Ci = Cv. Ch (1) C 2 H O 2 = 2 CO 2 + H 2 O (2)

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Primer Congreso Nacional de Ingeniería, Ciencia y Tecnología Panamá, 3-5 Octubre 2005

TRATAMIENTOS TERMO SUPERFICIALES DE METALES FERROSOS

MEDIANTE LLAMA OXIACETILÉNICA.

Ojo, Alexis

Programa de Postgrado y Maestría en Mantenimiento de Plantas Industriales, Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad Tecnológica de Panamá

e-mail: aory71@hotmail.com

Aguilar, Juan

Programa de Postgrado y Maestría en Mantenimiento de Plantas Industriales, Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad Tecnológica de Panamá

Coronado, Gilberto

Programa de Postgrado y Maestría en Mantenimiento de Plantas Industriales, Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad Tecnológica de Panamá.

Gilberto.Coronado@utp.ac.pa

Quirós, Nelson

Programa de Postgrado y Maestría en Mantenimiento de Plantas Industriales, Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad Tecnológica de Panamá

Ortega, Carlos.

Programa de Postgrado y Maestría en Mantenimiento de Plantas Industriales, Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad Tecnológica de Panamá

Tejedor De León, Alexis

Departamento de Materiales y Metalurgia – Facultad de Ingeniería Mecánica, Centro Regional de Veraguas - Universidad Tecnológica de Panamá

e-mail: Alexis.Tejedor@utp.ac.pa

Resumen: Se presentan los aspectos prácticos de cómo se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamaño del

grano, incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un interior dúctil en un material ferroso. Tal procedimiento es conseguido por medio de la utilización de un tratamiento térmico especifico denominado endurecimiento superficial vía llama oxiacetilénica. El trabajo consistió en la ejecución de técnicas de calentamiento, sea ésta rotativa o estática de la fuente de calor, a piezas de acero 1060. Las presiones de trabajo de los combustibles utilizados fueron de 0.35 y 1.38 bar para el acetileno y el oxígeno respectivamente. Independientemente de la técnica empleada, las muestras fueron calentadas hasta una temperatura de 775ºC y se utilizaron deferentes medios de enfriamiento para el templado. Con el empleo de este tipo de tratamiento se consiguieron incrementos en términos de dureza superficial del orden de los 84%.

Descriptores: Endurecimiento superficial, templado, tratamientos térmicos, dureza superficial, llama

oxiacetilénica.

1. Introducción

La selección de materiales ferrosos y no ferrosos para aplicaciones industriales, es un paso crucial en el diseño mecánico de partes y componentes (Duarte et a,l 1999). Adicional a las consideraciones geométricas, dimensiones y tolerancias, el diseño mecánico debe considerar aspectos relacionados al tipo de metal, i.e. grado del acero, tipos de tratamientos térmicos previos, características exigidas de trabajo, entre otras propiedades. (Dobrazanski & Sitek, 2003)

Como materiales de construcción, las aleaciones ferrosas continúan siendo las más utilizadas, debido entre otras cosas, a sus propiedades mecánicas. A pesar de eso, la utilización industrial de los materiales ferrosos, se ve seriamente limitada a las condiciones de resistencia superficial que deben presentar (Ponte et al, 2002). Esta limitante se traduce en la pérdida superficial que sufren, sean por causa de la corrosión, propia del ambiente de trabajo o al desgaste abrasivo a la cual son sometidos (Márquez, 2000).

Diversas técnicas de protección superficial, se recomiendan utilizar. Estas técnicas varían desde la tradicional inmersión en baños de metales fundidos, hasta la utilización de técnicas de punta, como es el caso de la depositación física de vapor –PVD (por sus siglas en inglés “Physical Vapor Deposition”) (Faria et al, 2003; Senna et al, 2001; Vera et al, 2003)

Por otro lado, con la aplicación de tratamientos térmicos apropiados se consigue un endurecimiento superficial, dejando el núcleo de la pieza, dúctil (Askeland, 1985).

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combinación proporcional de dos gases: oxígeno (carburante) y el acetileno (combustible). La mezcla oxiacetilénica se obtiene por la combinación de los dos gases a través de un soplete, en donde, después de la ignición se obtiene la llama.

La temperatura máxima de una llama oxiacetilénica es de ± 3100 ºC, en las proximidades de la extremidad de la pluma.

