Aumento en la resistencia al desgaste de
aceros para herramientas a través de la
aplicación de tratamiento criogénico
Adrián Irías Rendón
César Stackpole Armendariz
Abstract
El siguiente artículo presenta un estudio sobre el aumento en la
resistencia al desgaste de diez tipos de aceros para herramientas. Se realizaron
pruebas tribológicas para los diez aceros, y uno de ellos se probó en diferentes
herramientas en campo.
Se propusieron tres hipótesis al principio del estudio que relacionan la
composición química, el aumento en microdureza y la disminución del
porcentaje de austenita retenida, con el aumento en la resistencia al desgaste.
Tanto los resultados de campo como los de laboratorio fueron
satisfactorios, en los primeros se logró aumentar el tiempo de vida útil de
cuchillas tipo slitter de acero D2 en 182%, el cual aplicado en tres plantas de
Villacero puede generar ahorros anuales superiores a $50,000 USD. Por su
parte, este mismo acero aumentó su resistencia al desgaste en pruebas de
laboratorio 75%.
Se pudieron establecer conclusiones teóricas sobre el porqué de las
diferencias de aumentos o no aumentos en la resistencia al desgaste de los
diferentes tipos de aceros además de demostrar la eficacia de la aplicación del
tratamiento criogénico en la industria.
1. Introducción
El tratamiento criogénico es una tecnología conocida desde hace tiempo. El propósito principal de su aplicación es el de aumentar la resistencia al desgaste de aceros para herramientas para prolongar el tiempo de vida útil de las mismas. Sin embargo, su aplicación dentro de la industria es muy limitada y los verdaderos fundamentos teóricos del porqué de sus beneficios sigue en discusión.
2.
Conceptos básicos
2.1 Principios fundamentales del Templado La finalidad del proceso de templado, es obtener una dureza óptima o satisfactoria para las condiciones a las que el material estará sujeto durante su vida útil de trabajo.
Los cambios microestructurales deseados de este tratamiento son:
1) Transformación de una estructura perlítica ferrítica (aceros hipoeutectoides) ó perlítica cementítica (aceros hipereutectoides) a una estructura martensítica.
2) Si el acero cuenta con suficiente contenido de carbono y elementos de aleación, se obtiene la formación de carburos durante el revenido posterior al templado.
El procedimiento general que se utiliza para templar un material es, calentar sobre la temperatura de transformación de austenita (Ac3), mantener la temperatura suficiente tiempo para obtener el tamaño de grano deseado, y finalmente enfriar a una velocidad mayor que la velocidad crítica de enfriamiento de la curva TTT del acero correspondiente y posteriormente revenir a la temperatura requerida para obtener la dureza especificada.
El problema con este procedimiento, es que a través de él, es imposible obtener una estructura 100% martensítica, ya que la temperatura de terminación de formación de martensita en el diagrama TTT, se encuentra muchas veces por debajo de la temperatura ambiente, como se muestra en la figura 2.1 y 2.2.
Fig. 2.1 Diagrama TTT para un acero con 0.8% de contenido de carbono.La temperatura de terminación de martensita es
-50ºF [M9]
El proceso de temple utiliza agua, aceite, salmueras o aire como medio de enfriamiento, los cuales se encuentran a temperaturas superiores o iguales a la temperatura ambiente, por lo que el proceso de transformación se interrumpe. Si observamos la figura 2.1, la estructura resultante al enfriar por ensima de -50ºF es una combinación de martensita + austenita retenida cuyo porcentaje varía entre 50% y 3%.
Fig. 2.2 Microestructura de un acero con alto contenido de carbono. La estructura negra es martensita y la blanca austenita retenida.
La austenita retenida, es una estructura más suave y menos resistente al desgaste, además que la posible transformación repentina a temperatura ambiente de esta estructura, hace que el producto sea dimensionalmente inestable.
