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cementacion liquida en aceros
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PROYECTO DE SEMINARIO DE TESIS
SEMINARIO DE TESIS
Dr. Ing. ALCÁNTARA ALZA, Víctor Manuel
X
UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLOFACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA ACADÉMICO PROFESIONAL DE INGENIERÍA MECÁNICA
CURSO:
DOCENTE:
CICLO:
INTEGRANTES:
AYALA DIONICIO, NelsonCARBONEL SALINAS, EderMIO PUERTA, FreddyMOYA DELGADO, GustavoPESANTES LEON, DanielSILVA TAPIA, Jesús
Trujillo, Octubre de 2014
0
I. GENERALIDADES
Título:
ANÁLISIS DE LOS PARÁMETROS DE CEMENTADO LÍQUIDO EN EL DESGASTE
ADHESIVO DEL ACERO AISI 8620 EMPLEADO EN LOS ENGRANES.
I.1. Autores
AYALA DIONICIO, Nelson
CARBONEL SALINAS, Eder
MIO PUERTA, Freddy
MOYA DELGADO, Gustavo
PESANTES LEON, Daniel
SILVA TAPIA, Jesús
I.2. Asesor
Apellidos y Nombres: ALCANTARA ALZA, Víctor Manuel.
Título Profesional: Ingeniero Mecánico
Grado Académico: Doctor
Departamento Académico: Ingeniería Mecánica
II. PLAN DE INVESTIGACIÓN
II.1. Realidad Problemática
Los aceros de muchos componentes, tales como levas, engranajes y ejes son aleaciones a base de hierro
con propiedades que los hace diferentes de los aceros de carbono simple, debido a la presencia de
elementos de aleación. Ellos pertenecen a un gran grupo de aceros, que bajo tratamientos térmicos,
exhiben, alta dureza y alta resistencia al desgaste con respecto a otros tipos de acero. [1]
En servicio, la mayoría de las herramientas están sometidas a cargas extremadamente altas que se
aplican rápidamente, debiendo soportarlas un gran número de veces sin romperse y sin sufrir desgaste
o deformación. En muchas aplicaciones, los aceros para herramientas deben proporcionar esta
capacidad, en condiciones de altas temperaturas.
Ningún material de una herramienta simple combina propiedades de máxima resistencia al desgaste,
dureza y resistencia al reblandecimiento a temperaturas elevadas. Por consiguiente, la
selección del material de la herramienta adecuada para una aplicación dada a menudo requiere una
compensación para lograr la combinación óptima de estas propiedades. [2]
En las aplicaciones de trabajo en caliente, son muchas la demanda de propiedades a elevadas
temperaturas que deben tener estos aceros; y estas propiedades son necesarias para poder resistir
los altos niveles de tensiones térmicas y mecánicas a los que se les somete. El Carácter de la
microestructura y las propiedades mecánicas de los aceros para trabajos en caliente se determinan
principalmente por el tratamiento térmico y los procesos de aleación. Estos dos procesos son
complementarios para su producción. Así tenemos, que la vida útil de las matrices en las aplicaciones de
procesos de forja, esta normalmente limitada por el desgaste en caliente, agrietamiento brusco y
deformación plástica. Una condición para la consistencia y alto nivel de rendimiento de estas
herramientas, es el uso de propiedades que se caracterizan por: su alta e isotrópica ductilidad y
tenacidad a elevadas temperaturas, alta templabilidad para asegurar las propiedades en piezas de
grandes dimensiones, elevadas propiedades de resistencia térmica, gran capacidad de mantener la
dureza y resistencia mecánica a elevadas temperaturas y tener una buena conductividad térmica.[3]
Las condiciones de servicio de muchos componentes de acero, tales como levas, engranajes y ejes hacen
que sea necesario para que ellos posean tanto dureza, desgaste superficies resistentes y al mismo tiempo,
los núcleos duros, resistentes deben ser tenaces. En los aceros al carbono simple estos dos conjuntos de
propiedades existen sólo en aleaciones de contenido de carbono diferente. Por ejemplo, en aceros de bajo
carbono, que contiene aproximadamente 0,1 % C, será tenaces pero suaves, mientras que en los aceros
de alto contenido de carbono de más de 0,8 % C serán duros con un adecuado tratamiento térmico pero
también relativamente frágiles. La mejor situación se puede cumplir mediante el empleo de un acero de
bajo carbono con propiedades núcleo adecuados ya sea de carbono o de nitrógeno para penetrar a una
profundidad regulada para producir una potencialmente piel de superficie dura como en los principales
procesos de endurecimiento superficial de cementación y nitruración . Alternativamente un acero medio
carbono se puede utilizar, tratado térmicamente para producir propiedades básicas deseables y la dureza
local en la superficie y luego introdujo por uno de los procesos de endurecimiento por llama o por
inducción de endurecimiento. En el primer caso el material endurecible se localiza, mientras que en el
segundo caso, es el tratamiento térmico mismo que se localiza. Rápida penetración de la superficie de
acero sólo puede ser efectiva si el elemento de soluto se disuelve intersticial. Este es el caso con los
elementos utilizados, a saber. Carbono, nitrógeno [4]
El desgaste en un engranaje depende del material del mismo, de la forma del perfil del diente, del
acabado superficial, de la lubricación y de la mayor o menor fuerza de roce entre las superficies de los
dientes. Se producen cavidades por el escoriado del material por falla por fatiga y la acumulación de
material debido al material blando arrastrado. Por lo tanto el esfuerzo límite por desgaste está
determinado por el límite de fatiga del material, por la forma del perfil del diente y por la dureza relativa
de las superficies en contacto. Cuando dos ruedas que engranan son de materiales diferentes, el más duro
de ellos producirá un endurecimiento mecánico en el más blando, incrementando su límite de fatiga, que
para los aceros parece aumentar en proporción directa con la dureza Brinell. El piñón debe ser siempre
más duro, para permitir el endurecimiento mecánico de la rueda, para preservar el perfil de envolvente,
para permitir el mayor desgaste abrasivo en el piñón, y para disminuir la posibilidad de engranamiento.
[5]
El tratamiento térmico en los aceros es uno de los pasos fundamentales para que pueda alcanzar las
propiedades mecánicas para las cuales está siendo creada la pieza. Este tipo de proceso consiste en el
calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado sólido para cambiar sus propiedades físicas. Con
el tratamiento térmico adecuado se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamaño del grano,
incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un interior dúctil. [6]
Con el tratamiento termoquímico de cementación se aumenta la dureza superficial de las piezas dejando
el núcleo más blando y tenaz, se disminuye el rozamiento aumentando el poder lubrificante, se aumenta
la resistencia al desgaste, se aumenta la resistencia a fatiga, se aumenta la resistencia a la corrosión. [7]
Sus principales ventajas son: eliminación de oxidación, profundidad de la superficie dura y contenido de
C uniformes y gran rapidez de penetración; si bien posee ciertas desventajas como son: lavado de las
piezas posterior al tratamiento para prevenir la herrumbre, revisión de la composición del baño en forma
periódica y alta peligrosidad de las sales de cianuro, dado que estas son venenosas. Para pequeños
espesores este procedimiento es mucho más rápido que la cementación con materias sólidas, y es
también más sencillo. La cementación con sales tiene la ventaja de que las instalaciones son sencillas y
baratas. El precio del horno de sales suele ser menor que el de cualquier otro tipo de horno. Se utilizan
generalmente baños de sales a base de cloruro sódico, con porcentajes variables de cloruro de carbonato
sódico a los que se añade uno o más cloruros o fluoruros de bario, potasio, calcio o estroncio que actúan
como agentes catalíticos aumentando notablemente la penetración de carbono, y con ello la profundidad
de la capa dura que puede variar desde 0.2 a 3 mm. [8]
Por lo tanto es necesario para la construcción de los engranajes un acero con alta dureza superficial y
elevada tenacidad en el núcleo, siendo el material base el acero comercial AISI 8620, usado con más
frecuencia en la construcción de los mismos, recomendándose para el estudio a realizar por ser tenaz en
el núcleo debido a su bajo contenido de carbono (0.18 % C), en el cual se procederá a un cementado
liquido con baño de sales, aumentando su dureza superficial dejando el núcleo tenaz y así estudiar las
propiedades mecánicas y de desgaste adhesivo en el mismo.
II.2. Enunciado del Problema de Investigación
¿Cómo influyen los parámetros de temperatura y tiempo de cementado líquido en las propiedades
mecánicas y de desgaste adhesivo del acero AISI 8620 usado en la fabricación de engranajes?
II.3. Hipótesis
Al someter el acero a diversas temperaturas y tiempos en un baño de sales para cementado líquido, se
fomentara por difusión la capa cementada que estará formada por carburos, nitruros, carbonitruros y/o
nitrocarburos que le darán una mayor resistencia al desgaste manteniendo el núcleo tenaz.
