INFLUENCIA DEL TEMPLE DESDE TEMPERATURAS INTERCRITICAS Y UN REVENDIDO EN LA RESISTENCIA AL DESGASTE EROSIVO EN UN ACERO AISI/SAE 1045

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INFLUENCIA DEL TEMPLE DESDE TEMPERATURAS INTERCRITICAS Y UN REVENDIDO EN LA RESISTENCIA AL DESGASTE EROSIVO EN UN ACERO

AISI/SAE 1045

HERNAN PATRICIO REVELO YILLMAR SANCHEZ LOZANO

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE CALDAS FACULTAD TECNOLOGICA

TECNOLOGIA MECANICA BOGOTA

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INFLUENCIA DEL TEMPLE DESDE TEMPERATURAS INTERCRITICAS Y UN REVENDIDO EN LA RESISTENCIA AL DESGASTE EROSIVO EN UN ACERO

AISI/SAE 1045

HERNAN PATRICIO REVELO YILLMAR SANCHEZ LOZANO

TRABAJO DE GRADO

TUTOR ING. CARLOS ARTURO BOHÓRQUEZ ÁVILA

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE CALDAS FACULTAD TECNOLOGICA

TECNOLOGIA MECANICA BOGOTA

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3 Nota de aceptación __________________________________ __________________________________ __________________________________ __________________________________ __________________________________ __________________________________ Presidente del jurado

__________________________________ Jurado

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4 Contenido

1. Estado del arte……….7

2. Justificación……….12 3. Objetivos………..13 3.1 Objetivo general………..13 3.2 Objetivos específicos………..13 4. Marco teórico………...14 4.1 Acero AISI 1045………..15 4.2 Erosión………..16 4.3 Norma ASTM G76………..17 4.4 Alúmina……….18

4.5 Calculo de temperaturas Ac1 y Ac3……….19

4.6 Ensayo de dureza y micro dureza………20

5. Metodología……….21 5.1 Diseño experimental………....21 5.2 Probetas……….25 5.3 Tratamiento térmico……….26 5.4 Ataque erosivo………..26 5.5 Microscopio SEM……….26

5.6 Ensayo de dureza y micro dureza……….27

5.7 Microscopia óptica………28

6. Desarrollo de la propuesta………....29

6.1 Probetas………29

6.2 Tratamiento térmico………30

6.3 Ataque erosivo……….32

6.4 Resultados microscopio SEM………...40

6.5 Resultados ensayo de dureza y micro dureza………...45

6.6 Resultados micrografía óptica………...49

7. Conclusiones………59

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Lista de figuras

1. Figura 1: Durómetro de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas……….29 2. Figura 2: Microdurómetro shimadzu HMV-2 de la Universidad Distrital Francisco

José de Caldas………...30 3. Figura 3: Microscopio Axio Observer D1m de la Universidad Distrital Francisco

José de Caldas………...31 4. Figura 4: Distrital Francisco José de Pulidora Metalográfica de la Universidad

Caldas………..31 5. Figura 5: Microscopio SEM del SENA………35 6. Figura 6: Observación microscópica del material erosivo (alúmina)……….36 7. Figura 7: Fotos del desgaste erosivo en las probetas, aumentos a 500X y

2000X………...44 8. Figura 8: Foto del límite de la huella del ataque erosivo a la probeta con revenido a 450°C por 10 minutos a 550x………..46 9. Figura 9: Foto en la que se muestran algunas partículas incrustadas y una

deformación plástica a 2000x………..47 10. Figura 10: Fotos microestructura probeta sin tratamiento térmico con aumentos a

a) 500x y b) 1000x……….52 11. Figura 11: Fases de los constituyentes de la probeta sin tratamiento térmico……53 12. Figura 12: Fotos microestructura probeta con solo temple a 750°C con aumentos a a) 500x y b) 1000x……….53 13. Figura 13: Fases de los constituyentes de la probeta con solo temple a 750°C….54 14. Figura 14: Fotos microestructura probeta con temple a 750°C y revenido a 450°C

por 15 minutos con aumentos a a) 500x y b) 1000x………54 15. Figura 15: Fases de los constituyentes de la probeta con temple a 750°C y

revenido a 450°C por 15 minutos………55 16. Figura 16: Fotos microestructura probeta con temple a 750°C y revenido a 450°C

revenido a 450°C por 10 minutos………56 18. Figura 18: Fotos microestructura con temple probeta a 750°C y revenido a 450°C

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19. Figura 19: Fases de los constituyentes de la probeta con temple a 750°C y

revenido a 450°C por 5 minutos………..58 20. Figura 20: Fotos microestructura con temple probeta a 750°C y revenido a 350°C

por 5 minutos con aumentos a a) 50x y b) 10000x………..61 25. Figura 25: Fases de los constituyentes de la probeta con temple a 750°C y

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Lista de gráficas

1. Gráfica 1. Pérdida de masa de la probeta con solo temple a 750°C……….37 2. Gráfica 2. Pérdida de masa de la probeta con temple a 750°C y revenido a

450°C por 15 minutos………38 3. Gráfica 3. Pérdida de masa de la probeta con temple a 750°C y revenido a

450°C por 5 minutos………..40 5. Gráfica 5. Pérdida de masa de la probeta con temple a 750°C y revenido a

350°C por 5 minutos………..41 8. Gráfica 8. Pérdida total de masa de cada probeta………...43 9. Gráfica 9. Gráfico de los resultados del ensayo de dureza en Vickers

(HV)………..49 10. Gráfica 10. Gráfico de los resultados del ensayo de microdurómetro en

Vickers (HV)……….………..51 11. Gráfica 11. Porcentajes de los constituyentes de las micrografías………...63

