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EVALUAR LA RESISTENCIA AL DESGASTE ADHESIVO DEL ACERO AISI
1020 CEMENTADO CON CARBÓN OBTENIDO A PARTIR DE LA CÁSCARA
DE NARANJA
VICTOR MANUEL AMAYA REYES
UNIVERSIDAD DE IBAGUE
FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA
IBAGUE-TOLIMA
2019
EVALUAR LA RESISTENCIA AL DESGASTE ADHESIVO DEL ACERO AISI
1020 CEMENTADO CON CARBÓN OBTENIDO A PARTIR DE LA CÁSCARA
DE NARANJA
VICTOR MANUEL AMAYA REYES
INVESTIGACION
ASISTENCIA DE INVESTIGACION PARA OBTAR POR EL TITULO DE
INGENIERO MECANICO
DIRECTOR:
I.M. EDUARDO ALBERTO PÉREZ RUIZ
UNIVERSIDAD DE IBAGUE
FACULTAD DE INGENIERIA MECANICA
IBAGUE-TOLIMA
2019
3
CONTENIDO
1. RESUMEN ..................................................................................................................................8
2. INTRODUCCION ......................................................................................................................9
3. REVISION DE LITERARATURA ........................................................................................ 10
4. OBJETIVOS ............................................................................................................................ 18
4.1 . OBJETIVO GENERAL................................................................................................ 18
4.2 . OBJETIVOS ESPECIFICOS...................................................................................... 18
5. MARCO TEORICO ................................................................................................................ 19
5.1 . CEMENTACION ........................................................................................................... 19
5.2 . CEMENTACION SOLIDA .......................................................................................... 19
5.3 . CAPA CEMENTADA. ................................................................................................. 20
5.4 . CLASES DE MATERIALES CEMENTANTES. ...................................................... 20
5.5 . EJECUCION Y APLICACIÓN DE LA CEMENTACION SOLIDA. ...................... 20
5.7 . TEMPERATURAS DE CEMENTACION.................................................................. 21
5.8 . REACCIONES QUIMICAS......................................................................................... 21
5.10. TIPOS DE DESGASTE ................................................................................................... 23
5.10.1. Desgaste por adhesión ......................................................................................... 23
5.10.2. Desgaste por abrasión .......................................................................................... 24
5.10.3. Desgaste por erosión ............................................................................................ 24
5.10.4. Desgaste por cavitación ....................................................................................... 24
5.10.5. Desgaste por vibración ......................................................................................... 24
6. MATERIALES Y EQUIPOS. ................................................................................................ 25
6.1. MATERIAL: ACERO AISI 1020. ..................................................................................... 25
6.2. EQUIPOS. ........................................................................................................................... 25
6.2.1. CORTADORA METALOGRÁFICA ......................................................................... 25
6.2.2. CAJA DE CEMENTAR AISI 304. ............................................................................ 26
6.2.3. HORNO ABAREPHOR MODELO 1200-220. ........................................................ 26
6.2.4. MAQUINA PULIDORA. ............................................................................................. 27
6.2.5. DUROMETRO. ............................................................................................................ 27
4
6.2.6. MICRODUROMETRO ................................................................................................ 28
6.2.7. TORNO. ........................................................................................................................ 28
6.2.8. LIJADORA ORBITAL. ............................................................................................... 29
6.2.9. MICROSCOPIO OPTICO OLYMPUS UPRIGHT BX61FM. ................................ 29
6.2.10. CÁMARA DIGITAL CMOS OLYMPUS ................................................................. 30
6.2.11. MAQUINA PIN ON DISK. ........................................................................................ 30
6.2.12. SOFTWARE STREAM BASIC. .............................................................................. 31
7. PROCEDIMIENTO. ................................................................................................................ 32
7.1. MAQUINADO DE LOS DISCOS. .................................................................................... 32
7.2. PREPARACION DE LA BIOMASA ................................................................................ 33
7.3. PREPARACION DEL PROCESO DE CEMENTACION .............................................. 35
7.4. POST- TRATAMIENTOS A LA CEMENTACION......................................................... 37
7.5. MEDICION DE DUREZAS. ............................................................................................... 38
7.6. ENSAYO DE DESGASTE. ............................................................................................... 38
7.7. REGISTRÓ DE MASA ...................................................................................................... 39
7.8. PROCESO METALOGRAFICO ...................................................................................... 40
7.9. PULIDO Y ATAQUE QUIMICO ....................................................................................... 41
8. RESULTADOS ....................................................................................................................... 42
8.1. DUREZAS SUPERFICIALES .......................................................................................... 42
8.2. MICRODUREZAS .............................................................................................................. 43
8.2. PREDIDAS DE MASA. ..................................................................................................... 44
8.3. MICROGRAFIAS. .............................................................................................................. 45
8.4 PROFUNDIDAD DE CAPAS OBTENIDAS EN LA CEMENTACION ........................ 53
9. ANALISIS DE RESULTADO ............................................................................................... 53
CONCLUSIONES. ......................................................................................................................... 58
REFERENCIAS. ................................................................................. ¡Error! Marcador no definido.
5
LISTADO DE TABLAS
Tabla 1. Datos de dureza en las barras metálicas de acero 1018 cementadas a ± 900ºC,
templadas en agua (±27 ºC) y revenidas a ± 250 ºC durante ± 30 min. .. ¡Error! Marcador no
definido.
Tabla 2. Composición del acero. ..................................................... ¡Error! Marcador no definido.
Tabla 3. Caracterización de la biomasa pre tratada y en estado natural. ... ¡Error! Marcador
no definido.
Tabla 4. Profundidades efectivas obtenidas utilizando diversos compuestos carburantes.
.............................................................................................................. ¡Error! Marcador no definido.
Tabla 5. Valores de dureza del acero dulce carburado con residuos materiales
carbonosos mezclados con cáscara de huevo. ............................ ¡Error! Marcador no definido.
Tabla 6. Composición química del carbón de cascara de Naranja ......... ¡Error! Marcador no
definido.
Tabla 7. Parámetros de la cementación ....................................... ¡Error! Marcador no definido.
Tabla 8. Parámetros de tratamientos térmicos posteriores a la cementación. ............. ¡Error!
Marcador no definido.
Tabla 9. Tabla de frecuencias y R.P.M ......................................... ¡Error! Marcador no definido.
Tabla 10. Registro de masa en las muestras de acero AISI 1020. ......... ¡Error! Marcador no
definido.
Tabla 11. Registro de ensayos de macrodureza en las muestras de acero AISI 1020
tratados térmicamente. ...................................................................... ¡Error! Marcador no definido.
Tabla 12. Registro de ensayo de macrodureza HRB acero AISI 1020 en estado
comercial. ............................................................................................ ¡Error! Marcador no definido.
Tabla 13. Registro de ensayo de Microdureza HV. .................... ¡Error! Marcador no definido.
Tabla 14. Registro pérdida de masa posterior al ensayo de desgaste en la maquina pin
on disk. ................................................................................................. ¡Error! Marcador no definido.
Tabla 15. Tabla de aumentos en el microscopio ......................... ¡Error! Marcador no definido.
Tabla 16. Profundidad alcanzada por la capa cementada bajo los diferentes tipos de
tratamientos térmicos realizados posteriormente a la cementación. ........ ¡Error! Marcador no
definido.
