UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENIERIA MECANICA
EFECTOS DE LOS TRATAMIENTOS TERMICOS APLICADOS AL
ACERO ASTM A182, SOBRE EL DESGASTE DESLIZANTE
SECO, BAJO DISTINTAS CONDICIONES DE ENSAYO Y SU
RELACION CON LA MICROESTRUCTURA.
AUTOR: Br. LANDER ISIDRO AVALOS COLLANTES
ASESOR: Dr. VÍCTOR MANUEL ALCÁNTARA ALZA.
TRUJILLO- PERU
2017
TESIS
PARA OBTENER EL TITULO PROFESIONAL DE
INGENIERO MECANICO
DEDICATORIA
A Dios, por permitirme llegar a este momento tan especial en mi vida. Por los Triunfos y los momentos difíciles que me han enseñado a valorarlo cada día más, A mi madre por ser la persona que me ha acompañado durante todo mi trayecto Estudiantil y de vida, a mi pareja y a mi hermosa hija quienes han velado por mi durante este arduo camino para convertirme en un profesional. A mi padre quien con sus consejos ha sabido guiarme para culminar mi carrera profesional. A mis profesores, gracias por su tiempo, por su apoyo, así como por la sabiduría que me transmitieron en el desarrollo de mi formación profesional.
AGRADECIMIENTOS
: Al Dr. Ing. Víctor Manuel Alcántara Alza, por su orientación y asesoramiento incondicional en el presente trabajo de investigación y por las cátedras impartidas de Mecánica de Materiales y Procesos de fabricación durante mi formación profesional.
: A todos los docentes universitarios que contribuyeron en mi formación académico-profesional, de manera especial a los docentes del área de materiales y procesos.
: A mi Alma Mater, la Universidad Nacional de Trujillo, por haberme albergado en mi vida universitaria, hasta verme profesional.
: Al personal Administrativo, biblioteca y de servicio por su delicada participación en el funcionamiento y mantenimiento de mi alma mater.
: A la empresa cemprotech donde laboro y donde me he enriquecido de todos mis conocimientos prácticos y aplicativos de mi vida profesional.
: A mis amigos y colegas que me aconsejaban para seguir obteniendo logros importantes en mi vida profesional.
PRESENTACION
Señores miembros del jurado.
Señor Decano de la Facultad de Ingeniería (UNT)
Señores Docentes de la Escuela de Ingeniería Mecánica (UNT)
De conformidad a lo contemplado por la ley universitaria 30220, Art. 45. Inc 45.2, en concordancia con lo dispuesto en el Art. 133 de los Estatutos de la Universidad Nacional de Trujillo, presento a vuestra disposición, bajo la modalidad de elaboración de una TESIS, el presente trabajo de investigación titulado:
“EFECTOS DE LOS TRATAMIENTOS TERMICOS APLICADOS AL ACERO ASTM A182, SOBRE EL DESGASTE DESLIZANTE SECO, BAJO DISTINTAS
CONDICIONES DE ENSAYO Y SU RELACION CON LA MICROESTRUCTURA” Mediante el cual postulo a optar el título de Ingeniero Mecánico.
El presente trabajo de investigación, conto con el asesoramiento del Dr-Ing. Víctor Alcántara Alza; y por su naturaleza, es del tipo de investigación aplicada, basada en el método experimental, habiendo seguido los pasos y procedimientos normados en la metodología de la investigación científica.
Es mi deseo que los resultados, conclusiones y recomendaciones obtenidas en el presente estudio permitan ampliar los conocimientos en el área respectiva, tanto en los estudiantes de Pre-grado, como en los profesionales que ejercen la carrera de Ingeniería Mecánica.
Mucho agradeceré cualquier sugerencia que ayude a enriquecer el presente trabajo.
Trujillo,02 marzo del 2017
…..…..………. Br. Lander I. Avalos Collantes.
INDICE GENERAL
DEDICATORIA………2 AGRADECIMIENTOS……….3 PRESENTACIÓN……….4 LISTA DE FIGURAS………...8 LISTA DE TABLAS………...11 RESUMEN………..13 ABSTRACT………14CAPITULO I- INTRODUCCION
I.1 REALIDAD PROBLEMÁTICA………...15I.2. ANTECEDENTES………18
I.3. FORMULACION DEL PROBLEMA DE INVESTIGACION………...19
I.4. HIPOTESIS………...19
I.5. OBJETIVOS……….20
I.5.1.OBJETIVO GENERAL………..20
I.5.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS……….20
I.6. JUSTIFICACION DEL ESTUDIO………...20
CAPITULO II- FUNDAMENTOS TEORICOS
II.1. ACEROS AL CARBONO………...22II.2. ACEROS ALEADOS………..22
II.2.1. EFECTOS DE LOS ELEMENTOS DE ALEACIÓN………..24
II.3. TRATAMIENTOS TERMICOS DE LOS ACEROS………..25
II.3.1. TEMPLE EN ACEROS………27
II.3.1.1. FORMACION DE MARTENSITA………...27
II.3.1.2. PROCESO DE AUSTENIZACIÓN………..29
II.3.2.1. TIPOS DE RECOCIDO……….32
II.3.2.1.1. RECOCIDO DE GLOBULIZACIÓN………32
II.3.2.1.2. RECOCIDO DE ENGROSAMIENTO DE GRANO……….33
II.3.2.1.3. RECOCIDO DE DIFUSIÓN O DE HOMOGENIZACIÓN………..33
II.3.2.1.4. RECOCIDO DE ELIMINACIÓN DE TENSIONES………33
II.3.3. NORMALIZADO EN ACEROS……….34
II.4. DESGASTE DEL ACERO………..37
II.4.1. TASA DE DESGASTE………....37
II.4.2. MECANISMOS DE DESGASTE………....37
II.4.2.1. DESGASTE ADHESIVO……….38
II.4.2.2. TEORIA DEL DESGASTE ADHESIVO………40
II.4.2.3. ENSAYOS DE DESGASTE Y MEDIDAS DEL DESGASTE ADHESIVO……….43
II.4.2.4. NIVELES DE ENSAYOS DE DESGASTE……….44
II.4.2.5. METODOS DE ENSAYOS DE DESGASTE EN LABORATORIO……...45
II.4.2.6. MEDICIÓN DEL DESGASTE – CUANTIFICACIÓN………...47
CAPITULO III-MATERIALES Y METODOS
III.1. MATERIAL DE ESTUDIO………...51III.1.1. CARACTERÍSTICAS Y APLICACIONES………...51
III.1.2. COMPOSICION QUÍMICA………...51
III.1.3. PROPIEDADES MECANICAS ESTIMADAS………..51
III.1.4. MICROESTRUCTURA DEL ACERO ASTM A182………...52
III.2. EQUIPOS, INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN Y MATERIALES CONSUMIBLES USADOS EN EL EXPERIMENTO………..52
III.3. DISEÑO EXPERIMENTAL………..53
III.3.1. VARIABLES DE ESTUDIO………..53
III.3.2. NUMERO DE ENSAYOS Y PROBETAS……….54
III.4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL………54
III.4.1. CONFECCION DE PROBETAS………54
III.4.2. TRATAMIENTOS TÉRMICOS……….55
III.4.4. ENSAYO DE DESGASTE ADHESIVO………56
III.4.4.1. MEDICION DEL DESGASTE ADHESIVO………...57
III.4.4.2. ADAPTACION DEL TORNO MHASA PARAREALIZAR EL ENSAYO DE DESGASTE SEGÚN NORMA ASTM D2782………...59
II.4.4.3. EJECUCION DEL ENSAYO DE DESGASTE ADHESIVO………..59
III.4.5. ENSAYOS DE MICROSCOPIA………61
CAPITULO IV-RESULTADOS Y DISCUSION
IV.1. RESULTADOS DE DUREZA………..63IV.2. RESULTADOS DEL DESGASTE………64
IV.2.1. DESGASTE EN FUNCION DE LA CARGA Y TIEMPO DE ENSAYO….64 IV.2.2. DESGASTE EN FUNCION DE DISTANCIA DE DESLIZAMIENTO…...64
IV.2.3. GRAFICOS DE LOS RESULTADOS DE DESGASTE………...66
IV.2.3.1. DESGASTE EN MUESTRAS RECOCIDAS……….66
IV.2.3.2. DESGASTE EN MUESTRAS NORMALIZADAS………67
IV.2.3.3. DESGASTE EN MUESTRAS TEMPLADAS………68
IV.3. TASA DE DESGASTE EN FUNCION DEL TIEMPO………...69
IV.3.1. GRAFICOS DE LAS TASAS DE DESGASTE……….70
IV.3.1.1. TASA DE DESGASTE PARA MUESTRAS RECOCIDA………70
IV.3.1.2. TASAS DE DESGASTE PARA MUESTRAS NORMALIZADAS……...71
IV.3.1.3. TASAS DE DESGASTE PARA MUESTRAS TEMPLADAS…………...72
IV.4. RESULTADOS DE DESGASTE MANTENIENDO LA CARGA CONSTANTE………...73
IV.4.1. CURVAS DE DESGASTE PARA CARGA CONSTANTE……….74
IV.5. TASA DE DESGASTE PARA CARGA CONSTANTE……….75
IV.5.1. CURVAS DE TASA DE DESGASTE PARA CARGA CONSTANTE…...76
IV.6. ANALISIS DE MICROESTRUCTURA………...77
IV.6.1. MICROESTRUCTURAS CON TRATAMIENTO TERMICO SIN DESGASTE……….77
IV.6.2. MICROESTRUCTURAS DE MUESTRAS RECOCIDAS CON DESGASTE………...79 IV.6.3. MICROESTRUCTURAS DE MUESTRAS
NORMALIZADAS CON DESGASTE………..80
IV.6.4. MICROESTRUCTURAS DE MUESTRAS TEMPLADAS CON DESGASTE………...81
IV.7. DISCUSION DE RESULTADOS………..82
CONCLUSIONES………...86
RECOMENDACIONES……….87
REFERENCIAS………..88
ANEXOS……….91
LISTA DE FIGURAS
.
