Aplicaciones de los aceros borurados

El proceso de borurización en su aplicación implica la mejora considerablemente las propiedades mecánicas, físicas y químicas de la superficie de los materiales tratados con este proceso termoquímico. En la tabla 1.4 se muestran algunas de las aplicaciones industriales para diferentes tipos de aceros borurados.

Tabla 1.4 Aplicaciones industriales de aceros borurados (Hernández, E. 2011)

Acero Aplicación

1015 Ejes, engranajes y diversos elementos de maquinaria

1045 Pernos y discos abrasivos

4140 Pistones

E52100 Cojinetes y guías

D2, D3 Bujes y herramientas para estampado

H11, H13 Herramientas para moldes de inyección

L6 Pernos y dados para forja

O2, O7 Rodillos para grabados

El tratamiento termoquímico de borurizacion permite obtener una alta resistencia al desgaste en aceros al carbono y aleados; además eleva la resistencia a la corrosión, que puede ser de manera no tan apreciable. Puede aplicarse la borurizacion a materiales como: Estelite (aleación de cobalto-cromo), carburos cementados sinterizados y algunos recubrimientos aplicados por rociado; esto para reducir el desgaste en sus fases aglutinantes (Davis, 2001).

Como materiales resistentes al desgaste abrasivo se emplean aceros inoxidables borurados, en componentes de válvulas, rodillos, guias, ejes, husillos, entre otras. Otras aplicaciones incluyen(Dossett and Totten, 2013):

• Partes de maquinaria agrícola.

• Herramentales de acoplamiento al suelo. • Boquillas de equipos de llenado.

• Tornillos de extrusión, cilindros, boquillas y bloques inversos en máquinas de producción de plásticos (extrusión y moldeado por inyección).

• Codos y placas deflectoras en equipos de transporte de gránulos de plásticos minerales, entre otros ejemplos.

E. Hernández (2008) afirma que en aplicaciones industriales, la presencia de una sola fase Fe₂B es deseable en comparación con una multicapa FeB-Fe₂B, debido a la formación de grietas en la interfaz de crecimiento provocadas por la diferencia en los coeficientes de dilatación térmica de ambas fases, que genera esfuerzos residuales de compresión y tensión durante el crecimiento de las capas de boruros.

1.3 PROCESO DE RECOCIDO POR DIFUSIÓN (PRD)

La capa con sistemas bifase (FeB/Fe₂B) ofrece algunas ventajas tribológicas, debido a un perfil de durezas gradualmente decreciente que va desde la superficie pasando por las capas hasta el substrato. Sin embrago, la fase FeB generada en la parte superior puede no ser ideal en aplicaciones mecánicas y tribológicas. Dado que la capa FeB posee una alta dureza, tiende a ser frágil y presenta un coeficiente de expansión térmico diferente. Durante el enfriamiento posterior al borurado se generan altos esfuerz|os tensiles en la fase FeB y esfuerzos compresivos en la fase Fe₂B; lo cual ocasioná micro o macro grietas paralelas a

lo largo de la fase FeB. Además la fragilidad de la fase FeB propicia el desprendimiento y astillamiento severos al aplicarse una carga normal o tangencial elevada (Kartal et al., 2011).

Por lo anterior la formación de capas monofásicas Fe₂B con una morfología aserrada es deseable en materiales ferrosos borurados. Dicha fase puede obtenerse a partir de un sistema bifásico FeB/Fe₂B aplicando un tratamiento subsecuente en vacío o en baño de sales durante varias horas a temperaturas superiores a 1073 K, seguido de un enfriamiento en aceite para aumentar las propiedades del substrato(Dossett and Totten, 2013).

Diversos investigadores han implementado diferentes procesos mediante los cuales es posible obtener una capa tipo Fe₂B a partir de una capa bifásica (FeB/Fe₂B) empleando técnicas de borurización en caja, gas, sales, tales como:

• Matuschka (1980) realizó eliminación de la fase FeB en Fe₂B mediante un cambio de fase por homogenización. El proceso lo desarrolló en una masa fundida, que consiste en una mezcla en polvo de NaCl y KCl con oxígeno en unión de aditivos aglutinantes; en donde la capa FeB se disoció en favor de la capa Fe₂B, la cual aumentó a expensas de la capa FeB.

