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ANÁLISIS DE LA INFLUENCIA DE LA CEMENTACION EN EL
TRATAMIENTO TÉRMICO DE TEMPLE DESDE TEMPERATURAS
INTERCRÍTICAS Y REVENIDO EN UN ACERO AISI/SAE 8620
JAINER SANTIAGO PIÑEROS TORRES
20142375029
WILLIAM HERNANDO PORRAS MORENO
20151375013
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
INGENIERIA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C.
2016
ANÁLISIS DE LA INFLUENCIA DE LA CEMENTACION EN EL
TRATAMIENTO TÉRMICO DE TEMPLE DESDE TEMPERATURAS
INTERCRÍTICAS Y REVENIDO ACERO AISI/SAE 8620
JAINER SANTIAGO PIÑEROS TORRES
20142375029
WILLIAM HERNANDO PORRAS MORENO
20151375013
Proyecto de grado para optar al título de Ingeniero Mecánico
TUTOR: Ph. D. Carlos Arturo Bohorquez Ávila
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
INGENIERIA MECÁNICA
BOGOTÁ D.C.
2016
DEDICATORIA
La concepción de este proyecto está dedicada a Dios, mis
padres Janet y Pablo, pilares fundamentales en mi vida. Sin
ellos, jamás hubiese podido conseguir lo que hasta ahora. Su
tenacidad y lucha incansable han hecho de ellos el gran ejemplo
a seguir y destacar, no solo para mí, sino para mis hermanos y
familia en general. También dedico este proyecto a mi novia,
Mi Muñeca, compañera inseparable de cada jornada. Por último
a mi compañero de tesis porque en esta armonía grupal lo
hemos logrado y a mi director de tesis quién nos ayudó en todo
momento, Msc. Carlos Bohórquez. A ellos este proyecto, que
sin ellos, no hubiese podido ser.
Jainer Santiago Piñeros Torres
DEDICATORIA
Dedico de manera especial a mi abuela Cristina parte
principal y fundamental en mi vida, quien con su dedicación,
esfuerzo y amor me ha brindado lo que más ha podido para
poder lograr lo que hasta el momento tengo. También a mi
familia, amigos y a cada persona que en su momento brindo su
colaboración y ayuda para lograr tan anhelado sueño.
William Hernando Porras Moreno
¨Mis sueños son mentiras que algún día dejaran de serlo¨
Ignacio Fornés Olmo
AGRADECIMIENTOS
De antemano agradecer a Dios quien esa siempre
presente. A nuestro familia quien siempre está ahí con
su amor y apoyo incondicional. A nuestro tutor Ph. D. Carlos
Arturo Bohorquez Avila puesto que con su ayuda y orientación
logramos la culminación de este proyecto. A la Universidad Distrital
Francisco José De Caldas, Facultad Tecnológica, por brindarnos
sus conocimientos e instalaciones para el desarrollo del
proyecto de grado. La empresa Tratercol S.A. con su ayuda
se logro que los tratamientos térmicos fueran un éxito. Para
el Ingeniero Armando Cardozo que nos facilitó las maquinas
herramientas de su empresa para poder mecanizar las probetas.
CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN ...................................................................................................... 1
2. ASPECTOS CIENTÍFICOS TÉCNICOS ....................................................................... 2
2.1 Antecedentes y revisión del conocimiento disponible ............................................... 2
2.2 Justificación ........................................................................................................... 21
2.3 Formulación del problema de la investigación ........................................................ 23
2.4 Tipo de investigación y limitaciones que se tendrán ................................................ 24
2.4.1 Tipo de investigación ....................................................................................... 24
2.4.2 Recursos físicos ................................................................................................ 24
2.4.3 Recursos humanos............................................................................................ 24
2.4.4 Limitaciones ..................................................................................................... 24
2.5 Objetivos ................................................................................................................ 25
2.5.1 Objetivo General .............................................................................................. 25
2.5.2 Objetivos Específicos ....................................................................................... 25
2.6 Resultados esperados de la investigación ................................................................ 26
3. METODOLOGÍA ........................................................................................................ 27
3.1 Fase 1 ..................................................................................................................... 27
3.2 Fase 2 ..................................................................................................................... 28
3.3 Fase 3 ..................................................................................................................... 28
3.4 Fase 4 ..................................................................................................................... 28
4. MARCO TEÓRICO ..................................................................................................... 29
4.1 Marco Histórico ...................................................................................................... 29
4.2 Marco Conceptual .................................................................................................. 31
4.2.1 Acero aleado .................................................................................................... 31
4.2.2 Tratamientos térmicos ...................................................................................... 32
4.2.3 Temperaturas intercríticas ............................................................................... 34
4.2.4 Aceros doble fase ............................................................................................. 34
4.2.5 Diagramas de tiempo temperatura transformación (TTT) ................................. 35
4.2.6 Diagrama Hierro-Carbono (Fe-C) ................................................................... 36
4.3 Marco Normativo ................................................................................................... 38
4.3.1 Ensayo para determinar la resistencia a la tracción para materiales metálicos 38
4.3.2 Ensayo para determinar la dureza en el acero ................................................. 38
5. HIPÓTESIS ................................................................................................................. 39
6. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL....................................................................... 40
6.1 Material ................................................................................................................. 40
6.2 Probetas ................................................................................................................. 45
6.2.1 Ensayo de tensión............................................................................................. 45
6.2.2 Ensayo de dureza ............................................................................................. 45
6.2.3 Análisis metalográfico...................................................................................... 46
7. RESULTADOS OBTENIDOS Y ANALISIS .............................................................. 47
8. CONCLUSIONES ....................................................................................................... 56
9. RECOMENDACIONES .............................................................................................. 57
10. BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................................... 58
LISTA DE TABLAS
Tabla 1. Resultados del acero 8620 cementado con gas. (asi et al., 2009) p. 6 ................................................. 3
Tabla 2 . Propiedades de esfuerzo de las muestras tratadas térmicamente. (mn et al., 2011) p.4 ..................... 5
Tabla 3. Propiedades de dureza de las muestras tratadas térmicamente. (mn et al., 2011) p.4 ........................ 5
Tabla 4 . Composición química del acero experimental. (liu et al., 2014) p.2 .................................................. 8
Tabla 5. Análisis cuantitativo de los datos experimentales después de: temple y revenido convencional (cqt) y
doble temple y revenido (dqt).(liu et al., 2014) p.4 ............................................................................... 10
Tabla 6. Propiedades mecánicas del acero tratado térmicamente.(liu et al., 2014)p.6 .................................. 10
Tabla 7. Composición química del acero utilizado(torres & moreno, 2014)p.2 ............................................. 11
Tabla 8. Composición química del acero sae 4140. (khani sanij et al., 2012) ................................................ 17
Tabla 9. Resultados obtenidos después de los tratamientos térmicos en el acero 4140 .................................. 17
Tabla 10. Composición química del acero tam. (ding et al., 2014)................................................................ 18
Tabla 11. Resultados obtenidos en tam y trim .............................................................................................. 18
Tabla 12. Composición química del acero al carbono aisi/sae 1018. (barrera & bohórquez, 2014) ............... 19
Tabla 13. Resultados obtenidos antes y después nde los tratamientos térmicos en el acero 1018. ................. 20
Tabla 14. Composición química promedio del acero sae 8620. (compañia general de acero s.a., 2009) ......... 31
Tabla 15. Algunas propiedades mecánicas a temperatura ambiente.(compañía general de acero s.a., 2009) .. 31
Tabla 16. Composición química acero aisi 8620 .......................................................................................... 41
Tabla 17. Propiedades mecánicas a comparar (valores experimentales promedio base) ................................. 42
Tabla 18. Propiedades mecánicas a comparar (valores experimentales promedio base) ................................. 44
Tabla 19. Datos relevantes de los ensayos realizados .................................................................................. 47
LISTA DE FIGURAS
Figura 1. Diagrama esquemático de los ciclos en el tratamiento térmico. (asi et al., 2009)p. 2 ....................... 3
Figura 2. Gráfica de los ciclos y variaciones en el tratamiento térmico. (movahed et al., 2009) p. 2 ............... 4
Figura 3. Gráfica esfuerzo vs deformación para las probetas a,d y e. (movahed et al., 2009) p.4 .................... 4
Figura 4. Secuencia de tratamiento térmico realizado. (c. Bohorquez, e. Sabogal, a. Rodriguez, 2010) p.3 ..... 6
Figura 5. Dureza del acero aisi/sae 1045 templado en aceite desde temperaturas intercríticas entre 740°c y
770º c.(c. Bohorquez, e. Sabogal, a. Rodriguez, 2010). P.6 .................................................................... 7
Figura 6. Fracción volumétrica de martensita para las diferentes temperaturas de tratamiento térmico. (c.
Bohorquez, e. Sabogal, a. Rodriguez, 2010).p.4 .................................................................................... 7
Figura 7. Fracción volumétrica de martensita para las diferentes temperaturas de tratamiento térmico. (c.
