Modificación superficial de un acero maraging de bajo contenido en níquel mediante técnicas de fusión superficial con láser

Resumo

En este trabajo se analiza la posibilidad de emplear un haz láser de Nd:YAG de alta potencia para modificar la superficie de un acero maraging de bajo contenido en níquel (14%), grado 200, por refusión superficial. La utilización de aceros de herramientas está ampliamente extendida en procesos de fabricación industriales como el corte, el mecanizado y el moldeo por inyección. Las muy buenas propiedades que presentan estas aleaciones están normalmente asociadas a un elevado precio, derivado tanto de la gran cantidad de elementos de aleación utilizados como de la complejidad de los procesos de fabricación involucrados y de los tratamientos térmicos necesarios. Debido a ello, la correcta elección de la aleación más adecuada para cada aplicación concreta es un factor fundamental. Además, durante su vida en servicio, estas aleaciones están sometidas normalmente a procesos de desgaste intenso de ahí que el desarrollo de técnicas de mejora superficial que permitan aumentar su durabilidad suele tener una gran repercusión industrial. De entre todas las aleaciones desarrolladas, los aceros maraging (AM) son, posiblemente, los que han sufrido un mayor incremento en la demanda en las últimas décadas. Los AM son aceros de alta aleación caracterizados por un muy bajo contenido en carbono. Su microestructura está formada por martensita Fe-Ni inicialmente blanda y tenaz, obtenida después de un tratamiento de solubilización e hipertemple al aire, que presenta una alta conformabilidad y, por lo tanto, permite la fabricación de herramientas con formas complejas. Posteriormente, se mejoran las propiedades mecánicas con un tratamiento de endurecimiento estructural o precipitación relativamente sencillo que permite obtener aceros de ultra alto límite elástico, elevada resistencia a tracción, gran tenacidad, y alta dureza y resistencia al desgaste que los convierten en candidatos idóneos para su utilización como aceros de altas prestaciones. Su principal problema radica en la posibilidad de sufrir el proceso de reversión de martensita a austenita, especialmente durante su vida en servicio, favorecido por su elevado contenido en níquel y las elevadas temperaturas alcanzadas, o durante procesos de reparación debido los elevados aportes térmicos generados, que empeoran drásticamente sus propiedades mecánicas. Su composición química puede ser muy variable y entre ellos destacan los de bajo contenido en níquel que, en su condición de máxima resistencia al desgaste, están especialmente diseñados para emplearlos en grandes moldes de fundición por inyección a presión de aleaciones ligeras de bajo punto de fusión, ampliamente utilizadas en la industria de bienes de equipo, aeronáutica y de automoción para fabricar, en grandes series, bloques de motores y cárteres de puentes traseros del embrague entre otros órganos de máquinas, y que además de ser más baratos poseen una alta resistencia al proceso de reversión de martensita a austenita. Esta misma cualidad se ha intentado aprovechar en este trabajo para evitar reblandecimientos excesivos en las zonas afectadas térmicamente durante el proceso de modificación superficial por el láser de Nd-YAG. Se estudió el empleo de dos técnicas de modificación superficial: La de refusión simple sin aporte de material (Laser Surface Melting, LSM) y la de refusión con aportación de partículas cerámicas de TiN (Laser cladding, LC). La técnica de LSM podría ser utilizada para eliminar defectos superficiales muy pequeños como son microfisuras y fisuras poco profundas similares a las que se pueden producir, por ejemplo, en determinadas zonas críticas de los moldes de inyección a presión debido a la existencia de tensiones térmicas muy localizadas y a fatiga térmica. La técnica de LC, por el contrario, fue diseñada para reparar superficies que se deben recrecer para mantener sus dimensiones originales, como por ejemplo, aquellas de los moldes de fundición por inyección a presión en las que se produce desgaste erosivo con eliminación del material debido al flujo entrante del metal líquido. Este inconveniente toma una relevancia especial en los procesos de fundición inyectada a alta presión en los que dicho flujo es muy turbulento, y en los que se producen, por choque térmico, grietas de tamaño considerable cuya eliminación