Influencia del tiempo de temple sobre la microestructura y dureza de aceros para moldes
Influencia del tiempo de temple sobre la microestructura y dureza de aceros para moldes
El acero Cr5Mo1V es un acero para moldes de trabajo en frío desarrollado a partir del acero Cr12, con un alto contenido de carbono y un contenido medio de cromo, representando un acero de trabajo en frío de aleación media. El método de temple más común para este acero es el temple al aire, cuyos beneficios incluyen deformaciones térmicas mínimas y estabilidad dimensional, así como una distribución uniforme de los carburos, lo que mejora significativamente las propiedades mecánicas. Debido a la presencia de molibdeno y vanadio, este acero presenta una buena capacidad de templado y una resistencia al desgaste que se sitúa entre el acero manganeso y el acero de alto carbono y alto cromo, además de tener una buena tenacidad. Este acero es un material ideal para la fabricación de matrices de embutición en frío, matrices de extrusión en frío y otros procesos en la industria de moldes.
El proceso de tratamiento térmico, siendo uno de los pasos clave en la fabricación de moldes, afecta directamente las características de uso de los mismos y tiene un impacto significativo en su estado de trabajo y vida útil. Con el avance de la tecnología, se han mejorado algunas limitaciones de proceso, y la atención se ha centrado gradualmente en la optimización del tratamiento térmico para mejorar la microestructura y las propiedades mecánicas de los moldes.
El tratamiento térmico del acero Cr5Mo1V es un área importante de investigación para muchas acerías que buscan optimizar la producción y reducir costos. La mejora y ajuste de los procesos de tratamiento térmico de este acero permitirán obtener un rendimiento óptimo a un costo más bajo, lo que tendrá un impacto positivo en la industria de producción de moldes. Este artículo investiga la influencia del tiempo de templado sobre la microestructura y las propiedades mecánicas del acero Cr5Mo1V, con el objetivo de encontrar un proceso de tratamiento térmico óptimo para futuras investigaciones.
- Materiales y métodos experimentales
La composición química del acero Cr5Mo1V utilizado en este experimento se muestra en la tabla 1.
Se utilizó un método de calentamiento escalonado para los ensayos de temple y de templado. Primero, se calentó a 800 °C durante 30 minutos, luego se elevó a 950 °C y se mantuvo durante 45 minutos, seguido de un enfriamiento al aire. Posteriormente, se realizó el templado a 520 °C durante intervalos de tiempo de 30, 60, 120 y 180 minutos. Los parámetros específicos del tratamiento térmico se muestran en la figura 1. Todos los tratamientos térmicos se llevaron a cabo en un horno de mufla. Para las pruebas de corrosión se utilizó una solución de ácido nítrico al 3% en etanol. Se utilizaron un microscopio óptico CLOOSROMAT350, un microscopio electrónico de barrido HITACHIS-3400N y un espectrómetro EDS para analizar la microestructura de las muestras después del tratamiento térmico. Para medir la dureza se utilizó un durómetro de microdureza HXD-1000TMJC/LCD con una carga de 500 g. La dureza se determinó como el valor medio de diez puntos (cinco en cada uno de los dos ejes medidos) con una distancia de 100 µm entre los puntos.
- Resultados y discusión
2.1 Microestructura y dureza del acero Cr5Mo1V en estado de acabado
La figura 2 muestra la microestructura del acero Cr5Mo1V en estado de recocido.
Como se observa en la figura, los componentes principales son el ferrito y los carburos de aleación. La razón de la formación de carburos de aleación es el alto contenido de carbono y el contenido medio de cromo en el acero Cr5Mo1V. Los resultados de las pruebas de dureza indican que la dureza del acero Cr5Mo1V en estado de acabado es de 602.89 HV, lo que equivale aproximadamente a 55.1 HRC.
2.2 Microestructura y dureza del acero Cr5Mo1V después de temple y templado
La microestructura del acero Cr5Mo1V después del templado a 520 °C según el tiempo de templado se muestra en la figura 3. Con un tiempo de templado de 30 minutos (figura 3 (a), (b)), el componente principal es la estructura martensítica de templado, que consiste en un componente de ferrito de bajo carbono y carburos. Con un tiempo de templado de 60 minutos (figura 3 (c), (d)), se observan claramente carburos de gran tamaño en forma de red, aunque la microestructura sigue siendo martensítica. Con un tiempo de templado de 120 minutos (figura 3 (e), (f)), el componente principal se convierte en sorbito, y la morfología de los carburos cambia de una distribución en red a una distribución dispersa, y el tamaño de los carburos disminuye. Se sugiere que esto se debe a un cambio en el tipo de carburos, donde los carburos generados por el descomposición de la martensita se transforman en carburos más estables. Con un aumento adicional del tiempo de templado a 180 minutos (figura 3 (g), (h)), la estructura sigue siendo sorbita, pero en esta etapa los pequeños carburos comienzan a agregarse y esferoidizarse.
