Austempering- Exposicion

Austempering La Transformación Isotérmica del Acero

I.

INTRODUCCION:

Algunos industriales del sector metalmecánico desconocen el alcance y ventajas del austempering, un tratamiento térmico que le proporcionan al acero características físicas especiales que se traducen en mayor calidad y rendimiento en las piezas. El austempering es un tratamiento isotérmico que se le aplica a los aceros, con el fin

de brindarles propiedades

especiales como la

tenacidad y resistencia al

desgaste, con una reducción importante de las tensiones del temple convencional, una mínima distorsión, buena ductilidad y, prácticamente, sin ningún riesgo de agrietamiento. Su uso en la industria se remonta desde la década de los 30, cuando físicos y estudiosos metalúrgicos trataban de mejorar la calidad de los aceros y aleaciones para obtener piezas con mayores rendimientos en los procesos productivos y solucionar las limitaciones de

los métodos tradicionales, especialmente las

distorsiones térmicas producidas por una velocidad de enfriamiento drástica. En 1958, con el advenimiento de los aceros de bajo carbono que incluían microaleantes de: boro y molibdeno, permitieron la producción de aceros completamente bainíticos, además de la aplicación de nuevos tratamientos térmicos, aquellos que implicaban mantener la pieza de trabajo a una temperatura fija durante un periodo de tiempo suficiente para la formación de la bainita, técnica que se conoció colectivamente en el mundo como austempering.

II.

MARCO TEÓRICO:

A.

¿EN QUE CONSISTE EN BAINITIZADO O AUSTEMPERING?

El principal objetivo del austempering es obtener un aumento de la ductilidad y la resistencia al impacto junto a valores de

dureza altos. Para

los procesos de

endurecimiento de los materiales ferrosos hay dos temperaturas importantes: primero se calienta el acero para sostenerlo a la temperatura dentro del rango de austenización (sobre los 900 °C), y se sostiene hasta que toda su masa alcance la temperatura. Segundo: se templa en un baño de sales a una temperatura constante entre 270°C y 400°C, el tiempo requerido para la transformación de bainita y finalmente se enfría hasta la temperatura ambiente. La velocidad de enfriamiento depende del tipo de acero y en todos los casos del tamaño y espesor de las piezas. (Consultar tabla 1)

Tabla 1. Temperaturas de Austempering y Martempering

En comparación con el temple convencional, el enfriamiento del metal en el austempering se hace a una velocidad más lenta, la cual está determinada o depende de la temperatura del medio o sal en el cual el operario enfría el metal; es decir, es necesario enfriar lentamente el acero para lograr la fase molecular del austempering, en este caso el líquido deberá estar por encima de la temperatura de transformación martensítica (200ºC); más o menos a unos 300ºC. En el austempering el acero debe permanecer en enfriamiento de 10 y 12 horas aproximadamente, aunque el tiempo de sostenimiento es proporcional a la masa de la pieza; en todo caso, el operario debe guiarse por los resultados de ensayos in situ, es decir, después de que realice una prueba con el material previamente, para así determinar con exactitud este tiempo. Es

importante anotar que cuando

el acero se enfría rápidamente queda

demasiado estresado, como consecuencia del movimiento brusco de los átomos en estado sólido (transformación que se da durante el choque térmico), lo que ocasiona tensiones al interior del acero. Sin embargo, en el austempering la diferencia de temperaturas es menor comparada con el temple, por lo tanto el nivel de esfuerzos residuales y las deformaciones son más bajas lo que se traduce en un menor grado de tensión en el material. B.

