ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD ZACATENCO
SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN
“
EVALUACIÓN DE LA RESISTENCIA
AL DESGASTE ABRASIVO EN UN ACERO
AISI 1045 BORURADO”
TESIS QUE PARA OBTENER EL GRADO DE
MAESTRO EN CIENCIAS EN INGENIERÍA MECÁNICA
PRESENTA:
ING. JUAN AMBROSIO MARTÍNEZ
DIRECTOR: Dr. JOSÉ MARTÍNEZ TRINIDAD
DEDICATORIA
El presente logro se lo dedico:
En primer lugar a Dios, por darme su gracia y por otorgar me fuerza para aprovechar
oportunidades de superación.
A mi madre:
María del Socorro Martínez Platas quien con su labor y amor son mi inspiración y
fortaleza, además es comprensiva de mis anhelos y metas al darme su apoyo día a
día.
A mis hermanos:
Ramón Martínez Platas por su valor y esfuerzo ante los obstáculos de la vida. A
Isaías Ambrosio Martínez quien cuida de nuestra madre.
A mis hermanas:
Elia y Margarita Ambrosio Martínez, para quienes espero cumplan sus metas y que
tengan mucho amor a donde quiera que vayan. Creo en su valor y fortaleza al buscar
ser mejores y merecen lo grandes cosas de la vida.
Son ustedes mi familia la razón de mi vida y la fuerza para realizar mis metas y
anhelos…. ¡GRACIAS!
AGRADECIMIENTOS
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT), al Programa de Becas de Estimulo Institucional de Formación de Investigadores (BEIFI) y al programa de becas Tesis de Instituto Politécnico Nacional por apoyo económico recibido.
A la Sección de Estudios de Posgrado (SEPI), ESIME Zacatenco y en particular al Instituto Politécnico Nacional por brindarme los medios para realizar el presente trabajo de investigación.
Al Centro de Nanociencias y Micro y Nanotecnologías (CNMN) del IPN, donde con el apoyo del Dr. José Alberto Andraca, Dr. Israel Arzate, Dr. Juan Vicente Méndez, M. en C. Héctor Francisco Mendoza y del Dr. Hugo Martínez, se tuvo la posibilidad de técnicas relevantes del presente trabajo.
A los integrantes de la comisión revisora de este trabajo; Dr. Iván Enrique Campos Silva, Dr. José Martínez Trinidad, Dr. German Aníbal Rodríguez Castro, Dr. Alfonso Meneses Amador y Dr. Juan Vicente Méndez Méndez.
Al Grupo Ingeniería de Superficies® y cada uno de sus miembros.
En particular al Dr. José Martínez Trinidad por el apoyo en la realización conjunta de este trabajo, por su paciencia y dirección.
A quienes fueron mis compañeros de equipo y de laboratorio: María Guadalupe, Olivier, Regulo, Alejandro, Raúl, Rubén y Omar; gracias por sus consejos y amistad; claro también por los momentos agradables de convivencia.
A la señora Laura María del Pilar Cortez y al señor Regulo Pedro Márquez, por brindarme su apoyo, un trabajo e invitarme a su hogar durante más de un año, por permitir me convivir con su familia, de corazón muchas gracias.
CONTENIDO
CONTENIDO I
LISTA DE FIGURAS IV
LISTA DE TABLAS VIII
RESUMEN IX ABSTRACT X INTRODUCCIÓN XI ANTECEDENTES XIII JUSTIFICACIÓN XVI OBJETIVOS XVIII
OBJETIVO GENERAL XVIII
OBJETIVOS PARTICULARES XVIII
METODOLOGÍA XX
1. CAPÍTULO 1. ESTADO DEL ARTE 1
1.1 INTRODUCCIÓN 1
1.2 TRATAMIENTO TERMOQUÍMICO DE BORURADO 1
1.2.1 Tipos de procesos de borurización 4
1.2.2 Ventajas del proceso de borurización 5
1.2.3 Desventajas del proceso de borurización 6
1.2.4 Influencia de los elementos aleación 7
1.2.5 Propiedades físicas, químicas y mecánicas de los boruros de hierro (FeB y Fe₂B) 8
1.2.6 Aplicaciones de los aceros borurados 9
1.3 PROCESO DE RECOCIDO POR DIFUSIÓN (PRD) 10
1.4 ABRASIÓN Y DESGASTE ABRASIVO 13
1.4.1 Desgaste 13
1.4.2 Desgaste abrasivo 16
1.4.3 Mecanismos de daño superficial en desgaste abrasivo 19
1.4.4 Pruebas de desgaste 19
2. CAPÍTULO 2. EVALUACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE ABRASIVO 22
2.1 INTRODUCCIÓN 22
2.3 CONDICIONES DE PRUEBA 24 2.4 MÁQUINA TRIBOLÓGICA PARA EVALUACIÓN DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE EN AMBIENTES SECO Y HÚMEDO 25 2.5 METODOLOGÍA PARA REALIZAR LA PRUEBA DE DESGASTE EN AMBIENTE SECO 26 2.6 IDENTIFICACIÓN DE LOS MECANISMOS DE DESGASTE OCURRIDOS EN LAS HUELLAS DE DESGASTE 27
3. CAPÍTULO 3. DESARROLLO EXPERIMENTAL 28
3.1 INTRODUCCIÓN 28
3.2 PROCESO DE BORURIZACION Y PRD 28
3.2.1 Selección del material 28
3.2.2 Geometría y acabado superficial de las probetas 30 3.2.3 Tratamiento termoquímico de borurado: Condiciones para el proceso de borurado en caja 31 3.2.4 Proceso de recocido por difusión (PRD) del acero AISI 1045 32
3.3 CARACTERIZACIÓN FÍSICO-QUÍMICA Y MECÁNICA 33
3.3.1 Caracterización física y Microscopía Óptica 33
3.3.2 Difracción de Rayos X (XRD) 34
3.3.3 Indentación instrumentada Berkovich 36
3.3.4 Microscopía Electrónica de Barrido (SEM) y Espectroscopia de rayos X por Dispersión de Energía (EDS) 38
3.4 PRUEBA DE ABRASIÓN 39
3.4.1 Preparación de las muestras para la prueba de abrasión 39 3.4.2 Configuración de las condiciones de prueba y aplicación de la prueba de desgaste 39 3.5 ANÁLISIS DE MECANISMOS DE DAÑO EN LAS HUELLAS DE DESGASTE 42
4. CAPÍTULO 4. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS 44
4.1 INTRODUCCIÓN 44
4.2 CARACTERIZACIÓN FÍSICO-QUÍMICA Y MECÁNICA 44
4.2.1 Micrografías obtenidas mediante MO del acero AISI 1045 borurado y borurado+PRD 44 4.2.2 Aplicación del proceso de recocido por difusión 48 4.2.3 Resultados de Difracción de Rayos X (DRX) en el acero AISI 1045 borurado y sometido a PRD 50 4.2.4 Ensayo de Espectroscopia de rayos X por Dispersión de Energía (EDS) para las condiciones de borurado 53
4.2.5 Dureza superficial de condiciones de borurado y de borurado +PRD 59
4.3.2 Resultado de masa y volumen removidos y tasa de desgaste en las condiciones de borurado y
borurado+PRD 64
4.4 ANÁLISIS DE MECANISMOS DE DESGASTE MEDIANTE LA TÉCNICA DE SEM-EDS 67
4.4.1 Análisis de desgaste en el acero AISI 1045 67
4.4.2 Análisis de desgaste en muestras boruradas 70
4.4.3 Análisis de desgaste en muestras boruradas+PRD 75
CONCLUSIONES GENERALES 80
PERSPECTIVAS DE TRABAJO 82
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 Celda unitaria (a) FeB, (b) Fe₂B, (Vega-Morón 2015) 2
Figura 1.2 Clasificación de morfologías de capa en boruros (modificada de Matuschka 1980) 3
Figura 1.3 Diagrama de fase Hierro-Boro(modificado de Okamoto 2004) 4
Figura 1.4 Micrografías de un acero AISI 1045, sometido al proceso de borurado, empleando una
mezcla de 20% de B₄C, 10% KBF₄ y 70% SiC a una temperatura de 950°C con tiempos de exposición
de a) 8 h y b) 10 h (I. Campos-Silva, Flores-Jiménez, et al., 2013) 7
Figura 1.5. Clasificación general del desgaste basado en abrasión, erosión, adhesión y fatiga
superficial(modificada de Davis 2001) 14
Figura 1.6 Modelo de una partícula en desgate abrasivo, W es la carga normal, F es la fuerza
tangencial, θ ángulo de incidencia respecto a la superficie y L la distancia del movimiento tangencial
(Stolarski, 2000) 16
Figura 1.7 Tipos de abrasión de acuerdo al tipo de contacto (modificada de Bayer 2004) 17
Figura 1.8 Tipos de contacto bajo desgaste abrasivo, a) dos cuerpos condición abierta, b) dos
cuerpos condición cerrada, c) tres cuerpos condición abierta y d) tres cuerpos condición cerrada
(modificada de Davis 2001) 17
Figura 1.9 Tipos de desgaste por abrasión a) implica perdida de material por contacto con partículas
o superficies duras afiladas causando araduras o surcos, b) se cararacteriza por la formacion de rasgaduras, deformación plástica y picaduras, c) causado por cargas repetitivas compresivas de materiales duros, d) el material es retirado por frotamiento, sin formar rayas visibles, fractura o
deformación plástica (modificada de Davis 2001) 18
Figura 1.10 Mecanismo de daño en el desgaste abrasivo (modificada de Davis 2001) 19
Figura 2.1 Esquema del sistema para la prueba de abrasión, muestra los componentes, también las
dimensiones de la muestra en pulgadas (ASTM Standards, 2008) 23
Figura 2.2 Micrografías obtenidas mediante SEM de la arena silica, a) diversas partículas x200, b)
una sola partícula x500 25
Figura 2.3 Máquina tribológica para evaluación de la resistencia al desgaste en ambiente seco o