Tabla 17. Durezas adquiridas en el revenido………………………………………………………………………..59
6
LISTADO DE FIGURAS
Figura 1. Perfil de dureza del material carburado .................................................................... 12
Figura 2. Perfil de dureza del material con biomasa de cascara de nuez pre tratada. ...... 13
Figura 3. Perfil de dureza del material con biomasa de cascara de nuez en estado
original. ............................................................................................................................................ 13
Figura 4. Tipos de desgaste. ....................................................................................................... 24
Figura 5. Cortadora metalográfica. ............................................................................................. 25
Figura 6. Caja de cementar AISI 304. ........................................................................................ 26
Figura 7. Horno Abarephor modelo 1200-220. ......................................................................... 26
Figura 8. Maquina pulidora. ......................................................................................................... 27
Figura 9. Durómetro HB RVU. ..................................................................................................... 27
Figura 10. Microdurometro NOVOTEST TB-MCV-1 ................................................................ 28
Figura 11. Torno MAPI. ................................................................................................................ 28
Figura 12. Lijadora orbital Makita Bo5030. ................................................................................ 29
Figura 13. Microscopio Óptico Olympus Upright BX61FM. .................................................... 29
Figura 14. Cámara digital Cmos Olympus. ............................................................................... 30
Figura 15. Maquina Pin on Disk. ................................................................................................. 31
Figura 16. Software Stream Basic. ............................................................................................. 31
Figura 17. Dimensiones de los discos. ...................................................................................... 32
Figura 18. Maquinado de los discos en el torno. ...................................................................... 32
Figura 19. Discos pulidos con la lijadora orbital. ...................................................................... 33
Figura 20. Cascara de naranja seca. ......................................................................................... 33
Figura 21. Cascara de naranja seca y triturada. ...................................................................... 34
Figura 22. Biomasa. ...................................................................................................................... 35
Figura 23. Caja con la biomasa cementante y los discos…………………………………………………….35
Figura 24. Caja sellada. ............................................................................................................... 36
Figura 25. Periodo de carburización. ........................................................................................ 37
7
Figura 26. Distancia entre indentaciones a lo largo del disco. .............................................. 38
Figura 27. Diámetro de los surcos originados por los ensayos de desgaste. .................... 39
Figura 28. Cortes trasversales en el disco. ............................................................................... 40
Figura 29. Encapsulamiento en resina fría de la pieza extraída. ........................................... 41
Figura 30. Análisis de durezas después del tratamiento térmico. ......................................... 43
Figura 31. Análisis pérdida de masa en los discos después de ser sometidos al ensayo en
la maquina pin on disk……………………………………………………………………………………………………………..44
Figura 32. Metalografía acero AISI 1020 comercial. ............................................................... 46
Figura 33. Metalografía acero AISI 1020 cementado. ............................................................. 48
Figura 34. Metalografía acero AISI 1020 cementado y templado en agua. ......................... 49
Figura 35. Metalografía acero AISI 1020 cementado y templado en aceite 10W30. ......... 50
Figura 36. Metalografía acero AISI 1020 cementado, templado en agua y revenido. ....... 51
Figura 37. Metalografía acero AISI 1020 cementado, templado en aceite 10W30 y
revenido. .......................................................................................................................................... 52
Figura 38. Comparación entre los Discos 3 y 4. ...................................................................... 53
Figura 39. Microestructuras de la zona del caso: (a) Subzona hipoutectoide, (b) Subzona
eutectoide, (c) Subzona hipereutectoide…………………………………………………………..…………………….54
Figura 40. Fragmento extraído de la Figura 32 acero AISI 1020 en estado comercial a
20X………………………………………………………………………………………………………………………………………………54
Figura 41. Figura comparativa de los Discos 5 y 6 a 100X. ................................................... 57
8
1. RESUMEN
La siguiente investigación presenta la cementación con cascara de naranja para
aceros de bajo carbono como es el caso del AISI 1020 a una temperatura de
970°C en un tiempo total de 10 horas con el fin de mejorar sus propiedades
mecánicas, para esto se emplearon seis (6) discos de dicho acero nombrado
anteriormente con un espesor de 6 mm y diámetro de 76 mm en los cuales
posterior a la cementación se llevaron a cabo otros tratamientos como lo fueron
los proceso de temple en agua y en aceite estos manejaron un tiempo de 70
minutos en el proceso a una temperatura de 800°C evidenciando de esta manera
un aumento de durezas que van desde 58HRC-64,56HRC y una pérdida de masa
entre 0,0331g - 0,0517g . Finalmente se realizó un revenido a 400°C en un tiempo
de 80 minutos del cual se obtuvieron durezas de 42,22HRC-47,8HRC y pérdida de
masa que oscilan entre 0,0061g-0,0245g.
9
2. INTRODUCCION
Los residuos sólidos orgánicos son generados por las personas desde sus
hogares o lugares de trabajo, estos suelen tratarsen como desperdicios sin
ninguna importancia o relevancia hacia la aplicación de nuevas alternativas de
desarrollo. No obstante en este tipo de desechos suelen encontrarse cierta
variedad de frutas entre las cuales la más común es la cascara de naranja la cual
puede ser utilizada para el uso de tratamientos térmicos en aceros de bajo
carbono, estos se definen como la operación de calentamiento y enfriamiento a
altas temperaturas de metales en estado sólido mediante una serie de parámetros
establecidos los cuales conllevan a una alteración de sus propiedades mecánicas
externas manteniendo de esta manera un núcleo dúctil.
En el caso de la carburización se lleva a cabo un proceso de difusión con el
carbón de la cascara de naranja el cual consiste en que la materia es transportada
por la materia lo que quiere decir que por medio de las vibraciones térmicas se
permiten el movimiento de algunos átomos de carbono al interior de los metales
generando una alteración estructural en la superficie de dichas piezas con el fin de
evaluar su resistencia y modificación microestructura por medio de otros
tratamientos térmicos posteriores como el temple en agua, aceite y revenido. Sin
embargo cabe resaltar que para que esto se lleve a cabo es necesaria la
obtención de la materia prima el cual en este caso será el carbón generado a partir
de la cascara de naranja.
10
3. REVISION DE LITERARATURA
El proceso de cementación o carburización es empleado para generar una capa
superficial en los aceros aumentando de esta manera su resistencia por medio del
contacto con una atmosfera potencialmente enriquecida de carbono y por difusión
generando un gradiente de concentración entre la superficie y el interior del metal
[1]. Se entiende como difusión el movimiento de los átomos y moléculas las cuales
se trasladan desde una zona de alta concentración a una de baja, generando
finalmente un estado de equilibro en la distribución de estas [2]. Entre los
diferentes tipos de cementación se puede encontrar cementación sólida, liquida o
gaseosa, sin embargo la cementación solida es la más comúnmente utilizada
debido a que en esta se puede utilizar como material cementante el carbón
vegetal pulverizado [3]. La carburización solida posee gran diversidad de ventajas
las cuales van desde la obtención de gruesas capas carburizadas en piezas
grandes, no necesita de una atmosfera preparada permitiendo de esta manera el
uso de una amplia variedad de hornos y comparada con la cementación gaseosa,
esta permite una mayor protección en las zonas que se desea carburizar [4].
En la cementación suele emplearse fuera del material cementante, carbonatos
como el bario (Ba), calcio (Ca) y sodio (Na) con el fin de suministrar el carbono el
cual absorberá el acero al cementar [2] Según investigaciones preliminares se ha
demostrado que no se suele utilizar carbón sólo, debido a que no se logran
conseguir concentraciones en la periferia de los aceros superiores a 0.65% de
carbono, por ende es necesario mezclarlo con alcalinos o alcalinos-térreos los
cuales pueden ayudar a alcanzar hasta un 1.20% de carbono [5]. No obstante se
recomienda a la cementación procesos posteriores al tratamiento realizado como
el temple y revenido con el fin de mejorar las propiedades mecánicas de la pieza
[6].
Los datos recolectados de estudios anteriores se evidencia que algunos
materiales cementantes pueden aportar mejores o similares características que
otros. Según la investigación realizada por Tejedor De León [7] la cual se enfoca
en el uso del carbón de mangle (rizophora mangle) y de nance (byrsonima
crassifolia) como materiales cementantes en aceros AISI 1018 demostraron que
alcanzaron durezas promedio de 44.38 HRC utilizando biomasa cementante de
mangle y 45.27 HRC al emplear el de nance como se evidencia en la Tabla 1.
Tabla 1. Datos de dureza en las barras metálicas de acero 1018 cementadas a ± 900ºC, templadas en agua
(±27 ºC) y revenidas a ± 250 ºC durante ± 30 min.
11
Fuente. Tejedor De León [7].
Según los datos obtenidos se evidencio que las biomasas utilizadas en el estudio
del proceso fueron eficientes al ser utilizados como material de carburización
obteniendo durezas significativamente altas pero sin ser muy diferentes entre sí.
Por otra parte Supriyono [8] estudió los efectos de la cementación utilizando
carbón vegetal de leña a una temperatura de 930 °C en un periodo de 2, 3 y 4
horas junto con un contenido de carbono del 0.17% como fuente cementante. Para
llevar a cabo el proceso se realizó una mezcla la cual consistió en 80% carbón y
20 % de carbonato de sodio (Na2CO3) empleando un acero el cual conto con la
composición química de la Tabla 2.
Tabla 2. Composición del acero.
Fuente. Supriyono [8]
Una vez finalizado el proceso Supriyono evidencio que cuanto más largo sea el
tiempo de retención en el horno mayor será la dureza en la capa superficial del
acero obteniendo una mayor absorción de carbono en la superficie tal como se
muestra en el perfil de dureza del material carburado (Figura 1).
12
Figura 1. Perfil de dureza del material carburado
Fuente. Supriyono [8]
Según otras investigaciones como en el caso de Momoh [9] empleo cascara de
nuez la cual fue segmentada en dos formas diferentes como material carburante
siendo una de este pre tratada y la otra quedando en su estado original de
recolección. La biomasa se calentó en un horno de mufla junto con las muestras
mecanizadas llevándola a una temperatura austenítica y siendo finalmente
enfriada a diferentes tiempos de 45, 60 y 75 minutos antes de su caracterización
como se muestra en la Tabla 3
Tabla 3. Caracterización de la biomasa pre tratada y en estado natural.
