ANÁLISIS MICROESTRUCTURAL DEL TRATAMIENTO TERMOQUÍMICO DE CEMENTACIÓN Y TEMPLE A TEMPERATURAS INTERCRÍTICAS, CON
REVENIDO POSTERIOR, EN UN ACERO 1020.
CHRISTIAN CAMILO RAMÍREZ CORTÉS MIGUEL ÁNGEL RODRÍGUEZ PEÑA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA
PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA MECÁNICA POR CICLOS PROPEDEUTICOS
ANÁLISIS MICROESTRUCTURAL DEL TRATAMIENTO TERMOQUÍMICO DE CEMENTACIÓN Y TEMPLE A TEMPERATURAS INTERCRÍTICAS, CON
REVENIDO POSTERIOR, EN UN ACERO 1020.
CHRISTIAN CAMILO RAMÍREZ CORTÉS MIGUEL ÁNGEL RODRÍGUEZ PEÑA
TUTOR
ING. CARLOS ARTURO BOHÓRQUEZ ÁVILA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA
PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA MECÁNICA POR CICLOS PROPEDEUTICOS
3
Nota De Aceptación
____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________ ____________________________________
_________________________ Firma del Tutor
_________________________ Firma del Jurado
4
AGRADECIMIENTOS
5
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ... 18
1.2. JUSTIFICACIÓN ... 19
1.3. OBJETIVOS ... 20
1.3.1. OBJETIVO GENERAL ... 20
1.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ... 20
2. MARCO DE REFERENCIA ... 21
2.1. ANTECEDENTES ... 21
2.2. METALES Y ALEACIONES ... 24
2.3. ACEROS DE BAJO CONTENIDO DE CARBONO ... 24
2.4. ACERO 1020 ... 24
2.5. TRATAMIENTOS TÉRMICOS ... 25
2.5.1. TRATAMIENTO TERMOQUÍMICO DE CEMENTACIÓN ... 25
2.5.2. TEMPLE ... 26
2.5.3. REVENIDO ... 27
2.6. CONSTITUYENTES PRESENTES EN LOS ACEROS ... 27
2.6.1. FERRITA ... 28
2.6.2. MARTENSITA ... 29
2.6.3. PERLITA ... 29
2.7. METALOGRAFÍA ... 30
6
2.7.2. ENCAPSULAMIENTO ... 31
2.7.3. LIJADO DE SUPERFICIE ... 31
2.7.4. OBTENCIÓN DE BRILLO ESPEJO ... 31
2.7.5. ATAQUE QUÍMICO ... 32
2.7.6. TOMA DE METALOGRAFÍAS EN MICROSCOPIO OPTICO ... 32
2.7.7. ANÁLISIS POR S.E.M. ... 32
3. DESARROLLO DEL PROYECTO ... 34
3.1. EQUIPOS ... 34
3.1.1. ESPECTRÓMETRO UV-VIS-NIR ... 34
3.1.2. HORNO DE ATMOSFERA CONTROLADA ... 35
3.1.3. MUFLA ELÉCTRICA LABTECH/LEF-P ... 37
3.1.4. CORTADORA METALOGRÁFICA METACUT 250. ... 37
3.1.5. PRENSA DE MONTAJE AUTOMÁTICO METKON ECOPRESS 50. ... 38
3.1.6. SISTEMA DE ESMERILADO Y PULIDO METKON FORCIPOL 2V. ... 39
3.1.7. MICROSCOPIO AXIO OBSERVER D1M ... 40
3.1.8. MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE BARRIDO JEOL JSM-6490LV ... 41
3.1.9. DURÓMETRO GNEHM SWISS ROCK. ... 42
3.1.10. MICRODURÓMETRO SHIMADZU HMV-2. ... 43
3.2. DIAGRAMA DE FLUJO ... 44
3.3. SELECCIÓN Y PREPARACIÓN ... 44
3.4. ESPECTROMETRÍA ... 45
3.5. CÁLCULO DE TEMPERATURAS CRÍTICAS ... 46
3.6. CEMENTACIÓN Y TEMPLE ... 47
3.7. REVENIDO ... 47
3.8. PREPARACIÓN DE LAS PROBETAS PARA LA OBSERVACIÓN ... 49
4. ANALISIS Y RESULTADOS ... 51
4.1. DUREZAS ... 51
4.2. MICRODUREZAS ... 53
4.3. CARACTERIZACIÓN DE LAS MICRODUREZAS EN LA CAPA CEMENTADA ... 57
7
4.4. MICROGRAFIAS ... 63
4.4.1. ANÁLISIS DE MICROESTRUCTURAS. ... 72
4.5. PORCENTAJES DE FASES ... 76
4.6. PORCENTAJE DE CARBONO PRESENTE EN LA MARTENSITA ... 81
CONCLUSIONES ... 85
8
LISTA DE TABLAS
Pag.
Tabla 1. Propiedades del acero 1020 ... 25
Tabla 2. Composición química de un acero AISI 1020. ... 45
Tabla 3. Temperatura critica del Acero AISI 1020 ... 46
Tabla 4. Datos ensayo de dureza ... 51
Tabla 5. Datos ensayo de dureza cementación, temple y revenido. ... 51
Tabla 6. Datos obtenidos en el ensayo de microdureza. ... 53
Tabla 7. Microdureza en la capa cementada del acero 1020 cementado y templado. ... 60
Tabla 8. Microdureza en la capa cementada del acero 1020 cementado, templado y revenido 5 minutos. ... 61
Tabla 9. Microdureza en la capa cementada del acero 1020 cementado, templado y revenido 10 minutos. ... 62
Tabla 10. Microdureza en la capa cementada del acero 1020 cementado, templado y revenido 15 minutos. ... 63
Tabla 11. Porcentajes de fase presentes en el acero ... 81
9
LISTA DE FIGURAS
Pag.