Bohorquez, e. Sabogal, a. Rodriguez, 2010)p.6 ..................................................................................... 7
Figura 8. Diagrama esquemático de los tratamientos térmicos realizados a) temple y revenido convencional
y b) doble temple y revenido.(liu et al., 2014) p.2 .................................................................................. 9
Figura 9. Microestructura del acero sin tratar a) temple y revenido convencional y b) doble temple y
revenido.(liu et al., 2014) p.3 ................................................................................................................ 9
Figura 10. Microestructura del acero tratado térmicamente a) temple y revenido convencional y b) doble
temple y revenido. (liu et al., 2014) p.3 ................................................................................................. 9
Figura 11. Secuencia de los tratamientos térmicos que se realizaron.(torres & moreno, 2014) p.2 ................. 11
Figura 12. Variación porcentual de la dureza izquierda y esfuerzo máximo derecha.(torres & moreno, 2014)p.
3 ........................................................................................................................................................ 12
Figura 13. Comparación graficas esfuerzo-deformación totalidad secuencias de tratamiento. (torres &
moreno, 2014)p. 4 .............................................................................................................................. 12
Figura 14. Comparación de microestructuras entre temperaturas de temple diferentes derecha 780° c e
izquierda 740° c. (torres & moreno, 2014) p. ...................................................................................... 13
Figura 15. Secuencias realizadas a) temperatura de revenido constante a 660 ° c y b) temperatura de
recocido constante a 780 ° c. (zhou et al., 2014) p.2 ............................................................................ 14
Figura 16. Esfuerzo de fluencia, resistencia a la tensión, elongación total y elongación uniforme en función de
a) temperatura intecrítica de recocido constante a 660° c b) temperatura intecrítica de revenido
constante a 780 ° c.(zhou et al., 2014)p.4 ............................................................................................ 15
Figura 17. Micrografías sem de las probetas tratadas a) recocido a 780° c por 30 minutos b) revenidas a
660° c por 30 minutos.(zhou et al., 2014) p.3 ...................................................................................... 16
Figura 18. Micrografías de especímenes recocidos a (a, b) 720° c; (c, d) 780 ° c; (e, f) 820° c a una
temperatura de revenido constante de 660° c.(zhou et al., 2014)p.4 .................................................... 16
Figura 19. Esquema microestructural acero doble fase. (haduch & guajardo, 2007) ..................................... 35
Figura 20. Diagrama ttt para el acero sae 8620. .......................................................................................... 36
Figura 21. Diagrama hierro-carbono (fe-c). (asm international, 1991) ......................................................... 37
Figura 22. Diagrama esfuerzo deformación para el aisi 8620 en estado de entrega (base) ........................... 42
Figura 23. Microestructura acero aisi 8620 en estado de entrega (base) 200x .............................................. 43
Figura 24. Microestructura acero aisi 8620 en estado de entrega (base) 500x .............................................. 43
Figura 25. Secuencia de los tratamientos térmicos que se realizaron............................................................ 44
Figura 26. Probeta tensión según la norma astm e8 ..................................................................................... 45
Figura 27. Probeta pruebas metalográficas y de dureza según la norma ntc 19. ........................................... 46
Figura 28. Variación porcentual de la dureza .............................................................................................. 48
Figura 29. Variación porcentual en el esfuerzo máximo ............................................................................... 48
Figura 30. Comparación graficas esfuerzo-deformación totalidad secuencias de tratamiento ....................... 49
Figura 31. Microestructura acero aisi 8620 cementada a 930 °c .500x. ....................................................... 50
Figura 32. Microestructura acero aisi 8620 cementada a 930 °c y templada a 780 °c .500x. ....................... 50
Figura 33. Microestructura acero aisi 8620 cementada a 930 °c, templada a 780 °c y revenida a 380 °c
durante 5 minutos .200x...................................................................................................................... 51
Figura 34. Microestructura acero aisi 8620 cementada a 930 °c, templada a 780 °c y revenida a 380 °c
durante 10 minutos .200x. ................................................................................................................... 51
Figura 35. Microestructura acero aisi 8620 cementada a 930 °c, templada a 780 °c y revenida a 380 °c
durante 15 minutos .200x. ................................................................................................................... 52
Figura 36. Sem acero aisi 8620 cementada a 930 °c y templada a 780 °c.2500x. ........................................ 53
Figura 37. Sem acero aisi 8620 cementada a 930 °c y templada a 780 °c.10000x. ...................................... 54
Figura 38. Sem acero aisi 8620 cementada a 930 °c, templada a 780 °c y revenida a 380 °c durante 15
minutos .2500x. .................................................................................................................................. 54
Figura 39. Sem acero aisi 8620 cementada a 930 °c, templada a 780 °c y revenida a 380 °c durante 15
minutos .10000x. ................................................................................................................................ 55
1
1. INTRODUCCIÓN
El tratamiento térmico a temperaturas intercríticas es la forma más sencilla de mejorar las
propiedades en aleaciones de bajo contenido de carbono (menos de 0,2%) a aceros de
microestructura de doble fase con una combinación superior de resistencia a la tracción y
ductilidad. Esto implica el enfriamiento desde una temperatura adecuada en el rango
intercrítico entre Ac1 y Ac3. En este tratamiento intercrítico la fase de austenita se
transforma en martensita dándose una estructura de ferrita-martensita en lugar de la
convencional microestructura ferrita-perlita.
Este material se utiliza, generalmente, para la fabricación de ejes ranurados, pasadores de
pistón, bujes, piñones para cajas de transmisión de automotores, cigüeñales, barras de
torsión, cuerpos de válvulas, herramientas manuales, tornillos, tuercas, tornillos sin fin,
engranajes para reductores, pasadores, collares de cojinetes, cojinetes para motores, discos
excéntricos, entre otros. La presencia de níquel y molibdeno en el acero AISI 8620 juega un
papel definitivo en el balance de todas las propiedades que presenta este material al término
de algún tratamiento que se le dé.
El enfoque principal de esta investigación se centrará en el estudio de la influencia que
tiene un tratamientos térmico de temple desde temperaturas intercríticas y revenido en las
propiedades mecánicas del acero AISI 8620 cementado con una capa de 1mm, y de los
efectos de la variación en temperaturas y tiempos en el temple y el revenido, haciendo uso
de un diseño experimental para el cálculo del número de probetas para así obtener datos y
resultados verídicos y confiables para concluir satisfactoriamente el estudio. Las
propiedades mecánicas a estudiar principalmente serán la resistencia a la tracción, la dureza
e identificando el cambio en la microestructura del acero en las diferentes secuencias que se
aplicarían en el tratamiento.
2
2. ASPECTOS CIENTÍFICOS TÉCNICOS
2.1 Antecedentes y revisión del conocimiento disponible
La necesidad de seleccionar y mejorar los materiales para la elaboración de herramientas ha
sido un problema presente para el hombre desde el comienzo de las civilizaciones. Como se
sabe, el acero ha sido parte fundamental en el curso de la historia y de las problemáticas
sociales y económicas para el desarrollo de nuevas tecnologías e investigación.
De acuerdo con las fuentes consultadas para el desarrollo de nuestra investigación en las
bases de datos facilitadas por la Universidad (Pro-science y Science Direct), la información
encontrada tuvo aspectos similares pero no directamente relacionados con la investigación
que se quiere realizar por nuestra parte en cuanto al material de estudio, por lo menos, en
un periodo de tiempo de 10 años a la actualidad.
Con respecto a los últimos estudios e investigaciones acerca del material que se tiene
conocimiento, podríamos citar algunos y el objeto de ellos:
(Asi, Can, Pineault, & Belassel, 2009) llevaron a cabo diferentes procesos al acero estándar
AISI 8620 con una composición química de acuerdo a los rangos adecuados propios del
material. Después de un normalizado a 920°C por una hora, las probetas fueron maquinadas
y pulidas con papel de lija para minimizar al máximo imperfecciones en el material que
podrían afectar en la fatiga considerablemente.
La cementación de las probetas se realizó en una atmósfera de gas de acuerdo al
tratamiento térmico establecido y especificado en la Figura 1 Las probetas fueron divididas
en 4 grupos A, B, C y D de acuerdo con las variaciones en el tratamiento a cada grupo.
3
Figura 1. Diagrama esquemático de los ciclos en el tratamiento térmico. (Asi et al., 2009)p. 2
Tabla 1. Resultados del acero 8620 cementado con gas. (Asi et al., 2009) p. 6
Group
code
Surface
hardness
HV
Core
hardness
HV
Effective
case depth
CD (mm)
Retained
autenite
content at
surface
(%)
Maximum
retained
austenite
content
(%)
Residual
stress level
at surface
(N/mm2)
Maximum
residual
stress level
(N/mm2)
Fatigue
limit
(N/mm2
)
A 760 428 0.86 15.6 19.4 -586 -675 1195
B 762 447 1.2 15 15 -490 -490 1170
C 702 433 0.76 17 17 -131 -255 1035
D 742 439 1.49 16 16 -131 -193 940
Se analiza, que las probetas cementadas en gas a temperaturas relativamente altas de 980°C
muestran una baja resistencia a la fatiga, comparada con las probetas cementadas en gas a
temperaturas más convencionales de 940 °C. Según (Asi et al., 2009).
(Movahed, Kolahgar, Marashi, Pouranvari, & Parvin, 2009) realizaron una investigación
del acero AISI 1010 con un espesor de 2 mm. La composición química estaba en los rangos
adecuados.