Dentro del Capitulo II
.
Fig.II.1. Diagrama de equilibrio Hierro-Carbono.
Fig. II.2. Diagrama general de transformación isotérmica de la austenita en los aceros
(curva TTT). (1) Curva inicial de transformación, (2) Curva final de transformación, VCT = Velocidad crítica de temple, Ms= Curva inicial de transformación martensítica. Mf =
Curva final de transformación de la martensita.
Fig.II.3. Diagrama TTT para un acero al carbono Eutectoide (0,77 %C)
Fig.II.4. Curvas de velocidades de enfriamiento para la construcción de un diagrama de
enfriamiento continuo CCT, en un acero eutectoide.
Fig. II.5. Microestructura de la martensita de un acero al carbono.
Fig. II.6. Región del diagrama Fe-C mostrando el rango típico de recocido total para
aceros al carbono.
Fig.II.7. Estructura ferrítico-perlítica obtenida con el recocido total de un acero SAE 1040
(4% picral + 2% nital, 500x)
Fig.II.8. Curso de la temperatura en la globulización
Fig.II.9. Curso de temperatura en el recocido de engrosamiento del grano. Fig.II.10. Curso de temperaturas en el recocido de eliminación de tensiones.
Fig.II.11. Región del diagrama Fe-C mostrando el rango típico de normalizado para los
Fig.II.12. Refinamiento de grano mediante normalizado en un acero al carbono 0.5% C.
(a) En la condición de laminado o forjado con tamaño de grano ASTM 3 y (b) normalizado con tamaño de grano ASTM 6.
Fig.II.13. Mecanismos de desgaste en metales: a) desgaste abrasivo de 2 cuerpos, b)
desgaste abrasivo de 3 cuerpos c) desgaste por corrosión d) desgaste por corrosión por fretting (oscilante) e) desgaste por erosión, f) desgaste por fatiga.
Fig. II.14. Esquema de desgaste adhesivo.
Fig.II.15. Microfotografía electrónica SEM de la superficie del acero AISI 316L
desgastada en forma adhesiva: (a) Sin boro (b) Con adiciones de boro a 10.8 N, 0.21 m/seg de velocidad de deslizamiento en una distancia de 6000 m.
Fig.II.16. Representación esquemática un mecanismo clásico de adhesión para la
generación de una partícula irregular de desgaste.
Fig.II.17. Esquema de un medidor de desgaste abrasivo.
Fig. II.18. Esquema de instalación en un medidor de desgaste por rodadura a) Rueda
sobre rueda. b) Bloque sobre rueda.
Fig. II.19. Esquema de un medidor de desgaste pin-on-disc wear test y el ordenamiento
de las muestras.
Fig. II.20. Tribómetro medidor de desgaste tipo: pin-on-disc, mostrando detalles de
funcionamiento.
Dentro del Capitulo III
.
Fig.III.1. Microestructura del acero ASTM A182 (estado de suministro) Fig.III.2. Esquema de relación de variables del experimento
Fig.III.3. Dimensiones de las probetas para ensayo de desgaste adhesivo
Fig. III.4. Probetas tratadas térmicamente antes del ensayo de desgaste adhesivo Fig.III.5. Configuración bloque sobre anillo en forma general.
Fig.III.6. Medición de la probeta ensayada por perdida de dimensión lineal utilizando un
micrómetro digital de exteriores 0.1 μm|MDH-25M MITUTOYO.
Fig.III.7. Fotografía que muestra el acoplamiento del sistema de desgaste al dispositivo
Amsler.
Fig.III.8. Fotografía que muestra el ensayo de desgaste deslizante, donde se muestra el
montaje del equipo Amsler acoplado al torno Mhasa
Dentro del Capitulo IV
.
Fig. IV.1. Gráfico que muestra la dureza de las muestras para diferentes tratamientos
térmicos del acero ASTM A182, sin ser sometido a ningún ensayo posterior.
Fig. IV.2. Curvas de desgaste en función del tiempo para muestras recocidas de acero
ASTM A182, sometidas a diferentes condiciones de carga.
Fig. IV.3. Curvas de desgaste en función de la distancia recorrida para muestras recocidas
de acero ASTM A182, sometidas a diferentes condiciones de carga.
Fig.IV.4.Curvas de desgaste en función del tiempo para muestras normalizadas de acero
ASTM A182, sometidas a diferentes condiciones de carga.
Fig. IV.5. Curvas de desgaste en función de la distancia recorrida para muestras
normalizadas de acero ASTM A182, sometidas a diferentes condiciones de carga.
Fig. IV.6. Curvas de desgaste en función del tiempo para muestras templadas y revenidas
del acero ASTM A182, sometido a diferentes condiciones de carga.
Fig. IV.7. Curvas de desgaste en función de la distancia recorrida para muestras
templadas y revenidas del acero ASTM A182, sometidas a diferentes condiciones de carga.
Fig. IV.8. Curvas de tasa de desgaste en función del tiempo para muestras recocidas de
acero ASTM A182, sometido a diferentes condiciones de carga.
Fig. IV.9. Curvas de tendencia de tasa de desgaste en función del tiempo para muestras
recocidas de acero ASTM A182, sometido a diferentes condiciones de carga.
Fig. IV.10. Curvas de tasa de desgaste en función del tiempo para muestras normalizadas
de acero ASTM A182, sometido a diferentes condiciones de carga.
Fig. IV.11. Curvas de tendencia de tasa de desgaste en función del tiempo para muestras
normalizadas de acero ASTM A182, sometido a diferentes condiciones de carga.
Fig. IV.12. Curvas de tasa de desgaste en función del tiempo para muestras templadas
en agua del acero ASTM A182, sometido a diferentes condiciones de carga.
Fig. IV.13. Curvas de tendencia de tasa de desgaste en función del tiempo para muestras
templadas en agua del acero ASTM A182, sometido a diferentes condiciones de carga.
Fig. IV.14. Curvas de desgaste en función del tiempo de ensayo bajo una carga constante
de 30 N en muestras de acero ASTM A182, sometidas a diferentes tratamientos térmicos.
Fig. IV.15. Curvas de desgaste en función del tiempo de ensayo bajo una carga constante
Fig. IV.16. Curvas de desgaste en función del tiempo de ensayo bajo una carga constante
de 100 N en muestras de acero ASTM A182, sometidas a diferentes tratamientos térmicos.
Fig. IV.17. Curvas que muestran la tasa de desgaste en función del tiempo de ensayo bajo
una carga constante de 30 N en muestras de acero ASTM A182, sometidas a diferentes tratamientos térmicos.