Figura 1. Diagrama Fe-C. ... 28
Figura 2. Diagrama de proceso... 30
Figura 3. Esquema de un microscopio por barrido electrónico. ... 33
Figura 4. Espectrómetro UV-VIS-NIR ... 35
Figura 5. Sistema de cementación por atmosfera controlada. ... 36
Figura 6. Mufla eléctrica LABTECH/LEF-P ... 37
Figura 7. Cortadora Metalográfica METACUT 250 ... 38
Figura 8. Prensa de montaje automático METKON ECOPRESS 50. ... 39
Figura 9. Sistema de esmerilado y pulido METKON FORCIPOL 2V ... 40
Figura 10. Microscopio AXIO OBSERVER D1M ... 40
Figura 11. Microscopio Electrónico de Barrido JEOL JSM-6490LV ... 42
Figura 12. Durómetro GNEHM SWISS ROCK ... 43
10
Figura 14. Diagramad de flujo para el estudio de un acero 1020 sometido a
tratamientos térmicos. ... 44
Figura 15. Secuencia de tratamiento térmico, cementación y temple a un acero AISI 1020. ... 47
Figura 16. Secuencia de tratamiento térmico, revenido en diferentes tiempos a un acero AISI 1020. ... 48
Figura 17. Dimensiones aproximadas probetas. ... 49
Figura 18. Probetas encapsuladas ... 50
Figura 19. Comparación de durezas vs tratamiento térmico ... 52
Figura 20. Perfil de dureza cementación. ... 54
Figura 21. Perfil de dureza cementación y temple. ... 54
Figura 22. Perfil de dureza cementación y temple con revenido por 5 minutos. .... 55
Figura 23. Perfil de dureza cementación y temple con revenido por 10 minutos ... 55
Figura 24. Perfil de dureza cementación y temple con revenido por 15 minutos ... 56
Figura 25. Comparación perfiles de dureza. ... 56
Figura 26. Curva de difusión de carbono para un Acero 1020. ... 59
Figura 27. Grafica de microdureza en la capa cementada para cementación y temple. ... 60
11
Figura 29.Grafica de microdureza en la capa cementada para cementación, temple y revenido 10 min. ... 62
Figura 30. Grafica de microdureza en la capa cementada para cementación,
temple y revenido 15 min. ... 63
Figura 31. Metalografías tomadas al material de análisis con solo cementación y enfriamiento al aire. A) 100X, B) 500X, C) 1000X, D) Detalle de la transformación de fase del borde cementado al centro del material base, 100X. ... 64
Figura 32. Metalografías tomadas al material tratado con cementación y temple posterior en agua. A) 100X, B) 500X, C) 1000X, D) Detalle de la transformación de fase del borde cementado al centro del material base, 100X. ... 65
Figura 33. Metalografías tomadas al material tratado con cementación y temple. E) Borde cementado a 5000X, F) Microestructura del material a 2mm del borde. G) Microestructura del material a 4mm del borde. H) Microestructura del material en el centro de la muestra ... 66
Figura 34. Metalografías tomadas al material tratado con cementación, temple y revenido de 5 minutos a 390°C. A) 100X, B) 500X, C) 1000X, D) Detalle de la transformación de fase del borde cementado al centro del material base, 100X. .. 67
Figura 35. Metalografías, cementación, temple y revenido de 5 minutos a 390°C.E) Borde cementado a 5000X, F) Microestructura del material a 2mm del borde. G) Microestructura del material a 4mm del borde. H) Microestructura del material en el centro de la muestra. ... 68
Figura 36. Metalografías tomadas al material tratado con cementación, temple y revenido de 10 minutos a 390°C. A) 100X, B) 500X, C) 1000X, D) Detalle de la transformación de fase del borde cementado al centro del material base, 100X. .. 69
12
Figura 38. Metalografías tomadas al material tratado con cementación, temple y revenido de 15 minutos a 390°C. A) 100X, B) 500X, C) 1000X, D) Detalle de la transformación de fase del borde cementado al centro del material base, 100X. .. 71
Figura 39. Metalografías, cementación, temple y revenido de 15 minutos a 390°C.E) Borde cementado a 5000X, F) Microestructura del material a 2mm del borde. G) Microestructura del material a 4mm del borde. H) Microestructura del material en el centro de la muestra ... 72
Figura 40. Microestructura Acero 1020 cementado y enfriado al aire, 500X. Foto tomada en el centro de la probeta. ... 73
Figura 41. Microestructura acero Cementado y Templado en agua. 500X. Foto tomada en el centro de la probeta ... 74
Figura 42. Microestructura acero Cementado, templado y revenido 5 minutos. 500X Foto tomada en el centro de la probeta ... 75
Figura 43. 1) Microestructura acero Cementado, templado y revenido 10 minutos. 500X 2) Microestructura acero Cementado, templado y revenido 15 minutos. 500X. Ambas imágenes corresponden al centro de las probetas. ... 76
Figura 44. Porcentajes de fase de ferrita y martensita, acero AISI 1020 cementado y templado ... 77
Figura 45. Porcentajes de fase de ferrita y martensita, acero AISI 1020 cementado, templado y revenido 5 minutos ... 78
Figura 46. Porcentajes de fase de ferrita y martensita, acero AISI 1020 cementado, templado y revenido 10 minutos ... 79
Figura 47. Porcentajes de fase de ferrita y martensita, acero AISI 1020 cementado, templado y revenido 15 minutos. ... 80
13
LISTA DE ECUACIONES
Pag.
Ecuación 1. Calculo de temperatura critica AC1 ………. 46
Ecuación 2. Calculo de temperatura critica AC3 ………. 46
Ecuación 3. Calculo temperatura de transformación martensitica (Ms). …………48
Ecuación 4. Segunda ley de Fick para difusión en materiales solidos………58
Ecuación 5. Regla de las mezclas ………81
Ecuación 6. Calculo para determinar el porcentaje de carbono presente en la
martensita (%Cm) ………82
Ecuación 7. Expresión para el cálculo de la dureza de la martensita en función del
contenido de carbono ………82
14
GLOSARIO
ACERO: mezcla de hierro con una cantidad de carbono que varía entre el 0,03% y el 2,14%, dependiendo de su grado.
ACERO DOBLE FASE (DUAL PHASE STEEL): aceros que presentan una microestructura martensítica en una matriz de ferrita, lo cual hace que tengan una buena combinación de ductilidad y alta resistencia a la tensión.
CEMENTACIÓN: tratamiento termoquímico durante el cual la capa exterior del componente se enriquece con carbono con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas.
ESPECTROMETRÍA POR CHISPA: procedimiento para el análisis de elementos metálicos en muestras sólidas. Se ejecuta excitando los átomos de la pieza a analizar, estos producen luz en distintas longitudes de onda que son medidos por métodos espectroscópicos.
FERRITA: fase más blanda y dúctil de los aceros, tiene una dureza que ronda los 95 Vickers y una resistencia a la tracción de 28kg/mm2.
MARTENSITA: solución sólida sobresaturada de carbono, típica de los aceros templados, tiene una dureza de alrededor de 540 Vickers.
METALOGRAFÍA: procedimiento mediante el cual se estudia la microestructura de los metales o aleaciones, utilizando una sección transversal de los mismos.
MICRODUREZA: ensayo por medo del cual se determina la dureza de una zona reducida del material de estudio.
15
TEMPLE: tratamiento térmico utilizado para incrementar la dureza de los aceros.
16
RESUMEN
17
INTRODUCCIÓN
La cementación es un proceso termoquímico que induce a la difusión de carbono en la estructura del hierro con el fin de inducir a la formación de martensita en las capas superficiales del material durante el temple. La formación de estas capas incrementa las propiedades de fuerza y resistencia a la fatiga debido al endurecimiento, en conjunto con fuerzas de compresión superficiales.
En el artículo titulado “Modeling of the carburizing and nitriding processes”,
realizado en el año 2014 por P. Cavaliere et. al., se dice que La fase termoquímica del tratamiento consiste en la alta temperatura de la difusión del carbono en una superficie, empezando con una concentración de 0.1-0.2% y llegando hasta una concentración de 0.7-1.2%. Esta superficie puede presentar dos reacciones distintas:
a) La reacción del carbono con una superficie de baja concentración b) la difusión del carbono en el compuesto base”1
El tiempo del tratamiento puede ser de varias horas con el fin de mantener el rango de la temperatura algunos grados por debajo de la austenización, esto para evitar problemas con el crecimiento del grano en el material.
La cementación de la superficie depende de la temperatura y la presión, estos permanecen constantes durante el tratamiento y al mismo tiempo el carbono se difunde en el compuesto base. De esta forma, el perfil de concentración desde la superficie hasta el resto del volumen cambia con el tiempo del tratamiento. El endurecimiento final se debe al temple posterior.
Las propiedades mecánicas de las capas que se forman después de llevado a cabo el tratamiento térmico dependen de la concentración de carbono, dado que a mayor concentración de este elemento se incrementa la dureza de la misma.
1 P. Cavaliere, G. Zavarise y M. Perillo. Modeling of the carburizing and nitriding processes. Lecce,
18
1. PROBLEMÁTICA
1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
En la industria se necesitan aceros que tengan una superficie dura, pero que al mismo tiempo logren absorber la energía producto de los impactos. Este tipo de
aceros se conocen como “Aceros Doble Fase” (D.P. por sus siglas en inglés) y se
obtienen después del tratamiento termoquímico de cementación y el temple posterior.
Los primeros desarrollos de este tipo de aceros provienen de la década de los 70, en la cual se evidenció la falta de practicidad de los materiales existentes en la construcción de automóviles, ya que eran bastante pesados y difíciles de formar, haciendo complicada la producción de secciones para carrocerías automotrices.
Dicho cambio de material obedeció principalmente a la optimización en el consumo de combustible de los automóviles. Aunque los primeros aceros de doble fase desarrollados fueron bien recibidos por la industria de la construcción por tener buenas prestaciones estructurales, en el campo automotriz no fue el caso, ya que perdían demasiada ductilidad y formabilidad.
Los primeros aceros de doble fase cuya estructura cristalina contenía granos de tamaño lo bastante fino como para dejarse formar en chapa con facilidad se desarrollaron después, brindando así la solución a los anteriores problemas de ductilidad y formabilidad que presentaban las primeras series de estos. Desde ese entonces se han desarrollado infinidad de referencias de aceros D.P., dependiendo de la compañía y casi todas destinadas a la industria automotriz, en donde la relación resistencia-bajo peso ha sido un componente predominante, además de resultar en una alternativa bastante económica con respecto a otro tipo de materiales.
