Revista Tendencias en Docencia e Año 7 Investigación en Química 2021 Número 7 Influencia de la temperatura de bainitizado en la microestructura y comportamiento mecánico de un acero grado maquinaria Pérez Fierro Luis Manuel, Rodríguez Gonzalez Edgar Allan Max, Torres Hernández Yaret Gabriela, Altamirano Torres Alejandro Universidad Auto noma Metropolitana, Unidad Azcapotzalco, Departamento de Materiales. A rea de Ciencia de Materiales, Av. San Pablo No. 180, Azcapotzalco, Ciudad de Me xico, C.P. 02200. Me xico. *Autor para correspondencia: aat@azc.uam.mx Recibido: 14/julio/2021 RESUMEN En el presente estudio, se analiza la influencia de diferentes tiempos y temperaturas de bainitizado en la microestructura y comportamiento mecánico de un acero grado Aceptado: maquinaria (AISI 5160). Se determinaron las fases presentes después de realizado el 22/octubre/2021 tratamiento térmico, en las diferentes muestras mediante microscopía óptica, a fin de relacionarlas con sus propiedades mecánicas. Así mismo se realizaron ensayos de dureza e impacto, para poder determinar las condiciones óptimas de tratamiento térmico. En general las muestras presentan mezclas de fases de ferrita y perlita, en algunos casos se pudo observar bainita inferior en la microeestructura. El valor de Palabras clave: dureza más alto perteneció a la temperatura de 315°C, misma que también presentó Bainitizado, la mayor resistencia al impacto. tenacidad, dureza Keywords: ABSTRACT Austempering, toughness, This research study the influence of different times and temperatures of austempered hardness in the microstructure and mechanical behavior of a steel grade machinery (AISI 5160). The phases present after the heat treatment were determined, in the different samples by optical microscopy, in order to relate them to the mechanical behavior. Hardness and impact tests were also carried out in order to determine the optimal heat treatment conditions. In general, the samples present mixtures of ferrite and pearlite phases, in some cases lower bainite could be observed in the microstructure. The highest hardness value belonged to the temperature of 315°C, which also presented the highest impact resistance. Universidad Autónoma Metropolitana Revista tediq 7(7) 363, 2021 Revista Tendencias en Docencia e Año 7 Investigación en Química 2021 Número 7 Introducción Metodología El acero AISI 5160, se caracteriza por su gran tenacidad, Corte y Maquinado templabilidad, resistencia a la fatiga y a la tracción, debido a los porcentajes de carbono, cromo y manganeso Las probetas de acero AISI 5160 se cortaron utilizando que presenta en su composición. Es comúnmente pero no una cortadora de alta de velocidad marca “Buehler Delta exclusivamente empleado en muelles, resortes y Abrasivemet”, y maquinaron con las dimensiones de cuchillería; provee buena resistencia al desgaste acuerdo a la norma ASTM E-23, sección cuadrada de 10 (abrasión) pero es conocido especialmente por su mm, con una longitud de 55 mm y una muesca con un excelente resistencia al impacto (Chandler, 1995). ángulo de 45° y 2 mm de profundidad. El bainitizado es un tratamiento isotérmico, comúnmente se compara con el tratamiento de temple y Metalografía revenido, debido a que en ambos casos se alcanzan altas Para revelar la microestructura del acero AISI 5160 antes durezas, pero en el caso del bainitizado se puede alcanzar y después de los diferentes tratamientos térmicos se una alta dureza sin los efectos negativos del temple como realizó el proceso metalográfico de la siguiente manera: son; fragilidad en el material y alta concentración de tensiones, debido al cambio brusco de temperatura. También se evitan tratamientos térmicos posteriores Desbaste: Se llevó a cabo el proceso de desbaste grueso como son el revenido para aliviar y ablandar el acero; por y fino utilizando papeles abrasivos de granulometría 180, lo que el bainitizado ofrece una alta dureza y buena 220, 400, 600 y 1500, colocados en una desbastadora tenacidad del material