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Estudio sobre la calidad de la capa borurada formada en la superficie de un acero DIN 32CrMoV12-10

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México, D.F., Julio 2014

“ESTUDIO

SOBRE LA CALIDAD DE LA CAPA

BORURADA FORMADA EN LA SUPERFICIE DE

UN ACERO DIN 32CrMoV12-

10”

TESIS

QUE PARA OBTENER EL GRADO DE MAESTRA EN CIENCIAS EN INGENIERÍA MECÁNICA

PRESENTA:

ING. MONICA TAPIA GASPAR

DIRIGIDA POR:

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Monica Tapia Gaspar

Dedicatorias

Dedico esta tesis a Edgar Rodrigo Luna Terrazas quien siempre me ha

acompañado y me ha brindado lo mejor de sí.

A mi familia, mi mamá y mi hermano que nunca han dudado de mí

Especialmente a mi padre que ya no me acompaña en este camino pero

me enseño que debo dar lo mejor de mí.

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Monica Tapia Gaspar

Agradecimientos

A mis directores de tesis Dr. Iván Enrique Campos Silva y Dr. German Anibal Rodríguez Castro por su paciencia y apoyo incondicional en el desarrollo de este proyecto, gracias

Especialmente al Dr. Iván Enrique Campos Silva por brindarme su valioso tiempo en el desarrollo profesional de mi trabajo, por su comprensión y apoyo a lo largo de la maestría.

A mis compañeros y amigos del laboratorio de ingeniería de superficies por su apoyo y por todas las lecciones profesionales que aprendimos juntos.

Al Dr. Orlando Susarrey Huerta por su orientación y apoyo con los trámites en el transcurso de la maestría.

Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología por el apoyo económico durante mis estudios de maestría.

Al Instituto Politécnico Nacional y a la Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, especialmente a la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación por permitirme desarrollar mis estudios de maestría con el apoyo de la beca tesis en mi último semestre de la maestría.

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Monica Tapia Gaspar

Lista de figuras I

Lista de tablas V

Resumen VIII

Abstract IX

Introducción X

Antecedentes XII

Justificación XIV

Objetivo general XV

Objetivos particulares XVI

Metodología Experimental XVII

Capítulo 1

Borurización en polvo para aceros de alta aleación

1.1 Borurización en polvo 1

1.2 Formación de capas boruradas en la superficie de aceros de alta aleación 4 1.3 Aplicación de la borurización en aceros de alta aleación 8

Capítulo 2

Crecimiento de capas boruradas en un acero DIN 32CrMoV12-10

2.1 Introducción 11

2.2 Modelo cinético 12

2.2.1 Cinética de crecimiento de la capa Fe2B 12

2.2.2 Cinética de crecimiento de las capas FeB/Fe2B 14

2.3 Desarrollo experimental 19

2.4 Resultados y discusiones 22

2.4.1 Coeficientes de difusión de boro en las fases FeB y Fe2B 26

2.4.2 Análisis ANOVA 28

2.5 Conclusiones 33

(7)

Monica Tapia Gaspar

Capítulo 3

Microindentación Vickers en capas boruradas

3.1 Introducción 37

3.2 Desarrollo experimental 42

3.2.1 Ensayo de microindentación Vickers sobre la capa borurada 42

3.2.2 Porosidad 45

3.3 Resultados y discusiones 46

3.3.1 Gradientes de dureza 47

3.3.2 Análisis ANOVA de dureza 48

3.3.3 Análisis ANOVA de la porosidad en la sección transversal de la capa borurada 56

3.4 Conclusiones 61

3.5 Referencias 62

Capítulo 4

Ensayo de cohesión mediante la técnica de “scratch”

4.1 Introducción 64

4.2 “Scratch” en sección transversal 65

4.3 Desarrollo experimental 66

4.4 Resultados y discusiones 67

4.4.1 Cohesión 67

4.5 Conclusiones 75

4.6 Referencias 77

Conclusiones generales 78

Perspectivas de trabajo 79

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Monica Tapia Gaspar I

LISTA DE FIGURAS

Página

Figura 1.1 Contenedor de acero inoxidable en forma cilíndrica. La vista frontal 1 muestra la distancia entre la pared del contenedor y la pieza.

Figura 1.2 Diagrama de equilibrio de fases hierro – boro (Fe – B) 4

Figura 1.3 a) Acero AISI H13 endurecido con Ekabor I, a una temperatura de 6 1000°C durante 3 horas de exposición, se presentan las dos fases FeB

y Fe2B (K. Genel, 2006), b) Acero M2 endurecido con B4C, a una

temperatura de 1050°C con 6 horas de exposición, se presentan las fases FeB y Fe2B (I. Campos, 2012); c) Acero DIN 32CrMoV12-10

endurecido con Mezcla de laboratorio (MGIS) a una temperatura de 850°C con 12 horas de exposición, se presentan las dos fases FeB y Fe2B.

Figura 2.1 Representación esquemática del perfil de concentración de boro en la 12 fase Fe2B.

Figura 2.2 Representación esquemática de la concentración de boro máxima y 15 mínima en las fases a) FeB y b) Fe2B.

Figura 2.3 Perfil de concentración de boro en las fases FeB/Fe2B. 16

Figura 2.4 Representación de la referencia considerada en la superficie del 20 material para medir el espesor de capa borurada FeB y Fe2B en

relación de cada una de las fases presentes.

Figura 2.5 Patrón de difracción del acero DIN 32CrMoV12-10 borurado con 21 mezcla de laboratorio MGIS a) temperatura de 1000°C con un tiempo

de 12 horas de exposición y con polvo Ekabor 2 b) temperatura de 1000°C con un tiempo de exposición de 12 horas y c) 6 horas de exposición.

Figura 2.6 Sección transversal del acero DIN 32CrMoV12-10 borurado con 23 mezcla de laboratorio MGIS a una temperatura de 850°C con tiempos

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Monica Tapia Gaspar II

Figura 2.7 Sección transversal del acero DIN 32CrMoV12-10 borurado con 24 mezcla MGIS y polvo Ekabor 2 a una temperatura de 850°C con

tiempos de a) 6 horas de exposición y b) 12 horas de exposición, y a una temperatura de 1000°C con tiempos de c) 6 horas de exposición y d) 12 horas de exposición.

Figura 3.1 a) Vista de la sección transversal de la capa FeB y Fe2B formada en la 39

superficie de un acero AISI M2 con condiciones de borurado de 1000°C de temperatura y 8 horas de tiempo de exposición, b) Patrón XRD del acero AISI M2 borurado a una temperatura de 1000°C con 8 horas de tiempo de exposición (Campos et. al., 2012).

Figura 3.2 a) Micrografía de la sección transversal que muestra las marcas de la 40 indentación del acero AISI H11 borurado a una temperatura de 950°C

durante 3 horas de exposición, b) Perfil de dureza correspondiente al tratamiento del inciso a) (Balusamy et. al., 2013).

Figura 3.3 Vista frontal del indentador Vickers de diamante y huella de indentación 41 con indicación de la diagonal. (ASTM E92, 2003)

Figura 3.4 a) Esquema de la especificación de la distancia entre indentaciones 42 con referencia en el centro de la indentación, b) clasificación de las

huellas de indentación aceptables para medir la longitud de su diagonal, c) clasificación del tipo de huellas que se rechazan (ASTM C1327, 2003).

Figura 3.5 Perfil de dureza con una carga de 0.49 N a lo largo de la capa FeB y 43 Fe2B del acero DIN 32CrMoV12-10 borurado con mezcla de

laboratorio MGIS a) a una temperatura de 850°C y 6 horas de exposición, b) a una temperatura de 1000°C y 6 horas de exposición, c) a una temperatura de 850°C y 12 horas de exposición, d) a una temperatura de 1000°C y 12 horas de exposición.