La principal característica de estos aceros es la presencia de dos fases en el mismo material. Es decir, una fase con una alta concentración de carbono presente en la superficie, lo cual hace a esta mucho más dura, y una fase con una baja concentración de carbono en el núcleo del material.
19
por ejemplo, en la fabricación de partes de transmisión de potencia en diferentes máquinas o en la fabricación de carrocerías para automóviles, por citar solo algunos, en donde el coeficiente de absorción de energía tenga que ser un factor importante para proteger los demás elementos.
El hecho de que este tipo de materiales se puedan obtener a base de aceros con una baja concentración de carbono los hace un objeto de fácil estudio aparte de disminuir de manera significativa sus costos.
1.2. JUSTIFICACIÓN
El estudio de aceros de doble fase es un aspecto crucial en el día de hoy en todos los campos de la ingeniería mecánica y en la ciencia de materiales, ya que, como ha quedado demostrado, son de extrema utilidad en el conformado de piezas de utilización diaria y en varios componentes de maquinaria que requieren de propiedades mecánicas diversas en el mismo material. En la industria no se ha hecho un estudio extensivo acerca de la influencia del tratamiento térmico de cementación a temperaturas Intercríticas en los aceros, lo cual nos lleva a introducirnos en este campo analizando el comportamiento de un acero con bajo contenido de carbono como es el AISI 1020, que se caracteriza por ser un acero económico y muy fácil de conseguir, lo cual podría aumentar las posibilidades de su utilización en distintos campos de la industria.
Teniendo en cuenta lo anterior, se realizará el presente estudio, en el cual se realizarán distintas pruebas entre las cuales sobresalen la de dureza superficial y las micrografías por barrido electrónico (SEM) para distintas muestras de dicho material, entre las cuales se buscará observar la difusión de carbono en el compuesto base después del tratamiento termoquímico de cementación en presencia de una atmósfera controlada para tal fin, y se analizará el cambio de su microestructura a medida que la muestra tomada se aleja del borde del material.
20
1.3. OBJETIVOS
1.3.1. OBJETIVO GENERAL
Obtener un acero de doble fase a partir de una barra de acero 1020 de diámetro ¾”
por medio del tratamiento termoquímico de cementación y temple para el estudio de su micrografía. Dicha microestructura se evaluará en términos de fases encontradas por medio de un estudio con SEM. Posteriormente a dicho material se le hará un revenido y se estudiará, de nuevo, su microestructura para observar las fases y componentes presentes.
1.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
· Elaborar un estudio de durezas de acuerdo con varias muestras del material posteriormente tratado.
· Elaborar un estudio de micrografía (S.E.M) en las muestras tratadas para observar la profundidad de la capa en la que se distribuyó el carbono.
21
2. MARCO DE REFERENCIA
2.1. ANTECEDENTES
Los aceros de doble fase son materiales que presentan dos fases distintas en el mismo material, producto de la difusión de carbono en el componente base (material al cual se le hace el tratamiento termoquímico). Dicha difusión de carbono altera de una manera significativa la dureza y la composición química de las dos fases que
se presentan en el material. Como dice María Quintana en su artículo “Propiedades Mecánicas de aceros de fase dual de grano ultrafino”, del año 2010, esta clase
de aceros representan una excelente alternativa en la producción de piezas automotrices, que combinan la alta resistencia mecánica, alta resistencia al impacto y una elongación elevada. Además, se fabrican con aceros de baja aleación, por lo cual esto representa una reducción en los costos.2
En el artículo de M.S. Rashid titulado “Dual Phase Steels”, elaborado en el año
1981, se referencia el origen de los aceros de doble fase hacia la década de 1960 en dos lugares distintos y en paralelo, el BISRA (British Iron and Steel Research Association) del reino unido y en Inland Steel Corporation de estados unidos. Ambos intentos se enfocaron principalmente en lograr producir aceros para hacer chapas templando drásticamente aceros de bajo contenido de carbono en
temperaturas cercanas a la temperatura crítica. El término “Acero de doble fase” fue
acuñado en la década de 1970 para describir los aceros de microestructura ferrítica-martensítica, aunque los aceros de doble fase comúnmente contienen más de dos fases presentes en ellos.3
Datos adicionales acerca del desarrollo de los aceros de doble fase pueden ser
encontrados en el artículo de S.S. Hansen “The Formability of Dual-Phase Steels”, en el que se explica que la razón inicial para el desarrollo de aceros de doble fase para la industria automotriz fueron los estándares federales obligatorios relacionados con la economía de combustible promedio de los nuevos automóviles,
2 QINTANA, María; GONZALES, Roberto y VERDEJA, Luis. Propiedades mecánicas de aceros de
fase dual de grano ultrafino. En: XVI Congreso Internacional Anual De La SOMIM. Nuevo León, México, 2010.
3 RASHID, M.S. Dual phase steels. General Motors Research Laboratories, Metallurgy Department.
22
junto con la reciente preferencia de los usuarios por automóviles más eficientes en cuanto al consumo de combustible. Estos resultaron en un esfuerzo concertado de los fabricantes estadounidenses de automóviles para reducir el peso de todos los modelos que estaban en producción en aquella época. Esta reducción de peso fue lograda gracias a una combinación de reducción de tamaño de los automóviles y la sustitución cada vez mayor de materiales de alto peso (como el hierro fundido) por metales livianos. Un resultado inicial de estos programas de reducción de peso fue el surgimiento de aceros de alta resistencia y baja aleación (HSLA, por sus siglas en inglés)4
Las propiedades de dichos aceros se basan principalmente en el tratamiento termoquímico del cual se obtienen. Cárdenas E. et. al., en su artículo “Estudio De Las Propiedades Mecánicas De Aceros De Doble Fase Mediante El Ensayo Miniatura De Punzonado”, señala que los aceros de fase dual son aceros de bajo
contenido de carbono que requieren de un tratamiento intercrítico en el dominio de austenita + ferrita seguido de un enfriamiento lo suficientemente rápido como para transformar la austenita en martensita. Adicional a esto, las propiedades finales de estos aceros dependen del porcentaje de sus dos fases constitutivas, ferrita y martensita, y estos a su vez dependen del contenido de carbono, de la temperatura del tratamiento intercrítico y de la facilidad de temple.5
El estudio de este tipo de aceros nace de la necesidad de obtener distintas propiedades en un mismo material, lo cual puede ser provechoso para la fabricación de una amplia variedad de elementos para maquinaria. Este tipo de aceros son muy apetecidos en varios campos de la industria, principalmente la automotriz, ya que en componentes como las carrocerías de los automóviles se necesitan materiales que puedan absorber una gran cantidad de energía con una deformación relativamente pequeña y que sean fáciles de conformar. Con respecto a esto María Quintana en su artículo también señala que los aceros de doble fase, además de presentar unas excelentes propiedades mecánicas, permiten la reducción de peso, debido a la combinación de resistencia y elongación elevadas, excelente respuesta al impacto y, debido a esto, la posibilidad de utilizar secciones más delgadas.
Propiedades adicionales de este tipo de material pueden ser obtenidas del artículo
“The Effect Of Intercritical Heat Treatment Temperature On The Tensile Properties And Work Hardening Behavior Of Ferrite–Martensite Dual Phase
4 S.S. Hansen. The formability of dual phase steels. Bethlehem Steel Corporation, Bethlehem. En:
Applied Metalworking, Vol.2. Pennsylvania. American Society For Metals (ASM). Enero de 1982.