Fig.2.3 Temperaturas Ms y Mf en función del contenido
de carbono para aceros al carbono. Los elementos de aleación disminuyen aún más, las temperaturas Ms y Mf
2.2 Principios del tratamiento criogénico El tratamiento criogénico consiste en enfriar los materiales a velocidad de -1ºC/min de temperatura ambiente a -196ºC, mantener esta temperatura por un intervalo mínimo de 20hrs, dejar regresar el material a temperatura ambiente por convección natural dentro de la cámara criogénica y finalmente aplicar un revenido a 150ºC durante 2hrs por pulgada de sección transversal de la pieza.
Bajo este tratamiento se obtienen los siguientes resultados,
1) Alrededor de los -80ºC, se asegura la terminación de la transformación de la austenita en martensita para cualquier acero, por lo que se obtiene una estructura 100% martensítica. Esta estructura es dimensionalmente estable, ya que la martensita no se transforma en otra estructura a temperatura ambiente, además de ser más resistente al desgaste. Esta transformación es independiente del tiempo, solo es necesario que el material llegue a la temperatura Mf para que la transformación se lleve a cabo.
2) Bajo la exposición de la martensita a temperaturas criogénicas por tiempo prolongado, se forman millones de eta-carburos, cuya composición química depende de los elementos de aleación que contenga el material. Estos carburos hacen de la matriz una estructura más densa y homogénea, la cual es más resistente al desgaste.
3) Para cualquier otro material (no ferroso o ferroso sin tratamiento térmico), la estructura cristalina se perfecciona, eliminando vacancias, traslapes, dislocaciones, etc., transformación que resulta en una liberación de esfuerzos residuales muy considerable, haciendo más tenaz al material tratado.
Fig. 2.4 Izquierda, arreglo molecular de una estructura templada. Derecha, arreglo molecular de una estructura después de tratamiento criogénico.
Este tratamiento es permanente y no es un sustituto del templado sino una continuación del mismo. Transforma la austenita retenida en martensita en los aceros templados y perfecciona la red molecular en todo el material.
3. Alcance
El objetivo del estudio fue relacionar algún cambio físico, metalográfico o alguna característica de composición química con el aumento en la resistencia al desgaste de los aceros con la aplicación del tratamiento criogénico. Para lo cual se establecieron las siguientes hipótesis:
1) "El aumento en la resistencia al desgaste de los aceros depende de la disminución del porcentaje de austenita retenida, el cual a su vez depende de manea inversa al valor de la línea Ms del acero en cuestión"
∆(RD) α 1/Ms
2) "El aumento en la resistencia al desgaste depende de la cantidad de eta carburos formados, los cuales dependen de la cantidad de elementos de aleación que contenga el material"
∆(RD) α A + B(C) + D(Cr) + E(V) + F(W) + G(Mo) 3) "El aumento en la resistencia al desgaste depende del aumento en la microdureza Knoop de la matriz del material"
∆(RD) α ∆(Dureza Knoop)
La primer hipótesis, relaciona el aumento en la resistencia al desgaste con la formación de
martensita. La segunda, lo relaciona con la formación de carburos. Y finalmente la tercera relaciona el aumento en la resistencia al desgaste con el aumento en la microdureza Knoop de la matriz del material, la cual puede aumentar por ambos cambios microestructurales.
4. Metodología
4.1 Materiales analizadosSe analizaron nueve diferentes tipos de aceros para herramientas más un acero inoxidable. Estos se escogieron primero por ser parte del herramental de la empresa Villacero, donde se realizaron los estudios en campo del proyecto y segundo para reforzar el análisis estadístico de las hipótesis propuestas.
