nodular.l.5%Ni-O.3%Mo[12].

La transformación isotérmica, en el intervalo detemperatura del austemperizado se realiza en dos etapas:

Etapa J: Transformación parcial de austenita

y~(a.)+(y)

Etapa 2. Descomposición de la austenita metaestable

(y) ~ a. + carburosdonde:

y : Austenita [13](y) : Austenita Metaestablea. : Ferrita(a.): Ferrita sobresaturada con carbono

a. + carburos: Bainita o Ausferrita

5

González, Hallen y Cisneros evaluaron las propiedadesen tensión, impacto y a la fatiga de dos hierros nodularesaleados con Cu-Mo y con Ni-Mo; austemperizados tanto a370°C, como a 315°C, con el fin de obtenermicroestructuras de bainita gruesa y bainita finarespectivamente (Fig. 3) [1]. Los resultados de éstosestudios mostraron que, en ambas aleaciones es posibleobtener una buena combinación de resistencia mecánica yresistencia a la fatiga mediante el austemperizado. Para unamisma composición química, se obtuvo mayor resistenciamecánica y mayor resistencia a la fatiga con la temperaturade austemperizado de 315°C, aunque la energía de impactoCharpy fue mucho mayor con la temperatura deaustemperizado a 370°C. Los hierros nodulares con Cu-Modemostraron tener una resistencia a la fatiga mayor que losaleados con Ni-Me.

100/lm

Fig. 3. Microestructuratípica del hierro nodular tratado a 315°C,mostrandola bainita inferior (aleación INi-O.23Mo-O.6Cu)

3. Metodología Experimental

En esta sección se detalla la metodología experimentalempleada para el desarrollo de este trabajo y en la cual sedescribe: el proceso de fabricación de las probetasutilizadas para los ensayos de crecimiento de grieta, lacomposición química y la nomenclatura utilizada delmaterial estudiado, así como, del tipo de pruebas y de losequipos utilizados para realizar las pruebas mecánicas delmedio continuo.

3.J. Fusión v obtención del Hierro Nodular

Para la fusión y obtención del Hierro Nodular con cadauna de las composiciones estudiadas, se utilizó un hornoeléctrico de inducción sin núcleo, como el que se muestraen la Fig. 4, posteriormente a la fusión de los materiales serealizaron los siguientes procesos " metalúrgicos:inoculación, nodulización y vaciado en moldes, los cualesse detallan a continuación:

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Fig. 4. Proceso de vaciado del metal fundido, del Horno deinducción hacia el cucharón de nodulización, Laboratorios deMetal - Mecánica del Instituto Tecnológico de Sa/ti//o, México.

Inoculación, Nodulización y vaciado

Previamente al proceso de nodulización, se aplicó elproceso de inoculación en el cucharón de nodulización,empleando como inoculante ferrosilicio.

Una vez terminado el proceso de inoculación serealizó la Nodulización, el cual tiene por objeto favorecerla precipitación de nódulo s de grafito. Para el proceso denodulización se empleó el método tundish-cover o dereactor con tapa, la ventaja de este método es que selimita la cantidad de aire (oxígeno) disponible dentro delreactor mientras ocurre la reacción líquidoesferoidizarite (nodulizante), ya que el cucharón esparcialmente cerrado por medio de una tapa en su partesuperior (Fig. 5). Los nodulizantes empleados sonferrosilicio y magnesio.

Fig. 5. Esquema del cucharón de nodulización.

Para los procesos de Inoculación y Nodulización, losreactivos se colocaron en la cavidad del fondo del

cucharón de nodulización, para- 'hacer más eficiente lareacción.

Terminada la nodulización se vació el metal fundido enmoldes de arena sílica con silicato de sodio y endurecidacon CO2, los cuales tienen forma de bloque en Y, lo quepermitió que los defectos que se producen durante lasolidificación se diseminaran en la parte superior, de talforma que la parte inferior permaneciera con menornúmero de defectos, como pudieran ser rechupes oporosidades. En la Fig. 6 se muestra un esquema de losbloques Y.