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Lista de cuadros

1. Cuadro1. Número de variables………25

2. Cuadro2. Modelo bifactorial de efectos fijos, Fuente: Montgomery, D. (2004). Diseño y análisis de experimentos. 2da edición. Pág. 189…………26

3. Cuadro3. Diseño experimental………27

4. Cuadro4. Composición química del material………...…….33

5. Cuadro 5. Pérdida total de masa de cada probeta………...…...42

6. Cuadro 6. Resultados del ensayo de dureza en Vickers (HV)………...48

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1. ESTADO DEL ARTE

La maquinaria o piezas que cumplen una función específica se ven sometidas a grades cambios debido los avances tecnológicos por lo cual la industria se ve forzada a fomentar dichos avances, ya que el mercado mundial maneja un ambiente y una exigencia que permanecen en constante cambio, por lo cual cualquier industria que desee prosperar debe contar con la capacidad de dar respuesta a las nuevas exigencias del consumidor. La clave de todo producto se ve sujeto a unos alineamiento básicos lo cuales son materia prima de fácil acceso y bajo costo, también un sistema de producción bien establecido con alta capacidad de fabricación de producto final, si se pueden reducir los costos de fabricación a lo más mínimo se garantiza una alta rentabilidad al momento de la venta lo cual es la finalidad de todo empresa, también todo producto se debe someter a los alineamientos que tiene la industria los cuales son un producto confiable, de fácil acceso a un costo relativamente bajo estos parámetros ni siquiera son establecidos por las empresas son las exigencias básicas que tiene el consumidor promedio.

Uno de los materiales más utilizados por los fabricantes es el acero y aleaciones derivadas de éste, por lo cual en nuestro proyecto nos enfocaremos en el estudio del tratamiento térmico de revenido y temple realizado a un acero 1045 que será sometido a una prueba erosiva tomando como parámetros lo establecido en la norma ASTM GT76-95, así podremos determinar cuál es el mejor procedimiento

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para darles unas características específicas al acero 1045 aclarando que el principal objetivo es lograr que el material ofrezca mejor resistencia a la erosión.

No olvidemos que la erosión es el desgaste producido por una cantidad considerable de partículas de tamaño pequeño que impactan a alta velocidad en una superficie determinada, el impacto produce fricción lo cual se deriva en desgaste del material. Muchas piezas de una maquina o elementos que cumplen una función individual se ven sometidos a los efectos de la erosión, produciendo lógicamente el acortamiento de la vida útil de cualquier material, es una necesidad establecer una procedimiento o tratamiento para combatir los efectos erosivos y alargar la vida útil de la maquinaria o herramienta de trabajo.

La Facultad de Ingeniería Eléctrica y Mecánica de La Universidad Veracruzana de México, El Centro de Nanociencias y Micro y Nanotecnologías de México y El Departamento de Ingeniería Mecánica de México1_{realizaron un estudio de “La} erosión de partículas sólidas de los aceros inoxidables AISI 304, 316 y 420 “

En este estudio, las pruebas de la erosión de partículas sólidas se llevaron a cabo para evaluar el rendimiento de AISI 304, 316 y 420 aceros inoxidables en relación con este proceso de desgaste. Para la prueba se basaron en el proceso mencionado en la norma ASTM G76-95 fijando unos parámetros indispensables para obtener unos buenos resultados como lo son: el ángulo de impacto, el

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J.R. Laguna Camacho, A. Marquina-Chávez, J.V. Méndez-Méndez, M. Vite-Torres, E.A. Gallardo-Hernández; Solid particle erosion of AISI 304, 316 and 420 stainless steels. Abril-Mayo 2013.

Disponible:

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tamaño de la partícula, velocidad de la partícula, una tasa de flujo abrasivo y la temperatura ambiente. Se halló la composición química de los materiales y se utilizaron imágenes de SEM para identificar los mecanismos de desgaste.

Se concluyó que en lo que respecta a AISI 420, sólo había dañó por deformación plástica, con picaduras y acción de arada, algunos rasguños al azar y hendiduras irregulares en la superficie de todos los ángulos de impacto. Los resultados mostraron que AISI 304 y 316 presentaron una tasa de erosión superior a 60 °, mientras que AISI 420 exhibió el daño de erosión superior a los 30 °.

La Corporación ecoeficiente de Medellín y la Universidad Tecnológica de Pereira2 llevaron a cabo un estudio para “evaluar las diferentes combinaciones de temperatura y tiempo en los tratamientos térmicos del temple y revenido del acero AISI SAE 1045 a escala industrial”.

En este experimento realizaron temples a tres temperaturas de austenización (820°C, 870°C, 930°C) y revenidos a 150°C, 400°C y 630°C con intervalos de tiempo de 1 y 3 horas. Se obtuvieron resultados de dureza (Rockwell C) y microestructura. Posteriormente se elaboraron diafractogramas para así poder comparar y evaluar los resultados obtenidos.

La conclusión que arrojo dicho estudio es que la temperatura ideal para que haya una austenización completa es de 870°C; además de esto se concluyó que la

2_{David Mazuera Robledo, Andrés Ortiz Cárdenas. EVALUACIÓN DE LOS PARÁMETROS DE TEMPLE} Y REVENIDO PARA EL ACERO AISI/SAE1045 A ESCALA INDUSTRIAL - ASSESSMENT OF QUENCH AND TEMPERING CONDITIONS FOR AISI/SAE1015 STEEL AT INDUSTRIAL SCALE. Disponible en: http://revistas.utp.edu.co/index.php/revistaciencia/article/download/1461/941

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temperatura de austenización y la tetragonalidad de la martensita obtenida en el temple pueden ir de la mano según lo afirma la literatura del artículo.

La revista Metal Madrid público un artículo de la Universidad Nacional de Colombia. Facultad de Ingeniería. Departamento de Ingeniería Mecánica3, titulado “Estudio de los tipos de cráteres obtenidos en el impacto de proyectiles 5,56 SS109, sobre blancos de acero AISI-SAE 1045”.

