Resumen
Ante la falta de financiamiento para la adquisición de chapas de aceros especiales con una alta resistencia mecánica. Nuestro centro decidió el estudio del material de acero 30X?C, el cual tiene en existencia en los almacenes con el objetivo de sustituir importaciones y disminuir los costos.
Según las literaturas actualizadas el acero 30X?C, es un acero mejorable, por lo cual sometiéndolo a un tratamiento térmico de temple seguido de un revenido, mejora sus propiedades mecánicas.
Para vencer la falta de información y obtener las propiedades mecánicas del proyecto, se realizo el estudio del régimen térmico del acero 30X?C, a varias muestras del material sometido a una temperatura de temple de 880 oC y enfriamiento en agua, con un revenido a una temperatura de permanencia variable, posteriormente fueron sometidas todas las muestras a ensayos metalográficos, de microdureza y macrodureza, así como a ensayos mecánicos.
Los resultados de los ensayos se analizaron estadísticamente, con el propósito de ver la influencia de la temperatura, con respecto a cada una de las propiedades mecánicas analizadas, sirviendo como un modelo paramétrico del revenido.
Como conclusión se obtiene, que es una metodología para el estudio de las propiedades mecánicas de los materiales con tratamiento térmico, para el trabajo de especialistas y técnicos afines.
Palabras claves: Tratamiento térmico, Revenido de acero de bajo carbono, acero 30X?C.
Introducción
El acero 30X?C tradicionalmente es destinado para fabricar elementos en condiciones de mejoramiento – temple seguido de revenido alto – lo que garantiza un nivel homogéneo de propiedades mecánicas en secciones de hasta aproximadamente 25 mm. Sin embargo en estado mejorado el acero 30X?C no garantiza la resistencia mecánica requerida para satisfacer condiciones de blindaje (dureza superior a 471 HV).
Se conoce que con el revenido alto (500 ºC -650 ºC) [1], se incrementa la plasticidad y tenacidad del acero a expensas de una disminución de su resistencia mecánica; mientras que valores altos de resistencia mecánica se logran con el revenido bajo (150 ºC -300 ºC) [1], para este acero se recomienda un revenido a una temperatura de 520°C. [2].
Para el caso del acero 30X?C, por ser un acero mejorable, existe suficiente información sobre sus propiedades mecánicas luego de un temple seguido de revenido alto; sin embargo en condiciones de temple y revenido bajo – poco usuales para este acero – la información disponible es limitada.
Por tal motivo, para la aplicación del acero 30X?C en condiciones de temple y revenido bajo se impone la necesidad de realizar diversos estudios encaminados a establecer cómo influye el tratamiento térmico sobre la microestructura, que define la respuesta desde el punto de vista del comportamiento mecánico. De esta manera en el presente trabajo se valora el efecto que provoca la temperatura de revenido entre 200 ºC y 600 oC sobre la microestructura y dureza del acero 30X?C previamente sometido a temple desde los 880 oC en agua.
Desarrollo
2.1 Material utilizado
Se utiliza una plancha de acero del tipo 30X?C con espesor de 8mm, cuya
composición química nominal se muestra en la tabla 2.1 y con propiedades mecánicas en estado de entrega según norma GOST 4543-48 (tabla 2.2) (2(.
2.2 Régimen de tratamiento térmico aplicado
Las muestras fueron tratadas térmicamente a una temperatura de temple – de 880 ºC durante un tiempo de 8 min en atmósfera de aire y enfriadas bruscamente en un baño de agua con agitación. Posteriormente se le aplicó revenido a temperaturas entre 200 °C y 600 ºC a intervalos de 50 ºC, durante un tiempo de permanencia de 1 h en atmósfera de aire.
Figura 2.1. Gráfico del tratamiento térmico.
En ambos casos se utilizó una mufla con sistema de control de temperatura automatizado. El calentamiento se realizó con la introducción de las piezas en la mufla una vez que la misma alcanza la temperatura de tratamiento térmico.