----,...,...IIIIIIIIII'D.-t

...,...II II IIIlI• I

(1")1

'DII I.•....

111111~5.J

----~--------- 203-. --------1

Fig. 6. Esquema de los bloques de fusión en "Y", de donde seobtuvieron las probetas de ensayo.

3.2. Composición Química y Nomenclatura utilizada

La composición química y nomenclatura utilizada delos Hierros Nodulares estudiados, se muestra en la tabla 1.

Tabla l. Composiciónquímica de los hierros nodularesensayados(% en.peso),

3.3. Tratamiento térmico de austemperizado

Con respecto al proceso del tratamiento térmico deaustemperizado que se empleó, éste se realizó en dosetapas, como se detalla a continuación:

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Etapa l.Austenitizado

Todas las probetas fueron transformadas en austenita,a una temperatura de 870°C durante dos horas en unhorno de resistencia eléctrica (Fig. 7). El tiempo utilizadofue establecido básicamente para que todas las probetasalcanzaran la transformación esperada.

Para evitar la descarburización en la superficie porefectos de difusión hacia el exterior, a las probetas se lesaplicó una capa de pintura base zirconia y luego seempaquetaron en una caja metálica rellena de rebabafresca de hierro gris.

Etapa 11. Austemperizado

Para la transformación isotérmica deAustemperizado, es decir, la etapa en que ocurre latransformación de austenita a bainita (ausferrita), serealizó en un baño de sales fundidas con nitrato de sodioy carbonato de sodio, en una relación de dos a uno enpeso y con temperaturas de 370, 350 Y 315°C. Una veztranscurrido el tiempo de transformación (2 horas), lasmuestras fueron sacadas del baño de sales y enfriadas conagua. Las temperaturas del tratamiento térmico, fueronseleccionadas con el fin de obtener una estructuracristalina del tipo bainítico (ausferrítico).

1000-800

E100

I! 600E

500i~

400

:lOO

200

100

oo

ETAPA I

870

ETAPA U

-

1""3 41 ' 2

Tiempo (Hrs)

Fig. 7. Proceso del tratamiento térmico empleado en elexperimento.

3.4. Pruebas mecánicas realizadas

Para reforzar el análisis comparativo de cadacomposición química ensayada, se hicieron las siguientespruebas mecánicas del medio continuo:

Pruebas de tensión unioxial

Para las pruebas de tensión uniaxial, estas serealizaron por duplicado con probetas cilíndricas desección reducida de acuerdo a la norma ASTM-897M-90,en una máquina servohidraúlica MTS modelo 810, de100 KN de capacidad en carga estática.

7

Pruebas de dureza

Se realizaron pruebas de dureza brinell, en cada una delas aleaciones estudiadas, con las siguientes condiciones deprueba:

Diámetro del Identador 10rnmCarga 2900Kgs

Tiempo de aplicación de carga 10 Seg.

Pruebas estereométricas del grafdo

Antes del tratamiento térmico de austemperizado, semidieron el tamaño, nodularidad, los nódulos/mm" y laesfericidad de los nódulos de grafito, para realizar estasmediciones se utilizó un analizador de imágenes BuehlerOmnimet IV y un microscopio metalográfico OlympusMetphot, la microestructura se reveló mediante ataquequímico con una solución de Nital al 2%.

~uebas~aJOgrájicas

Después del tratamiento térmico de austemperizado, serealizaron las metalografias en un microscopiometalográfico Olympus Metphot, en campo calro, a 200 y400 aumentos, la microestructura se reveló medianteataque químico con una solución de Nital al 2%.

4. Resultados y Análisis de Resultados

En esta sección se muestran los resultados de laspruebas llevadas a cabo para cada una de las aleacionesestudiadas.