Figura 3.6 Perfil de dureza con una carga de 0.49 N a lo largo de la capa FeB y 44 Fe2B del acero DIN 32CrMoV12-10 borurado con Ekabor 2 a) a una

temperatura de 850°C y 6 horas de exposición, b) a una temperatura de 1000°C y 6 horas de exposición, c) a una temperatura de 850°C y 12 horas de exposición, d) a una temperatura de 1000°C y 12 horas de exposición.

Figura 3.7 a) Microscopio Olympus GX 51 para la adquisición de micrografías, 45

b) Software Image Pro Plus versión 6 con la herramienta para definir

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Monica Tapia Gaspar III

Figura 3.8 Gradiente de dureza a lo largo de la capa borurada del acero 47 DIN 32CrMoV12-10 bajo condiciones de tratamiento a) temperatura

de 850°C y 6 horas de exposición b) temperatura de 850°C y 12 horas de exposición, c) temperatura de 1000°C y 6 horas de exposición, d) temperatura de 1000°C y 12 horas de exposición. Carga de 0.49 N.

Figura 3.9 a) Curvas normales con valor de medias igual, y con desviaciones 49 diferentes, , b) Distribución normal con diferentes

desviaciones, la línea verde corresponde a la distribución normal estándar.

Figura 3.10 a) Función de distribución Weibull para diferentes valores de α y con 50 valor de β=1 la línea verde corresponde a la distribución Weibull

estándar, b) Función de distribución Weibull con valor de y diferentes valores de (Blanca, 2004).

Figura 3.11 Función de distribución de probabilidad para la dureza a 10 µm de 52 la superficie de la capa borurada con Mezcla de laboratorio MGIS a) a

una temperatura de 850°C y 6 horas de exposición, b) a una temperatura de 1000°C y 6 horas de exposición, c) a una temperatura de 850°C y 12 horas de exposición, d) a una temperatura de 1000°C y 12 horas de exposición.

Figura 3.12 Función de distribución de probabilidad para la dureza a 10 µm 54 de la superficie de la capa borurada con Ekabor 2 a) a una temperatura

de 850°C y 6 horas de exposición, b) a una temperatura de 1000°C y 6 horas de exposición, c) a una temperatura de 850°C y 12 horas de exposición, d) a una temperatura de 1000°C y 12 horas de exposición.

Figura 3.13 Función de distribución de probabilidad para la porosidad superficial 57 de la capa borurada con mezcla de laboratorio MGIS a) a una

temperatura de 850°C y 6 horas de exposición, b) a una temperatura de 1000°C y 6 horas de exposición, c) a una temperatura de 850°C y 12 horas de exposición, d) a una temperatura de 1000°C y 12 horas de exposición.

Figura 3.14 Función de distribución de probabilidad para la porosidad superficial 59 de la capa borurada con Ekabor 2 a) a una temperatura de 850°C y 6

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Monica Tapia Gaspar IV

Figura 4.1 a) Recorrido del indentador a través del sistema capa/substrato 65 b) Desprendimiento con geometría cónica en la capa formada por

rociado de alúmina (López et. al., 1989).

Figura 4.2 a) Esquema del desprendimiento de la capa depositada por plasma 66 con geometría cónica en la superficie de la capa con un área ,

(CSM Instruments, 2009).

Figura 4.3 Ensayo de “scratch” en sección transversal aplicando una carga de 3N. 67 La capa se forma en la superficie del acero DIN 32CrMoV12-10 a una

temperatura de 850°C y un tiempo de 6 horas de exposición para a) Mezcla de laboratorio MGIS y b) Ekabor 2.

Figura 4.4 Ensayo de “scratch” en el sistema capa/substrato formado a una 68 temperatura de 850°C durante 12 horas de exposición con Mezcla de

laboratorio con una carga de rayado de a) 1N, c) 3N y e) 5N. Para el Ekabor 2 con una carga de rayado de b) 1N, d) 3N y f) 5N.

Figura 4.5 Ensayo de “scratch” en el sistema capa/substrato formado a una 69 temperatura de 1000°C durante 6 horas de exposición con Mezcla de

laboratorio con una carga de rayado de a) 5 N, c) 10 N y e) 15 N. Para el Ekabor 2 con una carga de rayado de b) 5 N, d) 10 N y f) 15 N.

Figura 4.6 Ensayo de “scratch” en el sistema capa/substrato, a una temperatura 70 de 1000°C durante 12 horas de exposición con Mezcla de laboratorio

con una carga de rayado de a) 5N, c) 10N, e) 15N y g) 20N. Para el Ekakor 2 con carga de rayado b) 5N, d) 10N, f) 15N y h) 20N.

Figura 4.7 Área de proyección de cono como función de la carga constante de 74 rayado para los tratamientos a una temperatura a) de 850°C durante 12

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Monica Tapia Gaspar V

LISTA DE TABLAS

Página

Tabla 1.1 Tamaño de grano de los diferentes polvos de Ekabor. 2

Tabla 1.2 Composición de varias mezclas en función del boro. 3

Tabla 2.1 Valor de los espesores de capa formados en la superficie de un acero 25 DIN 32CrMoV12-10 borurado con mezcla de laboratorio MGIS y

Ekabor 2 como medios borurantes.

Tabla 2.2 Razón de crecimiento entre las fases FeB y Fe2B presentes en la capa 26

formada en la superficie del acero DIN 32CrMoV12-10 borurado con mezcla de laboratorio MGIS y Ekabor 2.

Tabla 2.3 Constantes de crecimiento y tiempo de incubación de la fase FeB 27 para el tratamiento con mezcla de laboratorio MGIS.

Tabla 2.4 Constantes de crecimiento y tiempo de incubación de la suma 27 FeB+Fe2B para el tratamiento con mezcla de laboratorio MGIS.

Tabla 2.5 Constantes de crecimiento y tiempo de incubación de la suma 27 FeB+ Fe2B para el tratamiento con polvo Ekabor 2.

Tabla 2.6 Valor del coeficiente de difusión de boro para las fases 27 FeB y Fe2B formadas en la superficie del acero DIN 32CrMoV12-10

para los tratamientos de borurado con mezcla de laboratorio MGIS y Ekabor 2.

Tabla 2.7 La tabla del análisis de varianza para el diseño factorial de dos 30 factores.

Tabla 2.8 Diseño de los factores y niveles del estudio de análisis estadístico 31 para la variables respuesta de espesor de capa total.

Tabla 2.9 Resultado del análisis de varianza para los factores de temperatura 32 de borurado [°C] y tiempo de exposición [horas] con el espesor total

(FeB+Fe2B) como variable de respuesta para los tratamientos con

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Monica Tapia Gaspar VI

Tabla 2.10 Resultado del análisis de varianza para los factores de temperatura 32 de borurado [°C] y tiempo de exposición [horas] con el espesor total

(FeB+Fe2B) como variable de respuesta para los tratamientos con

polvo Ekabor 2

Tabla 3.1 Microdureza y constitución de la capa borurada de algunos 38 compuestos.

Tabla 3.2 Valor de la dureza a una distancia de 10 μm de la superficie de la 48 capa formada sobre el acero DIN 32CrMoV12-10 borurado.

Tabla 3.3 Valor del porcentaje de porosidad formada en la capa superficial del 48 acero DIN 32CrMoV12-10 borurado.

Tabla 3.4 Funciones de distribución del comportamiento de la dureza a 53 10 μm de la superficie de la capa borurada con mezcla de laboratorio

MGIS.

Tabla 3.5 Funciones de distribución y parámetros estadísticos para la dureza a 53 10 μm de la capa borurada con mezcla de laboratorio MGIS

Tabla 3.6 Funciones de distribución del comportamiento de la dureza a 55 10 μm de la superficie de la capa borurada con Ekabor 2.