II.4. Justificación
El proyecto de investigación, es justificable por las siguientes razones:
Carencia de información precisa y/o detallada respecto a propiedades mecánicas y de desgaste
adhesivo que justifiquen el acero AISI 8620 para la construcción de engranajes.
Mediante la caracterización de los materiales utilizados bajo condiciones preestablecidas de
tratamiento térmico se dará un aporte tecnológico de valor útil para el diseño y fabricación de
engranajes con el acero AISI 8620.
Optimizar los parámetros de tratamiento térmico más adecuado, como es la elección correcta de la
temperatura y el tiempo, que garantice la obtención de mejores propiedades mecánicas para los
diversos usos de este acero.
II.5. Objetivos
2.5.1 Objetivo general:
Endurecer la capa superficial del acero AISI 8620 utilizado en la fabricación de engranajes y
elevar su resistencia contra el desgaste y tener un núcleo tenaz apto para resistir deformaciones.
2.5.2 Objetivos específicos:
Encontrar la temperatura y el tiempo adecuado para el proceso de cementado líquido en el acero
AISI 8620.
Comparar la resistencia al desgaste del acero AISI 8620 respecto a los aceros tradicionales
usados para cementación.
Fomentar la precipitación de carburos nitruros y carbunitruros que proporcionen una mayor
resistencia al desgaste.
Estudiar la microestructura y constituyentes de la capa de cementación y observar su estructura
tamaño y profundidad.
2.6. Antecedentes
[9] A.Calik 2009. Las piezas de prueba utilizadas en ensayos de micro dureza se cortaron a 2 mm de
diámetro y 30 mm de longitud y recocidas en 900 K para10 h para eliminar posibles tensiones
residuales antes de maquinar el espécimen. Las muestras fueron tratadas por dos métodos de
tratamiento termoquímico: boronizado y carboronizado. El boronizado de los aceros se logró en un
medio sólido mediante el método del paquete de polvo. En este método, una fuente de boro de
Ekabor-II comercial y un activador, Fe–Si se mezclaron a fondo para formar el medio de
boronizante. Las muestras de prueba fueron empacadas con el medio boronizado y calentadas en un
horno de resistencia eléctrica por 4 h a 1210 K bajo la presión atmosférica. El tratamiento de
carburación se llevó a cabo bajo la misma temperatura y por la misma duración, utilizando grafito
como medio de carburación. Se midió el espesor de la capa de difusión como 5-6 µm y 55–65 µm
para los aceros AISI 8620 carburados y boronizados, respectivamente y la dureza de la capa de
difusión fue encontrada ser mucho más alta que el de la matriz para ambos aceros carburados y
boronizados. Aumenta la pérdida de peso con el incremento del tiempo de prueba. Hay una relación
lineal entre dureza y características del desgaste de aceros AISI 8620.
[10] Xiaolan Wang en 2008, realizo un estudio en barras de acero AISI 8620 cilíndricas se
obtuvieron en condición de laminado en caliente. Las barras se normalizaron a 900 º c durante 4
horas. Discos de 3,125 cm de diámetro y 0,8 cm de grueso con un agujero de 2mm de diámetro
cerca del borde fueron maquinados de la barra. La superficie de la muestra es el suelo utilizando
papel 240 grit Sic para crear una superficie estándar, y la aspereza de la muestra es medida por UBM
Escaner Láser Microscópico. Las muestras se colocaron en un ambiente controlado de 25℃ y 80%
de humedad para formar oxidación. Los tiempos que han sido elegidos son 30 días, 7 días, 3 días y 1
día. Las muestras que fueron pulidas, son divididas en tres grupos: como pulidas, oxidación-no-
limpiada y oxidación limpiada. Las muestras fueron carburadas dentro del mismo lote para asegurar
la misma condición de carburación; el lote fue enfriado en aceite mineral y templado. Al comparar
las muestras como pulidas y oxidación no limpiada, puede estudiarse el efecto de la oxidación en la
carburación de gas. Los resultados se resumen a continuación:
La dureza superficial (Rc) no mostró una diferencia significativa entre la muestra fuertemente
oxidada y muestra limpia
Limpieza ácida puede quitar con eficacia la capa de óxido. Ácido clorhídrico: 50 vol % HCl
es utilizado.
El Coeficiente de transferencia de flujo y la masa de carbono es menor debido a la capa de
óxido para la muestra fuertemente oxidada.
[11] Ortiz Cardena. (2011). Estudio la dureza efectiva en capa cementada en Probetas de acero
cilíndricas AISI 1020 y 8620. Después de haber realizado el cementado y a lo largo de toda la
longitud se rectificó el diámetro a una profundidad promedio de 0.1mm cada 10mm de longitud. El
procedimiento para la toma de dureza se hizo según la norma ASTM E18-05-1 para durezas Rocwell,
las identificaciones se hicieron en diferentes partes de la superficie maquinada, se realizaron 5
tomas de durezas Rocwell superficial 15N en cada capa. Luego realizo un análisis metalográfico con
el fin de complementar los datos obtenidos a través de ensayo de dureza, se hizo mediante la técnica
tradicional de pulido hasta superficie espejo y posterior ataque químico para revelar la
microestructura, el reactivo utilizado fue Nital al 0.5%, las muestras templadas se cortaron con
disco diamantado, antes de realizarle el rectificado posterior de cada capa. La dureza promedio
obtenida para el acero 8620 es de 89.85 HR15N (58.5HRC) y para el 1020 es de 91 HR15N (62
HRC); en ambos casos se puede atribuir entonces una transformación mínimo de 95% martensita y
con un contenido de carbono mínimo de 0.7% de carbono.
III. MARCO TEÓRICO
3.1. Los aceros [12]
El Acero es básicamente una aleación o combinación de hierro y carbono (alrededor de 0,05% hasta
menos de un 2%). Algunas veces otros elementos de aleación específicos tales como el Cr (Cromo) o Ni
(Níquel) se agregan con propósitos determinados.
Ya que el acero es básicamente hierro altamente refinado (más de un 98%), su fabricación comienza con
la reducción de hierro (producción de arrabio) el cual se convierte más tarde en acero.
El hierro puro es uno de los elementos del acero, por lo tanto consiste solamente de un tipo de átomos.
No se encuentra libre en la naturaleza ya que químicamente reacciona con facilidad con el oxígeno del
aire para formar óxido de hierro - herrumbre. El óxido se encuentra en cantidades significativas en el
mineral de hierro, el cual es una concentración de óxido de hierro con impurezas y materiales térreos.
3.1.1 Clasificación: [13]
3.2. Aceros al Carbono [14]
Los aceros al carbono constituyen el más importante grupo de materiales utilizados en la ingeniería y
en la industria. De hecho las propiedades mecánicas de esos aceros simplemente al
carbono, sin ningún elemento de aleación, y en la mayoría de los casos también sin ningún
Aceros de construcción:
Aceros de uso general:
Aceros cementados
Aceros para temple y revenido
Aceros inoxidables o para
usos especiales
Aceros para herramientas de
corte y mecanizado
Aceros rápidos
Aceros no aleados
Aceros aleados
Aceros inoxidables
Aceros no aleados, o aceros
al carbono:
Aceros de baja aleación
(elementos aleantes < 5%)
Aceros de alta aleación
(elementos aleantes > 5%)
Por su Uso
Por su Calidad
Por su composición química
ACEROS
tratamiento térmico, son suficientes para atender la mayoría de las aplicaciones prácticas. El acero
al carbono, constituye el principal producto de los aceros que se producen, estimando que un 90% de la
producción total producida mundialmente corresponde a aceros al carbono y el 10% restante son aceros
aleados. Estos aceros son también conocidos como aceros de construcción, La composición química de
los aceros al carbono es compleja, además del hierro y el carbono que generalmente no supera el 1%,
hay en la aleación otros elementos necesarios para su producción, tales como silicio y manganeso, y hay
otros que se consideran impurezas por la dificultad de excluirlos totalmente –azufre, fósforo, oxígeno,
hidrógeno. El aumento del contenido de carbono en el acero eleva su resistencia a la tracción,
incrementa el índice de fragilidad en frío y hace que disminuya la tenacidad y la ductilidad.
Como se sabe, los estados normales de utilización de estos materiales son el fundido y el
trabajado. Las piezas fundidas requieren generalmente un tratamiento térmico de recocido o
normalizado para alivio de las tensiones originadas en la solidificación y para homogeneización de la
microestructura. En la fig.II.1 se puede observar el diagrama de equilibrio hierro -carbono y sus
respectivos componentes.