La figura 4 presenta imágenes SEM y resultados de análisis espectral EDS del acero con un tiempo de templado de 120 minutos. En las figuras 4 (a) y (b) se muestran imágenes a bajo y alto aumento, respectivamente. De la figura se observa que el tiempo de templado de 120 minutos ha llevado a la fragmentación de los carburos en forma de red, y en la estructura han aparecido numerosos carburos a escala nanométrica. A pesar de que la composición de los carburos es principalmente (Fe, Cr)C, los carburos en el rango micrométrico (MC) tienen un contenido de carbono más bajo que los carburos a escala nanométrica dispersos (MC)2. En la figura 4 (b) también se observa que después de 120 minutos de templado, la martensita en el acero de prueba ya se ha descompuesto en sorbito.
La figura 5 muestra la imagen SEM del acero con un tiempo de templado de 180 minutos. En comparación con el tiempo de templado de 120 minutos, los carburos a escala nanométrica (MC)2 aumentan de tamaño, mientras que la morfología de la matriz del acero no cambia significativamente.
La figura 6 muestra la dureza del acero Cr5Mo1V a diferentes tiempos de templado. Como se observa en la figura 6, a medida que aumenta el tiempo de templado, la dureza del acero Cr5Mo1V disminuye de 56.4 HRC a 54.3 HRC, luego vuelve a aumentar (hasta 56.5 HRC) y finalmente disminuye nuevamente a 55.1 HRC. En el tiempo de templado de 30 minutos, la dureza de la aleación resulta incluso ser mayor que en el estado de acabado, debido a que durante el tiempo de templado corto, los elementos de aleación no han precipitado completamente, lo que inhibe la descomposición de la martensita. Por otro lado, la alta densidad de dislocaciones y las tensiones de temple no resueltas contribuyen a una mayor dureza. Con un tiempo de templado de 60 minutos, la martensita tiene suficiente tiempo para descomponerse, lo que provoca un ablandamiento de la matriz, y a medida que se prolonga el tiempo de templado, las tensiones de temple desaparecen gradualmente, lo que explica la disminución de la dureza del acero Cr5Mo1V. Con un tiempo de templado de 120 minutos, la dureza alcanza su valor máximo, ya que se observa un cambio significativo en la morfología de los carburos, además de que se produce el fenómeno de endurecimiento secundario, lo que contribuye a un aumento de la dureza. Con un tiempo de templado de 180 minutos, debido a la mayor difusión de los elementos de aleación, los pequeños carburos comienzan a agregarse y aumentar de tamaño, lo que lleva a una disminución de la dureza.
En resumen, el alargamiento del tiempo de templado favorece la esferoidización de los carburos a escala nanométrica. Con un tiempo de templado de 120 minutos, la dureza alcanza su valor máximo y la estructura de la muestra es sorbita. Esto se debe a que con tiempos de templado cortos, los carburos no tienen tiempo suficiente para esferoidizarse, y con tiempos de templado excesivamente largos, los carburos aumentan de tamaño, lo que provoca el ablandamiento de la estructura. Por lo tanto, 120 minutos es el tiempo óptimo de templado.
- Conclusión
(1) Con un tratamiento de temple al aire a 950 °C y un templado a 520 °C, a medida que se aumenta el tiempo de templado, la microestructura del acero Cr5Mo1V cambia de martensita a martensita de templado y luego a sorbita. Con 30 minutos de templado, la martensita aún no ha tenido tiempo suficiente para descomponerse. Con 60 minutos, se forman carburos grandes en forma de red, y al llegar a 120 minutos, los carburos grandes se disuelven, dando lugar a carburos esféricos a escala nanométrica; al extenderse el tiempo de templado, los carburos de la fase de ferrito comienzan a agregarse y aumentar de tamaño.
(2) Con un tratamiento de temple al aire a 950 °C y un templado a 520 °C, aunque la dureza es máxima tras 30 minutos, esto se debe a que el tiempo es corto y las tensiones de temple no se han eliminado completamente. Tras 120 minutos, debido al fenómeno de endurecimiento secundario, la dureza alcanza su punto máximo, y después de 180 minutos, la dureza del acero Cr5Mo1V disminuye debido al aumento de tamaño de los carburos.
(3) En el tratamiento de temple al aire a 950 °C y templado a 520 °C, un tiempo de templado de 120 minutos permite que el acero Cr5Mo1V obtenga una estructura de sorbita, alcanzando su máxima dureza, lo que lo convierte en el tiempo óptimo de templado.