• Fichtl (1981) afirma que para propósitos especiales, tales como desgaste erosivo y corrosivo simultáneos; la industria química requiere de aceros de alta aleación con capas de boruros bien adheridos, mayores a 20 μm. Por lo cual realizó un tratamiento de borurado en caja a un acero AISI 316 Ti, empleando como medio borurante EKabor™ I, a 1173 K durante 6 h, obtuvo un sistema bifásico FeB/Fe₂B con espesor aproximado de 30 μm; a esta condición aplico un método de difusión para eliminar la fase FeB, dicho método se realizó por exposición en un gas inerte (atmosfera de argón) a 1273 K durante 2 h de exposición, con lo cual obtuvo un sistema monofásico Fe₂B con espesor aproximado de 36 μm. Dicha capa resulta más homogénea, además de ser menos propensa a agrietamiento y desprendimientos; por otra parte la presencia de porosidad no presento gran relevancia

1223 K, durante 15 min, en acero AISI 1018, empleando un electrolito fundido que consiste en 90% de bórax (Na₂B₄O₇·10H₂O) y 10% de carbonato de sodio expuestos a una densidad de corriente de 200 mA/cm². Se obtuvo un espesor de capa de 60 μm (donde 20 μm fueron la capa FeB y 40 μm de la fase Fe₂B). Dicho método se desarrolló en baño de sales sin polarización, durante 45 minutos de exposición, donde el espesor de capa resultante consistió, únicamente, en la presencia fase de Fe₂B con un espesor de capa de 75 µm.

• Kulka et al. (2013) aplicaron recocido por difusión sobre un hierro puro previamente borurado; las muestras boruradas con capa bifase (FeB/Fe₂B) se obtuvieron mediante un proceso de borurado en gas, en una atmosfera de H2-BCl3, a

temperaturas de 1073, 1173 y 1273 K, con tiempos de exposición de 2 a 10 h. El recocido por difusión lo realizaron a temperatura de 1173 K, en un rango de tiempos de 2 a 10 h, en una atmósfera inerte de H₂. Posterior al tiempo de exposición, las probetas fueron enfriadas en una atmósfera de nitrógeno. Los resultados mostraron que el tiempo de exposición mayor condujo a la reducción total de la capa FeB.

Por su parte en el GIS® _{se ha implementado el proceso de recocido por difusión (PRD),}

mediate empaquetamiento en caja, a altas temperaturas. Se tiene como relevante el proceso de recocido por difusión desarrollado por Flores-Jiménez (2013). Dicho autor aplica el proceso de borurado en un acero AISI 1045, a una temperatura de 1223 K (950º C), con tiempos de exposición de 8, 10 y 12 h. Busco diluir la presencia de la fase FeB de un sistema bifásico FeB/Fe₂B. El proceso de recocido por difusión se llevó a cabo en las muestras previamente boruradas a una temperatura de 1273 K, con 8 h de exposición. Las probetas fueron colocadas en una mezcla diluyente de polvo de SiC (95%) y bentonita (5%). Los resultados mostraron una eliminación total de la fase FeB en la condición de borurado a 1223 K durante 8 h. En las condiciones de borurado durante 10 y 12 h de tratamiento se consiguió disminuir el porcentaje de la fase FeB en un 90%, debido a que la presencia de la fase FeB en estas condiciones es mayor respecto a la condición de 8 h. Además se logró disminuir la fragilidad de la capa de boruro de hierro y se aumentó el valor de la tenacidad a la fractura en un 53% (Campos-Silva, Flores-Jiménez, et al., 2013).

Por su parte Bernabé-Molina (2015) implemento un proceso de recocido por difusión, a muestras de acero AISI 316L que fueron boruradas a 1173 K durante 4, 6 y 8 h de

exposición empleando EKabor™ II. Como medio diluyente para el proceso de recocido por difusión se empleó EKabor™ II con bajo potencial de boro, esto se logró mediante el uso cíclico de 6 repeticiones del EKabor™ II durante 6 h a 1223 K. El proceso de recocido por difusión se realizó a 1273 K durante 2 h de explosión. Con lo cual se obtuvo una disminución en la fragilidad de las capas de boruros de hierro, además de un incremento del espesor de la fase Fe₂B.

