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ESTUDIO DEL AGRIETAMIENTO TIPO PALMQVIST Y EVALUACION DE ESFUERZOS RESIDUALES EN ACEROS BORURADOS AISI 1018

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Academic year: 2017

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(1)

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA 

SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN 

 

 

 

“ESTUDIO

 

DEL

 

AGRIETAMIENTO

 

TIPO

 

PALMQVIST

 

Y

 

EVALUACIÓN

 

DE

 

ESFUERZOS

 

RESIDUALES

 

EN

 

ACEROS

 

BORURADOS

 

AISI

 

1018”

 

 

TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE DOCTOR EN CIENCIAS CON 

ESPECIALIDAD EN INGENIERÍA MECÁNICA 

 

 

PRESENTA: 

CARLOS IGNACIO VILLA VELÁZQUEZ MENDOZA 

 

DIRECTOR: IVÁN ENRIQUE CAMPOS SILVA 

 

 

(2)
(3)
(4)

Dedicatoria

(5)

Agradecimientos

A mis padres y a mi hermano por estar siempre presentes sin 

importar la distancia.  

A Molina y a Elisa por darme su apoyo incondicional. 

Al Conacyt, a la SEPI IPN ESIME Zacatenco, a la UAM Azcapotzalco, 

al ITESM Ciudad de México, al ITESM Estado de México y a SanLuis‐ Rassini por proporcionarme los recursos para realizar el doctorado. 

Al Dr. Balankin por ser un ejemplo a seguir. 

Al Dr. Campos por su asesoría.  

Al Dr. Robles por darme un apoyo invaluable al final del posgrado. 

Al Dr. Figueroa por sus comentarios y revisiones. 

Al comité evaluador de tesis, integrado por el Dr. Alexander 

Balankin, Dr. Orlando Susarrey Huerta, Dr. Iván Enrique Campos 

Silva, Dr. Ulises Figueroa López, Dr. José Martínez Trinidad, y al Dr.  Oswaldo Morales Matamoros por sus observaciones sobre el 

presente trabajo. 

Al Dr. Miguel Patiño, al M. en C. Omar Antonio, al M. en C. Victor  Araujo, y al M. en C. Noe López  por su amistad. 

 Al Cinvestav‐Saltillo, al Dr. Pech y a la Dra. Leal por mostrarme un 

futuro lleno de posibilidades. 

Y a todos aquellos que de alguna forma estuvieron presentes 

durante estos tres años, gracias…. 

(6)

T

ABLA DE 

C

ONTEN)DO

 

 

Tabla de Contenido ... 6 

Glosario de Símbolos ... 10 

Índice de Tablas ... 17 

Índice de Figuras ... 18 

Resumen ... 20 

Abstract ... 21 

Introducción ... 22 

Objetivo General ... 23 

Hipótesis General ... 23 

Lugares de trabajo ... 24 

Capítulo 1.  Fases de Boruros de Hierro: FeB, Fe2B y Fe3B... 26 

1.1.  Introducción ... 26 

1.2.  Justificación y objetivos particulares ... 27 

1.3.  Propiedades cristalográficas de las fases FeB, Fe2B, y Fe3B ... 27 

1.4.  Métodos de Difusión de átomos de boro ... 33 

1.4.1.  Introducción ... 33 

1.4.2.  Proceso termoquímico ... 34 

1.4.3.  Proceso de Difusión por Plasma ... 35 

1.4.4.  Diversos procesos de difusión ... 36 

1.5.  Proceso de Difusión de átomos de boro ... 36 

1.5.1.  Nucleación y Crecimiento de las Fases ... 36 

1.5.2.  Influencia de los Elementos Aleantes en el Proceso de Difusión del Boro ... 38 

1.5.3.  Influencia del Tamaño de Partícula en la Difusión ... 41 

1.6.  Caracterización mecánica de los Boruros de Hierro ... 41 

1.6.1.  Clasificación de los Aceros ... 41 

1.7.  Crecimiento y Morfología de las Fases ... 45 

(7)

1.7.2.  Morfología de las Interfaces ... 47 

1.7.3.  Procesos Multicomponenciales ... 47 

1.8.  Conclusiones Particulares ... 48 

Capítulo 2.  Formación de la Fase de Boruro de Hierro Fe2B ... 50 

2.1.  Introducción ... 50 

2.2.  Justificación y Objetivos Generales ... 50 

2.3.  Diseño del Experimento ... 51 

2.3.1.  Parámetros del Tratamiento ... 51 

2.4.  Proceso Metalográfico ... 54 

2.4.1.  Metalografía ... 54 

2.4.2.  Fotomicrografías de las capas boruradas ... 56 

2.5.  Análisis Químico Elemental de la Fase Fe2B ... 57 

2.5.1.  GDOES ... 57 

2.5.2.  Perfiles de Concentración ... 61 

2.6.  Análisis de resultados ... 62 

2.6.1.  Tratamiento termoquímico ... 62 

2.6.2.  Proceso Metalográfico ... 63 

2.6.3.  Análisis Químico por espectroscopía ... 65 

2.7.  Conclusiones Particulares ... 66 

Capítulo 3.  Cinética de Crecimiento de la Fase de Boruro de Hierro, Fe2B ... 68 

3.1.  Justificación y Objetivos Particulares ... 68 

3.2.  El Fenómeno de Difusión ... 68 

3.3.  Proceso Experimental ... 70 

3.4.1.  medición del Ancho de Capa ... 70 

3.4.  Modelo Matemático ... 72 

3.5.1.  Introducción ... 72 

3.5.2.  Primera Ley de Fick ... 73 

3.5.3.  Segunda Ley de Fick – La Ecuación de Difusión ... 75 

3.5.4.  Solución de la Ecuación Diferencial ... 77 

3.5.5.  Perfiles de Concentración ... 80 

(8)

3.6.1.  Ancho de Capa ... 86 

3.6.2.  Solución Lineal ... 86 

3.7.  Conclusiones Particulares ... 90 

Capítulo 4.  Tenacidad a la Fractura por Microindentación Vickers de la fase Fe2B ... 91 

4.1.  Introducción ... 91 

4.2.  Justificación y Objetivos Particulares ... 95 

4.3.  Microindentación Vickers ... 96 

4.3.3.  Parámetros de Microindentación ... 96 

4.3.2.  Durezas ... 97 

4.4.  Tenacidad a la Fractura,   ... 102 

4.4.1.  Longitud de Grietas ... 102 

4.4.2.  Modelos de Tenacidad a la Fractura,   ... 106 

4.5.  Análisis de resultados ... 108 

4.5.1.  Microindentación Vickers ... 108 

4.5.2.  Tenacidad a la Fractura ... 114 

4.6.  Conclusiones Particulares ... 116 

Capítulo 5.  Esfuerzos Residuales por el Método de Difracción de Rayos X en la Fase Fe2B ... 117 

5.1.  Introducción ... 117 

5.2.  Justificación y Objetivos Particulares ... 118 

5.3.  Difracción de Rayos X ... 119 

5.4.  Esfuerzos residuales ... 119 

5.4.1.  Métodos de Medición de Esfuerzos Residuales ... 120 

5.5.  Difracción de Rayos X: Ecuaciones Fundamentales ... 124 

5.5.1.  Desviación de   ... 126 

5.5.2.  Comportamiento lineal de    vs  sin  ... 127 

5.5.3.  Análisis Biaxial: El Método sin  ... 130 

5.6.  Medición de los Esfuerzos Residuales y el Difractómetro ... 131 

5.7.  Análisis de Resultados ... 134 

5.7.1.  Esfuerzos Residuales ... 134 

5.7.2.  Relación de los esfuerzos residuales con el agrietamiento superficial ... 139 

(9)

