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
Dedicatoria
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….
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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.
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.
)
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
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)VOG
ENERALAnalizar 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)SG
ENERALAl 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
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 TRABAJOLas 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
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.
Capítulo 1.
F
ASES DE
B
ORUROS DE
(
)ERRO
:
F
E
B,
F
E
B
Y
F
E
B
. .
)
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
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
B
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:
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
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]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
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
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
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)ÓNExisten 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
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)COLos 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
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 DED
)FUS)ÓN PORP
LASMAUn 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).
. . .
D
)VERSOS PROCESOS DE D)FUS)ÓNExisten 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 YC
REC)M)ENTO DE LASF
ASESPara 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
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
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 LOSE
LEMENTOSA
LEANTES ENEL
P
ROCESO DED
)FUS)ÓN DELB
OROLos 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
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
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
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 DELT
AMAÑO DEP
ARTÍCULA EN LAD
)FUS)ÓNLas 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 LOSA
CEROSPara 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.