5 CÁRDENAS E., RODRÍGUEZ F. et al. Estudio de las propiedades mecánicas de aceros de doble
23
Steel Sheets”, de M. Pouranvari, En el cual se muestra que los aceros de fase dual son una rama importante de los aceros de Alto esfuerzo vs. Baja aleación (HSLA por sus siglas en inglés). Estos materiales tienen una combinación de propiedades mecánicas especiales tales como un alto esfuerzo a la tensión, un alto porcentaje de endurecimiento en las primeras etapas de la deformación plástica, así como buena ductilidad, las cuales los distinguen entre los aceros HSLA. Estas propiedades favorables están relacionadas con la microestructura especial de los aceros de doble fase, en la cual la matriz suave de ferrita provee una buena ductilidad, mientras que las partículas duras de martensita juegan el papel de soporte de carga.6
Con respecto al tratamiento térmico de Cementación, por medio del cual se obtienen los aceros de doble fase, P. Cavaliere dice que es un proceso termoquímico que induce a la difusión de carbono en la estructura del hierro con el fin de inducir a la formación de martensita en las capas superficiales del material durante el temple. La formación de estas capas lleva al incremento de las propiedades de esfuerzo y fatiga debido al endurecimiento, en conjunto con un estado de compresión superficial. Como consecuencia de este tratamiento, las propiedades mecánicas de las capas superficiales dependen de su composición química. En particular, la concentración de carbono puede variar la presencia de martensita, austenita residual y bainita. Los esfuerzos residuales dependen también de la concentración de carbono, siendo estos relacionados con la formación de martensita, que conlleva a esfuerzos de compresión en la superficie.
El tratamiento intercrítico es la manera más simple de mejorar los aceros de baja aleación (los cuales tienen una concentración de carbono menor al 0.2%) a aceros con microestructura de doble fase con una combinación superior de esfuerzo y ductilidad. Esto involucra un temple a una temperatura comprendida entre el rango de las temperaturas intercríticas AC1 y AC3. En este tratamiento intercrítico la austenita se transforma en martensita, obteniendo como resultado una estructura de Martensita y Ferrita.
Dado que el tratamiento térmico lleva un enfriamiento bastante rápido, es común que se obtengan tensiones que pueden llegar a ser perjudiciales para las propiedades mecánicas del material. Es por esto que se recomienda hacer un
6 P. Movahed, et al. The effect of intercritical heat treatment temperature on the tensile properties
24
posterior revenido al material, el cual ayudará a que tales tensiones desaparezcan de la fase superficial, haciendo menos frágil dicha fase.
2.2. METALES Y ALEACIONES
Los metales y aleaciones poseen muchas propiedades útiles, por lo que representan gran aplicación en los diseños de ingeniería. El hierro y sus aleaciones (principalmente el acero) suponen aproximadamente el noventa por ciento de la producción mundial de metales, fundamentalmente por la combinación de buena resistencia, tenacidad y ductilidad a un coste relativamente bajo. Cada metal tiene propiedades especiales para su uso en diseños de ingeniería y su elección resulta del análisis comparativo de costos con otros metales y materiales.
2.3. ACEROS DE BAJO CONTENIDO DE CARBONO
Los aceros de bajo contenido de carbono son aquellos que tienen una concentración del 0.05% - 0.20% de carbono. Son materiales que no adquieren una dureza sensible con un temple común, aunque son fáciles de conformar.
Este tipo de aceros se utilizan ampliamente en aplicaciones estructurales dada su fácil formabilidad, y se utilizan en una amplia variedad de partes para maquinaria.
2.4. ACERO 1020
25
En la tabla 17, se ilustran tanto la composición química como las propiedades
mecánicas del acero 1020:
Tabla 1. Propiedades del acero 1020
Fuente: Coldeaceros S.A.
2.5. TRATAMIENTOS TÉRMICOS
2.5.1. TRATAMIENTO TERMOQUÍMICO DE CEMENTACIÓN
La cementación es un tratamiento termoquímico por medio del cual se hace un enriquecimiento de carbono en la capa superficial de una pieza por difusión con temple posterior.
7 COLDEACEROS S.A. Aceros Especiales: Acero SAE 1020. [en línea].
26
Para este fin se pueden utilizar distintos tipos de agentes de carburización, ya sean sólidos (como polvos o granulados), líquidos (baño de sales) o gaseosos por medio de atmósferas controladas.
Los materiales más aptos para la cementación suelen ser aceros con bajo contenido de carbono (comúnmente menor a 0.25%) que muestran una capa superficial dura y resistente al desgaste después de la cementación. Debido a que después de dicho tratamiento se presentan estados internos de compresión en la capa superficial, esta posee también una resistencia a la fatiga más alta, mientras que el material del núcleo se caracteriza por su buena tenacidad.
El nivel de contenido de carbono en la capa superficial se ajusta con la adecuada selección del medio de carburización, mientras que la temperatura y el tiempo que dure este proceso ejercen una influencia mínima. La temperatura usual de a la que se lleva a cabo la carburización se haya entre los 850 y los 950°C.
El contenido de carbono más favorable para la templabilidad de la capa superficial es de aprox. 0,60 - 0,80%. Los baños de sales usualmente permiten obtener contenidos de carbono de 0,5%, 0,8% y 1,1% en la capa superficial.
Por medio de este tratamiento térmico, los aceros tratados adquieren distintas propiedades que los hacen predilectos para distintas aplicaciones mecánicas que requieran de resistencia al impacto y al desgaste (como engranajes, sin fin, pines, etc). Algunas de esas propiedades son: Alta tenacidad del núcleo, la superficie cementada aumenta su dureza y la capa cementada aumenta su resistencia al desgaste.
2.5.2. TEMPLE
El temple se define como el enfriamiento rápido del material a partir de una temperatura de austenización adecuada. Para este proceso generalmente se sumerge la pieza en agua, aceite o salmuera (mezcla de agua y sal). Algunas otras veces, como en el caso de los aceros inoxidables, se templa la pieza por medio de aire forzado.8 Después de que se ha transformado el acero en Austenita durante el
calentamiento del mismo, se procede a enfriarlo rápidamente, lo que logra convertir
8 LUNA, Jesús. Cementación Sólida de Aceros. Tesis en opción al grado de Maestro en ciencias de
27
la Austenita en Martensita. Durante este tratamiento la superficie del material adquiere una dureza mayor, pero se pueden producir esfuerzos de tensión en la estructura del material, por lo cual se puede volver más frágil. Se recomienda efectuar un revenido en la pieza para así poder eliminar cualquier tensión interna que afecte las propiedades de la misma.
2.5.3. REVENIDO
Tratamiento complementario al temple, generalmente lo prosigue. La finalidad del tratamiento de revenido es disminuir la dureza y la fragilidad de las piezas templadas, sin afectar demasiado su tenacidad. Consiste en calentar el acero, posteriormente a la realización del temple, a una temperatura inferior al punto crítico o temperatura de recristalización, seguido de un enfriamiento que puede ser rápido si se quiere un material de alta tenacidad, o lento si se quiere reducir al máximo las tensiones que pueden generar deformaciones en la pieza. 9
2.6. CONSTITUYENTES PRESENTES EN LOS ACEROS
Las transformaciones que se presentan en los aceros después de los tratamientos térmicos y su método de enfriamiento pueden hacer que las propiedades mecánicas de este cambien. Dichas transformaciones pueden variar entre si según su forma, tamaño y composición, siendo claramente identificables al momento de realizar un estudio metalográfico. Algunos de los constituyentes más comunes son: Ferrita (considerada como hierro puro), Austenita, Martensita, Perlita, Cementita, entre otros. A continuación, se presenta un diagrama Fe-C en el que se evidencian las transformaciones de estos elementos dependiendo de la composición de hierro y la temperatura:10
9 ESCUELA COLOMBIANA DE INGENIERÍA. Tratamientos térmicos: Protocolo. Curso de
materiales. Bogotá, 2008.
10JIMENEZ, José. Diagrama Fe-C. Mancha Real, España: I.E.S Sierra Mágina, Departamento de
28
Figura 1. Diagrama Fe-C.
Fuente: JIMENEZ, José, Diagrama Fe-C, I.E.S Sierra Mágina, Mancha Real, Departamento de Tecnología.
