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 HIERROSNODULARES MODIFICADOS CON COBRE, NIQUEL Y/O

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

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

aInstituto Mexicano del Transporte, Coordinacin de Equipamiento para el Transporte,Quertaro, Mxico,

"Universidad Nacional Autnoma de Mxico, Fsica Aplicada y Tecnologa Avanzada,Quertaro, Mxico. 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 combinacin ptima de composicin qumica ytemperatura de tratamiento isotrmico, que produzca las mejores propiedades mecnicas y una mejorresistencia a la fatiga. Para este fin, se estudiaron siete composiciones diferentes de hierros nodularesaleados con: cobre, nquel y/o molibdeno; los cuales, fueron sometidos a tres tipos de tratamientotrmico de austemperizado, para obtener microestructuras bsicamente bainticas, los ensayos serealizaron a temperatura ambiente.

Los resultados muestran que, con una menor temperatura en el tratamiento trmico deaustemperizado se obtienen mejores propiedades mecnicas. El anlisis de los resultados fue reforzadocon valoraciones de la morfologa y nodularidad del grafito.

Palabras Clave: Hierros Nodulares, Austemperizado, Mecnica del Medio Continuo, Propagacin 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. Introduccin

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

Investigaciones recientes han demostrado que untratamiento trmico de austemperizado mejoranotablemente las propiedades de fatiga de hierrosnodulares, hacindolos competitivos contra los acerosforjados y otros materiales en aplicaciones donde sepresenta fatiga, como por ejemplo: partes de suspensin,flechas, cigeales, etctera [1,2]. Sin embargo, a lafecha, se han.reportado pocos estudios sistemticos delefecto de la temperatura de transformacin isotrmica,as como de la composicin qumica 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 produccin comercial de partes hechas con hierronodular austemperizado, por su combinacin depropiedades en tensin e impacto.

Los datos de los ensayos mecnicos del mediocor '\nuo (Tensin y Dureza) servirn para la seleccin demate 'iales, buscando la combinacin ptima decomp isicin y temperatura de tratamiento isotrmico,que pi oduzca las mejores propiedades mecnicas, ascomo una mayor resistencia a los procesos de fatiga,tema que es tratado en la segunda parte de esta.nvestigacin,

con Hierro Nodular,

2. Antecedentes

El hierro nodular austemperizado, es esencialmentediseado para aplicaciones que requieren unacombinacin de alta resistencia y alta tenacidad, estaspropiedades son el resultado de mltiples factoresdestacando: las caractersticas microestructurales, la

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

2.1. Efectos de los elementos aleantes

El efecto de los elementos aleantes determinan lastendencias de transformacin microestructural durante eltratamiento trmico de los hierros nodulares, los cuales seenumeran a continuacin:

Molibdeno Incrementa la solubilidad del carbono en la austenita y

baja el coeficiente de difusin, 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 difciles de disolver. Se usa especialmente en piezas de gran seccin. Con contenidos superiores al 0.3% se incrementa la

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

Nquel Disminuye la transferencia de carbono entre la matriz

y los ndulos de grafito. Estabiliza la fase austentica, por lo tanto disminuye la

temperatura de austenitizacin (transformacin aaustenita).

Kovacs seala que no afecta la cintica de la 1a etapa(nucIeacin de ferrita y austenita de alto carbono) peroretarda la precipitacin de carburos. Por otro lado,algunos autores afirman que este elemento retardaconsiderablemente la la etapa, este efecto es msmarcado cuando el nquel se usa en combinacin concobre[ 4,8,9,10].

El nquel incrementa el tiempo del tratamiento deaustemperizado, requerido para alcanzar el mximoesfuerzo tensil para cualquier temperatura{8].

Existe acuerdo para sealar que, incrementando elcontenido de nquel en las fundiciones nodularesaustemperizadas, se incremena la ductilidad,alcanzando la mxima alrededor 00/0; a mayorescontenidos hay una gradual en estapropiedad[ 4,5,8",11].