en un solo tratamiento con manual. respecto al temple (Cubberly, 1995). Pulido: se utilizó un paño para materiales ferrosos, Como este tratamiento no es tan enérgico como el temple alúmina en polvo de 0.03μm como abrasivo y alcohol normal, no solo se logra una mayor ductilidad y para evitar la formación de óxido en la superficie de la tenacidad junto con una dureza más elevada, sino que se probeta. evitan también las deformaciones y peligros de grietas. La principal limitación de este tratamiento, radica en que Ataque químico: El revelado de la microestructura se algunas veces debido a la masa de la pieza a tratar, no se llevó a cabo utilizando nital al 2%. El método consistió en consiguen las velocidades de enfriamiento necesarias sumergir la cara pulida de la probeta durante un para evitar la transformación de la austentita a perlita en segundo, para observar el avance del ataque sobre la la zona de temperaturas comprendidas entre los 480 y superficie, así sucesivamente, hasta obtener la 650°C, por lo que únicamente es apropiado en aquellos microestructura, que fue revelada a los 6 segundos de casos en que las piezas, por su forma, pueden enfriarse inmersión. Al final las distintas probetas se observarón rápidamente. Por lo tanto, el bainitizado encuentra su en un microscopio marca “Olympus PMG 3”, para aplicación industrial en los perfiles de espesor inferior a finalmente tomar las fotografías de las microestructuras aproximadamente 12 mm (1/2 pulgada). presentes a 10, 20, 50 y 100 X, con ayuda de una cámara digital conectada al microscopio y un software En la actualidad existe una gran cantidad de estudios y denominado Pixelink, a las zonas más representativas de artículos científicos que permiten el analizar el las probetas. Se consideró editar las fotos para aumentar comportamiento mecánico del acero AISI 5160 con la calidad de estas. diferentes tratamientos térmicos, como lo son el temple y revenido comparado con el bainitizado en aplicaciones Tratamiento Térmico agrícolas como es en el caso de la aplicación específica de cuchillas trozadoras; las propiedades mecánicas Se realizó un tratamiento térmico de normalizado a todas evaluadas posterior a los tratamientos térmicos fueron las probetas para homogeneizar la microestructura, ya resistencia al desgaste, resistencia al impacto y dureza. A que las probetas se obtuvieron de una placa que fue Partir de los resultados obtenidos se pudo establecer las sometida a deformación plástica en frío. En un horno condiciones óptimas de tratamiento térmico en el acero tipo mufla marca Lindberg, se elevó la temperatura por AISI 5160 para obtener las mejores propiedades de encima de la temperatura crítica superior Ac3 (845°C), se dureza y resistencia al impacto y del tipo de desgaste al mantuvo a esta temperatura por un tiempo de dos horas, que se espera que estén sometidas las cuchillas (León, para posteriormente ser enfriadas fuera del horno a 2010). temperatura ambiente (25°C). Universidad Autónoma Metropolitana Revista tediq 7(7) 364, 2021 Revista Tendencias en Docencia e Año 7 Investigación en Química 2021 Número 7 Bainitizado matriz perlitica en grandes porcentajes y se observan granos de ferrita en menor cantidad; no se observa una Una vez normalizadas las muestras, como se describió morfología acicular como se esperaba por el tratamiento anteriormente, en un horno tipo mufla, se elevo la térmico. La morfología es en su mayoría es de laminillas temperatura a 845°C y se mantuvieron las probetas por por la presencia del microconstituyente denominado 35 minutos. perlita. Una vez transcurrido dicho tiempo, se realizó el Las micrografías para el caso 30 min y 290°C, muestran enfriamiento en crisol de grafito con estaño líquido a una una mezcla de fases entre perlita, ferrita y bainita debido temperatura de 290, 315 y 340°C por 15, 30 y 60 a que el tiempo en el baño de estaño fue mayor por lo que minutos, respectivamnete. Por cada probeta que sale del existe una transformación isotérmica de