4.1. Resultados de las pruebas de Tensión Uniaxial

En la tabla 2 y en las Figs. 8 y 9, se muestran laspropiedades en tensión, en la cual se indica el esfuerzo decedencia (00) y la resistencia última a la tensión (RUT),

5 Tabla 2 Propiedades en tensión de las diferentes aleacionesTemp 370°C 350°C 315°CComp o. RUT 0'. RUT 0'. RUT

(Mpa) (MPa) (MPa) (MPa) (MPa) (MPa)C3 866 1136 - - 1005 1327C4 591 834 775 1053 787 1271es 608 811 877 1027 1114 1350C6 557 820 725 1020 864 1319C7 654 895 813 1107 1091 1359es 724 937 880 1069 1007 1288C9 782 951 943 1157 1090 1354

8 M A. Acosta y col. /Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales

1~O'---------~-----------------------'1100 +----------li~\l---------;;;;;:-------__:=_"

t~ 1~+_~~------~~-----~~-~-_4~~j 900 +--!l~iIl-A---------l!il\l---------h'll---Irm----iílll~"ilI_l

-ll 800 HlHi\j----=--

j 700 HlHl\l+~--illll~-.:l600 +---'J-lll!l1-=

C3 C4 C6 C6 C7 CS C9

Fig. 8. Esfuerzo de cedencia por tipo de aleación.

1400

"i 1300 ¡"i ~~ .~

¡;:'0 1~0.¡e as ~.!! 1100 "-•lOE

1~~5·3 900¡;:Jl.!..

800~

C3 C6 C9C7 caC4 C6Fig. 9. Resistencia Ultima a la Tensión por tipo de Aleación.

Los datos de la aleación C3 no están disponibles, yaque de las probetas ensayadas, todas fueron rechazadaspor fracturarse fuera de la zonas de medición.

4.2. Resultados de las Pruebas de Dureza

En la tabla 3 y Fig. 10, se indican los valores dedureza Brinell, de las aleaciones ensayadas.

Tabla 3. valores de dureza Brinell de las aleaciones ensayadas,

Temperatura de transformaciónComp. 3700C 3500C 31S0CC3 274 310 372C4 275 318 375es 285 328 382C6 303 326 390C7 294 336 385es 289 336 393C9 303 344 385

410

390

370

! 360¡::l 330e¿¡ 310

290

270

260C3 C4 C5 C6 C7

Fig. 10. Dureza Brinell por tipo de aleación.C8 C9

4.3. Resultados de las Pruebas Estereométricas

En la tabla 4 y Figs. 11, 12 Y 13, se indican lascaracterísticas estereométricas del grafito presente en loshierros nodulares ensayados. .

Tabla 4. Características del grafito... ..

Comp Ta ularidad Nódulos/mm2 Esfericidad(%) (%l

C3 6y7 95 155 68.1C4 5y7 80 211 65.9CS 6y7 90 150 68.3C6 5y7 90 280 82.8C7 6y7 95 214 86.9C8 5y6 85 180 75.6C9 6y7 95 280 -

6.6.----------------------------,

6.66.4

6.3

6.2.2:8 6.1Z 8.0~ 5.9'i 5.8~ 5.7

6.66.6

6.4

5.35.2

C3 C8 CIC7 caC4 CS

Fig. 11. Tamaño promedio de los nódulos por tipo de aleación.

Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 20, No.l, 2000,

300280280240

Ne 220e~ 200"~ 180180140120100

C3 C4 CS CS C7 C8 CSFig. 12. Número de nódulos por mnr', por cada tipo dealeación.

100%.----------------------------------,

9~k~.r----------------_,.r--------~~90%+-1.._----85%+-1.._----

80%+-1"_-....---75% +-1__ -.--111-----

65%

60%C3 C4 CS C7 C8 CS

Fig. 13. Porcentajes de Nodularidad Y esfericidad, por tipo dealeación.

En general, se obtuvo una nodularidad promedio del90% y un tamaño de nódulo entre 5 y 7.

4.4. Resultados metalográficos

Las microestructuras obtenidas con la mismatemperatura de transformación, fue similar para las sietecomposiciones estudiadas de hierro nodular. Sinembargo, con diferentes temperaturas de transformación,se obtuvieron diversas microestructuras: las probetastratadas a 31SOC (Fig. 14) mostraron bainita inferior,acicular y fina, mientras que las tratadas a 370°Cpresentaron bainita superior, plumosa y gruesa (Fig. 15),Y con tratamiento a 350°C (Fig. 16) presentaron unamezcla de ambas.