4
El tratamiento térmico consiste en el calentamiento de las probetas a temperaturas
intercríticas (entre Ac1 y Ac3), manteniendo la temperatura 20 minutos para después
templarlas en agua (water quenching) hasta temperatura ambiente así:
Figura 2. Gráfica de los ciclos y variaciones en el tratamiento térmico. (Movahed et al., 2009) p. 2
Figura 3. Gráfica esfuerzo vs deformación para las probetas A,D y E. (Movahed et al., 2009) p.4
Se encontró que la fracción de volumen de martensita crece al subir la temperatura
intercrítica de tratamiento térmico.
(Mn, Offor, Daniel, & Okorie, 2011) identificaron los efectos del recocido a temperaturas
intercríticas, temple, temple doble y revenido a temperaturas bajas en las propiedades de
0.14wt%C - 0.56wt%Mn - 0.13wt%Si acero estructural.
5
El tratamiento térmico del acero experimental fue en la zona ferrita-austenita del diagrama
Fe-C, a temperaturas de 745° C, 755° C, 765° C, 775° C, 785° C, 795° C y 805 ° C. Las
muestras sometidas a temple simple y doble fueron enfriadas rápidamente para después ser
separadas y someterlas a un revenido en la mufla a 200 ° C por una hora y enfriadas a
temperatura ambiente.
Tabla 2 . Propiedades de esfuerzo de las muestras tratadas térmicamente. (Mn et al., 2011) p.4
T
( °C)
σysq
N/mm2
σydq
N/mm2
σysqt
N/mm2
σydqt
N/mm2
σtsq
N/mm2
σtdq
N/mm2
σtsqt
N/mm2
σtdqt
N/mm2
745 - - 210.98 217.71 494.69 505.28 466.38 473.17
755 - - 230.13 234.86 515.74 522.44 486.16 498.64
765 - - 265.81 273.54 543.71 553.71 500.12 524.35
775 - - 285.66 294.66 568.41 599.83 545.8 562.84
785 - - 310.46 316.52 650.17 658.36 611.33 617.19
795 - - 340.27 350.49 672.94 696.45 636.48 660.21
805 - - 357.63 453.97 713.19 737.97 676.32 704.73
Tabla 3. Propiedades de Dureza de las muestras tratadas térmicamente. (Mn et al., 2011) p.4
T
(°C)
Hsq
BHN
Hdq
BHN
Hsqt
BHN
Hdqt
BHN
745 179 194 142 157
755 191 207 155 167
765 203 215 164 176
775 212 226 175 188
785 220 231 189 200
795 231 240 201 209
805 239 247 211 221
6
El estudio reflejo que cuando se aumentan las temperaturas de recocido intercrítico, las
propiedades de resistencia y dureza también aumentan, mientras que la ductilidad y
resistencia al impacto disminuyen.
Las muestras con revenido mejoraron propiedades como resistencia a la tracción, ductilidad
y tenacidad.
(C. Bohorquez, E. Sabogal, A. Rodriguez, 2010) realizaron un estudio en el cual se
realizaron tratamientos de temple a temperaturas intercríticas con revenido posterior en un
acero SAE 1045 para realizar un análisis de tipo microestructural y de propiedades
mecánicas.
La secuencia realizada al material base fue la siguiente:
Figura 4. Secuencia de tratamiento térmico realizado. (C. Bohorquez, E. Sabogal, A. Rodriguez, 2010) p.3
Las temperaturas intercríticas utilizadas fueron Ac1=727º C y Ac3=788º C entre las cuales
se realizó el tratamiento térmico de temple. Los resultados obtenidos fueron los siguientes:
7
Figura 5. Dureza del acero AISI/SAE 1045 templado en aceite desde temperaturas intercríticas entre 740°C
y 770º C.(C. Bohorquez, E. Sabogal, A. Rodriguez, 2010). p.6
Figura 6. Fracción volumétrica de martensita para las diferentes temperaturas de tratamiento térmico. (C.
Bohorquez, E. Sabogal, A. Rodriguez, 2010).p.4
Figura 7. Fracción volumétrica de martensita para las diferentes temperaturas de tratamiento térmico. (C.
Bohorquez, E. Sabogal, A. Rodriguez, 2010)p.6
8
Los autores del estudio identificaron que no hay una relación directa entre el medio de
temple, la dureza y la temperatura, esto en consecuencia de que en el aumento de la
temperatura en el temple no se presentó una mayor dureza independientemente del medio
de temple, identificando el agua como el mejor para aumentar la dureza en el AISI/SAE
1045.
Se concluyó que las tomas de datos de dureza obtenidas en las probetas templadas en agua
fueron más cercanas a la media de la muestra por la composición microestructural de
martensita de forma más uniforme que las probetas templadas en aceite.
Se observó que la fracción volumétrica de martensita aumenta con el incremento en la
temperatura de temple de acuerdo con el incremento en la dureza.
(Liu, Yu, Zhou, Song, & Zhang, 2014) realizaron el análisis del efecto de doble temple con
revenido posterior en acero 5% Cr fundido por electro-escoria (ESC).
El acero experimental fue producido como un lingote de 50 kg en un horno de inducción al
vacío. A continuación, el lingote se homogeneizó a 1050° C y forjó una barra con un
diámetro de aproximadamente 85 mm que se utilizó como un electrodo consumible para el
posterior proceso de fundido por electro-escoria. A continuación, el electrodo se vuelve a
fundir y se solidificó en un molde de cobre refrigerado por agua. Finalmente una barra de
colada con un diámetro de aproximadamente 130 mm se logró después del proceso de
(ESC).
La composición química del acero utilizado fue la siguiente:
Tabla 4 . Composición química del acero experimental. (Liu et al., 2014) p.2
C Si Mn P S Cr V Ni Fe
0.08–
0.12
0.7–0.8 0.4–0.8 0.01 0.001 4–6 0.05–
0.15
0.3–0.8 Bal.
Las temperaturas Ac1 y Ac3 del acero experimental fueron halladas experimentalmente las
cuales fueron 856 y 747° C, respectivamente. Durante el calentamiento de la muestra, hubo
9
dos procesos endotérmicos distintos que ocurrieron a temperaturas alrededor de Ac1 y Ac3
y así se obtuvieron estos datos para el experimento.
La secuencia de tratamientos realizados se muestra en la Figura 8.
Figura 8. Diagrama esquemático de los tratamientos térmicos realizados a) Temple y revenido convencional
y b) Doble temple y revenido.(Liu et al., 2014) p.2
Figura 9. Microestructura del acero sin tratar a) Temple y revenido convencional y b) Doble temple y
revenido.(Liu et al., 2014) p.3
Figura 10. Microestructura del acero tratado térmicamente a) Temple y revenido convencional y b) Doble
temple y revenido. (Liu et al., 2014) p.3
10
Tabla 5. Análisis cuantitativo de los datos experimentales después de: Temple y revenido
convencional (CQT) y Doble temple y revenido (DQT).(Liu et al., 2014) p.4
PROCESO
Tamaño de
grano de
austenita
Ancho del
bloque
(μm)
Diámetro de
precipitado
medio
(μm)
Fracción de
volumen de
precipitados
(%)
Longitud de
límites altos
angulares
(μm)
DQT 12.3 2.5 40 1.6 4160
CQT 23.8 3.2 46 1.7 3826
Tabla 6. Propiedades mecánicas del acero tratado térmicamente.(Liu et al., 2014)p.6
PROCESO
Resistencia
a la tracción
(MPa)
Esfuerzo
de
fluencia
(MPa)
Deformación
de falla
(%)
Reducción
de área
(%)
Energía
de
impacto
(J)
Dureza
(HV)
DQT 735 634 23.2 76 136 240
CQT 714 605 20 73 97 235
Los autores concluyeron que se obtuvo una típica estructura martensítica la cual se logró
mediante los procesos de DQT y CQT. El grano de austenita y subestructura como paquetes
martensíticos fueron efectivamente refinados por el tratamiento DQT en comparación con
la condición CQT.
También se observó que el Esfuerzo de fluencia se incrementó ligeramente después del
tratamiento DQT en comparación con el tratamiento CQT.
Como ultima conclusión se identificó que en el tratamiento DQT, la mejor tenacidad se
atribuyó a la microestructura más fina, lo que resultó en más cambios de la dirección de
propagación del límite de grano y por lo tanto un aumento de absorción de energía al
impacto.
11
(Torres & Moreno, 2014) estudiaron la influencia del tratamiento térmico de temple desde
temperaturas intercríticas y revenido para el acero AISI 8620.
Tabla 7. Composición química del acero utilizado(Torres & Moreno, 2014)p.2
Elemento C Si Mn P S Cr Ni Mo Al Cu Ti Va W Sn As Nb
Porcentaje (%) 0,19 0,23 0,77 0,011 0,012 0,51 0,5 0,23 0,03 0,16 0,002 0,01 0,02 0,01 0,007 0,005
Según la composición química mostrada se calcularon las siguientes temperaturas para los
tratamientos propuestos:
Ac1= 744° C
Ac3= 836° C
Ms= 414° C
Estas temperaturas fueron halladas con la ecuación de Andrews. (Gorni Antonio, 2009. p.