Las temperaturas de la llama y los valores de calentamiento alcanzado por los combustibles, han sido utilizados casi exclusivamente, como criterio para evaluar los diferentes tipos de gases combustibles. Hoy en día, un concepto conocido como intensidad de la combustión, se utiliza para evaluar las combinaciones de mezcla oxígeno / acetileno. Este criterio considera la velocidad de quema de la llama, el valor de calentamiento de la mezcla de los gases y el área del cono de llama que fluye por la boquilla. Bracarense (2000), establece que la intensidad de la combustión, para el acetileno, se puede expresar por medio de la siguiente ecuación:

Ci = Cv . Ch (1)

Donde:

Ci = intensidad de la combustión, J* m-2*s-1

Cv = velocidad normal de combustión de la llama, m*s-1 Ch = valor de calentamiento del acetileno, J*m-3

La intensidad de Combustión (Ci) por lo tanto, es máxima cuando el producto de la velocidad normal de combustión de la llama (Cv) y el valor de calentamiento del acetileno (Ch) es máximo. En el caso de máximo calentamiento, la mayor intensidad de combustión, de la llama neutra, se localiza en la punta de la boquilla.

Adicionalmente se tiene que, teóricamente, la combustión completa del acetileno se representa por medio de la siguiente ecuación química:

C2H2 + 2.5 O2 = 2 CO2 + H2O (2)

Esta ecuación indica que un volumen de acetileno y 2.5 volúmenes de oxígeno reaccionan para producir 2 volúmenes de dióxido de carbono y un volumen de vapor de agua. La razón volumétrica de oxígeno: acetileno es 2.5:1. Sin embargo, todavía Bracarense (2000) señala que en los procesos de calentamiento vía llama oxiacetilénica, la combustión se procesa en dos estadios. La reacción primaria se da en la zona interna de la llama (denominada cono interno) y se representa por medio de la ecuación química:

C2H2 + O2 = 2 CO + H2 (3)

Aquí, 1 volumen de acetileno y un volumen de oxígeno reaccionan para formar dos volúmenes de monóxido de carbono y un volumen de hidrógeno. El contenido de calor y la alta temperatura de esta reacción resultan en la descomposición del acetileno y en la oxidación parcial del carbono, resultante de esta descomposición. Cuando los gases, que fluyen por la boquilla, están en la proporción 1:1, como la indicada en la ecuación 3, la reacción produce un cono interno típico de color azul brillante y la llama obtenido se denomina de neutra.

El proceso de termo endurecimiento superficial del acero consiste en el calentamiento del metal, utilizando una proporción volumétrica de oxígeno: acetileno es 1:1, hasta alcanzar la temperatura correcta del tratamiento y luego enfriar la pieza tratada, utilizando un medio refrigerante apropiado, como por ejemplo, agua, aceite, aire o en una cámara refrigerada (Mangonon, 2001).

El endurecimiento produce una estructura granular fina que aumenta la resistencia a la tracción (tensión) y disminuye la ductilidad. Este tratamiento térmico consiste en la operación de calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado sólido para cambiar sus propiedades físicas.

En el caso especifico del acero al carbono para herramientas, se puede endurecer al calentarse hasta su temperatura crítica (aproximadamente entre los 790°C y 830°C). Cuando se calienta el acero por arriba de su temperatura crítica, la perlita se combina con la ferrita, lo que produce una estructura de grano fino llamada austenita. Cuando se enfría la austenita de manera brusca se transforma en martensita, material que es muy duro y frágil a la vez (Groover, 1997).

El objetivo de este trabajo es modificar superficialmente una pieza de acero de bajo contenido de carbono por medio de la utilización llama oxiacetilénica neutra y verificar cómo varía la dureza de la pieza tratada según la técnica y medio refrigerante utilizado.

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2.1. Preparación de las muestras.

Cinco muestras de barra de acero de construcción 1060, fueron cortadas con un diámetro de 22 mm y longitud de 101.6 mm utilizando una sierra mecánica alternativa con enfriamiento líquido soluble en agua (taladrina).

Las muestras analizadas no fueron sometidas al proceso de normalizado. Antes de proceder al templado de las piezas vía llama oxiacetilénica neutra, fue necesario tomar como referencia una de las muestras (ver tabla No. 1) para obtener valores de dureza en su estado natural, lo cual permitió comprobar la o no efectividad de la técnica y medio refrigerante utilizado.