implica un resanado del material base y, por lo tanto, un posterior recrecimiento de la zona afectada. Además también permitiría, en caso necesario, hacer depósitos multicapa para obtener restauraciones dimensionales importantes. Como material de aporte se escogieron partículas de TiN cuya combinación de enlaces iónico, covalente y metálico las hace termodinámicamente muy estables, con un alto punto de fusión, una conductividad térmica de características metálicas, y excelentes propiedades mecánicas y tribológicas, tales como alta dureza y buena resistencia al desgaste, además de una buena resistencia química. En cada una de las técnicas empleadas se estudió el grado de solapamiento más adecuado para conseguir multipasadas que permitan extender su acción sobre una determinada superficie metálica. Con el estudio en profundidad de ambas técnicas se intenta que puedan sustituir con ventaja a las más tradicionales de reparación por soldadura (MIG, MAG, TIG, etc.) y, en el caso de laser cladding, competir con las de proyección térmica y con la soldadura por haz de electrones, debido a la polivalencia, alta velocidad de refusión, elevada focalización que permite obtener zonas térmicamente afectadas muy estrechas, muy baja aportación de energía térmica por unidad de superficie que evita fuertes distorsiones de las superficies tratadas y alta calidad superficial obtenida. El trabajo de investigación realizado permitió obtener los siguientes resultados: 1. Optimización del tratamiento térmico de endurecimiento por precipitación del AM con bajo contenido en níquel grado 200. Con un tiempo de maduración de 6 horas a una temperatura de 525ºC se consiguió la mejor combinación de propiedades tribológicas y mecánicas posibles, con un incremento de la dureza cercano al 50% y de la resistencia al desgaste por deslizamiento superior al 80% respecto al AM en estado de recocido de solubilización e hipertemple. En estas condiciones el AM cumple ampliamente con las exigencias mínimas del grado 200 (posee a temperatura ambiente una resistencia a la tracción de 1.635 MPa y un límite elástico de 1.576 MPa), es dúctil (con un grado de estricción del 54,5 % y un alargamiento a la rotura del 10%) y es tenaz (37 J de energía absorbida en el ensayo Charpy). La microestructura obtenida a temperatura ambiente es totalmente martensítica en todos los casos y no se detectó austenita retenida tras el hipertemple ni formada por reversión de la martensita durante la etapa de maduración. 2. Optimización del proceso de refusión superficial sin aporte de material mediante un láser de Nd:YAG (Técnica LSM). La mejor combinación de dureza y resistencia al desgaste por deslizamiento se consiguió después de someter el AM en la condición de máxima dureza (obtenida tras el tratamiento térmico de envejecimiento optimizado), a un proceso combinado de LSM, con solape entre pasadas del 25 %, y de tratamiento térmico final de endurecimiento por precipitación. El envejecimiento final permitió incrementar la dureza de la zona del baño de fusión solidificado un 9% aproximadamente en comparación con el AM endurecido por precipitación, manteniendo la resistencia al desgaste por deslizamiento sin que el resto del material base tenga una disminución significativa de sus propiedades mecánicas debido a una posible sobremaduración. 3. Optimización del proceso de refusión superficial con aportación de partículas de TiN (Técnica LC). Se obtuvo en la superficie procesada un material compuesto de matriz metálica (Metal matrix composite) reforzado por partículas cerámicas de TiN perfectamente embebidas y distribuidas en la matriz, sin fundir y sin presentar ningún tipo de reactividad con la misma. La combinación del laser cladding con un tratamiento térmico de endurecimiento por envejecimiento final permitió alcanzar en la superficie del cladding valores máximos de dureza (superiores a 725 HV) y de resistencia al desgaste (la tasa específica de desgaste alcanza valores de 5,4 x 10-6 mm3/Nm), sin que el resto del material base tenga una disminución significativa de sus propiedades mecánicas. Como conclusión cabe mencionar que la combinación de cualquiera de las dos técnicas de refusión superficial propuestas con un tratamiento térmico de envejecimiento final del AM, permite obtener un material de mayor dureza y resistencia al desgaste superficial que el acero maraging envejecido, sobre todo en el caso del laser cladding.