Conclusiones generales ... 142 

Investigaciones por Realizar ... 146 

Bibliografía... 148 

Anexo A.  Fotomicrografías de la Fase Fe2B ... 157 

Anexo B.  Perfiles de Microindentación Vickers en la Fase Fe2B ... 163 

Anexo C.  Modelos de Tenacidad a la Fractura,   ... 177 

A.1.  Modelos de tenacidad a la Fractura con una Temperatura Constante,  °  ... 177 

A.1.1.  Modelos con Carga,   ... 177 

A.1.2.  Modelos con Carga,   ... 178 

A.2.  Modelos de Tenacidad a la Fractura con una Temperatura Constante,  °  ... 179 

A.2.1.  Modelos con Carga,   ... 179 

A.2.2.  Modelos con Carga,   ... 181 

A.2.3.  Modelos con Carga,   ... 183 

A.3.  Modelos de Tenacidad a la Fractura con una Temperatura Constante,  °  ... 184 

A.3.1.  Modelos con Carga,   ... 184 

A.3.2.  Modelos con Carga,   ... 188 

A.3.3.  Modelos con Carga,   ... 191 

A.4.  Modelos de Tenacidad a la Fractura con Temperatura Constante,  °  ... 192 

A.4.1.  Modelos con Carga,   ... 192 

A.4.2.  Modelos con Carga,   ... 197 

A.4.3.  Modelos con Carga,   ... 200 

A.4.4.  Modelos con Cargas,   ... 203 

Ponencias en Congresos Nacionales ... 206 

Ponencias en Congresos Internacionales ... 207 

Publicaciones en Revistas Internacionales ... 208 

 

   

(10)

G

LOSAR)O DE 

S

ÍMBOLOS

 

 

a      Mitad de la diagonal de microindentación 

a, b, c      Parámetros de red de la celda unitaria 

A, Ao      Áreas de contacto con y sin esfuerzos residuales  A2      Acero herramental endurecido en aire 

Ag      Átomo de plata 

aik      Cosenos directores 

AISI‐1018  (American Iron and Steel Institute) Instituto americano del acero y 

del hierro, acero con 0.18% en peso de carbono 

Al      Átomo de aluminio 

Al2Cu      Estructura tipo del boruro de hierro Fe2B 

Am      Ancho de capa medio 

An      Ancho de cada aserración 

Ar      Átomo de argón 

ASTM  (American Standards of Testing Materials) Estándares Americano de 

pruebas de materials 

at%      (atomic percent) Contenido atómico en porcentaje 

Au      Átomo de oro 

B      Átomo de boro 

B2O3      Óxido de boro 

B4C      Carburo de boro 

BCT o bct  Celda unitaria tetragonal centrada en el cuerpo, por sus siglas en 

(11)

bct‐Fe3B  Boruro de hierro Fe3B con una celda unitaria tetragonal centrada en 

el cuerpo 

BFe      Estructura tipo del boruro de hierro FeB 

c      Suma de a + g 

c      Concentración del elemento 

C      Átomo de carbono 

CDS      Espacio obscuro del cátodo, por sus siglas en inglés 

Co  Concentración inicial uniforme de los átomos que se difunden en la  superficie del material 

cF4      Símbolo de Pearson de γ‐Fe 

CFe3      Estructura tipo de o‐Fe3B 

cI2      Símbolo de Pearson de δ‐Fe y de α‐Fe 

Cr      Átomo de cromo 

CrB, Cr2B    Boruro de cromo con distinta relación estequiométrica 

Cs  Concentración  constante  de  los  átomos  que  se difunden  en  la  superficie del material 

Cu      Átomo de cobre 

CVD      (Chemical Vapor Deposition) Depósito químico de vapor 

d      Espaciamiento interplanar 

D      Coeficiente de difusión o difusividad 

D1, D2     Acero herramental endurecido en aceite y en agua 

dm      Diagonales de la microindentación  E      Módulo de elasticidad o de Young 

(12)

f  Factor geométrico en el método de nanoindentación para esfuerzos  residuales 

erf()      Error función 

F1, F3      Acero herramental para propósitos especiales 

FCC      Celda unitaria centrada cúbica en las caras, por sus siglas en inglés 

Fe      Átomo de hierro 

FeB, Fe2B, Fe3B  Boruros de hierro con diferente relación estequiométrica 

Fe(N)      Nitruros de hierro con distinta relación estequiométrica 

Fm m     Grupo espacial de δ‐Fe en notación de Hermman‐Mauguin 

g      Longitud de grieta tipo Palmqvist 

GD      (Glow Discharge) Descarga lumínica 

GD‐CDP  (Glow Discharge Composition Depth Profiling) Perfil de composición  por descargas lumínicas 

GD‐MS  Espectroscopía de masas por descarga lumínica, por sus siglas en  inglés 

GDOES     Espectroscopía de emisión óptica por descarga lumínica 

h      Horas 

H10, H41    Acero herramental para altas temperaturas 

hkl      Índices de Miller 

hP4      Símbolo de Pearson del carbono 

HV      (Hardness Vickers) Dureza Vickers 

I4      Grupo espacial de t‐Fe3B en notación de Hermman‐Mauguin 

I4/mcm  Grupo espacial del boruro de hierro FeB en notación de Hermann‐

Mauguin 

(13)

ISE      Efecto del tamaño de indentación, por sus siglas en inglés 

ITESM      Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de Monterrey 

Jx, J      Flujo de difusión 

K  Pendiente de las curvas Raiz‐cuadrada‐del‐tiempo‐de‐tratamiento vs 

Am 

KIc  Factor de intensidad de esfuerzos crítico o tenacidad a la fractura en  modo I de agrietamiento 

Kσ      Constante acustoelástica 

KBF4      Criolita 

    Laplaciano de la función F(t) 

L1, L2      Acero herramental para propósitos especiales 

LHT      (Laser Heat Treatment) Tratamiento térmico por laser 

M1, M34    Acero herramental para altas velocidades con Mo 

Me      Elemento substitucional 

Mg      Átomo de magnesio 

Mo      Átomo de molibdeno 

n      Contador 

N      Átomo de nitrógeno 

Ni      Átomo de niquel 

Ni3P      Estructura tipo de t‐Fe3B 

NiB, Ni2B    Boruros de niquel con distinta relación estequiométrica 

O1, O6     Acero herramental endurecido en aceite 

o‐Fe3B     Boruro de hierro Fe3B con un sistema cristalino ortorrómbico 

(14)

P      Carga de indentación 

P(x,y,z)     Un punto localizado en (x,y,z) 

P5, P20    Acero herramental para moldes 

P63/mmc    Grupo espacial del C en notación de Hermman‐Mauguin 

Pb      Átomo de plomo 

Pnma      Grupo espacial de o‐Fe3B en notación de Hermman‐Mauguin 

Pnma  Grupo espacial del boruro de hierro FeB en notación de Hermann‐

Mauguin 

PVD      (Physical Vapour Deposition) Depósito físico de vapor 

q      Razón de pulverización 

Q      Energía de activación 

R      Constante universal de los gases,  . Jmol K  

s      Dominio s 

S      Átomo de azufre 

S1, S2, S3    Ejes de la muestra 

S2, S4      Acero herramental resistente al impacto 

SEPI IPN ESIME Zacatenco  Sección de Estudios de Posgrado del Instituto Politécnico  Nacional, Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica en 

Zacatenco 

Si      Átomo de silicio 

SiC      Carburo de silicio 

SIMS      Espectrometría de masa iónica secundaria, por sus siglas en inglés 

t‐Fe3B      Boruro de hierro Fe3B con un sistema cristalino tetragonal 

T2, T15    Acero herramental para altas velocidades con W 

(15)

tI32      Símbolo de Pearson de t‐Fe3B 

tn      Tiempo de incubación de cada proceso 

to      Tiempo final del tratamiento 

TP      Tratamiento termoquímico con polvos 

TPACK     Tratamiento termoquímico en paquete 

TPASTA    Tratamiento termoquímico con pasta 

TS      Tratamiento termoquímico con sales 

u      Crecimiento de la capa en (μm) 