25) para Ms y de Kasatkin. (Gorni Antonio, 2009. p.4-5) para Ac1 y Ac3.
La secuencia de tratamientos realizada fue la siguiente:
Figura 11. Secuencia de los tratamientos térmicos que se realizaron.(Torres & Moreno, 2014) p.2
12
Temple 4 horas 8 horas12
horas
740 °C 3,8% 8,5% 1,5% 3,9%
780 °C 18,7% 20,1% 23,1% 22,7%
0,0%
5,0%
10,0%
15,0%
20,0%
25,0%
Realizaron dos temples en agua a dos temperaturas comprendidas entre el rango crítico para
así proceder a realizar el revenido a una temperatura cercana a Ms variando los tiempos de
éste en 4, 8 y 12 horas.
Se estudiaron propiedades mecánicas de resistencia máxima a la tensión, y dureza además
de analizar la microestructura.
Los resultados fueron los siguientes:
Figura 13. Comparación graficas esfuerzo-deformación totalidad secuencias de tratamiento. (Torres &
Moreno, 2014)p. 4
Grafica 13. Comparación graficas esfuerzo-deformación
Temple 4 horas 8 horas12
horas
740 °C 170% 144% 130% 135%
780 °C 211% 179% 157% 161%
0%
50%
100%
150%
200%
250%
Figura 12. Variación porcentual de la dureza izquierda y esfuerzo máximo derecha.(Torres & Moreno, 2014)p. 3
13
En cuanto a las durezas obtenidas se dio un aumento muy significativo, cuando mayor es la
temperatura de temple intercrítica, siendo superior hasta un 21,6% (secuencia 3B) en la
tratada a temperatura B con respecto a las de temperatura A, esto se da por la mayor
cantidad de austenita obtenida.
En la totalidad de las secuencias de tratamiento térmico se dio un aumento en la resistencia
máxima a la tensión, cuando mayor es la temperatura intercrítica de temple por lo tanto en
las probetas tratadas a la temperatura B hay un aumento considerable respecto a las de
temperatura A.
Las probetas con mayor tiempo de revenido disminuyeron su resistencia máxima a la
tensión pero a su vez se deformaron más respecto a las de menor tiempo de revenido.
Figura 14. Comparación de microestructuras entre temperaturas de temple diferentes derecha 780° C e
Izquierda 740° C. (Torres & Moreno, 2014) p.
Se concluyó que en las dos temperaturas intercríticas usadas en los tratamientos térmicos
aumentan la dureza y resistencia máxima a la tensión, pero son mayores las de temperatura
B (780 ° C). Así mismo se reduce la deformación en todas las secuencias realizadas por la
generación de martensita la cual tiene mayor dureza.
También se encontró que los valores de esfuerzo máximo y de esfuerzo de fluencia
aumentan significativamente, esto causado como muestran las micrografías, por el aumento
de la fracción volumétrica de martensita, la cual posee una elevada dureza.
14
Ac3
(Zhou et al., 2014) estudiaron la relación entre la estructura y las propiedades
mecánicas en un acero de alta resistencia y baja aleación de carbono tratado con
recocido intercrítico de dos pasos y revenido intercrítico posterior.
La composición química nominal del acero usado en wt% fue: Fe–0.10C, 2.01Mn,
0.78Si, 0.78Al, 0.08Nb, 1.01Cu, 1.0Ni, 0.26Mo.
Los tratamientos realizados fueron los siguientes:
Figura 15. Secuencias realizadas a) temperatura de revenido constante a 660 ° C y b)
temperatura de recocido constante a 780 ° C. (Zhou et al., 2014) p.2
15
Figura 16. Esfuerzo de fluencia, resistencia a la tensión, elongación total y elongación uniforme en función
de a) temperatura intecrítica de recocido constante a 660° C b) temperatura intecrítica de revenido constante
a 780 ° C.(Zhou et al., 2014)p.4
En la Figura 16. a) se observa que el esfuerzo de fluencia varía entre 673 y 773 Mpa, la
resistencia a la tensión varia de 845 a 912 MPa, la elongación uniforme de 16% a 23%, y la
elongación total de 27% a 35%. Con el aumento en la temperatura de recocido intercrítico
la elongación total llego al máximo a 780° C y el esfuerzo de fluencia decreció.
El comportamiento de las propiedades con temperatura intercrítico de revenido constante
Figura 16 b) se obtuvieron los mayores esfuerzos a tensión siendo mayor con la
temperatura mayor en el recocido.
Los resultados obtenidos en cuanto a la microestructura se muestran en las siguientes
figuras
16
Figura 17. Micrografías SEM de las probetas tratadas a) recocido a 780° C por 30 minutos b) revenidas a
660° C por 30 minutos.(Zhou et al., 2014) p.3
Figura 18. Micrografías de especímenes recocidos a (a, b) 720° C; (c, d) 780 ° C; (e, f) 820° C a una
temperatura de revenido constante de 660° C.(Zhou et al., 2014)p.4
17
Los autores concluyeron que la microestructura con recocido de dos pasos y temperatura
intercrítica de revenido se comprende principalmente de ferrita, y bainita/martensita, y
austenita retenida lo cual se debe a las temperaturas a las cuales se trataron las probetas
dentro del rango intercrítico obteniendo así una resistencia de fluencia mejorada y una
elongación total mayor.
Los mejores resultados se obtuvieron con el recocido intercrítico a 780° C y revenido a
660° C el cual generó un volumen de fracción de austenita retenida de 29% y alcanzó una
resistencia a la tensión de 30 Gpa.
(Khani Sanij, Ghasemi Banadkouki, Mashreghi, & Moshrefifar, 2012) estudiaron el
tratamiento térmico de temple doble a 860°C y revenido de 300°C (DQT) y el tratamiento
térmico de temple simple convencional a 860°C y revenido de 600°C (CQT) para cambiar
las propiedades mecánicas de un acero AISI 4140 en donde evidencian que los resultados al
realizar estos tratamientos mejora principalmente la dureza con DQT con respecto al CQT,
para ello se hizo indispensable conocer su composición química la cual se aprecia en la
Tabla 8 para así determinar las temperaturas de Ac1 y Ac3 para poder tomar las
temperaturas apropiadas para los tratamientos térmicos.
Tabla 8. Composición química del acero SAE 4140. (Khani Sanij et al., 2012)
Después de los tratamientos térmicos y analizar los resultados podemos apreciar en la Tabla
19 los más relevantes.
Tabla 9. Resultados obtenidos después de los tratamientos térmicos en el acero 4140
Tratamiento
térmico
Esfuerzo Tensión
(Mpa)
Dureza
(HRc)
CQT 1136 33
DQT 1185 32.25
18
Tenemos de la Tabla 9 que en ambos procesos de tratamientos termicos nos dan resultados
muy buenos en DQT un esfuerzo de tensión mayor a CQT por 49 Mpa, por otro lado, la
dureza más elevada estuvo en CQT por 0,75 HRc respecto a DQT, visto lo anterior
podemos decir que no vale la pena realizar un tratamiento térmico DQT puesto que gasta
mucho más tiempo y recursos y no tenemos unos resultados sobresalientes respecto al
temple sencillo CQT.
(Ding, Gomg, Wang, Tang, & Jiang, 2014) analizo los aceros tipo TRIP (Transformación
por inducción plástica) los cuales la finalidad es generar austenita retenida, dichos aceros
ofrecen una excelente combinación de fuerza y ductilidad a bajos precios después del
recocido en su tratamiento térmico, para esto muestra uno tipo TAM del que se obtienen un
32% más de velocidad de deformación y mejor endurecimiento combinado con la
plasticidad del material. La composición química del acero TAM es
Tabla 10. Composición química del acero TAM. (Ding et al., 2014)
Los procesos de tratamientos usados fueron de un temple a 1000°C durante 2 minutos y un
segundo temple a 850°C de 3 minutos con un enfriamiento rápido en agua y revenido
posterior a 420°C en 10 minutos para formar el acero TAM deseado y se comparó con un
acero TRIP convencional el cual se forma con un solo temple a 850°C de tres minutos y
revenido de 420°C en 10 minutos y los resultados relevantes
Tabla 11. Resultados obtenidos en TAM y TRIM
Tratamiento
térmico
Esfuerzo Tensión
(Mpa)
Deformación
(%)
TAM 741 32,6
TRIP 795 24,2
Dados los resultados de la Tabla 11 el esfuerzo ultimo a la tensión es mayor en el proceso
TRIP 54Mpa más que en TAM pero se aprecia que el porcentaje deformación es mayor en
19
TAM con un 32,6% superando por 8,4% el proceso TRIP, en base a estos resultados se
aprecia que no es mucha la diferencia de resistencia ultima a la tensión entre los dos
procesos mientras que en TAM si tiene una considerable deformación mayor lo que incurre
a lo solicitado en propiedades mecánicas de los materiales que es buena resistencia y
deformación.