Los materiales analizados y su composición química nominal fueron los siguientes:
Material %C %Cr %V %W %Mo Otro
D2 1.5 12 1 - 1 D3 2.25 12 - - -D6 2.25 12 - 4 -H13 0.35 5 1 - 1.5 M2 0.92 4 2 6 5 O1 0.9 0.5 - 0.5 - Mn 1.0 P20 0.35 1.7 - - 0.4 A2 1 5 - - 1 S1 0.5 1.5 - 2.5 -420 0.15 min 13 - - - Mn 1 - Si 1 Tabla 4.1 Composición química nominal de los
materiales estudiados
4.2 Tratamiento térmico
Como el estudio se realizó sobre el cambio en la resistencia al desgaste, los tipos de tratamientos para cada acero estudiado fueron dos. Al material base para comparar el aumento en la resistencia al desgaste, se le aplicó temple según las especificaciones del "Heat treaters guide" [M9], mientras los materiales con tratamiento criogénico fueron probados con el mismo temple más el tratamiento criogénico descrito en este artículo.
4.3 Pruebas tribológicas o de desgaste
Se utilizó un sistema de desgaste utilizando un disco metálico de Ni-Cr-Mo y agua como lubricante para mantener la temperatura como factor constante.
Fig. 4.1 Esquema de pruebas de desgaste
La variable de respuesta para calcular el desgaste es la huella que el disco deja sobre la probeta.
Fig. 4.2 Representación de variables de las pruebas de desgaste
Si se sabe el tamaño de la huella (b), el diámetro del disco (D=2r) y el espesor de la probeta (t), el volumen desgastado se puede calcular con la siguiente ecuación.
Volumen desgastado =
4
*
*
*
1 2 2 2b
D
b
t
D
b
Sen
D
−
−
−Los parámetros utilizados en la investigación fueron:
Descripción Valore(s)
Espesor de la probeta 6.4 mm Diámetro del disco abrasivo 34.8 mm
Material del disco Aleación Ni-Cr-Mo
Velocidad 1093.3 mm/s (600 rpm)
Tiempo 10 min
Carga 30 Kg
Lubricante Agua
Tratamiento Con T.C y sin T.C
Las probetas se pulieron en el área que fueron probadas para evitar la incrustación de óxidos como partículas abrasivas.
El aumento en la resistencia al desgaste se obtuvo de la siguiente manera:
ST ST CT
Rw
Rw
Rw
RD
=
−
∆
donde,∆RD = aumento en la resistencia al desgaste RwCT = Resistencia al desgaste con tratamiento criogénico
RwST = Resistencia al desgaste sin tratamiento criogénico
La resistencia al desgaste (Rw) adimensional, se midió con la siguiente ecuación,
Hv
Wo
Vs
F
Rw
⋅
⋅
=
donde,F = Fuerza normal en newtons
Vs = velocidad lineal del disco en mm/s Wo = La velocidad de desgaste en mm3/s Hv = la microdureza de la matriz en Mpa
Para cambiar de dureza Knoop a dureza Vickers se utilizaron tablas, y para cambiar de dureza Vickers de kgf mm-2 a Mpa se utilizó el factor de la gravedad 9.81.
5. Resultados
5.1 Microdureza KnoopSe midió la dureza Knoop de la matriz de los materiales evitando medir la dureza sobre los carburos primarios y secundarios con el fin de analizar los cambios en la matriz.
Fig. 5.1 Indentación Knoop en la matriz de un acero D6. Atacado con nital, 200X.
Los resultados de los cambios en la microdureza fueron los siguientes:
Acero KHN SIN T.C KHN CON T.C Diferencia % KHN A2 775 870 95 D2 651 651 0 D3 592 629 37 D6 587 594 7 H13 500 515 15 M2 822 860 39 O1 715 755 40 P20 586 635 48 S1 695 701 6 420 597 626 29
Tabla 5.1 Aumentos en la dureza Knoop con la aplicación de tratamiento criogénico.