Fuente. Momoh [9].
Al realizar la cementación con las muestras de biomasa obtenidas inicialmente se
evidencio una variación de durezas entre el carburador en su estado original y el
tratado previamente antes de su uso en el proceso de endurecimiento, obteniendo
las gráficas de la figura 2 y 3 mostradas a continuación
13
Figura 2. Perfil de dureza del material con biomasa de cascara de nuez pre tratada.
Fuente. Momoh [9].
Figura 3. Perfil de dureza del material con biomasa de cascara de nuez en estado original.
Fuente. Momoh [9].
Momoh demuestra que al tratar el material carburante previamente antes de su
uso en el proceso de endurecimiento, obtuvo un aumento de dureza relativamente
alto, especialmente más notable en las muestras A y C de la Figura 3. A su vez se
observa que la muestra A1 en total mostraba el valor de dureza más alto de
247.1HV, deduciendo que el motivo de la alta dureza en la cascara pre tratada
podría atribuirse a la activación de carbono inicial antes de su uso como
endurecedor.
No obstante en investigaciones preliminares lo que se ha buscado es determinar
qué tipo de biomasa puede aportar mejores propiedades mecánicas a la tratada
como material carburante. Un claro ejemplo es Oyetunji [10] en donde se propuso
a investigar la idoneidad del uso de la cáscara de almendra de palma, hueso
animal (huesos de mamíferos de ganado) y materiales de concha de mar (concha
14
de ostra) como carburantes para el endurecimiento de cajas de acero dulce al
0.078% C.
Para la realización de la cementación en aceros dulces se examinaron en un
rango de 700°C a 1000°C evidenciando que la dureza de las muestras no
templadas carburizadas en cáscara de palma y hueso animal mostro valores más
altos que los que fueron posteriormente temperados. Sin embargo para las
muestras carburadas utilizando polvo de concha de mar, almendra de palma y
hueso animal, el carbono contenido en solución sólida aumento a medida que las
temperaturas crecían de 800°C-1100°C. Finalmente el autor concluye que la
Cáscara de almendra de palma y carburantes de hueso animal poseen un buen
potencial al ser utilizados como carburador para el acero sin contar con la biomasa
de la concha de mar, debido a que esta proporciono una disminución de
resultados significativamente notoria en el estudio.
Aramide [11] propone de manera más detallada la cementación por medio de la
utilización de hueso pulverizado como material carburante utilizando temperaturas
de 850°C, 900°C y 950°C realizando seguido de esto un temple en aceite a 550°C
y finalmente un revenido, el autor evidencia que estos tratamientos influyen
directamente en la dureza y resistencia a la tracción en los aceros de bajo
carbono, no obstante la tenacidad también se ve afectada disminuyendo de
manera gradual con el aumento de la temperatura.
Por otra parte Ohize [12] implementa la utilización de carbón de hueso, madera y
leña obteniendo que en la interacción entre el material carburante y el tiempo de
cementación tuvo un efecto significativo a nivel alfa de 0.01 en la dureza del acero
no obstante la resistencia al impacto no se vio significativamente afectada por el
estudio experimental, se demostró a su vez que el carbón de madera y el carbón
de leña son materiales carburantes eficaces. Obteniendo un rango de durezas de
28.2 HRC a 28.5 HRC para las muestras de control, mientras que para las
muestras experimentales fue de 51.177 HRC a 61.66 HRC.
En el caso de Oluwafemi [13] decidió variar la temperatura de cementación en los
aceros AISI 1020 de cuatro maneras diferentes junto con el tiempo de
sostenimiento, las temperaturas empleadas fueron de 800°C,850°C,900°C y
950°C con tiempos de 60 min.,90 min. y 120 minutos siendo estos los de
sostenido, seguido de tratamientos de temple y revenido como habitualmente se
suele hacer, en los resultados obtenidos evidencia que la dureza superficial del
acero aumento a 37 HRC de manera gradual con el tiempo de sostenimiento en la
carburización.
15
Autores como Umunakwe [14] utilizan cascara de almendra de palma junto con
una mezcla de cascara de coco en la carburización a una temperatura de 950°C
con un sostenimiento de tres horas seguido de un temple en agua y revenido a
450°C a en donde se mantuvieron en un tiempo estimado de cuarenta minutos
dejando enfriar las muestras finalmente a temperatura ambiente una vez realizado
el proceso se concluyó que las mejores propiedades se obtuvieron al 80% en peso
de cáscara de coco y al 20% en peso de mezcla de cáscara de almendra de
palma como carburantes aumentando a una dureza de 55 HRA.
No obstante según algunos autores utilizaron potenciadores en la cementación
con el fin de tratar de aumentar aún más las propiedades mecánicas y mejorar la
profundidad alcanzada por las capas cementantes de los aceros sometidos a este
tratamiento térmico. Un claro ejemplo de esto es Aondona [15] el cual decidió
trabajar como activador el hueso de la vaca realizando una mezcla de este junto
con el material cementante con el fin de evaluar las propiedades obtenidas.
Para esto empleo un total de 4 muestras entre las cuales se evaluó la profundidad
de la capa obtenida a partir de la cementación, como se observa en la Tabla 4.
Tabla 4. Profundidades efectivas obtenidas utilizando diversos compuestos carburantes.
Compuesto Carburante Profundidad de la capa obtenida
(mm) en 8 horas de carburización Código Composición
A 100 % carbón vegetal 1.56
B 75% carbón vegetal y 25% de hueso de vaca 1.40
C 70% carbón vegetal y 30% de hueso de vaca 0.96
D 60% carbón vegetal y 40% de hueso de vaca 2.32
Fuente. Aondona [15].
Por otra parte Ihom [16] propone la cascara de huevo como activador utilizándolo
a su vez con cascara de melón, bagazo de caña y hojas de palma como masa
carburante para la cementación en un acero de 0.25% C. El autor establece que el
uso de este activador funciona adecuadamente durante la cementación elevando
de esta manera el potencial de carbono en la superficie del acero empleado, no
obstante afirma que el uso de las biomasas carburantes anteriormente nombradas
funcionan como fuentes cementantes de una forma correcta debido al incremento
de dureza obtenido en el estudio al mezclar cada cascara utilizada con el activador
(Tabla 5).
16
Tabla 5. Valores de dureza del acero dulce carburado con residuos materiales carbonosos mezclados con
cáscara de huevo.
S/NO MEZCLA CEMENTANTE 1 2 3 PROMEDIO DUREZA
(HRC)
1 Bagazo de caña 45.3 43.8 46.3 45.1
2 Bagazo de caña y cascara de huevo 47.8 43.8 33.8 45.5
3 Cascara de melón 49.8 46.8 46.8 47.8
4 Cascara de melón y cascara de huevo 53.3 51.8 52.8 52.6
5 Hoja de palma 56.3 55.3 56.3 56
6 Hoja de palma y cascara de huevo 58.3 55.3 56.3 56.6
Fuente. Ihom [16].
Akanji [17] propuso la utilización de grafito, cascara de almendra de palma y
carbón vegetal junto con un 20% de BaCo3 en la cementación. En los datos
obtenidos evidencio que la cascara de almendra de palma incorporo al acero
mejores características en cuanto a la profundidad de la capa la cual fue de 534
μm y una mayor dureza siendo esta de 279 HV.
Sin embargo Okongwu [18] realizo una investigación la cual comparo el efecto
generado por minerales como el mármol, dolomita y piedra caliza como
sustituyente del BaCO3 como activador en la cementación de un acero de
0.14%C. El autor demostró que el mármol o la piedra caliza pueden sustituir en
gran manera el BaCO3 enriquecido como activador, alcanzando capas de
2.05mm, 2.44mm y 4.16mm.
Por otra parte algunos autores decidieron enfocarse en el estudio del coeficiente
de ficción con respecto al tiempo de deslizamiento producido en ensayos de
desgaste adhesivo con el fin de evaluar las propiedades mecánicas de diferentes
tipos de aceros. Tal fue el caso de Higuera [19] el cual por medio del estudio y la
implementación del ensayo nombrado anteriormente aplicándolo para aceros AISI
1020 evidencio que los ensayos varían según las características superficiales y
contaminantes presentados de cada una de las muestras trabajadas.
Sin embargo estudios preliminares como los llevados a cabo por Pérez [20] fueron
enfocados a su vez a la pérdida de masa presentada en los ensayos de desgaste
adhesivo con aceros AISI 1020 en estado comercial bajo parámetros de carga de
9.79N, 21.83N y 31.62N, velocidades de 60, 180 y 300 r.p.m. y una distancia
recorrida de 1000m. Determinando que al aumentar la velocidad durante el
contacto entre el disco de acero y el pin de la maquina la pérdida de masa
17
procede a disminuir, mientras que si esta se mantiene contante y solo se altera la
carga generara un desprendimiento de material mayor a la anterior.