APLICACIONES

Una de las aplicaciones más comunes

donde los expertos recomiendan

emplear el austempering es la fabricación de resortes, palas, flejes y, en algunos casos, en piñones, ya que brinda tenacidad y capacidad de soportar impactos, además, al lograr otorgarles a

los

materiales excelentes propiedades de

resortabilidad. El objetivo del austempering es pues lograr la combinación en las piezas de la tenacidad y la resortabilidad. Por ello, se emplea en los casos particulares en los que se requiere estas propiedades. Si se practica austempering a todo tipo de

piñones es posible obtener piezas con buen grado de tenacidad, pero con dientes que pueden llegar a sufrir un desgaste prematuro. Así pues, la decisión correcta de utilizar austempering o por ejemplo un cementado convencional, depende da las necesidades de la pieza y del tipo de trabajo que se quiera adelantar; piezas como el rotomartillo, por ejemplo, necesitan mayor resistencia al impacto (austempering) que al desgaste, dado que es una herramienta que en su funcionamiento produce un choque continuo. Según Johnny Obando, Ingeniero Químico, y quien tiene una amplia experiencia en la asesoría de materiales y procesos de fabricación, en el proceso de austempering también se puede utilizar piezas

como las puntillas, dado que, además de

proporcionarles la dureza adecuada, parar clavarse en la pared o cualquier otro material, también le confiere resortabilidad, a fin de que el golpe fuerte con el martillo no provoque su ruptura inmediata. Así mismo, los cigüeñales para los carros, son otro tipo de elementos que necesitarían austempering, dado que estas herra- mientas trabajan bajo condiciones de impacto muy fuertes, por lo que requieren de una alta tenacidad. C.

VENTAJAS

En el austempering se distinguen básicamente tres importantes ventajas: •

Durabilidad de

las

piezas cuan- do

estas están sometidas a altos

impactos. •

Deformaciones mínimas en el material.

•

No requiere un calentamiento posterior de revenido, es decir la pieza ya

adquiere las características mecánicas de ductibilidad, resortabilidad, resistencia al impacto y tenacidad, sin la utilización de procesos posteriores. •

Menor grado de tensiones.

Los expertos recomiendan el austempering, sobre todo en aceros con un mejor contenido de carbono entre 0.5 y 0.9 por ciento, internacionalmente se manejan los aceros AISI 4140, 5160, 3340. D.

TRANSFORMACIONES BAINITICAS: 

Bainita: producto de transformación de la austenita a temperatura intermedia

A temperaturas entre aquellas donde ocurre la transformación eutectoide de la austenita a la perlita y la transformación de la austenita a la martensita, puede formarse una variedad única de microestructuras en los aceros al carbono. Davenport y Bain1 mostraron que las microestructuras formadas a tales temperaturas intermedias eran bastante diferentes a aquellas de la perlita y la martensita, y en honor a Edgar Bain, sus colegas la llamaron bainita. La Fig. 4.1 es un diagrama tiempo-temperatura-transformación esquemático que muestra claramente el rango de temperaturas intermedias, entre las de perlita y martensita, de la formación de bainita. Los aceros con contenidos de carbono distintos al eutectoide pueden poseer regiones de formación de fases proeutectoides a temperaturas mayores que la de la formación de la perlita.

Figura 4. 1- Diagrama esquemático tiempo-temperatura-transformación (TTT) de un acero con rangos bien definidos de transformación de la perlita y la bainita.

El diagrama esquemático de la Fig. 4.1 muestra un rango bien definido de tiempotemperatura para la formación de la bainita. Este rango de la transformación bainítica es característico de los aceros de baja aleación, especialmente en enfriamientos continuos. En los aceros al carbono las regiones de transformación para la perlita/ferrita proeutectoide y la bainita son más continuos y pueden superponerse con la disminución de la temperatura. En los aceros aleados, los elementos aleantes pueden causar la detención de la transformación bainítica provocando una transformación incompleta a temperaturas intermedias. El efecto extremo de los aleantes, desde un acero Fe-C a uno aleado, en la transformación martensítica se muestra esquemáticamente en los diagramas tiempo-temperaturatransformación de la Fig. 4.2.