Tabla 3.7 Funciones de distribución y parámetros estadísticos para la dureza a 55 10 μm de la capa borurada con Ekabor 2.

Tabla 3.8 Funciones de distribución del comportamiento de la porosidad en la 58 superficie de la capa borurada con mezcla de laboratorio MGIS.

Tabla 3.9 Funciones de distribución y parámetros estadísticos para la porosidad 58 de la capa borurada con mezcla de laboratorio MGIS.

Tabla 3.10 Funciones de distribución del comportamiento de la porosidad en la 60 superficie de la capa borurada con Ekabor 2.

Tabla 3.11 Funciones de distribución y parámetros estadísticos para la porosidad 60 de la capa borurada con Ekabor 2.

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Monica Tapia Gaspar VII

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Monica Tapia Gaspar VIII

RESUMEN

Este trabajo presenta la caracterización de la capa borurada sobre la superficie del acero DIN 32CrMoV12-10 formada con dos medios borurantes mezcla de laboratorio MGIS y Ekabor 2. En primer lugar se lleva a cabo el tratamiento de endurecimiento a temperaturas de 850°C y 1000°C con tiempos de exposición de 6 y 12 horas. Una vez que se forma la capa en la superficie del acero se realizan las pruebas físicas y mecánicas para comparar la calidad en función de los medios borurantes. La caracterización física involucra la cinética de crecimiento de la capa, fases presentes, espesor de capa total y coeficiente de difusión de boro. Se identifican las fases presentes en la capa con la prueba de XRD de las muestras con tratamiento a 1000°C con 12 horas de exposición con ambos medios borurantes y también durante 6 horas de exposición con Ekabor 2. El análisis de difracción de rayos x (XRD) identifica las fases y compuestos presentes de acuerdo con la naturaleza de la formación de la capa y la composición del substrato. Para estimar el coeficiente de difusión de boro en las fases presentes se desarrolla el modelo cinético para una sola fase (FeB) y dos fases (FeB/Fe2B) presentes en la capa

borurada. En la caracterización mecánica se realiza el ensayo de dureza y el ensayo de

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Monica Tapia Gaspar IX

ABSTRACT

In this work, the characterization of borided layers formed on the surface of DIN 32CrMoV12-10 steel using two different powder (Ekabor and MGIS) mixtures was performed. First, the boron diffusion at the surface of the steel was conducted using a powder-pack boriding process (for the two powder mixtures) at temperatures of 850 and 1000ºC with different exposure times for each temperature. Once the treatment was concluded, the microstructure and nature of phases developed on the surface of the borided steels were examined by optical microscopy and XRD techniques to compare the quality of the layers as a function of the powder mixtures used.

In addition, the growth kinetics of borided layers formed at the surface of the borided steels was evaluated according to the set of experimental parameters of the powder-pack boriding process using two diffusion models to estimate the boron diffusion coefficients in the FeB and Fe2B layers.

Finally, the “quality” of the borided layer developed on the surface of the borided high-alloy steels was examined according to the mechanical properties established by means of Vickers microhardness testing and scratch adhesion tests (performed on the cross-section of the borided samples). An additional parameter to evaluate the quality of the layer was the percentage of porosity developed on the borided layers in relation to the two different powder mixtures used in the powder-pack boriding process.

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Monica Tapia Gaspar X

INTRODUCCIÓN

El Capítulo uno describe el tratamiento termoquímico de borurado por la técnica de empaquetamiento en polvo, así como el medio borurante. Se consideran las características de la capa formada en la superficie del acero DIN 32CrMoV12-10 y en aceros de alta aleación similares, como el H11 y H13. Además considera la influencia de la composición química en estos aceros para generar las fases FeB y Fe2B.

Este Capítulo también indica algunas de las aplicaciones de aceros de alta aleación sometidos a este proceso de endurecimiento superficial.

El Capítulo dos estudia la cinética de crecimiento de las capas de boruro a través de un modelo matemático basado en las ecuaciones de balance de masa. Este modelo se utiliza para estimar el coeficiente de difusión del boro en las fases FeB y Fe2B formadas en la superficie de un

acero DIN 32CrMoV12-10 borurado.

El crecimiento de las fases FeB y Fe2B se relaciona con el tiempo, temperatura y el medio

borurante. Para el tratamiento de endurecimiento superficial del acero DIN 32CrMoV12-10 se utilizaron dos mezclas, el polvo comercial Ekabor 2 y la mezcla MGIS de laboratorio. El resultado de un estudio XRD identifica las fases formadas en la superficie del acero con los parámetros de tratamiento.

Además en este Capítulo se realiza un análisis estadístico del espesor de las capas formadas en relación con la temperatura de borurado, tiempo de exposición y medio borurante. El resultado de este análisis permite identificar el parámetro de mayor influencia en el crecimiento de la capa.

En el Capítulo tres se estima el comportamiento de la dureza en la zona de las fases FeB y Fe2B por medio del ensayo de microindentación Vickers. El gradiente de indentaciones

comienza a una distancia de 10 micras de la superficie a una carga constante de 0.49 N. Se estima el valor de la dureza a través de una relación entre la carga y el tamaño de huella que describe la norma del ensayo Vickers, ASTM E92.

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Monica Tapia Gaspar XI

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Monica Tapia Gaspar XII

ANTECEDENTES

Una finalidad del tratamiento de endurecimiento superficial es ampliar el tiempo de servicio de componentes mecánicos, el tratamiento de borurado por empaquetamiento en polvo no solo aumenta esta vida útil, también mejora la resistencia al desgaste y a la abrasión formando capas duras superficiales.

Uno de los aspectos que define las características de la capa de boruro es el medio de endurecimiento. En el año 1967 Kunst y Schaaber fueron los primeros autores en utilizar el tratamiento de borurado por empaquetamiento en polvo, anteriormente Minkevic al llevar a cabo el mismo método obtuvo capas delgadas y porosas, utilizó mezcla de ferroboro que contenía aluminio y silicio. Debido a estos resultados Kunst y Schaaber se dieron cuenta de la influencia de los compuestos de la mezcla de borurado para formar capas duras (Matushka A G, 1980).

Los autores Dearnley y Bell (1985) consideraron que el potencial de boro se puede controlar a través de la combinación de diferentes compuestos. Uno de estos compuestos es el Ekabor 2 que combinaron con Duborid y un activador como KBF4 y NH4Cl, para determinar el

comportamiento del potencial de boro en función de la cantidad de compuestos. El potencial del medio borurante se caracteriza por el crecimiento de la capa borurada y este potencial cambia de acuerdo a los compuestos del polvo.

Por otro lado, se puede controlar el potencial de boro en relación con la cantidad de compuestos agregados. En un trabajo realizado por Palombarini y Carbucicchio (2004) formaron tres mezclas con B4C, SiC y KBF4 en cantidades diferentes, para obtener tres niveles

de potencial, alto, intermedio y bajo. Llegando a la conclusión de que el compuesto de alto potencial forma la fase FeB y que el espesor de la capa está en función del potencial de la mezcla.

El comportamiento de la mezcla se puede definir a través de las reacciones químicas que se llevan a cabo durante el tratamiento. Spence y Makhlouf (2005) determinaron estas reacciones a través del fluoborato de potasio en la formación de las fases FeB y Fe2B. Además se

combinaron diferentes cantidades de los compuestos de B4C, SiC y KBF4 para controlar el

potencial de boro. Obteniendo una capa bifásica con una mezcla de potencial alto de boro.

