Microstructural characterization and transformation kinetics of austempered bearing steels

Resumen

Esta tesis analiza los efectos de los tratamientos de austempering en los aceros para rodamientos: 100Cr6, 100CrMnSi6-4 y 100CrMo7-3. El 100Cr6 ha sido seleccionado como referencia y los otros por su mayor templabilidad, propiedad necesaria para componentes de espesores de paredes mayores a 30mm. Aunque el tratamiento de endurecimiento estándar en estos aceros es el temple y revenido, cuando los costes de mecanización aumentan debido a problemas asociados a la distorsión es preferible el austempering. El austenizado se ha investigado mediante ensayos de dilatometría para entender mejor las transformaciones cinéticas de estos aceros. Se han realizado tratamientos de enfriamiento continuo para determinar con precisión las temperaturas Ms, sobre todo para los aceros 100CrMnSi6-4 y 100CrMo7-3. Mediante el uso de diferentes modelos se ha calculado la evolución de las distintas fases en la austenización; tanto en la rampa de calentamiento como en el mantenimiento. Los resultados obtenidos correlacionan satisfactoriamente con las medidas metalográficas. La transformación bainítica en el 100Cr6 progresa a mayor velocidad durante la primera hora del tratamiento isotermo a 230ºC. Sin embargo, el proceso se ralentiza a partir de ese punto. Por ello, se han diseñado tratamientos de 2-etapas donde la temperatura se ha incrementado 20ºC para los últimos 5 minutos. Los contenidos de bainita obtenidos mediante este procedimiento son muy similares a los obtenidos tras 6h a 230ºC. En los aceros más aleados (100CrMnSi6-4 y 100CrMo7-3), los tratamientos de 2-etapas no son tan efectivos. El mayor contenido de austenita sin transformar que queda en las muestras tras el temple, limita las durezas y deteriora el control dimensional de las piezas. Los análisis EBSD, muestran una microestructura que consiste en granos ferríticos menores a 1 micra dispuestos paralelamente en paquetes morfológicos de aproximadamente 5 micras. Las desorientaciones mayoritarias entre granos adyacentes son 55º mientras que en posiciones alternas las desorientaciones son < 15º. Esta selección de variantes está relacionada con la reducción de la energía de transformación. En el caso de la martensita, las desorientaciones habituales entre lajas son 60º. El tamaño de las partículas de cementita tras la globulización, es crítica para acelerar la transformación bainítica en el acero 100Cr6. Materiales con restos de perlita laminar o globulizados finos, no completan la transformación. Es razonable pensar que el contenido en carbono de la austenita, aumenta debido a la mayor solubilidad de estos tipos de carburos durante la austenización. La velocidad de nucleación del acero 100CrMnSi6-4 es mucho menor. En este caso, se obtienen fracciones volumétricas de bainita mayores, en los materiales con menor fracción de carburos de cementita tras el austenizado. Por tanto, en este caso, la progresión de la transformación bainítica no se ve afectada tanto por la estabilidad de la austenita y sino por la interacción entre los granos bainíticos y las partículas de cementita. En la última parte de la tesis, se han realizado tratamientos de flexión en microvigas para investigar las propiedades mecánicas de las fases más pequeñas encontradas en las muestras austenperizadas (granos ferríticos) tras aplicarles gradientes de deformación. Para ello, se han mecanizado vigas muy pequeñas (1,5x1,5x5 micras) mediante FIB. Las tensiones de fluencia medidas mediante este método son aproximadamente el doble a las medidas de tracción realizadas a escala macroscópica. Esto se justifica mediante el elevado gradiente de deformación inducido en el empotramiento, lo que estadísticamente, reduce la cantidad de fuentes de dislocaciones con respecto a los presentes en los paquetes morfológicos.