Evaluación de la nucleación y precipitación de carburos secundarios en hierros fundidos con alto contenido de cromo al 16%

Abstract

Es posible obtener microestructuras con diferentes fracciones de carburos, austenita, ferrita, perlita y otras fases mediante la aplicación de distintos tratamientos térmicos de destabilización, los cuales modifican la respuesta tribológica en las fundiciones de hierro con alto contenido de cromo resistentes a la abrasión. En el presente trabajo se realizaron tres tratamientos térmicos de destabilización a temperaturas de 800, 900 y 980°C, con un tiempo de permanencia de 0 minutos y un posterior temple en agua, en los tres casos. La microestructura fue caracterizada mediante microscopía óptica confocal (CLSM) y electrónica de barrido (SEM), previo y posterior a un ataque con el reactivo de Vilella. La cuantificación y caracterización de los carburos secundarios se llevó a cabo mediante el análisis de imágenes SEM luego del ataque con reactivo de Murakami modificado. Este proceso se realizó por medio de la segmentación de las imágenes utilizando el software FIJI. La respuesta al desgaste por deslizamiento y las características tribológicas fueron evaluadas combinando CLSM, SEM y EDS, junto con ensayos de desgaste de deslizamiento reciprocante en seco. Estos últimos se realizaron utilizando como contraparte una bolilla de Al2O3 de 3mm, una carga constante de 20N y 2000 ciclos, en una atmósfera de 22-26°C y 40-50% de humedad relativa. Como resultado, la microestructura de la fundición blanca de 16% Cr, con el aumento de la temperatura de destabilización tuvo un crecimiento en el número y tamaño de las partículas de carburos secundarios del tipo M7C3, acompañado de un incremento de la fase martensítica y una disminución de la austenítica en la matriz. En cuanto a la dureza de la matriz, ésta se mantuvo constante a excepción de la condición 980°C, la cual aumentó su valor en ~30%. Los resultados muestran que el tamaño promedio de partículas, así como la fracción de volumen de SC fue creciendo a medida que lo hacia la temperatura. Esto tuvo implicaciones directas en las propiedades de desgaste, donde se observó una disminución de hasta el 50, 71 y 77% en la tasa de desgaste de las muestras desestabilizadas a 800, 900 y 980°C, respectivamente en comparación con el material no tratado. El coeficiente de fricción también disminuyó significativamente para las muestras de 900 y 980°C con respecto a la sin tratar (25 y 30% respectivamente), mientras que para la muestra de 800°C apenas disminuyó en un 6%. Esto puede explicarse por el incremento en la fracción de martensita en la matriz, junto con un aumento en número y tamaño promedio de los SC. Por último, los resultados obtenidos en este estudio arrojan luz sobre la capacidad de alterar los parámetros de HT para ajustar la microestructura en función de los requisitos previos de la aplicación.

Microstructures with different fractions of carbides, austenite, ferrite, pearlite, and other phases can be obtained by applying different destabilization heat treatments (HT), which modify the tribological response in abrasion-resistant high-chromium cast irons. In the present work, three destabilization heat treatments were carried out at temperatures of 800, 900 and 980°C, with a dwell time of 0 minutes and a subsequent quenching in water in all three cases. The microstructure was characterized by confocal optical microscopy (CLSM) and scanning electron microscopy (SEM), before and after etching with Vilella's reagent. The quantification and characterization of the secondary carbides was carried out by SEM image analysis after etching with modified Murakami reagent. This process was carried out by image segmentation using FIJI software. Sliding wear response and tribological characteristics were evaluated by CLSM, SEM and EDS, together with dry reciprocating sliding wear tests. The latter were carried out using a 3mm Al2O3 ball, a constant load of 20N and 2000 cycles, in an atmosphere of 22-26°C and 40-50% relative humidity. As a result, the microstructure of the 16 wt.% Cr white cast iron, with increasing destabilization temperature, had an increase in the number and size of secondary carbide particles of the M7C3 type, accompanied by an increase in the martensitic phase and a decrease in the austenitic phase in the matrix. As for the matrix hardness, it remained constant except for the 980°C condition, which increased its value by ~30%. The results show that the average particle size as well as the volume fraction of secondary carbides particles increased with increasing temperature. This had direct implications on the wear properties, where a decrease of up to 50, 71 and 77% in the wear rate of the destabilized samples was observed at 800, 900 and 980°C, respectively compared to the untreated material. The coefficient of friction also decreased significantly for the 900 and 980°C samples with respect to the untreated one (25 and 30% respectively), while for the 800°C sample it barely decreased by 6%. This can be explained by the increase in the martensite fraction in the matrix, together with an increase in number and average size of the SCs. Finally, the results obtained in this study shed light on the ability to alter the HT parameters to adjust the microstructure according to the prerequisites of the application.