2.6.1. FERRITA
Este es el constituyente más blando y por ende dúctil de los presentes en los aceros. Se le considera hierro puro. Sus propiedades mecánicas son: Resistencia a la ruptura de 28kg/mm²,!una elongación de entre el 35 y el 40%, y una dureza que ronda los 95 Vickers.11
11 UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE MADRID. Aceros: aleaciones hierro-carbono. [en línea].
29
2.6.2. MARTENSITA
Se define como una solución sólida sobresaturada de Carbono en hierro alfa. Se obtiene por medio de un enfriamiento rápido en los aceros, una vez que estos se han llevado a su temperatura de austenización. Generalmente se presenta en forma de agujas. Después de la cementita, este es el constituyente de mayor dureza en los aceros, su dureza varía entre los 50 a 68 Rockwell-C y su alargamiento de un 0,5 a un 2,5%.12
2.6.3. PERLITA
La Perlita se define como una mezcla de fases de perrita y cementita. Se presenta en placas paralelas (llamada también Estructura Laminar), y se produce por la descomposición eutectoide de la austenita.13
La perlita se forma enfriando el acero dese su temperatura eutectoide, produciendo la siguiente reacción:
Austenita ↔ Cementita + ferrita
La cementita y ferrita se forman en placas paralelas llamadas láminas (o forma laminar). Esta es una estructura compuesta de una fase de carburos duros, cementita y una fase suave y dúctil de ferrita. La perlita se forma en estructuras
llamadas “colonias”, en donde las láminas están orientadas en la misma dirección. Para determinar el espacio interlaminar entre las estructuras de la perlita generalmente se necesita el uso de un S.E.M. (Scanning Electron Microscope).14
12 PERO-SANZ, José. Ciencia e ingeniería de materiales. estructura, transformaciones, propiedades
y selección. Editorial CIE, Dossat, 2006.
13 SMITH, William, et al. Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales, 4 Ed. Mexico D.F:
McGraw Hill, 2006.
14 J.R. Davis. Structure/Property relationship in Irons and Steels. Metals Handbook Desk Edition,
30
2.7. METALOGRAFÍA
La obtención de las imágenes de las fases que se presentan en la microestructura del acero después del tratamiento térmico es fundamental para determinar sus propiedades y componentes. Para esto se procede al alistamiento de las muestras del material a estudiar previamente tratado, siguiendo una serie de pasos que llevarán a la preparación de la superficie del mismo con el fin de poder efectuar los procedimientos de toma de imágenes y diferenciación estructural y química de las fases presentes. Los pasos por seguir en este proceso son los siguientes:
Figura 2. Diagrama de proceso.
2.7.1. OBTENCIÓN DE PROBETAS
Tomando el material previamente tratado, se obtienen muestras de acuerdo al estudio que se desee efectuar. En este punto es importante tener en cuenta que las dimensiones de la probeta estarán limitadas por los equipos que se utilizarán en procedimientos posteriores, siendo necesario consultar con anterioridad las medidas máximas permitidas en estos. Generalmente las probetas se obtienen por
31
medio del corte una sección transversal del material, dicho proceso es recomendable llevarlo a cabo una cortadora metalográfica para evitar calentamientos en la superficie del mismo que puedan llegar a afectar su estructura metalográfica.
2.7.2. ENCAPSULAMIENTO
Por medio de una prensa metalográfica (o encapsuladora metalográfica) se procede al encapsulamiento de la probeta para su posterior lijado y alistamiento de
superficie. Durante el proceso de encapsulado se ubica la probeta en el “vaso” de
la máquina y se le suministra la resina granulada correspondiente. La máquina después aporta calor y presión sobre el conjunto, lo que derrite la resina y expulsa el aire de la misma.15 Este proceso se lleva a cabo con el fin de poder lijar mejor la
superficie del material, evitando curvaturas en sus bordes, que puedan llegar a afectar la toma de imágenes posteriores.
2.7.3. LIJADO DE SUPERFICIE
En este paso se procede a la eliminación de rayones y protuberancias que puedan estar presentes en la superficie de la probeta como resultado de su corte transversal. Se debe tener cuidado de utilizar una superficie totalmente plana para evitar posteriores irregularidades en la cara del material que se analizará después, tales como curvaturas o rayones profundos. Los rangos de lijas utilizadas para este proceso varían desde la 220 hasta la 2000.
2.7.4. OBTENCIÓN DE BRILLO ESPEJO
Para una correcta visualización de la estructura metalográfica del material se debe garantizar que su superficie esté libre de toda clase de rayones e irregularidades que pudieran haber sido adquiridas durante los procesos anteriores. Esto se logra
15DISHECO S.A. Prensa metalográfica HiTech Europe, Encapsuladora Metalográfica CEE. [en
32
dando un acabado superficial de brillo espejo, para el cual es necesaria la utilización de distintos elementos como pulidoras metalográficas, paños adecuados para evitar rayar la superficie, y materiales abrasivos con un tamaño de grano lo suficientemente pequeño como para lograr este acabado (pastas diamantadas o alúmina).
2.7.5. ATAQUE QUÍMICO
Por medio del uso de reactivos (usualmente ácidos disueltos en alcohol), se ataca la superficie de la muestra, logrando así revelar la microestructura del material. Después de exponer la superficie al reactivo, las diferentes fases presentes en esta se pigmentan con tonalidades distintas. Para las aleaciones de hierro generalmente se utiliza Nital del 3% al 5%, el cual se compone de ácido nítrico disuelto en alcohol.
2.7.6. TOMA DE METALOGRAFÍAS EN MICROSCOPIO OPTICO
Después de atacar la superficie del material se procede a tomar las fotografías en las que se verán los distintos constituyentes y fases presentes en el mismo. Para llevar a cabo este procedimiento se deberá hacer uso de un microscopio óptico reflexivo, el cual funciona combinando un sistema óptico con uno de iluminación continua. En este, los haces de luz emitidos sobre la superficie de análisis reflejan contrastes sobre la lente, creando así las imágenes necesarias.
2.7.7. ANÁLISIS POR S.E.M.
Esta es una técnica de análisis superficial por medio de la cual se enfoca un haz fino de electrones, el cual se acelera con energías de excitación (desde 0,1kV hasta 30kV). Por medio de este se logran obtener imágenes de alta resolución de las muestras estudiadas. Adicional a esto se puede obtener información topográfica, morfológica y de composición de la misma.16
16 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. Microscopía de barrido de Electrones (MEB). Vicerrectoría de
33
Los electrones son generados mediante un elemento llamado Cañón de Electrones, el cual consiste en un filamento de tungsteno. Rodeando dicho filamento se encuentra un cilindro de Wehnelt, el cual tiene una carga negativa con respecto al filamento. Después de este se encuentran un conjunto de lentes que sirven para poder enfocar dicho haz de electrones y ampliar o disminuir su tamaño sobre la muestra. Un esquema de dicho diagrama se puede encontrar en la figura 317:
Figura 3. Esquema de un microscopio por barrido electrónico.
Fuente: D.A. Skoog et al, Principios de análisis instrumental. McGraw Hill, Madrid, 2002.
34
3. DESARROLLO DEL PROYECTO
Para el desarrollo de este proyecto se hizo uso de diferentes herramientas y equipos, tanto para la preparación de las probetas, como para el análisis de estas; La cortadora metalográfica, la mufla, la encapsuladora, la pulidora metalográfica, fueron esenciales para la preparación de cada una de las probetas, con estos se realizó la adecuación dimensional de cada una de las probetas, se encapsularon las muestras para facilitar y garantizar el correcto pulido, gracias a la pulidora se pudo dar un acabado superficial lapeado o brillo espejo; con la mufla luego de realizar la cementación y temple con ayuda de una empresa dedicada a realizar estos tratamientos, se realizó el revenido.
Para el análisis de las probetas fue necesario un espectrómetro con el cual obtenemos la composición química de la pieza, un microscopio óptico para poder observar y capturar una imagen de microestructura del material, también fue necesaria una práctica de observación en microscopio electrónico de barrido SEM, para poder ver más detalladamente las fases presentes en el material tratado. Para realizar el estudio de durezas y el perfil de durezas del material base y el material con tratamiento se hizo uso de un durómetro y microdurómetro.
3.1. EQUIPOS
Para poder llevar a cabo esta investigación fueron necesarios diferentes equipos y herramientas, con las cuales se les dieron acabados finales a las muestras, necesarios para poder realizar la observación, también pruebas fundamentales para la obtención de datos y su posterior análisis.