Por otra parte, la re;tisteo::a tensin disminuyecuando se increm COIMelD:JIO de nquel y dentrode un rango de perizado de 300a 400C[4].

Cobre De efectos si:::=i!~~ !;::q:1d, pero ms econmico, se

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

Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 20, No.1, 2000,

Crea una barrera para la difusin del carbono, por loque retarda el tiempo de austenitizacin[9].

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

2.2. Etapas de la transformacin isotrmica delAustemperizado

En la Fig. 2, se puede apreciar un ciclo tpico deltratamiento trmico de austemperizado, en donde la piezade fundicin es austenitizada (formacin de Austenita)entre 850 y 950C, templada posteriormente en un baode sales fundidas en un rango de temperatura de 300-500C Y mantenida a esta temperatura por el tiemponecesario para lograr la transformacin'f de la austenitaen bainita.

600 EUTA~I! 400!Q.E 200r-

MARTENSITA

10 rooTiempo (seg)

HJOO ieceo

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

La transformacin isotrmica, en el intervalo detemperatura del austemperizado se realiza en dos etapas:

Etapa J: Transformacin parcial de austenita

y~(a.)+(y)

Etapa 2. Descomposicin 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

Gonzlez, Hallen y Cisneros evaluaron las propiedadesen tensin, impacto y a la fatiga de dos hierros nodularesaleados con Cu-Mo y con Ni-Mo; austemperizados tanto a370C, como a 315C, con el fin de obtenermicroestructuras de bainita gruesa y bainita finarespectivamente (Fig. 3) [1]. Los resultados de stosestudios mostraron que, en ambas aleaciones es posibleobtener una buena combinacin de resistencia mecnica yresistencia a la fatiga mediante el austemperizado. Para unamisma composicin qumica, se obtuvo mayor resistenciamecnica y mayor resistencia a la fatiga con la temperaturade austemperizado de 315C, aunque la energa de impactoCharpy fue mucho mayor con la temperatura deaustemperizado a 370C. Los hierros nodulares con Cu-Modemostraron tener una resistencia a la fatiga mayor que losaleados con Ni-Me.

100/lm

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

3.Metodologa Experimental

En esta seccin se detalla la metodologa experimentalempleada para el desarrollo de este trabajo y en la cual sedescribe: el proceso de fabricacin de las probetasutilizadas para los ensayos de crecimiento de grieta, lacomposicin qumica y la nomenclatura utilizada delmaterial estudiado, as como, del tipo de pruebas y de losequipos utilizados para realizar las pruebas mecnicas delmedio continuo.

3.J. Fusin v obtencin del Hierro Nodular

Para la fusin y obtencin del Hierro Nodular con cadauna de las composiciones estudiadas, se utiliz un hornoelctrico de induccin sin ncleo, como el que se muestraen la Fig. 4, posteriormente a la fusin de los materiales serealizaron los siguientes procesos " metalrgicos:inoculacin, nodulizacin y vaciado en moldes, los cualesse detallan a continuacin:

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

Fig. 4. Proceso de vaciado del metal fundido, del Horno deinduccin hacia el cucharn de nodulizacin, Laboratorios deMetal - Mecnica del Instituto Tecnolgico de Sa/ti//o, Mxico.

Inoculacin, Nodulizacin y vaciado

Previamente al proceso de nodulizacin, se aplic elproceso de inoculacin en el cucharn de nodulizacin,empleando como inoculante ferrosilicio.

Una vez terminado el proceso de inoculacin serealiz la Nodulizacin, el cual tiene por objeto favorecerla precipitacin de ndulo s de grafito. Para el proceso denodulizacin se emple el mtodo tundish-cover o dereactor con tapa, la ventaja de este mtodo es que selimita la cantidad de aire (oxgeno) disponible dentro delreactor mientras ocurre la reaccin lquidoesferoidizarite (nodulizante), ya que el cucharn esparcialmente cerrado por medio de una tapa en su partesuperior (Fig. 5). Los nodulizantes empleados sonferrosilicio y magnesio.

