Embed Size (px)
DESCRIPTION
Difución de Carbono en Acero SAE 1020
Citation preview
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLOFACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA METALÚRGICA
TEMA : DIFUSIÓN DE CARBONO EN ACERO SAE 1020
CURSO : LABORATORIO DE METALURGIA FÍSICA I
DOCENTE : ING. BRAULIO BRICEÑO
ALUMNO :
DELGADO MILLA , Javier
LOPEZ LOPEZ, Omar
RUIZ AQUINO , Roberto
SANCHEZ ATOCHE , Carlos
TRUJILLO MAURICIO , Frank
ULLOA TREBEJO , David
TRUJILLO – PERÚ2005
I. “Difusión de carbono en acero SAE 1020”
II. Objetivo:
1. Aplicar el fundamento teórico en el proceso de difusión (carburización) de un
carbono SAE 1020.
2. Demostrar que la segunda ley de Fick, gobierna el proceso de difusión de carbono
en el acero.
3. Evaluar las curvas de penetración de carbono hacia el interior del acero.
III. Fundamento Teórico:
3.1. Cementación:
Se llama cementación o carburización al proceso termoquímico de
enriquecimiento con carbono de la capa superficial de un acero de bajo
contenido de carbono (0.1 a 0.45% C).El objetivo principal es obtener una gran
dureza superficial y alta resistencia al desgaste; conservando la tenacidad en el
núcleo. Una concentración más alta de carbono produce un desmejoramiento
de las propiedades mecánicas de la pieza carburizada.
La difusión de carbono en el acero es posible si el carbono se encuentra en
estado elemental, obtenido por disociación de los gases que contiene carbono
(CO, CH4 y otros). El carbono elemental es absorbido por las superficies del
acero y se difunde hacia las profundidades del acero.
3.2. Efecto del tiempo y la temperatura en la penetración del carbono:
La profundidad de la capa cementada aumenta con la duración del proceso y
con la temperatura. Depende también de la actividad del carburante empleado
y de composición del acero que se va a cementar.
La absorción del carbono por el Fe es tanto más intenso cuando menor es el
porcentaje de carbono del acero. A medida que la carburación progresa, la
velocidad de absorción disminuye, comportándose, en ese caso, como una
solución que se aproxima a su grado de saturación.
Cuando le cementación se efectúa a bajas temperaturas, la penetración del
carbono es muy pequeña y en cambio, el porcentaje del carbono en la
superficie es mayor que cuando se efectúa la temperatura mayores.
3.3. Método de cementación:
La cementación puede realizar por agentes sólidos, líquidos y gaseosos, que
desprenden carbono. Se desarrolla siempre, no por un carbono en estado
molecular, sino por átomos de carbono debido a que estos son los únicos de
difundirse dentro de la red FCC del Fe.
Se tienen los siguientes métodos de cementación.
3.3.1. Cementación gaseosa:
La atmósfera carburante está formada por la mezcla de un gas
activo y gas portador. El gas activo generalmente es el metano
(CH4), aunque también puede utilizarse propano y butano. El gas
portador es una mezcla se oxido de carbono, hidrógeno y nitrógeno,
con pequeños porcentajes de vapor de agua, anhídrido carbónico
etc.
3.3.2. Cementación líquida:
Se realiza en un baño de cianuro fundido. Es más utilizado el
cianuro sódico y en menor medida el cianuro potásico; además de
algunos cianuros.
3.3.3. Cementación Sólida:
En este proceso se emplea principalmente como cementarse al
carbono vegetal, con la adición de un agente de activación para
mejorar la concentración de carbono y acelerar el proceso de
cementación; de lo contrario no se consigue en la periferia del acero
concentraciones superiores al 0.85%C como activadores destacan
los carbonos especialmente el carbono de bario (BaCO3) en una
proporción de 20 – 40%. La mayor proporción BaCO3 se emplea
preferentemente cuando se desea alcanzar grandes profundidades
de capas cementadas.
Independientemente del carburante usado, la transferencia del
carbono al acero se verifica siempre por medio de los gases que se
desprenden al calentarse la mezcla cementante a alta temperatura
siendo el óxido de carbono (CO) el principal agente carburante.
