ANÁLISIS MICROESTRUCTURAL DEL TRATAMIENTO...

ANÁLISIS MICROESTRUCTURAL DEL TRATAMIENTO TERMOQUÍMICO DE CEMENTACIÓN Y TEMPLE A TEMPERATURAS INTERCRÍTICAS, CON

REVENIDO POSTERIOR, EN UN ACERO 1020.

CHRISTIAN CAMILO RAMÍREZ CORTÉS

MIGUEL ÁNGEL RODRÍGUEZ PEÑA

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA

PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA MECÁNICA POR CICLOS PROPEDEUTICOS

BOGOTÁ D.C

2017

ANÁLISIS MICROESTRUCTURAL DEL TRATAMIENTO TERMOQUÍMICO DE CEMENTACIÓN Y TEMPLE A TEMPERATURAS INTERCRÍTICAS, CON

REVENIDO POSTERIOR, EN UN ACERO 1020.

CHRISTIAN CAMILO RAMÍREZ CORTÉS

MIGUEL ÁNGEL RODRÍGUEZ PEÑA

TUTOR

ING. CARLOS ARTURO BOHÓRQUEZ ÁVILA

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISO JOSÉ DE CALDAS

FACULTAD TECNOLÓGICA

PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERÍA MECÁNICA POR CICLOS PROPEDEUTICOS

BOGOTÁ D.C

2017

3

Nota De Aceptación

____________________________________

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____________________________________

____________________________________

____________________________________

_________________________

Firma del Tutor

_________________________

Firma del Jurado

_________________________

Firma del Jurado

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AGRADECIMIENTOS

Este proyecto fue posible principalmente a Dios quien nos ha permitido vivir llenos de salud, amor y felicidad a lo largo de nuestras vidas. A nuestras familias por darnos el apoyo incondicional a lo largo de nuestra carrera, tanto en los buenos momentos, como en los malos. A nuestros queridos padres, quienes sembraron en nosotros el amor por él conocimiento, la responsabilidad y la superación de ser alguien en la vida. A nuestros amigos quienes aportaron conocimientos y colaboración en las diferentes etapas de este estudio, al Ingeniero y nuestro tutor Carlos Arturo Bohórquez Ávila, quien contribuyo de manera importante con su conocimiento y tiempo, para ayudarnos a dar solución a cada uno de los problemas que se presentaron. También a la Universidad Distrital Francisco José de Caldas por brindarnos las herramientas, equipos y espacios necesarios para el desarrollo de nuestras carreras y de este proyecto.

5

CONTENIDO

Pag.

GLOSARIO ............................................................................................................ 14

RESUMEN ............................................................................................................. 16

INTRODUCCIÓN ................................................................................................... 17

1. PROBLEMÁTICA ............................................................................................ 18

1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .......................................................... 18

1.2. JUSTIFICACIÓN .......................................................................................... 19

1.3. OBJETIVOS ................................................................................................. 20

1.3.1. OBJETIVO GENERAL .............................................................................. 20

1.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS ..................................................................... 20