En el trabajo se describe la morfología y formación de los tipos de cráteres obtenidos, en el impacto de proyectiles 5,56 SS109, sobre siete chapas de acero AISI-SAE 1045 que fueron sometidas a diferentes tipos de tratamientos térmicos, comparando el tipo de estructuras de deformación y fractura obtenidas con las formadas por el impacto de uno de estos proyectiles. Los cráteres se inspeccionaron de manera visual y con ensayos metalográficos evaluando el papel que ejerce la microestructura sobre el nivel de eficiencia en la detención del proyectil.

Los diferentes tratamientos fueron:

1. Chapa en estado recocido.

2. Dúplex N°1, templada en aceite desde 760°c y revenida a 180°c por 2 hr. 3. Dúplex N°2, templado en agua desde 750°c, sin revenido posterior.

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Álvaro Castro, Edgar Espejo y Leonardo Martínez. Estudio de los tipos de cráteres obtenidos en el impacto de proyectiles 5,56 SS109, sobre blancos de acero AISI-SAE 1045.

Disponible en:

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4. Bonificada N°1, templada en aceite desde 875°c y revenida a 180°c por 2 hr.

5. Bonificada N°2, templada en agua desde 900°c y revenida a 180°c por 2 hr. 6. Bonificada N°3, templada en agua desde 860°c y revenida a 300°c por 2 hr. 7. Cementada, carburada a 875°c por 6 hr, templada en aceite desde 875°c y

revenida a 180°c por 2 hr.

8. Chapa comercial para blindaje en estado bonificado, fabricado por laminación y temple continuo.

Se concluyó que:

1. Las chapas bonificadas detienen las balas.

2. Las chapas cementadas son menos eficientes que las bonificadas.

3. En las chapas de blindaje se desea que el material tenga alta tenacidad para evitar grietas.

4. El equilibrio entre resistencia y tenacidad de chapas para blindaje se alcanza con una microestructura compuesta por martensita revenida.

Toda la información aquí recopilada tiene como fuente el internet y siendo la mayor parte de ella extraída de artículos tecnológicos referente al tema.

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14 2. JUSTIFICACION

Se podría decir que el desarrollo de tecnología y manufactura del metal en la industria colombiana es relativamente joven y en comparación a otros países estamos sustancialmente atrasados. En los últimos años nos hemos dedicado a seguir los pasos de las grandes potencias mundiales, pero debido al ritmo del mercado mundial nos vemos con la necesidad de desarrollar más investigación en el trabajo con el metal, siendo esté un material fundamental para la industria mundial. Uno de los grandes retos de las investigaciones tecnológicas es lograr alterar las características de un elemento mediante tratamiento y pruebas (quimias y físicas), con el fin de promover nuevas aplicaciones en el mercado. Por tal motivo, el analizar el comportamiento de un acero AISI 1045 tratado térmicamente y que es sometido a una prueba erosiva nos dará la posibilidad de determinar una forma de dar características idóneas a un metal que sea más resistente a la erosión o por lo mínimo descartar la fiabilidad de los procedimientos utilizados, dando vía libre a nuevas pruebas.

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15 3. OBJETIVOS

3.1. OBJETIVO GENERAL

Establecer la influencia del temple a temperaturas intercríticas y posteriormente un revenido con intervalos de tiempo de 5, 10 y 15 minutos en la resistencia al desgaste erosivo de un acero AISI SAE 1045.

3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

 Calcular Ac1 y Ac3 basado en la composición química y establecer la secuencia de tiempos y temperaturas para realizar el tratamiento.

 Realizar un diseño experimental para establecer el número de probetas necesarias.

 Realizar las pruebas de acuerdo a la norma ASTM G76 basados en un diseño experimental y establecer la influencia en la resistencia al desgaste del tratamiento térmico.

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16 4. MARCO TEÓRICO

4.1 Acero AISI 1045

Es muy importante poder caracterizar los aceros dependiendo del tipo de cualidades que poseen y que podrán adquirir, una vez son sometidos a diversos tratamientos.

Teniendo en cuenta esto para los aceros se conoce que al ser sometidos a un aumento de temperatura entre sus zonas intercríticas es decir entre Ac1 y Ac3, seguido de un proceso de enfriamiento rápido dispuesto de manera anticipada como por ejemplo el agua o el aceite, entre otros. Se le conocerá a este proceso con el de nombre de temple que busca que el material adopte nuevas características, como mayor dureza y resistencia a la tracción, de manera que reducirá su ductilidad.

Ahora bien, estas propiedades irán ligada a factores como templabilidad o penetración del temple, de manera pues que el porcentaje de carbono presente en el acero será fundamental para nuestro ensayo, debido a que los materiales que cuentan con una mayor cantidad de este elemento presentan durezas mayores superficialmente, pero en interior tienden a reducir levemente.

El acero AISI 1045 es un acero de aplicación universal que proporciona un nivel medio de resistencia mecánica y tenacidad a bajo costo con respecto a los aceros de baja aleación. Frecuentemente se utiliza para elementos endurecidos a la llama

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o por inducción. Este acero puede ser usado en condiciones de suministro: laminado en caliente o con tratamiento térmico. Es de baja templabilidad que puede ser endurecido totalmente en espesores delgados por temple en agua. En secciones más gruesas, se puede obtener un endurecimiento parcial de la sección de la pieza y el incremento de la resistencia será proporcional a la capa o espesor endurecido, al ser deformado en frío se presenta un incremento en la dureza y la resistencia mecánica.4

El proceso de revenido tiene como objetivo general corregir un problema que presentan los aceros sometidos a un tratamiento de temple, que por lo general generan que el material quede demasiado duro y frágil. Este tratamiento consiste en elevar la temperatura del material por debajo de las temperaturas intercríticas es decir por debajo de Ac1. Por medio del revenido no se eliminan efectos de temple, sino que se ven modificados, por ejemplo, la dureza y resistencia disminuyen, la tenacidad aumenta y las tensiones internas generadas por el temple se eliminan.