Fig. 5. Esquemadel cucharn de nodulizacin.

Para los procesos de Inoculacin y Nodulizacin, losreactivos se colocaron en la cavidad del fondo del

cucharn de nodulizacin, para- 'hacer ms eficiente lareaccin.

Terminada la nodulizacin se vaci el metal fundido enmoldes de arena slica con silicato de sodio y endurecidacon CO2, los cuales tienen forma de bloque en Y, lo quepermiti que los defectos que se producen durante lasolidificacin se diseminaran en la parte superior, de talforma que la parte inferior permaneciera con menornmero 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 fusin en "Y", de donde seobtuvieron las probetas de ensayo.

3.2. Composicin Qumica y Nomenclatura utilizada

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

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

3.3. Tratamiento trmico de austemperizado

Con respecto al proceso del tratamiento trmico deaustemperizado que se emple, ste se realiz en dosetapas, como se detalla a continuacin:

Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 20, No. 1, 2000,

Etapa l.Austenitizado

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

Para evitar la descarburizacin en la superficie porefectos de difusin hacia el exterior, a las probetas se lesaplic una capa de pintura base zirconia y luego seempaquetaron en una caja metlica rellena de rebabafresca de hierro gris.

Etapa 11.Austemperizado

Para la transformacin isotrmica deAustemperizado, es decir, la etapa en que ocurre latransformacin de austenita a bainita (ausferrita), serealiz en un bao de sales fundidas con nitrato de sodioy carbonato de sodio, en una relacin de dos a uno enpeso y con temperaturas de 370, 350 Y 315C. Una veztranscurrido el tiempo de transformacin (2 horas), lasmuestras fueron sacadas del bao de sales y enfriadas conagua. Las temperaturas del tratamiento trmico, fueronseleccionadas con el fin de obtener una estructuracristalina del tipo baintico (ausferrtico).

1000-800E

100

I! 600E

500i~

400

:lOO

200

100

oo

ETAPA I

870

ETAPA U

-

1""3 41 ' 2

Tiempo (Hrs)

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

3.4. Pruebas mecnicas realizadas

Para reforzar el anlisis comparativo de cadacomposicin qumica ensayada, se hicieron las siguientespruebas mecnicas del medio continuo:

Pruebas de tensin unioxial

Para las pruebas de tensin uniaxial, estas serealizaron por duplicado con probetas cilndricas deseccin reducida de acuerdo a la norma ASTM-897M-90,en una mquina servohidralica MTS modelo 810, de100 KN de capacidad en carga esttica.

7

Pruebas de dureza

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

Dimetro del Identador 10rnmCarga 2900Kgs

Tiempo de aplicacin de carga 10 Seg.

Pruebas estereomtricas del grafdo

Antes del tratamiento trmico de austemperizado, semidieron el tamao, nodularidad, los ndulos/mm" y laesfericidad de los ndulos de grafito, para realizar estasmediciones se utiliz un analizador de imgenes BuehlerOmnimet IV y un microscopio metalogrfico OlympusMetphot, la microestructura se revel mediante ataquequmico con una solucin de Nital al 2%.

~uebas~aJOgrjicas

Despus del tratamiento trmico de austemperizado, serealizaron las metalografias en un microscopiometalogrfico Olympus Metphot, en campo calro, a 200 y400 aumentos, la microestructura se revel medianteataque qumico con una solucin de Nital al 2%.

4. Resultados y Anlisis de Resultados

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

4.1. Resultados de las pruebas de Tensin Uniaxial

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

5 Tabla 2 Propiedades en tensin de las diferentes aleacionesTemp 370C 350C 315CComp 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----illl~"ilI_l-ll 800 HlHi\j----=--

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

C3 C4 C6 C6 C7 CS C9Fig. 8. Esfuerzo de cedencia por tipo de aleacin.