UAM      Universidad Autónoma Metropolitana 

V, Vo      Velocidades de propagación 

W      Átomo de tungsteno 

W1, W5    Acero herramental endurecido en agua 

wt%      (weight percent) Contenido en peso en porcentaje 

α‐Fe      Hierro alfa, o ferrita 

γ‐Fe      Hierro gamma, o austenita 

      Derivada parcial de la concentración 

      Derivada parcial del tiempo 

      Derivada parcial de  la longitud 

∆ , ∆ ,      Diferenciales de longitud  δ‐Fe      Hierro delta 

εi      Deformaciones unitarias 

φ      Diámetro de la barra 

λ      Longitud de onda de los rayos X 

(16)

      Gradiente de concentraciones 

·       Divergencia de J  σij      Esfuerzos residuales 

ν      Módulo de Poisson 

θ      Ángulo de difracción de los rayos X 

ψ      Ángulo de inclinación de la incidencia del haz de rayos  

oC      Grados Celsius 

(17)

Í

ND)CE DE 

T

ABLAS

 

 

Tabla 1. Información cristalográfica de los boruros de hierro FeB y Fe2B, (4). ... 28 

Tabla 2. Información cristalográfica del acero al bajo carbono, (8). ... 30 

Tabla 3. Información cristalográfica del boruro de hierro Fe3B, (4). ... 33 

Tabla 4. Sistema numérico para identificar los distintos aceros. ... 42 

Tabla 5. Clasificación de los aceros herramentales. ... 43 

Tabla 6. Aceros borurados utilizando el proceso termoquímico de borurado. Donde: Ts=Termoquímico con  sales, Tp=Termoquímico con polvos, TPack=Termoquímico en paquete, y TPasta=Termoquímico con  pasta. ... 44 

Tabla 7. Relación de investigadores que han estudiado la cinética de crecimiento de los boruros de hierro  FeB y Fe2B. ... 46 

Tabla 8. Composición química del acero AISI‐1018, (75). ... 52 

Tabla 9. Clasificación numérica de las probetas cilíndricas. ... 54 

Tabla 10. Tamaño promedio del ancho de capa del boruro de hierro Fe2B en micras y sus respectivas  desviaciones estándar de las 20 probetas. ... 72 

Tabla 11. Tiempos de incubación y valores del coeficiente de difusión. ... 88 

Tabla 12. Coeficientes de difusión modificados. ... 90 

Tabla 13. Número de microindentaciones realizadas para distintas temperaturas, tiempos, y cargas. ... 97 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(18)

Í

ND)CE DE 

F

)GURAS

 

 

Figura 1. Diagrama de Equilibrio Termodinámico del Sistema Binario Fe‐B, (7). ... 29 

Figura 2. Celda unitaria del boruro de hierro Fe2B, A) vista lateral, B) vista superior. ... 31 

Figura 3. Celda unitaria del boruro de hierro FeB. ... 31 

Figura 4. Representación gráfica de la sección transversal de un acero AISI‐1018 posterior al proceso  termoquímico de borurado con pasta. Se muestra la formación de la fase Fe2B, la fase FeB, la zona de  difusión y el substrato de acero AISI‐1018. ... 45 

Figura 5. Fases formadas por medio del proceso termoquímico boronitrurado secuencial. Foto del M. en C.  Armando Gómez. ... 48 

Figura 6. Microscopio Óptico y Analizador de Imágenes. ITESM campus Estado de México. ... 56 

Figura 7. Fotomicrografía de la Fase Fe2B de la Probeta número 20. ... 57 

Figura 8. Formas de cráteres Diferentes Obtenidos Durante el Pulverizado de GD: a) Cóncavo, b) Convexo,  y c) Plano. ... 60 

Figura 9. Perfiles de concentración del hierro (Fe), boro (B), y del carbono (C) presentes en la fase Fe2B... 61 

Figura 10. Porosidad encontrada en la superficie de la fase Fe2B. ... 64 

Figura 11. Diferencia en el ancho de capa entre dos probetas. la figura a) es para un tratamiento con  T=850oC y tiempo=2 horas, mientras que la figura b) es de un tratamiento con T=1000oC y tiempo=8  horas. ... 70 

Figura 12. Medición del ancho de capa medio, estableciendo el valor medio de la suma de los anchos de  las cimas y simas de las aserraciones presentadas por la interfaz Fe2B‐substrato. ... 71 

Figura 13. Representación de los perfiles de concentración para un sistema de dos fases FeB y Fe2B. ... 81 

Figura 14. Representación gráfica de los anchos de capa medios para distintas temperaturas de la fase  Fe2B. ... 86 

Figura 15. Ley de crecimiento parabólico de la fase Fe2B. ... 88 

Figura 16. Coeficientes de difusión para la determinación de la energía de activación Q. ... 89 

Figura 17. Tipos de agrietamiento: Radial‐medio y Palmqvist. ... 93 

Figura 18. Microindentador Vickers. ITESM campus Estado de México. ... 96 

Figura 19. Microindentación Vickers con sus respectivas diagonales d1 y d2. ... 98 

Figura 20. Dos grietas de distintas microindentaciones se unen cuando las microindentaciones se  encuentran muy juntas. ... 99 

Figura 21. Representación gráfica de un perfil de durezas Vickers. ... 100 

Figura 22. Perfiles de durezas Vickers para distintos valores de temperatura, profundidad, tiempo, y carga  constante  . ... 101 

Figura 23. Perfiles de durezas Vickers para distintos valores de temperatura, profundidad, tiempo, y carga  constantes  . ... 101 

(19)

Figura 25. Relación del número de grietas generadas por la microindentación Vickers a distintas  profundidades y cargas. En cada figura, el primer conjunto de barras verticales representa la  profundidad a la cual se realizaron las microindentaciones, mientras que el segundo conjunto 

representa el número de microindentaciones obtenidas. ... 105 

Figura 26. Variables por considerar en la medición del agrietamiento tipo Palmqvist. ... 105 

Figura 27. Perfil de microindentaciones Vickers. Se muestra el cambio en el área de indentación en función  de la profundidad. ... 109 

Figura 28. El ancho de la fase Fe2B es muy pequeña por lo cual no todas las indentaciones caben en ella.   ... 109 

Figura 29. Perfiles de dureza Vickers en función de la carga, tiempo, profundidad, y temperatura constante   ° . ... 110 

Figura 30. Perfiles de dureza Vickers en función de la carga, tiempo, profundidad, y temperatura constante   ° . ... 111 

Figura 31. Perfiles de dureza Vickers en función de la carga, tiempo, profundidad, y temperatura constante    ° . ... 112 

Figura 32. Dirección de propagación de las grietas generadas por la microindentación Vickers en la parte  homogénea de la fase Fe2B. ... 113 

Figura 33. Agrietamiento generado por microindentaciones cercanas a la superficie con altos niveles de  carga (i.e.   y  ). Estas grietas son del tipo catastrófico. ... 114 

Figura 34. Modelos de tenacidad a la fractura por microindentación Vickers. ... 115 

Figura 35. A) Difractómetro de rayos X, especializado en la medición de esfuerzos residuales, B)  Goniómetro y probeta borurada. ... 132 

Figura 36. Máquina de electropulido. ... 133 

Figura 37. Micrómetro o dial eléctrico. ... 133 

Figura 38. Perfil de esfuerzos residuales de la fase Fe2B en la probeta 2 y 3. ... 135 

Figura 39. Perfil de esfuerzos residuales de la fase Fe2B en la probeta 4 y 5. ... 135 

Figura 40. Perfil de esfuerzos residuales de la fase Fe2B en la probeta 6 y 7. ... 135 

Figura 41. Perfil de esfuerzos residuales de la fase Fe2B en la probeta 8 y 9. ... 136 

