Resistencia al desgaste y rendimiento durante procesos de extrusión a escala industrial de los aceros 100Cr6 y 21NiCrMo2 sometidos a tratamientos criogénicos

Abstract


 Se ha investigado los efectos de diferentes parámetros de tratamiento térmico y criogénico como la temperatura y el tiempo de mantenimiento sobre la microestructura (cantidad de austenita retenida) y la dureza de moldes de extrusión producidos a partir de los aceros 21NiCrMo2 y 100Cr6. La matriz de extrusión del acero 21NiCrMo2 se cementó durante 22,5 h en una atmósfera de gas (25% CO, 35% N2, 40% H2) a 920 °C. Al final del proceso de cementación, la temperatura se mantuvo a 850 °C, que es la temperatura de austenización, durante 2 h, seguido de enfriamiento en aceite a 80 °C, permaneciendo en aceite durante 45 minutos. No se realizó este proceso de cementación para los moldes de extrusión fabricados con el acero 100Cr6. En este acero solo se llevó a cabo el tratamiento de austenización a la temperatura de 850 °C (manteniendo durante 2 h). Los moldes de acero que se fabricaron con aceros los 21NiCrMo2 y 100Cr6 se trataron posteriormente de manera criogénica a -120 °C durante 2 h y, posteriormente, se templaron a 150 °C durante 1,5 h. Como resultado del tratamiento criogénico, la dureza del acero 21NiCrMo2 aumentó hasta los 840 Hv y mejoró la resistencia al desgaste de la superficie de la matriz de extrusión. La cantidad de austenita residual disminuyó del 20% al 6% después del tratamiento criogénico. Por efecto del proceso criogénico, la dureza superficial de la muestra de acero 100Cr6 aumentó a ~870 Hv, lo que supone un incremento del 4,5%, debido a la transformación de la austenita residual a martensita. La pérdida de masa durante el ensayo de desgaste de las matrices de extrusión endurecidas se redujo de 0,1420 mg a 0,0221 mg. El valor de resistencia al impacto medido en esta condición fue de 20 J. El acero 100Cr6 después del tratamiento criogénico se usó para extruir 12 toneladas de aleación de Al en una prensa industrial. Esta cantidad de material es un 30% inferior a la del acero para herramientas para trabajo en caliente. Por otro lado, el acero 100Cr6 es más económico y el tratamiento térmico es más práctico. El rendimiento durante el proceso de extrusión del acero 21NiCrMo2 fue un 50% inferior al del acero para herramientas de trabajo en caliente.

Cryogenic Treatment of Martensitic Steels: Microstructural Fundamentals and Implications for Mechanical Properties and Wear and Corrosion Performance

“…For steel subjected to CT at −196 °C for 24 h, this reduction was slightly higher (60%) [246]. In other work [228], Karaca et al reported that an application of −100 °C cryogenic treatment for 3.5 h improved wear performance by only 10%, but the treatment at −120 °C gave a 40% improvement in wear rate [234]. A CT duration of 24-36 h (at −185 or −196 °C) was recommended as optimal to achieve the best wear performance of bearing steels [24,151,244].…”

“…These results indicate that it is possible to increase the material toughness without sacrificing hardness through CT, owing to overall microstructural refinement (martensitic domains and η-carbide precipitates). Nevertheless, Karaca and Kumruoğlu [234] reported opposite results. The CVN impact toughness of AISI 52100 steel notably decreased with the application of CT at −120 °C for 2 h. This is rather surprising at first glance, but fractographic analyses revealed completely brittle fractures of cryogenically treated samples.…”

“…In SNCM 415, a hardness increase of almost 200 HV was observed due to CT at −85 • C for 24 h [225]. For 17Cr2Ni2MoVNb, 21NiCrMo2, and 20Cr2Ni4A steels, there was a hardness increase of almost 40, 80, and 120 HV1, respectively, after CT at −80, −150, or −196 • C (each of them for 1 h) [229,230] or after CT at −120 • C for 2 h [234]. The hardness increase due to cryogenic treatments is a result of a 30 to 50% reduction in retained austenite as well as more extensive precipitation of fine carbides due to cryogenic treatment [229].…”

“…Treatment at −100 °C for 210 min (following sequence A), for instance, resulted in a 60 HV hardness increase for the given steel grade [228]. Cryogenic treatment at −120 °C for 2 h increased the hardness by 60 to 70 HV [234]. For treatment via sequence A applied to near-eutectoid steel (0.86 wt.% C) at −190 °C for either 12 or 36 h, the longer treatment duration resulted in a greater hardness increase [151], mainly due to a more complete RA-to-martensite transformation.…”