5.2 Pruebas de desgaste
Todos los aceros analizados, excepto el acero D6, mostraron un aumento en la resistencia al desgaste en las pruebas de laboratorio. Y los resultados fueron los siguientes:
Material
Aumento en la resistencia al
desgaste Rw
A2
22%
D2
75%
D3
8%
D6
0%
H13
50%
M2
17%
O1
26%
P20
20%
S1
36%
420
22%
Tabla 5.2 Aumento en la resistencia al desgaste de aceros para herramientas con la aplicación de tratamiento criogénico
Material Dureza
Vickers
Mpa
Desgaste en 600
seg. Mm
3desgaste (Wo)
Relación de
mm3/s
Resistencia al
desgaste Rw
A2
7305 0.3332 0.0005553
79310
A2 crio
8482 0.2343 0.0003906
97119
D2
6021 0.2458 0.0004097 130420
D2 crio
6021 0.1404 0.0002340 228365
D3
5472 0.1444 0.0002407 244295
D3 crio
5825 0.1259 0.0002098 263258
D6
5433 0.1060 0.0001766 335372
D6 crio
5491 0.1048 0.0001746 335507
H13
4658 0.3217 0.0005361 128850
H13 crio
4795 0.2080 0.0003466 193567
M2
7845 0.1709 0.0002849 143954
M2 crio
8384 0.1368 0.0002281 168255
O1
6658 0.2090 0.0003484 138714
O1 crio
7051 0.1562 0.0002603 175322
P20
5433 0.4977 0.0008296
71394
P20 crio
5884 0.3829 0.0006382
85691
S1
6452 0.3516 0.0005860
85097
S1 crio
6511 0.2565 0.0004275 115592
420
5521 0.8359 0.0013932
41832
420 crio
5795 0.6522 0.0010869
51078
Tabla 5.3 Resultados de pruebas de desgaste
Aumento en la resistencia al desgaste Rw con la
aplicación de Tratamiento criogénico
22%
75%
8%
0%
50%
17%
26%
20%
36%
22%
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
A2
D2
D3
D6
H13
M2
O1
P20
S1
420
Fig. 5.2 Aumento en la resistencia al desgaste de aceros para herramientas con la aplicación de
tratamiento criogénico
5.3 Comprobación de hipótesis Primera hipótesis
Relaciona el valor de Ms con el aumento en la resistencia al desgaste de los aceros.
Material Ms (ºC) Ms (ºK) 1/Ms ∆ Rw A2 180 453 0.002207506 22% D2 220 493 0.002028398 75% D3 235 508 0.001968504 8% D6 230 503 0.001988072 0% H13 330 603 0.001658375 50% M2 212 485 0.002061856 17% O1 200 473 0.002114165 26% P20 305 578 0.001730104 20% S1 310 583 0.001715266 36% 420 300 573 0.001745201 22% Tabla 5.3 Relacín ∆RD vs Ms
Aumento en la resistencia al desgaste vs 1/MS
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 0.0015 0.0017 0.0019 0.0021 0.0023 Valor 1/Ms aument o en Rw
Fig. 5.3 Relación entre 1/Ms y ∆Rw
Como se puede apreciar en la figura 5.3, no hay evidencia de una relación lineal o relación logarítmica entre las variables, los resultados de los estadísticos r2, provenientes de la regresión lineal fueron, 0.0265 y 0.0291 respectivamente.
Segunda hipótesis
La segunda hipótesis relaciona el aumento en la resistencia al desgaste con la formación de eta carburos, los cuales podrían depender de la cantidad del porcentaje de elementos de aleación que constituyen el material. Material %C %Cr %V %W %Mo ∆ Rw A2 0.97 5.2 0 0 1.03 22% D2 1.5 11.35 0 0 0.69 75% D3 2.15 11.8 0 0 0.05 8% D6 2.11 11.4 0 0.6 0.08 0% H13 0.43 5.37 1.02 0 1.32 50% M2 0.915 4.2 1.85 5.86 4.95 17% O1 0.93 0.55 0 0.53 0 26% P20 0.388 1.86 0 0 0.171 20% S1 0.51 1.58 0 2.53 0 36% 420 0.16 12.84 0 0 0 22%
Tabla 5.4 Relación entre la composición química y aumento en la resistencia al desgaste.