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Monica Tapia Gaspar XIII

La caracterización mecánica de la capa borurada brinda resultados que podrían comparar la calidad de la capa formada en función del medio borurante. Se estima la dureza con el ensayo de microindentación Vickers (ASTM C-1327) y para estimar la cohesión se utiliza el método propuesto por López et al. (1989), conocido como “scratch” de sección transversal. En el boletín de abril del año 2009 emitido por la “CSM Instruments” se hace uso de esta técnica para estimar la cohesión de capas duras depositadas por la técnica de rociado térmico. El

scratch” se realiza bajo carga constante y el indentador se mueve a través de la capa hacia la

resina. Para este ensayo se utilizó un indentador esférico tipo Rockwell C de 200 µm de

diámetro. El “scratch” de sección transversal con carga constante se puede utilizar como un

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Monica Tapia Gaspar XIV

JUSTIFICACIÓN

El tratamiento de borurado por el método de empaquetamiento en polvo utiliza como agente borurante el agente comercial Ekabor 2, en la mayoría de los casos. Este material es originario de Alemania y para importarlo se presentan dificultades de costo y traslado. Se han realizado investigaciones acerca de la influencia de los compuestos del medio borurante para constituir una mezcla con características y beneficios similares al agente comercial.

Para comparar la calidad de los medios borurantes se estiman las propiedades mecánicas y cinéticas de la capa formada en la superficie de un acero DIN 32CrMoV12-10. En el aspecto cinético se toma en cuenta las fases presentes, el coeficiente de difusión de boro, el espesor de capa y la porosidad formada en las fases. En el aspecto mecánico se estima la dureza y la cohesión de la capa. Actualmente se conoce una técnica nueva de “scratch” de sección transversal emitido por la “CSM Instrument” donde se evalúa la cohesión a través de este

método.

En el laboratorio del Grupo de Ingeniería de Superficies de la SEPI ESIME Zacatenco del IPN, desde ya casi dos años se ha trabajado en la constitución de una mezcla de laboratorio (MGIS). Esta mezcla se compone de carburo de boro (B4C) como donador, fluoborato de potasio

(KBF4) como activador y carburo de silicio (SiC) como diluyente (al 5% de bentónica sódica).

Aún no se han realizado tratamientos de endurecimiento sobre el acero DIN 32CrMoV12-10 con estos medios borurantes por otros autores.

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Monica Tapia Gaspar XV

OBJETIVO GENERAL

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Monica Tapia Gaspar XVI

OBJETIVOS PARTICULARES

1) Endurecer superficialmente el acero DIN 32CrMoV12-10 mediante el tratamiento termoquímico de borurado por empaquetamiento en polvo utilizando temperaturas de 850°C y 1000°C, con tiempos de exposición de 6 y 12 horas, con dos agentes borurantes el primero es Ekabor 2 y el segundo es la mezcla de laboratorio (M-GIS), para formar fases FeB y Fe2B.

2) Determinar la cinética de crecimiento de la capa total en función de los parámetros experimentales de tiempo y temperatura, empleando un modelo matemático basado la ecuación de balance de masa en las interfases de crecimiento, para estimar el coeficiente de difusión de boro en las fases FeB y Fe2B.

3) Realizar un estudio estadístico del espesor de la capa total, por medio de un análisis de varianza (ANOVA), para estimar la influencia de la temperatura de borurado, tiempo de exposición en la cinética de crecimiento de la capa borurada.

4) Analizar el comportamiento de la dureza a lo largo del espesor de las capas boruradas empleando la técnica de indentación Vickers, para establecer la influencia de la temperatura de borurado, tiempo de exposición y de los medios borurantes utilizados en la formación de la capa borurada.

5) Establecer el porcentaje de porosidad de las capas formadas empleando la técnica de mallado para determinar la influencia de la temperatura de borurado, tiempo de exposición y de los medios borurantes.

6) Establecer la prueba de “scratch” en sección transversal sobre las capas boruradas,

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Monica Tapia Gaspar XVII

METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

a) Realizar el tratamiento termoquímico de borurización del acero DIN 32CrMoV12-10 por medio de la técnica de empaquetamiento en polvo. Se han propuesto dos temperaturas de 850°C y de 1000°C con dos tiempos de exposición 6 y 12 horas para cada temperatura, se consideraron dos agentes borurantes, el Ekabor 2 y la mezcla de laboratorio MGIS.

b) Estimar los espesores de la capa total formada en la superficie del acero DIN 32CrMoV12-10 borurado. Se proponen dos modelos matemáticos basados en las ecuaciones de balance de masa para determinar el coeficiente de difusión del boro en las fases FeB y Fe2B. Para identificar las fases presentes en la capa se realizó un estudio

de XRD. Con el conjunto de datos del espesor se realiza un análisis estadístico de varianza (ANOVA) para identificar el factor más influyente en el crecimiento de la capa.

c) Se utiliza el ensayo de microindentación Vickers a una carga constante de 0.49N para obtener un gradiente de dureza a lo largo de la capa, con el fin de establecer el comportamiento de la dureza superficial en función de la temperatura de borurado, tiempo de exposición y de los medios borurantes.

d) Se realiza un estudio de análisis estadístico de varianza de la dureza a una distancia de 10 µm de la superficie. El resultado de este análisis identifica la función del comportamiento de la dureza en relación con los dos medios borurantes mezcla de laboratorio MGIS y Ekabor 2.

e) Se estima la porosidad de la capa borurada sobre la primer fase formada en la superficie. Por medio de las micrografías adquiridas con el microscopio óptico marca

Olympus GX51 y la técnica de mallado se determinan tres áreas iguales por cada

micrografía de la superficie de la capa borurada. Se utiliza el software Image Pro Plus 6.2 para obtener valores del contraste del área. El resultado determina el

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Monica Tapia Gaspar XVIII

f) Se realiza el ensayo de “scratch” de sección transversal sobre la capa borurada formada en la superficie del acero DIN 32CrMoV12-10. Este método consiste en el recorrido de una carga constante de rayado en la sección transversal de la capa. El indentador que se emplea es tipo Rockwell C con un radio de 40 µm. El rango de cargas se establece entre 1 y 20 N a una velocidad de 0.5 mm/min. Se calcula el área de proyección de cono Acn sobre la capa borurada a partir de las micrografías obtenidas

por el microscopio óptico marca Olympus GX51 y un analizador de imágenes Image Pro Plus 6.2. La relación entre el área de proyección de cono y la carga de rayado se

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Monica Tapia Gaspar XIX

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Carbucicchio M, Palombarini G (1987), “Effects of alloying elements on the growth of iron boride coatings”, J. Mater. Sci. Lett.,6, 1147-1149.

Dearnley P S and Bell T (1985) , “Engineering the surface with boron based materials”, Surf.

Eng., 1, 203-217.

Genel K (2006), “Boriding kinetics of H13 steel”, Vacuum, 80, 451-457.

López E, Beltzung F and Zambelli G (1989), “Measurement of cohesion and adhesion strengths in alumina coatings produced by plasma spraying”, J. Mater. Sci. Lett., 8, 346-348.

Martini C, Palombarini G and Carbucicchio M (2004), “Mechanism of thermochemical growth of iron borides on iron”, J. Mater. Sci., 39, 933-937.

Matushka A Graf Von (1980), “Boronizing”, Carl Hanser Verlag, Munich, FRG.

(27)

Monica Tapia Gaspar 1

Capítulo 1

Borurización en polvo para aceros de alta aleación

1.1

Borurización en polvo

El borurado es un tratamiento termoquímico de endurecimiento superficial. Éste es un proceso para formar capas de una sola fase Fe2B o de dos fases FeB/Fe2B por medio de difusión de

boro en la superficie de materiales metálicos. Todos los materiales ferrosos son adecuados para el borurado. Otros materiales no ferrosos como el níquel, tungsteno, molibdeno, cobalto y titanio también se pueden borurar. Las capas que se obtienen con este tratamiento son muy duras, resistentes al desgaste, a la abrasión y a la corrosión.