3.4. Etapas de la cementación sólida:
El proceso de cementación consta de tres partes:
3.4.1. Producción de carbono elemental:
El carbón vegetal C, a elevadas temperaturas y en contacto con el
oxígeno del aire que siempre hay en el interior de la caja de
cementación, reacciona para formar monóxido de carbono:
2C + O2 2 CO
el monóxido de carbono en presencia del hierro se disocia, a
elevada temperatura en carbono elemental (naciente o atómico) y
dióxido de carbono:
2CO Celem + CO2
al mismo tiempo el carbonato activa el proceso de carburación
facilitando la formación del monóxido de carbono y acelerando la
penetración del carbono elemental según las siguientes reacciones:
BaCO3 + calor BaO + CO2
CO2 + C 2CO
2CO C elem + CO2
El oxido de bario reacciona con el dióxido de carbono formado
obteniéndose nuevamente BaCO3:
BaO + CO2 BaCO3
Y de esta manera se repite el ciclo de las reacciones.
3.4.2. Absorción del carbono elemental:
El carbono elemental es el que produce la cementación. Al estar en
contacto con el Fe a elevada temperatura, este carbono se absorbe
desde la superficie de la pieza por existir un gradiente de
concentración entre el acero y la atmósfera carburante, formando
austenita saturada con carbono:
3 Fe + Celem Fe C
3.4.3. Difusión del carbono dentro del acero.
Finalmente el carbono se difunde en el acero, que se encuentra
austenizado, según las leyes que gobiernan la difusión atómica.
La reacción general de la cementación a la temperatura de
austenización, será:
3Fe + 2CO Fe C + CO2
Donde el Fe y C representa el carbono en la austenita.
3.5. Mecanismo de difusión:
a. Difusión sustitucional:
Llamamos también de vacancias, el parte difusor esta formado por
elementos atómicos A y B. Estos átomos son casi del mismo tamaño, por
lo que se disuelve uno en otro, como solutos sustitucionales. Aquí hay
difusión tanto de átomos a en B, como B en a; el movimiento atómico es
debido a la formación de vacancias.
b. Difusión intersticial:
Aquí el átomo difusor ocupa los intersticios, estos átomos se mueven de
una posición a otra debido a saltos producidos por las vibraciones térmicas.
No se requiere la presencia de lugares vacantes para su realización.
Nuestro interés radica en este tipo de difusión, debido a que en los aceros
la difusión ocurre por el salto de los átomos de soluto (carbono), desde un
lugar intersticial a otro vecino.
La solución sólida por difusión intersticial, como la que forma el carbono
disuelto en la matriz de hierro, ocurre soplo si el átomo de soluto tiene un
diámetro menor que el del solvente. Aquí se encuentra involucrados
átomos pequeños como carbono, hidrógeno y nitrógeno.
3.5.1. Difusividad y energía de activación:
El coeficiente de difusión o difusibilidad, D (cm2/s), está dado por la
siguiente ecuación de Arrhenius:
D = D0e-Q/RT
Donde:
D0: Factor de frecuencia de los átomos que se difunden. Es una constante
preexponencial (independiente de la temperatura) para un sistema de
difusión dado; expresada en cm2/s.
Q: Energía de activación de la reacción, por mol: expresada en Cal/mol.
R: Constante universal de los gases ideales: 1.987 Cal/mol°K.
T: Temperatura absoluta: expresada en °K.
D: Coeficiente de difusión, que expresa la rapidez con que se realiza la
difusión de un material en otro. Aunque este coeficiente depende de
diversas variables (naturaleza del soluto y de los átomos solventes,
resistencia de enlace y estructura del cristal, etc.), la más importante es la
temperatura.
3.5.2. Difusión en estado estacionario (primera Ley de Fick):
En la difusión en estado estable o estacionario, el gradiente de
concentración es constante en la unidad de tiempo. Este gradiente será la
concentración es constante en la unidad de tiempo. Este gradiente será la
concentración de soluto que cambia sólo con la distancia entre dos planos
de diferente concentración.
La ecuación que expresa esta difusión, es la primera Ley de Fick:
Donde:
J: Flujo neto de átomos que se difunden en la dirección x, a través de un
plano en la unidad de tiempo; expresado en átomos/cm2/s.
D: Coeficiente de difusión o difusibilidad: expresado en cm2/s.
: Gradiente de concentración: expresado en átomos/cm3.cm.
3.5.3. Difusión en estado transitorio (segunda Ley de Fick):
Es el estado más común en la práctica. En la difusión en estado no
uniforme, el perfil de concentración de las sustancias que se fidunden
cambia con el tiempo.
Esto significa que el flujo y el gradiente de concentración también cambia
con el tiempo. La segunda Ley de Fick s refiere a la difusión en estado
transitorio y se expresa como:
muchos problemas prácticos; puede suponerse que D es independiente de
la concentración, la cual nos conduce a una visión simplificada de la
ecuación anterior:
C: concentración de la especie que se difunde, a una distancia x de la
superficie.
T: Tiempo; expresado en s.