Figura III.1. Diagrama de equilibrio Hierro-Carbono Ref. [15]
3.2.1 Clasificación
Aceros al carbono que se usan en bruto de laminación para construcciones metálicas y para
piezas de maquinaria en general.
Aceros al carbono de baja aleación y alto límite elástico para grandes construcciones
metálicas, puentes, torres, etc.
Aceros al carbono de fácil mecanización en tornos automáticos.
3.3 Aceros aleados [16]
Se da el nombre de aceros aleados a los aceros que además de los cinco elementos: carbono, silicio,
manganeso, fósforo y azufre, contienen también cantidades relativamente importantes de otros elementos
como elcromo, níquel, molibdeno, etc., que sirven para mejorar alguna de sus características
fundamentales. También puede considerarse aceros aleados los que contienen alguno de los cuatro
elementos diferentes del carbono que antes hemos citado, en mayor cantidad que los porcentajes que
normalmente suelen contener los aceros al carbono, y cuyos límites superiores suelen ser generalmente
los siguientes: Si=0.50%; Mn=0.90%; P=0.100% y S=0.100%.
Los elementos de aleación que más frecuentemente suelen utilizarse para la fabricación de aceros aleados
son: níquel, manganeso, cromo, vanadio, wolframio, molibdeno, cobalto, silicio, cobre, titanio, circonio,
plomo, Selenio,aluminio, boro y Niobio.
La influencia que ejercen esos elementos es muy variada, y, empleados en proporciones convenientes, se
obtienen aceros con ciertas características que, en cambio, no se pueden alcanzar con los aceros
ordinarios al carbono.
Utilizando aceros aleados es posible fabricar piezas de gran espesor, con resistencias muy elevadas en el
interior de las mismas. En elementos de máquinas y motores se llegan a alcanzar grandes durezas con
gran tenacidad. Es posible fabricar mecanismos que mantengan elevadas resistencias, aún a altas
temperaturas. Hay aceros inoxidables que sirven para fabricar elementos decorativos, piezas de máquinas
y herramientas, que resisten perfectamente a la acción de los agentes corrosivos. Es posible preparar
troqueles de formas muy complicadas que no se deformen ni agrieten en el temple, etc.
3.3.1 Clasificación
Aceros en los que tiene una gran importancia la templabilidad:
Aceros de gran resistencia, Aceros de cementación, Aceros de muelles, Aceros
indeformables
Aceros de construcción:
Aceros de gran resistencia, Aceros de cementación, Aceros para muelles, Aceros de
nitruración, Aceros resistentes al desgaste, Aceros para imanes, Aceros para chapa
magnética, Aceros inoxidables y resistentes al calor
Aceros de herramientas:
Aceros rápidos, Aceros de corte no rápido, Aceros indeformables, Aceros resistentes al
desgaste, Aceros para trabajos de choque, Aceros inoxidables y resistentes al calor.
3.3.2 Influencia de los elementos de aleación en las propiedades de los aceros
Níquel: Una de las ventajas más grandes que reporta el empleo del níquel, es evitar el
crecimiento del grano en los tratamientos térmicos, lo que sirve para producir en ellos gran
tenacidad. El níquel además hace descender los puntos críticos y por ello los tratamientos
pueden hacerse a temperaturas ligeramente más bajas que la que corresponde a los aceros
ordinarios. El níquel es un elemento de extraordinaria importancia en la fabricación de
aceros inoxidables y resistentes a altas temperaturas, en los que además de cromo se
emplean porcentajes de níquel variables de 8 a 20%.
Cromo: Es uno de los elementos especiales más empleados para la fabricación de aceros
aleados, usándose indistintamente en los aceros de construcción, en los de herramientas, en
los inoxidables y los de resistencia en caliente. Sirve para aumentar la dureza y la resistencia
a la tracción de los aceros, mejora la templabilidad, impide las deformaciones en el temple,
aumenta la resistencia al desgaste, la inoxidabilidad, etc.
Molibdeno: Mejora notablemente la resistencia a la tracción, la templabilidad y la resistencia
al creep de los aceros. Añadiendo solo pequeñas cantidades de molibdeno a los aceros
cromo-níqueles, se disminuye o elimina casi completamente la fragilidad Krupp, que se
presenta cuando estos aceros son revenidos en la zona de 450º a 550º.
El molibdeno a aumenta también la resistencia de los aceros en caliente y reemplaza al
wolframio en la fabricación de los aceros rápidos, pudiéndose emplear para las mismas
aplicaciones aproximadamente una parte de molibdeno por cada dos de wolframio.
El molibdeno se disuelve en la ferrita, pero tiene una fuerte tendencia a formar carburos. Es
un potente estabilizador de los carburos complejos y tiende a retarde el ablandamiento de los
aceros, durante el revenido.
Manganeso: Aparece prácticamente en todos los aceros, debido, principalmente, a que se
añade como elemento de adición para neutralizar la perniciosa influencia del azufre y del
oxígeno, que siempre suelen contener los aceros cuando se encuentran en estado líquido en
los hornos durante los procesos de fabricación.
El manganeso actúa también como desoxidante y evita, en parte, que en la solidificación del
acero que se desprendan gases que den lugar a porosidades perjudiciales en el material. Si
los aceros no tuvieran manganeso, no se podrían laminar ni forjar, porque el azufre que suele
encontrarse en mayor o menor cantidad en los aceros, formarían sulfuros de hierro, que son
cuerpos de muy bajo punto de fusión (981º aprox.) que a las temperaturas de trabajo en
caliente (forja o laminación) funden, y al encontrarse contorneando los granos de acero
crean zonas de debilidad y las piezas y barras se abren en esas operaciones de
transformación. Los aceros ordinarios y los aceros aleados en los que el manganeso no es
elemento fundamental, suelen contener generalmente porcentajes de manganeso variables de
0.30 a 0.80%.
Silicio: Este elemento aparece en todos los aceros, lo mismo que el manganeso, porque se
añade intencionadamente durante el proceso de fabricación. Se emplea como elemento
desoxidante complementario del manganeso con objeto de evitar que aparezcan en el acero
los poros y otros defectos internos. Los aceros pueden tener porcentajes variables de 0.20 a
0.34% de Si.
Se emplean aceros de 1 a 4.5% de Si y bajo porcentaje de carbono para la fabricación de
chapas magnéticas, ya que esos aceros, en presencia de campos magnéticos variables, dan
lugar solo a perdidas magnéticas muy pequeñas, debido a que el silicio aumenta mucho su
resistividad. Mejora ligeramente la templabilidad y la resistencia de los aceros a disminuir la
tenacidad, y en ciertos casos mejora también su resistencia a la oxidación.
3.4 Tratamientos térmicos de los Aceros. [17]
Es uno de los pasos fundamentales para que pueda alcanzar las propiedades mecánicas para las cuales
está creado. Este tipo de procesos consisten en el calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado
sólido para cambiar sus propiedades físicas. Con el tratamiento térmico adecuado se pueden reducir los
esfuerzos internos, el tamaño del grano, incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un
interior dúctil. Los principales tratamientos térmicos son:
Temple: Su finalidad es aumentar la dureza y la resistencia del acero. Par a ello, se calienta el
acero a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior Ac (entre 900-950°C) y
se enfría luego más o menos rápidamente (según características de la pieza) en un medio como
agua, aceite, etcétera.
Revenido: Sólo se aplica a aceros previamente templados, para disminuir ligeramente los efectos
del temple, conservando parte de la dureza y aumentar la tenacidad. El revenido consigue
disminuir la dureza y resistencia de los aceros templados, se eliminan las tensiones creadas en el
temple y se mejora la tenacidad, dejando al acero con la dureza o resistencia deseada. Se
distingue básicamente del temple en cuanto a temperatura máxima y velocidad de enfriamiento.
Recocido: Consiste básicamente en un calentamiento hasta temperatura de austenitización (800-
925 °C) seguido de un enfriamiento lento. Con este tratamiento se logra aumentar la elasticidad,
mientras que disminuye la dureza. También facilita el mecanizado de las piezas al homogeneizar
la estructura, afinar el grano y ablandar el material, eliminando la acritud que produce el trabajo
en frío y las tensiones internas.
Normalizado: Tiene por objeto dejar un material en estado normal, es decir, ausencia de
tensiones internas y con una distribución uniforme del carbono. Se suele emplear como
tratamiento previo al temple y al revenido.
3.5 Tratamientos Termoquímicos en los Aceros [18]
Los tratamientos termoquímicos son tratamientos térmicos en los que, además de los cambios en la
estructura del acero, también se producen cambios en la composición química de la capa superficial,
añadiendo diferentes productos químicos hasta una profundidad determinada. Estos
tratamientos requieren el uso de calentamiento y enfriamiento controlados en atmósferas especiales. Entre
los objetivos más comunes de estos tratamientos están aumentar la dureza superficial de las piezas
dejando el núcleo más blando y tenaz, disminuir el rozamiento aumentando el poder lubrificante,
aumentar la resistencia al desgaste, aumentar la resistencia a fatiga o aumentar la resistencia a la
corrosión.