[image:27.612.114.532.516.688.2]

Actualmente se pueden emplear diferentes técnicas del tratamiento de borurado. Estas técnicas se dividen en categorías de acuerdo al estado de agregación del agente borurante (gaseoso, líquido o sólido). Los haluros de boro y el diborano son los compuestos más utilizados para el borurado con medio gaseoso, siendo este último muy tóxico. Con los haluros de boro es más probable que se presente corrosión en lugar de la borurización y regularmente la capa presenta mucha porosidad. El tratamiento con medio borurante líquido se realiza en baño de sales que contiene bórax, ácido bórico y ferro sílice. Se obtiene una capa con espesor desigual y se adhieren residuos de sal que es costoso remover. El Ekabor es un compuesto comúnmente empleado en la técnica de borurado por empaquetamiento en polvo. El tratamiento consiste en colocar dentro de un contenedor de acero, previamente saturado de carburo de boro, la muestra a endurecer de tal forma que sea rodeada por el medio borurante. El resultado es una capa uniforme y con menor porosidad en comparación con las técnicas anteriormente mencionadas. Después del tratamiento el contenedor se coloca en una superficie a prueba de fuego, bajo una corriente de aire que ayude a que el contenedor se enfrié (Matuschka, 1980).

(28)

Monica Tapia Gaspar 2

Los experimentos acerca del potencial del agente borurante pretenden que la cantidad de los componentes sea la adecuada, tal como lo es la combinación del carburo de boro (B4C) junto

con el carburo de silicio (SiC), óxido de aluminio (Al2O3) y el fluoborato de potasio (KBF4)

como activador. Estos materiales formulados por el “Institut für Härterei Technik at Bremen” (Instituto de la tecnología de endurecimiento en Bremen), forman la base del Ekabor. El polvo comercial es considerado costoso a un precio de 10 £ (libras) el kilo. En Rusia se tiene una

mezcla de 84 % de peso en B4C y 16 % de peso en bórax, comúnmente utilizado, y los

recientes experimentos sugieren que el Fe2O3 tiene las cualidades de activador como el KBF4 o

NH4Cl (Dearnley P et al., 1985).

El boro amorfo es muy caro (aproximadamente 127.5 por kilo), mientras que el ferro boro (3.57 por kilo) tampoco se puede producir en cantidades comerciales por el grado de pureza requerida. Para fines prácticos, el carburo de boro (B4C) tiene la calidad adecuada a un precio

moderado (20.4 por kilo). Se puede producir una combinación de compuestos de boro que incluya al B4C a un bajo costo para obtener capas endurecidas de boruro.

Los polvos comerciales conocidos como Ekabor 1 y 2 cumplen con la calidad necesaria para la formación de capas boruradas. Estos polvos se pueden reutilizar al menos seis veces, si se combinan en un porcentaje con polvo fresco. Los agentes en polvo facilitan su manejo si están disponibles en un tamaño de grano menor a 750 μm como las diferentes granulometrías del polvo Ekabor que se muestran en la tabla 1.1 (Fichtl W, 1981).

Tabla 1.1

Tamaño de grano de los diferentes polvos de Ekabor.

Polvo Tamaño de grano [μm]

Ekabor 1 150

Ekabor 2 850

Ekabor 3 1400

Ekabor HM 150

(29)

Monica Tapia Gaspar 3

Tabla 1.2

Composición de varias mezclas en función del boro.

Potencial de la mezcla SiC B4C KBF4

Baja concentración de boro 85 10 5

Media concentración de boro 45 50 5

Elevada concentración de boro 0 95 5

Con fundamento en la teoría de Spence y Makhlouf (2005) el mecanismo de la reacción química del fluoborato de potasio, como activador, consta de tres pasos durante el tratamiento de empaquetamiento en polvo. El primer paso es la disociación del activador KBF4 en

trifluoruro de boro (BF3).

(1)

Tal como indica la reacción de la ecuación 1, una vez liberado, el BF3 es libre y puede

reaccionar con algún otro compuesto de la mezcla o con la composición del acero.

El siguiente paso es la formación del boruro de hierro.

(2)

La reacción química entre el trifluoruro de boro, carburo de boro y el acero forma el diboruro de hierro en la superficie del material. La primera fase formada en la superficie es la Fe2B.

El tercer paso es el crecimiento de la capa de boruro

(3)

La capa de boruro crece con la reacción entre el boruro de hierro y el carburo de boro. La difusión del boro seguirá a través de la capa Fe2B hasta alcanzar la interface Fe2B/substrato. Si

la concentración de boro en la superficie permanece alrededor del 9% de peso la fase Fe2B

seguirá creciendo, pero si esta concentración alcanza aproximadamente el 16 % de peso, entonces se forma la fase FeB y crece por encima de la fase Fe2B, resultando en una capa

(30)

Monica Tapia Gaspar 4

1.2 Formación de capas boruradas en la superficie de aceros de alta aleación

Durante el proceso del tratamiento de borurado se presenta el fenómeno de difusión. La difusión es el movimiento de los átomos de boro sobre la superficie metálica del substrato este proceso inicia a una temperatura de 900°C y 8% de solubilidad para formar la fase Fe2B. El

diagrama de equilibrio de fases hierro – boro (Fe-B) de la figura 1.2 muestra la presencia de dos compuestos de boro Fe2B y FeB. La capa de Fe2B crece en la dirección preferencial [001]

hasta alcanzar una concentración del 16% en peso para la formación de la fase FeB (Dearnley P et al., 1985).

La fase Fe2B tiene una estructura tetragonal centrada en el cuerpo con valores de parámetro de

[image:30.612.131.499.348.650.2]

red a=0.5978 nm y c=0.4249 nm. La fase FeB tiene una estructura ortorrómbica con parámetros de red a=0.4053 nm, b=0.5495 nm y c=0.2946 nm, los átomos de boro de esta combinación forman cadenas en zigzag en la dirección preferencial [001] (Brakman C M, 1989, Matuschka, 1980).

(31)

Monica Tapia Gaspar 5

La micro estructura y las propiedades mecánicas como la dureza del acero tipo herramienta, para trabajo en caliente, está muy relacionado con la composición química, temperatura de borurado y tiempo de exposición (Taktak, 2006). El flujo de boro, el espesor y la morfología de las interfases se puede controlar seleccionando la aleación y el medio borurante (Carbucicchio y Palombarini, 1987).

La solubilidad del boro depende de la composición química del substrato, siendo el acero de baja aleación el que permite mayor solubilidad. Entonces en un acero de alta aleación la solubilidad del boro disminuye. La morfología y la formación de las fases de boro está definida por la composición química del substrato y el potencial del agente borurante. Los elementos de aleación se introducen en forma sustitucional en los extremos de las aserraciones formadas por la fase Fe2B, disminuyendo el flujo de boro y acumulándose en la superficie, alcanzando la

concentración de 16% de peso necesaria para formar la fase FeB. El borurado en aceros de alta aleación les otorga alto grado de dureza debido a los compuestos que se forman en la capa (Lakhtib y Pchelkins, 1961).

Las pequeñas cantidades de cromo (Cr) presentes en un acero reduce considerablemente la profundidad de la capa en el substrato. Un incremento entre el 3 y 8% no afecta del todo la profundidad de la capa alcanzando un espesor de 90 µm. Una cantidad de 12 a 25% de cromo en un acero con 0.51% de carbono (C) lo disminuye, obteniendo un espesor de 55 µm. La capa de un acero con alto contenido de cromo forma tres regiones dentro de esta, las fases de boruro FeB y Fe2B y los boruros de cromo (FeCr)B, (Fe, Cr)2B disuelta en las fases, además una

región obscura debajo de la capa conocida como zona de difusión (figura 1.3).

Se llevó a cabo el endurecimiento superficial del acero AISI H13 en un medio borurante de Ekabor 1 a una temperatura de 1000°C con un tiempo de exposición de 3 horas. La capa resultante es de morfología poco aserrada y con un espesor total de 64 ± 5 µm. Las fases presentes en la capa son FeB y Fe2B. La dureza que alcanza es de entre 1650 y 2000 Hv,

mientras que la dureza del acero sin tratamiento es de 570 Hv (Genel, 2005), (figura 1.3 inciso a)).