Figura 42. Perfil de esfuerzos residuales de la fase Fe2B en la probeta 10 y 11. ... 136 

Figura 43. Perfil de esfuerzos residuales de la fase Fe2B en la probeta 12 y 13. ... 136 

Figura 44. Perfil de esfuerzos residuales de la fase Fe2B en la probeta 14 y 15. ... 137 

Figura 45. Perfil de esfuerzos residuales de la fase Fe2B en la probeta 16 y 17. ... 137 

Figura 46. Perfil de esfuerzos residuales de la fase Fe2B en la probeta 18 y 19. ... 137 

Figura 47. Perfil de esfuerzos residuales de la fase Fe2B en la probeta 20. ... 138 

Figura 48. Parte homogénea de la fase del boruro de hierro Fe2B. ... 139 

(20)

R

ESUMEN

 

 

En el presente trabajo doctoral se forman fases de boruros de 

hierro (Fe2B) en la superficie de aceros al bajo carbón AISI‐1018 por 

medio del proceso de borurización con pasta. La formación de las 

fases Fe2B se llevó a cabo considerando diversos parámetros de 

tratamiento como son el ancho de la pasta de carburo de boro 

(4mm), la presencia de elementos aleantes en el acero (0.18 % en 

peso en carbono), los tiempos de tratamiento (2, 4, 5, 6, y 8 h), así  como las temperaturas del proceso (850o, 900o, 950o, y 1000oC). 

Una vez formadas las fases de boruros de hierro (Fe2B) se procedió 

con el estudio de la cinética de crecimiento, por el cual se midieron 

los tamaños de capas medios utilizando microscopía óptica y un 

analizador  de  imágenes.  El  contenido  de  elementos  aleantes  presentes  en  la  capa  fue  analizado  utilizando  un  método  de 

espectroscopía  (GDOES),  aquí  se  obtuvieron  perfiles  de 

concentración en función de la profundidad. Posteriormente, se  realizó la caracterización mecánica de las fases por medio de la 

microindentación Vickers para establecer los niveles de dureza y 

tenacidad a la fractura en distintas profundidades de la capa, así  como  también  los  niveles  de  esfuerzos  residuales  utilizando  el 

método  de  difracción  de  rayos  X.  La  tenacidad  a  fractura  se  determinó  utilizando  cuatro  modelos  de  agrietamiento  tipo 

Palmqvist, siendo el modelo de Laugier el más idóneo para este 

proceso de borurización. Con los perfiles de esfuerzos residuales es  posible  interpretar  el  comportamiento  de  la  propagación  del 

agrietamiento superficial en las secciones transversales de las capas 

por medio de la microindentación Vickers.  Los resultados obtenidos  proveen la información necesaria para la correcta aplicación de los 

aceros borurados. 

(21)

A

BSTRACT

 

 

In this work iron boride phases (Fe2B) are formed at the surface of 

low‐carbon steels (AISI‐1018) applying the paste boriding process. 

The  formation  of the  Fe2B phases  was  carried  out  considering 

different treatment parameters such as the   boron carbide paste  thickness (4mm), the alloying elements present in the steel (0.18 

wt% C), the treatment times (2, 4, 5, 6 and 8h), and the process 

temperatures (850o, 900o, 950o and 1000o). In order to analyze the  kinetic behavior of the front growth, it was necessary to measure 

the mean thickness of the phases by means of optical microscopy 

and  an  image  analyzer.  The  alloying  elements  content  was 

measured using the Glow Discharge Optical Emission Spectroscopy, 

obtaining the content of each alloying element in different depths.  

Later,  a  mechanical  characterization  of  the  Fe2B  phases  was 

developed by means of the Vickers microindentation in order to 

establish  the  hardness  and  the  fracture  toughness  in  different  depths  of  the  layer,  what  is  more  the  residual  stresses  were 

measured  using  the  X  ray  diffraction  method.  The  fracture 

toughness was determined applying four different Palmqvist‐crack  models, being the Laugier model the most  appropriate for this 

boriding process. With the residual stresses it is possible to interpret 

the behavior of the surface crack propagation produced by Vickers 

microindentation. The results give valuable information to correctly 

apply the borided steels. 

(22)

)

NTRODUCC)ÓN

 

 

El borurado con pasta es un tratamiento termoquímico que tiene 

como finalidad la modificación superficial de materiales metálicos y 

cerámicos  por  medio  de  la  difundiendo  de  átomos  de  boro, 

formado así, fases de boruros de hierro FeB, Fe2B, y Fe3B. Estas 

fases de boruros de hierro presentan características especiales, 

como  alta  dureza,  alta  resistencia  a  la  corrosión  y  mejores 

propiedades mecánicas antes distintas cargas. Las durezas de los  boruros de hierro alcanzan los 2000 HV siendo mayores a los valores 

presentados por los tratamientos de carburización, nitruración y o 

procesos  multicomponenciales.  Por  lo  tanto,  se  requiere  de  su 

caracterización mecánica para darles una correcta aplicación. 

El proceso termoquímico mencionado es utilizado en la industria  para reforzar superficialmente piezas metálicas o cerámicas en lugar 

de sustituirlas completamente por otros materiales. Este proceso es 

de gran utilidad, por su sencillez, rapidez, y accesibilidad en costo.  

Este trabajo estudia el efecto que tienen los esfuerzos residuales en 

la  propagación  de  grietas  superficiales  para  identificar  zonas 

potenciales de falla, y así implementar métodos que incrementen la 

resistencia de las fases creadas. 

Para realizar la caracterización mecánica, se utiliza el método de  fractura por microindentación Vickers, el cual es una técnica fácil de 

implementar para evaluar la tenacidad a la fractura de las capas 

superficiales. Esta técnica requiere de un microindentador Vickers  para generar microindentaciones y al mismo tiempo agrietamiento 

superficial, que sirven para evaluar los niveles de dureza y tenacidad 

a la fractura de las fases, respectivamente. 

Para  evaluar la tenacidad a  la  fractura se  utiliza  el modelo de 

agrietamiento tipo Palmqvist, el cual es utilizado comúnmente en la 

(23)

cerámicos. Este modelo se fundamenta en conceptos clásicos de la  Mecánica de la Fractura Lineal Elástica (LEFM).   Los modelos de 

agrietamiento tipo Palmqvist para evaluar la tenacidad a la fractura 

de la fase Fe2B en aceros AISI 1018 utilizados, son: Modelo de 

Laugier, Modelo de Niihara, Modelo de Niihara et al, y el Modelo de 

Shetty et al

Una  vez  obtenidos  los  valores  de  tenacidad  a  la  fractura,  se 

determinan los perfiles de esfuerzos residuales presentes en las 

capas  por el método de  difracción de rayos  X.  Los  valores  de  tenacidad a la fractura y los perfiles de esfuerzos residuales se 

relacionan para interpretar el comportamiento del agrietamiento 

superficial tipo Palmqvist así como la dirección de propagación que  toman estas grietas. 

O

BJET)VO 

G

ENERAL

 

Analizar e interpretar el comportamiento de la propagación del 

agrietamiento superficial de la fase Fe2B formada en la superficie de 

aceros al bajo carbono AISI 1018, por medio de la cinética   de 

crecimiento,  de  valores  de  dureza,  tenacidad  a  la  fractura  y 

esfuerzos residuales. La fase Fe2B se forma en la superficie del acero 

por medio del proceso de borurización con pasta. 

El estudio del agrietamiento superficial de la fase de boruro de 

hierro sirve para  establecer los tipos y niveles de esfuerzos  a los  que puede estar sujeta la fase ante distintas aplicaciones mecánicas. 