Fig. 2.2. Mufla con sistema de control de temperatura automatizado.
2.3 Caracterización metalográfica
Las probetas para el análisis metalográfico fueron desbastadas con papel esmeril de 100, 240, 300, 400, 600, y 800; mientras que el pulido mecánico se realizó con paño y óxido de cromo como abrasivo. El ataque químico se realizó por inmersión en nital al 1 % durante 10 s (4(.
La observación de la microestructura y la toma de microfotografías se realizaron con ayuda de un microscopio óptico metalográfico marca Heckert, con aumento máximo de 800X y cámara digital de adquisición de imagen acoplada.
Figura: 2.3. Foto del microscopio óptico.
2.4 Medición de dureza
Para la medición de dureza se empleó un microdurómetro Vickers de la marca Shimadzu con carga de 1 Kg/f, aplicada durante 10 s, según la norma ASTM (5(. Se realizaron 10 mediciones en cada condición de tratamiento térmico analizada, procesadas estadísticamente para determinar la media y el intervalo de confianza.
Figura 2.4. Microdurómetro Shimadzu del Centro de Investigaciones de Soldadura
2.5 Análisis de la microestuctura y dureza en el revenido a diferentes temperaturas
En el acero 30X?C, con el temple en agua desde los 880 oC, se alcanza una dureza de 589 HV (alrededor de 55 HRc) y una microestructura compuesta fundamentalmente por placas de martensita y restos de austenita residual (figura 2.6).
Figura 2.6. Microestructura del acero 30X?C con temple en agua desde los
880 oC, compuesta fundamentalmente por placas de martensita.
El valor de dureza obtenido (55 HRc) es superior al valor reportado de la dureza después del temple, con estructura totalmente martensítica, de un acero no aleado con cantidad de carbono en el mismo rango de la cantidad de carbono nominal del acero 30X?C (49 HRc para 0.28 %C y 53 HRc para 0.34 %C en aceros no aleados) y resulta equivalente a la dureza de un acero con 0.38 %C, que es superior a la cantidad nominal del acero 30X?C [6].
De este análisis se podría inferir un efecto endurecedor adicional probablemente asociado con la presencia de elementos de aleación en el acero 30X?C, sin embargo existe el consenso de que los elementos de aleación no tienen un efecto determinante en cuanto al valor de la dureza del acero templado, siendo fundamental en este sentido el efecto del carbono; mientras que los elementos de aleación determinan la templabilidad.
A pesar de estas discrepancias, se tiene, que el valor de dureza obtenido es consistente con el valor de 575 HV reportado para un acero no aleado con 0.33 %C templado en aceite desde 860 oC; para el cual, incluso, se reporta una dureza considerablemente superior (687 HV) luego del temple desde 860 oC en solución salina fría de discos con 1 mm de espesor [7].
Los valores de dureza obtenidos para las diferentes temperaturas de revenido se muestran en la figura 2.7, donde se aprecia una caída paulatina de la dureza en la medida que aumenta la temperatura de revenido.
Figura 2.7. Puntos experimentales y curva del modelo estadístico del ajuste de los datos que muestran la variación de la dureza del acero 30X?C en función de la temperatura de revenido.
El análisis de regresión de los datos obtenidos conlleva al modelo estadístico expresado por la ecuación 3.1, caracterizado por un polinomio de tercer orden con un ajuste muy satisfactorio que justifica su empleo con carácter predictivo con un nivel de significación superior al 0.001 (tabla 2.3) [8].
Aplicando la diferenciación a la ecuación 1 (primera y segunda derivadas, ecuaciones 2 y 3 respectivamente), se obtiene que dentro del rango de valores de la temperatura de revenido estudiado hay un incremento significativo de la razón instantánea de cambio de la dureza con respecto a la temperatura, expresado por la primera derivada de la ecuación 2.1 (figura 2.9) [8]. Dicho cambio se acentúa paulatinamente con el incremento de la temperatura de revenido desde 200 oC hasta 537 oC, expresado por el hecho de que la primera y la segunda derivadas son negativas ambas; a partir de 537 oC el referido cambio se atenúa, expresado por la diferencia de signo entre ambas derivadas (figuras 2.8 y 2.9).