Esta formación depende del medio borurante, las condiciones del tratamiento y la composición química del acero. La dureza de la fase FeB se encuentra en el rango de 1900-2100 Hv mientras que la dureza de la fase Fe2B está entre 1800 a 2000 Hv. Siendo más dura la fase FeB.

(32)

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El alto contenido de carbono (C) en una aleación de acero disminuye el espesor de la capa porque el carbono no es soluble en la capa de boruro y se desplaza por delante de ella durante el crecimiento, formando precipitados del tipo Fe2,3 (B,C)6 y Fe3(B,C). Si el contenido de

carbono se incrementa entre 1 y 2% disminuye inmediatamente el espesor de la capa (Matuschka, 1980).

Figura 1.3 a) Acero AISI H13 endurecido con Ekabor I, a una temperatura de 1000°C durante 3 horas de exposición, se presentan las dos fases FeB y Fe2B (K. Genel, 2006), b) Acero M2 endurecido con B4C, a una

temperatura de 1050°C con 6 horas de exposición, se presentan las fases FeB y Fe2B (I. Campos, 2012); c) Acero

DIN 32CrMoV12-10 endurecido con Mezcla de laboratorio (MGIS) a una temperatura de 850°C con 12 horas de exposición, se presentan las dos fases FeB y Fe2B.

a)

(33)

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El silicio es otro elemento que tampoco es soluble en la capa de boruro, éste es desplazado por el crecimiento de la capa en forma de precipitados del tipo FeSi0.4B0.6 o Fe5SiB2. Un acero

enriquecido con silicio forma una zona de ferrita en la parte baja de la capa. Esta región es la zona de difusión y se forma al mismo tiempo que la capa de boruro. Esta zona de ferrita es más suave en comparación con las fases formadas en la superficie del acero.

Una elevada cantidad de vanadio (V) y molibdeno (Mo) reducen el espesor de la capa y disminuye la morfología aserrada de la misma. El molibdeno y vanadio son distribuidos de manera uniforme dentro de la capa, mientras el vanadio no parece ser disuelto y permanece visible entre las fases después del tratamiento. La combinación del vanadio con el boruro es de la forma VB2 obteniendo una dureza de 2800 Hv (50-200g). El molibdeno se disuelve en la

capa formando los compuestos Mo2B, MoB2 y Mo2B2. El valor de la dureza que se puede

alcanzar con la formación de estos compuestos son para el Mo2B de 1660 Hv, el MoB2 de 2330

Hv y el Mo2B5 de 2350 Hv en un rango de cargas 50-200 gramos (Dearnley y Bell, 1985).

El manganeso (Mn) difícilmente influye en el crecimiento de la capa. Sin embargo, una morfología de frente plano se puede esperar cuando existen concentraciones más altas. En un acero con 0.32% de C y 15% de Cr y hasta un 8% de Mn prácticamente no tienen ningún efecto en la profundidad ni tampoco en la morfología de la capa formada (Lakhtin y Pchelkina, 1961).

(34)

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En el tratamiento de borurado la morfología de las capas generalmente es poco aserrada. El tipo de fase FeB formada en la superficie se relaciona con especímenes que se han sometido a elevadas temperaturas y prolongados tiempos de exposición. La presencia de porosidad en estas capas se debe al oxígeno en la atmósfera durante el tratamiento, el oxígeno reacciona con el carburo de boro (B4C) formando CO y un óxido, que detiene a los átomos de boro. Los

poros son puntos de concentración de esfuerzo y esto disminuye las propiedades mecánicas. Se sabe que el coeficiente de expansión térmica del boruro es muy diferente al del acero (Genel, 2005).

La formación de una capa bifásica disminuye las propiedades mecánicas debido a la naturaleza de los esfuerzos residuales. Otra característica de las capas de boruro es la formación de grietas en las zonas cercanas a las interfases FeB/Fe2B que se explica con la formación de esfuerzos

internos, la fase FeB forma esfuerzos tensiles, mientras que la fase Fe2B forma esfuerzos

compresivos. En el sistema capa/substrato se pueden presentar tres tipos de agrietamientos, grietas paralelas a la interface FeB/Fe2B, grietas perpendiculares a la interface FeB/Fe2B y

grietas perpendiculares a la interface que alcanzan el substrato. El primer y segundo tipo de grietas suceden por el enfriamiento después del tratamiento y el tercer tipo es si el boruro se expone a un templado y forma una capa muy delgada de Fe2B en aceros de alta aleación (Rile,

1974).

1.3 Aplicación de la borurización en aceros de alta aleación.

Los aceros de grado herramienta que contienen cantidades relativamente altas de cromo (Cr), molibdeno (Mo) y vanadio (V) tienen la capacidad de otorgar un largo tiempo de servicio. El tratamiento de borurado se ha desarrollado muy bien tecnológicamente y está extensamente aplicado en la industria porque brinda capas superficiales de alta resistencia al desgaste en materiales metálicos. Muchos aceros para herramienta se utilizan en los componentes de maquinaria y aplicaciones estructurales. Algunas aplicaciones de estos aceros son para muelles sometidos a elevadas temperaturas, sujetadores de alta resistencia y cojinetes de diversos tipos. Una alta dureza proporcionada por el tratamiento de borurado los vuelve adecuados para la resistencia al desgaste, particularmente causado por partículas abrasivas.

(35)

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Los aceros para trabajo en caliente, como lo son la serie H, son materiales para herramientas que se usan en troqueles de extrusión, herramientas para prensado en caliente y la forja de acero. Se caracterizan por su alta resistencia y ductilidad, buena resistencia al revenido a un costo moderado. Componentes borurados en la situación de desgaste por deslizamiento y anillos de acero en las maquinas textiles de hilado han extendido su tiempo de operación (Dearnley P et al, 1985).

(36)

Monica Tapia Gaspar 10

Referencias

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Campos I, Ortiz M, Tapia C, Rodríguez G, Jiménez M Y and Chávez E (2012), “Kinetics and

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Genel K (2006), “Boriding kinetics of H13 steel”, Vacuum, 80, 451-457.

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Matushka A Graf Von (1980), “Boronizing”, Carl Hanser Verlag, Munich, FRG.

Rile M (1974), “Reasons for the formation of cracks in boride coatings on steel”, Met. Sci. Heat Treat. Met. 16, 836-838.

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Taktak S (2007), “Some mechanical properties of borided AISI H13 and 304 steel”, Mat.

(37)

Monica Tapia Gaspar 11

Capítulo 2

Cinética de crecimiento de capas boruradas en un acero DIN 32

CrMoV12-10

2.1 Introducción

El borurado en aceros es un tratamiento termoquímico superficial, por lo cual se difunde y se combina con el substrato formando una fase borurada simple (Fe2B) o doble (FeB/Fe2B). A

diferencia de muchos otros tratamientos superficiales, las capas duras de boruro se pueden desarrollar en la mayoría de las aleaciones y metales por difusión de boro. El espesor de la capa formada, la cual afecta el comportamiento mecánico, depende de la temperatura de borurado, el tiempo de tratamiento y el potencial de boro que rodea la superficie de la muestra (Brakman et. al., 1989). El rango de espesor óptimo de capa borurada para aceros de bajo carbono y aceros de baja aleación es de 50 a 250 µm, mientras que el espesor óptimo de capa para aceros de alta aleación es de 25 a 76 µm (Davis, 2002). Además, el espesor de la capa borurada tiene efecto en las dimensiones y la rugosidad superficial del material expuesto al tratamiento. Por lo tanto, la estimación de los parámetros cinéticos para la evolución de las capas superficiales FeB y Fe2B durante el proceso de borurado es de gran importancia. (Sahin,

2009).