En los casos de difusión en estado sólido, donde la concentración Cs de la
especie que se difunde (soluto) en la superficie de un material (solvente)
permanece constante, la solución de esta ecuación diferencial puede
expresarse como:
Cs: Concentración en la superficie, producida en forma instantánea por la
atmósfera.
Co: Concentración al inicio del proceso, en un tiempo t = 0.
Cx: Concentración a una profundidad x de la superficie, en un tiempo t.
T: tiempo expresado en segundos.
se usan variable que se expresa como fer (y); representa la función de
error de Gauss.
Para predecir la profundidad de penetración o el espesor de capa tratada
(X), en función del tiempo de permanencia a la temperatura de operación;
se usa la relación:
3.5.4. Factores que influyen en la difusión:
a. Temperatura:
La temperatura es el factor de gran influencia en los coeficientes y en las
velocidades de difusión. El coeficiente de difusión es una función de la
temperatura. La dependencia del coeficiente de difusión con la
temperatura tiene la siguiente expresión:
D = D0e-Q/RT
b. Tiempo:
La profundidad de difusión del carbono es dependiente del tiempo de
cementación ya que el espesor de la capa depende del tiempo, así:
c. Impurezas:
La difusión del carbono en el acero se ve afectada por la existencia de
pequeñas cantidades de materiales adicionales que se encuentran en el
acero, ya estas impurezas perjudican el fenómeno de difusión.
IV. MATERIALES Y EQUIPO:
Tres probetas de acero de bajo carbono SAE 1020.
Horno eléctrico tipo mufla.
Caja de cementación.
Medio difusor: 20%BaCo3 y 80%carbon vegetal (granulometría: 5 mm)
Elementos de corte, desbaste, pulido, microscopio, etc.
V. PROCEDIMIENTO:
5.1. Preparación de las muestras:
Las piezas a tratar deben estar completamente limpias, libres de escoria, óxido,
grasa, aceite, humedad u otros elementos extraños que impidan o dificulten un
buen tratamiento. La limpieza de las probetas se hizo con gasolina.
5.2. Empaquetado de las piezas a carburar:
Se utilizan cajas de cementación fabricadas de hierro fundido. Antes de colocar
las muestras en el fondo de la caja, se agregan y apisonan una capa de
carburante (80% de carbón vegetal de granulometría 5mm y 20% de Carbonato
de Bario)
Sobre ésta se apisonó las muestras a una distancia de 15mm una de otras.
Luego se apisonó la segunda capa carburante y sobre ésta se acomodó la otra
muestra.
Finalmente se cubrió con una capa carburante, se cerró la caja y se selló los
bordes con arcilla refractaria para que no circule dentro de ella para evitar la
fuga de gas durante la cementación.
5.3. Proceso de cementación:
Preparadas las piezas a cementar, se colocaron en el horno eléctrico con
control de temperatura automático, el cual calentó hasta la temperatura de
austenización de 920°C. una vez alcanzada dicha temperatura, la permanencia
de las muestras en el horno fue por un tiempo de 3 y 5 horas.
Posteriormente se retiró la caja de cementación del horno y se dejó enfriar a la
temperatura ambiente la probeta de 3 horas y en el horno la de 5 horas.
VI. CIRCUITO EXPERIMENTAL:
VII. CUESTIONARIO:
7.1 Determinar el coeficiente de difusión o difusibilidad del soluto
7.2 Calcular el espesor de la caja difundida para cada pieza
7.3 Determinar el flujo de átomos de carbono hacia el interior de la pieza
7.4 Represente mediante una grafica las curvas de penetración de carbono
VIII. DISCUSIÓN DE RESULTADOS:
8.1 Cálculo del coeficiente de difusión:
D = D0e-Q/RT
T = 920°C = 1193°K
R = 1.987 Cal/mol°K
D0 = 0.22 cm2/s
Q = 34000 Cal/mol
D = 0.22e-34000/1.987 (1193)
D = 1.298 x 10-7 cm2/s
8.2 Cálculo del espesor de capa difundida:
t1 = 3h = 10800s.
t2 = 5h = 18000s.
8.3 Calculo de la velocidad o flujo de átomos de carbono hacia el interior de la
pieza de acero:
C1: Concentración de peso en la superficie.
C2: Concentración de peso en el núcleo.
X1: Distancia en la superficie.
X2: Distancia de la capa cementada.
D: Coeficiente de difusibilidad.
Concentración de peso en la superficie: 1.2%C
Concentración de peso en la núcleo: 0.2%C
Densidad del acero: 7.850 g/cm3
C1 = 0.012 x 7.85 = 0.0942 g/cm3
C2 = 0.002 x 7.85 = 0.0157 g/cm3
Cálculo del gradiente de concentración:
t1 = 3h = 10800s.