2.2. Templado de las muestras.

Mediante el uso de un equipo oxiacetilénico completo (Fig. 1), con soplete provisto con boquilla No.1 y regulando una presión de trabajo de 0.35 bar para el acetileno y 1.38 bar para el oxígeno, se procedió al calentamiento de las muestras hasta una temperatura de ± 775 ºC; la pieza a ser tratada, fue colocada sobre un ladrillo refractario y el soplete se desplazó en movimientos circulares alrededor de ésta, de tal manera que el calentamiento fuese uniforme. La llama fue aplicada por un espacio de 2.5 minutos, la temperatura fue monitoreada por un Pirómetro Digital Rayte con precisión de ± 0.5%.

Regulador de oxígeno Regulador de acetileno Cilindro de oxígeno Cilindro de acetileno Manguera de acetileno Manguera de oxígeno Válvula de regulación de acetileno Válvula de regulación de oxígeno Boquilla del soplete

Figura 1. Esquematización del equipo oxiacetilénico utilizado en los ensayos de endurecimiento superficial Posterior al calentamiento, se realizó el templado (enfriamiento) de las piezas, mediante la inmersión de las mismas en recipientes de 22.02 L, de capacidad. En los ensayos de templado se utilizaron 16.91L de agua a una temperatura de ± 27ºC. El sistema de enfriamiento fue agitado manualmente, por medio de giros a la pieza, mientras se introducía en el medio de enfriamiento en posición vertical sujetada por una tenaza.

Posteriormente al templado, se realizó un revenido, por medio del calentamiento de la pieza tratada a una temperatura de ± 350 ºC y con enfriamiento al aire libre.

Los ensayos de dureza, fueron medidos mediante un durómetro Proeti Eti-28.0213, con escala de medición RWC.

El procedimiento anterior fue repetido para varias muestras, no obstante se variaron los medios de enfriamiento utilizados. Adicional a ésto, se realizaron otros ensayos en donde, las piezas a tratar se colocaron entre puntos en un torno paralelo y rotación posterior, mientras que la unidad de calentamiento se mantenía en posición fija (Fig. 2).

egulador de xígeno lindro de ígeno .

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Los principales resultados obtenidos en los ensayos son presentados en las tablas a continuación. Tabla 1. Datos de dureza en las barras metálicas 1060 sin tratar*.

Distancia (mm) Dureza medida (RWC)

Centro 4.8 1.5 5.1 3.0 6.0 4.5 7.1 6.0 8.0 7.5 8.2 9.0 8.4 (*) Entre cada medición de dureza se estableció una distancia entre marcas de 1.5 mm

En la tabla anterior se presentan los resultados de la medición de la dureza en la barra metálica sin tratar, mediciones que fuero realizadas a lo largo de la sección transversal de la misma. Se aprecia que en la superficie de la barra, la dureza alcanza un valor de hasta 8.4 RWC; y que a medida que se interna hacia el núcleo de la

pieza, la dureza disminuye gradualmente. Así se tiene que para el núcleo de la barra, ésta presenta valores de 4.8 RWC, lo cual es un indicativo de un acero al carbono de baja templabilidad, por el hecho de presentar un núcleo

“suave” en comparación con la superficie endurecida del mismo.

En lo que respecta al tratamiento de endurecimiento superficial vía llama oxiacetilénica, los resultados de la dureza alcanzada en los especimenes tratados son presentados en las tablas a continuación:

Tabla 2. Datos de dureza en las barras metálicas 1060 tratadas con llama oxiacetilénica, fuente de calor rotativa, temperatura de calentamiento de a ± 775ºC, templado en agua (±27 ºC) y revenido a ± 350 ºC..

Distancia (mm) Muestra templada (RWC) Muestra revenida (RWC) Centro 45.0 24.0 1.5 47.5 25.1 3.0 47.1 25.2 4.5 48.2 25.2 6.0 48.5 25.3 7.5 49.0 25.4 9.0 51.0 25.4

Los datos mostrados en la tabla anterior, indican que por medio del tratamiento térmico superficial utilizado se produjeron cambios significativos en la dureza de las barras metálicas, tanto a nivel de superficie (51 RWC),

como a nivel de núcleo de la pieza (45 RWC). Estos datos obtenidos y comparados con la muestra no tratada,

representa un incremento en la dureza en torno del 83.5 % de dureza.