húmedo (GIS®) 26
Figura 3.1 Microestructura del acero AISI 1045, tomada a un aumento 50x 29
Figura 3.2 Microindentaciones Vickers realizadas sobre la superficie del acero AISI 1045, micrografía
tomada a 100x. 30
Figura 3.3 Dimensiones de la probeta de acero AISI 1045 31
Figura 3.4 Dimensiones del contenedor para realizar el proceso de borurado, maquinado de acero
AISI 304 32
Figura 3.5 Criterio medición longitudinal para el espesor de las capas (Ortiz-Domínguez 2013) 34
Figura 3.6 Características básicas del experimento típico de XRD (modificada de Brundle 1992) 35
Figura 3.7 Difractómetro PANalytical, X’PERT PRO MDR (cortesía del CNMN-IPN) 36
Figura 3.8 Indentadores usados en pruebas de nano-indentación: a) Indentador Vickers, b)
Indentador Berkovich (Sánchez-Islas 2016) 36
Figura 3.9 Equipo CSM Nanoindentation Tester NHT (cortesía del CNMN-IPN) 38
Figura 3.10 Microscopio Electrónico de Barrido JEOL (cortesía del CNMN-IPN) 39
Figura 3.11 Pantalla de inicio del software “hyper terminal” para el monitoreo de la carga aplicada
40
Figura 3.12 Elementos para monitoreo de temperatura: a) software de configuración y b) unidad de
almacenamiento. 40
Figura 3.13 PLC para programar la distancia de deslizamiento, sentido de giro y visualizar rpm del
motor 41
Figura 3.14 Bascula analítica con precisión en milésimas de gramo 41
Figura 3.15 Elementos de la máquina de abrasión: a) partes del par tribológico; b) brazo para colocar
la carga constante 42
Figura 4.1 Micrografía de las condiciones de borurado a 1223 K a) 8 h y b) 10 h 44
Figura 4.2 Crecimiento de las capas FeB y Fe₂B en función del tiempo de tratamiento 46
Figura 4.3 Representación esquemática del perfil de concentración de boro en la formación de capas
FeB\Fe₂B (Mittemeijer & Somers, 2014) 47
Figura 4.4 Micrografías de las capas resultantes de las condiciones a) borurado 8 h+PRD y b)
borurado 10 h+PRD 50
Figura 4.5 Difractogramas de las condiciones de borurado a 1223 K con a) 8 h y b) 10 h de tiempos
Figura 4.6 Difractogramas de las condiciones de a) borurado 8 h+PRD y b) borurado 10 h+PRD 52
Figura 4.7 Análisis de SEM-EDS del tratamiento de borurado 8 h, en las distintas fases: a) Capa
FeB, b) Capa Fe₂B, c) Zona de difusión y d) Substrato 54
Figura 4.8 Análisis de SEM-EDS del tratamiento de borurado 10 h, en las distintas fases: a) Capa
FeB, b) Capa Fe₂B, c) Zona de difusión y d) Substrato 56
Figura 4.9 Análisis de SEM-EDS del tratamiento de borurado 8 h+PRD, en a) y b) fase Fe₂B, c) Zona
de difusión y d) Substrato 58
Figura 4.10 Análisis de SEM-EDS del tratamiento de borurado 10 h+PRD, en a) y b) fase Fe₂B, c)
Zona de difusión y d) Substrato 59
Figura 4.11 Huella o marca de desgaste en el material base (formación de surcos) 61
Figura 4.12 Huellas de desgaste generadas en un acero AISI 1045; borurado a 1223 K y tiempos de
exposición de; a) 8 h y b) 10 h, respectivamente 61
Figura 4.13 Huellas de desgaste resultantes en las condiciones de a) borurado 8 h+PRD y b)
borurado 10 h+PRD 62
Figura 4.14 Gráfica de barras de la comparación los valores de masa removida 65
Figura 4.15 Gráfica de barras de comparación de los valores de volumen removido para las
condiciones de borurado y borurado+PRD 66
Figura 4.16 Micrografías, a) 5x, b) 10x en la zona central de la huella de desgaste en el acero AISI
1045 68
Figura 4.17 Identificación de mecanismos de desgaste en un acero AISI 1045; a) Zona inicial, b)
Zona media y c) Zona final de la huella de desgaste, respectivamente 68
Figura 4.18 Observación de mecanismos de desgaste; a) zona media y b) ampliación de la zona,
para el acero AISI 1045 69
Figura 4.19 Espectro resultante obtenido mediante EDS, sobre una zona puntual en la huella de
desgaste en el acero AISI 1045 70
Figura 4.20 Micrografías obtenidas mediante MO de la muestra borurada a 8 h, sometida a la prueba
de abrasión, a ) aumento de 5x, b) aumento de 10x 71
Figura 4.21 Micrografía obtenida mediante SEM, en la condición de borurado a 8 h 71
Figura 4.23 Espectro de EDS, sobre una picadura generada por la prueba de abrasión en la
condición de borurado a 8 h 72
Figura 4.24 Micrografías obtenidas mediante MO, de la muestra borurada a 10 h sometida a la
prueba de abrasión, a) aumento 5x, b) aumento 10x 73
Figura 4.25 Micrografía que muestra una reducción en los mecanismos de daño generados por la
prueba de abrasión, en la condición de borurado a 10 h 73
Figura 4.26 Micrografías de la huella de desgaste, a) zona central en la condición de borurado 10 h,
b) magnificación 74
Figura 4.27 Espectro de EDS generado sobre una picadura, en la zona central de la huella de
desgaste en la condición borurado a 10 h 74
Figura 4.28 Micrografías obtenidas mediante MO, a) 5x y b) 10x del desgaste generado en la
condición de borurado 8 h+PRD 75
Figura 4.29 Micrografía de la zona central de la huella de desgaste en una muestra borurada 8
h+PRD 76
Figura 4.30 Micrografías obtenidas a distintos aumentos, a) Zona central de la huella de desgaste,
b) Zona a mayor magnificación 76
Figura 4.31 Espectro de EDS resultante realizado sobre un probeta borurada 8 h+PRD, sometida a
la prueba de abrasión 77
Figura 4.32 Micrografías de la zona central en la huella de desgaste, para la condición de borurado
10 h+PRD; obtenidas mediante MO, a) 5x y b) 10x 77
Figura 4.33 Micrografía obtenida mediante SEM, para la condición borurado 10 h+PRD sometida a
la prueba de abrasión 78
Figura 4.34 Micrografía, a) de la condición de borurado 10 h+PRD, b) ampliación de la zona sometida
a desgaste 78
Figura 4.35 Espectro de EDS resultante de una análisis sobre un cráter en la huella de desgaste de
LISTA DE TABLAS
Tabla 1.1 Características generales de los agentes sólidos borurantes (C. Tapia-Quintero, 2010) 5
Tabla 1.2 Composición química del acero AISI 1045, en % promedio, con base en la norma ASTM A
576-90b:2000 8
Tabla 1.3 Propiedades químicas y mecánicas de los boruros de hierro (Matuschka 1980) 9
Tabla 1.4 Aplicaciones industriales de aceros borurados (Hernández, E. 2011) 9
Tabla 1.5 Clasificación general del fenómeno de desgaste y aplicaciones donde pueden presentarse(modificada
de Budinski 2007). 15
Tabla 1.6 Normas ASTM referentes a los procesos de desgaste más comunes (Hernández, J. 2013) 20
Tabla 3.1 Propiedades mecánicas del acero AISI 1045(Davis 1997) 28
Tabla 4.1 Espesores de capa resultante para las condiciones de borurado a 1223 K a tiempos de exposición de
8 h y 10 h 45
Tabla 4.2 Valores experimentales de las constantes de crecimiento parabólico para el tratamiento a 1223 K 46 Tabla 4.3 Valores de los coeficientes de difusión estimados para el tratamiento a 1223 K 48
Tabla 4.2 Espesores de capa resultantes después de aplicar PRD 50
Tabla 4.5 Valor de dureza y módulo de elasticidad superficiales de las condiciones de borurado y borurado más
proceso de recocido por difusión 60
Tabla 4.6 Resultados de la prueba de desgaste realizada en un acero AISI 1045 sin tratamiento 63
Tabla 4.7 Valores de profundidad de las huellas de desgaste en la zona central, para condiciones de borurado
y borurado+PRD 64
Tabla 4.8 Valores de la masa removida en las condiciones de borurado y borurado+PRD, debido a la prueba
de desgaste 65
Tabla 4.9 Valores del volumen removidos, para las condiciones de borurado y borurado+PRD, calculados a
partir de la masa removida 66
Tabla 4.10 Valores de la tasa específica de desgaste para condiciones de tratamiento de borurado y
RESUMEN
En el presente trabajo de investigación se realizó la evaluación bajo condiciones de desgaste abrasivo, en capas de boruros de hierro sobre la superficie de un acero AISI 1045 borurado y por el proceso de recocido por difusión (PRD). El tratamiento de bururado se realizó mediate la técnica de empaquetamiento en polvo a una temperatura de 1223 K, con tiempos de exposición de 8 y 10 h. El tratamiento posterior de PRD a las muestra previamente boruradas se efectuó a 1223 K durante 8 h, se utilizó carburo de silicio (SiC) malla #200 como diluyente.
