Poster congreso nacional de materiales vigo 2006

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  • 1. INTRODUCCIÓN Recientemente, la industria automovilística ha incorporado una nueva generación de aceros, conocidos como aceros de alta resistencia mecánica, en la fabricación de componentes estructurales de bajo peso. Sin embargo, el conformado de estos aceros requiere de la aplicación de presiones muy elevadas, hecho que acelera el desgaste de las matrices y útiles. En consecuencia, resulta necesario optimizar la relación dureza-tenacidad de los aceros de trabajo en frío mediante un diseño microestructural adecuado. En este sentido, las propiedades mecánicas de sus constituyentes (carburos y matriz metálica) juegan un papel decisivo en la respuesta mecánica de estos aceros (desgaste y resistencia a la fractura). En este artículo se muestran los resultados derivados de la caracterización micromecánica de tres aceros comerciales de trabajo en frío. Mediante la técnica de nanoindentación se ha evaluado la dureza, el módulo elástico y la tenacidad de fractura de los carburos que los constituyen. EXPERIMENTAL Se han estudiado los carburos primarios de tres aceros de trabajo en frío comerciales : un acero convencional de alto cromo-alto carbono, con denominación 1.2379 o AISI SAE D2, y dos aceros desarrollados por ROVALMA S.A., denominados WOV y UNIVERSAL . La Tabla 1 muestra el tratamiento térmico y las durezas obtenidas, en escala Rockwell C (HRC), para cada uno de los aceros. La composición química de los carburos ha sido estimada mediante microanálisis de energía dispersiva por rayos X (EDAX). La dureza (H), el módulo elástico (E) y la tenacidad de fractura (K C ) de los carburos han sido determinada mediante la técnica de nanoindentación (Nano Indenter XP, MTS), utilizando una punta de diamante tipo Berkovich en modo de operación CSM ( Continuous Stiffness Measurement ). Se ha utilizado una carga de indentación de 400 mN. Tabla 1 .- Tratamiento térmico y dureza de los aceros analizados La tenacidad de fractura de los carburos ha sido evaluada mediante el método IM ( Indentation Microfracture ). Este método evalúa K C a partir de la longitud de las grietas radiales generadas en los vértices de la huella residual de indentación. Se ha utilizado un indentador tipo Berkovich con cargas de indentación comprendidas entre 200 y 500 mN. La Figura 1 muestra los tipos de grietas usualmente generados en materiales frágiles: (a) grietas radiales, y (b) tipo Palmqvist generadas normalmente a bajas cargas y cuando se utiliza un indentador tipo Berkovich . Existen varias expresiones para la determinación de K C . Se ha demostrado que para indentadores tipo Berkovich los mejores resultados se obtienen utilizando una versión modificada de la expresión propuesta por Laugie r: P es la carga de indentación, E el módulo de Young, H la dureza, a es la mitad de la diagonal de la huella de indentación, l la longitud de la grieta, c = a+l , y x V es una constante evaluada en 0.016. RESULTADOS Tabla 2 .- Propiedades mecánicas y composición química de los carburos. ACERO 1.2379 Módulo de Young en función de la dureza de la matriz metálica y de los carburos primarios. El acero de herramienta 1.2379 está formado por un solo tipo de carburos primarios, identificados como Cr 7 C 3 . Las medidas de tenacidad de fractura muestran una marcada dependencia con la orientación de los carburos. Los carburos primarios presentan una morfología alargada como consecuencia de las diferentes etapas de forja durante su fabricación. Los resultados muestran que las grietas se propagan más fácilmente en la dirección paralela al lado más alargado del carburo. Se han obtenido dos conjuntos