No obstante, se produce una disminución en la dureza de la pieza templada cuando ésta es revenida, lo cual representa, en este estudio, una reducción de ± 48%. Es oportuno aclarar que el revenido es un postratamiento térmico, aplicado después del templado y necesario para el alivio de tensiones internas de la pieza, los cuales surgen durante el templado de la misma.

Con la finalidad de evaluar otros medios refrigerantes, ensayos de templado utilizando salmuera, como medio refrigerante, fueron realizados; los principales datos son presentados en la tabla 3 en la página a continuación.

Los datos indican que utilizando la solución de salmuera al 2% se consiguen durezas en las barras metálicas, superiores a las alcanzadas con las templadas en agua; tal situación que permite concluir que la solución de salmuera, en la proporción utilizada, se constituye en un mejor medio de templado, cuando comparada con el agua.

Por otro lado, cuando la pieza calentada hasta temperatura de transformación de fase, se deja a enfriar en condiciones de presión y temperatura ambiente, éstas se normalizan. En tales casos, como el enfriamiento es extremadamente lento, no es recomendable la aplicación de un revenido posterior. Los datos obtenidos son presentados en la tabla 4 de la página a continuación.

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Tabla 3. Datos de dureza en las barras metálicas 1060 tratadas con llama oxiacetilénica, fuente de calor rotativa, temperatura de calentamiento de a ± 775ºC,, templado en solución de salmuera al 2% y revenido a ±

350 ºC.

Distancia (mm) Muestra templada (RWC) Muestra revenida (RWC) Centro 42.0 37.1 1.5 50.0 38.0 3.0 50.5 40.0 4.5 51.0 40.0 6.0 54.0 41.0 7.5 55.0 42.0 9.0 57.5 47.0

Tabla 4. Datos de dureza en las barras metálicas 1060 tratadas con llama oxiacetilénica, fuente de calor rotativa, temperatura de calentamiento de a ± 775ºC,, enfriamiento a presión y temperatura ambiente.

Distancia (mm) Dureza medida (RWC)

Centro 5.0 1.5 5.2 3.0 5.5 4.5 6.7 6.0 6.7 7.5 6.8 9.0 6.8 Los valores obtenidos indican que, a pesar de la aplicación del calentamiento superficial, éste solo no fue suficiente como para producir cambios significativos en la dureza de los especimenes estudiados, ya que al dejar a las piezas metálicas enfriarse a presión y temperatura ambiente no se provocaron cambios perceptivos en la dureza del material ensayado. La situación anterior parece evidenciar de que el aire atmosférico no se constituye en un medio de templado apropiado.

En la tabla 5 se presentan los datos de dureza obtenida para las piezas tratadas por medio del calentamiento rotativo con mantenimiento fijo de la fuente de calor.

Tabla 5. Datos de dureza en las barras metálicas 1060 tratadas con llama oxiacetilénica, fuente de calor estática, temperatura de calentamiento de a ± 775ºC,, templado en agua (±27 ºC) y revenido a ± 350 ºC..

Distancia (mm) Muestra templada (RWC) Muestra revenida (RWC) Centro 46.0 24.9 1.5 47.9 25.4 3.0 48.1 25.6 4.5 48.6 25.7 6.0 48.9 25.7 7.5 49.6 25.8 9.0 51.8 25.9

Los datos indican, que se produjo un aumento en la dureza de la pieza; prácticamente, de la misma orden de magnitud que cuando de la utilización del procedimiento de calentamiento; en la cual la pieza se mantenía fija y se movía la fuente de calor. ( ver tabla 2 ).

Lo anteriormente expuesto, permite concluir de que independientemente de la técnica termo superficial, utilizada (fuente fija o móvil de calor), el tratamiento superficial mediante la utilización de una llama oxiacetilénica, con llama neutra, es un procedimiento capaz de modificar la dureza de un material metálico ferroso de bajo contenido de carbono.

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incrementar la tenacidad o producir una superficie más dura en las muestras metálicas tratadas.

La solución de salmuera al 2% se mostró más efectiva, como medio refrigerante de templado, para la modificación de la dureza en el acero.

Finalmente, independientemente del procedimiento de calentamiento utilizado en el tratamiento superficial vía llama oxiacetilénica, se consiguen, prácticamente, los mismos valores de dureza superficial en el acero. 5. Referencias bibliográficas

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