Fig. IV.18. Curvas que muestran la tasa de desgaste en función del tiempo de ensayo bajo
una carga constante de 50 N en muestras de acero ASTM A182, sometidas a diferentes tratamientos térmicos.
Fig. IV.19. Curvas que muestran la tasa de desgaste en función del tiempo de ensayo bajo
una carga constante de 100 N en muestras de acero ASTM A182, sometidas a diferentes tratamientos térmicos.
Fig. IV.20. Muestras recocidas sin tratamiento posterior. Fig. IV.21. Muestras normalizadas sin tratamiento posterior. Fig. IV.22. Muestras templadas al agua sin tratamiento posterior.
Fig. IV.23. Superficies desgastadas en muestras recocidas sometida a cargas: a) 30N, b)
50N, c) 100N., 300x, Nital 2%
Fig. IV.24. Superficies desgastadas en muestras normalizadas sometida a cargas: a)
30N, b) 50N, c) 100N., 300x, Nital 2%
Fig. IV.25. Superficies desgastadas en muestras templadas sometida a cargas: a) 30N,
b) 50N, c) 100N., 400x, Nital 2%
LISTA DE TABLAS.
Tabla II.1. Métodos de medición de desgaste y unidades típicas para la cuantificación del desgaste.
Tabla III.1. Composición química del acero ASTM A182.
Tabla III.2. Propiedades mecánicas estimadas del acero ASTM A182.
Tabla IV.1. Resultados de dureza de las muestras sometidas a diferentes tratamientos térmicos. Se realizaron tres (03) indectaciones por muestra.
Tabla IV.2. Resultados del desgaste deslizante en muestras de acero ASTM A182, con diferentes tratamientos, en función de la carga y tiempo de ensayo.
Tabla IV.3. Resultados del desgaste deslizante en muestras de acero ASTM A182, con diferentes tratamientos, en función de la carga y la distancia recorrida por deslizamiento. Tabla IV.4. Resultados del desgaste deslizante (µm) en función del tiempo (min) en muestras de acero ASTM 182, manteniendo la carga constante.
Tabla IV.5. Evaluación de la tasa de desgaste deslizante (µm) en función del tiempo (min) en muestras de acero ASTM 182, manteniendo la carga constante.
RESUMEN
Se investigó el efecto de los tratamientos térmicos aplicados al acero ASTM A182, respecto al desgaste deslizante seco, bajo distintas condiciones de ensayo: carga y tiempo. El propósito fue encontrar las condiciones para lograr el menor desgaste.
Se confeccionaran 54 probetas para ensayos de desgaste, según norma ASTM D2782. Luego, se dividieron en tres lotes iguales y se realizaron los tratamientos: Temple, recocido y normalizado. Todas las muestras fueron austenizadas a 1050°C durante 30 min. Para el temple el enfriamiento fue en agua. Para el normalizado se enfriaron al aire y para el recocido se hizo un enfriamiento lento en el horno. Todos los tratamientos se hicieron en el horno de mufla Thermolyne. Los ensayos de dureza se realizaron en el durómetro digital IDENTEC y las mediciones en escala Rockwell C. Los ensayos de desgaste se llevaron a cabo en el Torno MHASA adaptando el dispositivo tipo Amsler, utilizando la configuración anillo sobre bloque. Los ensayos se ejecutaron con tres variaciones de carga diferentes: 30N, 50N y 100N, a una velocidad constante de 250 rpm, y los tiempos de ensayo fueron: 10´, 20´ 30´ 40´ 50´ 60´ (min). Las mediciones de desgaste se hicieron en µm. La microscopía se realizó a nivel óptico utilizando el microscopio ZEISS 1000X.
Se encontró que la máxima: 47,7 HRC, corresponde a las muestras templadas, seguidas por las normalizadas con 42,7 HRC, y luego las recocidas con 39,8 HRC. El tiempo de ensayo incrementa el desgaste en todos los casos. El mayor valor de desgaste de las muestras recocidas se obtuvo con una carga de 100N, las muestras normalizadas y templadas con 50N. Estos valores nos indican que un incremento de carga no siempre implica un incremento en el desgaste. La tasa de desgaste disminuye con el tiempo en todos los casos, hasta lograr una pendiente casi horizontal (tasa constante). Las mayores tasas de desgaste se observan en las muestras recocidas y normalizadas; las muestras templadas presentan tasas muy bajas. Las muestras templadas presentan una estructura totalmente de bainita y las muestras recocidas y normalizadas, una combinación de bainita+ferrita. Este hecho indica que una combinación de bainita+ferrita, en algunos casos podría ser más resistente al desgaste que una estructura totalmente de bainita. Se concluye que la resistencia al desgaste adhesivo del acero en estudio, se relaciona de manera conjunta con las tres variables: tiempo de ensayo, carga aplicada y tratamiento térmico y no de manera aislada o parametrada.
ABSTRACT
The effect of the thermal treatments applied to the ASTM A182 steel, in relation to the dry sliding wear, was investigated under different test conditions: load and time. The purpose was to find the conditions to achieve the least wear.
Fifty four (54) test specimens will be made for wear tests, according to ASTM D2782. Then, they were divided into three equal lots and the treatments were performed: quenching, annealing and normalizing. All samples were austenized at 1050 °C for 30 min. For quenching the cooling was in water. For the normalized, they were cooled in the air and for the annealing a slow cooling in the oven was done. All treatments were done in the Thermolyne muffle furnace. Hardness tests were performed on the IDENTEC digital durometer and the Rockwell C scale measurements. Wear tests were carried out on the MHASA Lathe by adapting the Amsler type device, using the ring-on-block configuration. The tests were run with three different load variations: 30N, 50N and 100N, at a constant speed of 250 rpm, and the test times were: 10', 20'30'40'50'60' (min). The wear measurements were made in μm. Microscopy was performed at the optical level using the ZEISS 1000X microscope.
It was found that the maximum: 47.7 HRC, corresponds to the quenching samples, followed by those normalized with 42.7 HRC, and then the annealed with 39.8 HRC. The test time increases wear in all cases. The highest wear value of the annealed samples was obtained with a load of 100N, the samples normalized and tempered with 50N. These values indicate that an increase in load does not always imply an increase in wear. The wear rate decreases with time in all cases, until reaching an almost horizontal slope (constant rate). The highest wear rates are observed in annealed and normalized samples; The quenching samples have very low rates. The quenching samples have a fully bainite structure, and annealed and normalized samples, a combination of bainite + ferrite. This fact indicates that a combination of bainite + ferrite, in some cases could be more resistant to wear than a totally bainite structure.
It is concluded that the adhesive wear resistance of the steel under study is related in together way to the three variables: test time, applied load and heat treatment, and not in an isolated or parameterized way.
CAPITULO I
INTRODUCCION
I.1. REALIDAD PROBLEMATICA
Por su amplia variedad de aplicaciones, los aceros representan el grupo más importante de materiales usados en ingeniería, en comparación con otros materiales usados en las diferentes ramas del sector industrial [1]. Dentro de esta amplia variedad, tenemos un grupo de aceros ferríticos, que contienen cromo y molibdeno, que son bien conocidos por su excelente propiedades mecánicas que combinan alta resistencia mecánica a elevadas temperaturas y alta resistencia a la térmica fatiga, así como con una buena conductividad térmica, capacidad de soldadura y resistencia a la corrosión. Debido a estas características, este tipo de aceros han atraído especial interés para su aplicación en procesos industriales relacionados con la carboquímica, refinación de petróleo, gasificación del carbón y la generación de energía en centrales térmicas, donde los componentes como intercambiadores, calderas y tuberías funcionan a altas temperaturas y presiones durante largos períodos de tiempo [2, 3]
Si bien, por las aplicaciones mencionadas, estos aceros exigen más propiedades térmicas y corrosivas; debemos tener en cuenta, que la productividad de las empresas siempre se ve afectada por la calidad y repetitividad de los procesos, lo que provoca un alto nivel de fricción y desgaste de los equipos y herramientas utilizadas. Los procesos tribológicos de fricción y desgaste, no pueden ser evitados, solo se pueden reducir si los conocimientos sobre esta temática se aplican durante el diseño y operación de los sistemas [4].
El desgaste se refiere a la eliminación progresiva de material de una superficie plástica y la misma deformación plástica de material en una superficie debido a la acción mecánica de la otra superficie [5]. La necesidad de un movimiento relativo entre las superficies de funcionamiento y el contacto mecánico inicial entre las asperezas, juega un rol muy importante en el desgaste mecánico en comparación con otros procesos [6].