La caracterización de físico-química de las capas (FeB/Fe₂B y Fe₂B) obtenidos de ambos tratamientos, se realizó mediante ensayos de Microscopía Óptica, mostrando morfologías aserradas para ambos casos; Microscopía Electrónica de Barrido ( SEM , por sus siglas en inglés); Espectroscopia de rayos X por Dispersión de Energía (EDS, por sus siglas en inglés) y mediante Difracción de Rayos X (XRD, por sus siglas en inglés) esta última permitió la identificación de la formación de las fases de FeB y Fe₂B. La caracterización mecánica superficial se realizó mediante Indentación Instrumentada Berkovich, para determinar la dureza superficial así como el módulo de elasticidad.
Los sistemas FeB/Fe₂B y Fe₂B se sometieron a la prueba de desgaste en la maquina tribológica para la evaluación de la resistencia al desgaste, desarrollada en el Grupo Ingeniería de Superficies (GIS®), empleando las condiciones de uso de abrasivo (arena
silica de tamaño promedio 200 μm) y carga de 133 N, como se denota en la norma ASTM G65; se realizaron mediciones de masa removida cada 1000 m hasta los 3000 m de deslizamiento. En las huellas de desgaste generadas en el acero AISI 1045, en las muestras boruradas y boruradas+PRD se realizó un análisis mediante Microscopía Óptica, SEM y EDS para observar y caracterizar los mecanismos de desgaste.
ABSTRACT
In the present research, the evaluation was carried out under conditions of abrasive wear, in iron boride layers on surface of AISI 1045 borided steel and by the diffusion annealing process (DAP). The treatment of boronizing was done by the technique of powder packing at temperature of 1223 K, with exposure times of 8 and 10 h. Subsequent by treatment of DAP previously borided samples were carried out at 1223 K for 8 h, SiC # 200 mesh was used as diluent.
Physicochemical characterization of the layers (FeB / Fe₂B and Fe₂B) obtained from both treatments was carried out by Optical Microscopy, showing saw-toothed morphologies for both cases; Scanning Electron Microscopy (SEM); X-ray diffraction (EDS) and X-Ray Diffraction (XRD), the latter allowed identification of the formation of FeB and Fe₂B phases. The surface mechanical characterization was performed by Berkovich Instrumented Indentation to determine the surface hardness as well as the modulus of elasticity.
The FeB / Fe₂B and Fe₂B systems were subjected to the wear test in the tribological machine to the evaluation of the wear resistance, developed in the Surface Engineering Group (GIS®), using conditions of use of abrasive (silicon sand of average size 200 μm) and load
of 133 N, as denoted in ASTM G65; Mass measurements were taken every 1000 m to 3000 m sliding. In the wear traces generated in the AISI 1045 steel, in the bored and bored samples + DAP, an analysis was performed using Optical Microscopy, SEM and EDS to observe and characterize the wear mechanisms.
INTRODUCCIÓN
De manera general, se define al desgaste como: “el daño a una superficie sólida, que implica la pérdida progresiva de material, causada por el movimiento relativo entre la superficie y una sustancia de contacto o sustancias”(Hutchings, 1993).
De la definición anterior, se puede afirmar que el impacto practico del fenómeno de desgaste, es amplio: “e implica muchos fenómenos ocurridos en la tecnología de transporte de polvos. Dentro de los cuales se encuentra el desgaste en componentes fijos de un sistema de manipulación de polvo (ejemplo: rampas, superficies interiores de tubos, entre otros), en componentes móviles (ejemplo: tornillos de alimentación, platos de válvulas e impulsores para bombas de lodos) y entre las partículas” (Hutchings, 1993)
Durante años se ha buscado incrementar la vida útil de los sistemas en los cuales se reconoce que en su interacción se presenta desgaste, una primera alternativa para atender el problema del desgaste fue el uso de lubricantes aceites vegetales o con base en grasas animales; puede mencionarse también el caso del desarrollo de nuevos materiales tales como: carburo de tungsteno y Carboloy (aleación de tungsteno y cobalto) en 1926 y 1942, respectivamente. A fines del siglo XX se desarrollaron las herramientas para examinar superficies y que junto con análisis superficial combinado con la capacidad de abordar problemas de contactos por análisis mecánicos, permitieron obtener una mejor compresión de la física de la fricción y el desgaste. Actualmente el fenómeno de desgaste se atiende mediante principios de diseño, selección adecuada de materiales y parámetros de operación, así como una adecuada lubricación (Robert, 2012)
El presente trabajo se centra en realizar el estudio de la resistencia al desgaste abrasivo en vía seca, mediante la prueba de desgaste en una maquina tribológica validada con base en la norma ASTM G65, sobre sistemas FeB/Fe₂B y Fe₂B en la superficie de un acero AISI 1045. Dichos sistemas son resultado de aplicar el tratamiento termoquímico de borurado y el proceso de recocido por difusión (PRD) respectivamente. La aplicación del borurado mejorar las propiedades mecánicas de la superficie de un acero; así mismo, permite obtener protección al desgaste y la corrosión (Davis, 2002),(Mittemeijer and Somers, 2014).
En el capítulo 1, se describe la información referente al tratamiento termoquímico de borurado, las ventajas que ofrece en la mejora superficial; también, lo referente al proceso de recocido por difusión (PRD), como una alternativa permite la reducción de la capa FeB de un sistema bifásico FeB/Fe₂B. Además, se presentan conceptos referentes al desgaste. De manera particular se aborda desgaste abrasivo y los mecanismos de desgaste que pueden presentarse. Por último, se mencionan las pruebas de desgaste catalogadas en normas ASTM.
En el capítulo 2 se aborda la norma ASTM G65, así como la evaluación al desgaste abrasivo y la metodología implementada en el presente trabajo para realizar la prueba de desgaste. Se describe la máquina tribológica empleada en la evaluación de la resistencia al desgaste abrasivo desarrollada en el Grupo Ingeniería de Superficies (GIS®). Se hace referencia a la
identificación de los mecanismos de daño generados por la prueba de abrasión.
El procedimiento experimental desarrollado se detalla en el capítulo 3. Que incluye: la determinación de las propiedades mecánicas del acero AISI 1045 sin tratamiento; la preparación de las probetas utilizadas para realizar los tratamientos de borurado y proceso de recocido por difusión (PRD); la caracterización físico-química y mecánica de las condiciones resultantes de los tratamientos. La pruebas de abrasión y el análisis de los mecanismos de daño generados, mediante Microscopía Óptica y las técnicas de Microscopía Electrónica de Barrido y Espectroscopia de rayos X por Dispersión de Energía (SEM-EDS, por sus siglas en inglés).