18
4. OBJETIVOS
4.1 . OBJETIVO GENERAL
Evaluar la resistencia al desgaste adhesivo en aceros de bajo y medio contenido
de carbono tratados térmicamente utilizando biomasa, aceites y refrigerantes no
tradicionales.
4.2 . OBJETIVOS ESPECIFICOS
- Obtener material pulverizado de carbón vegetal a partir de la cáscara de
Naranja
- Analizar el comportamiento de la dureza y de la microestructura de la capa
obtenida en el proceso de cementación
- Evaluar el comportamiento del desgaste adhesivo que presenta la
superficie del acero cementado.
19
5. MARCO TEORICO
5.1 . CEMENTACION
La cementación es el tratamiento térmico austenítico el cual consisten en el
calentamiento y enfriamiento de un metal en estado sólido con el fin de
enriquecerlo en carbono en más de un 0.8% en su capa superficial por medio de la
utilización de una biomasa de carbón vegetal. Este tiene como objetivo endurecer
la superficie de la pieza sin modificar su núcleo dando origen a una nueva pieza
conformada por una superficie con mayor concentración de carbono lo cual la
hace más dura, resistente a deformaciones y al desgaste, no obstante por otra
parte se encuentra el núcleo de acero el cual contiene un bajo contenido en
carbono siendo de esta manera resistente a la fatiga y tenaz.
En el proceso de cementación se suelen utilizar comúnmente factores los cuales
controlan dicho tratamiento, como lo son la temperatura y el tiempo de duración a
la que se realizara el proceso, estas puede oscilar entre los 850°C-950°C en un
periodo de 6 a 10 horas siendo estas las más empleadas, a su vez se tiene en
cuenta la velocidad de absorción y difusión del carbono hacia el metal
dependiendo en gran parte de la composición del acero y el material cementante
(Biomasa).
Acompañado de la cementación le pueden continuar procesos como el temple y
revenido posteriormente debido al lento enfriamiento con el fin de proporcionar a la
pieza una mayor dureza pero a su vez fragilidad. Sin embargo se destaca que en
el proceso de temple el núcleo no lo admite, debido a su bajo contenido de
carbono adquiriendo tenacidad y pudiendo de esta manera trabajar bajo cargas
dinámicas [1].
5.2 . CEMENTACION SOLIDA
En la cementación solida las piezas deberán estar libres de agentes grasos
limpias y libres de óxidos, seguido de esto son depositadas dentro de la caja de
cementación junto con el material cementante (Biomasa) el cual se puede utilizar
entre un 70% a 80% de carbón vegetal pulverizado con un 20% a 30% de algún
carbonato como lo pueden ser el carbonato de bario (BaCo3), carbonato de sodio
(NaCo3) o carbonato de potasio (K2CO3). Las caja debe ser sellada con una
20
masilla la cual puede estar elaborada de arena de fundición mezclada con silicato
de sodio y continuamente depositada al horno de cementación, una vez allí esta
se mantendrá a una temperatura de 900°C y 970°C aproximadamente en un
periodo de aproximadamente 10 horas. Una vez trascurrido el tiempo estimado se
retira la caja del horno y de se deja enfriar con lentitud.
5.3 . CAPA CEMENTADA.
La capa cementada se conoce como la zona la cual después de la cementación
adquiere un contenido de carbono superior a la del acero, esta también recibe el
nombre de capa dura la cual posterior al último tratamiento térmico puede adquirir
porcentajes de carbono de 0.08-0.40% de carbono y durezas entre los 58-60
Rockwell-C [2]
5.4 . CLASES DE MATERIALES CEMENTANTES.
En las clases de materiales más comunes los cementantes más utilizados
contienen alrededor del 10 o 20% de carbonatos de metales alcalinos,
aglomerados con carbón o coque. Cabe resaltar que el tamaño de la partícula del
compuesto puede ser variable y las temperaturas del proceso están regidas en un
rango aproximado de 815°C a 955°C [1].
5.5 . EJECUCION Y APLICACIÓN DE LA CEMENTACION SOLIDA.
En la cementación solida las piezas de metal son introducidas en una caja de
acero inoxidable la cual contiene una determinada cantidad de material
cementante siendo esta suficiente para que las piezas queden sumergidas en su
totalidad sin tener contacto con las paredes de la caja. Una vez allí se cierra la
caja con una mezcla entre arcilla, caolín y melaza la cual ayudara a aislar en
contenido interno del exterior evitando de esta manera interrupciones en el
proceso de carburización.
Una vez sellado se procede a llevar la caja al horno, allí se elevara la temperatura
a las indicadas por los parámetros de la cementación sólida, manejando de esta
manera tiempos los cuales se consideren lo suficientemente necesarios para
21
finalizar el proceso de cementación, por último se realiza el enfriamiento de la caja
para retirar de esta manera las piezas cementadas de manera exitosa.
5.6 . POTENCIAL DE CARBONO Y GRADIENTE.
Se denomina potencial de carbono C de la atmosfera generada por el compuesto
cementante y el carbono obtenido en la superficie del acero; existiendo de tal
manera un incremento con un aumento de relación de CO a CO2. No obstante el
mayor porcentaje de carbono C se desarrolla en la superficie del acero con el uso
de energizan tés o activadores los cuales promuevan dicha formación
Es necesario que el medio cementante se mantenga en equilibrio entre el CO el
cual actúa como carburante y el CO2 que es descarburante, entre más CO exista
se acelerara mayormente la cementación mientras que el CO2 frenara el proceso
llegando incluso a crear una descarburación.
Por otra parte el gradiente de concentración de carbono C en las piezas
cementadas está influenciado principalmente por el potencial de carbono, el
tiempo, la composición química del acero a tratar y la temperatura de
cementación, como se muestra en la [2].
5.7 . TEMPERATURAS DE CEMENTACION.
La temperatura es un factor fundamental al momento de llevar a cabo el proceso
de cementación debido a que esta depende la velocidad de difusión hacia el metal
junto con la absorción de carbono en la superficie. Normalmente las temperaturas
empleadas se efectúan en un rango de 850°C-950°C, no obstante cabe resaltar
que es posible emplear temperaturas mayores o menores dependiendo del
proceso del proceso y su factibilidad [1].
5.8 . REACCIONES QUIMICAS.
En las reacciones químicas que pueden producir la cementación del acero en un
medio cementante sólido como el carbón vegetal, sin adición de activadores, sin
embargo solo se puede realizar en presencia de una fase gaseosa activa, por
ejemplo el aire, dentro de la caja de cementar:
22
C+ O2 CO2 exotérmica (1)
C+ ½ O2 CO exotérmica (2)
CO2+ C 2CO endotérmica (3)
Por otra parte la primera reacción se emplea a temperaturas relativamente bajas,
la (3) representa un equilibrio que al aumentar la temperatura es desplaza cada
vez más a la derecha, de tal manera que atmósfera interior de la caja de
cementación se enriquece cada vez más en CO. Sin embargo se pueden emplear
como activadores, carbonatos de bario, sodio, potasio, magnesio o estroncio. La
eficacia como aceleradores de la reacción, disminuye en el orden en que se han
citado anteriormente. El proceso de activación se basa en las dos reacciones
químicas siguientes:
Me CO3→ MeO + CO2
CO2 + C↔ 2CO
Por ende la descomposición de los carbonatos no debe ser brusca, sino
progresiva para que de esta manera pueda perdurar una atmósfera gaseosa de
composición constante dentro de la caja, durante un tiempo prolongado. En el
enfriamiento el óxido formado reacciona otra vez con el CO2, según la reacción:
MeO + CO2 → MeCO3
De lo que se deduce que el agotamiento del activador es relativamente pequeño.
La cementación del acero sólo ocurre en un intervalo pequeño de temperaturas,
entre 800º y 950º C.
Fe γ + 2CO ↔ [C] Fe γ + CO2
El CO2 formado debe separarse rápidamente de la superficie del acero, pues de
otra manera volvería a actuar como descarburante. Por esta razón, en el medio
cementante debe mantenerse un equilibrio entre el CO, que actúa como
carburante, y el CO2, que es descarburante. Cuanto más CO exista, más se
acelerará la cementación, y si hay exceso de CO2, se frenará la cementación o
incluso puede producirse descarburación [2].
23
5.9 . DESGASTE.
El desgaste es la perdida de material presentada en una superficie la cual está
sometida a contacto con otro cuerpo cuando se es sometida a un movimiento
relativo bajo la acción de una fuerza. No obstante siempre en este proceso se
genera una situación potencial de desgaste dando origen a un movimiento el cual
puede ser considerado como de vaivén o unidireccional sean estos de rodamiento
o deslizante. Un factor importante el cual acompaña al desgaste es la fricción el
cual se puede entender como la resistencia al movimiento producida por dos
cuerpo los cuales se encuentran en contacto bajo un movimiento relativo.