2. MARCO DE REFERENCIA ............................................................................. 21

2.1. ANTECEDENTES ........................................................................................ 21

2.2. METALES Y ALEACIONES ......................................................................... 24

2.3. ACEROS DE BAJO CONTENIDO DE CARBONO ...................................... 24

2.4. ACERO 1020 ............................................................................................... 24

2.5. TRATAMIENTOS TÉRMICOS ..................................................................... 25

2.5.1. TRATAMIENTO TERMOQUÍMICO DE CEMENTACIÓN ......................... 25

2.5.2. TEMPLE ................................................................................................... 26

2.5.3. REVENIDO ............................................................................................... 27

2.6. CONSTITUYENTES PRESENTES EN LOS ACEROS ................................ 27

2.6.1. FERRITA .................................................................................................. 28

2.6.2. MARTENSITA ........................................................................................... 29

2.6.3. PERLITA ................................................................................................... 29

2.7. METALOGRAFÍA ......................................................................................... 30

2.7.1. OBTENCIÓN DE PROBETAS .................................................................. 30

6

2.7.2. ENCAPSULAMIENTO .............................................................................. 31

2.7.3. LIJADO DE SUPERFICIE ......................................................................... 31

2.7.4. OBTENCIÓN DE BRILLO ESPEJO .......................................................... 31

2.7.5. ATAQUE QUÍMICO .................................................................................. 32

2.7.6. TOMA DE METALOGRAFÍAS EN MICROSCOPIO OPTICO ................... 32

2.7.7. ANÁLISIS POR S.E.M. ............................................................................. 32

3. DESARROLLO DEL PROYECTO ................................................................... 34

3.1. EQUIPOS ..................................................................................................... 34

3.1.1. ESPECTRÓMETRO UV-VIS-NIR ............................................................. 34

3.1.2. HORNO DE ATMOSFERA CONTROLADA ............................................. 35

3.1.3. MUFLA ELÉCTRICA LABTECH/LEF-P .................................................... 37

3.1.4. CORTADORA METALOGRÁFICA METACUT 250. ................................. 37

3.1.5. PRENSA DE MONTAJE AUTOMÁTICO METKON ECOPRESS 50. ....... 38

3.1.6. SISTEMA DE ESMERILADO Y PULIDO METKON FORCIPOL 2V. ........ 39

3.1.7. MICROSCOPIO AXIO OBSERVER D1M ................................................. 40

3.1.8. MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE BARRIDO JEOL JSM-6490LV ...... 41

3.1.9. DURÓMETRO GNEHM SWISS ROCK. ................................................... 42

3.1.10. MICRODURÓMETRO SHIMADZU HMV-2. .............................................. 43

3.2. DIAGRAMA DE FLUJO ................................................................................ 44

3.3. SELECCIÓN Y PREPARACIÓN .................................................................. 44

3.4. ESPECTROMETRÍA .................................................................................... 45

3.5. CÁLCULO DE TEMPERATURAS CRÍTICAS .............................................. 46

3.6. CEMENTACIÓN Y TEMPLE ........................................................................ 47

3.7. REVENIDO .................................................................................................. 47

3.8. PREPARACIÓN DE LAS PROBETAS PARA LA OBSERVACIÓN .............. 49

4. ANALISIS Y RESULTADOS ............................................................................ 51

4.1. DUREZAS .................................................................................................... 51

4.2. MICRODUREZAS ........................................................................................ 53

4.3. CARACTERIZACIÓN DE LAS MICRODUREZAS EN LA CAPA CEMENTADA ........................................................................................................ 57

4.3.1. MICRODUREZAS EN LA CAPA CEMENTADA ....................................... 59

7

4.4. MICROGRAFIAS ......................................................................................... 63

4.4.1. ANÁLISIS DE MICROESTRUCTURAS. ................................................... 72

4.5. PORCENTAJES DE FASES ........................................................................ 76

4.6. PORCENTAJE DE CARBONO PRESENTE EN LA MARTENSITA ............ 81

CONCLUSIONES .................................................................................................. 85

BIBLIOGRAFIA ...................................................................................................... 86

8

LISTA DE TABLAS

Pag.

Tabla 1. Propiedades del acero 1020 .................................................................... 25

Tabla 2. Composición química de un acero AISI 1020. ......................................... 45

Tabla 3. Temperatura critica del Acero AISI 1020 ................................................. 46

Tabla 4. Datos ensayo de dureza .......................................................................... 51

Tabla 5. Datos ensayo de dureza cementación, temple y revenido. ...................... 51

Tabla 6. Datos obtenidos en el ensayo de microdureza. ....................................... 53

Tabla 7. Microdureza en la capa cementada del acero 1020 cementado y templado. ............................................................................................................... 60

Tabla 8. Microdureza en la capa cementada del acero 1020 cementado, templado y revenido 5 minutos. ............................................................................................. 61

Tabla 9. Microdureza en la capa cementada del acero 1020 cementado, templado y revenido 10 minutos. ........................................................................................... 62

Tabla 10. Microdureza en la capa cementada del acero 1020 cementado, templado y revenido 15 minutos. ........................................................................... 63

Tabla 11. Porcentajes de fase presentes en el acero ............................................ 81

Tabla 12. Porcentaje de carbono presente en la martensita. ................................. 83

9

LISTA DE FIGURAS

Pag.

Figura 1. Diagrama Fe-C. ...................................................................................... 28

Figura 2. Diagrama de proceso.............................................................................. 30

Figura 3. Esquema de un microscopio por barrido electrónico. ............................. 33

Figura 4. Espectrómetro UV-VIS-NIR .................................................................... 35

Figura 5. Sistema de cementación por atmosfera controlada. ............................... 36

Figura 6. Mufla eléctrica LABTECH/LEF-P ............................................................ 37

Figura 7. Cortadora Metalográfica METACUT 250 ................................................ 38

Figura 8. Prensa de montaje automático METKON ECOPRESS 50. .................... 39

Figura 9. Sistema de esmerilado y pulido METKON FORCIPOL 2V ..................... 40

Figura 10. Microscopio AXIO OBSERVER D1M .................................................... 40

Figura 11. Microscopio Electrónico de Barrido JEOL JSM-6490LV ....................... 42

Figura 12. Durómetro GNEHM SWISS ROCK ....................................................... 43

Figura 13. Microdurómetro SHIMADZU HMV-2 ..................................................... 43

10

Figura 14. Diagramad de flujo para el estudio de un acero 1020 sometido a tratamientos térmicos. ............................................................................................ 44

Figura 15. Secuencia de tratamiento térmico, cementación y temple a un acero AISI 1020. .............................................................................................................. 47