Los modelos tradicionales de difusión sugieren que las capas FeB y Fe2B obedecen la ley de

crecimiento parabólico , donde es el espesor medio de la capa de boruro, es la constante de crecimiento, y es el tiempo de exposición del substrato para el proceso de borurado (Pelleg and Judelewicz, 1992, Raic et. al., 1996, Melendez et. al., 1997, Sen et. al., 2005). Se han desarrollado otros modelos de difusión basados en las ecuaciones de balance de masa de la interface FeB/Fe2B y de la interface Fe2B/substrato así como el perfil de

concentración de boro en la superficie de las capas boruradas (Dybkov V I, 2007, Campos, 2009). Una solución de la ecuación de balance de masa de la capa superficial está basado en la ley de crecimiento parabólico y se puede usar para estimar los coeficientes de difusión de boro de las capas FeB y Fe2B ( y , respectivamente). Igualmente, en muchos modelos de

(38)

Monica Tapia Gaspar 12

En este Capítulo se ha propuesto un modelo de difusión para estimar el coeficiente de difusión de las capas FeB y Fe2B en la superficie de un acero DIN 32CrMoV12-10 producto del

borurado por empaquetamiento en polvo. El modelo de difusión está basado en el perfil de concentración de boro de las capas superficiales, la ley de crecimiento parabólico, el tiempo de incubación y las ecuaciones de balance de masa en las interfases FeB y Fe2B.

Además es importante considerar un estudio de análisis estadístico para estimar el efecto de los factores de tratamiento en la formación de capas de boro en la superficie de un acero DIN 32CrMoV12-10.

2.2 Modelo cinético

2.2.1 Cinética de crecimiento de la capa Fe

2

B

El primer modelo propuesto para la formación de la fase Fe2B sobre la capa borurada. El

crecimiento de la fase Fe2B sucede antes de la fase FeB en la superficie del acero DIN

32CrMoV12-10. En este caso, el coeficiente de difusión de boro en la capa Fe2B ( ) se

puede determinar de manera independiente. De acuerdo con el diagrama de la figura 2.1 se considera un perfil de concentración de boro lineal a lo largo de la capa Fe2B (Campos et. al.

[image:38.612.183.447.416.683.2]

2013).

(39)

Monica Tapia Gaspar 13

La formación de la fase Fe2B aparece primordialmente para los tratamientos realizados con

polvo Ekabor 2. Las condiciones iniciales y de frontera se representan por las siguientes ecuaciones:

(2.1)

Donde representa la concentración efectiva de boro adsorbido durante el tratamiento (Yu et. al., 2005). representa la máxima concentración de boro en la fase Fe2B y

representa el mínimo de concentración de boro en esta fase. El perfil de concentración de boro se puede describir en una función lineal entre el espesor y la concentración, como en la siguiente ecuación:

(2.2)

Se toman en cuenta las siguientes consideraciones para el modelo de difusión:

a) La cinética de crecimiento es controlada por la difusión de boro en la fase Fe2B.

b) El crecimiento de la capa borurada se debe a la difusión perpendicular de boro en la superficie del substrato.

c) La concentración de boro permanece constante en la capa borurada durante el tratamiento.

d) La capa borurada es delgada en comparación con el tamaño de la muestra. e) El cambio de volumen durante la transformación de fases no es considerado. f) Se asume una temperatura uniforme a través de toda la muestra a borurar.

La ecuación de balance de masa de la interface Fe2B/substrato se representa esquemáticamente

en el perfil de concentración de la figura 2.1.

(2.3)

(40)

Monica Tapia Gaspar 14

Entonces sustituyendo el flujo en la ecuación de balance de masa, se obtiene:

(2.4)

Una solución particular para un crecimiento de difusión controlado esta dado por la ley de crecimiento parabólico como lo muestra la siguiente ecuación:

(2.5)

Donde es la constante de crecimiento, es el tiempo de exposición y es el tiempo de incubación como una función de la temperatura de borurado ( ). Utilizando la ecuación (2.5) en (2.4) el coeficiente de difusión se define como:

(2.6)

2.2.2 Cinética de crecimiento de las capas FeB/Fe

2

B

Se asumió un perfil de concentración lineal para cada una de las capas formadas en la superficie del acero. y representan el máximo y el mínimo de concentración de boro en las capas FeB y Fe2B ( ) como se muestra en el diagrama de fases

hierro-boro (Fe-B) de la figura 2.2. En la fase Fe2B el perfil de concentración de boro considera una

baja solubilidad de aproximadamente 1 % de peso en boro (Massalski, 1990). Igualmente, la homogeneidad de distribución de boro en las capas FeB y Fe2B se puede describir por y ,

y los parámetros y expresan la miscibilidad entre las interfases FeB/Fe2B y

(41)
[image:41.612.84.541.118.359.2]

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Figura 2.2 Representación esquemática de la concentración de boro máxima y mínima en las fases a) FeB y b) Fe2B.

Las condiciones iniciales y de frontera se representan por las siguientes ecuaciones, como se muestra en el perfil de concentración de la figura 2.3.

(2.7)

para B,

para B y con fase FeB,

(2.8) para B B y

sin fase FeB,

para B y sin fase FeB,

(42)
[image:42.612.72.558.101.696.2]

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(43)

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Las condiciones de frontera son:

, (2.9)

, (2.10)

, (2.11)

, (2.12)

representa la concentración efectiva de boro adsorbido durante el proceso de borurado. Las ecuaciones de balance de masa de las interfases FeB/Fe2B y Fe2B/substrato se pueden

describir de la siguiente manera:

(2.13)

(2.14)

Donde y se obtienen de la primera ley de Fick, . Las ecuaciones que representan la concentración de boro en las fases FeB y Fe2B se pueden

describir como sigue:

(2.15)

(2.16)

Si el substrato se satura dentro de un periodo corto de tiempo y la solubilidad del boro es extremadamente baja en el substrato (0.003 wt. % B), entonces . Así, el flujo y se puede expresar con las siguientes ecuaciones:

(2.17)

(44)

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Donde es el coeficiente de difusión de boro en la fase FeB, es el coeficiente de difusión de boro de la fase Fe2B, y representan la profundidad de las fases FeB y Fe2B,

respectivamente.

Al substituir las ecuaciones 2.17 y 2.18 en las ecuaciones 2.13 y 2.14, las ecuaciones de balance de masa de la interface se expresa como:

(2.19)

(2.20)

La continuidad de estas ecuaciones se reescribe de la siguiente manera:

(2.21)

(2.22)

Las constantes son función de las concentraciones (Campos et. al., 2010), de acuerdo con:

La solución de las ecuaciones 2.21 y 2.22 se puede obtener por la consideración de la ecuación de crecimiento parabólico (Brakman et. al., 1989, Roy, 1968, Campos et. al., 2010 a).

(45)

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Donde es la constante de crecimiento de la capa FeB, es el tiempo de incubación como función de la temperatura, y es el tiempo de crecimiento efectivo de la fase FeB. De manera similar, se puede definir la ecuación de crecimiento de la capa Fe2B

como:

(2.24)

Donde es el espesor de capa total, es el tiempo de exposición, es el tiempo de incubación de la capa total , y es la constante de crecimiento parabólico de la capa total (Campos et. al., 2012).