5.10. TIPOS DE DESGASTE
Los metales pueden ser sometidos a un movimiento relativo ya sea con un cuerpo
solido o no, como a su vez pueden existir interacciones entre metal y liquido (agua
o aceites lubricante). Los tipos de desgaste son clasificados según la naturaleza
del movimiento o los medios involucrados en la interacción de metales bajo una
cara, estos últimos pueden estar clasificado como:
a) Metal contra metal.
b) Metal contra sólido no-metálico.
c) Metal contra fluido.
Sin embargo, debido a que la naturaleza de las superficies en contacto puede
cambiar de manera inesperada, y lo que antes era metal contra metal se puede
volver metal contra no-metal, o bien una lubricación que en un principio era
adecuada podría fallar posteriormente. La clasificación anterior pierde validez al
aplicarla en situaciones reales. Por lo tanto, se prefiere clasificar al desgaste en
virtud de la naturaleza del movimiento o de los medios que intervienen en una
interacción de metales bajo carga. Los tipos principales de desgaste son:
5.10.1. Desgaste por adhesión: ocurre cuando dos superficies se deslizan la una
sobre la otra o existe una presión de tal manera que mantiene unidas dichas
superficies. El material desprendido tiene forma de partículas pequeñas que
normalmente se transfieren a la otra superficie o se encuentran como partículas
sueltas fuera de dicha superficie. Para el caso del desgaste por adherencia el
movimiento relativo puede ser deslizamiento unidireccional o de vaivén, o bien la
interacción ocurre bajo carga en un contacto oscilatorio de pequeña amplitud
24
5.10.2. Desgaste por abrasión: Sucede cuando están presentes partículas
extrañas y duras entre las superficies en contacto, estas partículas abrasivas se
incrustan en una de las superficies y actúan como herramienta de corte
removiendo de esta manera material de la otra superficie, Estas partículas pueden
proceder del ambiente (arena y/o polvo) o como consecuencia del desgaste por
adhesión y/o por un proceso de corrosión
5.10.3. Desgaste por erosión: sucede cuando un fluido a alta presión con
partículas sólidas en suspensión impactan sobre una superficie las cuales
arrancan material de ella debido a los efectos de momento de las partículas. La
pérdida de material puede ser significativa, provocando roturas por fatiga. El grado
de desgaste tiene relación con el ángulo de incidencia de la partícula con respecto
a la superficie.
5.10.4. Desgaste por cavitación: Esta se produce entre dos superficies que
tienen movimiento oscilatorio relativo de pequeña amplitud, del cual se forman
partículas abrasivas que originan cavidades en la superficie a medida que la
oscilación continúa.
5.10.5. Desgaste por vibración: Como resultado de las cargas cíclicas, el cual
probablemente es el mecanismo predominante de la mayoría de tipos de
desgaste. Sin embargo, considerar que un tipo particular de falla ha sido originado
por fatiga resulta un tanto confuso, por lo que se reserva el uso del término
solamente a la falla entre contactos lubricados, como en el caso de los 6
Rodamientos de bolas o rodillo, engranes, levas y entre otros mecanismos, donde
la pérdida de material se produce debido al desbaste de capas superficiales o por
picaduras, como en el caso de los engranes. Las grietas por fatiga aparecen
debajo de la superficie en un punto en que el esfuerzo cortante es máximo [15].
Figura 4. Tipos de desgaste.
Fuente: Higuera C. [15]
25
6. MATERIALES Y EQUIPOS.
A continuación, se muestra la lista de materiales y equipos empleados en el
transcurso de la investigación:
6.1. MATERIAL: ACERO AISI 1020.
Posee un bajo contenido en carbono lo cual hace que no presente dificultades al
soldarse por soplete o arco siendo de esta manera recomendado para la
utilización en piezas construidas estructuralmente, la ductilidad de este lo hace
eficiente para piezas forjadas, estampadas o embutidas. Su dureza puede ser
mejorada por medio de tratamientos térmicos como la cementación, temple en
agua o aceite e inclusive el laminado en frio ayuda a mejorar el comportamiento
mecánico en este acero.
6.2. EQUIPOS.
6.2.1. CORTADORA METALOGRÁFICA
La cortadora metalográfica fue utilizada para extraer los fragmentos metálicos los cuales fueron
utilizados posteriormente en la encapsulación.
Figura 5. Cortadora metalográfica.
Fuente: Autor.
26
6.2.2. CAJA DE CEMENTAR AISI 304.
Para la cementación se empleó una caja de acero inoxidable AISI 304 indicada
para almacenar la muestra a tratar térmicamente.
Figura 6. Caja de cementar AISI 304.
Fuente: Autor
6.2.3. HORNO ABAREPHOR MODELO 1200-220.
El horno utilizado en los procesos de tratamientos térmicos fue tipo mufla Modelo
1200-220 de marca Abarephor (Figura 7), permitiendo alcanzar temperaturas no
mayores a los 1200°C.
Figura 7. Horno Abarephor modelo 1200-220.
Fuente: Autor.
27
6.2.4. MAQUINA PULIDORA.
El proceso de pulido es llevado a cabo en la maquina pulidora mostrada en la
Figura 8 con el fin de obtener una superficie limpia y uniforme para el análisis
metalográfico.
Figura 8. Maquina pulidora.
Fuente: Autor
6.2.5. DUROMETRO.
El durómetro de la Figura 9 fue utilizado para obtener las durezas superficiales de
los discos tratados térmicamente y en estado comercial.
Figura 9. Durómetro HB RVU.
Fuente: Autor.
28
6.2.6. MICRODUROMETRO
La Figura 10 muestra el microdurometro utilizado para medir la dureza en la capa
cementada.
Figura 10. Microdurometro NOVOTEST TB-MCV-1
Fuente: Autor.
6.2.7. TORNO.
En la Figura 11 se observa el torno utilizado para el mecanizado de los discos de
acero AISI 1020.
Figura 11. Torno MAPI.
Fuente: Autor
29
6.2.8. LIJADORA ORBITAL.
Con la lijadora orbital makita Bo5030 se obtuvieron mejores acabados en la
superficie de los discos posterior al mecanizado. La Figura 12 muestra la lijadora
orbital empleada.
Figura 12. Lijadora orbital Makita Bo5030.
Fuente: Autor
6.2.9. MICROSCOPIO OPTICO OLYMPUS UPRIGHT BX61FM.
El microscopio utilizado en la adquisición de las imágenes fue el Olympus upright
BX61FM como se observa en la Figura 13.
Figura 13. Microscopio Óptico Olympus Upright BX61FM.
30
Fuente: Autor
6.2.10. CÁMARA DIGITAL CMOS OLYMPUS
En la adquisición de las imágenes se empleó la cámara digital CMOS Olympus
SC100 de alta resolución con chip de 10,6 Megapíxeles de la Figura 14, con el fin
de capturar imágenes de alta resolución un gran nivel de detalles inclusive con
bajos aumentos.
Figura 14. Cámara digital Cmos Olympus.
Fuente: Autor.
6.2.11. MAQUINA PIN ON DISK.
31
La máquina pin on disk fue utilizada para evaluar la pérdida de masa presentada
por el desgaste a causa de la rotación de las piezas con los diferentes
tratamientos térmicos durante un 50 minutos cada ensayo (Figura 15).
Figura 15. Maquina Pin on Disk.
Fuente: Autor.
6.2.12. SOFTWARE STREAM BASIC.
La implementación del software STREAM BASIC para la recolección de imágenes
captadas con ayuda del microscopio ofreció un trabajo de fácil adquisición de
datos incluyendo entre estas imágenes y medidas de gran importancia para el
adecuado estudio de la carburación con sus diferentes tratamientos térmicos como
se observa en la Figura 16.
Figura 16. Software Stream Basic.
Fuente: Autor.
32
7. PROCEDIMIENTO.
7.1. MAQUINADO DE LOS DISCOS.
Se inició a partir de una barra cilíndrica de 76 mm de diámetro de acero AISI 1020
de la cual se realizaron 6 cortes para extraer un número total de 6 discos con un
grosor inicial aproximado de 9 mm siendo destinados 5 para el proceso de
cementación y uno para el estudio en estado comercial.
Figura 17. Dimensiones de los discos.
Fuente: Autor
Para el mecanizado de los discos se empleó el torno, con el fin de disminuir su
espesor de los discos llevándolos a unas dimensiones finales de
aproximadamente de 6mm de grosor y manteniendo el diámetro estándar de 76
mm como se evidencia en las Figuras 17.
Figura 18. Maquinado de los discos en el torno.
33
Fuente: Autor.
No obstante una vez obtenido el grosor adecuado se continuó el proceso con la
pulidora orbital la cual ayudo a darles un acabado superficial significativamente
bueno para la realización de la cementación (Figura 19).