(

)PÓTES)S 

G

ENERAL

 

Al formar fases de boruros de hierro en una matriz metálica (AISI‐

1018) se introducen átomos de boro en la red cristalina del acero, 

estos átomos se colocan en sitios intersticiales provocando una 

reacción química entre los átomos de boro y los de hierro formando 

así los boruros de hierro. Además, durante la difusión se distorsiona  la estructura cristalina del acero generando esfuerzos residuales en 

(24)

gradientes de dureza y tenacidad a la fractura a lo ancho de la fase,  Así  mismo,  se  estima  que  se  presenten  esfuerzos  residuales 

compresivos  en  la  fase  Fe2B,  sin  embargo  se  desconoce  la 

distribución y los niveles de dichos esfuerzos. Se atribuye a los 

esfuerzos  residuales, a los cambios de  dureza y tenacidad a  la 

fractura el comportamiento en el crecimiento y propagación del  agrietamiento superficial generado por microindentación Vickers en 

la fase Fe2B. En resumen, este trabajo evalúa la influencia de los 

esfuerzos residuales, de la dureza, y la tenacidad a la fractura en el  agrietamiento superficial de las fases de boruros de hierro Fe2B. 

L

UGARES DE TRABAJO

 

Las pruebas experimentales se realizaron en las instalaciones de las 

siguientes  universidades,  empresas  privadas  y  centros  de 

investigación: 

EL P R O C E S O T E R M O Q U Í M I C O 

¾ En el Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de 

Monterrey  (ITESM‐campus  Ciudad  de  México),  se 

maquinaron moldes de acrílico para colocar la pasta 

de carburo de boro alrededor de las piezas de acero  AISI‐1018. 

¾ En la Universidad Autónoma Metropolitana (UAM) 

campus Azcapotzalco, D.F. México, se realizó el corte  de las piezas cilíndricas, y el proceso termoquímico 

de borurización con pasta.  • EL P R O C E S O M E T A L O G R Á F I C O 

¾ En la Universidad Autónoma Metropolitana (UAM) 

campus Azcapotzalco, D.F. México, se realizó el corte 

de las piezas cilíndricas boruradas ya que su tamaño 

era muy grande como para ser montadas, por lo cual 

se cortaron en cuatro partes iguales utilizando una  cortadora eléctrica. 

¾ En  el  Instituto  Politécnico  Nacional  (IPN)  ESIQIE 

(25)

metalografía  se  desbastaron,  pulieron  y  atacaron  químicamente todas las piezas. 

EL P R O C E S O D E M I C R O I N D E N T A C I Ó N 

¾ En el Instituto Tecnológico de Estudios Superiores de 

Monterrey  (ITESM‐campus  Estado  de  México),  se 

realizaron  todas  las  microindentaciones  con  un  microindentador  Vickers  y  se  obtuvieron 

fotomicrografías con un microscopio óptico.  • ME D I C I Ó N D E E S F U E R Z O S R E S I D U A L E S 

¾ En  la  empresa  SanLuis‐Rassini  en  Piedras  Negras, 

Coahuila,  México  se  obtuvieron  los  perfiles  de 

esfuerzos residuales de la fase Fe2B de las distintas 

piezas  utilizando  un  difractómetro  de  rayos  X 

especializado en la medición de esfuerzos residuales  

superficiales y subsuperficiales. 

(26)

Capítulo 1.

      

F

ASES DE 

B

ORUROS DE 

(

)ERRO

:

 

F

E

B,

 

F

E

B

 Y 

F

E

 

. .

)

NTRODUCC)ÓN

 

 

La mayoría de las piezas de acero de uso estructural, herramental y 

de  maquinaria  sufren  deterioro  en  sus  propiedades  mecánicas  durante su uso. Para disminuir el efecto de esfuerzos externos en 

las piezas se han utilizado métodos alternativos a la sustitución total 

de las mismas, como es el proceso de reforzamiento superficial.  Estos procesos no sólo aumentan el tiempo de vida útil de los 

componentes  de  acero  sino  que  también  mejoran  su 

comportamiento mecánico ante cargas de diversa índole. 

Los  procesos  de  reforzamiento  superficial  pueden  catalogarse 

principalmente en dos tipos: 1) Depósito de capas de un material  sobre una matriz, que en este caso es de acero al bajo carbono, y 2) 

Difusión de átomos de algún elemento en la superficie de la matriz 

del acero para mejorar sus características mecánicas. La selección  del compuesto o elemento por difundir depende principalmente de 

las características mecánicas y aplicaciones que se deseen obtener. 

En este trabajo se difunden átomos de boro en la superficie del  acero AISI‐1018 debido a la alta dureza que presentan las fases 

formadas en la superficie de los aceros. Durante el proceso de 

difusión los átomos de boro se ubican en la red cristalina del hierro  colocándose en los sitios intersticiales, produciendo una reacción 

química entre los átomos de hierro y de boro dando lugar a la 

nucleación y crecimiento de nuevos granos de boruros de hierro 

(27)

hierro dependerá de la concentración de átomos de boro presentes  en la red cristalina del hierro. 

Los boruros de hierro forman parte de un grupo de metales duros  refractarios, de los cuales se encuentran también los carburos y los 

nitruros (1). 

 

. .

J

UST)F)CAC)ÓN Y OBJET)VOS 

PART)CULARES

 

En la actualidad existen diversos procesos o técnicas para reforzar 

superficialmente aceros o materiales cerámicos produciendo capas 

superficiales con distintas  características  físicas y  mecánicas. Lo  anterior hace necesario conocer las ventajas y las desventajas de 

dichos procesos y así aplicar aquellos que se adecuen a nuestras  

capacidades  técnicas  y  requerimientos  de  aplicación.  En  consecuencia, en este capítulo se estudian y analizan resultados 

obtenidos por investigadores a nivel mundial sobre los boruros de 

hierro,  tanto  el  proceso  de  formación  de  las  fases  como  sus 

propiedades cristalográficas y mecánicas. 

 

. .

P

ROP)EDADES CR)STALOGRÁF)CAS 

DE LAS FASES 

F

E

B,

 

F

E

B,

 Y 

F

E

 

El  boruro  de  hierro  Fe2B  tiene  una  estructura  cristalina  tipo 

Tetragonal Centrada en el Cuerpo (BCT, por sus siglas en inglés), con  una estructura tipo a la del Al2Cu. Esta estructura es comúnmente 

encontrada en los boruros metálicos y puede representarse por  medio de la siguiente fórmula general M2B, donde M representa el 

metal. Los parámetros de la red del boruro de hierro Fe2B son: 

(28)

datos cristalográficos de los boruros de hierro FeB y Fe2B. En las 

referencias  (2)  y  (3)  se  presenta  una  gran  colección  de  datos 

cristalográficos relacionados con los boruros de hierro.  

 

TABLA 1. INFORMACIÓN CRISTALOGRÁFICA DE LOS BORUROS DE HIERRO FEB Y FE2B, 

(4). 

FeB  Fe2B 

Parámetros de red  Parámetros de red 

a = 0.5502nm  a = 0.5109nm 

b = 0.2947nm  c = 0.4249nm 

c = 0.4058nm    

Estructura tipo  Estructura tipo 

BFe  Al2Cu 

Símbolo de Pearson  Símbolo de Pearson 

oP8  tI12 

Grupo Espacial  Grupo Espacial 

Pnma  I4/mcm 

 

Existe una gran variedad de estructuras cristalinas en los boruros,  de los cuales muchos se caracterizan por tener una distancia metal‐

boro  corta.  En  los  boruros  de  hierro,  la  distancia  hierro‐boro 

permanece constante mientras que las distancias hierro‐hierro y  boro‐boro  varían  considerablemente.  Esta  característica  en  la 

distancia hierro‐boro sugiere una interacción persistente entre el  metal  y  el  metaloide  (boro).  Este  efecto  fue  observado  por 

Shashkina (1971) (5) utilizando un espectrómetro de emisión de 

rayos X en boruros de manganeso, concluyendo que el aumento en  el contenido de boro indica un aumento en el carácter covalente y 

(29)

 

FIGURA 1. DIAGRAMA DE EQUILIBRIO TERMODINÁMICO DEL SISTEMA BINARIO FE‐B, 

(7). 