Basados en los supuestos antes mencionados, los coeficientes de difusión de las fases FeB y Fe2B ( y ) se pueden derivar de las ecuaciones 2.21 y 2.22 como sigue:

(2.25)

(2.26)

2.3 Desarrollo experimental

Las muestras del acero DIN 32CrMoV12-10 son de geometría cúbica, de dimensiones 10 x 10 x 10 mm (1 cm3). Los dos medios borurantes para este tratamiento son Ekabor 2 y la mezcla de laboratorio MGIS, esta última está compuesta por 70% SiC; 20% B4C; 10% KBF4 al 5% de

(46)

Monica Tapia Gaspar 20

Las muestras ya endurecidas se cortan de manera transversal y se realiza una preparación metalográfica para obtener micrografías de la capa borurada (FeB y Fe2B) con el equipo GX51 Olympus. La manera de cómo se ha medido la longitud de la capa es considerando una

referencia en la superficie de la muestra, como se ilustra en la figura 2.4. El tamaño de la fase FeB se toma a partir de la superficie y hasta la interface FeB/Fe2B, de manera similar la fase

Fe2B inicia en la superficie y acaba en la interface Fe2B/substrato. Con el fin de tomar datos

del espesor de capa borurada se cuenta con el software Image Pro Plus versión 6.3. Se utiliza

la herramienta para medir longitud a partir de un punto de referencia para obtener el espesor de capa borurada. Se realizaron más de veinte medidas sobre la longitud de la capa, por cada micrografía, para estimar el espesor de la fase FeB y el de la capa total FeB+Fe2B. Además, se

llevó a cabo una prueba de XRD de las muestras boruradas a una temperatura de 1000°C durante 12 horas de tratamiento, para caracterizar la naturaleza de los productos de boruro y las fases presentes en la capa borurada.

Figura 2.4 Representación de la referencia considerada en la superficie del material para medir el espesor de capa borurada FeB y Fe2B en relación de cada una de las fases presentes.

(47)

Monica Tapia Gaspar 21

Figura 2.5 Patrón de difracción del acero DIN 32CrMoV12-10 borurado con mezcla de laboratorio MGIS a) temperatura de 1000°C con un tiempo de 12 horas de exposición y con polvo Ekabor 2 b) temperatura de 1000°C

con un tiempo de exposición de 12 horas y c) 6 horas de exposición.

a) b) a)

b)

[image:47.612.35.575.90.646.2]
(48)

Monica Tapia Gaspar 22

2.4 Resultados y discusiones

La caracterización del acero DIN 32CrMoV12-10 indica que la formación de las fases FeB/Fe2B fue controlada por la difusión de boro en la superficie. Las figuras 2.6 y 2.7

muestran la morfología poco aserrada de la micro estructura de las fases FeB/Fe2B. Además, la

razón de crecimiento y la composición de la fase se determinaron por la actividad de boro en la superficie, la temperatura del proceso de borurado y la composición del substrato. Una vez que se han formado las capas de boruro en la superficie, su crecimiento se describe por las siguientes reacciones (Dybkov et. al., 2006).

(2.27)

(2.28)

La presencia de los elementos de aleación como el cromo (Cr), molibdeno (Mo) y vanadio (V) reduce la razón de crecimiento de la capa de boruro debido a la formación de una barrera de difusión, la cual disminuye el crecimiento de la capa. Además, el resultado del análisis XRD (figura 2.5) revela la presencia de boruros de hierro del tipo Cr2B y CrB en la capa borurada. El

cromo tiende a disolverse en la capa FeB/Fe2B y forma boruros independientes con una

constante de red similar a la de los boruros de hierro. Por otra parte, los resultados de estudios previos sugieren que el cromo en altas concentraciones se acumula en la región más externa de la capa (Carbucicchio et. al, 1987).

El espesor resultante de los tratamientos que se llevaron para dos temperaturas de tratamiento (850 y 1000°C) y dos tiempos de exposición (6 y 12 horas) con ambos medios borurantes se muestra en la tabla 2.1. La presencia de las dos fases se obtiene para todos los tratamientos en los que se utilizó la mezcla de laboratorio MGIS como medio borurante. Mientras que para el Ekabor 2 se obtienen las dos fases para el tiempo de tratamiento más prolongado (12 horas).

La dependencia de los espesores de la capa FeB ( ) y la capa total (FeB + Fe2B) ( ) sobre el

tiempo de exposición es parabólico como se indica en las ecuaciones 2.23 y 2.24. Esto indica un proceso de difusión controlado (Genel et. al., 2003). El tiempo de incubación para la fase FeB es mayor que el tiempo de incubación para la fase Fe2B, este tiempo disminuye cuando se

(49)
[image:49.612.65.575.159.555.2]

Monica Tapia Gaspar 23

Figura 2.6 Sección transversal del acero DIN 32CrMoV12-10 borurado con mezcla de laboratorio MGIS a) a una temperatura de 850°C durante 6 horas de exposición, b) a una temperatura de 850°C durante 12 horas de exposición, c) a una temperatura de 1000°C durante 6 horas de exposición y d) a una temperatura de 1000°C 12

horas de exposición.

a) b)

(50)

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Figura 2.7 Sección transversal del acero DIN 32CrMoV12-10 borurado con mezcla polvo Ekabor 2 a) a una temperatura de 850°C durante 6 horas de exposición, b) a una temperatura de 850°C durante 12 horas de exposición, c) a una temperatura de 1000°C durante 6 horas de exposición y d) a una temperatura de 1000°C 12

horas de exposición.

a) b)

[image:50.612.64.563.148.555.2]
(51)
[image:51.612.135.496.171.467.2]

Monica Tapia Gaspar 25

Tabla 2.1

Valor de los espesores de capa formados en la superficie de un acero DIN 32CrMoV12-10 borurado con mezcla de laboratorio MGIS y Ekabor 2.

Tiempo de exposición [horas]

Temperatura de borurado [°C]

850

Mezcla de laboratorio

MGIS Ekabor 2

Espesor de capa [μm]

FeB FeB+Fe2B FeB FeB+Fe2B

6 19.39±2.05 37.59±2.32 - 19.35±2.39 12 32.59±3.65 70.19±2.27 6.17±1.9 34.85±5.32

Tiempo de

incubación [s] 9875.3 6743.2 - 6154.8

Tiempo de exposición [horas]

Temperatura de borurado [°C]

1000

Mezcla de laboratorio

MGIS Ekabor 2

Espesor de capa [μm]

FeB FeB+Fe2B FeB FeB+Fe2B

6 36.24±14.7 131.38±8.8 - 94.19±5.72 12 74.63±14.8 208.02±9.2 28.9±8.0 161.74±11.0

Tiempo de

incubación [s] 8145.72 4236.4 - 4085.2

Además el potencial de boro tiene un efecto significativo sobre la cinética de crecimiento de las capas boruradas a través de diferentes métodos de borurado. En el borurado por empaquetamiento en polvo, la difusión de boro está afectada por la superficie de contacto entre el agente borurante y el substrato (Matuschka, 1980). También otro factor de interés es el tamaño de las partículas finas, el cual permite una mejor difusión de átomos de boro dentro del material (Fichtl, 1981). Comparando el tamaño de grano, la mezcla MGIS cuenta con una granulometría de 4 μm, menor a la del Ekabor 2.

La cantidad de activador KBF4 en la mezcla de laboratorio inicia de manera rápida la primera

reacción química para la formación de la capa borurada. El primer paso en la reacción es la liberación de gas BF3 por la disociación del KBF4. Una vez liberado el gas puede reaccionar

con cualquier otro compuesto del medio borurante y del substrato. El KBF4 activa el proceso

de borurado pero una vez que se inicia el crecimiento de la capa sólo el B4C es esencial para su

crecimiento. Entonces la cantidad de KBF4 que constituye la mezcla de laboratorio MGIS es

Figure

Figura 1.1 Contenedor de acero inoxidable en forma cilíndrica. La vista frontal muestra la distancia entre la pared del contenedor y la pieza
Figura 1.2 Diagrama de equilibrio de fases hierro – boro (Fe – B)
Figura 2.1 Representación esquemática del perfil de concentración de boro en la fase Fe 2B
Figura 2.2 Representación esquemática de la concentración de boro máxima y mínima en las fases a) FeB y b) Fe2B
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