fases, aunque no baño de estaño líquido, se hace un segundo enfriamiento totalmente bainitica, la perlita sigue estando presente. en aceite. Debido a la presencia de bainita la dureza incrementa con Ensayo de dureza respecto al primer tiempo de 15 min. Se realizo el ensayo de dureza en la escala HRC, utlizando Para el tiempo de 60 min y 290°C, no presentan la un Durómetro marca Instron, tanto a la probeta testigo presencia de bainita, se observa una mezcla de fases como a las probetas tratadas térmicamente. El ensayo se entre ferrita y perlita. con respecto a la dureza esta realizó aplicando una precarga de 10 kgf y una carga de disminuye ya que la perlita no es tan dura como la 150 Kgf, utilizando un indentador de geometría bainita, como puede observarse en la figura 3. piramidal. A cada probeta se le realizaron 10 Para el tratamiento a 315°C y todos los tiempos (15 ,30 y indentaciones obteniendo el promedio. 60 min). La morfología que se presenta es del Ensayo de Impacto Charpy microconstituyente bainita en conjunto de martensita. Debido a esta mezcla de fases de obtiene una mayor Las dimensiones de las probetas utilizadas fueron de dureza. sección cuadrada, con una longitud de 55mm X10mm X10mm, de acuerdo con la norma ASTM E-23. A las Las condiciones de 340°C y todos los tiempos (15 ,30 y probetas se le realizó una muesca a la mitad de la 60 min), en las micrografías se puede observar una longitud de 45° con una profundidad de 2 mm. mezcla de fase de perlita (en forma de laminillas y ferrita. Debido a esta última fase es que presentan una menor Resultados y discusión dureza, comparada con aquellas muestras que tienen bainita en su microestructura. Microestructuras El acero AISI 5160 después de ser normalizado presenta una matriz perlita y ferrita , como se observa en la figura 1. Figura 1. Micrografía del acero AISI 5160, normalizada previo al tratamiento térmico de bainitizado, atacada con nital al 2 %, a 10 X. Figura 2. Micrografías del acero AISI5160, con un tratamiento Las micrografías del acero AISI 5160 se observan en la de bainitizado en diferentes condiciones de temperatura y figura 2, a 290 °C X 15 min, muestran la presencia de una tiempo a 50 X. Universidad Autónoma Metropolitana Revista tediq 7(7) 365, 2021 Revista Tendencias en Docencia e Año 7 Investigación en Química 2021 Número 7 Conclusiones El tratamiento térmico de bainitizado efectivamente influye en la microestructura y propiedades mecánicas del acero AISI 5160. El propósito de modificar tanto tiempo, como temperatura de bainitizado se hizo con el fin de encontrar las condiciones óptimas del tratamiento, las cuales resultaron ser con una temperatura de 315° C y un tiempo de 30 min. La morfología y distribución de fases de ferrita y Fe3C que constituyen la bainita, generan mayor tenacidad en el acero. Referencias Chandler H. (1995). Heat Treater's Guide: Practices and Procedures for Irons and Steels, 2nd, Edition. Cubberly William H. (1981). Metals Handbook: Heat Treating. 9ª edición, Vol. 4. (Cubberly, 1995) Figura 3. Comportamiento de la dureza con respecto al tiempo y temperatura de Bainitizado. León Sevilla L.M. (2010) Optimización de Parámetros en la Fabricación de Cuchillas Trozadoras para la Cosecha de Caña de Azúcar. Tesis de Maestría Escuela de Ensayo de Impacto Ingeniería de Materiales, Universidad Nacional de Con respecto a la tenacidad, que se representa en el Colombia Sede Medellín. gráfico de energía absorbida vs tiempo a la temperatura de bainitizado en la figura 4, se observa en los diferentes casos del tratamiento térmico tanto tiempo como temperatura no hay gran variación en esta propiedad mecánica. Excepto en el caso de la temperatura de 15 min y 315 °C en el cual se obtiene un valor bajo de energía absorbida, lo que cual quiere decir que el material es muy duro con respecto a las demás probetas. Figura 4. Comportamiento de la tenacidad con respecto al tiempo y temperatura de Bainitizado. Universidad Autónoma Metropolitana Revista tediq 7(7) 366, 2021