Figura 4. 2- Diagrama esquemático tiempo-temperatura-transformación (TTT) para (a) acero al carbono con las transformaciones de la perlita y la bainita superpuestas y (b) acero aleado con la transformación de la bainita separada e incompleta. 

TEMPERATURAS

DE

INICIO

DE

LA TRANSFORMACIÓN

BAINÍTICA La temperatura a la cual comienza la transformación de la bainita se denomina temperatura BS, y se han determinado varias ecuaciones empíricas que reflejan el efecto de los elementos aleantes en la misma. Steven y Hayes establecieron la siguiente ecuación para B en función de la composición (en % en peso) para aceros endurecibles de baja aleación con contenidos de carbono desde 0.1 a 0.55%: BS º C   830  270%C   90%Mn   37% Ni   70%Cr   83%Mo  Para aceros bainíticos de bajo carbono con contenidos entre 0.15 y 0.29% C, para aplicaciones de altas temperaturas en la industria de la energía eléctrica, Bodnar

establecieron la siguiente ecuación con las composiciones de los elementos aleantes en % en peso: BS º C   844  597%C   63%Mn  16% Ni   78%Cr 



BAINITA VS. MICROESTRUCTURAS FERRÍTICAS

Las microestructuras bainíticas toman varias formas. En aceros de medio y alto carbono, de manera similar a la perlita, la bainita es una mezcla de ferrita y cementita y, por lo tanto, depende de la partición del carbono entre la ferrita y la cementita controlada por difusión. Sin embargo, a diferencia de la perlita, la ferrita y la cementita están presentes en arreglos no laminares. Análogamente a la martensita, la ferrita de las microestructuras bainíticas puede aparecer como cristales aciculares similares a los cristales de forma de láminas o placas de la martensita. Se han identificado dos morfologías principales de la ferrita y la cementita en las microestructuras bainíticas y en vista de los dos rangos de temperatura a los cuales se forman, Mehl en 1939 designó los tipos como bainita superior y bainita inferior. La Fig. 4.3 muestra el efecto del contenido de carbono en las temperaturas de transición entre la formación de la bainita inferior y la superior. En aceros de bajo carbono, en los rangos de temperatura de transformación intermedia, la austenita transformará solo a ferrita, resultando una microestructura bifásica de ferrita y austenita retenida. Estas microestructuras tienen morfologías bastante diferentes que las de ferrita proeutectoide. Aunque algunas características de las microestructuras de la ferrita intermedia son similares a aquellas de

la bainita clásica,

la ausencia de cementita en las

microestructuras ferríticas hace posible una clara diferenciación de los productos de transformación de temperaturas intermedias de la descomposición de la austenita.

De acuerdo a una definición microestructural de la bainita en aceros como un producto no laminar ferrita-cementita de la transformación de la austenita, Aaronson reconocieron seis morfologías de la bainita que se muestran esquemáticamente en la Fig. 4.4. Las bainitas superior e inferior son las formas más comunes encontradas en los aceros de medio carbono y se describirán en mayor detalle en secciones posteriores en este capítulo. Sin embargo, en ausencia de cementita, los productos de transformación de temperaturas intermedias de la austenita caen en la categoría de ferritas.

Figura 4.3- Efecto del contenido de carbono del acero en la temperatura de transición ente la bainita superior y la inferior.



BAINITA SUPERIOR

La bainita superior se forma en el rango de temperaturas justo debajo de donde se forma la perlita, típicamente debajo de 500ºC. La Fig. 4.5 muestra micrografías ópticas de bainita superior formada en un acero 4360 mantenido a 495ºC y 410ºC. La bainita aparece oscura y los cristales individuales de ferrita poseen forma acicular. La transformación bainítica no se completó durante los mantenimientos isotérmicos y, por lo tanto, las áreas claras son martensita formada en el temple a partir de la austenita no transformada. La bainita aparece oscura debido a la rugosidad producida por el revelado alrededor de las partículas de cementita de la estructura bainítica. Sin embargo, las partículas de cementita son muy finas para ser resueltas en el microscopio óptico. La apariencia en forma de plumas de los grupos de cristales de ferrita se muestra claramente en las micrografías ópticas y es a veces una característica importante de identificación de la bainita superior. Las microestructuras de las bainitas superiores se desarrollan en paquetes de cristales paralelos de ferrita que crecen a través de los granos austeníticos produciendo una apariencia de bloque. La Fig. 4.6 muestra esta última característica de la bainita superior en un acero 4150 transformado a 460ºC.