Figura 19. Discos pulidos con la lijadora orbital.
Fuente: Autor.
7.2. PREPARACION DE LA BIOMASA
En la preparación de la biomasa fue extraído carbón de cascara de naranja como
material cementante con el fin de estudiar su comportamiento como agente
carburante en metales de bajo carbono. Para llevar a cabo dicho proceso
nombrado anteriormente una vez obtenidas las naranjas se procedió a extraer el
mesocarpio o así mismo conocido como la pulpa de la fruta, dejando de esta
manera la cascara limpia y lista para llevar a cabo el secado (Figura 20).
Figura 20. Cascara de naranja seca.
34
Fuente: Autor
El secado se llevó a cabo bajo sol durante un aproximado de 2 o 3 días a una
temperatura aproximada de 25°C – 28°C en un periodo 4 horas diarias con el fin
de secar la cascara facilitando de esta manera su trituración posteriormente para
incorporar la mayor cantidad posible de dicho material en la caja para cementación
(Figura 21).
Figura 21. Cascara de naranja seca y triturada.
Fuente: Autor
Una vez depositada y tapada la cascara triturada en la caja para cementar se
realizó un recubrimiento exterior con una mezcla homogénea de 500 g de arcilla,
500 g de caolín, 80 ml de melaza y 120 ml de agua con el fin de aislar en lo
posible el material evitando de esta manera una posible combustión a causa del
contacto con el oxígeno en su interior, obteniendo forma eficiente la biomasa
cementante Figura 22.
35
Figura 22. Biomasa.
Fuente: Autor
Cabe resaltar que en el proceso fue necesario un periodo de 1 hora y 30 minutos
para el precalentamiento del horno hasta alcanzar la temperatura máxima de
500°C, una vez alcanzada dicha temperatura nombrada anteriormente se mantuvo
así durante un lapso 3 horas de sostenimiento. Finalmente se extrajo la caja
dejándola enfriar fuera del horno a temperatura ambiente para proseguir
posteriormente con la extracción del material cementante el cual demostró la
composición química de la Tabla 6.
Tabla 6. Composición química del carbón de cascara de Naranja
COMPOSICION QUIMICA CARBONO (C) HIDROGENO (H) NITROGENO (N)
Naranja 68.9 1.02 0.87
Fuente: Autor
Para la obtención de la biomasa fue necesario repetir el proceso anteriormente
nombrado siete (7) veces, debido a que de un total de 7 kg de cascara de naranja
se obtuvo aproximadamente 1,05 kg de carbón, demostrando de esta manera una
reducción en la masa de un 85%. Una vez obtenido se pulveriza con el fin de
reducir el tamaño de grano de la biomasa lo máximo posible para iniciar con el
proceso de cementación.
7.3. PREPARACION DEL PROCESO DE CEMENTACION
Una vez adquiridos los discos y la biomasa se continuó con el proceso de la
preparación de las cajas para la cementación. Allí se decidió verter el carbón de la
36
cascara de naranja y seguido de esto introducir los discos de tal manera que no
tuvieran contacto con la base metálica de la caja ni con sus paredes.
Se introdujeron 5 discos de manera vertical cada uno de estos con una separación
aproximadamente de más o menos 2 cm de distancia el uno del otro, ya
introducidos los discos se adiciono carbón de tal manera que llenó la caja
cubriendo los discos completamente Figura 23.
Figura 23. Caja con la biomasa cementante y los discos.
Fuente: Autor
Una vez culminado el paso anteriormente nombrado se procedió a cerrar la caja
para cementar utilizando nuevamente la mezcla homogénea de 500 g de arcilla,
500 g de caolín, 80 ml de melaza y 120 ml de agua con el fin de aislar una vez
más el contenido en el interior de la caja con el contacto del ambiente exterior,
dejando secar la mezcla por un total de 15 horas como se observa Figura 24 para
luego depositar la caja en el horno de tratamientos térmicos. Una vez allí, la
cementación se trabajó a una temperatura de bajo las condiciones de la Tabla 7.
Figura 24. Caja sellada.
Tabla 7. Parámetros de la cementación
37
PARAMETROS DE LA CEMENTACION
Temperatura
máxima (°C)
Tiempo de
subida
(Horas)
Tiempo de
sostenimiento
(Horas)
970 °C 1.5 horas 8.5 horas Fuente: Autor
Ya transcurrido este tiempo se extrajo la caja del horno con el fin disminuir la
temperatura como se observa en la Figura 25 exponiendo la caja a temperatura
ambiente para la extracción de los discos cementados.
Figura 25. Periodo de carburización.
Fuente: Autor
7.4. POST- TRATAMIENTOS A LA CEMENTACION
Ya obtenidos los discos cementados se continuo con la realización de los
procesos de tratamientos térmico posteriores a la carburización. Para esto se
emplearon los parámetros nombrados seguidamente registrados en la Tabla 8.
Tabla 8. Parámetros de tratamientos térmicos posteriores a la cementación.
PARAMETROS DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS POSTERIORES A LA CEMENTACIÓN
Disco Tratamiento térmico Medio de
enfriamiento
Temperatura
máxima (°C)
Tiempo de
subida
(minutos)
Tiempo de
sostenimiento
(Minutos)
II Templado Agua 800°C 30 min. 50 min.
38
III Templado Aceite 10W30 800°C 30 min. 50 min.
IV Revenido Medio ambiente 400°C 30 min. 50 min.
V Revenido Medio ambiente 400°C 30 min. 50 min.
Fuente: Autor
7.5. MEDICION DE DUREZAS.
En la medición de las durezas se empleó el durómetro HB RVU nombrado
anteriormente en el documento, caracterizado por su uso en la escala Rockwell B
y Rockwell C dependiendo de las características del acero a evaluar. En el registro
de las durezas se realizaron un total de 9 indentaciones a una distancia de 8 mm
(Figura 26) a lo largo del disco en sus dos caras, con el fin de obtener un
promediado aproximado de datos.
Figura 26. Distancia entre indentaciones a lo largo del disco.
Fuente: Autor
7.6. ENSAYO DE DESGASTE.
Este ensayo fue llevado a cabo en la maquina “pin on disk” la cual maneja una
esfera de Dióxido de Zirconio (ZrO2), aplicando una carga de 50 N durante un
periodo de 50 minutos realizándose 4 veces por las dos caras del disco con
diámetros respecto al centro de 10mm, 24mm, 40mm, 58mm como se observa en
la Figura 27. Cabe resaltar que para este tipo de ensayos las superficies de los
39
discos deben estar completamente libres de aceites, lubricante o cualquier otro
tipo de sustancia o fluido el cual pueda influir en el desgaste del ensayo.
Figura 27. Diámetro de los surcos originados por los ensayos de desgaste.
Fuente: Autor
A continuación se muestra la tabla de frecuencias y RPM utilizada en el ensayo
Tabla 9. Tabla de frecuencias y R.P.M
Tabla de frecuencias y R.P.M.
Diámetro desde el
centro del disco (mm)
Frecuencia utilizada
(Hz)
Revoluciones por
minuto(R.P.M)
10 mm 59.18 325.50
24 mm 34.66 135.63
40 mm 14.80 81.38
58 mm 10.20 52.12
Fuente: Autor.
7.7. REGISTRÓ DE MASA
Para evaluar la pérdida de masa primero fue necesario recolectar información
sobre el peso estimado de los discos posteriores a sus tratamientos térmicos
como se evidencia en la Tabla 10.
40
Tabla 10. Registro de masa en las muestras de acero AISI 1020.
PESO
DISCO TRATAMIENTO MASA (g)
DISCO I Comercial 181,703 g
DISCO II Cementado 183,8739 g
DISCO III Cementado + Templado En Agua 159,2256 g
DISCO IV Cementado + Templado En Aceite 10W30 154,3474 g
DISCO V Cementado + Templado En Agua + Revenido 168,859 g
DISCO VI Cementado + Templado En Aceite 10W30 + Revenido 158,7737 g
Fuente: Autor.
Con el fin de realizar la adecuada comparación entre el peso inicial y el final a
causa del ensayo de desgaste llevado a cabo en la máquina de pin on disk bajo
los parámetros sometidos en la Tabla 9.
7.8. PROCESO METALOGRAFICO
Primordialmente se realizaron cortes transversales en los discos con el fin de
extraer una pequeña pieza de estos (Figura 28) para poder estudiar la
microestructura presentada por los diferentes tratamientos térmicos.
Figura 28. Cortes trasversales en el disco.
Fuente: Autor.
41
Una vez obtenido el fragmento de acero se procedió a realizar un
encapsulamiento en resina fría como se muestra en la Figura 29 para
posteriormente continuar con el proceso de pulido de las piezas.
Figura 29. Encapsulamiento en resina fría de la pieza extraída.