El desgaste es actualmente considerado como la causa principal por la cual las herramientas fallan. La fricción es la causa generadora del desgaste. Sin embargo, aún y cuando esto se ha tenido claro por bastante tiempo, no ha sido sino hasta años recientes, con el advenimiento de las nuevas técnicas de experimentación y análisis, que se han logrado entender en forma más clara los fenómenos de fricción y desgaste.
En los tiempos actuales el desgaste como problema mecánico, en particular, el producido por el deslizamiento asociado al movimiento que se presenta en la mayoría de las máquinas, y herramientas es de vital importancia para la industria, en función de los grandes inconvenientes tanto técnicos como económicos que este fenómeno ocasiona. Esta situación ha llevado a plantear este tema a fin de que se analice en detalle bajo condiciones específicas controladas y con la información producida, dar una referencia desde el punto de vista de la ingeniería mecánica en el diseño y mantenimiento, así como para la correcta selección, uso y reemplazo de los materiales estudiados y, también para la ingeniería de materiales como apoyo en el análisis de fallas [7].
Los estudios de desgaste en aceros se encuentran en casi todos los sectores industriales debido a la relevancia de un fallo de la superficie, lo que puede alterar negativamente el rendimiento de las instalaciones industriales, acortar su vida útil y que comprenden los problemas de seguridad [8]. Por otro lado, la fricción y el desgaste son, respectivamente, las graves causas de la disipación de la energía y la degradación del material. El desgaste puede dar lugar a cambios en las dimensiones de los componentes o daños en la superficie causando problemas secundarios como la vibración o desalineamiento, y la propagación de grietas formadas en o cerca de una superficie tensionada, que pueden conducir a la fractura de un componente en casos extremos. La generación de partículas de desgaste puede ser más grave que los cambios dimensionales reales de componentes [9, 10].
Son muchos los factores que afectan el comportamiento al desgaste de los materiales como, el tipo del material de los componentes, la superficie del material, la forma de las superficies de contacto, la rugosidad, el medio ambiente, las condiciones de operación, etc. Pero además, el desgaste puede ser afectado en gran medida por la estructura cristalina, tamaño de grano, y los límites de grano, que se logran con los tratamientos térmicos adecuados sobre el material. Así tenemos, la presencia de los límites de grano en materiales policristalinos ejerce mucha influencia en la fricción y el comportamiento de desgaste adhesivo. Cuando se produce el movimiento de deslizamiento, las dislocaciones de la superficie se bloquean en su movimiento y se acumulan en el límite de grano, lo que da como resultado un endurecimiento por deformación de las capas superficiales. Esta acción hace que el movimiento de deslizamiento sea más difícil, aumentando la fuerza de fricción para los materiales en contacto por deslizamiento, lo que conduce al desgaste del material [11].
La microestructura es otro de los parámetros muy importantes que determinan el desgaste de los aceros; y estos cambios microestructurales se pueden lograr por diversos
procedimientos, donde los tratamientos térmicos siguen siendo una alternativa de vanguardia. Por ejemplo, en los aceros para herramientas, los carburos primarios y secundarios son las variables microestructurales clave que controlan la respuesta tribológica al desgaste [12, 13].
Todo tratamiento térmico produce cambios microestructurales. Los estudios reportan que estos cambios microestructurales, no solo guardan una estrecha relación con las propiedades mecánicas estandarizadas, sino también con las propiedades tribológicas de los materiales, y en especial con la resistencia al desgaste. Parámetros como la fracción en volumen de las fases, el área parcial de las fases, la orientación y distribución de las mismas, o la densidad de fronteras de grano han sido objeto de numerosos estudios para encontrar la relación que tiene la microestructura con el desgaste [14, 15 y 16].
Muchas veces pensamos que para incrementar la resistencia al desgaste basta con incrementar la dureza, pero hay varias situaciones que demuestran que no es así. Podemos mencionar estudios, en los cuales se compara la resistencia al desgaste de aceros para rieles con estructura perlítica contra otros con estructura martensítica. Se ha encontrado que mientras más fina es la perlita y mientras que el espaciamiento entre las laminillas sea más fino, la resistencia al desgaste es mucho mayor que si tuviéramos una estructura martensítica. Como podemos ver, la microestructura aquí juega un rol muy importante para aumentar la resistencia al desgaste [17].
El comportamiento al desgaste por deslizamiento, o desgaste adhesivo en los aceros, es un tema que ha recibido mucha atención en los últimos años; y se ha encontrado que depende de las muchas variables tales como; la carga normal aplicada sobre el material, velocidad de deslizamiento, distancia de deslizamiento, geometría de la superficie, dureza de la superficie, rugosidad de la superficie de funcionamiento, el entorno de trabajo, etc. Todos estos factores afectan al desgaste en conjunto y a los cambios en la tasa de desgaste que sufren los componentes sometidos a deslizamiento [18].
Para realizar el estudio de la influencia de los tratamientos térmicos sobre el desgaste de los aceros al Cromo-Molibdeno, hemos tomado como muestra representativa, el acero ASTM-A182, que es un tipo de material ampliamente utilizado en los tubos para recalentadorees y súper calentadores en plantas de energía térmica que experimentan erosión y cierto grado de desgaste por deslizamiento. Este material también se utiliza en los generadores de vapor que están sometidos a vibraciones inducidas por el flujo, dando como resultado daños materiales debido a la deformación producida por las vibraciones, pues a nivel de microescala se observa que estos materiales se encuentran en contacto
deslizante entre sí, lo que demuestra que estos tienen la tendencia a la fatiga inducida por el desgaste [19]. Por lo tanto el estudio de desgaste por deslizamiento es uno de los criterios esenciales para determinar la vida del material de los tubos de estos componentes térmicos del cual están hechos.
Los materiales para aplicaciones térmicas, se utilizan en su mayoría en condiciones normalizadas y recocidas en las plantas de energía. Aunque éstos poseen muchas propiedades atractivas; a su vez sufren degradación en las propiedades, como resultado de la exposición a largo plazo en un ambiente agresivo y temperaturas elevadas. Por lo tanto, es interesante examinar el efecto de estas variaciones microestructurales debido a las variaciones térmicas. En este sentido se propone estudiar el efecto de los tratamientos térmicos sobre el desgaste adhesivo del acero ASTM- A182, pues; aparte de que casi no hay información sobre el tema, estos resultados experimentales, de tipo particular, serían indicadores previos del comportamiento general de los aceros al Cromo-molibdeno respecto al desgaste adhesivo.
I.2. ANTECEDENTES.
G. A. Fontalvo, et all, (2006) [20] realizaron un estudio sobre los aspectos microestructurales que determinan el desgaste adhesivo de los aceros para herramientas, tratando de demostrar que la adhesión puede ser reducida cambiando la microestructura de los aceros para herramientas. Las investigaciones fueron conducidas utilizando seis modelos de aleaciones basado en el acero pulvimetalúrgico de alta velocidad AISI M4, todas las aleaciones tenían la misma matriz martensitica después del tratamiento térmico. Las aleaciones presentaron contenidos de carburos del tipo MC que variaba entre 0 y 25 mol% en 5 mol% de incremento. Los experimentos de desgaste se hicieron bajo el ensayo Ball-on-disc, bajo temperatura ambiente, usando bolas de acero inoxidable austenitico. Las huellas del desgaste de los discos se caracterizaron usando un microscopio electrónico de barrido y un perfilador óptico. Los resultados mostraron que dos parámetros principales son los que determinan el comportamiento de desgaste adhesivo: el contenido de carburo y la distancia entre los carburos
A. Gåård, et all. (2010), [21] Estudiaron el efecto de la temperatura sobre el desgaste adhesivo en contactos de deslizamiento en seco, informando previamente que entender la influencia de la temperatura sobre los mecanismos de desgaste es necesario para el desarrollo y optimización de los materiales en los procesos de conformado. Se realizaron
consiguió diferentes temperaturas superficiales debido al calor generado por la fricción. Se observó una influencia significativa de la temperatura en la adhesión y el aumento de la temperatura condujo a una mayor tendencia para la iniciación de desgaste adhesivo grave. Los resultados se compararon con las mediciones de la curva de microscopía de fuerza atómica, que muestran que la fuerza adhesiva aumenta con la temperatura. Se observó una buena concordancia entre los resultados, lo que sugiere que el mecanismo de control de las observaciones hechas en el presente trabajo concluyendo que la alta adhesión fue inducida por la temperatura.