En los estudios realizados por Sánchez-Islas (2016) y Márquez-Cortes (2016) se aplicaron el proceso de recocido por difusión en aceros AISI 1018 y AISI 4140T, respectivamente. En el caso del acero 1018 el proceso de borurado se realizó a 1273 K durante 20 minutos y posteriormente el PRD a 1273 K durante 1 h. En cuanto al acero AISI 4140T se aplicó el proceso de borurado a 1273 K durante 6 h y en seguida se realizó el PRD a 1273 K durante 6 h de exposición. Para ambos aceros el proceso de recocido, las muestras fueron embebidas en SiC. En ambos casos se obtuvo una reducción considerable de la fase FeB y el incremento de la fase Fe₂B. En el presente trabajo se empleó un proceso similar al reportado por estos autores.

1.4 ABRASIÓN Y DESGASTE ABRASIVO

1.4.1 Desgaste

El desgaste es el daño que sufre una superficie al entrar en contacto mecánico con otra, lo cual resulta en la generación de fragmentos que abandonan el sistema tribológico, puede ocasionar una falla directa, reducir tolerancias, o inducir daño superficial el cual originara la falla del componente o muy a menudo falla por fatiga (Straffelini, 2015).

Procesos de desgaste. Dado que en la práctica existen diversos procesos de desgaste, la

investigación de los daños ocasionados por estos puede facilitarse mediante la observación de cada proceso, determinando la acción de un mecanismo predominante(Straffelini, 2015). En la figura 1.5 se muestra la clasificación general de los procesos de desgaste (Davis 2001).

Desgaste

Abrasión Erosión Adhesión Fatiga

superficial

Bajo esfuerzo Impacto de

partícula solida Escoriado Picaduras

Alto esfuerzo Impacto de fluido Adhesivo Astillamiento

Ranurado Cavitación Atoramiento Impacto

Pulido Erosión acuosa Excoriación Brinelación

Desgaste oxidativo Requiere superficies duras o afiladas impuestas sobre superficies blandas Requiere acción de fluido Requiere interacción entre superficies conformes Requiere esfuerzos compresivos repetitivos

Figura 1.5. Clasificación general del desgaste basado en abrasión, erosión, adhesión y fatiga

superficial(modificada de Davis 2001)

Por su parte, Budinski (2013) define a los cuatro procesos de la clasificación general de la manera siguiente:

• Abrasión. Es una forma de desgaste que se caracteriza por la remoción progresiva de material de una superficie sólida, debido a la acción de un desplazamiento forzado al estar en contacto con superficies o protuberancias duras.

• Erosión. Pérdida progresiva o daño a una superficie solida por contacto con un fluido en movimiento. El fluido puede ser de fase única o multi fase y el material removido puede incluir un componente corrosivo.

• Adhesión. Pérdida progresiva de material o daño a una superficie sólida en un contacto de rozamiento, causando por la unión de estado sólido (adhesión) entre las superficies en rozamiento.

• Fatiga superficial. La fatiga es un daño estructural progresivo y localizado que ocurre cuando un material se encuentra sometido a carga cíclica.

De igual manera, en la tabla 1.5 se describe la clasificación general del desgaste y los sistemas en los que pueden presentarse (Budinski 2007)

Tabla 1.5 Clasificación general del fenómeno de desgaste y aplicaciones donde pueden

presentarse(modificada de Budinski 2007).

Modo o proceso de desgaste Puede ocurrir en:

Abrasión

Bajo esfuerzo Equipo agrícola, manejo de minerales

Alto esfuerzo Equipo de trituración

Ranurado Movimiento de tierras, manejo de minerales

Pulido Manejo de solidos que contienen carga de minerales

Erosión

Partícula solida Equipo de samblasteó

Impacto de fluido Codos de tuberías, lluvia sobre aeronaves

Cavitación Bombas, mezcladores de impulsores, dispositivos

ultrasónicos

Erosión acuosa Extractores de petróleo, bombeo, manejo de minerales

Adhesión

Escoriado Máquinas compuestas de juntas atornilladas

Adhesivo Engranajes, levas, correderas, bujes

Atoramiento Sistemas deslizantes en seco (sin lubricación)

Excoriación Válvulas, superficies deslizantes, bujes

Desgaste oxidante Sistemas deslizantes de metales duros

Fatiga superficial

Picaduras Dientes de engranajes, elementos de rodamientos

Astillamiento Partes con tratamientos superficiales

Impacto Herramientas remachadoras, percusores

Brinelación Rodamientos con sobrecarga estática

La compresión de estos procesos es importante al momento de controlar adecuadamente el fenómeno de desgaste, dicho control puede realizarse durante el proceso de diseño, con la finalidad de evitar fallas, o en caso de surgir fallas se debe aplicar en el proceso de re- diseño.