El análisis y discusión de resultados se presenta en el capítulo 4, que incluye desde la caracterización físico-química hasta la prueba de desgaste y el análisis de los mecanismos de daño resultantes en el acero AISI 1045 sin tratamiento, en las muestras boruradas (con el sistema FeB/Fe₂B) y boruradas y sometidas al proceso de recocido por difusión (PRD).
Por último se establecen las conclusiones del presente estudio, así como las perspectivas del mismo en la línea de investigación.
ANTECEDENTES
En la literatura disponible es posible encontrar diversos estudios centrados en pruebas de desgaste abrasivo bajo condiciones de deslizamiento en seco. Tal es el caso de Selçuk et al.(2000), que realizan pruebas de desgaste abrasivo empleando una configuración del tipo “bloque sobre disco” de un medidor universal estándar “Tlint”, en un acero AISI 1020 borurado, empleando B₄C (Carburo de boro) a 1203 K, con tiempos de tratamiento de 1.5 y 3 h; también a 1223 K de temperatura durante 1.5 h; donde reporta capas de tipo Fe₂B. Realizó además tratamiento de carburizado en aceros AISI 1020 y 5115, a 1023 K y enfriados en aceite a 323 K, tiempos de tratamiento de 1.5 y 3 h. Las pruebas de desgaste se realizaron a velocidad constante de 3.6 m/s, con cargas de 55.6, 109 y 147.5 N y con tiempos de prueba fueron de 10, 30 45, 60, 90, 180, 300, 420 y 540 s. Reporta la obtención de valores durezas para las muestras boruradas de 2318
HV
0.08 para los tratamientos a 1203 K y de 2700HV
0.08 para el tratamiento a 1223 K. Además reporta que las muestras boruradas presentaron menor pérdida de masa, menores coeficientes de fricción (estático y dinámico) respecto a las muestras sin tratamiento y respecto a las muestras sometidas al proceso de carburizado. Respecto a los mecanismos de desgaste muestra formación de ranuras o surcos en la superficie borurada.Por otra parte Er & Par (2004) en su trabajo de investigación aplicaron un tratamiento de borurado en caja a aceros AISI 1008 y 1045, utilizando como medio borurante EKabor™ II a una temperatura de 1223 K, con tiempos de exposición de 2, 4 y 6 h. Aplicaron una prueba de abrasión con una máquina “Plint TE53” cuya configuración es de tipo “bloque sobre disco”; se empleó como abrasivo lija de óxido de aluminio (Al₂O₃) del #500 con una carga de 42 N, a velocidad constante de 0.31 m/s, y realizaron mediciones de pérdida de masa cada 250, 500, 1000, 1500,2000 y 2500 revoluciones. Como resultado importante resalta que para las muestras boruradas presentan una menor pérdida de masa y por lo tanto menor tasa de desgaste, entre 85- 90 % menor, respecto a las muestras sin tratamiento, mostrando también que el incremento en la dureza superficial fue factor en la disminución de la pérdida de masa.
Las dos investigaciones mencionadas en párrafos previos son similares en el tipo de configuración de la prueba de abrasión (del tipo “placa sobre disco”). El estudio realizado por Ulutan et al.( 2010) reportan la realización de pruebas de abrasión en una acero AISI 4140 borurado mediante empaquetamiento, empleando EKabor™ II, a temperaturas de 1173, 1223, 1273 y 1323 K, con tiempos de exposición de 2, 4 y 6 h. Se evaluaron los sistemas FeB/Fe₂B resultantes utilizando una máquina “Plint TE53” multi-propósito ( configuración de “bloque sobre disco”) para prueba de fricción y desgaste bajo cargas de 22, 32 y 42 N, a velocidad constante de 0.63 m/s (200 rpm), la medición de pérdida de masa se realizó después de 100, 200, 500, 1000, 1500 y 2000 ciclos. Además realizaron pruebas de “perno sobre disco” a velocidad constante de 0.63 m/s (200 rpm), se estableció una distancia de deslizamiento de 2000 m. De la prueba de abrasión concluyeron que en las muestras boruradas se redujo el desgaste 3-4 veces respecto a las muestras sin tratamiento y que el mecanismo de desgaste superficial presente fue la formación de surcos (identificados mediante SEM). En el caso de la prueba de desgaste de “perno sobre disco” las muestras boruradas presentaron menores pérdidas de masa y una reducción en los valores del coeficiente de fricción.
Martini et al. (2004) realizaron tratamiento de borurado empleando una mezcla de B₄C (20%), KBF₄ (10%) y SiC, a un hierro Armo (99.9 wt% de pureza) y un acero UNI 38 NiCrMo 4, ambos fueron previamente recocido a 1273 K. El proceso de borurado se aplicó a 1123 K durante 15 h, mediante lo cual se obtuvieron capas de tipo FeB/Fe₂B. Realizaron dos tipos de ensayo de desgaste, el primero consistió en una prueba de desgaste adhesivo “perno sobre disco” y la segunda fue un ensayo de abrasión a microescala. El material de la esfera rotaria fue de acero martensitico (r=12.7 mm y 1000 HV de dureza), como abrasivo emplearon una solución acuosa de SiC de 4-5 μm, con una concentración de 0.75 g/m³, la carga aplicada fue de 0.2 N y la velocidad de la esfera fue de 0.05 m/s. Como conclusión reporta un incremento en la resistencia al desgaste, bajo ambas pruebas, en las condiciones boruradas, respecto a los materiales sin tratamiento.
Béjar & Moreno (2006) realizaron en ensayos de abrasión bajo la configuración de “arena rueda-goma vulcanizada” (acorde a la norma ASTM G65), con una velocidad de giro de la rueda de 2-2.5 m/s, con una carga de 130 N. Como abrasivo se empleó arena de cuarzo
ensayos de abrasión se aplicaron a aceros AISI 1020, 1045, 4140 y 4340 sometidos al tratamiento de borurado, para lo usaron tres mezclas: M1 (bórax: 88.26, SiC: 9.06, NH₄Cl: 1.22 y NaCl:1.46 estos en wt.% ), M2 (bórax: 73.26, SiC: 24.06, NH₄Cl:1.22 y NaCl: 1.46 estos en wt.% ) y M3 (bórax: 63.26, SiC: 34.06, NH₄Cl:1.22 y NaCl:1.46 estos en wt.% ); a temperaturas de 1223, 1273 y 1323 K, con tiempos de exposición de 2, 4 y 8 h. los sistemas generados fueron de tipo Fe₂B. Reporta que los mecanismos de daño observados a simple vista son: picaduras, grietas y ranuras. Además que las muestras de acero AISI 1020 boruradas con M3 a 1273 K, durante 8 h; presentaron la mejor resistencia al desgaste abrasivo respecto a los otros aceros borurados con esa misma condición.
En la literatura abierta es poca la información referente a la prueba de abrasión basada en la norma ASTM G65, en aceros borurados en los cuales se presenten sistemas bifase (FeB/Fe₂B) y monofase (Fe₂B). Por lo cual el objetivo del presente trabajo busca evaluar la resistencia al desgaste de estos sistemas, obtenidos mediante borurado y la aplicación del proceso de recocido por difusión, con espesores de capa mayores a 150 μm, lo cual es recomendable en aplicaciones industriales (Davis, 2002). Así mismo, realizar un análisis de los mecanismos de daño generados en las muestras sometidas a la prueba de abrasión.
JUSTIFICACIÓN
En la industria manufacturera y en los servicios públicos existen diversos tipos de maquinaria, en las cuales puede ocurrir desgaste; “una encuesta nacional en 1997 ha indicado que el costo por desgaste a la industria del Reino Unido fue del orden de 67 millones de libras por año. Además, para las empresas que tienen estos problemas de desgaste, los costos eran típicamente alrededor de 0.25 por ciento de su volumen de negocios. En muchos casos, estos costos pueden ser reducidos a la mitad, al menos, al hacer un diseño apropiado y / o cambios de material, para reducir o eliminar el desgaste”(Neale & Gee, 2001)
En la industria el fenómeno de desgaste por abrasión es perjudicial dado que generan pérdidas por mantenimiento (remplazo de componentes sujetos a los tipos de contacto abrasivo), “los costos por abrasión son altos y pueden variar de entre 1 a 4% del producto interno bruto de un país industrializado. Esto se evidencia en zonas industriales de la agricultura, minería, entre otros sectores”(Davis, 2001)
El proceso de borurado se plantea como alternativa para aumentar la resistencia al desgaste y la corrosión; con respecto a la resistencia al desgaste abrasivo, la mejora que se obtiene puede ser debido al aumento de la dureza superficial (Davis, 2002).