G. Rasool, Y M.M. Stack (2014), [22] Estudiaron en forma panorámica el papel que desempeña el contenido de Cr en el deslizamiento en seco de los aceros. Para lograr este objetivo se evaluaron los regímenes de desgaste por deslizamiento en dos aceros de diferente dureza, con una diferencia significativa en el contenido de cromo. Se utilizaron el acero inoxidable AISI 303 de 18,7% Cr y el acero AISI 8620 de bajo carbono y baja aleación con trazas de cromo. Los ensayos se realizaron bajo el método de pin-on-disk. Se encontró que el comportamiento al deslizamiento en seco presentado por el acero inoxidable fue dominado por el desgaste adhesivo y tribo-oxidación a relativamente bajas velocidades de deslizamiento y por el desgaste mixto y el adhesivo a altas velocidades y cargas. Por el contrario, el desgaste oxidativo fue más predominante para el acero de baja aleación. Se construyeron mapas de desgaste individuales generadas para el material de los componentes individuales es decir, de las superficie de contacto y se discutieron en el contexto de los mecanismos de desgaste observados en el contacto tribológico. Se concluye que las diferencias de la zona de tribo-oxidación observada en los mapas para el acero inoxidable en comparación con el acero de baja aleación se atribuye al papel del Cr en la reducción del proceso de desgaste oxidativo.
I. 3. FORMULACION DEL PROBLEMA DE INVESTIGACION.
¿Cómo influyen los tratamientos térmicos de temple, revenido y recocido aplicados al acero ASTM- A182, sobre la microestructura, dureza, y desgaste adhesivo bajo diferentes condiciones de tiempo y carga?
I.4. HIPOTESIS.
La mayor dureza será adquirida por las muestras templadas. En el caso de las muestras normalizadas y recocidas, la dureza dependerá de la estructura ferrítica perlitica que adquieran con los tratamientos.
La resistencia al desgaste dependerá de las condiciones bajo las cuales se aplique la carga y en todos los casos será mayor con el incremento de tiempo.
Las muestras que presenten mayor resistencia al desgaste serán la que presenten una microestructura adecuada al deslizamiento, que no siempre son las más duras ni las que están expuestas a cargas más elevadas.
I.5. OBJETIVOS
.
I.5.1. Objetivo General.
Establecer las condiciones de tratamiento térmico, tiempo y carga, en los ensayos de desgaste adhesivo, aplicados al acero ASTM- A182, en las que se pueda obtener la mayor resistencia al desgaste, junto a la menor tasa con la que se desgasta el material.
I.5.2. Objetivos específicos.
1. Establecer la correlación que guardan los tratamientos térmicos de temple, normalizado y recocido con la dureza del acero ASTM- A182.
2. Cuantificar la diferencia que existe entre la resistencia al desgaste adhesivo en seco en el acero ASTM- A182, bajo distintas condiciones de tratamiento térmico 3. Cuantificar la diferencia que existe entre la resistencia al desgaste adhesivo en
seco de este material bajo diferentes condiciones de carga.
4. Establecer la correlación que guarda la dureza con el desgaste adhesivo en seco. 5. Determinar el efecto que ejerce la microestructura en las propiedades tribológicas
de desgaste de este material.
6. Proponer una nueva metodología para realizar ensayos de resistencia al desgaste deslizante adhesivo, con parámetros de ensayo diferentes, que semejen condiciones de servicio.
7. Relacionar los resultados de los ensayos de desgaste de este material con la microestructura obtenida antes y después del desgaste.
I.6. JUSTIFICACION DEL ESTUDIO.
El proyecto de investigación, se justifica en lo fundamental por dos aspectos: 1) El aspecto teórico; pues, se trata de un estudio de ciencia aplicada, y 2) En el aspecto tecnológico; pues, se han tenido que diseñar y construir equipos especiales para realizar ensayos normalizados. Los aspectos económicos y sociales son consecuencia de estos dos aspectos que describiremos:
EN LO TEORICO
El estudio sería un aporte respecto a entender las propiedades y mecanismos de desgaste adhesivo en seco de este tipo de material. Por otro lado, al tratar de explicar resultados aparentemente contradictorios que se presentan en algunos casos, se contribuye a entender con más claridad el fenómeno del desgaste en aceros, fenómeno que aún no se encuentra del todo comprendido. Se lograría llenar un vacío o laguna de conocimiento.
EN LO TECNOLOGICO
Al utilizar como máquina de ensayo para desgaste un torno paralelo con un dispositivo acoplado tipo Amsler, que simule bajo los mismos principios a la máquina tradicional rotativa. Pin-on-disk, estamos dando un gran apoyo tecnológico para realizar este tipo de investigaciones.
Mediante la caracterización de los materiales utilizados bajo condiciones preestablecidas de tratamiento térmico, se dará también un aporte tecnológico de valor útil para el diseño y fabricación de equipos con aceros de la serie ASTM- A182 cuando se sometan a condiciones que generen desgaste excesivo.
Optimizar las estructuras más adecuadas, obtenida en los tratamientos, que garanticen una mejora en las propiedades de desgaste por deslizamiento, especialmente cuando se usa en la fabricación de equipos térmicos.CAPITULO II
FUNDAMENTOS TEORICOS
II.1. ACEROS AL CARBONOLos aceros al carbono constituyen el más importante grupo de materiales utilizados en la ingeniería y en la industria. De hecho las propiedades mecánicas de esos aceros simplemente al carbono, sin ningún elemento de aleación, y en la mayoría de los casos también sin ningún tratamiento térmico, son suficientes para atender la mayoría de las aplicaciones prácticas. Como se sabe, los estados normales de utilización de estos materiales son el fundido y el trabajado. Las piezas fundidas requieren generalmente un tratamiento térmico de recocido o normalizado para alivio de las tensiones originadas en la solidificación y para homogeneización de la microestructura.
En la fig.II.1, se puede observar el diagrama de equilibrio hierro -carbono y sus respectivos componentes.
II.2. ACEROS ALEADOS
Se da el nombre de aceros aleados o aceros especiales a los aceros que además de los cinco elementos: carbono, silicio, manganeso, fósforo y azufre, contienen también cantidades relativamente importantes de otros elementos como el cromo, níquel, molibdeno, etc., que sirven para mejorar alguna de sus características fundamentales. También puede considerarse aceros aleados los que contienen alguno de los cuatro elementos diferentes del carbono que antes hemos citado, en mayor cantidad que los porcentajes que normalmente suelen contener los aceros al carbono, y cuyos límites superiores suelen ser generalmente los siguientes:
Si=0.50%; Mn=0.90%; P=0.100% y S=0.100%, estos son aceros especiales. En un sentido más amplio, los aceros especiales pueden contener hasta el 50% de elementos de aleación. [23]
Los elementos de aleación que más frecuentemente suelen utilizarse para la fabricación de aceros aleados son: níquel, manganeso, cromo, vanadio, wolframio, molibdeno,
cobalto, silicio, cobre, titanio, circonio, plomo, Selenio, aluminio, boro y Niobio. La
influencia que ejercen esos elementos es muy variada, y, empleados en proporciones convenientes, se obtienen aceros con ciertas características que, en cambio, no se pueden alcanzar con los aceros ordinarios al carbono.
Utilizando aceros especiales es posible fabricar piezas de gran espesor, con resistencias muy elevadas en el interior de las mismas. En elementos de máquinas y motores se llegan a alcanzar grandes durezas con gran tenacidad.
Fig.II.1. Diagrama de equilibrio Hierro-Carbono Fuente: Ref. [24]
Es posible fabricar mecanismos que mantengan elevadas resistencias, aún a altas temperaturas. Hay aceros inoxidables que sirven para fabricar elementos decorativos, piezas de máquinas y herramientas, que resisten perfectamente a la acción de los agentes corrosivos.
Es posible preparar troqueles de formas muy complicadas que no se deformen ni agrieten en el temple, etc.
Todas estas posibilidades se deben, en términos generales, a los siguientes factores o tendencias:
• La tendencia que tienen ciertos elementos a disolverse en la ferrita o formar soluciones sólidas con el hierro alfa.