Los boruros de hierro, como son el Fe2B (que también es llamado 

sub‐boruro de hierro) y el FeB (monoboruro de hierro) pertenecen a  la  clase  de  compuestos  intersticiales  formados  por  pequeños 

átomos metaloides colocados en los intersticios de la red cristalina  de átomos más grandes pertenecientes a los metales de transición, 

lo que ocasiona que se distorsione la red de hierro. La distorsión es 

mayor conforme aumenta el contenido de boro. El hierro presenta  una  estructura  cristalina  cúbica  que  cambia  con  respecto  a  la 

temperatura  y  a  la  concentración  de  carbono,  algunos  datos 

[image:29.612.222.486.95.453.2]
(30)

TABLA 2. INFORMACIÓN CRISTALOGRÁFICA DEL ACERO AL BAJO CARBONO, (8). 

Fase  Composición wt% C  Símbolo de Pearson  Grupo Espacial 

(δ‐Fe)  0 a 0.09  cI2  Im m 

(γ‐Fe)  0 a 2.1  cF4  Fm m 

(α‐Fe)  0 a 0.021  cI2  Im m 

( C )  100  hP4  P63/mmc 

 

El diagrama de equilibrio termodinámico del sistema binario Fe‐B 

(7)  que  se  presenta  en  la  Figura  1  muestra  las  distintas 

transformaciones del Fe con el B. La parte de mayor uso para este  trabajo   se encuentra en la sección inferior izquierda, donde se 

muestra el rango de temperaturas y composición utilizada en este 

proceso. El diagrama de fases indica que para bajas concentraciones 

de boro a temperatura ambiente se presenta una mezcla de α‐Fe ‐ 

Fe2B. 

En el caso de las fases de boruros de hierro se tiene que la fase Fe2B 

es tetragonal mientras que la fase FeB es ortorrómbica, ver Tabla 1. 

El enlace entre los átomos de hierro y boro es también metálico  siendo más fuerte en Fe2B que en FeB. La diferencia entre los dos 

compuestos radica en que no existe interacción boro‐boro en la fase 

Fe2B, pero existe significante interacción boro‐boro en la fase FeB 

produciendo un zigzagueo lineal a lo largo de las cadenas (9). En las 

Figura 2 y Figura 3 se presentan las estructuras cristalinas de las 

(31)

FIGURA

 

Los bor puntos  ferroma los met ferroma fase Fe hierro (

A 2. CELDA UN

FIGURA 3

ruros de hi de  fusión  agnéticos y 

tales (9). Se agnéticas y l

2B, así como

6).  

ITARIA DEL BOR VIST

. CELDA UNITA

erro son ex son  simila presentan c

 han realiza a determina o las propie

RURO DE HIERRO TA SUPERIOR. 

RIA DEL BORUR

xtremadame res  a  los  d conductivida ado estudios ación de la te edades magn

O FE2B, A) VIST

 

O DE HIERRO F

ente frágile del  hierro,  ad eléctrica 

s sobre las 

emperatura néticas de l

TA LATERAL, B)

EB. 

s aunque s también  s y brillo com característic

 de Curie de os boruros 

  sus  on  mo  cas 

(32)

Los boruros de hierro proveen un ejemplo de la modificación de las  propiedades  físicas  y  electrónicas  de  un  metal  por  adición 

intersticial de átomos metaloides pequeños (9) en la red cristalina, 

ya que la inclusión intersticial de átomos de elementos metaloides 

aumenta significativamente las propiedades mecánicas del material. 

Martini et al (10) presentaron un estudio sobre el crecimiento y la  cristalografía de las fases Fe2B y FeB. En el cual difundieron átomos 

de boro en la superficie de un hierro puro 99.9% en peso. El análisis 

de rayos X dio los siguientes resultados: 

1. La fase  Fe2B es la primera en formarse y tiene las tres 

siguientes características: 

• Los  cristales  aciculares  del  Fe2B  crecen 

preferencialmente  en  la  dirección  [001] 

principalmente paralelos a la superficie de reacción, 

formando una capa superficial. 

• Cuando la superficie es cubierta, un número mayor 

de cristales de Fe2B crecen adyacentemente los unos 

a los otros causando que el crecimiento se dé hacia el 

interior del metal con una forma columnar. 

• Finalmente, un número mayor de cristales Fe2B se 

crean orientados en la dirección [001] que es el eje 

de crecimiento más fácil y normal a la superficie. 

2. En el caso de capas polifásicas creadas con alto contenido en  boro, la densidad de la capa más externa FeB formada por la 

reacción entre la fase Fe2B y el boro activo está determinada 

por la dureza de la textura de la cristalografía de las regiones  reactantes Fe2B. 

 

Por otro lado, durante el proceso de difusión se puede presentar la 

fase  Fe3B,  que  es  un  compuesto  binario  hierro‐metaloide  que 

cristaliza en dos fases: tetragonal centrado en el cuerpo (bct‐Fe3B) y 

el ortorrómbico (o‐Fe3B), en la Tabla 3 se presentan algunos datos 

(33)

TABLA 3. INFORMACIÓN CRISTALOGRÁFICA DEL BORURO DE HIERRO FE3B, (4). 

o‐Fe3B  t‐Fe3B 

Parámetros de red  Parámetros de red 

a = 0.5428nm  a = 0.8655nm 

b = 0.6699nm  c = 0.4297nm 

c = 0.4439nm    

Estructura tipo  Estructura tipo 

CFe3  Ni3P 

Símbolo de Pearson  Símbolo de Pearson 

oP16  tI32 

Grupo Espacial  Grupo Espacial 

Pnma  I4 

 

Esta  fase  no  se  presenta  como  una  capa  sino  se  encuentra 

puntualmente distribuida en la fase Fe2B. El gran interés del estudio 

por la fase Fe3B radica en las aplicaciones que tiene la fase meta‐

estable bct‐FeB ya que posee propiedades magnéticas que fueron 

estudiadas por Kong et al (11). 

Todas las fases Fe3B divididas en dos estructuras son meta‐estables 

a  baja  temperatura  y  sus  estructuras  cristalinas  han  sido 

completamente estudiadas. La fase Fe3B ortorrómbica se cree que 

es menos estable que la fase tetragonal. La estructura bct‐Fe3B es 

considerada  como  empaquetada  debido  al  alto  número  de 

coordinación presente en las celdas unitarias (11).  

 

. .

M

ÉTODOS DE 

D

)FUS)ÓN DE 

ÁTOMOS DE BORO

 

 

. . .

)

NTRODUCC)ÓN

 

Existen distintos métodos para difundir átomos de un elemento en  una matriz ya sea metálica o cerámica. Entre éstos destacan los 

procesos  termoquímicos  por  su  facilidad,  bajo  costo  y  amplia 

(34)

métodos más costosos por el equipo que se utiliza en el proceso de   difusión, como los métodos de PVD (Physical Vapour Deposition), de 

plasma y rayos laser. Entre los más comunes y de más uso está el 

proceso CVD (Chemical Vapour Deposition). 

A continuación se describen algunos de los procesos mencionados. 

. . .

P

ROCESO TERMOQUÍM)CO

 

Los procesos termoquímicos consisten en colocar un compuesto 

reactivo en forma líquida o sólida sobre la superficie de un material  metálico o cerámico, elevando la temperatura en un rango que 

depende  del  soluto  y  del  solvente,  para  que  los  átomos 

incrementen  su  energía  cinética  y  logren  obtener  la  energía  necesaria para activar el proceso de difusión colocándose en los 

intersticios de la red cristalina del material utilizado como matriz. 