La evaluación de la resistencia al desgaste en los materiales sometidos a desgaste abrasivo puede realizarse respecto a la clasificación basada en el tipo de contacto, siendo estos: contacto de dos cuerpos y contacto de tres cuerpos (Budinski, 2013).
Debido a lo anterior en el presente trabajo busca generar conocimiento respecto al comportamiento de un acero AISI 1045 borurado y borurado más el proceso de recocido por difusión. Es decir, evaluar sistemas bifásico y monofásico y determinar su desempeño bajo condiciones de desgaste abrasivo. El acero seleccionado es grado maquinaria y de medio contenido de carbono. Por lo cual un uso común de dicho acero, es en componentes de máquinas que se encuentran sometidos a desgaste de tipo abrasivo, tal es el caso de puntas de cinceles de herramentales agrícolas, boquillas de conducción de arenas o abrasivos, entre otros ejemplos.
La evaluación de la resistencia al desgaste abrasivo se realiza bajo una configuración de contacto de tres cuerpos, denotada por la norma ASTM G65, dicha configuración de prueba es conocida como “Arena rueda-goma vulcanizada”. Cabe mencionar que existen pocas referencias de la aplicación de esta prueba en sistemas bifásico y monofásico. Por lo cual en este trabajo se evalúan un sistema bifásico y monofase.
Cabe mencionar que la máquina empleada para realizar dicha prueba está debidamente diseñada y evaluada con base a las normas ASTM G65 y G105 (Hernández, J. 2013), que es parte del desarrollo e innovación del Grupo Ingeniería de Superficies (GIS®). Un
parámetro principal que se obtiene es la pérdida de masa, bajo carga controlada y una distancia de deslizamiento controlada.
OBJETIVOS
OBJETIVO GENERAL
Evaluar el desgaste abrasivo en un acero AISI 1045 sometido al tratamiento de borurado y borurado mas recocido por difusión, mediante la aplicación de una prueba de abrasión con base a la norma ASTM G65, para determinar la pérdida de masa e identificar los mecanismos de daño por desgaste.
OBJETIVOS PARTICULARES
• Endurecer de manera superficial un acero AISI 1045, mediante el tratamiento termoquímico de borurado en polvo, para obtener capas de boruros de hierro FeB y Fe₂B.
• Aplicar el procesos de recocido por difusión (PRD),a las muestras de acero AISI 1045 boruradas, a 1223 K, a un tiempo de exposición de 8 h, para reducir la fase FeB, obteniendo así una solo fase Fe₂B.
• Caracterizar física y químicamente las capas de boruro de hierro aplicando las técnicas de microscopía óptica, Difracción de Rayos X (XRD) y Espectroscopia de rayos X por Dispersión de Energía (EDS), para evaluar la morfología y estimar espesor de capa, determinar la formación de las fases presentes.
• Realizar la caracterización mecánica superficial de las capas de boruros de hierro mediante la técnica de indentación instrumentada Berkovich, para determinar el comportamiento de la dureza y módulo de elasticidad.
• Realizar la prueba de desgaste de deslizamiento en seco, empleando la máquina tribológica diseñada y validada con base a la norma ASTM G65 y G105, para evaluar la resistencia al desgaste abrasivo en las muestras sometidas a los tratamientos termoquímicos.
• Determinar las pérdidas de masa, volumen removido y la tasa específica de desgaste de las muestras sometidas a la prueba de desgaste, mediante medición directa en una balanza analítica y calculo directo, para obtener valores de las condiciones evaluadas.
• Realizar un análisis de las huellas generadas por la prueba de abrasión en las distintas muestras, mediante observación directa, Microscopía Óptica y SEM-EDS, para identificar los diferentes mecanismos de desgaste generados por la prueba de abrasión.
METODOLOGÍA
Enseguida se describe la metodología que describe las actividades realizadas en el trabajo de investigación:
● Generación de capas duras de tipo FeB y Fe₂B, en un acero AISI 1045, mediante la aplicación del proceso de borurado por empaquetamiento en caja, empleando EKabor™ II como agente borurante. Para lo cual se utilizaron probetas de 63.5 mm de diámetro y con un espesor de 6 mm. El tratamiento termoquímico se aplicó a una temperatura de 1223 K (950 ̊C) y con tiempos de exposición de 8 horas y 10 h, el enfriamiento fue al aire libre
● Determinar los espesores de capa obtenidos después del tratamiento de borurado, para lo cual se realizó un proceso metalográfico convencional. Se empleó el microscopio óptico Olympus GX51, para la medición de las capas se utilizó el software de análisis de imágenes Image Pro Plus 6.0.
● Se aplica el proceso de recocido por difusión (PRD) a las probetas que fueron previamente boruradas. Esto con la finalidad de reducir la presencia de la fase FeB, dentro del sistema FeB/Fe₂B formado en el proceso de borurado. Se empleó SiC de malla 220 (74 μm) como diluyente y el PRD se aplicó a 1223 K durante 8 horas para cada condición de borurado, se realizó el enfriamiento controlado para evitar el choque térmico.
● Se determinaron los espesores de capa obtenidos por la aplicación del PRD, esto se realizó de manera similar que en caso de las muestras sometidas al proceso de borurado.
● Caracterización de las capas formadas por el proceso de borurado y por el PRD, mediante la técnica de Difracción de Rayos X (XRD), para comprobar la formación de los sistemas FeB /Fe₂B y el sistema Fe₂B (para las muestras borurada más el proceso de recocido por difusión) en la superficie del acero AISI 1045.
● Realización del análisis cuantitativo de los elementos en los sistemas FeB/Fe₂B formados por el proceso de borurado, mediante la aplicación de la técnica de Espectroscopia de rayos X por Dispersión de Energía (EDS).
de indentación instrumentada Berkovich que emplea un Nanoindentador, marca CSM modelo TTX-NTH.
● Aplicación de la prueba de abrasión a las muestras sometidas a borurado y borurado más el proceso de recocido por difusión, empleando la máquina tribológica del Grupo Ingeniería de Superficies® (GIS®), bajo una carga constante de 133 N, con
distancia de deslizamiento total de 3000 m. Se utilizó como abrasivo arena silica de tamaño promedio de 200 μm. Esto de acuerdo a la metodología descrita por Hernández (2013) y la norma ASTM G65.
● Caracterización de las huellas de desgaste generadas por la prueba de abrasión, mediante inspección visual y las técnicas de Microscopía Óptica y SEM-EDS, obteniendo imágenes diversa, en las cuales es posible identificar los mecanismos de daño por desgaste.
1.
CAPÍTULO 1. ESTADO DEL ARTE
1.1 INTRODUCCIÓN
En el presente capítulo se presenta los conceptos teóricos, que explican el tratamiento termoquímico de borurado, así como ventajas y desventajas del mismo y su aplicación en algunos aceros, esto con la finalidad de mejorar las propiedades superficiales. Se presenta la teoría básica del proceso de recocido por difusión (PRD), el cual es una alternativa que permite la reducción de la presencia de la fase FeB en un sistema FeB/Fe₂B, generado por la aplicación del tratamiento termoquímico de borurado
De igual manera se abordan los conceptos de desgaste, desgaste abrasivo, pruebas de abrasión, entre otros. Los cuales permitirán entender los principios de la aplicación de la prueba de desgaste abrasivo, así como como los mecanismos de desgaste generados por la prueba
1.2 TRATAMIENTO TERMOQUÍMICO DE BORURADO
Martini et al. 2004, plantean que las diversas técnicas para el mejoramiento superficial se ha sufrido una expansión debido a la necesidad de materiales con mayor resistencia al desgaste y corrosión, dado que la vida útil de los materiales en la práctica, depende de sus propiedades superficiales. Dentro de los tratamientos termoquímicos basados en la difusión de elementos como: carbono, nitrógeno o boro; el boro es un caso peculiar, debido a que las capas de boruros de hierro pueden tener durezas elevadas incluso superiores a 20 GPa (2100 HV), así como una alta resistencia al desgaste.
El borurado o borurización en un tratamiento termoquímico de endurecimiento superficial que implica la difusión de boro en la superficie de un material base (acero) a alta temperatura. Las capas de boruros generadas presentan altos valores de dureza, resistencia a altas temperaturas y alta resistencia al desgaste y la corrosión(Davis, 2002).
Dicho tratamiento termoquímico basado en la difusión de boro implica un enriquecimiento con boro hacia la superficie de un material, ya sea en un metal o bien en un compósito. Es decir, los átomos de boro son transferidos mediante energía térmica dentro de la red
respectivos en conjunto con los átomos del substrato. El proceso de borurado de manera general es llevado a cabo a temperaturas de entre 1123 a 1273 K, con tiempos de exposición que van desde una hora hasta diez horas (Campos-Silva and Rodríguez-Castro, 2015).