• La tendencia que en cambio tienen otros a formar carburos.
• La influencia de los elementos de aleación en los diagramas de equilibrio de los aceros, elevación o descenso de las temperaturas críticas de los diagramas de equilibrio y las
temperaturas Ac y Ar correspondientes a calentamientos y enfriamientos relativamente lentos, modificaciones en el contenido de carbono del acero eutectoide,
• Tendencia a ensanchar o disminuir los campos austeníticos o ferríticos correspondientes a los diagramas de equilibrio, y otras influencias también relacionadas con el diagrama hierro-carbono, como la tendencia a grafitizar el carbono, a modificar el tamaño del grano, etc.
• La influencia de los elementos aleados sobre la templabilidad. La influencia que tienen en retardar el ablandamiento que se produce en el revenido.
II.2.1. EFECTOS DE LOS ELEMENTOS DE ALEACIÓN.
La introducción de otros elementos de aleación se hace cuando se desea uno o varios de los siguientes efectos:
a. Aumentar la dureza y la resistencia mecánica
b. Conferir resistencia uniforme a través de toda la sección en piezas de grandes dimensiones.
c. Disminuir el peso (consecuencia del aumento de la resistencia) de modo de reducir la inercia de una parte en movimiento o reducir la carga muerta en un vehículo o en una estructura.
d. Conferir resistencia a la corrosión. e. Aumentar la resistencia al calor. f. Aumentar la resistencia al desgaste. g. Aumentar la capacidad de corte.
h. Mejorar las propiedades eléctricas y magnéticas
Los tres primeros requisitos son alcanzados porque los elementos de aleación aumentan la resistencia de la ferrita y forman además otros carburos, además del Fe3C, los cuales modifican el tamaño y la distribución de las partículas existentes de Fe3C, contribuyendo a mejorar la resistencia del acero sobre todo en secciones que, si se tratase de aceros al carbono común, difícilmente tendrían la resistencia alterada.
Generalmente ese aumento de la resistencia es conseguido por adición de uno o varios elementos en contenidos relativamente bajos, no sobrepasando su suma el valor de 5%. En esas condiciones, los principios fundamentales de los tratamientos térmicos permanecen, porque aunque la presencia de nuevos elementos de aleación obligue a un ajuste en las temperaturas de los tratamientos, la transformación de la austenita y las estructuras resultantes son las mismas que ocurren en los aceros al carbono. [23]
II.3. TRATAMIENTOS TERMICOS DE LOS ACEROS.
Los tratamientos térmicos tienen por objeto mejorar las propiedades y características de los aceros, y consisten en calentar y mantener las piezas o herramientas de acero a temperaturas adecuadas, durante un cierto tiempo y enfriarlas luego en condiciones convenientes. De esta forma, se modifica la estructura microscópica de los aceros, se verifican transformaciones físicas y a veces hay también cambios en la composición del metal.
El tiempo y la temperatura son los factores principales y hay que fijarlos siempre de antemano, de acuerdo con la composición del acero, la forma y el tamaño de las piezas y las características que se desean obtener [25].
Los tratamientos térmicos se explican por la teoría de las tranformaciones de fases en base a dos diagramas: De transformación isotérmica (TTT) y de enfriamiento continuo (CCT)
A. Diagramas de transformación isotérmica (TTT).
Se denomina curva TTT (transformación-temperatura-tiempo) al diagrama que relaciona el tiempo y la temperatura requeridos para una transformación a temperatura constante. Estos diagramas siguen un modelo general tal como se observa en las figuras II.2 y II.3. Los diagramas TTT son gráficas que representan el porcentaje (%) de transformación en función de la temperatura y del tiempo y son muy útiles para entender las transformaciones de un acero que se enfría isotérmicamente.
Cada material tiene su curva típica, y las curvas TTT de los aceros aleados difieren considerablemente respecto a los aceros al carbono.
B) Diagramas de enfriamiento continuo (CCT).
En el enfriamiento continuo del acero existe una velocidad crítica, que representa la velocidad de temple mínima para generar una estructura totalmente martensítica.
Esta velocidad de enfriamiento crítica, incluida en diagrama de transformación por enfriamiento continuo, roza la nariz donde empieza la transformación perlítica.
La figura 2 indica, que a velocidades de temple mayores que la crítica, sólo se forma martensita; además, existe un tramo de velocidades de enfriamiento en el que se forma perlita y martensita. Finalmente, sólo se genera estructura perlítica a velocidades de enfriamiento lentas.
Por otro lado, la bainita normalmente no se forma al enfriar un acero al carbono de modo continuo hasta la temperatura ambiente, ya que toda la austenita se transforma con el tiempo en perlita y ésta no evoluciona hacia la bainita, pues la región que representa la
transformación austenita-perlita termina justamente por debajo de la nariz de la curva AB (Figura II.4).
Fig. II.2. Diagrama general de transformación isotérmica de la austenita en los aceros (curva TTT). (1) Curva inicial de transformación, (2) Curva final de transformación, VCT = Velocidad crítica de temple, Ms= Curva inicial de
transformación martensítica. Mf = Curva final de transformación martensitica.
En todas las curvas de enfriamiento que cruzan la línea AB de la figura II.4 la transformación cesa en el punto de intersección; al continuar enfriando, la austenita que no ha reaccionado empieza a transformarse en martensita al cruzar la línea M (inicio). Los diagramas CCT son únicos para cada acero al carbono y/o aleado.
Fig.II.4. Curvas de velocidades de enfriamiento para la construcción de un diagrama de enfriamiento continuo CCT, en un acero eutectoide.
II.3.1. TEMPLE EN ACEROS.
El temple consiste en calentar al acero hasta una temperatura donde toda la estructura se haya transformado en austenita (estructura FCC) para luego enfriarlo rápidamente y lograr una transformación atérmica, no difusional, que dará como resultado una estructura nueva denominada martensita. (estructura BCT).
En el diagrama TTT la curva de enfriamiento debe estar bien a la izquierda y no debe cortar la nariz de la curva. Algo similar debe ocurrir con el diagrama CCT
II.3.1.1. FORMACION DE MARTENSITA
La mayoría de los aceros, incluyendo los aceros al carbono y aceros especiales, son templados para producir cantidades controladas de martensita en la microestructura. Un
temple exitoso significa obtener la microestructura, dureza, resistencia, o tenacidad requeridas, y minimizar los esfuerzos residuales, la deformación, y la posibilidad de fractura. La martensita es la fase que produce la dureza y resistencia más altas en los aceros. [26]
La martensita puede formarse solo si en la transformación de la austenita la difusión puede ser eliminada; en la práctica, esto se logra por enfriamiento rápido. Sin embargo, tal enfriamiento introduce grandes tensiones superficiales que pueden causar agrietamiento. Por lo tanto, los aceros de contenido medio de carbono son aleados con elementos tales como níquel, cromo y molibdeno, los cuales hacen que se dificulten las transformaciones controladas por difusión. Como resultado, se puede formar martensita con enfriamientos más lentos, por ejemplo en aceite. [25]
La martensita generalmente es la microestructura que se desea obtener en aceros al carbono y aleados templados. El régimen de enfriamiento debe ser lo suficientemente rápido para evadir la nariz de la curva transformación-temperatura-tiempo (TTT) y obtener la cantidad máxima de martensita. Si el régimen de enfriamiento no es lo suficientemente rápido para evadir la nariz de la curva TTT, tendrá lugar alguna transformación como la bainítica, la perlítica, o la ferrítica, con una correspondiente disminución de la cantidad de martensita formada y una disminución de la dureza de temple desarrollada. [27]
Las temperaturas de transformación martensítica no son solamente función de la composición del acero sino también dependen de las circunstancias de tratamiento térmico. Existen también factores que, aunque en menor medida, influyen sobre las curva TTT. Por ejemplo, el tamaño de grano austenítico y la temperatura de austenización desde la que se inicia el enfriamiento. [28]
En general cualquier elemento que forme solución sólida con la austenita, bien sea de sustitución (Mn, Ni, Cr, etc.) o de inserción (Br, Ni, etc.), retrasa las transformaciones isotérmicas, tanto perlíticas como bainíticas, ya que dichos elementos ejercen un efecto de barrera u obstrucción para la difusión del carbono; y, por tanto, los gérmenes de cementita (en la zona perlítica), o de ferrita (en la zona bainítica), tardarán más tiempo en aparecer. El Mn y el Ni retrasan por igual la nariz perlítica y el mentón bainítico. Los elementos formadores de carburos (Cr, Mo, etc.), retrasan más la transformación perlítica que la transformación bainítica. En los aceros poco aleados, las zonas perlítica y bainítica aparecen solapadas. [29]
Mayores porcentajes de martensita implican mayores propiedades de impacto y fatiga después del revenido, el régimen de enfriamiento en las piezas templadas debe ser lo suficientemente rápido, de forma tal que se produzca un alto porcentaje de martensita en las partes críticas de las piezas. La máxima dureza asequible en el acero depende casi exclusivamente de la concentración de carbono. [30].