X1 = 0cm
X2 = 0.0749 cm
t2 = 5h = 18000s
x1 = 0 cm
x2 = 0.0967 cm
Cálculo del flujo de átomos:
J = -
Tomando area unitaria :
A= 1 cm2
El flujo de átomos para la probeta de 3 horas
J1 = (-1.298 x 10-7 cm/s)(1cm2)(-1.048g/cm3.cm) (6.023 x 1023at/g)
J1 = 8.19x1016 at/s
El flujo de átomos para la probeta de 5 horas
J2 = (-1.298 x 10-7 cm/s)(1cm2)(-0.812g/cm3.cm) (6.023 x 1023at/g)
J2 = 6.35 x 1016 at/s
8.4 Representación de la curva de penetración del carbono:
Se representa mediante una gráfica, donde se muestra que a medida que la
distancia de difusión aumenta, la concentración en la distancia disminuye.
Para graficar dicha curva, se hará una tabla de datos de concentración a una
distancia específica.
Cs=1.2%
C0=0.2%
D = 1.298 x 10-7 cm2/s
Tabla N° 1
Para la probeta con t = 3h
X(mm) %Cx
0.000.030.050.080.100.200.300.400.500.60
1.201.151.121.091.050.910.770.650.550.52
Tabla N° 2
Para la probeta con t = 5h
X(mm) %C0.000.100.200.300.400.500.60
1.201.101.000.900.780.710.64
IX. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
CONCLUSIONES
1. La difusión del carbono en hierro ocurre por el mecanismo intersticial ya que a la
temperatura de 920°C el Fe pasa de estructura BCC a FCC siendo en este último
mayor el radio intersticial por lo tanto hay mayor difusión de C.
2. Se comprueba que la 2° Ley de Fick gobierna el proceso de difusión del carbono
ya que la diferencia de la capa cementada calculad ay la experimental es mínima.
3. En el estado estacionario el perfil de concentración de las sustancias que se
difunden es independientemente del tiempo y el flujo o velocidad es proporcional
al valor negativo del gradiente de concentración de acuerdo con la 1° Ley de Fick.
4. En el proceso de carburización del acero el flujo de difusión y el gradiente de
concentración varían con el tiempo generando la acumulación o agotamiento de
las sustancias que se difunden.
RECOMENDACIONES:
1. Un buen pulido mecánico de las probetas presentarán una mejor microestructura
para analizar y comprarlas de acuerdo al tiempo de difusión del carbono en el
acero.
2. Las cajas de las probetas donde se van a cementar siempre deben estar selladas
con arcilla refractaria, para evitar el ingreso de oxígeno al interior de la caja y así
evitar la descarburización del acero.
3. Para determinar el espesor de la capa cementada se recomienda sobre atacar la
probeta con nital, con esto será más visible el espesor de la capa cementada y
permitirá un dimensionamiento aproximado de la misma.
FOTOMICROGRAFÍA DE LA PROBETA DE ACERO SAE 1020 ANTES DE LA
CARBURIZACIÓN
AUMENTOS: (78.75 x)
ATAQUE QUÍMICO: Nital 4%
FOTOMICROGRAFÍA DE LA PROBETA DE ACERO SAE 1020 A 3 HORAS DE LA
CARBURIZACIÓN
Comparando la microestructura de acero SAE 1020 antes de la carburización con el mismo
acero SAE 1020 después de la carburización con un tiempo de 3 horas, se observa que en este
último hay más zonas oscuras que representan el carbono difundido en los intersticios del Fe.
AUMENTOS: (78.75 x)
ATAQUE QUÍMICO: Nital 4%
FOTOMICROGRAFÍA DE LA PROBETA DE ACERO SAE 1020 A 5 HORAS DE LA
CARBURIZACIÓN
Comparando la microestructura de acero SAE 1020 después de la carburización por un
tiempo de 5 horas, con la probeta de 3 horas de carburización se puede notar que la distancia
de la capa cementada es mayor que al probeta de 3 horas, es decir, en este último hay mas
zonas oscuras que representan mayor cantidad de carbono difundid en los intersticios del Fe.
AUMENTOS: (78.75 x)
ATAQUE QUÍMICO: Nital 4%
X. REFERENCIAS BIBLIOGRAFÍAS
Flinn Trojan: “Materiales de Ingeniería y su Aplicación”
Van Black: “Fundamentos de Metalurgia Física”
Jhon Verhoeven: “Fundamentos de Metalurgia Física”
Callister: “Ciencia de los Materiales”
Reed Hill: “Principios Básicos de la Metalurgia Física”