Otro aspecto fundamental por conocer es el concepto de aceros de doble fase, la teoría nos indica que son una clase de aceros HSLA (Aceros bajo aleados de ultra resistencia). Este tipo de aceros se caracterizan por tener una resistencia tensil aproximada a los 550 MPa u 80,000 psi, están formados por una microestructura de alrededor de un 20% de martensita dispersa en una matriz dúctil de ferrita. La

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Cia. General de aceros S.A.,

http://repository.unilibre.edu.co/bitstream/handle/10901/7826/VasquezTorresEdwinLibardo2013Anexos.p df?sequence=2

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cantidad de fase martensítica puede ser regulada lo que cambia la relación entre resistencia y deformabilidad. El término “doble fase”, se refiere a la presencia de dos fases en la microestructura del acero, ferrita y martensita, además de otras fases dispersas en mucho menor relación como bainita, perlita y austenita retenida.

En general, aceros de ferrita-martensita no muestran un punto de cedencia muy marcado. La combinación de altas tensiones residuales y una alta densidad de dislocación móvil en la ferrita provocan que la fluidez plástica ocurra fácilmente a bajas tensiones plásticas. Como resultado, la cedencia ocurre en muchos sitios a través de la ferrita, y la cedencia discontinua es suprimida.

El comportamiento de endurecimiento de los aceros doble fase es muy complejo, especialmente en las primeras etapas. Sin embargo, se cree que el alto rango de endurecimiento inicial contribuye a la buena formabilidad de estos aceros, comparados con otros aceros HSLA de resistencia similar.

4.2 Erosión

La erosión es un tipo de desgaste que sucede gradualmente generalmente por agentes externos del medio ambiente como el aire, el agua o partículas de algún tipo, la erosión depende de las propiedades y estructuras del material erosionado y de las propiedades físicas y químicas del agente erosivo.

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Es un problema que afecta mucho a algunos sistemas de ingeniería como en el caso sistemas blindados, hélices, turbinas, en los componentes de automóviles que es uno de los intereses del proyecto; no se puede eliminar por completo este desgaste pero hay métodos para disminuir sus efectos considerablemente como por ejemplo capas de pintura resistentes al ataque medioambiental, el mismo oxido del metal también sirve como capa protectora evitando que la oxidación continúe siempre y cuando exista la capa. Los lubricantes son usados en ciertos casos, pero es importante que este lo más limpio posible porque el lubricante puede tener partículas, debido al uso, que erosionen el material por ello el cambio regular del fluido. Sin embargo, la erosión es de gran utilidad en la limpieza de superficies, maquinados y micro maquinados. 5

4.3 Norma ASTM G 76

Para la evaluación de la resistencia al desgaste erosivo de cualquier material se debe utilizar una base que haya sido probada científicamente, que sea reconocido y que este certificado. Se utiliza la norma ASTM G76 que establece los parámetros para la realización de este tipo de pruebas. Esta norma es el estándar base que se usa para la realización de pruebas de erosión, usando partículas sólidas y que sirve para la evaluación del desgaste erosivo. La norma utiliza impactos repetidos que se transfieren a través de una boquilla contra la superficie del material, produciendo el desgaste por erosión. Aquí se especifican las

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condiciones del ensayo, pero como las condiciones no se cumplen a la perfección, las desviaciones de la prueba deben describirse correctamente y anotarse. Sin embargo, esto no quiere decir que los métodos de realización de la prueba generales, así como las especificaciones de las probetas a usar no sean dados. El equipo utilizado (tribómetro) erosiona el material de la probeta bajo condiciones controladas. Se podrían hacer cambios al diseño del equipo, pero deben ser controlados todos los parámetros de la prueba. El material que realiza el impacto sobre la superficie es alúmina (Al2O3-corindon al 96%), aunque puede ser usado cualquier otro que sea más resistente.

4.4 Alúmina

La alúmina es el óxido de aluminio (Al2O3), existe en la naturaleza en forma de corindón y esmeril, es más duro que el aluminio por lo tanto su punto de fusión es más alto que el del aluminio. Para su producción se usa el método Bayer, se obtiene haciéndole un proceso a la bauxita obteniendo aluminato de sodio y residuos como hierro, silicio y titanio. Al aluminato se le hace el proceso de siembra para poder extraerlo y luego sometido a una temperatura a 1100°C para secarlo, el resultado es un polvo blanco, alúmina pura.6

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21 4.5 Calculo de temperaturas Ac1 y Ac3

Para las temperaturas comprendidas entre Ac1 y Ac3 zona conocida como: de austenización parcial, de temperaturas intercríticas o de doble fase; derivando su nombre por la presencia de ferrita y austenita. Las temperaturas se pueden calcular con las siguientes expresiones:

Ac1 (°C) = 723 − 7.08 Mn + 37.7 Si + 18.1 Cr + 44.2 Mo + 8.95 Ni + 50.1 V + 21.7 Al + 3.18 W + 297 S − 830 N − 11.5 C Si − 14.0 Mn Si − 3.10 Si Cr − 57.9 C Mo − 15.5 Mn Mo − 5.28 C Ni − 6.0 Mn Ni + 6.77 Si Ni – 0.80 Cr Ni – 27.4 C V + 30.8 Mo V − 0.84 Cr2 – 3.46 Mo2 – 0.46 Ni2 − 28 V 2

Cuando se realiza en un estado de austenización total la temperatura debe estar por encima de Ac3 que se calcula de acuerdo con:

Ac3 = 912 - 370C - 27.4Mn + 27.3Si - 6.35Cr - 32.7Ni + 95.2V + 190Ti + 72Al + 64.5Nb + 5.57W + 332S + 276P + 485N - 900B + 16.2C Mn

+ 32.3C Si + 15.4C Cr + 48C Ni + 4.32Si Cr - 17.3Si Mo - 18.6 Si Ni + 4.8Mn Ni + 40.5MoV + 174C2 + 2.46Mn2 - 6.86Si2 + 0.322Cr2 + 9.9Mo2 + 1.24Ni2 - 60.2V2

Para realizar cálculos de las temperaturas es necesario tener la composición química del material a tratar térmicamente.