Tabla 2.3. Resultados del análisis de varianza aplicado en el ajuste de los datos experimentales al modelo expresado por la ecuación 1.
Figura 2.8. Razón de cambio instantánea de la dureza con respecto a la temperatura de revenido (primera derivada de la ecuación 2.1).
Figura 2.9. Razón de cambio instantánea de la razón de cambio instantánea de la dureza con respecto a la temperatura de revenido (primera derivada de la ecuación 2.2).
El revenido a 200 oC origina la transformación de la martensita de temple (figura 2.10) en martensita de revenido, lo que se evidencia por el oscurecimiento de la misma, que es provocado por la precipitación de finos carburos ( que no se resuelven por microscopía óptica; esta precipitación provoca una pérdida de tetragonalidad de la martensita que es responsable de la caída de la dureza, también, ocurre la descomposición parcial de la austenita retenida quedando lagunas aisladas de la misma con forma regular bien establecida (figura 3.5).
La transformación microestructural que se desarrolla con el revenido a 200 oC provoca una considerable disminución de la dureza obtenida con el temple, pasando de 589 HV a 455 HV (134 unidades de dureza HV) respectivamente.
Figura 2.10. Microestructura del acero 30X?C con temple en agua desde los
880 oC y revenido a 200 oC durante 1 h, compuesta fundamentalmente por placas de martensita revenida y lagunas de austenita residual.
Con el revenido a 300 oC, cualitativamente, se mantiene una estructura similar a la obtenida con el revenido a 200 oC; pero se aprecia una ligera disminución de la cantidad de austenita residual y una tonalidad gris más clara de la martensita de revenido asociada con la coaslescencia de los carburos ( (figura 2.11).
El hecho de no observarse cambios significativos de la microestructura con el revenido a 300 oC, con relación al revenido a 200 oC, es consistente con el comportamiento de la razón de cambio instantánea de la dureza con respecto a la temperatura expresado en un descenso de la dureza de 455 HV a 440 HV (apenas 15 unidades de dureza HV en 100 oC).
Figura 2.11. Microestructura del acero 30X?C con temple en agua desde los
880 oC y revenido a 300 oC durante 1 h, compuesta fundamentalmente por placas de martensita revenida y lagunas de austenita residual en menor cantidad que para el revenido a 200 oC.
Con el revenido a 400 oC comienzan a observarse carburos cementíticos coalescidos en una matriz ferritíca y desaparece la austenita residual (figura 2.12), estos cambios microestructurales – relacionados con la pérdida total de la tetragonalidad del hierro ( originando ferrita en lugar de martensita de revenido y carburos cementíticos – traen consigo una disminución un tanto más significativa de la dureza que pasa a 401 HV, lo que representa una disminución en 39 unidades de dureza HV en 100 oC, comparada con el valor 440 HV obtenido con el revenido a 300 oC.
Figura 2.12. Microestructura del acero 30X?C con temple en agua desde los
880 oC y revenido a 400 oC durante 1 h, compuesta por carburos cementíticos que comienzan a coalescer en una matriz ferrítica.
Con el revenido a 500 oC la dureza disminuye a 346 HV, lo que representa una reducción de 55 unidades de dureza HV en 100 oC comparada con el valor 401 HV obtenido con el revenido a 400 oC.
Se destaca que el valor de dureza obtenido con el revenido a 500 oC (346 HV) es notablemente superior a los valores de dureza reportados para el revenido a
530 oC del acero no aleado con cantidad de carbono en el mismo rango de la cantidad de carbono nominal del acero 30X?C: 251 HV para el acero no aleado con 0.28 %C y 299 HV con 0.34 %C [9]. Este resultado confirma el papel que juegan los elementos de aleación en desplazar hacia valores más altos de temperaturas la caída de la resistencia mecánica que se observa en el acero al carbono [6].