Figura 4. 4- Ilustración esquemática de varias microestructuras ferrita (blanco)cementita (negro) definidas como bainitas de acuerdo a Aaronson et al. (a) Bainita nodular. (b) Bainita columnar. (c) Bainita superior. (d) Bainita inferior. (e) Bainita alotromórfica en borde de grano. (f) Bainita inversa.

Figura 4. 5- Bainita superior en un acero 4360 transformado isotérmicamente a (a) 495ºC y (b) 410ºC. Micrografía óptica.

Figura 4. 6- Bainita superior (áreas oscuras rectangulares) en un acero 4150 transformado a 460ºC. Micrografía óptica. Las partículas de cementita de la bainita superior se forman entre los cristales de ferrita en la austenita enriquecida de carbono por la expulsión del mismo desde los cristales de ferrita en crecimiento. La Fig. 4.7 es una micrografía de lámina delgada de un microscopio electrónico de transmisión donde se muestra cementita entre láminas en un acero 4360 que transformó a bainita a 495ºC. Las partículas de carburos, comparadas con aquellas presentes en la bainita inferior, son relativamente gruesas y aparecen oscuras y alargadas. En algunos aceros, especialmente los que contienen silicio, se retarda la formación de la cementita. Como resultado, la austenita enriquecida en carbono entre las láminas de ferrita es bastante estable y será retenida durante la transformación y a temperatura ambiente. La Fig. 4.8 muestra austenita retenida en bainita formada a 400ºC en un acero con 0.6% C y 2.0% Si.

Figura 4. 7- Partículas de carburos (oscuro) formadas entre cristales de ferrita en una bainita superior de un acero 4360 transformada a 495ºC. Micrografía electrónica de transmisión.

Figura 4. 8- Austenita retenida (gris) entre láminas de ferrita de una bainita superior en un acero al carbono 0.6% C y 2.0% Si, transformada a 400ºC. Micrografía electrónica de transmisión.

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BAINITA INFERIOR

Un ejemplo de bainita inferior se muestra en la Fig. 4.9 obtenida de un acero 4360 transformado parcialmente a 300ºC. Nuevamente, la bainita se observa oscura y la parte clara es martensita formada durante el enfriamiento a partir de austenita no

transformada a 300ºC. La bainita inferior se compone de grandes placas de ferrita que se forman de manera no paralela entre ellas y, análogamente a la martensita en placas, se caracterizan como aciculares. Los carburos en las placas de ferrita de la bainita inferior son los responsables de la apariencia oscura pero son demasiado finos como para ser resueltos en el microscopio óptico. La Fig. 4.10 muestra los carburos muy finos que se formaron en la ferrita de la bainita inferior en un acero 4360 transformado a 300ºC. Los finos carburos típicamente forman un ángulo de cerca de 60º con respecto al eje longitudinal del cristal de ferrita. En contraste con la bainita superior, los carburos se forman dentro de las placas de ferrita antes que entre placas y son significantemente más finos que los carburos entre las láminas de la bainita superior. Se identificó otra variedad de bainita inferior por Okamoto y Oka1 en aceros hipereutectoides llamada bainita inferior con midrib que se forma isotérmicamente a menores temperaturas, entre 150 a 200ºC por debajo de las cuales se forman las bainitas convencionales, es decir, entre 200 y 350ºC. La Fig. 4.11 muestra una micrografía óptica y electrónica de transmisión de una bainita inferior con midrib en un acero 1.1% C transformado a 190ºC. El midrib es una placa delgada de martensita formada isotérmicamente que provee de la interfase en la cual se forma la estructura bifásica de carburo-ferrita de la bainita inferior.