Fuente: Autor.
7.9. PULIDO Y ATAQUE QUIMICO
Para el proceso de pulido se empleó la pulidora metalográfica de la Figura 8 con el
fin de obtener una superficie completamente lisa libre de rayas o partículas las
cuales puedan influir con la obtención de las imágenes metalográficas. Para esto
se decidió empezar con una lija de grano 80, pasando por una línea de 120, 220,
320, 400, 600,1000 y 2000 obteniendo con esta última una superficie uniforme y
sin planos.
Finalmente una vez llegado a la lija 2000 se empleó el uso de alúmina liquida para
obtener un acabado superficial altamente pulido por medio de un paño el cual
también fue empleado en la maquina pulidora.
Una vez obtenidas las superficies altamente pulidas se procedió con el ataque
químico el cual consistió en un proceso de corrosión controlada por medio de una
solución química la cual estaba compuesta de 10g de ácido pícrico, 10 gotas de
ácido clorhídrico (HCl) y 100mL de etanol (95%) o metanol (95%) con el fin de
obtener mejores resultado al revelar las imágenes en el microscopio.
42
8. RESULTADOS
8.1. DUREZAS SUPERFICIALES
A continuación se evidencia los resultados obtenidos en durómetro (Tabla 11) con
el fin de observar los cambios de dureza presentados en las superficies de cada
uno de los discos tratados térmicamente, cabe resaltar que para esta comparación
no se tuvo en cuenta el disco en estado comercial debido a que su dureza es tan
baja que solo puede ser medida de HRB.
Tabla 11. Registro de ensayos de macrodureza en las muestras de acero AISI 1020 tratados térmicamente.
Macrodurezas
Numero de disco Tratamiento térmico Durezas
HRC
Disco 2 Cementado 30,83
Disco 3 Cementado y templado en agua 64,56
Disco 4 Cementado y templado en aceite 10W30 58
Disco 5 Cementado, templado en agua y revenido 47,8
Disco 6 Cementado, templado en aceite 10W30 y revenido 42,22
Fuente: Autor
No obstante por otro lado se obtiene que la dureza del disco 6 el cual se
encuentra en estado comercial es claramente inferior (Tabla 12) comparándola
con los tratamientos térmicos realizados posteriormente en el acero 1020.
Tabla 12. Registro de ensayo de macrodureza HRB acero AISI 1020 en estado comercial.
Numero de disco Tratamiento térmico Durezas
HRB
Disco 1 AISI 1020 Comercial 78.61
Fuente: Autor
De la Tabla 12 mostrada anteriormente se extrajo el Figura 30 en el cual se puede
evidenciar que el disco que presento mayor dureza fue aquel que se encuentra
cementado y templado en agua.
43
Figura 30. Análisis de durezas después del tratamiento térmico.
Fuente: Autor
8.2. MICRODUREZAS
La microdureza obtenidas con el microdurometro NOVOTEST TB-MCV-1 se
presentan a continuación en la Tabla 13 en donde se realizó un total de 5
indentaciones sobre la capa cementada en cada uno de los discos incluyendo a
su vez el que se encuentra en estado comercial.
Tabla 13. Registro de ensayo de Microdureza HV.
MICRODUREZA
Numero indentaciones DISCO I
(ESTADO COMERCIAL)
DISCO II (CEMENTADO)
DISCO III (CEMENTADO Y TEMPLADO
EN AGUA)
DISCO IV (CEMENTADO Y TEMPLADO EN ACEITE 10W30)
DISCO V (CEMENTADO TEMPLADO Y REVENIDO EN
H2O)
DISCO VI (CEMENTADO TEMPLADO Y REVENIDO EN
ACEITE 10W10)
1 152.2 273.7 764.5 420.9 510.8 420,9
010203040506070
Cementado,templado en
agua y revenido
Cementado ytemplado en
agua
Cementado ytemplado enaceite 10W30
Cementado,templado en
aceite 10W30 yrevenido
Cementado
Du
reza
HR
C
Tratamiento termico
Durezas HRC
44
2 149.1 280.8 722.4 398.1 513 398,1
3 150.5 286.6 805 402.5 520.3 402,5
4 144.5 282.8 768.5 404 500.4 404
5 156.7 279.6 756.8 411.1 426.4 411.5
Fuente: Autor
8.2. PREDIDAS DE MASA.
Después de realizar el ensayo de desgaste en la máquina de pin on disk se
evidencio una pérdida de masa estimada como se muestra a continuación en la
Tabla 19, con el fin de estudiar y evaluar el comportamiento mecánico de cada
uno de los discos sometidos a los diferentes tratamientos térmicos incluyendo a su
vez el mismo acero en estado comercial (Figura 26).
Tabla 14. Registro pérdida de masa posterior al ensayo de desgaste en la maquina pin on disk.
PERDIDA DE MASA
NUMERO
DE DISCO TRATAMIENTO TÉRMICO
PERDIDA EN
GRAMOS (g)
DISCO 1 Comercial 0,0224
DISCO 2 Cementado 0,0358
DISCO 3 Cementado y templado en agua 0,0517
DISCO 4 Cementado y templado en aceite 10W30 0,0331
DISCO 5 Cementado, templado en agua y revenido 0,0245
DISCO 6 Cementado, templado en aceite 10W30 y revenido 0,0061
Fuente: Autor
De los datos adquiridos anteriormente se evidencia en la Figura 31 que el disco
cementado y templado en agua a pesar de ser el más fuerte fue aquel que mayor
presento pérdida de masa debido al ensayo de desgaste, esto quiere decir que el
acero sometido bajo este parámetro de cementado y templado.
Figura 31. Análisis pérdida de masa en los discos después de ser sometidos al ensayo en la maquina pin on
disk.
45
Fuente: Autor
8.3. MICROGRAFIAS.
A continuación se muestran las imágenes adquiridas por medio de la microscopia
óptica para el análisis metalográfico después del ataque químico con el fin de
observar el comportamiento microestructura de cada uno de los diferentes discos
con sus respectivos procesos térmicos. El conjunto de imágenes estará constituido
por cada una de las muestras recolectadas con sus respectivos aumentos, en este
caso se manejaron aumentos de 5X , 10X, 20X, 50X y 100X siendo por ente este
último como el más alto empleado la adquisición de las imágenes en el
microscopio.
La Tabla 15 servirá como referencia para una mejor orientación en cuanto a la
visualización de las imágenes obtenidas en la metalografía.
Tabla 15. Tabla de aumentos en el microscopio
AUMENTOS UNIDAD DE MEDIDA
EQUIVALENTE
IMÁGENES
5X 200 μm A-F-K-P-U
10X 100 μm B-G-L-Q-V
20X 50 μm C-H-M-R-W
50X 20 μm D-I-N-S-X
100X 10 μm E-J-O-T-Y
46
Fuente: Autor
La Figura 32 muestra la microestructura del acero AISI 1020 en estado comercial,
allí se puede observar un gran contenido de ferrita junto con pequeñas colonias de
perlita.
Figura 32. Metalografía acero AISI 1020 comercial.
47
Fuente: Autor
48
El disco 2 presenta un aumento importante de perlita en la capa superficial del
disco como se observa en la Figura 33.
Figura 33. Metalografía acero AISI 1020 cementado.
U V
W X
Y
Fuente: Autor.
49
El disco 3 representado en la Figura 34 presenta en su totalidad martensita debido
al enfriamiento rápido llevado por medio del agua.
Figura 34. Metalografía acero AISI 1020 cementado y templado en agua.
F G
H I
J
Fuente: Autor.
50
El disco 4 de la Figura 35 el cual se encuentra cementado y templado en aceite
10W30 al igual que en el disco 2 presenta una microestructura matensitica debido
al temple realizado.
Figura 35. Metalografía acero AISI 1020 cementado y templado en aceite 10W30.
K L
M N
O
Fuente: Autor.
51
El disco 5 debido al temple en agua y revenido presenta una microestructura de
martensita revenida no obstante esta es posible ver a mayor detalle a 100X como
se observa en la Figura 36.
Figura 36. Metalografía acero AISI 1020 cementado, templado en agua y revenido.
A B
C D
E
Fuente: Autor
52
En el templado en aceite 10w30 y revenido del disco 6 es comúnmente encontrar
al igual que en el disco 1 un contenido de martensita revenida como se observa en
la Figura 37 a 100X.
Figura 37. Metalografía acero AISI 1020 cementado, templado en aceite 10W30 y revenido.
P Q
R S
T
Fuente: Autor.
53
8.4 PROFUNDIDAD DE CAPAS OBTENIDAS EN LA CEMENTACION
La Tabla 16 Presenta la profundidad adquirida en las capas cementadas seguida
de los tratamientos térmicos realizados posteriormente. Para esto fue necesario
realizar un total de 7 medidas a lo largo de las superficies de cada disco hasta la
región media de la transición con el fin de obtener un promedio aproximado para
su debida comparación.