1400

"i 1300 "i ~~ .~;:'0 1~0.e as ~.!! 1100 "-lOE

1~~53 900;:Jl.!..

800~

C3 C6 C9C7 caC4 C6Fig. 9. Resistencia Ultima a la Tensin por tipo de Aleacin.

Los datos de la aleacin C3 no estn disponibles, yaque de las probetas ensayadas, todas fueron rechazadaspor fracturarse fuera de la zonas de medicin.

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 transformacinComp. 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 aleacin.C8 C9

4.3. Resultados de las Pruebas Estereomtricas

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

Tabla 4. Caractersticas del grafito... ..

Comp Ta ularidad Ndulos/mm2 Esfericidad(%) (%lC3 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~ 5.76.66.6

6.4

5.35.2

C3 C8 CIC7 caC4 CSFig. 11. Tamao promedio de los ndulos por tipo de aleacin.

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

300280280240

Ne 220e~ 200"~ 180

180140120100

C3 C4 CS CS C7 C8 CSFig. 12. Nmero de ndulos por mnr', por cada tipo dealeacin.

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 dealeacin.

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

4.4. Resultados metalogrficos

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

9

Fig. 14. Microestructura tpica de las probetas tratadas a 315C,mostrando bainita inferior, aleacin C3 a 400X.

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

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

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4.5. Anlisis de los resultados

Efecto de la Temperatura de Austemperizado

De las pruebas realizadas se encontr que existe unadependencia del esfuerzo de cedencia, la resistencialtima a la tensin y de la dureza con respecto a latemperatura de austemperizado; los tres parmetrosaumentan invariablemente al disminuir la temperatura deaustemperizado, encontrando los mximos valores a315C de cada una de las composiciones qumicasensayadas.

El mayor esfuerzo de cedencia lo registra la aleacinC5, la mxima resistencia ltima a la tensin la aleacinC7 y la mxima dureza la aleacin C8, todos con untratamiento trmico a 315C.

Efecto de la composicin qumica

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

Con respecto a la Resistencia Ultima a la Tensin, nose observan diferencias por efecto de la composicinqumica, ya que presentan una variacin entre el mximovalor registrado y el mnimo con menos del 6%, losvalores mximos los registraron la aleacin C5, C9 y C7.

Con referencia a la dureza, no se aprecia un efectoevidente debido a la composicin qumica

El efecto de la composicin qumica con referencia alas caractersticas estereomtricas, se observa que conrespecto a la forma de los precipitado de grafito, en lasaleaciones C3, C7 y C9, estas tienden a precipitarse enforma de ndulos (Nodularidad). En las aleaciones C6 yC7, los precipitados de grafito tienden a ser esfricos.Los ndulos ms grandes se registran en las aleacionesC3, C5, C7 Y C9. Las aleaciones C6 y C9, presentaron elmayor nmero de ndulos por unidad de rea.

Efecto de las caractersticas estereomtricas del grafito

Por otra parte, al igual que lo reportado por Gonzlezet al, la cuenta de ndulos volvi a ser muy variada (150a 250 ndulos/mnr') y no se observaron diferenciassignificativas en el comportamiento de los hierros porefecto de esta caracterstica, por lo que se podraestablecer que el nmero de ndulos de grafito(nodularidad) no influye en las propiedades mecnicasestudiadas, al menos en un rango de 150 a 250ndulos/mm" [1].

5. Conclusiones

Durante el desarrollo de este trabajo, se plante unametodologa para la produccin 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 trmico deAustemperizado a 3700C muestran una menorresistencia mecnica, que coincide con un estudioanterior!'! El caso contrario es el Hierro Nodulartratado trmicamente a 315C, ya que presenta lasmayores .resistencias mecnicas.

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

3. Con respecto a la morfologa de los ndulos de grafitono se encontr evidencia de que influyan en laspropiedades mecnicas de los materiales estudiados.Sin embargo, se encontraron diferencias en lamorfologa y el nmero de los ndulos precipitadospor tipo de aleantes utilizados.

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