3.1.1. ESPECTRÓMETRO UV-VIS-NIR
35
región de interés está restringida a un rango cercano al espectro visible. es un instrumento óptico que se usa para medir las propiedades de la luz sobre una porción específica del espectro electromagnético. Su utilidad es realizar análisis espectroscópicos para identificar materiales. La variable medida es generalmente la intensidad de la luz, pero también podría ser, por ejemplo, el estado de polarización.18
El servicio que presta un laboratorio de espectrofotometría es la entrega de archivos que pueden ser abiertos por programas de datos en que se grafica la intensidad absorbida, transmitida o refractada de una muestra en función de su longitud de onda, esta da información al usuario (analista) sobre los tipos de enlace que existen en las moléculas y con ello determinar el compuesto que es. Además, proporciona información cuantitativa de la muestra, espesor de película y parámetros ópticos.19
Figura 4. Espectrómetro UV-VIS-NIR
Fuente: Universidad Nacional de Colombia-Laboratorio de física-Bogotá.
3.1.2. HORNO DE ATMOSFERA CONTROLADA
La cementación es un tratamiento térmico por el cual el contenido de carbono de la superficie en una pieza de acero con bajo carbono aumenta debido a la exposición a una atmósfera rica en carbono a una temperatura dentro del campo de fase
18 ESPECTROMETRÍA. Espectroscopia UV/VIS - Aplicaciones y principios. [en línea].
http://www.espectrometria.com/espectrmetros
19 UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA. Espectrómetro UV-VIS-NIR Laboratorios de física
Universidad Nacional de Colombia. [en línea].
36
austenítico. El endurecimiento se obtiene cuando la pieza se templa y la capa superficial de alto carbono forma martensita.
La cementación gaseosa requiere de tres procesos que son: preparación de la atmósfera o de la mezcla gaseosa a utilizar, proceso de carburización y análisis de los gases involucrados en el proceso.
La cementación se realiza frecuentemente entre 850°C y 950ºC, pero a veces se utilizan temperaturas mayores para reducir el tiempo del tratamiento térmico o producir capas de alto contenido de carbono de mayor profundidad. La introducción del carbono en la austenita durante la cementación está influenciada por dos procesos importantes, uno es la reacción que causa que el carbono sea absorbido en la superficie del acero; y el otro es la velocidad a la cual el carbono puede difundirse desde la superficie hacia el interior del acero.20
Figura 5. Sistema de cementación por atmosfera controlada.
Fuente: Universidad de Antioquia.
20 RIOS, Oscar E. SERNA, Claudia P. MEDINA, Rufino. Diseño e implementación de un sistema de
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3.1.3. MUFLA ELÉCTRICA LABTECH/LEF-P
Es un horno que puede alcanzar temperaturas muy altas para cumplir con los diferentes procesos que requieren este tipo de característica. Ha sido diseñada para una gran variedad de aplicaciones dentro de un laboratorio y pueden realizar trabajos como: procesos de control, tratamientos térmicos y secado de precipitados. Cuenta con hornos pequeños con resistencias calefactoras ocultas. Está equipada con un control digital que se encarga de regular la temperatura. Adicionalmente cuenta con un Interruptor en la puerta que se encarga de cortar el suministro eléctrico para minimizar la exposición a altas temperaturas y el consumo innecesario de energía eléctrica, esta función además previene el daño prematuro de los elementos calefactores. Puede alcanzar temperaturas de hasta 1200°C. 21
Figura 6. Mufla eléctrica LABTECH/LEF-P
Fuente: Universidad Distrital Francisco José de Caldas-Laboratorio de tratamientos térmicos y preparación de probetas metalográficas.
3.1.4. CORTADORA METALOGRÁFICA METACUT 250.
Es un equipo idóneo para preparar muestras metalográficas, proporcionando una solución perfecta para realizar cortes eficientes, versátiles y de alta calidad. Es
21 UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS. Laboratorios y Talleres de
38
compacta y potente, posee funcionamiento rápido y sencillo, diseñada para cortar piezas largas e irregulares, con una palanca de accionamiento manual, máxima seguridad con freno electrónico y dispositivo de bloqueo. Está diseñada para el corte de todo tipo de piezas: grandes o pequeñas, regulares o irregulares, de materiales metálicos, cerámicos o composites, cuenta con un sistema de refrigeración al momento de realizar el corte por medio de un chorro de refrigerante directamente al disco abrasivo y a la pieza. Disponen de un potente motor de corte que conduce el disco hacia la pieza. La parte inferior está montada sobre una robusta base de fundición que proporciona estabilidad al conjunto. La mesa de corte dispone de ranuras en T que permiten montar una amplia variedad de dispositivos de fijación para amarrar todo tipo de piezas de todas las formas y tamaños.21
Figura 7. Cortadora Metalográfica METACUT 250
Fuente: Universidad Distrital Francisco José de Caldas-Laboratorio de tratamientos térmicos y preparación de probetas metalográficas.
3.1.5. PRENSA DE MONTAJE AUTOMÁTICO METKON ECOPRESS 50.
39
Figura 8. Prensa de montaje automático METKON ECOPRESS 50.
Fuente: Universidad Distrital Francisco José de Caldas-Laboratorio de tratamientos térmicos y preparación de probetas metalográficas.
3.1.6. SISTEMA DE ESMERILADO Y PULIDO METKON FORCIPOL 2V.
40
Figura 9. Sistema de esmerilado y pulido METKON FORCIPOL 2V
Fuente: Universidad Distrital Francisco José de Caldas-Laboratorio de tratamientos térmicos y preparación de probetas metalográficas.
3.1.7. MICROSCOPIO AXIO OBSERVER D1M
El equipo AXIO OBSERVER D1M es un microscopio metalográfico invertido que permite efectuar el control de superficie y análisis óptico de metales. El objeto por estudiar se ilumina con luz reflejada, ya que las muestras cristalográficas son opacas a la luz.21
Figura 10. Microscopio AXIO OBSERVER D1M
41
3.1.8. MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE BARRIDO JEOL JSM-6490LV
El JSM-6490LV es un microscopio electrónico de barrido versátil y de alta resolución de 3.0 nm en el modo de alto vacío y 4.0 nm en el modo de bajo vacío. El modo de bajo vacío permite la observación y análisis de muestras no conductivas, húmedas o no compatibles con el alto vacío. La óptica electrónica permite magnificaciones desde 5X hasta 300.000X, facilitando la búsqueda y observación de las áreas de interés. Se pueden introducir muestras de hasta 70 mm (altura máxima).
El microscopio tiene acoplados cuatro detectores:
· Detector de electrones secundarios tipo E-T (Everhart-Thornley): la señal producida se forma a partir de una delgada capa superficial de la muestra (cientos de nanómetros) y con una energía inferior a 50 eV. Debido a la baja energía de estos electrones, en su trayectoria hacia el exterior de la muestra van perdiendo energía por diferentes interacciones, por tal razón, sólo los que están muy próximos a la superficie tienen cierta probabilidad de salir del material y llegar al detector, dando una imagen en relieve o tridimensional. · Detector de electrones retrodispersados de estado sólido multielementos:
42
· Detector de electrones secundarios para observaciones en el modo de bajo vacío.22
Figura 11. Microscopio Electrónico de Barrido JEOL JSM-6490LV
Fuente: Universidad de los Andes- Centro De Microscopía Laboratorio B-101.
3.1.9. DURÓMETRO GNEHM SWISS ROCK.
El durómetro GNEHM Swiss Rock determina la dureza Rockwell HRA, HRB y HRC de materiales metálicos. La fuerza de ensayo se ejerce de forma automática y se puede seleccionar previamente, esta se aplica sobre un elemento penetrador normalizado, que produce una huella sobre el material. En función de la profundidad y morfología de la muesca, se obtendrá la dureza del material.21
22 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. Centros de Microscopía, microscopio electrónico de barrido.
Vicerrectoría de Investigaciones. Disponible en:
43
Figura 12. Durómetro GNEHM SWISS ROCK
FUENTE: UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS-LABORATORIO DE METALOGRAFÍA.
3.1.10. MICRODURÓMETRO SHIMADZU HMV-2.
El equipo SHIMADZU HMV-2 es un microdurómetro que permite la medición de durezas en escala Vickers en zonas muy pequeñas de muestras metálicas. El equipo genera una deformación plástica en una región de la muestra a analizar la deformación generada es proporcional a la dureza del material. 21
Figura 13. Microdurómetro SHIMADZU HMV-2
44
3.2. DIAGRAMA DE FLUJO
A continuación, se presenta un diagrama de flujo con cada uno de los procesos que se llevaron a cabo para el desarrollo de esta investigación.