Con el revenido a 600 oC la dureza disminuye a 288 HV, lo que representa una reducción de 58 unidades de dureza HV en 100 oC comparada con el valor 346 HV obtenido con el revenido a 500 oC.
La reducción más intensa de la dureza en el intervalo de temperaturas de revenido entre 500 y 600 oC encuentra su origen en los cambios observados en la microestructura. El revenido a 500 oC contribuye al fenómeno de coalescencia y crecimiento de carburos cementíticos (figura 2.13), que se hace más intenso con el revenido a 600 oC (figura 2.14). Estos cambios de la estructura traen consigo la mayor disminución de la dureza y un incremento considerable de la razón de cambio de la misma con respecto a la temperatura de revenido, que se asocian con el incremento de la distancia entre partículas de precipitados y por consiguiente con la reducción del efecto del mecanismo de endurecimiento por precipitación.
Figura 2.13. Microestructura del acero 30X?C con temple en agua desde los
880 oC y revenido a 500 oC durante 1 h, compuesta por carburos cementíticos coalescidos y engrosados en una matriz ferrítica.
Figura 2.14. Microestructura del acero 30X?C con temple en agua desde los
880 oC y revenido a 600 oC durante 1 h, compuesta por carburos cementíticos densamente coalescidos y engrosados en una matriz ferrítica.
Conclusiones
En el acero 30X?C, luego del temple en agua desde los 880 oC, el revenido entre 200 y 600 oC provoca:
1. Desde el punto de vista microestructural:
Con el temple en agua desde los 880 oC se alcanza una microestructura compuesta fundamentalmente por placas de martensita y restos de austenita residual.
El revenido a 200 oC provoca la transformación de la martensita de temple en martensita de revenido con presencia de finos carburos (.
Con el revenido a 300 oC, cualitativamente, se mantiene una estructura similar a la obtenida con el revenido a 200 oC
Con el revenido a 400 oC comienzan a observarse carburos cementíticos coalescidos en una matriz ferritíca y desaparece la austenita residual.
El revenido a 500 oC contribuye al fenómeno de coalescencia y crecimiento de carburos cementíticos, que se hace más intenso con el revenido a
600 oC.
2. Desde el punto de vista del comportamiento mecánico:
Hay un incremento significativo de la razón instantánea de cambio de la dureza con respecto a la temperatura, que se acentúa paulatinamente con el incremento de la temperatura de revenido desde 200 oC hasta 537 oC; a partir de 537 oC el referido cambio se atenúa.
Referencias
1. Bring Cuello Silvestre. Metales teoría y práctica. Editora Oriente, Santiago de Cuba. 1984
2. Gost 4543: Alloyed Construction Steel Specifications
3. Norma ???? 4543-71,
4. Kehl, George; Fundamentos de la práctica metalográfica.
http://www.esi2.us.es/IMM2/Practhtml/pulido.htmlwww.utp.edu.co/~publio17/prep_probeta.htmwww.utp.edu.co/~publio17/prep_probeta.htm.
5. ASTM E 92-82 Standard Test Method for Vickers Hardnees-2003.
6. ASM Handbook: volume 4. Heat Treating 2010.
7. De Ferri metallographia: metallographic atlas of iron, steel and cast iron.1996
8 Spiegel, M.R. Teoría y problemas de estadística. Editorial Pueblo y Educación. La Habana, 1977
9. Specification for Test Methods and definitions for mechanical testing of steel products. ASTM A 370.
10. Sydsaeter Knut, J. Hammond Peter, "Matemática para el análisis económico" Volumen I, Editora Félix Varela, Habana 2005.
11. Programa estadístico STATGRAPHICS versión 4.0.
12. Programa de varianza ANOVA.
Autor:
Dr. Rafael Fernández Fuentes
Ing. Román Terry Jiménez
Centro de investigaciones de soldadura, Universidad Central "Marta Abreu". Las Villas. Cuba.