Figura 4. 9- Bainita inferior en un acero 4360 transformado a 300ºC. Micrografía óptica.

Figura 4. 10- Bainita inferior con finos carburos dentro de las placas de ferrita en un acero 4360 transformado a 300ºC. Micrografía electrónica de transmisión.

Figura 4. 11- Bainita inferior con midrib en un acero al carbono con 1.10% C transformada a 190ºC por 5h. (a) Micrografía óptica. (b) Micrografía electrónica de transmisión. 

MECANISMO DE FORMACIÓN DE LA BAINITA

El hecho de que las bainitas clásicas consisten en ferrita y distribuciones no laminares de cementita avala la necesidad de que el carbono difunda en alguna etapa de la transformación. Sin embargo, las temperaturas relativamente bajas a las cuales se forma la bainita restringe severamente la difusión de los átomos de hierro. Esta última característica de la transformación de la austenita a la bainita llevó a dos puntos de vista bastante diferentes de la nucleación de la ferrita en la bainita. Uno de los puntos de vista establece que la ferrita que primero transforma lo hace por un mecanismo de corte sin difusión o mediante transformación martensítica. El otro establece que

la ferrita nuclea y

crece mediante un mecanismo de

crecimiento lateral donde el reacomodamiento de corto alcance de los átomos de hierro puede tener lugar en los bordes de la interfase ferrita-austenita. Las ecuaciones empíricas de BS mencionadas anteriormente reflejan el fuerte efecto de los elementos aleantes en el comienzo de la transformación bainítica. Junto con esta característica de los aceros con transformaciones bainíticas se encuentra la presencia de una bahía o región de transformación muy lenta en los diagramas tiempo-temperatura- transformación. Estas regiones corresponden con los rangos de temperaturas que muestran la separación marcada de las curvas de transformación para la perlita y la bainita en la Fig. 4.1.

Un ejemplo de tal región se muestra en la Fig. 4.12 mediante un diagrama isotérmico TTT para un acero 4340. Tales regiones se correlacionan con la presencia de elementos aleantes sustitucionales que pueden dividirse desde o hacia la ferrita y que se concentran en las interfases austenita-ferrita creando una resistencia al avance de la transformación de la ferrita bainítica. Como puede notarse, la transformación isotérmica de la austenita a bainita puede estar severamente retardada.

Figura 4.

12-

Diagrama

de

transformación

isotérmica del acero 4340 y

tratamientos térmicos isotérmicos aplicados para producir varias microestructuras para la evaluación de fractura. La distribución de partículas muy finas de carburos en las placas de la bainita inferior sugiere que un cristal de ferrita se forma inicialmente, quizás mediante un mecanismo martensítico, y como consecuencia de la supersaturación de carbono en la ferrita, los finos carburos precipitan dentro de la misma. Otra explicación de la

formación de la bainita inferior fue propuesta por Spanos et al.1 Basándose en micrografías de series de aleaciones Fe-C con 2.0% Mn con microscopia electrónica de transmisión concluyen que una unidad de bainita inferior se forma por un proceso de cuatro pasos: (1) precipitación de una espina de ferrita casi libre de carburo; (2) nucleación de placas secundarias de ferrita, usualmente en uno de los lados y a un ángulo de aproximadamente de 55 a 60º de la espina inicial; (3) precipitación de carburos en la austenita en los bordes ferrita-austenita formando huecos entre las placas de ferrita secundaria adyacentes; y (4) un proceso de recocido en el cual los huecos se llenan con un posterior crecimiento de ferrita y precipitación adicional de carburos. 