En (Barrera & Bohórquez, 2014) se tomó la disposición de un material de uso más
comercial con gran cantidad de aplicaciones el cual se le realizaron tratamientos térmicos
para determinar su comportamiento antes estos, el acero AISI 1018 tiene su composición
química ya establecida y la mejor forma para determinar su rango de temperaturas
intercriticas es realizándole una prueba de espectrometría la cual consiste en la emisión de
gases del material para poder captar sus componentes aleantes específicos tal como se hizo
para este acero
Tabla 12. Composición química del acero al carbono AISI/SAE 1018. (Barrera & Bohórquez, 2014)
Con la información de la tabla anterior calculamos las temperaturas intercriticas:
Ac1 = 729°C
Ac3 = 851°C
Con estas temperaturas se realizó un temple a 800°C y revenidos a 350°C a temperaturas
diferentes de 2, 4 y 6 horas respectivamente; Los resultados obtenidos se ven en la Tabla 13
20
Tabla 13. Resultados obtenidos antes y después de los tratamientos térmicos en el acero 1018.
Tratamiento
térmico
Esfuerzo de
tensión (MPa)
Base 650
Temple 800
Revenido 2
horas
710
Revenido 4
horas
900
Revenido 6
horas
1350
De lo anterior corroboramos que los materiales de baja aleación y bajo contenido de
carbono presentan una característica al aplicarles tratamientos térmicos el cual es que al
realizar un temple cerca a la temperatura Ac3 siempre va a tener un aumentos de su
resistencia de tensión y para este tipo de material al aplicarle revenido va ir aumentando la
resistencia a la tensión del mismo pero va a ir disminuyendo su capacidad de deformación,
por lo cual el temple con revenido a 4 horas arroja el mayor valor de resistencia de tensión
con 1350 Mpa más del 50% del material base.
21
2.2 Justificación
El desarrollo de este proyecto se basa en la investigación y análisis de una serie de aspectos
de carácter tecnológico, académico y económico, los cuales traerán beneficios en cada uno
de estos aspectos debido a su aplicación industrial
En el campo tecnológico, es preciso evidenciar que la aplicación de tratamientos térmicos a
un acero AISI 8620 los cuales tienen muy poco desarrollo tecnológico y de investigación a
nivel mundial. Por lo tanto, a nivel nacional y local no hay mucho interés en desarrollar
nuevos y mejores materiales para su aplicación industrial, debido a la falta de
perfeccionamiento nacional tecnológico de materiales con el que se cuenta, y también vale
la pena destacar los problemas político-económicos en donde se enfoca principalmente la
corrupción y financiación de guerras.
Sabiendo esto, al elaborar un nuevo proceso de investigación al acero AISI 8620, se tendrá
un producto con nuevas características, con buena calidad, con diferentes costos, puesto
que se pueden controlar algunas de las variables justo antes y durante el proceso, en donde
la industria no realiza los suficientes estudios para la utilización del acero AISI 8620 de una
manera eficaz de aprovechamiento.
Al hablar de variables, se hace referencia a la composición química del material, puesto que
de ahí comienza la investigación y desarrollo de un mejor producto. Igualmente se tendrá
en cuenta la precisión de las herramientas de medición para poder así obtener resultados
seguros que sean utilizados y poder resolver problemas reales de la industria.
En el campo económico, los beneficios se evidencian en el mayor uso de este, ya que
cumplirá más necesidades debido al mejoramiento de sus propiedades mecánicas, lo cual
generará más aplicaciones a una mayor cantidad de campos industriales, principalmente
22
usado en el reemplazo de partes de maquinaria y automóviles para aligerar su peso, puesto
que tiene un costo promedio entre otros aceros.
En el campo académico, se pretende que la comunidad universitaria y técnica se interese en
futuras investigaciones y desarrollos tecnológicos en el área de procesos de estudio en los
materiales como los aceros, es el caso de los tratamientos térmicos, ya que es uno de los
procesos que ha adquirido una gran fuerza en la industria en las últimas décadas.
23
2.3 Formulación del problema de la investigación
Actualmente en el mundo, y con el avance tecnológico, se ha impulsado la investigación y
desarrollo de materiales con el fin de suplir necesidades específicas que garanticen
excelentes propiedades mecánicas, bajos costos de producción y disponibilidad de materia
prima. En la industria, las aplicaciones de los metales, específicamente los aceros, son muy
altas y dependiendo de su composición química, costo y propiedades mecánicas son
utilizados para fines diferentes según la aplicación requerida.
Para obtener un buen resultado y garantizar la función de dichos materiales, se cuenta con
una variedad de procesos que se pueden realizar para lograr el desarrollo del material y
cumplir con los requerimientos. En este caso se analizará el proceso llamado tratamiento
térmico para garantizar un excelente desempeño del material, reducir al máximo su falla y
adecuar sus propiedades mecánicas según la aplicación.
Dentro de las aplicaciones industriales de los tratamientos térmicos es común encontrar el
temple y revenido como las más utilizadas, generando varias posibilidades de avance de
dichos aceros. Pero en el campo de acción es poco el desarrollo tecnológico que se le ha
realizado al acero AISI 8620 en cuanto al uso con tratamientos térmicos para así resolver
problemas profesionales.
Por consiguiente, no se han realizado los suficientes estudios a nivel de desarrollo en el
campo industrial del acero AISI 8620 cementado y tratado térmicamente desde
temperaturas intercríticas y de revenido posterior para determinar nuevas propiedades de
resistencia a la tensión y dureza, identificando diferentes microestructuras presentes para
lograr darles diferentes aplicaciones en el campo profesional.
24
2.4 Tipo de investigación y limitaciones que se tendrán
2.4.1 Tipo de investigación
Este proyecto será el resultado de una investigación de tipo teórico- experimental aplicado
en el desarrollo industrial del acero AISI 8620 cementado, templado a temperaturas
intercríticas, y revenido para la modificación de sus propiedades mecánicas
2.4.2 Recursos físicos
Laboratorio de resistencia de materiales. Universidad Distritial
Francisco Jose de Caldas
Taller de máquinas y herramientas.
Laboratorio de metalografía. Universidad Distritial Francisco Jose de
Caldas
Laboratorio SEM. Universidad de los Andes
Laboratorio de tratamientos térmicos
2.4.3 Recursos humanos
Profesores de áreas afines
Laboratoristas y encargados de laboratorios y talleres
2.4.4 Limitaciones
Durómetro
Microscopia óptica
25
Microscopio electrónico de barrido
No se realizará microcomposición de materiales aleantes
2.5 Objetivos
2.5.1 Objetivo General
Analizar la influencia del tratamiento térmico de temple desde temperaturas
intercríticas y revenido en un acero AISI 8620 cementado, en las
propiedades mecánicas de tensión, dureza y cambios microestructurales,
luego de la secuencia de tratamientos
2.5.2 Objetivos Específicos
Determinar experimentalmente las propiedades mecánicas de resistencia a la
tensión y dureza del acero AISI 8620 cementado de acuerdo a las normas
ASTM E8 y NTC19 para cada una de la secuencia de tratamientos.
Comparar las propiedades mecánicas de resistencia maxima a la tensión, y
dureza de un acero AISI 8620 antes y después de la secuencia de
tratamientos.
Comparar la microestructura por medio de una prueba metalográfica en las
secuencias de tratamiento térmico más relevantes en un acero AISI 8620
tratado térmicamente con respecto a un acero AISI 8620 sin tratar.
26
2.6 Resultados esperados de la investigación
De este proyecto se esperan tener como resultados:
Obtener un material con mejores propiedades mecánicas para el uso en
diferentes aplicaciones industriales.
Determinar cuál fue el proceso que nos dio mejores resultados.
Impulsar investigaciones futuras en el desarrollo de materiales por medio de
tratamientos térmicos.
Plantear parámetros a partir de los resultados obtenidos para aplicarlos
industrialmente.
27
3. METODOLOGÍA
La metodología planteada para alcanzar los objetivos propuestos en esta investigación, se
desarrollará en cuatro fases compuestas así: una primera fase que hace referencia a una
revisión, consulta, documentación teórica sobre el tema a abordar; una segunda fase que
hace referencia a la producción de las diferentes probetas que se utilizarán para ser
sometidas a los tratamientos térmicos y, posteriormente, a los diferentes ensayos mecánicos
para determinar ciertas propiedades mecánicas de acuerdo a las normas -citadas más
adelante-;una tercera fase en donde se realizarán los tratamientos y ensayos necesarios para
obtener y comparar las propiedades mecánicas específicas en las diferentes secuencias que
se realizarán, y por último, una cuarta fase en la que se entrará a calcular y analizar los
resultados recogidos de las anteriores fases.
3.1 Fase 1
Para el desarrollo del estudio se realizará una investigación de las propiedades de un acero
AISI 8620, composición química y aplicaciones. Adicionalmente, se contará con la
experiencia profesional del Ingeniero Carlos Bohórquez, profesor de nuestra universidad
en el área de materiales, quien nos brindara ayuda en los temas relacionados para
desarrollar la investigación.