Fig. II.5. Microestructura de la martensita de un acero al carbono.
[Fuente: https://www.google.com.pe/search?q=martensita&tbm ]
II.3.1.2. PROCESO DE AUSTENIZACIÓN.
La austenización es el proceso en cual se da la partición final del elemento aleado en la matriz austenitica, (la cual se transformaría a martensita) y el carbono retenido. Este proceso depende de la composición química, las fracciones de volumen y la dispersión de los carburos. Estos carburos no solo contribuyen a la resistencia del uso del material, sino que controlan el tamaño del grano austenítico. De esta manera, si es que la austenización es ejecutada a muy altas temperaturas, es que se puede producir el crecimiento del grano el cual es indeseable, así como el carbono aleado incrementa su grosor o se disuelve en la austenita.
Lo arriba expuesto, lo podemos expresar en términos de cinética de transformación de fase de la siguiente manera: Al elevar la temperatura de un acero y superarse la denominada A1 (~727°C), que depende principalmente de la composición química, se
inicia la formación de la austenita. Dicha formación ocurre mediante un proceso de nucleación y crecimiento [31]. La ferrita, de empaquetamiento bcc (cúbico centrado en el
cuerpo), se transforma en austenita, fcc (cúbico centrado en las caras). Durante este proceso y aun posteriormente, se produce la disolución de los carburos.
La nucleación de la austenita tiene lugar preferentemente en las interfaces entre los carburos y los granos de ferrita [32, 33], en especial donde se encuentran dos granos de ferrita, pues son estos los sitios donde se tiene mayor energía de superficie disponible. Si la temperatura de tratamiento no es lo suficientemente alta como para que la ferrita se encuentre sobresaturada en C, el crecimiento de la austenita, siguiendo los bordes de grano ferríticos es inhibido y la austenita crece hasta envolver al carburo. La austenita sólo podrá seguir creciendo mediante la difusión del C desde el carburo hacia la interface austenita/ferrita. En este proceso una pequeña parte del carburo se disuelve, o sea, la austenita crece en dos sentidos, hacia el carburo y hacia la ferrita, por lo que se tienen dos interfaces en avance.
II.3.2. RECOCIDO EN ACEROS.
Genéricamente el recocido consiste en calentar un material, mantenerlo a una temperatura determinada, y luego enfriarlo con una velocidad lenta, con el objeto de ablandarlo. En los aceros al carbono, del recocido total resulta una microestructura ferrito-perlítica (Fig. II.7). En este caso, se usa el rango de temperatura indicado en el diagrama Fe-C de la Fig. II.6. En general, la temperatura adecuada de recocido es 50° C por encima de A3 para
aceros hipoeutectoides y de A1 para hipereutectoides.
En el recocido el metal se calienta a una temperatura específica y se enfrió a una tasa lenta y definida para producir microestructura refinada y ablandada. Ayuda a que el metal que se utilice para trabajo en frío por lo que es más suave, mejora la maquinabilidad. En aleaciones ferrosas, el recocido se realiza calentando por encima de la temperatura crítica superior y luego se enfría lentamente hasta la temperatura ambiente, adoptando formas de ferrita y/o perlita como la microestructura resultante. Este proceso también se utiliza para eliminar la dureza que surge debido al trabajo en frío, en casos como los metales puros y otras aleaciones que no pueden ser tratados térmicamente. Aquí los defectos causados por la deformación plástica se reparan mediante el calentamiento del metal por encima de la temperatura de re-cristalización.
Las aleaciones ferrosas son recocidas por 2 tipos:
Recocido completo: - implican velocidades de enfriamiento muy lentas (por lo general en el mismo horno) dando como resultado una microestructura de perlita gruesa., muchas veces combinada con ferrita
Procesos de recocido: - La velocidad de enfriamiento puede ser más rápida, siempre y cuando la microestructura resultante sea semejante y uniforme.
Fig. II.6. Región del diagrama Fe-C mostrando el rango típico de recocido total para aceros al carbono
Fig.II.7. Estructura ferrítico-perlítica obtenida con el recocido total de un acero SAE 1040 (4% picral + 2% nital, 500x)
II.3.2.1. TIPOS DE RECOCIDO.
Si bien, el recocido tiene como propósito general el ablandamiento del acero, los procedimientos pueden ser muy distintos, según sean las condiciones del material de partida. Señalaremos algunos de ellos:
II.3.2.1.1. RECOCIDO DE GLOBULIZACIÓN
En este tratamiento el material se calienta a una temperatura levemente superior a Ac1 (o a veces algo inferior), se la mantiene oscilando alrededor de ese punto y luego se enfría lentamente, con la finalidad de producir el máximo ablandamiento. El objetivo metalúrgico es conseguir que las láminas de cementita se conviertan en glóbulos dispersos en una matriz de ferrita.
En la Fig. II.8 se muestra el curso de la temperatura en el recocido de globulización; la transformación de la cementita laminar en globular depende de la temperatura y del tiempo de mantenimiento a ella. En este tipo de proceso el que el enfriamiento puede realizarse lentamente, similar al recocido de normalización.
En los aceros con alto contenido de carbono las temperaturas de recocido de ablandamiento se aumentan levemente a: 730° C para 0,9 % de C
740° C para 1,1 % de C 750° C para 1,2 % de C
El incremento de temperatura acelera la globulización de la cementita. Otro procedimiento para acelerarlo consiste en templar el acero en aceite antes del globulizado. En este caso, la cementita precipita en forma globular bien dispersa (tal como en un revenido a temperatura muy alta).
II.3.2.1.2. RECOCIDO DE ENGROSAMIENTO DE GRANO
Se practica calentando a una temperatura muy superior a Ac3, a la que se disuelven muchos gérmenes, impurezas y bordes de grano, con el objeto de obtener un grano basto que mejore la maquinabilidad. En la Fig. II.9 se muestra el curso de la temperatura; en este tipo de recocido.
El aumento de tamaño de grano depende de la temperatura de recocido y del tiempo de mantenimiento a ella. El tratamiento se aplica a los aceros blandos no aleados y especialmente a los de cementación, que embotan a las herramientas en el mecanizado. La fragilización que acompaña al aumento de tamaño de grano facilita los maquinados finos y finísimos.
Fig.II.9. Curso de temperatura en el recocido de engrosamiento del grano
II.3.2.1.3. RECOCIDO DE DIFUSIÓN O DE HOMOGENIZACIÓN
Se realiza a temperaturas muy elevadas, entre 1000-1100°C, y durante tiempos prolongados. Su finalidad es conseguir una distribución satisfactoria de los componentes solubles, homogeneizando la composición química, con lo que se logra una completa uniformidad estructural. Como consecuencia de los largos tiempos necesarios, se origina una estructura de grano basto, por lo que generalmente debe realizarse un normalizado posterior.
II.3.2.1.4. RECOCIDO DE ELIMINACIÓN DE TENSIONES.
Consiste en calentar a una temperatura por debajo de Ac1, entre 550 y 650º C, mantener entre 30 y 120 minutos y enfriar lentamente, con la finalidad de eliminar las tensiones
residuales internas, sin producir variaciones esenciales en las propiedades existentes. En la Fig. II.10 se muestra el curso de la temperatura.
Fig.II.10. Curso de temperaturas en el recocido de eliminación de tensiones.
II.3.3. NORMALIZADO EN ACEROS.
El propósito principal del normalizado, es el de impartir la uniformidad en el tamaño de grano, así como la composición a lo largo de una aleación. Generalmente, en este proceso, las aleaciones de hierro se calientan por encima de la temperatura crítica superior seguido de un enfriamiento en aire tranquilo.
