Un buen control de la microestructura como herramienta potencial para mejorar el comportamiento frente al desgaste de la fundición gris hipereutéctica

El control estricto de las emisiones contaminantes de los sistemas de freno (regulado por la norma EURO 7, de obligado cumplimiento a partir de 2027) es de vital importancia. La necesidad de mitigar los efectos del cambio climático, así como la emisión de partículas a la atmósfera, asociadas a enfermedades respiratorias, problemas cardiovasculares y muertes prematuras, requiere el desarrollo de nuevos materiales más respetuosos con el medio ambiente. En particular, para los discos de freno, una mayor resistencia al desgaste de la fundición gris podría ser esencial para prolongar la vida útil del producto, reducir las emisiones y mejorar el rendimiento operativo. Un control exhaustivo de la morfología y la microestructura del grafito es también una alternativa potencial y económica para mejorar la calidad de la fundición. Se proponen como posibles soluciones para mejorar el comportamiento al desgaste la personalización de ciertos elementos de aleación, como el cromo y el estaño, la aplicación de tratamientos térmicos como el hierro gris normalizado o austemperado, y la adición especial de nanopartículas de SiC, WC y TiC.

El objetivo de esta investigación es analizar el efecto de todas estas técnicas en la microestructura y, por consiguiente, en las propiedades mecánicas, la resistencia al desgaste y la emisión de partículas. Se fundieron doce coladas. Se produjeron dos placas rectangulares de 150 x 75 x 20 mm para cada colada. Las muestras se inocularon con un 0,12 % de inóculo de ZrMn. Se realizaron análisis metalográficos y estudios de SEM. La resistencia al desgaste se evaluó como pérdida de masa mediante la prueba de pin-on-disc (PoD). La concentración de partículas de desgaste en suspensión (PM10) se midió continuamente durante la prueba.

La morfología del grafito se modificó ligeramente, pero el tipo A fue predominante en todos los casos. Se descubrió algo de tipo B en la muestra aleada con 0,52% Cr. La microestructura fue completamente perlítica en la mayoría de los casos, excepto en las muestras austemperadas, donde se observó una matriz formada con agujas ferríticas combinadas con austenita enriquecida. Se notó un número significativo de carburos tipo MC (con una estructura cristalina cúbica centrada en las caras) y M7C3 (estructura cristalina hexagonal) en muestras aleadas con Cr. Se detectaron cantidades notables de ledeburita (35%) para los contenidos más altos de Cr. Las adiciones de nanopartículas promueven considerablemente el número de inclusiones no metálicas en la matriz, mejorando así el potencial de nucleación del material. Las propiedades mecánicas aumentaron para todas las adiciones. Los valores más altos se obtuvieron para altos contenidos de Cr (277 MPa y 352 HBW) debido a la presencia de carburos complejos Cr-Nb. La formación de una matriz ausferrítica también promueve la mejora de la dureza y la resistencia a la tracción (199 MPa y 202 HBW). Se descubrió un comportamiento al desgaste superior para la mayoría de las microestructuras, con mejoras de casi un 30 % y un 50 % para 0,52 % de Cr y 0,10 % de Sn, respectivamente.

La principal limitación de la investigación radica en que las conclusiones obtenidas están directamente relacionadas con la morfología final del grafito. En este caso, el análisis se realizó para piezas fundidas con un módulo térmico bajo y una composición hipereutéctica, y la extrapolación a una sección grande o a composiciones hipoeutécticas requeriría ensayos adicionales, ya que el grafito formado sería completamente diferente. Las diferencias en las condiciones de prueba en un tribómetro o en un banco de pruebas dinámico también son relevantes. Este estudio complementa la investigación presentada el año pasado en EUROBRAKE 2024, considerando la presencia de diferentes elementos de aleación (Cr y Sn), así como nuevas alternativas como los tratamientos térmicos y la adición de nanopartículas, que buscan mejorar la resistencia al desgaste de forma más económica, reduciendo la necesidad de operaciones de acabado como el revestimiento láser o el rectificado. Los prometedores resultados obtenidos ofrecen la posibilidad de establecer un buen conocimiento de la microestructura final y de la morfología del grafito como una herramienta eficaz para controlar el comportamiento tribológico. El cumplimiento de la norma EURO 7, sin necesidad de costosos procesos industriales adicionales ni equipos altamente específicos, y considerando únicamente la calidad metalúrgica, parece cada vez más cercano.