Tabla 16. Profundidad alcanzada por la capa cementada bajo los diferentes tipos de tratamientos térmicos
realizados posteriormente a la cementación.
DISCO TIPO DE TRATAMIENTO PROFUNDIDAD ALCANZADA POR LA
CAPA CEMENTADA
II Cementado 725.53 μm
III Cementado, templado en agua 419.20 μm
IV Cementado, templado en aceite 10W30 582.08 μm
V Cementado, templado en agua y revenido 373.10 μm
VI Cementado, templado en aceite 10W30 y
revenido 476.01 μm
Fuente: Autor.
9. ANALISIS DE RESULTADO
Las Figura 34 y Figura 35 corresponden a los discos 3 y 4 los cuales fueron
cementados y templados una en agua y el otro en aceite, estos poseen una
microestructura martensítica la cual se evidencia con contornos definidos de grano
junto con una especie de ¨agujas¨ alargadas y secciones de granos de ferrita
debido al tratamiento térmico realizado posteriormente a la cementación.
Figura 38. Comparación entre los Discos 3 y 4.
54
Disco 3 Disco 4
Fuente: Autor.
No obstante el Disco 3 presenta una microestructura martensítica gracias a la
descomposición rápida de la austenita llegando a alcanzar una dureza de 64.56
HRC, mientras que por otra parte el Disco 4 muestra este mismo comportamiento
microestructural debido al temple realizado en aceite junto pero presentando una
dureza inferior de 58 HRC, esto se debe a la falta de transformación
completamente de la austenita en el temple, formando de esta manera regiones
blancas las cuales se identifican como austenita retenida debido al lento
enfriamiento causado por el aceite 10W30.
Aleman [2] ratifica que la formación de martensita está influida principalmente por
la temperatura de temple, el tiempo de mantenimiento y la forma de enfriamiento.
Aclarando de esta manera que si la temperatura de temple es demasiado alta dará
como resultado una estructura martensítica de agujas gruesas, esto mismo ocurre
cuando el tiempo de mantenimiento es demasiado prolongado.
Por otra parte según Perez [21] asegura que la dureza obtenida de un tratamiento térmico dado depende en gran manera de la velocidad del temple, el contenido de carbono y el tamaño de la pieza. No obstante cuando una pieza es templada en aceite la acción del tratamiento no afecta con severidad el acero como a diferencia del agua en la cual el enfriamiento se genera casi de forma inmediata al entrar en contacto con el material. No obstante los aceros con bajo contenido de carbono no reaccionan apreciablemente a los tratamientos térmicos de endurecimiento. El contenido de carbono de un acero puede aumentar hasta alrededor de un 0.6%, arriba de este punto, la dureza puede incrementarse sólo ligeramente, debido a que los aceros eutectoides están compuestos enteramente de perlita y cementita en la condición
55
de recocido. La perlita reacciona mejor a las operaciones de tratamiento térmico; cualquier acero compuesto por perlita principalmente puede transformarse en un acero duro. El Disco 2, presenta una microestructura perlítica en la capa originada por la
cementación con una profundidad de aproximadamente 725.52 μm como se
observa en la imagen Y de la Figura 37 adquiriendo una dureza de 30,83 HRC.
Este tipo de microestructura se crea a partir de la transformación isotérmica de la
austenita seguido del enfriamiento lento de esta misma. Un resultado similar se
puede evidenciar en la investigación realizada por Supriyono [8] en la cual divide
en tres la microestructura obtenida después de la cementación en las cuales
hacen referencia a la capa cementada en la región externa del disco, zona de
transición y el núcleo el cual se encuentra en la parte interna de este.
No obstante el autor identifica las tres sub zonas las cuales son llamadas
hipereutectoides donde presenta perlita y cementita, eutectoides la cual posee una
microestructura perlítica e hipoeutectoides en la cual se observa ferrita y perlita,
siendo estas las transiciones las cuales posee la capa cementada (Figura 39).
Figura 39. Microestructuras de la zona del caso: (a) Subzona hipoeutectoides, (b) Subzona eutectoide, (c)
Subzona hipereutectoides
Fuente: Supriyono [8].
En la Figura 32 se observa la microestructura correspondiente de acero de bajo
carbono AISI 1020 en estado comercial, evidenciando un gran contenido de ferrita
la cual se presenta como la parte blanca y pequeñas colonias de perlita siendo
estas de color negro en la figura anteriormente nombrada.
56
Figura 40. Fragmento extraído de la Figura 32 aceros AISI 1020 en estado comercial a 20X.
Fuente: Autor.
En los Discos 5 y 6 los cuales son mostrados en las Figuras 36 y 37, se llevó a
cabo un revenido con el fin de aliviar las tensiones internas generadas por la
martensita obtenida después del temple, aumentando la ductilidad de las piezas y
disminuyendo su dureza siendo estas de 47,8 HRC para el templado en agua y
revenido y 42,22 HRC para el templado en aceite y revenido.
Según Aleman [2] el cual realizó un revenido haciendo variaciones en dicho proceso a
una temperatura la cual oscila entre 150°C-200°C, demuestra que no afecta
sensiblemente a la dureza y ratifica como se nombró anteriormente el alivio de las
tensiones de temple, a su vez aclara que el acero se hace menos sensible al
envejecimiento ya que parte de la austenita residual se transforma en martensita y
bainita. Por otra parte realizando una comparación de las durezas registradas por
Aleman [2] presentadas en la Tabla 17 de las muestras 2, 3, 4, 6 y 7 se evidencia
que estas son las más semejantes a los resultados obtenidos en la Tabla 11,
registrando la poca variación presentada debido a los cambios de parámetros en
el revenido realizado por dicho autor.
Tabla 17. Durezas adquiridas en el revenido
Muestra TEMPERATURA DE REVENIDO
(°C )
TIEMPO DE REVENIDO (MINUTOS)
DUREZA HRC
2 150 30 42.2
3 150 30 42.0
4 150 30 48.4
6 150 30 46.1
7 150 30 48.2
57
Fuente: Aleman [2].
No obstante después del revenido se obtiene una microestructura de martensita
revenida (Figura 41), esta posee partículas pequeñas de cementita dentro de una
matriz ferritica continua y uniformemente dispersa la cual suele ser menos tenaz
que la martensita y con una menor dureza, causando de esta manera una
disminución de la dureza y resistencia mecánica en el acero, a pesar de que estos
dos factores se ven reducidos se incrementa la resistencia al impacto y ductilidad.
Figura 41. Figura comparativa de los Discos 5 y 6 a 100X.
Disco 5 Disco 6
Fuente: Autor.
Por otra parte las pérdidas de masa llevada a cabo por el ensayo de desgaste
adhesivo (Tabla 14) evidencian que el Disco 3 el cual se encuentra cementado y
templado en agua fue el que mayor presento desprendimiento de material siendo
esta de 0,0517 g debido a la microestructura creada a partir del tratamiento
térmico convirtiéndolo en un acero de alta dureza pero a su vez fragilizándolo. Por
otra parte el Disco 6 el cual se encuentra cementado, templado en aceite 10W30 y
revenido presento una pérdida de 0,0061 g siendo por ende este último el que
mejor presenta propiedades de resistencia al desgaste.
58
CONCLUSIONES.
En la adquisición del carbón vegetal a partir de la cáscara de Naranja requiere de una temperatura próxima de 500°C con una permanencia en el horno de 4 horas 30 minutos evidenciando que para un total de 7 kg de cascara se obtuvo aproximadamente 1,05 kg de carbón, demostrando de esta manera una reducción del 85% de masa.
La realización de tratamientos térmicos posteriores a la cementación demostró un aumento significativo en la dureza superficial de los aceros, como es el caso del disco cementado que alcanzó una dureza promedio de 31 HRC, y durezas promedio de 65 HRC y 58 HRC en aquellos casos donde fue realizado tratamiento térmico de temple en agua y aceite.
A nivel microestructura el disco cementado presento un mayor grosor de capa siendo de 725,52 μm, no obstante los tratamientos térmicos realizados posteriormente a la cementación demostraron una disminución gradual de campa oscilando en un rango de 582,01 μm a 372,07 μm para aquellas muestras las cuales fueron sometidas a temples y revenidos.
El ensayo de desgaste adhesivo revelo que el acero templado en agua presento en mayor medida una pedida de material siendo esta de 0,0517 g debido a que mediante el proceso de tratamiento térmico el cambio microestructura hace que se creen esfuerzos residuales los cuales incrementan la dureza, por otra parte el disco templado en aceite y revenido presento una pérdida de material de 0,0061 g mejorando la resistencia al desgaste ya que por medio del revenido se liberan en parte los esfuerzos residuales originados por el temple quedando el acero con una dureza intermedia.
59
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