En resumen, mientras que el temple exige una velocidad rápida de enfriamiento para poder endurecer, el recocido exige una velocidad lenta para poder ablandar. Por otro lado el normalizado exige una velocidad ni lenta, ni rápida para uniformizar el grano.
El normalizado de los aceros puede considerarse desde los puntos de vista térmico y microestructural. En el primer caso, se refiere a un ciclo de austenización seguido de enfriamiento en aire calmo o ligeramente agitado, con el objeto de regenerar la estructura y eliminar irregularidades resultantes de tratamientos térmicos o deformaciones previas. Típicamente, la pieza se calienta entre 40 y 60º C por encima del punto crítico superior, Ac3 para aceros hipoeutectoides y Acm para hipereutectoides (Fig. II.11). Un normalizado correcto requiere la completa y homogénea austenización antes del enfriamiento.
Fig.II.11. Región del diagrama Fe-C mostrando el rango típico de normalizado para los aceros al carbono
En términos de microestructura, se refiere a obtener una estructura completamente perlítica (laminar) en aceros de 0,8% C, de perlita más ferrita proeutectoide en aceros hipoeutectoides, y de ferrita más cementita en los hiperectoides, fases que se forman en los bordes de grano austeníticos. Los aceros endurecibles al aire quedan excluidos de esta clasificación, debido a que en ellos no se forma la perlita típica del normalizado.
Una temperatura de normalización excesivamente alta es perjudicial, especialmente en aceros de uso general, ya que se deterioran la estructura y propiedades mecánicas debido al embastecimiento del grano producido por el sobrecalentamiento. El tiempo a temperatura depende de las dimensiones de las piezas; con tiempos largos desaparecen algunas irregularidades, como las de deformación en frío o estructuras en bandas, pero se puede agrandar el grano obteniéndose estructuras groseras. Esto se evita en aceros con Al, Cr o V que son insensibles al sobrecalentamiento.
La estructura final depende también de la velocidad de enfriamiento; en la mayoría de los aceros es importante controlarla hasta unos 600º C, pudiendo ser más lenta después de esta temperatura. Las velocidades normales para aceros al C y de baja aleación varían entre 2 y 60º C/seg. Los aceros de herramientas normalmente se dejan enfriar dentro del horno.
Estructuras normales: se desea obtener un tamaño de grano fino con estructura de perlita
mediana a fina uniforme, con ferrita intergranular en el caso de los aceros hipoeuteotoides, pudiendo aparecer dentro del grano cuando los aceros son de bajo % de C. En aceros hipereutectoides aparecerá cementita principalmente en los límites de grano. Estas estructuras y propiedades son consideradas normales y características de su composición.
Estructuras defectuosas: falta de uniformidad del grano motivado por calentamiento
demasiado corto que no permitió una transformación y difusión completa, o también por falta de temperatura. Embastecimiento de grano y/o grano "dúplex" por elevada temperatura de proceso. Las estructuras muy finas de transformación isotérmica de baja temperatura elevan la dureza del material cuando el enfriamiento es rápido.
Aplicaciones: se utiliza para eliminar irregularidades estructurales y tensiones internas
en piezas con solicitaciones fuertes, como elementos de máquinas, dispositivos y recipientes. Todas las modificaciones estructurales producidas por tratamiento térmico y deformación en caliente o en frío, se eliminan por un normalizado, así como la estructura grosera de forja, las tensiones de maquinado y deformaciones por estirado en frío. También se aplica después de la soldadura de piezas complicadas, para afinar la estructura del cordón y la zona adyacente del material base (zona afectada por el calor) que puede tener productos de temple. El normalizado tiene especial aplicación en los aceros moldeados ya que permite transformar la estructura dendrítica de colada en otra de grano fino. En la fig. II.12 se puede observar un refinamiento del grano mediante normalizado.
Fig.II.12. Refinamiento de grano mediante normalizado en un acero al carbono 0.5% C. (a) En la condición de laminado o forjado con tamaño de grano ASTM 3 y (b) normalizado con tamaño de grano ASTM 6.
II.4. DESGASTE DEL ACERO.
El desgaste es el daño progresivo que envuelve pérdida de material, el cual ocurre sobre la superficie de un componente (mecánico) como resultado del movimiento relativo, para partes que trabajan con contacto entre sí. Para ser más precisos, se considera al desgaste como el desprendimiento de partículas de la superficie de un cuerpo y/ó el desplazamiento del material de zonas en contacto, hacia zonas libres de carga.
II.4.1. TASA DE DESGASTE
La tasa de desgaste TD es generalmente definido como la pérdida del volumen de la superficie desgastada por unidad de distancia deslizada y viene en unidades de mm
3
*m
-1
. Se define adicionalmente la tasa de desgaste específica TDE como la pérdida del volumen de la superficie desgastada por unidad de distancia deslizada por unidad de carga normal aplicada y se expresa en unidades de mm3*(N*m)-1. Para la situación particular de deslizamiento en seco o sin lubricación la tasa de desgaste depende de la carga normal, la velocidad de deslizamiento relativa, la temperatura inicial y las propiedades térmicas, mecánicas y químicas de los materiales en contacto. Hay muchos mecanismos físicos que contribuyen al desgaste y no hay seguridad de un modelo simple y universal que sea aplicable para todas las situaciones.
Cuando se estudian las propiedades al desgaste de una clase especial de materiales tales como polímeros o metales, en el presente caso acero, es esencial llevar en mente la complejidad de un sistema tribológico general. Un resultado que carezca de lazos- o nivel de conocimiento- implica en tribología que algún establecimiento puede ser verificado o descartado con la ayuda de los experimentos, solo sí es hecha una selección de los parámetros y variables. Esto conlleva a comparaciones entre diferentes materiales en situaciones tribológicas similares o diferentes.
II.4.2. MECANISMOS DE DESGASTE
Se distinguen varios tipos de desgaste dentro de los cuales tenemos: DESGASTE POR ADHESION
DESGASTE POR ABRASION DESGASTE POR EROSION
MICROOSCOLATORIO (FRETTING) DESGASTE QUIMICO (CORROSION)
Debido a que nuestro estudio trata sobre el desgaste adhesivo, describiremos brevemente los mecanismos de los otros tipos de desgaste mostrándolos en la figura II.13.
Fig.II.13. Mecanismos de desgaste en metales: a) desgaste abrasivo de 2 cuerpos, b) desgaste abrasivo de 3 cuerpos c) desgaste por corrosión d) desgaste por corrosión por fretting (oscilante) e) desgaste por erosión, f) desgaste por fatiga. Se deja de lado el esquema de desgaste adhesivo para un trato especial, por ser el tema de estudio.
II.4.2.1. DESGASTE ADHESIVO
Se produce adhesión entre las estructuras atómicas de dos cuerpos con movimiento relativo. Esto ocurre debido al contacto íntimo al que llegan las dos piezas por las altas presiones específicas en la zona de contacto real, dependiendo a su vez de la estructura de ambos materiales. En función a que dos superficies de un mismo material, con un alto grado de acabado superficial, es decir, con menores rugosidades, se adhieren perfectamente con solo ponerlas en contacto, por ser mayor las superficies adheridas,
como consecuencia de la mayor fuerza por adhesión, el material con menor límite elástico, en el punto de contacto real, debe deformarse plásticamente por las altas cargas específicas a la que está sometido, por lo que se crea un contacto Íntimo entre los dos materiales.
Según, B. Bhushan [34], el desgaste adhesivo se produce debido a los materiales de adherirse o pegarse entre sí bajo la carga que se traduce en la transferencia de material entre las dos superficies o la pérdida de material de cualquiera de las superficies mecanismo de desgaste adhesivo se muestra esquemáticamente en la Fig. II.14.
Fig. II.14. Esquema de desgaste adhesivo. Fuente: Ref. [34]
Debido a la influencia de la contaminación superficial producida por el medio ambiente, el endurecimiento de la superficie por efecto del trabajado mecánico y la creación de óxidos sobre la superficie, producen cambios de propiedades o formas de lubricación sólida que modifica todo el proceso, por lo que no se produce una adhesión como la descrita anteriormente
Debido a la influencia de la contaminación superficial producida por el medio ambiente, el endurecimiento de la superficie por efecto del trabajado mecánico y la creación de óxidos sobre la superficie, producen cambios de propiedades o formas de lubricación sólida que modifica todo el proceso, por lo que no se produce una adhesión como la descrita anteriormente