de valores de K C claramente diferenciados: uno con valores inferiores a 1 MPa m 1/2 (correspondiente a las grietas propagadas paralelamente al lado más alargado del carburo) y otro con valores comprendidos entre 1.3 y 4.5 MPa m 1/2 . Este hecho indica que la resistencia a la fractura de Cr 7 C 3 en aceros de herramienta es altamente anisotrópica . Medidas de tenacidad de fractura del acero 1.2379 Este acero de herramienta está formado por dos tipos de carburos primarios, denominados duros y blandos , los cuales presentan una morfología y composición química diferentes. La Tabla 2 resume las propiedades mecánicas y la composición química de estos carburos. Los carburos duros muestran una morfología irregular y redondeada, mientras que los carburos blandos muestran una morfología plana y poligonal. La composición química muestra la presencia de V, Cr, Fe, Mo y W en ambos tipos de carburos. Los carburos duros son ricos en vanadio, mientras que los carburos blandos presentan un elevado contenido de tungsteno. ACERO WOV CARBUROS “BLANDOS” CARBUROS “DUROS” 7  m 10  m 7  m 10  m UNIVERSAL ACERO 9  m 8  m 8  m 10  m CARBUROS “DUROS” El acero de herramienta UNIVERSAL está formado por dos tipos de carburos primarios, denominados duros y blandos (Tabla 2). En este caso, los carburos duros muestran un elevado contenido de vanadio, mientras que los carburos blandos están compuestos principalmente por Fe and Cr. Módulo de Young en función de la dureza de la matriz metálica y de ambos tipos de carburos. Medidas de tenacidad de fractura del acero WOV CARBUROS “BLANDOS” Módulo de Young en función de la dureza de la matriz metálica y de ambos tipos de carburos. Medidas de tenacidad de fractura del acero UNIVERSAL Agradecimientos Este trabajo ha sido parcialmente financiado por el CIDEM (contrato CT05-1-1001) y por el MITYC (CIT-030000-2005-278) CARACTERIZACIÓN MICROMECÁNICA DE ACEROS DE HERRAMIENTA DE TRABAJO EN FRÍO D. Casellas*, J. Caro*, J. M. Prado*, I. Valls** *CTM Centre Tecnològic. Av. Bases de Manresa, 1. 08242 MANRESA ** ROVALMA S.A . Apol·lo 51, P. I. Can Parellada. 08228 TERRASSA Acero Temple Revenido HRC 1.2379 1050 ºC for 30 minutes 400 ºC 2h (x2) 57.0  0.5 UNIVERSAL 1060 ºC for 35 minutes 540 ºC 2h (x3) 61.3  0.1 WOV 1250 ºC for 5 minutes 550 ºC 2h (x3) 66.2  0.3 Figura 1 .- (a) Grietas radiales y (b) grietas tipo Palmqvist generadas por una indentación Vickers, (c) grietas generadas por un indentador Berkovich . Acero Carburo H (GPa) E (GPa) K C (MPa m 1/2 ) Composición (% en peso) 1.2379 Cr 7 C 3 18.2  2.4 294  17 2.3  0.8 (perpendicular al lado largo) < 1.0 (paralelo al lado largo) 40-45% Fe, 45-50% Cr, 5-7% V, 2-3% Mo UNIVERSAL Blando 20.3  1.2 272  18 2.7  0.5 30-50% Fe, 20-40% Cr, 10-20% V, 3-5% Mo, 2-4% W UNIVERSAL Duro 26.1  0.9 316  20 3.7  0.5 50-70% V, 8-12% Cr, 5-10% Mo, 5-10% W, 2-6% Fe WOV Blando 18.1  1.3 318  15 3.3  0.5 50-60% W, 20-30% Fe, 3-5% Cr, 2-3% Mo WOV Duro 24.7  1.2 338  16 2.2  0.4 50-70% V, 20-50% W, 3-5% Cr,1-2% Mo Evolution of K C as function of the ratio between V and Mo+W content of hard carbides in WOV and UNIVERSAL tool steels. High contents in V produce high K C , without decreasing H. Evolución de K C en función de la dureza. Los carburos duros del acero UNIVERSAL muestran los valores más elevados de K C y H. CONCLUSIONES La técnica de nanoindentación constituye una gran herramienta para la caracterización de las propiedades mecánicas (H, E, K C ) de carburos micrométricos de aceros de herrramienta. La cuantificación de estos parámetros resulta esencial para el diseño de microestructuras que permitan optimizar la resistencia al desgaste y a la fractura de aceros de herramienta con elevadas prestaciones mecánicas.