28
3.2 Fase 2
Para realizar los ensayos mecánicos es necesario mecanizar las probetas según la norma
ASTM E8 para el ensayo de tensión y la NTC 19 para el ensayo dedureza y la prueba
metalográfica
3.3 Fase 3
Se realizarán los diferentes ensayos en los respectivos equipos de medición brindados por
la universidad y empresas que ofrezcan el servicio como lo son la máquina de tensión, el
durómetro; para los tratamientos térmicos se utilizaran hornos, para las metalografías se
usara el microscopio electrónico de barrido de la universidad de los Andes y el microscopio
óptico de la Universidad Distrital y la cementación se realizara en la empresa industrial
Tratercol S.A.
3.4 Fase 4
Se determinarán las propiedades mecánicas en cada intervalo de análisis especificado, de
esta manera poderlas identificar, comparar y determinar cuál fue el mejor resultado
obtenido.
29
4. MARCO TEÓRICO
4.1 Marco Histórico
No se tienen los datos precisos del momento en que comenzó a ser utilizada la fundición de
hierro con carbono para producir un metal de mejor y mayor uso, fue en 3000 a. de C.
donde se encontraron piezas de este tipo de metal usado como adornos generalmente. Uno
de los primeros procesos para producir acero fue llamado método boomery, el cual era la
fundición de hierro y sus óxidos en una chimenea de materiales resistentes al calor, y se
soplaba aire para que la pieza tuviera carbón.
Los primeros productores de acero los encontramos en África y la Península Ibérica cerca
del siglo IV a. de C. usado como armas. En China, en el 200 a. de C, se creó el acero al
derretir hierro forjado junto con hierro fundido, obteniendo así el mejor producto de carbón
y adoptaron en el siglo V el método para producir acero Wootz.
El acero wootz fue producido en India y en Sri Lanka desde aproximadamente el año 300 a.
de C. Este método usaba un horno de viento y soplado. También conocido como acero
Damasco, el acero wootz es famoso por su durabilidad y capacidad de mantener un filo.
(Teleche Hernando, Teleche Vladimir & Gustavo, 2010). Los métodos antiguos para la
fabricación del acero consistían en obtener hierro dulce en el horno, con carbón vegetal y
tiro de aire; desde esta época ya optaban la definición de tratamientos térmicos, como el
conjunto de operaciones de calentamiento y enfriamiento para ir cambiando sus
propiedades mecánicas.
Benjamin Huntsman desarrolló un procedimiento para fundir hierro forjado con carbono,
obteniendo de esta forma el primer acero conocido. En 1856, Sir Henry Bessemer, hizo
posible la fabricación de acero en grandes cantidades.
En 1857, Sir William Siemens ideó otro procedimiento de fabricación industrial del acero,
el procedimiento era por descarburación de la fundición de hierro dulce y óxido de hierro,
calentando con aceite, gas de coque, o una mezcla da gas de alto horno y de coque. Siemens
había experimentado en 1878 con la electricidad para calentar los hornos de acero, pero fue
30
el metalúrgico francés Paul Héroult (coinventor del método moderno para fundir aluminio)
quien inició en 1902 la producción comercial del acero en hornos eléctricos a arco.
El método de Héroult consiste en introducir en el horno chatarra de acero de composición
conocida, haciendo saltar un arco eléctrico entre la chatarra y unos grandes electrodos de
carbono situados en el techo del horno.
En 1948, tras la Segunda Guerra Mundial, se utiliza el oxígeno puro en vez del aire para
lograr refinado de los aceros. El éxito se logró en Austria en 1948. En 1950 se inventa el
proceso utilizado actualmente como colada continua que se usa para producir perfiles
laminados de acero de sección constante y en grandes cantidades.
El uso intensivo que tiene y ha tenido el acero para la construcción de estructuras metálicas
ha conocido grandes éxitos y rotundos fracasos que al menos han permitido el avance de la
ciencia de materiales.(Teleche Hernando, Teleche Vladimir & Gustavo, 2010. p.10) De
esta manera, fueron apareciendo los tratamientos térmicos como el proceso de un material
para el ajuste de sus propiedades mecánicas para cumplir una condición de uso.
(Shackelford, Guemes, & Comas, 2005. p.357-359).
Revisando los datos a través de la historia, ya se tenía la idea de calentar y enfriar los
metales para así producir mejoras en sus propiedades o para crear nuevos materiales, por
ende, el concepto de tratamiento térmico ya se utilizaba, pero no se tenía bien definido
teóricamente, como un proceso de aplicación para los materiales.
31
4.2 Marco Conceptual
4.2.1 Acero aleado
Acero es el nombre que se le da a la aleación de hierro con una cantidad específica de
carbono y otros elementos aleantes los cuales determinan sus propiedades mecánicas,
teniendo ventajas y desventajas, dependiendo de su composición. Son muy usados por
ende, tiene muchas formas de fabricación y de presentaciones.
4.2.1.1 Acero AISI SAE 8620
Asimismo, el acero AISI 8620 es un acero aleado al cromo, níquel y molibdeno para
cementación de aceptable templabilidad. Cementado y templado brinda buena dureza
superficial y considerable tenacidad en el núcleo. Presenta una dureza uniforme en la capa
cementada y baja distorsión en su forma después de tratamiento térmico.
Componentes como el níquel y molibdeno en el acero AISI 8620 ayudan a balancear todas
las propiedades propias de este material y estas cobran mayor importancia con el aumento
del tamaño de la pieza.
Tabla 14. Composición química promedio del acero SAE 8620. (Compañia General de Acero S.A., 2009)
Tabla 15. Algunas propiedades mecánicas a temperatura ambiente.(Compañía General de Acero S.A., 2009)
32
Principalmente, se utiliza para la fabricación de ejes ranurados, pasadores de pistón, bujes,
piñones para cajas de transmisión de automotores, cigüeñales, barras de torsión, cuerpos de
válvulas, herramientas manuales, tornillos, tuercas, tornillos sin fin, engranajes para
reductores, pasadores, collares de cojinetes, cojinetes para motores, discos excéntricos,
entre muchos más.
4.2.2 Tratamientos térmicos
El tratamiento térmico es la operación de calentamiento y enfriamiento de un metal en su
estado sólido a temperaturas y condiciones determinadas para cambiar sus propiedades
mecánicas.
Un tratamiento térmico adecuado del acero para producir una microestructura deseada a lo
largo y ancho de la sección de una muestra, depende fundamentalmente de cuatro factores:
Composición química de la aleación
Proceso de fabricación
Velocidad del medio de temple
Tamaño y forma de la muestra
Los principales tratamientos térmicos son:
4.2.2.1 Temple
Es el proceso de enfriamiento rápido de los metales desde la temperatura de austenización.
Su fin es mejorar la dureza y la resistencia del acero. Las propiedades recomendables de un
acero templado se consiguen solo si durante el tratamiento térmico de temple la muestra
adquiere la microestructura requerida, dureza, resistencia o tenacidad, minimizando
tensiones residuales, cambio en su forma y posibles fallas tempranas. La dureza requerida
está en función principalmente del contenido de carbono y el porcentaje de martensita
obtenido.
33
Durante el tratamiento térmico es posible enfriar la muestra a velocidad uniforme, aunque
la superficie siempre se enfriará más rápido que el núcleo del material. En consecuencia, la
austenita se convierte en martensita en un cierto rango de temperatura, por lo tanto es
posible obtener múltiples microestructuras y propiedades según las características de la
muestra y parámetros del tratamiento térmico.
La elección del medio de temple depende de la templabilidad del tipo de aleación, el
espesor y forma de la pieza implicada junto con la velocidad de enfriamiento requerido para
obtener la microestructura deseada. Los medios de enfriamiento más usados son: aceite y
agua.
4.2.2.2 Revenido
Es un proceso en el cual después de endurecido o templado el acero, es calentado por
debajo de la temperatura crítica de Ms y enfriado en un intervalo deseado, principalmente
para incrementar la ductilidad, tenacidad, eliminar las tensiones creadas en el temple y
mejorar la estabilidad en sus propiedades, dejando al acero con la dureza o resistencia
deseada. Las variables relacionadas con el revenido que afectan la microestructura y
propiedades mecánicas son: temperatura de revenido, tiempo de temperaturas constantes,
velocidad e intervalo de enfriamiento junto con la composición química del acero.
4.2.2.3 Cementación
Tratamiento térmico de endurecimiento superficial realizado a las piezas que por su trabajo
mecánico requieran superficies muy duras, resistentes al desgaste y a la penetración, con un
núcleo central muy tenaz y estable, para poder soportar choques a las que estarán
sometidas, el cual consiste en aumentar el contenido de carbono en la superficie del acero,
rodeándola con un medio carburante ya sea solido liquido o gaseoso durante un tiempo
determinado, entre 6 a 10 horas en sólidos,1 a 6 horas en líquidos y 1 hora o varios días en
gaseosos a una temperatura entre 850°C a 1000°C así logrando en su capa superficial un
34
contenido de carbono entre el 0.50% -0.80% y una dureza de 50-60 Rockwell C
dependiendo del espesor que queramos obtener.
4.2.3 Temperaturas intercríticas
Son las temperaturas que se encuentran dentro del rango de Ac1 y Ac3.