Las capas de boruros de hierro resultantes pueden ser sistemas de dos tipos: monofase (Fe₂B) y bifase (FeB\Fe₂B), en ambos casos existe también la llamada zona de difusión. La morfología, crecimiento y composición de las capas compuestas de boruros puede verse influenciada por los elementos de aleación presentes en el substrato. Dichas fases presentan estructuras cristalinas características, las cuales se muestran en la figura 1.1; en el caso de la figura 1.1a se muestra la estructura cristalina ortorrómbica, con 8 átomos por celda unitaria del compuesto FeB; con parámetros de red de a=5.49 Å, b=2.94 Å. en la figura 1.1b se muestra el compuesto Fe₂B, con su estructura cristalina tetragonal, con 12 átomos por celda unitaria y parámetros de red de a=5.1204 Å y c=4.2588 Å (Matuschka, 1980).
Figura 1.1 Celda unitaria (a) FeB, (b) Fe₂B, (Vega-Morón 2015)
La morfología, crecimiento y composición de las capas compuestas de boruros puede verse influenciada por los elementos de aleación presentes en el substrato. Por los cual se ha planteado una clasificación de las morfologías que pueden presentarse, esta puede verse en la figura 1.2, y de igual manera Bravo en 2010, explica dicha clasificación morfológica de las capas.
Figura 1.2 Clasificación de morfologías de capa en boruros (modificada de Matuschka 1980)
Existe una gran posibilidad de observar el crecimiento de la fase Fe₂B, con morfología aserrada, en aceros con bajo contenido de carbono. De manera contraria, el crecimiento de capas conformadas por FeB\Fe₂B es obtenida cuando el substrato (material base) presenta mayor contenido de carbono y elementos de aleación como: molibdeno, tungsteno, vanadio y cromo(Campos-Silva et al., 2009)
La formación de las capas de FeB y Fe₂B, con contenidos de porcentaje de peso en boro (%ω) aproximados de 16.2% y 8.83%, respectivamente, lo cual depende del potencial de boro del agente borurante al exterior del material a tratar. Lo cual se basa en los modelos térmicos propuestos por Lia (1993) y Van (2002), mostrados mediante curvas en la figura 1.3, teniendo con esto el diagrama de fase del sistema B-Fe.
T emp er at u ra (°C )
Porcentaje de peso en Boro
Porcentaje atómico de Boro
Figura 1.3 Diagrama de fase Hierro-Boro(modificado de Okamoto 2004)
1.2.1 Tipos de procesos de borurización
Existen diversos métodos para la difusión de boro en la superficie de un acero, los cuales son (Davis, 2002):
• Borurado en pasta. • Borurización liquida. • Borurización gaseosa. • Borurización por plasma.
• Borurizacion en lecho fluidizado • Borurización por empaquetamiento.
Se tiene que los componentes aceros borurados tienen excelentes aplicaciones en los campos de la ingeniería mecánica y la industria automotriz; teniendo los mejores resultados al ser mediante empaquetamiento, lo cual implica emplear mezclas de polvos que cuenten con un medio donante (ejemplo B₄C), un activador (usualmente KBF₄) y eventualmente un diluyente que permite controlar el potencial de boro en el medio (Martini et al., 2004).
Los agentes borurantes de mayor importancia industrial son los basados en carburo de boro activo (B4C), fuente inerte de carburo de silicio (SiC) y un activador, siendo los más
comunes: NaBF4KBF4 (NH4)3BF4, NH4Cl, Na2CO3, BaF2 y Na2B4O7 . La composición
típica de las mezclas comerciales son (Davis, J.R. 2002):
• 5% B4C, 90% SiC, 5% KBF4
• 50% B4C,45% SiC, 5% KBF4
• 85% B4C, 15% Na2CO3
• 95% B4C, 5% Na2B4O7
• 84% B4C, 16% Na2B4O7
Estas mezclas pueden ser adquiridas en forma de polvo fino, con un tamaño de grano diverso; también en presentación de pasta. En la tabla 1.1 se presentan las características de tipos de agentes borurantes comerciales EKabor™. En el presente trabajo se empleó el agente borurante EKabor™ II.
Tabla 1.1 Características generales de los agentes sólidos borurantes (C. Tapia-Quintero, 2010)
Agente Tamaño de
grano Características
EKabor™ I <150 µm Alta calidad de capa en la superficie
EKabor™ II <850 µm Muy buena capa superficial, la pieza tratada es fácil de desempacar después del tratamiento
EKabor™ III <1400 µm Muy buena capa superficial, el polvo conserva buenas propiedades después del tratamiento
EKabor™ HM <150 µm Para metales muy aleados, ofrece capas muy gruesas en barrenos muy pequeños
EKabor™
Pasta ----
Aplicaciones universales: inmersión, cepillado y aspersión
EKabor™ Ni <150 µm Para borurización en metales base níquel
1.2.2 Ventajas del proceso de borurización
La aplicación del tratamiento termoquímico de borurización presenta las siguientes ventajas (Davis, 2002):
• La dureza de las capas de boruros generadas, pueden conservarse a temperaturas más elevadas, a diferencia por ejemplo capas generadas por tratamiento de nitrurado.
• Una gran variedad de aceros, incluidos aquellos aceros previamente endurecidos (por ejemplo aquellos previamente sometidos al proceso de carburizado), son compatibles con el proceso de borurado.
• El proceso de borurización puede aumentar considerablemente la resistencia a la erosión-corrosión y los medios alcalinos. Esta característica se utiliza con más frecuencia en distintas aplicaciones industriales.
• Las superficies boruradas tienen una moderada resistencia a la corrosión y son bastante resistentes al ataque de metales fundidos.
Las piezas boruradas tienen una alta resistencia a la fatiga y proveen un buen servicio en ambientes oxidantes y corrosivos.
1.2.3 Desventajas del proceso de borurización
Dentro de este proceso también existen desventajas tales como (Davis, 2002):
• Las técnicas utilizadas son inflexibles y requieren de mano de obra intensiva. El proceso resulta menos rentable que algunos otros como pueden ser la carburación de gas y la nitruración.
• El crecimiento dimensional de piezas sometidas al proceso de borurización puede ser del 5 al 15 % del espesor de la capa (por ejemplo una capa de 25 μm podría tener un incremento de 1.25 a 6.25 μm). Este incremento depende de la composición del substrato, pero se considera constante dada la combinación del material y el ciclo de tratamiento.
• La remoción parcial de una capa de boruros para el cumplimiento de las tolerancias del cliente es posible solo con un pulido con diamante, debido a que algún otro método de maquinado convencional puede causar la fractura del recubrimiento. Cabe mencionar que en comparación con los tratamientos realizados en fase gaseosa, los procesos industriales de borurado realizados con polvo son: (i) Más complicados, lentos y costosos y (ii) son menos adecuados para en el control del proceso y su automatización, lo cual dificulta la adecuada difusión de los tratamiento de borurado en el sector industrial (Martini et al., 2004).
1.2.4 Influencia de los elementos aleación
Las propiedades mecánicas de los aceros sometidos al proceso de borurización dependen fuertemente de la composición y estructura de las capas superficiales de boruros. Las morfologías aserradas de las capas de boruros son predominante cuando se emplean aceros de baja aleación o hierros puros. Conforme al aumento de los elementos de aleación y/o el contenido de carbono en el substrato, se suprime la formación de las morfologías aserradas, formando así una interfaz más suave o plana (ASM International, 2002)
La configuración aserrada de las capas de boruros de hierro, es dominante al utilizar hierro puro y aceros de baja aleación, tal es el caso mostrado en la figura 1.4. A medida que los elementos de aleación y/o el contenido de carbono en el substrato aumenta o suprime la forma aserrada de la capa, formando una interfaz más suave o plana (ASM International, 2002).
a)
b)
Figura 1.4 Micrografías de un acero AISI 1045, sometido al proceso de borurado, empleando una
mezcla de 20% de B₄C, 10% KBF₄ y 70% SiC a una temperatura de 950°C con tiempos de exposición de a) 8 h y b) 10 h (Campos-Silva, Flores-Jiménez, et al., 2013)
El acero que se empleó en el presente trabajo fue el acero AISI 1045 cuya composición de muestra en la tabla 1.2, por lo cual se espera las influencia de sus componentes principales C, Si y Mn, lo cual se describe a continuación.