Tampoco se encontró evidencia de una relación lineal
o logarítmica entre las variables, los valores r2 de las regresiones fueron 0.1525 y 0.4521 respectivamente. Tercer hipótesis
Relaciona el aumento en la microdureza de la matriz con el aumento en la resistencia al desgaste.
Tipo de acero % Aumentoen la microdureza Aumento en la resistencia al desgaste Rw A2 12.3% 22% D2 0.0% 75% D3 6.3% 8% D6 1.2% 0% H13 3.0% 50% M2 4.7% 17% O1 5.6% 26% P20 8.2% 20% S1 0.9% 36% 420 4.9% 22%
Tabla 5.5 Aumento en la resistencia al desgaste vs aumento en la microdureza Knoop.
Aumento en la resistencia al desgaste Rw vs aumento en la dureza Knoop
0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 0.0% 5.0% 10.0% 15.0% Aumento en KH Aumento en la resistencia al desgaste
Fig. 5.4 Relación entre aumento en la dureza Knoop y aumento en la resistencia al desgaste.
Una vez más, los estadísticos r2 de las regresiones no mostraron evidencia de alguna relación entre las variables, sus valores fueron 0.1655 y 0.0258.
5.4 Resultados en campo.
Se aplicó tratamiento criogénico a cuchillas slitter de material D2 de la línea de decapado de la empresa Zincacero y se comparó con otro juego de cuchillas del mismo proveedor, se probaron ambos juegos bajo la mismas especificaciones de producción. Las cuchillas sin tratamiento produjeron 1,329 toneladas de acero, mientras que las cuchillas con tratamiento produjeron 3,719; este aumento representa 182% de la vida útil actual, y si se transfieren estos resultados a las demás líneas de
corte longitudinal de Villacero, se pueden obtener ahorros por más 50,000 USD anuales por compra y afilado de este tipo de cuchillas.
Fig. 5.5 Cuchillas slitter de linea de decapado Zincacero.
6. Análisis de resultados,
conclusiones y trabajos futuros
Ninguna de las hipótesis fue comprobada, sin embargo, se obtuvieron importantes aumentos en la resistencia al desgaste en la mayoría de los aceros estudiados.
Si analizamos la composición química, la metalografía y los resultados obtenidos, podemos dividir los aceros estudiados en tres grupos diferentes.
Grupo A
Los aceros del grupo "A" mostraron un aumento considerable en la resistencia al desgaste y además su composición química muestra que deben contener un porcentaje considerable de austenita retenida después del templado si se sabe que los aceros tienden a retener austenita en porcentajes superiores a 0.4% de carbono. Acero %C %Cr %V %W %Mo ∆ Rw D2 1.5 11.35 0 0 0.69 75.1% H13 0.43 5.37 1.02 0 1.32 50.2% S1 0.51 1.58 0 2.53 0 35.8% O1 0.93 0.55 0 0.53 0 26.4% A2 0.97 5.2 0 0 1.03 22.5%
Tabla 6.1 Grupo A, composición química y ∆Rw
Fig. 6.1 Acero D2 atacado con Nital al 4%. Se pueden observar grandes carburos primarios y carburos secundarios esferoidales, también se muestra gran parte de la matriz martensítica, la cual es importante para la resistencia al desgaste.
El acero D2 obtuvo el mayor aumento en la resistencia al desgaste. Este acero se podría clasificar en el grupo "C" por tener carburos, pero es claro que existen grandes regiones de la matriz martensítica que puede contener altos porcentajes de austenita retenida antes de aplicar tratamiento criogénico.
Todos los aceros del grupo A, tienden a retener austenita, y el porcentaje de carburos es lo suficientemente pequeño para que la resistencia al desgaste aumentada en la matriz sea significativa para aumentar su resistencia al desgaste.