3.5.1 Tipos
Cementación (C): Aumenta la dureza superficial de una pieza de acero dulce, aumentando la
concentración de carbono en la superficie. Se consigue teniendo en cuenta el medio o
atmósfera que envuelve el metal durante el calentamiento y enfriamiento. El tratamiento logra
aumentar el contenido de carbono de la zona periférica, obteniéndose después, por medio de
temples y revenidos, una gran dureza superficial, resistencia al desgaste y buena tenacidad en
el núcleo.
Nitruración (N): Al igual que la cementación, aumenta la dureza superficial, aunque lo hace
en mayor medida, incorporando nitrógeno en la composición de la superficie de la pieza. Se
logra calentando el acero a temperaturas comprendidas entre 400 ºC y 525 °C
aproximadamente, dentro de una corriente de gas amoníaco, más nitrógeno.
Cianuración (C+N): Endurecimiento superficial de pequeñas piezas de acero. Se utilizan
baños con cianuro, carbonato y cianato sódico. Se aplican entre 750 ºC y 950 °C
aproximadamente.
Carbonitruración (C+N): Al igual que la cianuración, introduce carbono y nitrógeno
en una capa superficial, pero con hidrocarburos como metano, etano o propano, amoníaco
(NH3) y monóxido de carbono (CO). En el proceso se requieren temperaturas de 650 a 850 °C
aproximadamente, y es necesario realizar un temple y un revenido posterior.
Sulfinización (S+N+C): Aumenta la resistencia al desgaste por acción del azufre. El azufre se
incorpora al metal por calentamiento, a la temperatura de 565 °C aproximadamente, en un
baño de sales.
3.6 Cementación
La cementación es un procedimiento por medio del cual un acero de bajo carbono, 0,2% C o menos, se
austenitiza en una atmósfera o en un ambiente rico en C, las condiciones dadas en este procedimiento
permiten que el carbono difunda hacia el interior de la pieza, permitiendo a la austenita disolver altos
porcentajes de éste. La temperatura usual de cementación es cercana a los 950ºC y la profundidad de capa
obtenida por medio de este tratamiento depende del tiempo y de la dureza deseada. Una vez obtenida la
capa exterior rica en C, esta se endurece por temple. Cabe señalar que la cementación en lo posible debe
usarse en aceros en los cuales no pueda crecer mucho el grano y se pueda templar directamente. Un acero
cementado muestra las siguientes características dadas en la tabla 1:
TABLA N°1: Características de un acero cementado
Dureza superficial 50 a 62 HRC
Contenido de C superficial 0.85 - 1%
Espesor característico de capa
Cementada2 - 20 um
Es usual definir el espesor de cementación por la capa con dureza HRC > 50
El tratamiento completo de cementación varía de un acero a otro, por ello existen varios procedimientos,
uno de los cuales es:
Normalizado, previo a la cementación
Cementación, a temperaturas entre 850 y 950°C
Temple. Existen tres tipos de temple:
En agua, los de la serie 10XX y 11XX
En aceite, la gran mayoría, como por ejemplo los de las serie 15XX, 40XX, 4118, 4320
Los de enfriamiento lento, como son los 4320, 48XX, 4720, 8822.
Calentamiento adicional: en un intervalo de 790 a 870°C, para producir difusión adicional del C
y la redistribución de carburos.
Temple en agua o aceite.
Revenido, a temperaturas que oscilan entre 120 y 180°C. [19]
3.6.1 Clasificación [20]
3.6.1.1 Cementación Sólida:
En los procesos de cementación sólida y gaseosa la fuente de carbono es el CO. En la
primera, éste se produce por un componente sólido que reacciona dentro de la caja de
cementación, mientras en la gaseosa, el CO integra el gas cementante producido afuera del
horno. En ambos procesos el C absorbido por el acero se forma por la descomposición del
CO en C y el CO2.
Figura III.2. Cementación Sólida [21]
3.6.1.1.1 Reacciones Químicas
La cementación del acero en un medio cementante sólido como el carbón vegetal,
sin adición de activadores, sólo se puede realizar en presencia de una fase gaseosa
activa, por ejemplo el aire, dentro de la caja de cementar:
Se pueden emplear como activadores, carbonatos de bario, de sodio, de potasio, de
magnesio o de estroncio. La eficacia como acelerantes de la reacción, disminuye
en el orden en que se han citado. El proceso de activación se basa en las dos
reacciones químicas siguientes:
(4)
exotérmica (1)exotérmica (2)
endotérmica (3)
La descomposición de los carbonatos no debe ser brusca, sino progresiva para
que perdure una atmósfera gaseosa de composición constante dentro de la caja,
durante mucho tiempo.
Durante el enfriamiento el óxido formado reacciona otra vez con el CO2, según la
reacción
(5)
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:
(6)
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.
3.6.1.2 Cementación Líquida
Consiste en mantener las piezas por encima de AC3 en un baño de cianuro fundido, de
manera que el carbono difunda dentro del acero y produzca una capa cementada
comparable con la obtenida en la cementación gaseosa, cuando contiene algo de
amoníaco. La cementación líquida debe distinguirse del cianurado, que se realiza en un
baño de alto contenido de cianuro, por el carácter y composición de la capa producida. En el
cianurado la capa es alta en nitrógeno y baja en carbono, y en la cementación es la inversa, el
% de C es mayor al de nitrógeno.
Excepcionalmente se utiliza para obtener capas cementadas de profundidades grandes;
la máxima aplicación práctica es del orden de 4,5mm.
3.6.1.2.1 Reacciones químicas en baños de sales
Existe una cierta discrepancia en las teorías que explican las reacciones que tienen
lugar en un baño de sales. Según Rogiter:
2NaCN + Fe → Na2CN2 + [C]Fe (7)
(cianurazion)
El curso de estas reacciones se estudió sobre la base de ensayos en vacío o en
ausencia de oxígeno. En la práctica no se realizan las cementaciones al abrigo
del aire, y en los baños no activados se oxida primero el cianuro sódico a
cianato,
2 NaCN + O2 = 2 NaCNO (8)
El cianato vuelve a oxidarse
2 NaCNO + O2 = Na2CO3 + CO + N2 (9)
O se descompone por la acción del calor,
4 NaCNO →2 NaCN + Na2CO3 + CO + N2 (10)
El CO formado puede cementar de acuerdo con el equilibrio de Boudouard.
Según las ecuaciones (13) a (15), resultaría perjudicial para la cementación impedir
o dificultar el acceso de oxígeno del aire a los baños no activados, cubriéndolos con
grafito. La práctica lo ha confirmado, pues estos baños cementan peor cuando están
cubiertos. Además, la eficacia de la carburación en los baños no activados depende
de la profundidad de inmersión, siendo máxima inmediatamente por debajo de
la superficie libre.
La reacción en el baño es muy distinta con las sales activadas, que contienen cloruros
de bario o de estroncio, o mezcla de ambos. El cianuro sódico reacciona con estos
cloruros, por ejemplo con el de bario, para formar cianuro
2NaCN + BaCl2= Ba(CN)2 +2NaCl (11)
El cianuro de bario se descompone a las temperaturas de trabajo de 850 a 930° C en
cianamida de bario y carbono.
Ba(CN)2=BaCN2+ C (12)
Y la cianamida reacciona con el carbonato sódico formando cianato sódico y óxido
de bario
BaCN2+ Na2CO3= BaO+ 2NaCNO (13)
El cianato sódico se descompone, según la ecuación (15), en cianuro sódico,
carbonato sódico, óxido de carbono y nitrógeno, y el óxido de bario formado
según la ecuación (18), fija CO2 con formación de carbonato bárico. Como
consecuencia de esta reacción, resulta comprensible que la eficacia de la cementación
no dependa de la profundidad de inmersión y que actúe igualmente cerca de la
superficie y en el fondo. [19]
3.6.1.2.2 Tipos de baños
Se distinguen principalmente por la temperatura a la que operan, más que por
ser de alta y baja cementación.
Los baños de sales de baja temperatura (profundidad de capa pequeña), son aquellos
operados entre 815 y 900° C, adecuados para la formación de capas cementadas de
0,08 a 0,8 mm de profundidad. Son baños con acelerantes, conteniendo compuestos
en distintas cantidades como se muestra en la Tabla 2. Se operan con una cubierta
protectora de grafito y difieren de los baños de cianurado por la predominancia del
carbono en la capa. No obstante, cuando la capa de grafito es muy fina y funciona a la
temperatura más baja, se incrementa el contenido de nitrógeno en la capa.