AC1. La temperatura a la que la austenita comienza a formarse durante el
calentamiento, con el C,
Ac3. La temperatura a la cual la transformación de ferrita en austenita se ha
completado durante el calentamiento
4.2.4 Aceros doble fase
Los aceros de doble fase o fase dual son una clase de aceros aleados de ultra resistencia, se
identifican por una microestructura de alrededor de un 20% de martensita en una matriz
dúctil de ferrita. La cantidad de martensita puede ser variada lo que cambia propiedades
como resistencia y deformabilidad.
El término “doble fase”, se debe a la presencia de dos fases en la microestructura del acero,
ferrita y martensita, además de otras fases en una menor relación como bainita, perlita y
austenita retenida.
35
Figura 19. Esquema microestructural acero doble fase. (Haduch & Guajardo, 2007)
Las propiedades mecánicas en caso de aceros de doble fase Ferrítico – martensíticos están
relacionadas con la cantidad de estas fases en la estructura. Mientras mayor el contenido de
martensita, aumenta la resistencia.
En general, aceros doble fase no muestran un límite de fluencia muy marcado. La mezcla
de altas tensiones internas y una alta densidad de dislocación móvil en la ferrita provocan
que la deformación plástica ocurra fácilmente a bajas tensiones plásticas. Como resultado,
la cedencia ocurre en muchos sitios a través de la ferrita.
El endurecimiento de los aceros doble fase es muy complejo, especialmente en las primeras
etapas. Sin embargo, se cree que la alta tasa de endurecimiento inicial contribuye a la buena
forjabilidad de estos aceros.
4.2.5 Diagramas de tiempo temperatura transformación (TTT)
Este tipo de diagramas muestra el comportamiento cuando el acero se mantiene
isotérmicamente por un periodo de tiempo. Muestra el tiempo requerido para llevar a cabo
una transformación a una temperatura determinada.
Según (Asm International, 1991) Una característica distintiva de los diagramas TTT es la
presencia de dos curvas en forma de S (algunas veces en forma de C), en donde la curva de
36
la izquierda representa el inicio del proceso de trasformación y la curva de la derecha el fin
de la trasformación isotérmica
Figura 20. Diagrama TTT para el acero SAE 8620. (INCO. International Nickel INC., 1965) p.11
4.2.6 Diagrama Hierro-Carbono (Fe-C)
Las bases para el entendimiento del tratamiento térmico en los aceros es el diagrama de
fase Fe-C. El diagrama muestra que las fases son de esperar en el equilibrio (o equilibrio
metaestable) para diferentes combinaciones de concentración de carbono la temperatura.
Se distinguen en el extremo de la ferrita de bajo carbono (α-Fe), que se puede disolver en
más 0,028% en peso de C en 727° C (1341 ° F) y austenita (γ-Fe), que puede disolver
2,11% en peso de C a 1148 ° C (2098 ° F).
37
En el lado con mayor concentración de carbono se encuentra cementita (Fe3C). De menos
interés, excepto para aceros de alta aleación, es el existente δ-ferrita en las temperaturas
más altas.
Entre los campos de una sola fase se encuentran regiones con mezclas de dos fases, como
ferrita, la austenita + cementita y ferrita + cementita. En el tratamiento térmico de aceros, la
fase líquida siempre se evita.(Asm International, 1991.p.14-18)
Figura 21. Diagrama Hierro-Carbono (Fe-C). (Asm International, 1991)
38
4.3 Marco Normativo
4.3.1 Ensayo para determinar la resistencia a la tracción para materiales metálicos
La norma ASTM E8/E8M menciona el procedimiento para determinar la resistencia a la
tensión para todos los materiales metálicos, cuando son ensayados bajo condiciones de
temperatura ambiente. Este método de ensayo es aplicable a muchos tipos de probetas, ya
sean de sección transversal rectangular o redonda. En esta norma encontraremos varios
tipos de probetas con diferentes dimensiones que han arrojado valores acertados para
realizar el ensayo de tensión, para la selección de las dimensiones de la probeta se debe
tener en cuenta:
Costo de mecanizado
Costo del material
Medidas mínimas requeridas para realizar la prueba de tensión en la máquina de
ensayos de la Universidad
Dureza del material
En nuestro caso utilizaremos las dimensiones para las probetas de sección transversal
redonda. (ASTM International, 2004) en donde tendremos que entrar a analizar cuál de los
especímenes es el más factible para el beneficio de nuestra investigación.
4.3.2 Ensayo para determinar la dureza en el acero
La norma NTC 19.(Norma Tecnica Colombiana ICONTEC, 2001) comprende el ensayo de
dureza tipo Rockwell para materiales metálicos para las diferentes tipos de escalas usadas,
que consiste en forzar un durómetro o indentador (de cono de diamante o esfera de acero)
39
en la superficie de una probeta. Estos indentadores varían según el valor de la dureza que
pueda tener el material.
La probeta a utilizar será la misma que usaremos para tomar las muestras metalográficas en
los ciclos definidos anteriormente, debido a que en la norma no se define unas dimensiones
específicas para realizar el ensayo, sino hay que tener en cuentas ciertas condiciones en el
momento de realizar la prueba.
5. HIPÓTESIS
Dada la necesidad de la industria por necesitar la optimización de muchos materiales, el
producto final que se obtenga, presentará unas propiedades mecánicas, resistencia a la
tensión y dureza, mejores a las del material base (sin ningún tratamiento) para poder
satisfacer las necesidades requeridas por la industria y cumplir los objetivos de la
investigación.
40
6. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Se realizó un diseño experimental factorial fraccionado con el fin de determinar el número
de probetas necesarias para cada uno de los tratamientos térmicos para garantizar los
resultados, el cual tuvo un resultado de tres probetas por cada tratamiento a realizar.
6.1 Material
El acero utilizado en esta investigación es AISI 8620 de diámetro de ¾ inch (19.05 mm)
cuya composición química se muestra en la Tabla 16. Las Temperaturas Ac1, Ac3 y Ms
son los límites conocidos como de austenización parcial, de temperaturas intercríticas o de
doble fase denominada así por la presencia de ferrita y austenita las cuales fueron halladas
con la ecuación de Andrews.(Gorni Antonio, 2009. p.25) para Ms y de Kasatkin. (Gorni
Antonio, 2009. p4-5) para Ac1 y Ac3 usando los valores de la composición química del
AISI 8620 de la Tabla 16 obtenidos del certificado de calidad del material suministrado por
el fabricante. Las ecuaciones para determinar las temperaturas son:
Ac1(°C) = 723 − 7,08[Mn] + 37,7[S i] +18,1[Cr] + 44,2[Mo] + 8,95[Ni] + 50,1[V]
+21,7[Al] + 3,18[W] + 297[S] − 830[N] −11,5[C ∗ S i] − 14,0[Mn ∗ S i] − 3,10[S i
∗ Cr] −57,9[C ∗ Mo] − 15,5[Mn ∗ Mo] − 5,28[C ∗ Ni] −6,0[Mn ∗ Ni] + 6,77[S i ∗
Ni] − 0,80[Cr ∗ Ni] −27,4[C ∗ V] + 30,8[Mo ∗ V] − 0,84[Cr2]−3,46[Mo2] −
0,46[Ni2] − 28[V2]
A3(oC) = 912 − 203 + 15,2[ %Ni] + 44,7[ %S i] +104[ %V] + 31,5[ %Mo] + 13,1[
%W] − 30[ %Mn] −11[ %Cr] − 20[ %Cu] + 700[ %P] + 400[ %Al] +120[ %As] +
400[ %Ti]
41
Ms(oC) = 496 ∗ [1 − 0,62 ∗ C] ∗[1 − 0,092 ∗ Mn] ∗ [1 − 0,033 ∗ S i] ∗[1 − 0,045 ∗
Ni] ∗ [1 − 0,07 ∗ Cr] ∗[1 − 0,029 ∗ Mo] ∗ [1 − 0,018 ∗ W] ∗[1 − 0,012 ∗ Co]
Reemplazando los porcentajes de los elementos aleantes que componente el acero AISI
8620 obtenemos como resultado las siguientes temperaturas las cuales son nuestra
referencia para aplicar los tratamientos térmicos a temperaturas adecuadas.
Ac1= 744°C
Ac3= 836°C
Ms= 414°C
La cementación se realizó a una temperatura de 930°C durante un periodo de tiempo de 4
horas; usando como referencia los resultados obtenidos en la investigación (Torres &
Moreno, 2014) tomamos la temperatura de mayor valor para el temple debido a que se
obtuvieron los mejores resultados y de más relevancia la cual es de 780 °C y utilizamos la
misma temperatura de revenido por debajo de Ms de 380 °C para evitar un cambio de fase
del material.
Tabla 16. Composición química acero AISI 8620
Elemento Porcentaje (%)
C 0,19
Si 0,23
Mn 0,77
P 0,011
Si 0,012
Cr 0,51
Ni 0,5
Mo 0,23
Al 0,03
Cu 0,16
Ti 0,002
Va 0,01
W 0,02
Sn 0,01
As 0,007
Nb 0,005
42
Las propiedades mecánicas del material en estado de entrega sin tratar térmicamente
mostrados en la Tabla 17 son las utilizadas como punto de comparación para los
tratamientos térmicos.