Grupo B
Los aceros del grupo B son aquellos cuya composición química indica que no deben retener mucha austenita, sin embargo obtuvieron un aumento en la resistencia al desgaste pero menor al de aquellos aceros que retienen mayor porcentaje.
Acero %C %Cr %V %W %Mo ∆ Rw
420 0.16 12.84 0 0 0 22.1%
P20 0.388 1.86 0 0 0.171 20.0%
Tabla 6.2 Grupo B, composición química y ∆Rw Grupo C
Los aceros clasificados en este grupo son aquellos que su composición química indica que deben retener mucha austenita, solamente que la formación de carburos durante los revenidos durante el tratamiento térmico de templado, es tan grande que la eliminación de austenita retenida en la matriz y la probable precipitación de eta-carburos durante el tratamiento criogénico no genera un aumento considerable en la resistencia al desgaste.
Acero %C %Cr %V %W %Mo ∆ Rw
M2 0.915 4.2 1.85 5.86 4.95 16.9%
D3 2.15 11.8 0 0 0.05 7.8%
D6 2.11 11.4 0 0.6 0.08 0.0%
Tabla 6.3 Grupo C, composición química y ∆Rw.
En estos aceros, el porcentaje de carbono y elementos que forman carburos es tan alto que se genera la precipitación extrema de carburos primarios y secundarios en la microestructura.
En la figura 6.2 se puede observar una relación lineal entre la cantidad de carburos y el aumento en la resistencia al desgaste.
16.9 %
7.8%
0 %
Fig. 6.2 De arriba hacia abajo, aceros M2, D3 y D6. Se puede notar una clara tendencia de que a mayor cantidad de carburos, el efecto del tratamiento criogénico se minimiza.
En los aceros del grupo "C", la cantidad de carburos en su microestructura, disminuye la importancia de la resistencia al desgaste de la matriz, por lo que el aumento en la resistencia al desgaste con la aplicación del tratamiento criogénico fue menor que en aquellos aceros en donde la resistencia al desgaste de la matriz es más importante.
Análisis de pruebas en campo
Los resultados obtenidos en campo fueron muy distintos a los que arrojaron las pruebas tribológicas. Mientras para un acero D2 se obtuvo 75% de aumento en la resistencia al desgaste en el laboratorio, el tiempo de vida de las cuchillas Slitter de Zincacero aumentó en 182%.
La simulación de un sistema tribológico real en un laboratorio es prácticamente imposible, la mejor manera de evaluar un proyecto es bajo pruebas realizadas en campo, siempre y cuando el costo de las mismas sea accesible y razonado. En el caso de las pruebas de tratamiento criogénico, el costo se puede considerar despreciable comparado con los beneficios que de este se pueden obtener.
Conclusiones
• El tratamiento criogénico aumentó la resistencia al desgaste en la mayoría de los aceros para herramientas estudiados
• Sí existe una relación entre el aumento en la resistencia al desgaste con la aplicación del tratamiento criogénico, la metalografía y la composición química del material
• Los aceros que por su composición química, tienden a retener más austenita, adquieren mayor aumento en la resistencia al desgaste
• Aquellos aceros que contienen un excesivo porcentaje de carburos, minimizan la importancia del aumento en la resistencia al desgaste de la matriz martensítica, por lo que el tratamiento criogénico mejora la resistencia al desgaste en menor grado.
• Los resultados de la aplicación del tratamiento criogénico son casi impredecibles, ya que dependen de muchos factores como, material, tratamiento térmico anterior, tipo de desgaste, parámetros del proceso, etc.
Recomendaciones y trabajos futuros
•
Hacer réplicas del estudio realizado para validar los resultados. Recomendamos no abarcar tantos aceros y concentrarse en una cantidad menor.•
Realizar un PEF en el que se analice solo un acero con distintas combinaciones de curvas de templado, revenidos y tratamiento criogénico para encontrar el punto más conveniente donde se debe aplicar este tratamiento.Bibliografía
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