Los baños de alta temperatura usualmente se operan en el rango de 900-950°C. Si
bien puede llegar a ampliarse, a bajas temperaturas la velocidad de penetración del
carbono se hace indeseablemente lenta y a temperaturas superiores a 950° C el
deterioro del baño y del equipo es marcadamente acelerado. Los baños de alta
temperatura se usan para profundidades de capa de 0,5 a 3,0 mm, pero generalmente
se operan para profundidades de 1,0 a 2,0 mm. Están constituidos por cianuros y una
mayor proporción de cloruro de bario, como se muestra en la Tabla 2.
Tabla N° 2: Composiciones de operación de baños de cementación líquida
Composición del baño (%)Baja Temperatura
(815 -900° C)
Alta Temperatura
(900 - 950° C)
Cianuro de sodio 10 -23 6 - 16Cloruro de bario 0 -40 30-55
Sales de otrosalcalino-térreos
0 - 10 0-10
Cloruro de potasio 0 -25 0 - 20Cloruro de sodio 20-40 0 - 20
Carbonato de sodio 30 máx. 30 máx.Cianato de sodio 1,0 máx. 0,5 máx.
Ambos baños, los de baja y alta temperatura, se proveen en una variedad de
contenidos de cianuros para alcanzar la actividad de cementación (es decir, potencial
de carbono) requerido, dentro de las lógicas limitaciones de mantenimiento por el
drenaje de sales precipitadas y adiciones de nueva sal para regenerar la actividad, lo
que hace variar el % de sal cementante de un período de uso a otro.
Figura III.3. Esquema y equipo para la cementación en baño salino [21]
3.6.1.3 Cementación Gaseosa [19]
Es más eficiente que el anterior, los ciclos son más controlados, el calentamiento es más
uniforme, más limpio y requiere de menos espacio. La pieza se calienta en contacto con CO
y/o un hidrocarburo, que fácilmente se descompone a la temperatura de cementación El gas
típicamente usado tiene una composición de: CO 20%, H2 40% y N2 40%, pudiendo
modificarse la composición de éste para controlar el potencial de C.
3.7 Carbonitruración [19]
Es un proceso de endurecimiento superficial de carácter gaseoso. En este proceso se calienta un acero en
una atmósfera gaseosa de composición tal que el C y N se absorben simultáneamente, obteniéndose una
capa superficial muy dura. La atmósfera consiste en un "gas portador" enriquecido por gas natural,
metano o propano (que proporcionan el C), y por amoníaco (que entrega el N necesario). El proceso de
difusión de C y N se realiza entre 815 y 870ºC y luego se templa en aceite, para disminuir la distorsión y
el peligro que se produzcan fisuras.
El espesor de capa carbonitrurada es menor a 0,5 mm. Así por ejemplo, capas de 0,15 a 0,40 mm se
obtienen con tiempo de carbonitruración que van de 1/2 a 3 horas a una temperatura de 815°C.
3.7.1 Carbonitruración líquida:
El proceso es similar al de la cianuración, ya discutida, pero en este caso el baño de cianuro no se
envejece sino que se añaden a las mezclas cianatos alcalinos. Únicamente empleando baños de
composición bien definida se consiguen, con uniformidad, los mismos resultados, con la formación
de una zona de combinación y una capa martensítica. Para que un baño trabaje bien debe contener
16-20% KCNO y 45% NaCN. En lo demás, el proceso es similar al de la cianuración.
3.7.2 Carbonitruración gaseosa
El nombre de este proceso es engañoso, pues no se refiere a un tratamiento subcrítíco como la
nitruración, se debe considerar más bien como una forma modificada de la cementación con gas. La
modificación consiste en introducir amoniaco en la atmósfera cementante. La disociación del
amoniaco en la superficie de trabajo produce nitrógeno naciente que se difunde en el acero
simultáneamente con el carbono. Generalmente la Carbonitruración se efectúa a temperaturas
menores y durante períodos más cortos que los usados en la cementación gaseosa y produce
también una capa más delgada. En términos de las características de la capa, difiere de la
carburación en que las capas cementadas no contienen nitrógeno y las capas nitruradas contienen
fundamentalmente nitrógeno, mientras que las capas carbonitruradas contienen ambos elementos.
Este proceso se usa sobre todo, para lograr una capa dura, resistente al desgaste, con una
profundidad de 0,075 a 0,75 mm. Esta capa es más templable que una cementada, por tanto
carbonitrurando y templando se logra una capa dura a menos costo que una cementada. La dureza
se puede lograr con menos distorsión al templar con aceite, o en algunos casos aun con temple en
gas, empleando una atmósfera protectora como medio templante. Los aceros que se carbonitruran
comúnmente son los de las series AISI, 1000, 1100, 1200, 1300,1500, 4000,4100, 4600, 5100,
6100, 8600 y 8700 con contenidos de carbono hasta 0,25%. También muchos aceros de estas series
con carbono entre 0,35 y 0,50% se carbonitruran en capas hasta de 0,3 mm.
3.8 Carburación [22]
Compuestos binarios del carbono con un elemento menos electronegativo que él. Se excluyen los
compuestos de carbono-hidrógeno. Los carburos son compuestos de metal-carbono, si el boro y
el silicio se incluyen entre los metales normales. Esencialmente no se conocen compuestos volátiles
(excepto A1C o su dímero) ya que se descomponen a temperaturas altas.
La mayor parte de los carburos pueden prepararse calentando una mezcla del metal en polvo y carbono,
casi siempre a temperaturas altas, pero no siempre tan altas como su punto de fusión. Por lo general se
obtiene el mismo resultado al calentar una mezcla del óxido del metal con carbono:
CaO + 3C → CaC2 + CO
Algunos se pueden preparar pasando un hidrocarburo en estado vapor sobre el metal caliente, en forma
de un filamento calentado eléctricamente.
CaCO3 → CaO + CO2
CaO + 3 C → CaC2 + CO
3.8.1 Clasificación:
3.8.1.1 Los carburos iónicos
Los carburos iónicos tienen un carácter fuerte de sal y se forman sobre todo a partir de los
elementos de los grupos I y II de la tabla periódica. Todos estos elementos son muy
electropositivos y el carbono tiene por lo tanto una carga negativa. Ejemplos típicos son
el carburo de litio(Li4C), el carburo de berilio (Be2C), el carburo de magnesio (Mg2C3),
el carburo de calcio (CaC2), el carburo de aluminio (Al4C3) y el carburo de hierro (Fe3C)
conocido como cementita.
Estos según la especie aniónica presente en el sólido, pueden ser diferenciados en metanidos
(derivados del metano con formalmente el ion C4– como el Li4C o el Al4C3), los acetiluros
(derivados del acetileno como el CaC2) y los alenuros con el ion C34– = 2–C=C=C2–. En
contacto con agua estos carburos dan el óxido o el hidróxido del elemento y
el hidrocarburo (metano, acetileno o propadieno) correspondiente. Así en el laboratorio son
fuentes fáciles de manejar para estos gases que de otra manera necesitarían una bombona a
presión.
3.8.1.2 Los carburos covalentes
Los carburos covalentes se forman entre el carbono y elementos con aproximadamente la
misma electronegatividad. Los ejemplos más importantes de este grupo son el carburo de
silicio o carborundo (SiC) con estructura de diamante y una dureza en la escala de Mohs de
entre 9 y 9,5 y el carburo de boro (B4C4). Estas sustancias suelen ser muy duras debidas a los
enlaces covalentes formados en las tres dimensiones. Se utilizan por ejemplo como materiales
abrasivos o como recubrimientos en piezas que tienen que resistir abrasiones mecánicas.
El carburo de silicio se utiliza también como soporte para catalizadores debido a su alta
resistencia y buena conductividad térmica.
3.8.1.3 Los carburos metálicos
Estos carburos se forman con metales de transición como el wolframio o el titanio. A menudo
no tienen una estequiometría definida. Esto se debe a que el carbono ocupa posiciones libres
tetraédricas en la estructura del metal. Las sustancias formadas se caracterizan por su elevada
resistencia mecánica y térmica (puntos de fusión típicamente del orden de unos 3000 a 4000
ºC) y se utilizan en la elaboración de utensilios de cerámica y de maquinaria.
3.9 Leyes de difusión [23]
La segunda ley de Fick, que describe el estado dinámico de la difusión de los átomos, es la ecuación
diferencial dc /d t=D ¿, cuya solución depende de las condiciones a la frontera para una situación en
particular. Una solución de esta ecuación es:
cs−cx
cs−c0
=erf ( x2√ Dt
)
C s = concentración superficial del elemento en el gas que difunde hacia dentro de la superficie del material.