Tabla 1.2 Composición química del acero AISI 1045, en % promedio, con base en la norma ASTM
A 576-90b:2000
C Si Mn P máx. S máx. Fe
0.43-0.50 0.15-0.35 0.60-0.90 0.04 0.05 Balance
Influencia del Carbono. Este elemento se disuelve significativamente en las capas de
boruros de hierro y no se difunde a través de ellas. Durante el borurado, el carbono es difundido desde la capa hacia el substrato, en conjunto con el boro puede formar borocementita Fe3 (B, C) [o más apropiadamente, Fe3(B0.67C0.33) en el caso de aceros al
carbono Fe-0.008%] como una capa separada entre Fe₂B y el substrato, Davis J R (2002).
Influencia del Silicio. Durante el borurado, el silicio se disuelve hacia el substrato y se
desplaza por completo de la fase FeB. Su concentración aumenta suavemente en la fase Fe₂B y su concentración máxima se encuentra zona de la fase α (Dukarevich, Mozharov and Shigarev, 1973). Al igual que el carbono, este no se disuelve significativamente en las capas de boruros, este elemento es difundido de la superficie por el boro y es desplazado al frente de las capas de boruro en el substrato, formando silicoboruros de hierro (Davis, 2002) .
Influencia del Manganeso. El manganeso se difunde en la superficie durante el borurado
y e localizado en la zona FeB, enriquece la zona de boruros, pero no tiene un efecto sustancial en la estructura de los boruros (Dukarevich, Mozharov and Shigarev, 1973). Sirve para desoxidar al acero (eliminar impurezas de óxidos de hierro). Su presencia incrementa la solubilidad del carbono en la austenita, favoreciendo la formación de carburos. Incrementa la resistencia a la tracción, el límite elástico, la resistencia a la fatiga y a la fluencia, la forjabilidad, la resistencia al desgaste, la templabilidad, la resistencia al revenido y la dilatación térmica (Sánchez 2016).
1.2.5 Propiedades físicas, químicas y mecánicas de los boruros de hierro (FeB y Fe₂B)
La estructura de una capa de boruro resulta en función del tamaño relativo tanto de los átomos de boro como los del metal en que se realiza la difusión; así como su alta tendencia a combinarse entre ellos. El boro es altamente soluble en metales que poseen un volumen atómico pequeño (C. Tapia-Quintero, 2010). En la tabla 1.3 se enlistan algunas de las
propiedades de los boruros de hierro, siendo de relevancia su densidad teórica y los valores de dureza promedio. Dado que la densidad es considerada en la estimación del volumen removido y la dureza es considerada una propiedad que aumenta la resistencia al desgaste (Budinski, 2010).
Tabla 1.3 Propiedades químicas y mecánicas de los boruros de hierro (Matuschka, 1980)
Propiedades FeB Fe₂B Densidad (g/cm³) 6.75 7.43 Coeficiente de expansión térmica (ppm/k) 23 en un rango de 200 a 873 K 7.65-9.2 en un rango de 373 a 1073 K Dureza (GPa) 18-22 17-19 Módulo de elasticidad (GPa) 590 285-295 Resistencia a la fatiga
Puede incrementar hasta en un 33 % para capas con espesores a 40 µm (185 a 245 N·mm²)
1.2.6 Aplicaciones de los aceros borurados
El proceso de borurización en su aplicación implica la mejora considerablemente las propiedades mecánicas, físicas y químicas de la superficie de los materiales tratados con este proceso termoquímico. En la tabla 1.4 se muestran algunas de las aplicaciones industriales para diferentes tipos de aceros borurados.
Tabla 1.4 Aplicaciones industriales de aceros borurados (Hernández, E. 2011)
Acero Aplicación
1015 Ejes, engranajes y diversos elementos de maquinaria
1045 Pernos y discos abrasivos
4140 Pistones
E52100 Cojinetes y guías
D2, D3 Bujes y herramientas para estampado
H11, H13 Herramientas para moldes de inyección
L6 Pernos y dados para forja
O2, O7 Rodillos para grabados
El tratamiento termoquímico de borurizacion permite obtener una alta resistencia al desgaste en aceros al carbono y aleados; además eleva la resistencia a la corrosión, que puede ser de manera no tan apreciable. Puede aplicarse la borurizacion a materiales como: Estelite (aleación de cobalto-cromo), carburos cementados sinterizados y algunos recubrimientos aplicados por rociado; esto para reducir el desgaste en sus fases aglutinantes (Davis, 2001).
Como materiales resistentes al desgaste abrasivo se emplean aceros inoxidables borurados, en componentes de válvulas, rodillos, guias, ejes, husillos, entre otras. Otras aplicaciones incluyen(Dossett and Totten, 2013):
• Partes de maquinaria agrícola.
• Herramentales de acoplamiento al suelo. • Boquillas de equipos de llenado.
• Tornillos de extrusión, cilindros, boquillas y bloques inversos en máquinas de producción de plásticos (extrusión y moldeado por inyección).
• Codos y placas deflectoras en equipos de transporte de gránulos de plásticos minerales, entre otros ejemplos.
E. Hernández (2008) afirma que en aplicaciones industriales, la presencia de una sola fase Fe₂B es deseable en comparación con una multicapa FeB-Fe₂B, debido a la formación de grietas en la interfaz de crecimiento provocadas por la diferencia en los coeficientes de dilatación térmica de ambas fases, que genera esfuerzos residuales de compresión y tensión durante el crecimiento de las capas de boruros.
1.3 PROCESO DE RECOCIDO POR DIFUSIÓN (PRD)
La capa con sistemas bifase (FeB/Fe₂B) ofrece algunas ventajas tribológicas, debido a un perfil de durezas gradualmente decreciente que va desde la superficie pasando por las capas hasta el substrato. Sin embrago, la fase FeB generada en la parte superior puede no ser ideal en aplicaciones mecánicas y tribológicas. Dado que la capa FeB posee una alta dureza, tiende a ser frágil y presenta un coeficiente de expansión térmico diferente. Durante el enfriamiento posterior al borurado se generan altos esfuerz|os tensiles en la fase FeB y esfuerzos compresivos en la fase Fe₂B; lo cual ocasioná micro o macro grietas paralelas a
lo largo de la fase FeB. Además la fragilidad de la fase FeB propicia el desprendimiento y astillamiento severos al aplicarse una carga normal o tangencial elevada (Kartal et al., 2011).
Por lo anterior la formación de capas monofásicas Fe₂B con una morfología aserrada es deseable en materiales ferrosos borurados. Dicha fase puede obtenerse a partir de un sistema bifásico FeB/Fe₂B aplicando un tratamiento subsecuente en vacío o en baño de sales durante varias horas a temperaturas superiores a 1073 K, seguido de un enfriamiento en aceite para aumentar las propiedades del substrato(Dossett and Totten, 2013).
Diversos investigadores han implementado diferentes procesos mediante los cuales es posible obtener una capa tipo Fe₂B a partir de una capa bifásica (FeB/Fe₂B) empleando técnicas de borurización en caja, gas, sales, tales como:
• Matuschka (1980) realizó eliminación de la fase FeB en Fe₂B mediante un cambio de fase por homogenización. El proceso lo desarrolló en una masa fundida, que consiste en una mezcla en polvo de NaCl y KCl con oxígeno en unión de aditivos aglutinantes; en donde la capa FeB se disoció en favor de la capa Fe₂B, la cual aumentó a expensas de la capa FeB.
• Fichtl (1981) afirma que para propósitos especiales, tales como desgaste erosivo y corrosivo simultáneos; la industria química requiere de aceros de alta aleación con capas de boruros bien adheridos, mayores a 20 μm. Por lo cual realizó un tratamiento de borurado en caja a un acero AISI 316 Ti, empleando como medio borurante EKabor™ I, a 1173 K durante 6 h, obtuvo un sistema bifásico FeB/Fe₂B con espesor aproximado de 30 μm; a esta condición aplico un método de difusión para eliminar la fase FeB, dicho método se realizó por exposición en un gas inerte (atmosfera de argón) a 1273 K durante 2 h de exposición, con lo cual obtuvo un sistema monofásico Fe₂B con espesor aproximado de 36 μm. Dicha capa resulta más homogénea, además de ser menos propensa a agrietamiento y desprendimientos; por otra parte la presencia de porosidad no presento gran relevancia
1223 K, durante 15 min, en acero AISI 1018, empleando un electrolito fundido que consiste en 90% de bórax (Na₂B₄O₇·10H₂O) y 10% de carbonato de sodio expuestos a una densidad de corriente de 200 mA/cm². Se obtuvo un espesor de capa de 60 μm (donde 20 μm fueron la capa FeB y 40 μm de la fase Fe₂B). Dicho método se desarrolló en baño de sales sin polarización, durante 45 minutos de exposición, donde el espesor de capa resultante consistió, únicamente, en la presencia fase de Fe₂B con un espesor de capa de 75 µm.