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22 4.6 Ensayo de dureza y micro dureza

La dureza es la propiedad que tiene un material en su capa superficial para resistir deformaciones plásticas, elásticas, y destrucciones por esfuerzos. El ensayo Rockwell es un método en el cual se mide la resistencia de un material a ser penetrado. La norma ASTM E 18-05 define este ensayo como de indentacion en el cual una maquina calibrada con un indentador cónico-esferoidal de diamante o una esfera de acero endurecida a condiciones específicas, penetra la superficie de la probeta bajo la acción de una carga previa, que se mantiene hasta el final del ensayo, luego se expone a una carga total aumentando la profundidad, el sistema se recupera y ya es posible la medición de la profundidad, la cual determina el número de dureza Rockwell.

En el ensayo de micro dureza el proceso de indentacion es el mismo solo que a un nivel microscópico donde se determina la dureza en una de las zonas de la composición de la probeta como la martensita, en esta prueba es importante que la huella de la identacion se encuentre de lleno en una de las zonas o el dato será incorrecto, la dureza viene en función del tamaño de la huella, en ambas pruebas se toman 5 medidas para lograr confiabilidad en los resultados.

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23 5. METODOLOGIA

5.1 Diseño experimental

La realización del diseño experimental permite obtener una estimación del error experimental, para determinar si las diferencias observadas en los datos son en realidad estadísticamente diferentes. Para la realización del experimento se tomaron dos factores, la temperatura y el tiempo. Se hizo la elección de la muestra basado en un diseño experimental factorial de dos niveles, por medio de los parámetros φ2, seleccionándolo en relación a que factor será sensible el diseño a diferencias potenciales, importantes entre los tratamientos.

Para determinar el tamaño de la muestra, es necesario referirse las curvas de operación característica en el apéndice V del texto diseño y análisis de experimentos7, con el fin de hallar la probabilidad de aceptación de la hipótesis, por medio de los parámetros φ2 8.

Utilizando el diseño experimental factorial de 2 niveles encontramos el número de probetas adecuado, para utilizar en los diferentes tratamientos, por medio de la siguiente ecuación:

7_{Montgomery, D. (2004). Diseño y análisis de experimentos. 2}da_{edición. Página 647}

https://wwwyyy.files.wordpress.com/2013/02/disec3b1o-de-experimentosmontgomery.pdf 8

Montgomery, D. (2004). Diseño y análisis de experimentos. 2da edición. Página 107

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24 Ecuación3:

La cual muestra como hallar sensibilidad para el factor A.

Hallamos los siguientes valores:

 n = número de probetas

 a = número de variables factor (a), tomamos como variable el tiempo, se toma el valor de 4.

 b = número de variables factor (b), tomamos como variable la temperatura, se toma el valor de 2.

 D = diferencia de las medias, se halla el valor D con la ecuación D = 3* σ

 σ2_{= desviación estándar.}

 φ2_{= Es la diferencia especifica entre las medias de 2 tratamientos,}

podemos hallar φ con la ecuación φ =

 Grados de libertad v1 : a-1

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El cuadro 1 muestra los factores de tiempo y temperatura utilizados.

Factor (b) temperatura

Factor (a) tiempo

15 450 350

10 450 350

5 450 350

# de variables 3 2

Cuadro1. Número de variables

La diferencia de las medias D la desviación estándar σ2 de dureza para el acero 1045 es asignada de acuerdo a experimentos previos, para este caso soportado en el artículo de los autores Cárdenas Castañeda, Alexander y Gonzales Cubillos, Pedro Ferney. La desviación estándar es 1,81377946.

La selección de la confiabilidad del sistema α equivale a 0.05 ya que es la elección más utilizada y adecuada para hallar la probabilidad de aceptación.

Diferencia de las medias:

D = 3 * σ

D = 3 * 1,81377946

D = 544,133838

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Teniendo el valor de φ es necesario hallar los grados de libertad del numerador V1 y del denominador V2 consultando el cuadro 2, para el modelo bifactorial de efectos fijos, factor A en esta investigación. Con el fin de seleccionar la adecuada curva de operación característica.

Cuadro2. Modelo bifactorial de efectos fijos, Fuente: Montgomery, D. (2004). Diseño y análisis de experimentos. 2da edición. Pág. 189

Con todas las variables halladas, se selecciona la curva característica de operación adecuada, del texto Diseño y análisis de experimentos9

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27 n φ2 φ a b σ2 σ D V1 V2 β (1- β) *100% 2 4.5 2,1213 3 2 1,81377946 3,28979593 5,441338 3 8 0.21 79 3 6.75 2,5980 3 2 1,81377946 3,28979593 5,441338 3 16 0.013 98.7 4 9 3 3 2 1,81377946 3,28979593 5,441338 3 24 0.01 99

Cuadro3. Diseño experimental

Después de realizados los pasos por medio de las curvas de operación característica, se utilizan n= 4 réplicas, los grados de libertad del numerador v1= 3 y los grados de libertad del denominador v2= 24, un α= 0.05 interceptándose con un φ= 3 se obtiene u riesgo β de cerca de 0.010 o una probabilidad aproximada del 99%, por tanto, la probabilidad es aceptable y se requieren un mínimo de 4 probetas por tratamiento para este proyecto.