C0 = concentración inicial uniforme del elemento en el sólido
C x = concentración del elemento a la distancia x de la superficie en un tiempo t
x = distancia desde la superficie
D= coeficiente de difusión
t= tiempo
Estas concentraciones se ilustran en la figura III-2.Ala función erf se le conoce como la función error y se
puede evaluar apártir de la tabla 3.
La solución a la segunda ley de Fick nos permite calcular la concentración de una de las especies en
difusión cerca de la superficie del material en función del tiempo y la distancia, siempre y cuando el
coeficiente de difusión D permanezca constante y las concentraciones del átomo en la difusión en la
superficie C s y dentro del material C0 se mantenga sin modificación. La segunda ley de Fick también puede
ayudarnos a diseñar una diversidad de técnicas de procesamiento de materiales, incluyendo el tratamiento
térmico del acero.
TABLA 3: Función error correspondiente a la segunda ley de Fick
Figura III.4. Difusión de átomos en la superficie de una material, ilustrando el uso de la segunda ley de
Fick
3.10. Desgaste Adhesivo [24]
El desgaste adhesivo ocurre entre dos superficies que se encuentren en contacto, las cuales se adhieren
fuertemente formando uniones entre ellas. Un deslizamiento producirá un desprendimiento de material de
la superficie suave. Si el material es dúctil, la deformación que se produce antes de la separación de la
partícula mayor, la partícula que ha sido separada de la aspereza puede permanecer unida a la otra aspereza
como material transferido de una superficie a otra o puede ser liberada como partícula de desgaste.
En algunos casos, el punto de cedencia del material es excedido y las asperezas se deforman plásticamente
hasta que el área real de contacto incrementa lo suficiente para soportar la carga aplicada, de tal modo que
las superficies puedan adherirse, ver figura III.5. Esto causará que la soldadura en frio tome lugar.
Deslizamientos continuos causarán que las uniones entre asperezas sean cizalladas y nuevas uniones sean
formadas. Algunos factores como partículas de contaminantes pueden ayudar a minimizar esta adhesión,
las cuales se dispersan del área de contacto por el movimiento relativo tangencias que ocurre en la
interfase.
Figura III.5. Desgaste adhesivo. Generacion del mecanismo de adhesión al ser deformadas plasticamente
las asperezas. (a) Presion de contacto muy alta debido a la pequeña área de contacto (b) La particula es
deformada plasticamente aumentando su área de contacto, produciéndose asi la adhesión.
3.10.1 El modelo de Archard para el desgaste[25]
Si bien existen otros modelos de desgastes el modelo seleccionado para ser desarrollado mediante el método de
los elementos discretos es el propuesto por Archard, ya que la forma de la relación es aplicable a la mayor parte
de los problemas de desgaste, pues está presente en el desgaste adhesivo, abrasivo, corrosivo, por impacto y en
la erosión.
La ecuación del modelo plantea lo siguiente:
V= k . L . xp
donde V es el volumen de material desgastado, k es el coeficiente adimensional de desgaste, L es la carga
normal entre las superficies que se deslizan, x es la distancia de deslizamiento y finalmente p es la dureza
superficial del cuerpo más blando en estudio. Dependiendo del tipo de desgaste que se presente es el significado
que tiene la constante adimensional k
3.11 Ensayos Mecánicos
3.11.1 Ensayo de Impacto de Charpy e Izod.
Una fuerza externa aplicada a una estructura o a una parte se llama carga de impacto si el tiempo de
aplicación es menor que un tercio del periodo natural de vibración mínimo de la parte o de la
estructura. De otro modo, se llama simplemente carga estática.
En las pruebas de barras con muesca de Charpy (muy usados) e Izod(utilizados muy pocas veces)
se emplean barras con geometrías específicas para determinar la fragilidad y la resistencia al
impacto. Estas pruebas son útiles para comparar varios materiales y determinar la fragilidad a baja
temperatura. En ambas pruebas la pieza se golpea con un péndulo que se suelta desde una altura
fija, y la energía absorbida por la pieza, llamada valor de impacto, puede calcularse a partir de la
altura de giro después de la fractura, pero se lee en una carátula, que, en esencia, “calcula” el
resultado.
En la figura III-6 se presenta el efecto de la temperatura sobre los valores de impacto de un material
que presenta una transición de dúctil a frágil, la cual no todos los materiales presentan. Observe la
región angosta de las temperaturas críticas donde el valor de impacto se incrementa muy rápido. En
la región de baja temperatura la fractura aparece como frágil, de tipo astillante, mientras que la
apariencia es tenaz, de tipo desgarrante por encima de la región de temperatura crítica, la que
parece que depende del material y la geometría de la muesca. Por esta razón, los diseñadores no
deben basarse sólo en los resultados de los ensayos de barras con muesca.
La rapidez promedio de deformación unitaria que se utiliza para obtener el diagrama esfuerzo-
deformación unitaria es aproximadamente 0.001 pulg/(pulg ⋅s) o menor. Cuando la rapidez de
deformación unitaria se incrementa, como sucede en las condiciones de impacto, las resistencias
aumentan, como se muestra en la figura III-7. De hecho, a velocidades de deformación unitaria muy
altas, la resistencia a la fluencia parece aproximarse a la resistencia última como un límite. Sin
embargo, observe que la elongación de las curvas muestra poco cambio. Esto significa que la
ductilidad permanece más o menos igual. Asimismo, en vista del gran incremento en la resistencia
a la fluencia, se podría esperar que un acero dulce se comportara en forma elástica, a través de todo
el intervalo de su longitud, bajo condiciones de impacto.
Figura III.6
Figura III.7
Los ensayos de Charpy e Izod proporcionan datos de la tenacidad bajo condiciones dinámicas, en
vez de estáticas. Es casi seguro que los datos de impacto que se obtienen a partir de estos ensayos
sean tan dependientes de la geometría de la muesca como de la rapidez de deformación unitaria.
[26]
Esta prueba consiste en impactar una probeta estándar mediante un péndulo que se deja caer desde
cierta altura. La prueba de impacto se realiza a diferentes temperaturas de acuerdo a lo exigido por
los estándares o como se lo requiera realizar. El resultado se mide en Joules o en LibraPie.
Resumiendo, diremos que el objeto del ensayo de choque es el de comprobar si una
máquina o estructura fallará por fragilidad bajo las condiciones que le impone su empleo,
muy especialmente cuando las piezas experimentan concentración de tensiones por cambios
bruscos de sección, maquinados incorrectos, bajas temperaturas, o bien verificar el correcto
tratamiento térmico del material ensayado.[27]
Figura III-8
3.11.2 Ensayo de desgaste adhesivo [28]
Para que una unión adhesiva se forme, las superficies que actúan recíprocamente
deben estar en contacto íntimo. La fuerza de estas uniones depende en mayor
grado de la naturaleza fisicoquímica de las superficies puestas en contacto. Se
pueden identificar tres tipos de desgaste adhesivo, según su mecanismo; por
fatiga, elástico y por micro corte; además, estos se pueden presentar en dos
cuerpos o en tres cuerpos.
El volumen de material removido por el proceso de desgaste adhesivo puede ser
estimado con el modelo propuesto por Archard ya mencionado.
La pérdida por desgaste puede ser determinada midiendo el cambio de pesos o el
cambio dimensional. Es necesario que un espécimen en estado de suministro u
original sea pesado, y que el peso del objeto después de la exposición al desgaste
sea determinado y restado del original para determinar la diferencia en el peso (es
decir, el cambio de masas). La cantidad de desgaste puede ser descrita por la
cantidad absoluta de pérdida de peso (en gramos), o por la tasa de pérdida de
masas por unidad de uso (gramos). En la mayor parte de las normas ASTM, la
unidad que se utiliza para describir el desgaste son los milímetros cúbicos de
volumen, más que la masa, de modo que los materiales con densidades diferentes
pueden ser comparados.
Mahallawi E. 2001, establece que la pérdida volumétrica de material puede ser
calculada usando la siguiente expresión
Volumenmaterial perdido=( masa perdidadensidad
)
La velocidad a la cual se desgasta el material puede ser calculada según la
siguiente expresión:
Volumende desgaste=masa perdidatiempo
Los resultados de los cálculos anteriores se presentan en una curva típica de
desgaste vs tiempo, como se observa en la figura III-9.
Durante el deslizamiento seco de sistemas metal – metal, se distinguen tres etapas de desgaste.
Figura III-9 Curva típica de desgaste vs tiempo
Etapa I.- Mejor conocida como etapa de asentamiento; no hay equilibrio en el
proceso, representa solo una pequeña porción del tiempo total de operación del
par deslizante y se caracteriza por seguir una función exponencial.
Etapa II.-Es la etapa más larga y estable del proceso y se caracteriza por su
régimen de desgaste lineal.
