Efecto de la adición de Ti, W, Mn y N en la microestructura y resistencia al desgaste de un acero con alto contenido de carbono

Abstract

This research paper analyzes the effect of adding titanium (Ti), tungsten (W), manganese (Mn), and nitrogen (N) to a high-carbon steel to improve its hardness, toughness, and wear resistance. Base alloys (1.5% C, 3% Ti, 6% W, 0.1% N) with different proportions of Mn (0.3% and 10%) were fabricated using a vacuum induction furnace. The low-Mn alloys were subjected to quenching, while the high-Mn alloys were deformed by compression to evaluate the response to different treatments. Characterization was performed using techniques such as microscopy (optical and electron), X-ray diffraction, and energy-dispersive spectroscopy, measuring hardness and wear resistance. The key results indicate that the addition of Ti, W, and N promotes the formation of (TiW)C carbides and (TiW)CN carbonitrides, improving the steel's properties. Manganese, by stabilizing the austenite and increasing carbon solubility, reduces the number of carbides formed. Meanwhile, nitrogen, incorporated as nitrided ferrochrome (FeCrN), improves the mechanical properties in the as-cast state. Both the quenching heat treatment and the cold deformation managed to increase the alloys' hardness by 30%. This increase is due to the transformation of austenite into martensite and the generation of precipitates and internal stresses. Finally, it was determined that the main wear mechanism is oxidation, which creates a protective lubricating layer on the surface. In conclusion, manipulating the chemical composition and the thermal and mechanical treatments allows for the significant optimization of the properties of high-carbon steels.

Este trabajo de investigación analiza el efecto de añadir titanio (Ti), tungsteno (W), manganeso (Mn) y nitrógeno (N) a un acero de alto carbono para mejorar su dureza, tenacidad y resistencia al desgaste. Se fabricaron aleaciones base (1.5% C, 3%Ti, 6%W, 0.1% N) con distintas proporciones de Mn (0.3% y 10%) mediante un horno de inducción al vacío. Las aleaciones con bajo Mn se sometieron a temple, mientras que las de alto Mn se deformaron por compresión para evaluar la respuesta a diferentes tratamientos. La caracterización se realizó con técnicas como microscopía (óptica y electrónica), difracción de rayos X y espectroscopía de energía dispersa, midiendo la dureza y la resistencia al desgaste. Los resultados clave indican que la adición de Ti, W y N promueve la formación de carburos (TiW)C y carbonitruros (TiW)CN, mejorando las propiedades del acero. El manganeso, al estabilizar la austenita y aumentar la solubilidad del carbono, reduce la cantidad de carburos formados. Por su parte, el nitrógeno, incorporado como ferrocromo nitrogenado (FeCrN), mejora las propiedades mecánicas en el estado de colada. Tanto el tratamiento térmico de temple como la deformación en frío lograron incrementar la dureza de las aleaciones en un 30%. Este aumento se debe a la transformación de austenita en martensita y a la generación de precipitados y tensiones internas. Finalmente, se determinó que el principal mecanismo de desgaste es la oxidación, que crea una capa protectora lubricante en la superficie. En conclusión, la manipulación de la composición química y los tratamientos térmicos y mecánicos permite optimizar significativamente las propiedades de los aceros de alto carbono.