9

Fig. 14. Microestructura típica de las probetas tratadas a 315°C,mostrando bainita inferior, aleación C3 a 400X.

Fig. 15. Microestructura típica de las probetas tratadas a 3700C,mostrando la bainita superior, aleación C3 (INi-O.23Mo-O.6Cu) a400X.

Fig. 16. Microestructura típica de las probetas tratadas a 3500C,mostrando una mezcla de bainita superior e inferior, aleación C3a400X.

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4.5. Análisis de los resultados

Efecto de la Temperatura de Austemperizado

De las pruebas realizadas se encontró que existe unadependencia del esfuerzo de cedencia, la resistenciaúltima a la tensión y de la dureza con respecto a latemperatura de austemperizado; los tres parámetrosaumentan invariablemente al disminuir la temperatura deaustemperizado, encontrando los máximos valores a315°C de cada una de las composiciones químicasensayadas.

El mayor esfuerzo de cedencia lo registra la aleaciónC5, la máxima resistencia última a la tensión la aleaciónC7 y la máxima dureza la aleación C8, todos con untratamiento térmico a 315°C.

Efecto de la composición química

Con respecto al esfuerzo de cedencia las aleacionesC4 y C6 presentaron los valores más bajos con cualquiertemperatura de Austemperizado, el mayor esfuerzo decedencia lo registro la aleación C3 para el tratamientotérmico a 370°C y para 315°C lo registro la aleación C5.

Con respecto a la Resistencia Ultima a la Tensión, nose observan diferencias por efecto de la composiciónquímica, ya que presentan una variación entre el máximovalor registrado y el mínimo con menos del 6%, losvalores máximos los registraron la aleación C5, C9 y C7.

Con referencia a la dureza, no se aprecia un efectoevidente debido a la composición química

El efecto de la composición química con referencia alas características estereométricas, se observa que conrespecto a la forma de los precipitado de grafito, en lasaleaciones C3, C7 y C9, estas tienden a precipitarse enforma de nódulos (Nodularidad). En las aleaciones C6 yC7, los precipitados de grafito tienden a ser esféricos.Los nódulos más grandes se registran en las aleacionesC3, C5, C7 Y C9. Las aleaciones C6 y C9, presentaron elmayor número de nódulos por unidad de área.

Efecto de las características estereométricas del grafito

Por otra parte, al igual que lo reportado por Gonzálezet al, la cuenta de nódulos volvió a ser muy variada (150a 250 nódulos/mnr') y no se observaron diferenciassignificativas en el comportamiento de los hierros porefecto de esta característica, por lo que se podríaestablecer que el número de nódulos de grafito(nodularidad) no influye en las propiedades mecánicasestudiadas, al menos en un rango de 150 a 250nódulos/mm" [1].

5. Conclusiones

Durante el desarrollo de este trabajo, se planteó unametodología para la producción y mejora de materialesque actualmente se emplean en la industria y el cual,

puede servir como base para futuras investigaciones entemas afines.

Con respecto a los materiales ensayados en esteproyecto, se establecen las siguientes conclusiones:

l. Existe una clara tendencia de que los HierrosNodulares con un tratamiento térmico deAustemperizado a 3700C muestran una menorresistencia mecánica, que coincide con un estudioanterior!'! El caso contrario es el Hierro Nodulartratado térmicamente a 315°C, ya que presenta lasmayores .resistencias mecánicas.

2. Los materiales ensayados tuvieron diferentesnodularidades, pero no se distinguió una tendenciaclara de esta variación en los resultados, lo querefuerza la idea de que la cuenta de nódulos (rango de150 a 250 nódulos/mm/) no influye en las propiedadesmecánicas estudiadas.

3. Con respecto a la morfología de los nódulos de grafitono se encontró evidencia de que influyan en laspropiedades mecánicas de los materiales estudiados.Sin embargo, se encontraron diferencias en lamorfología y el número de los nódulos precipitadospor tipo de aleantes utilizados.

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