Etapa III.-Es la etapa de desgaste catastrófico; el régimen de desgaste es de
incremento constante y se asume el volumen de material removido de la superficie como partículas
de desgaste.
3.12 Cementacion Líquida
Las piezas de acero completamente limpias y exentas de humedad se sumergen en un baño de
cianuro de sodio líquido (NaCN). También se puede utilizar cianuro de potasio pero sus vapores son
muy peligrosos. Se mantiene la temperatura a 845 °C (1500 °F) durante 15 minutos a 1 hora, según la
profundidad que se requiera. A esta temperatura el acero absorberá el carbono y el nitrógeno del
cianuro. Después se debe enfriar con rapidez al acero en agua, salmuera o aceite. Con este
procedimiento se logran capas con espesores de 0.75 mm.
La acción carburante de estas sales fundidas es muy rápida, pero la capa que se obtiene es relativamente
delgada y muy dura, aunque también es posible obtener penetraciones de hasta 3 mm. Este
procedimiento presenta la ventaja de poder emplear dispositivos automáticos, tanto para la
cementación como para el temple, además de ser más rápido, permite un mejor control sobre la
penetración, da piezas más limpias y mayor homogeneidad en la capa cementada.
Para la cementación en baños de sales es muy utilizado un tipo de horno eléctrico que consta de dos o
tres electrodos, o un grupo de dos electrodos que queda sumergidos en el baño. Como las sales fundidas
son conductoras, pasa a través de ellas la corriente eléctrica y el calor originado por el paso de esa
corriente es suficiente para el calentamiento del baño. Se trabaja generalmente con voltajes variables de
8 a 30 V y la potencia de transformador suele variar de 10 a 130 kW Como las sales sólidas no son
conductoras de la corriente eléctrica la puesta en marcha es un poco complicada. Se comienza
colocando entre dos electrodos un trozo de coque de tamaño apropiado, que se presione contra ella con
una barra de hierro auxiliar, que llega a ponerse al rojo, comenzando primero a fundirse las sales
que están a su alrededor, y luego se calienta y funde el resto de la masa.[29]
3.12.1 Tratamientos térmicos post-cementación
Segun la clase de acero y el destino de las piezs que se van a cementar se pueden utilizar muchas
clases de tratamientos.
En cada casos, la elección de uno u otro tratamiento, dependerá de su tamaño de grano, o sea de la
tendencia del acero a adquirir una estructura grosera durante la cementación y de las características
que se quieren conseguir en el corazón y en la periferia de las piezas.
A continuación describiremos los mas utilizados, señalando sus ventajas e inconvenientes y los casos
en que conviene emplearlos.
1° CEMENTACION, TEMPLE DIRECTO DESDE LA TEMPERATURA DE CEMENTACION Y
REVENIDO FINAL.
Este tratamiento se da generalmente cuando se cementa en baño de sales o en atmosfera carburante, y
raramente cuando se cementa en cajas.
Se recomienda para las piezas de pocas responsabilidad y para cementaciones ligeras de 0.2 a 0.6
mm de espesor, en las que la tenacidad del nucleo no tiene mucha importancia. Conviene utilizar
aceros de baja aleación u al carbono, de grano fino, no siendo recomendable emplear aceros de alta
aleación, porque como el temple se hace desde muy alta teperatura( exageradamente elevada para la
periferia), hay peligro de que quede la cap cementada con mucha austenita residual sin transformar.
Con aceros de grano grueso, el corazón quedará frágil, porque después de la cementcion los granos
habran crecidos exageradamente, y templando directamente desde la temperatura de cementación no
se regenera el grano.
2° CEMENTACION, ENFRIAMIENTO LENTO, TEMPLE A TEMPERATURA INTERMEDIA
Ac1 Y Ac3 Y REVENIDO FINAL
Este tratamiento se puede emplear con éxito cuando se usan aceros de alta aleación, que son
generalmente de grano fino y no necesitan regenear el corazón. Asi se obtiene la máxima tenacidad
del corazón, cuya resistencia será un poco inferior a la máxima que se obtiene templando a mas alta
temperatura.
Si se utiliza este tratamiento para aceros de grano grueso, la periferia quedará con buenas
caracteristics, pero el corazón quedará bastante frágil por no haber sido regenerada. Con este
tratamiento hay poco peligro de deformaciones.
3° CEMENTACION, ENFRIAMIENTO LENTO, TEMPLE A TEMPERATURA LIGERA
SUPERIOR A Ac3 Y REVENIDO FINAL .
Con este tratamiento se obtiene la máxima resistencia en el nucleo La tenacidad del corazón será
buena, pues anque haya crecido el grano durante la cementación, se afinará por haber sido calentada
el acero para el temple a temperatura ligeramente superior a Ac3. En este tratamiento hay peligro de
que la periferia quede con grano grueso y sea frágil, porque ha sido templada desde muy alta
temperatura. La dureza de la capa cementada puede ser un poco baja por quedar algo de austenita
residual sin transformar.
Este es el tratamiento que debe emplearse con los aceros de media aleación y grano fino, siempre que
se quiera conseguir la máxima resistencia en el corazón, como ocurre en algunas piezas empleadas en
la industria aeronáutica, de automóviles, etc.
4° CEMENTACION, ENFRIAMIENTO LENTO, PRIMER TEMPLE A TEMPERATURA
LIGERAMENTE SUPERIOR A Ac3, SEGUNDO TEMPLE A TEMPERATURA LIGERAMENTE
SUPERIOR A Ac1 Y REVENIDO FINAL.
Conviene emplear este tratamiento con lso aceros al carbono y de media aleación y , en general, con
todos los de grano grueso, en los que durante la cementación crece mucho el grano. Hasta hace poco
tiempo era el tratamiento mas utilizado para piezas de responsabilidad, pero hoy, al poderse fabricar
aceros de grano fino, se emplea en menos ocasiones.
Empleandolo, la periferia quedará dura y tenaz, y el corazón, que con el segundo temple ha recibido
un temple imperfecto, quedrá con una resistencia ligeramente inferior a la máxima y muy buena
tenacidad.
5° AUSTEMPERING Y MARTEMPERING
Cuando se quiere reducir al minimo las deformaciones de las piezas cementadas, el temple se hace,
enfriando en sales fundidas en lugar de en agua o en aceite.
Las durezas que se obtienen en la periferia dependen de muchos factores como son: composición,
tamaño de las piezas, temperatura del baño de sales, tiempo de permanencia en el mismo, etc.[30]
IV. MATERIALES Y MÉTODOS
4.1 Material de estudio [31]
4.1.1 Composicion Química típica
TABLA N° 3:Composición Química del Acero AISI 8620
Carbono Manganeso Fosforo Azufre Silicio Cromo Níquel Molibdeno
0.20 0.80 0.035 max 0.040 max 0.25 0.50 0.55 0.20
4.1.2 Descripción
Acero de baja aleación especialmente diseñado para endurecimiento superficial por medio de la
cementación, Tiene una excelente forjabilidad y soldabilidad. Su maquinabilidad es buena.
Responde fácilmente al tratamiento térmico.
Disponible también como grado H. La dureza obtenida en estado de temple es aproximadamente 37
a 43 HRC.
4.1.3 Aplicaciones
Flechas de transmisión y engranes para maquinaria, Ampliamente usado en partes donde se
requiere una superficie dura y un núcleo tenaz.
Industria automotriz: Piñones para diferencial, engranes de caja de transmisión, Tornillos sinfín de
dirección, árbol de levas y rodamientos
4.1.4 Tratamiento Térmico
Normalizado: Calentar a 925 °C (1700 °F) y enfriar al aire. Templar en aceite y posteriormente
revenir a 150 °C (300 °F) por una hora.
Recocido: Calentar a 885 °C (1625 °F), enfriar rápidamente a 660 °C (1225°F) y mantener por
4 horas. Este ciclo da como resultado una profundidad de capa de aproximadamente 1.3 mm
(0.050”)
Carburizado: Carburizar a 925 °C en una atmosfera carburante con el potencial de carbono
deseado (Cerca de 0.90% de carbono) por 4 horas. Reducir la temperatura a 845 °C (1550 °F),
reducir el potencial de carbono a la concentración eutectoide, y difundir por 1 hora.