5.2 Probetas

Según el diseño experimental la cantidad de probetas por grupo deben ser mínimo 4 para tener confiabilidad en los resultados. Se harán grupos de acuerdo a los

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diferentes tratamientos térmicos que se van a realizar y el tamaño de la probeta lo indicará la norma ASTM G76.

5.3 Tratamiento térmico

Para el tratamiento térmico se usará la mufla labtech LEF 205P de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Se realizan dos procesos, el primero un temple a 750°C enfriado en agua para todas las probetas y luego dos revenidos uno a 450°C y otro a 350°C en tiempos de 5, 10 y 15 min para un total de 7 probetas.

5.4 Ataque erosivo

Para el ataque erosivo se utilizó la máquina de desgaste erosivo o también llamado tribómetro que se encuentra en la sede tecnológica de la universidad Distrital. Para el procedimiento se utilizó la norma ASTM G76 que indica cuales deben ser las condiciones de la práctica.

5.5 Microscopio SEM

El microscopio electrónico de barrido o SEM por Scanning Electron Microscope es una técnica de microscopía electrónica capaz de producir imágenes de alta resolución de la superficie de una muestra utilizando las interacciones

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electrón-29

materia. Utiliza un haz de electrones en lugar de un haz de luz para formar una imagen. Con este microscopio se puede detallar considerablemente el resultado del ataque erosivo en las diferentes probetas de cada grupo. En general esta técnica permite observar grietas de diferentes tamaños demostrando la pérdida de masa; eventuales incrustaciones del material erosivo, es decir la alúmina; y finalmente hace evidente el límite de la huella de erosión.

5.6 Ensayo de dureza y micro dureza.

Se procede a realizar la toma de datos de la dureza de cada probeta tratada térmicamente, medida en Rockwell de acuerdo con la norma ASTM E18-05. Utilizando el durómetro de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas.

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De igual manera se toman datos de micro dureza con el microdurómetro Shimadzu HMV-2 de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas.

Figura2. Microdurómetro shimadzu HMV-2 de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas

5.7 Microscopia óptica.

Para poder tener un punto de comparación y un análisis completo se necesita hacerle micrografías a una de cada grupo de probetas para saber sus porcentajes en sus propiedades, es decir sus fases. Para ello se utiliza el microscopio Axio Observer D1m de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas. Antes del análisis microscópico se realiza la preparación de las probetas, que consiste en pulirlas hasta lograr un brillo espejo mediante hojas de lija y luego usando la pulidora metalográfica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas hasta obtener un acabado brillo espejo. Este proceso de pulido, hace posible que

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veamos la microestructura del material. Un proceso adicional necesario es el ataque químico, que sirve para poder observar las características de la probeta en el microscopio, el químico utilizado es el Nital (HNO3), el cual está compuesto por un 5% de ácido nítrico y un 95% de alcohol.

Figura3. Microscopio Axio Observer D1m de la

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32 6. DESARROLLO DE LA PROPUESTA

6.1 Probetas.

Para el desarrollo de este proyecto se utilizó un total de 28 probetas de tamaño 2cmx3cmx0.6cm, la norma indica un tamaño menor pero no es obligatorio y tampoco viable para algunas pruebas. Las pruebas fueron divididas por los tiempos y temperaturas de los tratamientos térmicos en grupos de 4 para un total de 7 grupos. Como grupo control se usarán probetas en el estado inicial del de entrega.

6.2 Tratamiento térmico.

En el proceso de tratamiento térmico los grupos mencionados anteriormente tienen los siguientes tratamientos:

 Grupo 1: probetas con temple a una temperatura de 750°C por un tiempo de 30 minutos templadas en agua.

 Grupo 2: Temple del grupo 1 y revenido a 450°C por un tiempo de 5 minutos.

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Para saber estas temperaturas se calcularon Ac1 y Ac3 para lo cual se necesita la composición química del material la cual se obtuvo en los laboratorios de la Universidad Nacional en Bogotá.

Composición química del material (%)

Fe 98.544 Co 0.005

Si 0.254 B 0.0001

Mo 0.010 P 0.001

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34 C 0.420 Ti 0.003 Cu 0.010 Pb 0.006 W 0.014 S 0.001 Nb 0.003 V 0.002 Mn 0.664 Sn 0.002 Ni 0.021 Mg 0.000

Cuadro4. Composición química del material.

Realizando los respectivos cálculos se obtienen los siguientes valores:

Ac1: 726°C

Ac3: 790°C

Por lo tanto, para el tratamiento de temple se toma una temperatura de 750°C que está dentro del rango aceptable entre Ac1 y Ac3.

6.3 Resultados ataque erosivo

Para la erosión se usó alúmina con un tamaño de grano promedio de 118.77 µm y una presión de aire de 2.5 bares. Siguiendo la Norma ASTM G76 se realizaron cuatro ataques de 2, 4 ,8 y 16 minutos a cada probeta, al mismo tiempo que se iban pesando para saber la pérdida de masa. Al final del procedimiento la probeta

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de cada grupo que ha perdido mayor masa es observada en el microscopio SEM del Servicio Nacional de Aprendizaje (SENA).

Figura5. Microscopio SEM del SENA

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A continuación, se muestra la pérdida de masa en gramos (la cual fue muy pequeña, en el orden de las milésimas) de cada probeta al atacarle con la alúmina por tiempos de 2, 4, 8 y 16 minutos.