Tabla 17. Propiedades mecánicas a comparar (Valores experimentales promedio base)
Dureza 81,39 HRB
Resistencia máxima 539,404 Mpa
Resistencia de rotura 326,972 Mpa
Figura 22. Diagrama esfuerzo deformación para el AISI 8620 en estado de entrega (Base)
43
Figura 23. Microestructura acero AISI 8620 en estado de entrega (Base) 200X
Figura 24. Microestructura acero AISI 8620 en estado de entrega (Base) 500X
44
Tabla 18. Terminología utilizada para cada secuencia de tratamientos térmicos empleados
Terminología Descripción
Base Material en estado de entrega
A Cementación total a 930°C
B Cementación 930°C y temple 780°C
C Cementación 930°C , temple 780°C y revenido 5 min
D Cementación 930°C , temple 780°C y revenido 10 min
E Cementación 930°C , temple 780°C y revenido 15 min
La secuencia mostrada en la Figura 25 evidencia por completo los tratamientos térmicos
realizados. En donde se usaron temperaturas de 930 °C para la cementación y fue enfriada a
temperatura ambiente, para el temple de 780°C la cual está entre Ac1 y Ac3, junto con la
temperatura de revenido por debajo de Ms de 380 °C.
Figura 25. Secuencia de los tratamientos térmicos que se realizaron
45
Se templaron en agua las probetas a la temperatura de 780°C y posteriormente se hizo un
revenido variando los tiempos en este en 5, 10 y 15 minutos.
6.2 Probetas
6.2.1 Ensayo de tensión
Las probetas de tensión tuvieron las dimensiones mostradas en la Figura 26, cumpliendo
con la norma ASTM E8. (ASTM International, 2004) y el ensayo se realizó en una maquina
universal de ensayos Shimatzu WIN UH50 – A.
Figura 26. Probeta Tensión según la norma ASTM E8
6.2.2 Ensayo de dureza
Las probetas utilizadas para las pruebas metalográficas y de dureza fueron de ¾ de pulgada
de diámetro y 1 pulgada de largo, las cuales fueron sacadas de todo el lote del material
comprado para realizar las probetas de tensión, de acuerdo con la norma NTC 19. (Norma
Tecnica Colombiana ICONTEC, 2001).
46
Figura 27. Probeta pruebas metalográficas y de dureza según la norma NTC 19.
6.2.3 Análisis metalográfico
El análisis metalográfico se emplearon dos métodos: el primero por medio de un
microscopio electrónico de barrido (SEM) JOEL modelo JSM 6490 - LV y el segundo
utilizando un microscopio óptico Axio Oberver D1M para poder determinar el análisis de
las diferentes microestructuras presentes en los diferentes tratamientos térmicos. Las
probetas fueron atacadas con Nital al 5%.
Para identificar la estructura metalográfica obtenida se tomó como referencia la
información del libro ASM Metals handbook. Metalografias y microestructuras. (The
Materials Information Company, 2004) para determinar la microestructura obtenida en
nuestras secuencias de tratamientos.
47
7. RESULTADOS OBTENIDOS Y ANALISIS
En la Tabla 19 se encuentran los resultados obtenidos después de haber realizado los
ensayos respectivos para determinar los datos de resistencia máxima a la tensión, dureza e
incluimos la deformación obtenida en cada proceso debido a que en A, C, D y E tenemos la
misma deformación de 0,07mm pero si varia sus propiedades mecánicas en consecuencia
del cambio sufrido en su microestructura.
Tabla 19. Datos relevantes de los ensayos realizados
Resistencia máxima de tensión
(Mpa)
Dureza
(HRC)
Deformación
(mm)
A 673 51,4 0,07
B 959 63,5 0,05
C 1114 49,8 0,07
D 1286 48,6 0,07
E 1261 48,3 0,07
En cuanto a las durezas obtenidas y mostradas en la Figura 28 se da un aumento muy
significativo de aproximadamente del 50%, teniendo el mayor valor en el tratamiento de
cementación y templado posterior de un 63% mayor al del material base, por otro lado se
evidencia que a mayor tiempo de revenido va disminuyendo la dureza en este caso cada 5
minutos disminuye 1% su dureza.
48
Figura 28. Variación porcentual de la dureza
En los resultados obtenidos de los ensayos de tensión, se evidencia un aumento
significativo en el esfuerzo máximo a la tensión respecto al material base en todas las
secuencias de tratamientos realizados, junto con una reducción considerable en su
deformación de 0,24 mm a 0,7 mm lo cual equivale a una tercera parte a la del material sin
tratar. El aumento de mayor relevancia se presenta en la secuencia de cementado a 930 °C,
Templado a 780 °C y revenido a 380 °C durante 15 minutos en un 138 % como se ilustra en
la Figura 29.
Figura 29. Variación porcentual en el esfuerzo máximo
49
Figura 30. Comparación graficas esfuerzo-deformación totalidad secuencias de tratamiento
A continuación se muestran las metalografías correspondientes a los tratamientos térmicos
realizados en el acero AISI 8620 para identificar los cambios en la microestructura y
contrastar con las propiedades mecánicas:
50
Figura 31. Microestructura acero AISI 8620 cementada a 930 °C .500X.
Figura 32. Microestructura acero AISI 8620 cementada a 930 °C y Templada a 780 °C .500X.
51
Figura 33. Microestructura acero AISI 8620 cementada a 930 °C, Templada a 780 °C y revenida a 380 °C
durante 5 minutos .200X.
Figura 34. Microestructura acero AISI 8620 cementada a 930 °C, Templada a 780 °C y revenida a 380 °C
durante 10 minutos .200X.
52
Figura 35. Microestructura acero AISI 8620 cementada a 930 °C, Templada a 780 °C y revenida a 380 °C
durante 15 minutos .200X.
En la Figura 31 Se observa una microestructura compuesta por martensita bruta, la cual
contiene cantidades apreciables de perlita y carburos, que elevan su dureza limitando su
resistencia máxima a la tensión hasta un 25% más respecto al material base.
En la Figura 32 Apreciamos una estructura martensítica (zonas claras) la cual hace que el
material tenga una dureza del 63% más, comparada a un acero sin tratar. Y con el revenido
posterior el material resiste mayores esfuerzos, debido a la disminución de la martensita y
los esfuerzos residuales efecto de los tratamientos térmicos en la microestructura.
53
Figura 36. SEM acero AISI 8620 cementada a 930 °C y Templada a 780 °C.2500X.
54
Figura 37. SEM acero AISI 8620 cementada a 930 °C y Templada a 780 °C.10000X.
Figura 38. SEM acero AISI 8620 cementada a 930 °C, Templada a 780 °C y revenida a 380 °C durante 15
minutos .2500X.
55
Figura 39. SEM acero AISI 8620 cementada a 930 °C, Templada a 780 °C y revenida a 380 °C durante 15
minutos .10000X.
56
8. CONCLUSIONES
La cementación a 930 °C durante 4 Horas logra que el material aumente su dureza y
resistencia aproximadamente en un 50% más respecto a una muestra con la misma
secuencia de tratamientos sin cementar.
En todas las secuencias de tratamientos térmicos realizados aumenta la dureza y
resistencia máxima a la tensión, siendo la de mayor dureza la muestra cementada a 930 °C
y Templada a 780 °C, y la de mayor resistencia la muestra cementada a 930 °C, Templada
a 780 °C y revenida a 380 °C durante 10 minutos.
El revenido posterior realizado a 5, 10 y 15 minutos aumenta la resistencia máxima a la
tensión debido a la trasformación de la martensita, disminuyendo su dureza debido al
aumento de la ferrita en la muestra.
Con la secuencia de tratamientos de cementación, temple y revenido a 10 minutos, se
obtuvieron las mejores propiedades lo cual es favorable en el campo de la industria ya que
se busca un material con alta resistencia máxima a la tensión y poca deformación plástica
para lograr así mejor resistencia al impacto y al desgaste por fricción en donde el acero
8620 es más utilizado.
57
9. RECOMENDACIONES
Utilizar más intervalos de revenido diferentes a los usadas para verificar si hay una
influencia relevante en las propiedades del material y poder establecer si hay o no un
comportamiento descrito por medio de una funcion
En la maquina universal de ensayos utilizar el extensómetro para estudiar el cambio en el
módulo elástico (Young) para correlacionarlo con las propiedades mecánicas obtenidas
Realizar doble temple en aceite a temperaturas intercríticas luego del cementado, para
refinar el grano tanto en el núcleo como en la superficie, para así verificar propiedades
como tenacidad y resistencia al impacto.
Realizar pruebas de desgaste adhesivo a las diferentes secuencias, dado las principales
aplicaciones en el campo industrial para este tipo de tratamiento realizado al AISI 8620.
58
10. BIBLIOGRAFÍA
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http://doi.org/10.1016/j.msea.2014.03.107
Autores
Jainer Santiago Piñeros Torres Cod.20142375029
William Hernando Porras Moreno Cód. 20151375013
Dirigido por:
Ph. D. Ing. Carlos Arturo Bohórquez Ávila.
Universidad Distrital Francisco José de Caldas, 2016.
![Cementacion Fe[1]](https://img.pdfslide.es/doc/110x75/577c78a21a28abe054908af4/cementacion-fe1.jpg)