Generalmente  se  utilizan  polvos  de  carburo  de  boro  B4C  con 

carburo de silicio SiC y criolita KBF4 como activador. El componente 

gaseoso BF3 es  producido por la  descomposición  térmica de la 

criolita KBF4, y se asume que activa el proceso de borurización. Ha 

sido probado que la presencia de altas cantidades de oxígeno va en 

detrimento del proceso de borurización debido a la fácil formación  de óxidos de boro B2O3 de baja fusión provocando una gran pérdida 

de boro activo y la aglomeración de las partículas del polvo (12), por 

lo cual se sustituye el oxígeno por un gas inerte como el argón Ar de  alta pureza. 

Durante el proceso termoquímico de borurización se forman dos 

fases: una fase interna Fe2B que limita con el substrato y una más 

externa FeB que se encuentra en la superficie. Las propiedades 

mecánicas de estas fases presentan diferencias considerables que  se explican bajo la base del orden cristalográfico de los boruros de 

hierro. La resistencia al desgaste inicialmente pobre se debe a la 

presencia  de  una  capa  muy  frágil  constituida  por  cristales  desordenados. Entonces la resistencia aumenta hasta un máximo 

valor en regiones compactas, y altamente ordenadas de cristales de 

(35)

El borurado puede realizarse cubriendo el acero o el cerámico con  polvos activados, con pasta de carburo de boro o con un baño de 

sales consistiendo en bórax, ácido bórico y ferro‐silicio (14), (15), 

(16). 

 

. . .

P

ROCESO DE 

D

)FUS)ÓN POR 

P

LASMA

 

Un plasma de descarga lumínica puede ser definido como la región 

en presión relativamente baja y un gas de alta temperatura en el 

cual el grado de ionización en un estado cuasi‐neutro es sostenido  por la presencia de electrones  energéticos.  El carácter  de este 

plasma es la consecuencia de la diferencia de masas entre los 

electrones y los iones. Cuando un campo eléctrico es aplicado a un  gas  ionizado,  la  energía  es  transferida  más  rápidamente  a  los 

electrones que a los iones. Además, la transferencia de energía 

cinética de un electrón a una partícula pesada (átomos, moléculas o 

iones) en colisiones elásticas es proporcional a la relación de masas 

electrón/partícula‐pesada  y  por  lo  tanto  ésta  es  muy  pequeña 

~ . En consecuencia, a bajas presiones (frecuencia baja de 

colisiones)  los  electrones  libres  pueden  acumular  la  suficiente  energía  cinética  para  aumentar  su  probabilidad  de  generar 

excitación o ionización durante las colisiones con  las  partículas 

pesadas. La producción de estas especies excitadas y su interacción  con superficies y capas es la razón por la cual plasmas de descarga 

lumínica de baja presión son utilizadas en el procesamiento de 

materiales.  Existen diversos métodos de aplicación de plasmas para 

generar  superficies  o  depósitos.  En  relación  con  el  depósito  o 

difusión de átomos de boro, en las siguientes referencias se aplican  estos métodos de difusión:   borurado con pasta activado por un 

plasma (17) y (18); borurado activado con un arco de transferencia 

para generar plasma (19) y (20); un reactor de cama fluida de  carburo de boro con plasma (21); y borurado en paquete por el 

método SPS (22). 

(36)

. . .

D

)VERSOS PROCESOS DE D)FUS)ÓN

 

Existen otros métodos para difundir o depositar átomos de boro, sin 

embargo éstos se caracterizan por ser complejos y costosos por el  equipo que utilizan, como por ejemplo: 

• Tratamientos térmicos por laser (LHT):  (23), (24), y (25)  • Por medio de electrólisis de sales fundidas en electrolitos de 

bórax (26) y (27) 

• PVD y CVD, entre otros. 

 

. .

P

ROCESO DE 

D

)FUS)ÓN DE ÁTOMOS 

DE BORO

 

 

. . .

N

UCLEAC)ÓN Y 

C

REC)M)ENTO DE LAS 

F

ASES

 

Para explicar el crecimiento columnar de los boruros de hierro, 

Palombarini et al (28) propusieron un modelo llamado “canal de  difusión” para la penetración del boro activado a través de los 

cristales de Fe2B, a lo largo de la dirección cristalográfica [001] en la 

superficie del material. En el cual mencionan que este modelo no es 

capaz de explicar los siguientes resultados: las capas de boruros 

pueden crecer 1) bajo o nulo crecimiento columnar en la interface  Fe2B/Fe en contra de una orientación preferencial de Fe2B en el 

plano (002), 2) columnaridad interfacial en ausencia de texturas 

cristalográficas.  

Además hace énfasis en que la difusión del boro activo a lo largo de 

los granos o fronteras de los cristales, microgrietas y otros posibles  caminos  de  fácil  difusión  a  través  de  los  boruros  deben  ser 

considerados, aun si parece ser razonable que la dirección [001] 

debe ser un camino sencillo para la difusión del boro a través de la  red  Fe2B.  En  las  puntas  de  la  interface  de  Fe2B,  existe  gran 

reactividad que es sumada localmente a la reactividad del material 

(37)

como concentraciones de cromo Cr mayores  a 5.65wt% fueron  capaces  de  aplanar  apreciablemente  la  interface  de  Fe2B/Fe. 

Palombarini et al (28) concluyeron lo siguiente: 

1. Aceros  de  alta  aleación  despliegan  una  gran  reactividad 

hacia el boro. La morfología de la interface Fe2B/Fe aparece 

ser columnar para materiales de baja aleación, en lugar de  ser redondeados como en hierros puros son casi planos en 

materiales altamente aleados. 

2. Los  elementos  de  aleación  pueden  influir  en  distintas  formas, modificando la composición de los aleantes base y la 

superficie de los boruros. Además, su redistribución lleva 

composiciones de aleantes,  el cual cerca de  la  interface  Fe2B/Fe  puede  ser  enriquecido  por  elementos  aleantes 

como el niquel Ni o disminuidos por el cromo Cr. La misma 

redistribución lleva a los boruros a que cerca de la interface 

contengan bajo contenido en niquel y alto contenido en 

cromo. 

 

Los boruros de hierro son compuestos muy interesantes ya que 

tienen propiedades típicas de materiales cerámicos especiales (muy  alta dureza, alrededor de los 2000 HV), (HV, por sus siglas en inglés 

Hardness  Vickers  que  significa  Dureza  Vickers)  junto  con 

propiedades  metálicas  (térmicas y conductividad eléctrica,  entre 

otras). Durante la etapa inicial de crecimiento, Fe2B se nuclea en los 

puntos más reactivos de la superficie del material: macrodefectos  como la rugosidad superficial, rayones, etc.; microdefectos como los 

límites  de  grano,  dislocaciones,  etc.  Bajo  condiciones  de  baja 

reactividad hierro‐boro, estos puntos son los únicos en reaccionar  dando lugar a un aumento en el número de islas de productos 

reactivos.  Esto  prueba  que  las  reacciones  con  boro  proceden 

principalmente de las islas (29). 

Cuando el potencial de boro del medio es alto, aún puntos con 

(38)

capas continuas también pueden ser obtenidas con un potencial de  boro bajo. 

El  crecimiento  de  capas  continuas  de  boruros  de  hierro  es 

generalmente  reconocido  como  un  proceso  controlado  por  la 

difusión. En Fe2B, la dirección cristalográfica [001] es el camino más 

corto a seguir para la difusión del boro en la red; en la red bct‐Fe2B, 

de hecho, la densidad atómica del boro es máxima a lo largo de esta 

dirección. La difusión más  sencilla a lo  largo [001]  favorece  un 

aumento progresivo en el número de cristales de Fe2B el cual crecen 

en las capas con la dirección [001] alineada al gradiente de boro. 