• Kulka et al. (2013) aplicaron recocido por difusión sobre un hierro puro previamente borurado; las muestras boruradas con capa bifase (FeB/Fe₂B) se obtuvieron mediante un proceso de borurado en gas, en una atmosfera de H2-BCl3, a
temperaturas de 1073, 1173 y 1273 K, con tiempos de exposición de 2 a 10 h. El recocido por difusión lo realizaron a temperatura de 1173 K, en un rango de tiempos de 2 a 10 h, en una atmósfera inerte de H₂. Posterior al tiempo de exposición, las probetas fueron enfriadas en una atmósfera de nitrógeno. Los resultados mostraron que el tiempo de exposición mayor condujo a la reducción total de la capa FeB.
Por su parte en el GIS® se ha implementado el proceso de recocido por difusión (PRD),
mediate empaquetamiento en caja, a altas temperaturas. Se tiene como relevante el proceso de recocido por difusión desarrollado por Flores-Jiménez (2013). Dicho autor aplica el proceso de borurado en un acero AISI 1045, a una temperatura de 1223 K (950º C), con tiempos de exposición de 8, 10 y 12 h. Busco diluir la presencia de la fase FeB de un sistema bifásico FeB/Fe₂B. El proceso de recocido por difusión se llevó a cabo en las muestras previamente boruradas a una temperatura de 1273 K, con 8 h de exposición. Las probetas fueron colocadas en una mezcla diluyente de polvo de SiC (95%) y bentonita (5%). Los resultados mostraron una eliminación total de la fase FeB en la condición de borurado a 1223 K durante 8 h. En las condiciones de borurado durante 10 y 12 h de tratamiento se consiguió disminuir el porcentaje de la fase FeB en un 90%, debido a que la presencia de la fase FeB en estas condiciones es mayor respecto a la condición de 8 h. Además se logró disminuir la fragilidad de la capa de boruro de hierro y se aumentó el valor de la tenacidad a la fractura en un 53% (Campos-Silva, Flores-Jiménez, et al., 2013).
Por su parte Bernabé-Molina (2015) implemento un proceso de recocido por difusión, a muestras de acero AISI 316L que fueron boruradas a 1173 K durante 4, 6 y 8 h de
exposición empleando EKabor™ II. Como medio diluyente para el proceso de recocido por difusión se empleó EKabor™ II con bajo potencial de boro, esto se logró mediante el uso cíclico de 6 repeticiones del EKabor™ II durante 6 h a 1223 K. El proceso de recocido por difusión se realizó a 1273 K durante 2 h de explosión. Con lo cual se obtuvo una disminución en la fragilidad de las capas de boruros de hierro, además de un incremento del espesor de la fase Fe₂B.
En los estudios realizados por Sánchez-Islas (2016) y Márquez-Cortes (2016) se aplicaron el proceso de recocido por difusión en aceros AISI 1018 y AISI 4140T, respectivamente. En el caso del acero 1018 el proceso de borurado se realizó a 1273 K durante 20 minutos y posteriormente el PRD a 1273 K durante 1 h. En cuanto al acero AISI 4140T se aplicó el proceso de borurado a 1273 K durante 6 h y en seguida se realizó el PRD a 1273 K durante 6 h de exposición. Para ambos aceros el proceso de recocido, las muestras fueron embebidas en SiC. En ambos casos se obtuvo una reducción considerable de la fase FeB y el incremento de la fase Fe₂B. En el presente trabajo se empleó un proceso similar al reportado por estos autores.
1.4 ABRASIÓN Y DESGASTE ABRASIVO
1.4.1 Desgaste
El desgaste es el daño que sufre una superficie al entrar en contacto mecánico con otra, lo cual resulta en la generación de fragmentos que abandonan el sistema tribológico, puede ocasionar una falla directa, reducir tolerancias, o inducir daño superficial el cual originara la falla del componente o muy a menudo falla por fatiga (Straffelini, 2015).
Procesos de desgaste. Dado que en la práctica existen diversos procesos de desgaste, la
investigación de los daños ocasionados por estos puede facilitarse mediante la observación de cada proceso, determinando la acción de un mecanismo predominante(Straffelini, 2015). En la figura 1.5 se muestra la clasificación general de los procesos de desgaste (Davis 2001).
Desgaste
Abrasión Erosión Adhesión Fatiga
superficial
Bajo esfuerzo Impacto de
partícula solida Escoriado Picaduras
Alto esfuerzo Impacto de fluido Adhesivo Astillamiento
Ranurado Cavitación Atoramiento Impacto
Pulido Erosión acuosa Excoriación Brinelación
Desgaste oxidativo Requiere superficies duras o afiladas impuestas sobre superficies blandas Requiere acción de fluido Requiere interacción entre superficies conformes Requiere esfuerzos compresivos repetitivos
Figura 1.5. Clasificación general del desgaste basado en abrasión, erosión, adhesión y fatiga
superficial(modificada de Davis 2001)
Por su parte, Budinski (2013) define a los cuatro procesos de la clasificación general de la manera siguiente:
• Abrasión. Es una forma de desgaste que se caracteriza por la remoción progresiva de material de una superficie sólida, debido a la acción de un desplazamiento forzado al estar en contacto con superficies o protuberancias duras.
• Erosión. Pérdida progresiva o daño a una superficie solida por contacto con un fluido en movimiento. El fluido puede ser de fase única o multi fase y el material removido puede incluir un componente corrosivo.
• Adhesión. Pérdida progresiva de material o daño a una superficie sólida en un contacto de rozamiento, causando por la unión de estado sólido (adhesión) entre las superficies en rozamiento.
• Fatiga superficial. La fatiga es un daño estructural progresivo y localizado que ocurre cuando un material se encuentra sometido a carga cíclica.
De igual manera, en la tabla 1.5 se describe la clasificación general del desgaste y los sistemas en los que pueden presentarse (Budinski 2007)
Tabla 1.5 Clasificación general del fenómeno de desgaste y aplicaciones donde pueden
presentarse(modificada de Budinski 2007).
Modo o proceso de desgaste Puede ocurrir en:
Abrasión
Bajo esfuerzo Equipo agrícola, manejo de minerales
Alto esfuerzo Equipo de trituración
Ranurado Movimiento de tierras, manejo de minerales
Pulido Manejo de solidos que contienen carga de minerales
Erosión
Partícula solida Equipo de samblasteó
Impacto de fluido Codos de tuberías, lluvia sobre aeronaves
Cavitación Bombas, mezcladores de impulsores, dispositivos
ultrasónicos
Erosión acuosa Extractores de petróleo, bombeo, manejo de minerales
Adhesión
Escoriado Máquinas compuestas de juntas atornilladas
Adhesivo Engranajes, levas, correderas, bujes
Atoramiento Sistemas deslizantes en seco (sin lubricación)
Excoriación Válvulas, superficies deslizantes, bujes
Desgaste oxidante Sistemas deslizantes de metales duros
Fatiga superficial
Picaduras Dientes de engranajes, elementos de rodamientos
Astillamiento Partes con tratamientos superficiales
Impacto Herramientas remachadoras, percusores
Brinelación Rodamientos con sobrecarga estática
La compresión de estos procesos es importante al momento de controlar adecuadamente el fenómeno de desgaste, dicho control puede realizarse durante el proceso de diseño, con la finalidad de evitar fallas, o en caso de surgir fallas se debe aplicar en el proceso de re-diseño.
1.4.2 Desgaste abrasivo
En la sección 1.4.1 se dio la definición de los conceptos de desgaste y abrasión, se tiene que el desgaste abrasivo acurre cuando un objeto sólido entra en contacto contra partículas de un material que tiene igual o mayor dureza, bajo la acción de una carga. Como ejemplo de este problema se tiene el desgaste en las palas de maquinaria de remoción de tierra (Stachowiak and Batchelor, 2015).
En el caso de dos superficies bajo acción de una carga normal, las asperezas de la superficie más dura inciden en la menos dura produciendo deformaciones plásticas. Cuando se genera un movimiento tangencial, se remueve material de la superficie menos dura por la acción conjunta de los efectos de micro arado y micro corte, como se muestra en la figura 1.6 (Stolarski, 2000).
Figura 1.6 Modelo de una partícula en desgate abrasivo, W es la carga normal, F es la fuerza
tangencial, θ ángulo de incidencia respecto a la superficie y L la distancia del movimiento tangencial (Stolarski, 2000)
Davis (2001) clasifica al desgaste abrasivo con base al tipo de contacto; de manera semejante, otros autores los denominan como: tipos o modos de desgaste (Stachowiak and Batchelor, 2015), (Bayer, 2004). La clasificación acorde al tipo de contacto es la siguiente:
• Contacto de dos cuerpo • Contacto de tres cuerpos