Figura 14. Diagramad de flujo para el estudio de un acero 1020 sometido a tratamientos térmicos.
3.3. SELECCIÓN Y PREPARACIÓN
45
Se realizó la compra de dos barras de acero AISI 1020 de 1 metro por ¾” de
diámetro, el cual se cortó manualmente con segueta, esto para garantizar que no hubiera sobrecalentamiento del acero, que pudiera alterar las caracterizas del material, como puede ocurrir con una cortadora abrasiva no refrigerada, se obtuvieron piezas de aproximadamente 150 mm, para facilitar el montaje en los diferentes equipos necesarios para el desarrollo de este estudio.
3.4. ESPECTROMETRÍA
Para poder determinar las temperaturas intercriticas, para su posterior tratamiento de cementación, temple y revenido, se realizó una espectrometría en los laboratorios de física en la Universidad Nacional de Colombia, esto con el fin de conocer la composición química del material y poder realizar dichos cálculos.
A continuación, se presenta en la tabla 2, los resultados de la espectrometría realizada a un acero AISI 1020.
Tabla 2. Composición química de un acero AISI 1020.
COMPOSICION QUÍMICA DEL ACERO AISI-SAE1020
Fe % C % Mn % P % S % Si % Cu % Ni % Cr % V %
98.459 0.172 0.652 0.005 0.011 0.197 0.270 0.103 0.072 0.002
Mo % W % Co % Ti % Sn % Al % Nb % B % Pb % Mg %
46
3.5. CÁLCULO DE TEMPERATURAS CRÍTICAS
Para llevar a cabo el tratamiento térmico de cementación y temple al material, es necesario primero realizar el cálculo para obtener el valor de las temperaturas criticas AC1 y AC3, ya que se debe garantizar trabajar dentro de ese rango y siempre por debajo de AC3, para ello se usa la ecuación 1, 223 y los datos obtenidos
en la espectrometría realizada al acero, como sigue:
Ø "#1(°$) = 723 % 7.08!&' + 37.7!*- + 18.1!$/ + 44.2!&5 + 8.96!:- + 60.1!; + 21.7!"< + 3.18!> + 297!* % 830!: % 11.6!$ ? *- % 14.0!&' ? *- % 3.10!*- ? $/ % 67.9!$ ? &5 % 16.6!&' ? &5 % 6.28!$ ? :- % @.0!&' ? :- + @.77!*- ? :- % 0.80!$/ ? :-! !27.4!$ ? ; + !30.8!&5 ? ;! % 0.84!$/A! !3.4@!&5A! !0.4@!:-A%
28!;A (1)
Ø "#3(°$) = 912 % 203B(C$) + 16.2(C:-) + 44.7(C*-) + 104(C;) + 31.6(C&5) + 13.1(C>) % 30(C&') % 11(C$/) % 20(C$D) + 700(CE) + 400(C"<) + 120(C"F) + 400(CG-) (2)
Las temperaturas calculadas con las ecuaciones 1 y 2 se muestran a continuación.
Tabla 3. Temperatura critica del Acero AISI 1020
AC1 AC3
728,84 °C 817,07 °C
23 BOHÓRQUEZ, Carlos A. Influencia del tratamiento térmico desde temperaturas intercríticas en
47
3.6. CEMENTACIÓN Y TEMPLE
Ya calculadas las temperaturas intercriticas, se realiza el tratamiento térmico de cementación en un horno con atmosfera controlada a una temperatura de 810°C, temperatura inferior a AC3, durante tres horas continuas y luego un temple en agua.
A continuación, se presenta un esquema básico de la secuencia del tratamiento térmico (cementación y temple), el acero AISI 1020.
Figura 15. Secuencia de tratamiento térmico, cementación y temple a un acero AISI 1020.
3.7. REVENIDO
48
de Sverdlin-Ness, como se aprecia en la ecuación 3.24 Se procede de la misma
forma en la que se obtuvo los datos de las temperaturas intercriticas y se remplazan los valores de la composición química del material, como sigue:
Ø &F!(°$) = 620 % 320(C$) % 60(C&') % 30(C$/) % 20(C:- + C&5) % 6(C$D + C*-) (3)
Dónde:
Ø &F = 426.8!°$
Se realiza el revenido a una temperatura de 390°C inferior a la obtenida en la ecuación 3; a 3 parejas de probetas a diferentes tiempos de exposición de 5, 10, 15 minutos y se realiza un enfriamiento en agua.
A continuación, se presenta un esquema básico de la secuencia del tratamiento térmico revenido el acero AISI 1020 a diferentes tiempos de exposición.
Figura 16. Secuencia de tratamiento térmico, revenido en diferentes tiempos a un acero AISI 1020.
24 GORNI, Antonio Augusto. Steel forming and heat-treating handbook. Sao Vicente, Brasil. Enero.
2017. [en línea].
49
3.8. PREPARACIÓN DE LAS PROBETAS PARA LA OBSERVACIÓN
Realizados los tratamientos térmicos necesarios para el desarrollo del estudio, se procede a preparar las probetas para su observación, análisis y demás estudios necesarios; lo primero a realiza es el corte del acero ya tratado por medio de la cortadora abrasiva, para obtener muestras del material con las dimensiones que se aprecian en la figura 17. Esto con el fin de facilitar su manipulación y montaje en los equipos, también para almacenar las muestras del material en pequeños recipientes y asilarlos de condiciones ambientales como la humedad y prevenir la aparición de óxido que pueda afectar al momento de realizar la observación en los microscopios.
Figura 17. Dimensiones aproximadas probetas.
50
En la figura 18, se muestran probetas luego de ser encapsuladas en baquelita, junto con clavos de acero.
Figura 18. Probetas encapsuladas
51
4. ANALISIS Y RESULTADOS
4.1. DUREZAS
Ya realizada la observación por MICROSCOPIO AXIO y por MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE BARRIDO, se realizan las pruebas de durezas con fines comparativos y poder observar el comportamiento del material dependiendo del tipo de tratamiento y el tiempo de revenido.
Tabla 4. Datos ensayo de dureza
ACERO AISI 1020 ACERO AISI 1020
(CEMENTACION-Tabla 5. Datos ensayo de dureza cementación, temple y revenido.
52
En las tablas 4 y 5, se muestran los datos obtenidos en el ensayo de dureza, donde se evidencia el aumento de dureza en el material con tratamiento térmico en relación al acero base o sin tratamientos térmicos; también se puede observar la disminución de la dureza en proporción al tiempo de permanencia durante el revenido.
Hay que tener en cuenta que este ensayo se realizó tomando capturas de datos, lo más cercano al borde posible y desplazándose hacia el centro del material, esto con el fin de ver el cambio en los valores a medida que se alejaba del borde cementado en cada caso.
Cabe resaltar y como se puede observar en la figura 19, donde se muestra el comportamiento de cada tipo de probeta de acero AISI 1020 en el ensayo de dureza , sometidas a diferentes condiciones, como después de realizar el revenido a diferentes tiempos se obtuvo uno de los valores notablemente bajo, lo cual se puede deber a la dispersión del carbono adquirido en el tratamiento térmico de cementación y a que la medición se realizó cerca del centro de la probeta , lo cual también explica el aumento de dureza el material a medida que se realiza en ensayo de dureza cerca del borde de la sección transversal.
Figura 19. Comparación de durezas vs tratamiento térmico
53
4.2. MICRODUREZAS
El ensayo de Microdureza se realiza con el fin de mostrar el comportamiento del Acero AISI 1020 sometido a diferentes tratamientos térmicos y del tiempo de permanecía durante el tratamiento de revenido y realizar una comparación entre las muestras del material, tomando las medidas del borde hacia el centro del material y observar los cambios presentes a medida que se aleja del borde.
A continuación, en la tabla 6, se muestran los datos obtenidos con el MICRODURÓMETRO SHIMADZU HMV-2 durante el ensayo de microdureza, comenzando con una toma lo más cercano al borde del material y desplazándose un milímetro hacia el centro del material en cada captura.