En  el  caso  de  capas  boruradas  polifásicas,  el  mecanismo  de 

crecimiento de FeB en Fe2B es similar al de Fe2B en el substrato. De 

hecho, FeB generalmente crece con una orientación preferencial 

(002) el cual progresivamente se refuerza en la interface FeB/Fe2B. 

Por lo tanto, un mecanismo acicular puede ser propuesto para el 

crecimiento columnar de FeB. Vale la pena notar que para la misma 

capa, la columnaridad es menor en la interface FeB/Fe2B que en la 

interface  Fe2B/substrato.  Esto  puede  deberse  a  las  diferencias 

existentes en las propiedades mecánicas de las fases presentes. FeB 

es una fase muy dura creciendo en una matriz dura Fe2B, mientras 

que Fe2B crece en una matriz dúctil. Estas diferencias pueden llevar 

a un estado local de esfuerzos y a distorsiones en la red en las 

interfaces.   

. . .

)

NFLUENC)A DE LOS 

E

LEMENTOS 

A

LEANTES EN 

EL 

P

ROCESO DE 

D

)FUS)ÓN DEL 

B

ORO

 

 

Los perfiles de concentración desarrollados durante el proceso de 

borurado  encontrados  por  Goeuriot  (30)  revelan  distintos  comportamientos: el carbono se desplaza hacia la matriz y el niquel 

segrega hacia la superficie, mientras que el cromo es escasamente 

afectado. La segregación del niquel hacia la superficie en actividades 

de alto carbono disminuye drásticamente el éxito del borurado de 

(39)

El tratamiento superficial por borurado es usualmente utilizado en  aceros para mejorar la resistencia al desgaste por fricción y a la 

corrosión. Sin embargo el borurado de aceros aleados es conocido 

por ser difícil. 

Métodos de borurado muy reactivos producen una formación de 

poca calidad, dos fases FeB/Fe2B en aceros al carbono. Para obtener 

mejores resultados se forma una fase simple Fe2B con un agente de 

borurado B4C en polvo con un activador moderado BF3 y (BOF)3 (30). 

Esta técnica permite la formación de una capa acicular Fe2B en 

aceros al carbono. En aceros al bajo y al medio carbono una muy 

fina capa de dos fases FeB y Fe2B pueden ser observadas en la 

superficie. La morfología acicular de las capas boruradas fue sólo  desarrollada  en  aceros  al  bajo  y  medio  carbono.  Con 

concentraciones del 1 wt%C y 2 wt%C en aceros al carbono forman 

capas relativamente planas Fe2B. La influencia de los elementos 

como el cromo y el niquel en el borurado de aceros altamente 

aleados puede interpretarse sobre la base de la actividad del boro y  de la estructura cristalina de los boruros (Fe2B, Ni2B y Cr2B son 

isomorfos) y pueden por lo tanto formar soluciones sólidas mientras 

que FeB, NiB y CrB poseen una estructura cristalina diferente. 

La actividad del boro gobierna la naturaleza de las fases boruradas 

(FeB y Fe2B en aceros al carbono) ya que mientras  decrece  la 

actividad del boro sólo un tipo de boruro aparece Fe2B, (30). 

La influencia de los elementos aleantes en el ancho de la capa 

puede  ser  explicado  considerando  que  el  cromo  entra  preferencialmente en los boruros de hierro, desplazando la base 

inferior  del  aleante,  mientras  que  el  niquel  tiene  una  mayor 

tendencia a disolverse en los boruros de hierro, y por lo tanto, a  concentrarse debajo de las capas de boruros, (30). 

La concentración de un elemento substancial en la capa puede 

modificar la difusividad del boro activo, por otro lado, el fenómeno  de desplazamiento y concentración en la base de la aleación puede 

(40)

la reactividad prevalece, la reducción en el ancho de la capa debe  ser mayor para aquellos aleantes que contienen elementos que 

preferencialmente se  concentran  en  el  substrato. Por  lo tanto, 

puede  concluirse  que  los  elementos  aleantes  influyen  en  la 

difusividad  del  boro  ya  que  entran  en  las  capas  de  manera 

substitucional. El hecho de que el ancho de la capa sea menor en  aleantes que en el hierro indica que los elementos substitucionales 

disminuyen la difusividad del boro (31). 

La  columnaridad  de  la  interface  Fe2B/substrato  (y,  para  capas 

polifásicas, también en la interface FeB/Fe2B) puede ser relacionado 

con  una  concentración  de  un  campo  de  altos  esfuerzos  y 

distorsiones de la red cerca de las puntas, ambos el niquel y el  cromo reducen la columnaridad en la interface capa/substrato. De 

nuevo, los efectos del cromo son significativamente mayores que 

aquellos  para  el  niquel.  Por  lo  tanto,  el  aplanamiento  de  las 

interfaces  puede  ser  ligado  principalmente  a  la  cantidad  de 

elementos que entran en los boruros por sustitución del hierro. 

Para reducir el mecanismo por el cual el elemento substitucional Me 

reduce la columnaridad en las interfaces, es necesario considerar 

que Me tiende a concentrarse en las puntas de las columnas de los  boruros. Esta concentración considerable de Me reduce el flujo del 

boro  activo  y  la  columnaridad  progresivamente  decrece.  Este  mecanismo  explica  por  qué  un  poco  porcentaje  en  peso  de  elementos como el cromo en el substrato son capaces de aplanar la 

interface  capa/substrato  considerablemente,  mientras  que  un  contenido  mayor  de  elementos  aleantes  como  el  niquel  es 

requerido en la aleación base para obtener un efecto similar en la 

capa. 

El  ancho  y  el  orden    cristalográfico  de  las  capas,  como  las 

morfologías de las interfaces pueden ser controladas seleccionando 

la composición de los elementos aleantes y del medio del borurado. 

En  particular,  el  orden  cristalográfico  es  decisivo  para  la 

(41)

es decisiva en la adherencia entre las fases adyacentes, i.e. entre los  boruros de hierro como entre las capas y el substrato. 

 

. . .

)

NFLUENC)A DEL 

T

AMAÑO DE 

P

ARTÍCULA EN LA 

D

)FUS)ÓN

 

Las características de los boruros de hierro dependen del estado  físico de la fuente de boruro usado, de la temperatura, del tiempo y 

las propiedades del material por borurar (i.e. elementos aleantes). 

La fuente de boruro puede ser sólido, líquido, o gaseoso. En estado  sólido, que es similar a la cementación en paquete, puede llevarse a 

cabo bajo una atmósfera inerte como en cajas cerradas. El tamaño 

de la partícula del polvo es importante en la formación de los 

boruros  de  hierro (32),  ya que  el  tamaño  de  las partículas  es 

inversamente proporcional a la difusividad. 

 

. .

C

ARACTER)ZAC)ÓN MECÁN)CA DE 

LOS 

B

ORUROS DE 

(

)ERRO

 

 

. . .

C

LAS)F)CAC)ÓN DE LOS 

A

CEROS

 

Para identificar el contenido de los elementos presentes en los 

distintos tipos de acero, se utiliza un sistema de numeración. El 

número  asignado  a  un  tipo  en  especial  de  acero  usualmente  consiste en cuatro dígitos. Los dos primeros se refieren al contenido 

de aleación del acero, y los dos últimos o tres últimos en el caso de 

tener cinco dígitos indican el porcentaje de carbono presente en el  acero. El sistema de numeración se presenta en la Tabla 4. 

 

Figure

FIGURA 1. DIAGRAMA DE EQUILIBRIO TERMODINÁMICO DEL SISTEMA BINARIO FE‐B,(7). 
Tabla  5  se  muestra  las  categorías  comúnmente  usadas  para  los 
TABLA 6. ACEROS BORURADOS UTILIZANDO EL PROCESO TERMOQUÍMICO DE BORURADO. DONDE: 
TABLA 7. RELACIÓN DE INVESTIGADORES QUE HAN ESTUDIADO LA CINÉTICA DE 
+7

Referencias

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