Laminado en frio con rodillos rugosos: un nuevo proceso para la obtencion de micro o nano granos superficiales en grandes areas.

Abstract

Los procesos de deformación plástica severa en cercanías de la superficie, seguidos de recocidos a bajas temperaturas, han demostrado ser altamente efectivos para generar micro/nano granos en la capa superficial de los materiales. En este contexto, en esta tesis se ha desarrollado y estudiado una técnica innovadora que simula y reemplaza uno de los procesos de deformación plástica superficial existentes, el arenado. El objetivo es lograr una red uniforme de zonas de alta deformación en la superficie del material, actuante como centros de nucleación durante el recocido posterior. El método propuesto consiste en una laminación en frío utilizando rodillos rugosos, seguido de una recristalización a bajas temperaturas y, a diferencia del arenado convencional, ofrece la ventaja de ser un procesamiento continuo con una alta productividad. Para el estudio de este proceso, se llevaron a cabo laminaciones en frío de placas de acero inoxidable austenítico utilizando rodillos rugosos, y posteriormente se realizaron recocidos a temperaturas comprendidas entre 200°C y 400°C durante una hora. Los análisis microestructurales mediante microscopía óptica y electrónica revelaron la presencia de nuevos granos superficiales pequeños, algunos de 200-300 nm, distribuidos de forma heterogénea, lo que aumenta la resistencia al desgaste del material. Dado que la rugosidad impuesta por los rodillos desempeña un rol clave en la determinación de las propiedades finales, específicamente en la deformación plástica y microestructura superficial, se realizó un estudio numérico del proceso propuesto mediante elementos finitos para comprender esa influencia y predecir su efecto en los nuevos granos superficiales obtenidos, y luego correlacionarlo con la evidencia experimental. Esta simulación numérica reveló la presencia de una deformación plástica severa distribuida de forma heterogénea en toda la superficie, un resultado que se alinea con los resultados de los análisis microestructurales, donde se observó que la formación de nuevos granos también fue localizada de manera no homogénea. A pesar de esta heterogeneidad en la distribución de la microestructura, la presencia de granos más pequeños en la superficie condujo a mejoras significativas en las propiedades mecánicas. Se registró un aumento del 20% en la nano dureza superficial en comparación con el centro de la pieza y reducciones del 26% y 45 % en la profundidad del desgaste y la pérdida de masa respectivamente. En resumen, este método innovador ofrece una alternativa prometedora para producir microestructuras y nanoestructuras que resultan en propiedades mecánicas superficiales mejoradas.

Severe surface plastic deformation processes followed by low-temperature annealing have demonstrated remarkable effectiveness in generating micro/nano grains within the surface layer of materials. In this context, an innovative technique attempts to recreate the superficial deformation occurring in the sandblasting process to create a uniform network of highstrain zones on the material's surface. These high-strain zones act as nucleation centers during subsequent annealing. However, the proposed method has a significant advantage over sandblasting: it is a continuous process with high productivity. It begins with cold rolling using rough rolls and is followed by recrystallization at low temperatures. An austenitic stainless-steel sheet, previously normalized, was used as the raw material. The samples were cold rolled using rough rolls, and annealed at temperatures between 200°C and 400 °C for one hour. An optical and electronic microstructure analysis showed the presence of small, heterogeneously distributed surface grains of 200–300 nm in diameter. At the same time, the surface grain refinement resulting from the proposed process enhances the material's wear resistance. Since the roughness imposed by the rolls plays a main role in determining the final properties, particularly plastic deformation and surface microstructure, a numerical study of the proposed process was undertaken using finite elements to comprehend this influence and predict its impact on the newly formed surface grains. This prediction was then correlated with experimental evidence. Finite element analysis revealed significant, inhomogeneous deformation and likely responsible for the uneven distribution of the recrystallized grains; this result is consistent with the microstructural analysis results, which demonstrated localized formation of new grains. Despite the heterogeneity in microstructure distribution, the presence of smaller grains on the surface led to significant improvements in mechanical properties. Surface nano hardness results showed a 20% increase with respect to the central zone of the material and wear tests of the treated samples showed 26% and 45% lower wear deep and mass loss, respectively. In summary, this innovative method presents a promising alternative for producing microstructures and nanostructures that result in enhanced surface mechanical properties.