Tabla 6. Datos obtenidos en el ensayo de microdureza.
ENSAYO DE MICRODUREZAS AL ACERO AISI 1020 (HV)
DISTANCIA
54
Figura 20. Perfil de dureza cementación.
Figura 21. Perfil de dureza cementación y temple.
De la figura 21, se puede observar el comportamiento del material sometido a cementación y temple, su aumento considerable de dureza a medida que se acerca al borde del material, debido a los tratamientos térmicos y a que no se realizó un revenido. Lo cual crea un aumento de dureza superficial, pero también un aumento de fragilidad.
PERFIL DE DUREZA ACERO AISI 1020
CEMENTADO
55
Figura 22. Perfil de dureza cementación y temple con revenido por 5 minutos.
En la figura 22, se puede ver el comportamiento del mismo acero, pero con un revenido posterior a la cementación y temple, donde la dureza aumenta en medida que se acerca al borde, pero con un cambio menos significativo en cuanto se aleja del borde.
Figura 23. Perfil de dureza cementación y temple con revenido por 10 minutos 641
PERFIL DE DUREZA ACERO AISI 1020
CEMENTACION, TEMPLE Y REVENIDO 5 MIN
56
Al igual que en el caso anterior, se puede ver que a media que aumenta el tiempo de revenido disminuye la dureza al borde del material.
Figura 24. Perfil de dureza cementación y temple con revenido por 15 minutos
Figura 25. Comparación perfiles de dureza. 515
57
Como era de esperar y como se observa en la figura 25, donde se realiza una comparación de los datos obtenidos durante el ensayo de micro dureza en las diferentes probetas, se evidencia un aumento notable de dureza en el borde de la sección transversal de la probeta que fue sometida a cementación y temple, pero no a un tratamiento de alivio de tensiones o ajuste de durezas como es el revenido, pero a medida que se desplaza hacia el centro del material disminuye considerablemente hasta acercarse al valor de dureza del material base.
De las probetas con revenido se puede observar un mejor comportamiento del borde hacia el centro, donde se nota un aumento en la dureza del material con respecto al material base, pero a medida que se aleja del borde un cambio menos drástico y a media que se acerca al centro un comportamiento cercano al material base; esto se debe al proceso de cementación y temple, que es el encargado de producir una capa superficial dura y resistente, la cual va introduciendo carbono presente en la atmosfera en el material, en función de la temperatura y tiempo de permanecía en este proceso, lo cual se puede ver como un gradiente de concentración de carbono entre la superficie y el centro del material.25 También se puede ver la influencia de
revenido ya que la probeta que solo cuenta con cementación y temple, presenta una dureza superficial mucho más alta, lo cual la hace frágil, el material con revenido tiene una dureza en los bordes más baja ya que la función del revenido es aliviar tensiones y ajustar durezas.
4.3. CARACTERIZACIÓN DE LAS MICRODUREZAS EN LA CAPA CEMENTADA
Para determinar la profundidad de la capa cementada en el material después del tratamiento termoquímico y evaluar el impacto del tratamiento de revenido en la misma, se procedió a efectuar un análisis de microdurezas, partiendo de la parte exterior de las probetas hacia el interior. El objetivo de esta toma de muestras es observar la distancia a la cual se hace evidente el cambio del valor de las durezas, entendiendo entonces que en este punto la capa cementada se acaba y comienza el material base.
25 LUNA ALVAREZ, Jesús Salvador. Cementación solida de aceros. Tesis de Ingeniería Mecánica.
58
La distancia de la capa cementada se puede calcular teóricamente con la segunda ley de Fick para difusión en materiales sólidos, que se puede aplicar al tratamiento de cementación como sigue:
HIJHK
HIJHL
!
=!M/N[
2
BO
PQ
]
(4)
Dónde:
Cs= Porcentaje de carbono en el gas de la atmósfera del horno
Co= Concentración inicial de carbono en el material base
X= Distancia de difusión desde la superficie del material
D= Coeficiente de difusión del carbono
t = Tiempo del tratamiento
erf= Función de error
Teniendo en cuenta esta función, y tomando el coeficiente de difusión del carbono como 738 × 10JRSATF,U se obtiene por método iterativo una distancia X de 350mm, a partir de la cual teóricamente la dureza del material se estabiliza, dando a entender que estamos tomando esta medición para el material base.
59
Figura 26. Curva de difusión de carbono para un Acero 1020.
Este resultado teórico se comparará con el obtenido por medio de las microdurezas obtenidas experimentalmente para cada una de las probetas, como se observa a continuación.
4.3.1. MICRODUREZAS EN LA CAPA CEMENTADA
Se realiza un ensayo de microdurezas enfocándose en determinar la profundidad de la capa cementada y el comportamiento en cada una de las probetas dependiendo del tipo de tratamiento al que fueron sometidas y al tiempo de permanencia. Para ello se lleva a cabo mediciones lo más cerca al bode posible en cada probeta y desplazándose hacia el centro del material cada 30 micras.
60
Tabla 7. Microdureza en la capa cementada del acero 1020 cementado y templado.
ACERO AISI 1020 CEMENTADO Y TEMPLADO
DISTANCIA 0 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 DUREZA HV 837 824 803 778 720 736 742 748 712 440 424 413 422
Figura 27. Grafica de microdureza en la capa cementada para cementación y temple.
Para la probeta de acero 1020 cementada y templada se puede evidenciar de la figura 27, como hay un cambio notable en la dureza cuando se realiza el ensayo de microdureza a 330 micras y a partir de allí se estabiliza obteniendo valores entre 420 y 440 Vickers. Por lo cual se puede considerar una capa cementada de 330 micras para la probeta cementada y templada.
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Tabla 8. Microdureza en la capa cementada del acero 1020 cementado, templado y revenido 5 minutos.
ACERO AISI 1020 CEMENTADO, TEMPLADO Y REVENIDO 5 MINUTOS
DISTANCIA 0 130 160 190 220 250 280 310 320 340 370 400 430DUREZA HV 641 631 648 639 642 516 513 569 418 405 412 422 412
Figura 28. Grafica de microdureza en la capa cementada para cementación, temple y revenido 5 min.
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Tabla 9. Microdureza en la capa cementada del acero 1020 cementado, templado y revenido 10 minutos.
ACERO AISI 1020 CEMENTADO, TEMPLADO Y REVENIDO 10 MINUTOS
DISTANCIA 0 110 140 170 200 230 240 260 290 320 350 380 410DUREZA HV 533 526 529 519 427 424 429 375 372 370 369 363 366
Figura 29.Grafica de microdureza en la capa cementada para cementación, temple y revenido 10 min.
Como se puede evidenciar en la figura 29, a medida que se aumenta el tiempo de permanecía de durante el revenido, la capa cementada disminuye, esto debido a la difusión de carbono hacia el núcleo.
Para la probeta de acero AISI 1020 con revenido durante 10 minutos se obtuvo una capa cementada de 240 micras, y se puede ver como los valores de dureza se mantienen cercanos, con valores entre 363 y 375 Vickers.
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Tabla 10. Microdureza en la capa cementada del acero 1020 cementado, templado y revenido 15 minutos.
ACERO AISI 1020 CEMENTADO, TEMPLADO Y REVENIDO 15 MINUTOS
DISTANCIA 0 110 140 170 200 230 240 260 290 320 350 380 410DUREZA HV 515 502 493 457 445 476 378 382 371 359 377 360 362
Figura 30. Grafica de microdureza en la capa cementada para cementación, temple y revenido 15 min.
Para la probeta con mayor tiempo de revenido se obtuvo una capa de cementación de 230 micras, como se puede ver en la figura 30, ya que a partir de las 240 micras el valor de la dureza se estabiliza obteniendo valores de entre 382 y 359 Vickers.
4.4. MICROGRAFIAS
A continuación, se muestran las imágenes tomadas a distintos aumentos sobre la superficie del material tratado y atacado:
64 Ø CEMENTACIÓN:
65 Ø CEMENTACIÓN Y TEMPLE
66
67
Ø CEMENTACIÓN, TEMPLE Y REVENIDO DE 5 MINUTOS
68
69
Ø CEMENTACIÓN, TEMPLE Y REVENIDO DE 10 MINUTOS