COMPORTAMIENTO MECÁNICO DE LAS BAINITAS

Los aceros transformados en su mayor parte en microestructuras bainíticas desarrollan un

amplio rango de

resistencias mecánicas y

ductilidades. Las

tensiones máximas de las microestructuras de alto carbono y bainita inferior pueden alcanzar 1400 MPa y durezas de 55 HRC o mayores. Las resistencias mecánicas se deben a las estructuras cristalinas de la ferrita relativamente finas, altas densidades de dislocaciones dentro de los cristales de ferrita y finas dispersiones de cementita. Cuanto menor sea la temperatura de transformación de la bainita, más fina será la dispersión de los carburos y mayor la dureza y la resistencia mecánica. Las microestructuras de las bainitas inferiores compiten con las martensitas revenidas a bajas temperaturas en resistencia mecánica y a la fractura. A menudo los aceros de baja aleación se exponen a mantenimientos isotérmicos para formar bainita en vez de ser templados y formar martensita, en orden de reducir las tensiones que generan fisuración por temple. El tipo de bainita afecta las características de fractura. Hehemann et al.2 mostraron que las muestras con microestructuras de bainita superior poseen menor tenacidad y ductilidad comparadas con muestras con microestructuras de bainita inferior, y

Pickering3 mostró que las bainitas superiores poseen mayores temperaturas de transición dúctil-frágil. Estas observaciones

fueron

confirmadas

en

estudios

de un acero 4340 transformado isotérmicamente a varias temperaturas como muestra la Fig. 4.12. Las muestras templadas en aceite y revenidas a 200ºC poseen microestructuras de martensita revenida con dureza de 52 HRC, aquellas mantenidas a 200ºC también transformaron a martensita revenida con dureza de 52 HRC, las mantenidas a 280 y 330ºC transformaron casi en su totalidad a bainita inferior con durezas de 50 y 44 HRC, respectivamente, y las transformadas a 430ºC lo hicieron casi totalmente a bainita superior con dureza de 32 HRC. La Fig. 4.13 muestra los resultados a temperatura ambiente del ensayo de Charpy con entalla en V realizado en muestras de 4340. Se midieron las energías de inicio y de propagación de la fractura. La energía de fractura de las microestructuras de la bainita superior fue significativamente menor que las de la martensita revenida o la bainita inferior. Cuando la fractura se inició en la bainita superior, la energía de propagación cayó a cero. La superficie de fractura de las muestras de la bainita superior mostraron que, excepto en el inicio de la fractura en la punta de la entalla, consistió en un mecanismo de clivaje (Fig. 4.14b) un resultado que se atribuyó a los gruesos carburos interlaminares y al plano común de clivaje de los cristales paralelos de la ferrita en los paquetes de la bainita superior. En contraste, las superficies de fractura de las muestras transformadas a martensita revenida consistieron en la coalescencia de microhuecos, es decir, fractura dúctil (Fig. 4.14a). A pesar de que en general las microestructuras con menor resistencia mecánica y dureza muestran mejor ductilidad y resistencia a la fractura, el comportamiento de la bainita superior, que posee menor dureza que las otras microestructuras del acero 4340, contradice esta regla general. Un estudio del comportamiento a la fractura del acero 4340 transformado isotérmicamente a bainita superior e inferior confirma la fuerte susceptibilidad de la bainita superior a la fractura por clivaje a pesar de su menor dureza y resistencia mecánica relativa a las microestructuras de las bainitas inferiores.

Figura 4. 13- Energía de impacto absorbida en función de la temperatura de transformación isotérmica de muestras del acero 4340. E0 es la energía total absorbida, E1 es la energía de inicio de la fractura y E2 es la energía de propagación de la fractura.

Figura 4. 14- Morfologías de las superficies de fractura de un acero 4340 de las muestras ensayadas mediante ensayo Charpy con entalla en V tratadas térmicamente en: (a) temple en aceite y revenido a 200ºC y (b) transformadas isotérmicamente a 430ºC.