En las gráficas 1, 4, 5 y 6 la pérdida de masa va disminuyendo, pero al llegar a los 16 minutos aumenta lo que sugiere que los tratamientos térmicos tuvieron un efecto diferente a cierta profundidad del material, lo más probable es que el tiempo de permanencia en la temperatura de temple no fue suficiente para cambiar la microestructura del material de manera más homogénea, así como la de revenido que los tiempos fueron aun menores. El comportamiento de estas gráficas nos puede estar diciendo que tanto efecto tuvieron los tratamientos, es decir, primero el material tenía la dureza del revenido en su superficie lo que resulto en mayor pérdida de masa, luego se encontró con material con dureza de templado disminuyendo la pérdida de masa y por último se encontró con dureza parecida al material en estado de entrega. La dureza y por lo tanto la pérdida de masa puede variar de acuerdo al tiempo y en especial a la temperatura que se utilice

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37 0 0,001 0,002 0,003 0,004 0,005 0,006

2 min 4 min 8 min 16 min

De sgas te (gram o s)

Solo temple

Gráfica 1. Pérdida de masa de la probeta con solo temple a 750°C.

Gráfica 2. Pérdida de masa de la probeta con temple a 750°C y revenido a 450°C por 15 minutos.

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La gráfica 2 nos muestra que la probeta tuvo una pérdida de masa cada vez menor lo que indica que en esta probeta el tratamiento de temple fue más efectivo, al ser la probeta más dura se le dificulta a la alúmina desprender material.

La grafica 3 nos muestra un comportamiento que indica que los tratamientos térmicos tuvieron un efecto incompleto, el súbito aumento de pérdida de masa a los 8 y 16 minutos es porque se estaba erosionando material con dureza parecida al material en estado de entrega que suele ser menor que la del revenido y del temple.

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39

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40

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41

En la gráfica 7 el desgaste inicial es igual al comportamiento general de las demás probetas, sin embargo, muestra un cambio a los 8 minutos, una ligera variación de dureza que lo hace perder más masa.

Probeta Pérdida total de masa (gramos)

1: solo temple 0.0096

2: temple y revenido a 450°c por 5min 0.0142

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42

Gráfica 8. Pérdida total de masa de cada probeta

La gráfica 8 nos muestra la pérdida total de masa de cada probeta la cual depende del efecto que haya tenido los tratamientos térmicos, de las seis probetas con revenido, cuatro perdieron más masa que la del temple, su dureza es menor que la del temple, las otras dos probetas con revenido perdieron poca masa porque en vez de perder masa se deformaron.

6.4 Resultados microscopio SEM

En las siguientes fotos se observa la huella del ataque. La superficie es muy irregular, con diferentes formas y tamaños de agujeros y grietas comprobando la

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pérdida de masa. Adicionalmente, la superficie tiene rayones, deformaciones plásticas e incrustaciones del material erosivo (alúmina).

Las imágenes que están con aumento a 1000x se ven un poco borrosas debido al aumento y a las diferencias en la profundidad de la huella, por supuesto no se puede observar algún tipo de microestructura, pero si nos confirma que hubo un desgaste y por lo tanto una pérdida de masa.

500X 2000X solo temple a 750°C temple a 750°C y revenido a 450°C por 15 min

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44 temple a 750°C y revenido a 450°C por 10 min temple a 750°C y revenido a 450°C por 5 min temple a 750°C y revenido a 350°C por 15 min temple a 750°C y revenido a 350°C por 10 min

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45 temple a 750°C y revenido a 350°C por 5 min

Figura 7. Fotos del desgaste erosivo en las probetas, aumentos a 500X y 2000X.

En la siguiente foto se observa el límite de la huella de una de las probetas (figura14) al lado derecho se ven las deformaciones del ataque erosivo y al lado izquierdo la zona es más homogénea.

Figura 8. Foto del límite de la huella del ataque erosivo a la probeta con revenido a 450°C por 10 minutos a 550x.

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46

En la figura 15 se ve la zona del ataque de la probeta con revenido a 350°C por 5 minutos, se pueden ver las incrustaciones del material erosivo que en ciertas ocasiones dependiendo de los parámetros puede aumentar ligeramente el peso de la probeta y también se ve una deformación plástica, que ocurre cuando la reacción del material al ataque erosivo no es solo eliminación del material sino también deformaciones que terminan en grietas o hendiduras como se observa en la foto.

Figura 9. Foto en la que se muestran algunas partículas incrustadas y una deformación plástica a 2000x.

6.5 Resultados ensayos de dureza y microdureza

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47 Probet a Estado entrega Solo temple 450°C 15 min 450°C 10 min 450°C 5 min 350°C 15 min 350°C 10 min 350°C 5 min Dureza HV 164 294 236 244 207 225 240 226

Cuadro 6. Resultados del ensayo de dureza en Vickers (HV).

Los resultados de la dureza nos confirman lo dicho en la teoría, el temple tiene mayor dureza debido a la martensita luego están los revenidos que reducen la dureza dependiendo del tiempo y la temperatura, si el revenido es a una temperatura baja y tiempos cortos la dureza no baja mucho, esto se ve al promediar y comparar las durezas entre el revenido a 450°C y el de 350°C, comprobando que el de 350 tiene mayor dureza.

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Gráfica 9. Gráfico de los resultados del ensayo de dureza en Vickers (HV).

Los resultados para el ensayo de microdureza son los siguientes:

La indentación en las zonas con un asterisco (*) se hizo con una carga de penetración de 490.3mN debido a que la zona era pequeña, para las demás la carga es de 980.7mN.