4.1.5 Propiedades Físicas
TABLA N° 3: Dureza HRC en estado de temple
Redondo 7/8” Red ½ Radio Centro
1” 36 31 30.5
2” 28 22.5 21
3” 22 18 15.5
TABLA N° 4: Coeficiente de expansión térmica del acero AISI 8620
Rango de TemperaturasCoeficiente de expansión
térmica X10-6/°C0-100 11.1
0-200 12.2
0-300 12.9
Temperaturas críticas:
Ac1 = 743 °C
Ac3 = 835 °C
Fig. IV.1 Diagrama de transformación Isotérmica. Composición: 0.18 C, 0.79 Mn, 0.56 Cr, 0.52 Ni 0.19 Mo. Temperatura de austenización:
900 °C (1650 °F)
4.1.6 Propiedades mecánicas
TABLA N° 5: Propiedades Mecánicas del Acero AISI 8620
Distancia al
extremo
templado
Dureza en
HRC
Distancia al
extremo
templado
Dureza
en
HRC
1/16
”mm max min 1/16” mm max
1 1.58 48 41 1320.5
425
2 3.16 47 37 1422.1
225
3 4.74 44 32 1523.7
024
4 6.32 41 27 1625.2
824
5 7.90 37 23 1828.4
423
6 9.48 34 21 2031.6
023
7 11.06 32 2234.7
623
8 12.64 30 24 37.9
223
9 14.22 29 2641.0
823
10 15.80 28 2844.2
422
11 17.38 27 3047.4
022
12 18.96 26 3250.5
622
Fig. IV.2 Propiedades Mecánicas vs Temperatura de revenido. Templado en agua a 850
°C
Fig. IV.3 Templabilidad del acero AISI 8620
4.1.7 Condiciones y formas disponibles
Redondo
Solera
Placa
Sin Tratamiento Térmico
Recocido
4.2 Equipos, instrumentos de medición y materiales usados en el experimento
• Fresadora Universal TOS para preparación de probetas.
• Cepillo de modo Furlanetto y rectificadora plana, para precisar el
maquinado de probetas.
• Rectificadora plana para el pulido de las probetas antes de los ensayos de
Dureza y para el rectificado previo de las muestras encapsuladas.
• Durómetro digital IDENTEC, en escala HRC, con 150 kg. de carga y
cono de diamante de 120Og.
• Máquina IMSTRON UNIVERSAL 8801 de 10 Ton de Capacidad
para los ensayos de tracción.
• Máquina de ensayos Charpy para medir resistencia al impacto
Microscópio, Leica DMILM. 50X — l000X, para análisis metalográfico.
• Lijas al agua grado 180, 240, 400, 600, 1000, 2000.
• Alurnina : 5 p; 3 p; 0.3 q; 0,1 p. Paños de pana.
• Reactivo Nital al 3% Reactivo Vilella.
• Alcohol.
4.3 Procedimiento experimental.
4.3.1 Variables de estudio
1.Variables Independientes:
Temperatura de cementado liquido: (04 niveles): 820 – 860 – 900 - 930 º C.
Tiempo para la cementación: (04 tiempos): 2 hrs. 4hrs. 6hrs. 8hrs.
2.Variables Dependientes:
Perfil de microdureza
Resistencia mecánica
Resistencia al impacto
Microestructura
3.Variables No controlables:
Temperatura ambiente
Humedad relativa
Presión atmosférica
Otros
4.4 Procedimiento Experimental.
4.4.1. Preparacion de probetas.
Para los ensayos de tracción se confeccionaron las probetas a partir de barras de acero AISI 8620 de 3/4” (19
mm) de diámetro. Se maquinaron diez (10) muestras según la norma ASTM E8 cuyas medidas se pueden
observar en la figura IV.4.
Estos ensayos se hicieron con dos repeticiones (5 ensayos con 10 probetas)
Para los ensayos de impacto Charpy se confeccionaron las probetas a partir de planchas de acero AISI 8620
de 1/2” (12,7 mm) espesor. Se maquinaron diez (10) muestras según la norma ASTM A370 cuyas medidas
Dureza Tenacidad Microestructura Microdureza
Temperatura de cementado líquido.
Tiempo para la cementación.
ANÁLISIS DE LOS PARÁMETROS DE CEMENTADO LÍQUIDO EN EL DESGASTE ADHESIVO DEL ACERO AISI 8620 EMPLEADO EN LOS ENGRANES.
Temperatura Ambiente Humedad relativa Presion Atmosferica Otros
se pueden observar en la figuraI.5.
Estos ensayos se hicieron con dos repeticiones (5 ensayos con 10 probetas)
Los ensayos de microdureza se realizaron sobre las mismas probetas de impacto luego de ser carburizadas.
Previamente tuvieron que ser rectificadas y' pulidas para tener una superficie lista para ser indectada con el
microdurometro.
Para los ensayos de microestructura se tomaron pequeñas muestras a partir de las probetas de impacto las
que fueron debidamente encapsuladas y tratadas químicamente para ser observadas por microscopía.
Todas las probetas fueron maquinadas en el laboratorio de Máquinas- herramientas perteneciente a la
escuela de Ingeniería mecánica de la UNT.
4.4.2. Proceso de cementado líquido.
Todas las probetas fueron maquinadas en el laboratorio de Máquinas- herramientas perteneciente a la
escuela de Ingeniería mecánica de la
4.4.3. Ensayo de microdureza.
Se realizaran utilizando el Microdurometro MARCA: BUEIILER, MODELO: 1600- 4985, perteneciente al
laboratorio de Ensayos Mecánicos de la Escuela de la Escuela de Ciencias Física de la UNT. (Ver fig.
IV.5. ).
Se aplicó una precarga de 150 kg. y las medidas se hicieron en escala Vickers, Se realizaran tres
indectaciones para cada prueba.
Las probetas se obtuvieron cortando pequeñas barras de la longitud ensayable de las probetas carburizadas
de los ensayos de tracción, las cuales fueron encapsuladas en barras cilíndricas de resina epoxi, luego
rectificadas y pulidas.
Se determinó el perfil de microdureza desde el extremo de la superficie de la capa dura
hasta el centro del núcleo de acuerdo a los siguientes intervalos de profundidad: 200-400-600-800-1000-
1200 μm. este ensayo se realizó para cada una de las temperaturas de carburizado.
Fig. IV.5. Microdurometro utilizado en la elaboración del perfil de dureza desde la capa
endurecida hasta el núcleo. Equipo perteneciente al laboratorio de Ensayos mecánicos
de la Escuela de Ciencias Física de la UNT.
4.4.4. Ensayo charpy.
Se realizó en la máquina de ensayos Charpy perteneciente a la escuela de Ingeniería Metalúrgica de la UNT.
Las probetas Charpy para los ensayos de impacto se elaboraron según la norma estándar ASTM A370
consiste en una barra de metal. 55x10x10mm que tiene una muesca
mecanizada a través de una dc las dimensiones más grandes. La categoría V, de 2 mm de profundidad, con
ángulo de 45 º y 0,25 mm de radio a lo largo de la base, se muestra en la Figura IV.6.
Fig. IV.6. Dimensiones de la probeta ensayada según norma ASTM A370
Fig. IV.7. Fotografía de la probeta Charpy antes de ser ensayada.
Fig. IV.8. Esquema del ensayo de impacto Charpy
4.4.5.Ensayos de tracción.
Se realizarán en la máquina IMSTRON UNIVERSAL 8801 de 10 Ton de capacidad,
ubicada en el laboratorio de Ensayos Mecánicos de la Escuela de Ing. Mecánica. Las probetas que se usaron
se fabricaron de acuerdo a la norma [ ASTM E8]
Se realizarán 5 ensayos en tres (2) replicas para lo cual se utilizaron 10 probetas en total para este ensayo.
Fig.IV.9. Fotografía de una probeta de ensayo de tracción terminada y lista para el
Ensayo.
Fig. IV.10. Esquema de la probeta de ensayo de Tracción según la norma ASTM E8.
70
Fig. IV.11. Ensayo de tracción de las muestras llevadas a cabo en el laboratorio de ensayos mecánicos de la
escuela de Ing. Mecánica de la UNT.
4.4.6. Análisis metalográfico.
El análisis de la microestructura se hizo a nivel óptico para lo cual se dispuso del Microscopio, Leica
DMILM, 50X — 1000X, perteneciente a la escuela de Ingeniería Metalúrgica de la UNT.
Para poder revelar la microestructura de las muestras, se procedió a tomar pequeñas muestras de las probetas
que habían sido ensayadas previamente por impacto. Luego se encapsularon con resina poliéster, para
después desbastarlas, pulirlas químicamente las superficies pulidas.
Se encapsularan todas las muestras en moldes metálicos para así lograr una superficie plana en el desbaste y
pulido. Las muestras se desbastaron con lijas desde grado 220 hasta 1000, con abundante agua. Se pudieron
en paño de pana con alúmina desde grado 5 μ, 3μ, 1μ, hasta 0.3 μ y agua, por 30 seg. Se sobre atacó con
reactivo Nital por 60 seg.,
para luego volver a pulir en paño, con la finalidad de eliminar la capa deformada debido
al desbaste. Por último se atacará con reactivo Villela, por 30seg.
MICROSCOPIO LEICA DM500
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