Sin tratamiento Solo temple 450°C por 15 min 450°C por 10 min

Zona oscura Zona clara Zona oscura Zona clara Zona oscura Zona clara Zona oscura Zona clara 357 342 467 275 534 250 357 208 405 318 466 414 574 240 367 215 375 304 419 379 547 223 402 221 360 306 377 283 594 209 336 241 324 261 411 260 563 226 371 349

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49

P:364.2 P:306.2 P:428 P:343.6 P:562.4 P:229.6 P:366.6 P:246.8

450°C por 5 min 350°C por 15 min 350°C por 10 min 350°C por 5 min

Zona oscura Zona clara Zona oscura Zona clara* Zona oscura Zona clara* Zona oscura Zona clara* 421 252 404 281 434 229 432 241 442 203 488 227 472 230 491 218 534 207 471 293 404 221 391 199 554 179 337 233 451 224 461 220 568 195 574 175 441 269 320 232 P:503.8 P:207.2 P:404.8 P:239.6 P:428 P:234.6 P:438.8 P:222

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50

Gráfica 10. Gráfico de los resultados del ensayo de microdurometro en Vickers (HV).

En la microdureza se toma la medida de una zona que es totalmente oscura o totalmente clara, es una medida pequeña en comparación con el área disponible para hacer la medición por eso se hacen varias mediciones, en este caso cinco, los resultados se pueden deber a que, en el revenido, la liberación de las tensiones de la martensita es parcial y eso puede variar ligeramente la dureza en una misma zona.

6.6 Resultados micrografía óptica

En las siguientes fotos se muestra la microestructura de cada probeta junto con las fases de los constituyentes:

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En la figura 10 se observa la microestructura del material en estado de entrega, la prueba química nos indica que la concentración de carbono en nuestro acero 1045 es de 0.42%, según el diagrama hierro-carbono tenemos un acero hipoeutectoide compuesto por una mezcla de ferrita, que es la zona clara, más perlita que es la zona oscura en la foto.

a) _b)

Figura 10. Fotos microestructura probeta sin tratamiento térmico con aumentos a a) 500x y b) 1000x.

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52

Figura 11. Fases de los constituyentes de la probeta sin tratamiento térmico.

Lo que se observa en la micrografía de solo temple en la figura 12 es la aparición de martensita que se debe al rápido cambio de temperatura y se observa como la zona oscura en la imagen.

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Figura 12. Fotos microestructura probeta con solo temple a 750°C con aumentos a a) 500x y b) 1000x.

Figura 13. Fases de los constituyentes de la probeta con solo temple a 750°C.

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Figura 14. Fotos microestructura probeta con temple a 750°C y revenido a 450°C por 15 minutos con aumentos a a) 500x y b) 1000x.

Figura 15. Fases de los constituyentes de la probeta con temple a 750°C y revenido a 450°C por 15 minutos.

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a) b)

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a) b)

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En el revenido hay tres etapas de temperatura, la realizada para el proyecto es el revenido a temperatura media (entre 300°c y 400°C), en estas temperaturas la martensita se modifica y se transforma por la precipitación de partículas finas de carburo de la solución martensítica hierro-carbono y la transformación gradual de la estructura cristalina, la nueva estructura se denomina martensita revenida.

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a) b)

Figura 20. Fotos microestructura probeta con temple a 750°C y revenido a 350°C por 15 minutos con aumentos a a) 500x y b) 1000x.

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a) b)

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Gráfica 11. Porcentajes de los constituyentes de las micrografías.

La gráfica 11 nos muestra los porcentajes de los constituyentes, la fase 1 es la zona oscura en las micrografías, para la probeta sin tratamiento la zona oscura es perlita, para la probeta con solo temple es martensita y para las probetas con revenido es martensita revenida que tiene pequeñas variaciones debido a las diferentes temperaturas y tiempos de revenido, en promedio las micrografías de las probetas con revenido a 350°C tienen un mayor porcentaje de la zona oscura.

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63 7. CONCLUSIONES

1. Los resultados obtenidos no demuestran un patrón que relacione directamente la dureza con la pérdida de masa, concluimos que los tratamientos térmicos no fueron lo suficientemente eficaces para modificar considerablemente la microestructura de las probetas para que los resultados posteriores fueran confiables. Esto se corrobora con los resultados obtenidos en otros proyectos que concuerdan con la teoría como lo es el proyecto de título: Influencia del temple desde temperaturas intercríticas y revenido a temperatura de 350°C con diferentes tiempos en las propiedades mecánicas tensión-impacto de un acero SAE 1045 presentado por Cárdenas Castañeda, Alexander.

2. La pérdida de masa depende de la dureza y la dureza del porcentaje volumétrico de las probetas, este se calcula por medio de las micrografías que muestran las zonas de los constituyentes y si el tiempo de los revenidos modifico parcialmente las zonas entonces el cálculo del porcentaje no será del todo fiable para analizarlo y compararlo con otros resultados.

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3. Para la finalidad de este proyecto los tratamientos térmicos no fueron efectivos, porque, aunque si disminuyeron la pérdida de masa del material, los tiempos de tratamiento en especial los revenidos no tuvieron un efecto considerable en la microestructura del material, por lo tanto, no se podría certificar que la dureza deseada para el material sea uniforme y aceptable para el uso que se le quiere dar.

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65 8. BIBLIOGRAFIA

 CÁRDENAS CASTAÑEDA, Alexander. Influencia del temple desde temperaturas intercríticas y revenido a temperaturas de 350°C con diferentes tiempos en las propiedades mecánicas tensión – impacto de un acero SAE 1045. Bogotá, 2016.

 GUZMAN BONILLA, Braian Saul. Evaluación del desgaste erosivo del acero AISI 304L. Bogotá, 2016.  http://www.escuelaing.edu.co/uploads/laboratorios/7643_metalografia.pdf  http://webdeptos.uma.es/qicm/Doc_docencia/Tema4_CM.pdf  http://blog.utp.edu.co/metalografia/5-diagrama-hierro-carbono/  https://www.feandalucia.ccoo.es/docu/p5sd8732.pdf  https://aceroplatea.es/docs/documento138.pdf  http://www.monografias.com/trabajos87/aspectos-tener-presente-revenido-aceros/aspectos-tener-presente-revenido-aceros.shtml