Figura 16. Secuencia de tratamiento térmico, revenido en diferentes tiempos a un acero AISI 1020. .................................................................................................... 48

Figura 17. Dimensiones aproximadas probetas. .................................................... 49

Figura 18. Probetas encapsuladas ........................................................................ 50

Figura 19. Comparación de durezas vs tratamiento térmico .................................. 52

Figura 20. Perfil de dureza cementación. .............................................................. 54

Figura 21. Perfil de dureza cementación y temple. ................................................ 54

Figura 22. Perfil de dureza cementación y temple con revenido por 5 minutos. .... 55

Figura 23. Perfil de dureza cementación y temple con revenido por 10 minutos ... 55

Figura 24. Perfil de dureza cementación y temple con revenido por 15 minutos ... 56

Figura 25. Comparación perfiles de dureza. .......................................................... 56

Figura 26. Curva de difusión de carbono para un Acero 1020. .............................. 59

Figura 27. Grafica de microdureza en la capa cementada para cementación y temple. ................................................................................................................... 60

Figura 28. Grafica de microdureza en la capa cementada para cementación, temple y revenido 5 min. ........................................................................................ 61

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Figura 29.Grafica de microdureza en la capa cementada para cementación, temple y revenido 10 min. .................................................................................................. 62

Figura 30. Grafica de microdureza en la capa cementada para cementación, temple y revenido 15 min. ...................................................................................... 63

Figura 31. Metalografías tomadas al material de análisis con solo cementación y enfriamiento al aire. A) 100X, B) 500X, C) 1000X, D) Detalle de la transformación de fase del borde cementado al centro del material base, 100X. .......................... 64

Figura 32. Metalografías tomadas al material tratado con cementación y temple posterior en agua. A) 100X, B) 500X, C) 1000X, D) Detalle de la transformación de fase del borde cementado al centro del material base, 100X. ............................... 65

Figura 33. Metalografías tomadas al material tratado con cementación y temple. E) Borde cementado a 5000X, F) Microestructura del material a 2mm del borde. G) Microestructura del material a 4mm del borde. H) Microestructura del material en el centro de la muestra .............................................................................................. 66

Figura 34. Metalografías tomadas al material tratado con cementación, temple y revenido de 5 minutos a 390°C. A) 100X, B) 500X, C) 1000X, D) Detalle de la transformación de fase del borde cementado al centro del material base, 100X. .. 67

Figura 35. Metalografías, cementación, temple y revenido de 5 minutos a 390°C.E) Borde cementado a 5000X, F) Microestructura del material a 2mm del borde. G) Microestructura del material a 4mm del borde. H) Microestructura del material en el centro de la muestra. ............................................................................................. 68


Figura 37. Metalografías, cementación, temple y revenido de 10 minutos a 390°C.E) Borde cementado a 5000X, F) Microestructura del material a 2mm del borde. G) Microestructura del material a 4mm del borde. H) Microestructura del material en el centro de la muestra ........................................................................ 70

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Figura 39. Metalografías, cementación, temple y revenido de 15 minutos a 390°C.E) Borde cementado a 5000X, F) Microestructura del material a 2mm del borde. G) Microestructura del material a 4mm del borde. H) Microestructura del material en el centro de la muestra ........................................................................ 72

Figura 40. Microestructura Acero 1020 cementado y enfriado al aire, 500X. Foto tomada en el centro de la probeta. ........................................................................ 73

Figura 41. Microestructura acero Cementado y Templado en agua. 500X. Foto tomada en el centro de la probeta ......................................................................... 74

Figura 42. Microestructura acero Cementado, templado y revenido 5 minutos. 500X Foto tomada en el centro de la probeta ........................................................ 75

Figura 43. 1) Microestructura acero Cementado, templado y revenido 10 minutos. 500X 2) Microestructura acero Cementado, templado y revenido 15 minutos. 500X. Ambas imágenes corresponden al centro de las probetas. ................................... 76

Figura 44. Porcentajes de fase de ferrita y martensita, acero AISI 1020 cementado y templado ............................................................................................................. 77

Figura 45. Porcentajes de fase de ferrita y martensita, acero AISI 1020 cementado, templado y revenido 5 minutos .............................................................................. 78

Figura 46. Porcentajes de fase de ferrita y martensita, acero AISI 1020 cementado, templado y revenido 10 minutos ............................................................................ 79

Figura 47. Porcentajes de fase de ferrita y martensita, acero AISI 1020 cementado, templado y revenido 15 minutos. ........................................................................... 80

Figura 48. Porcentaje de carbono en la martensita ............................................... 84

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LISTA DE ECUACIONES

Pag.

Ecuación 1. Calculo de temperatura critica AC1 …………………………………. 46

Ecuación 2. Calculo de temperatura critica AC3 …………………………………. 46

Ecuación 3. Calculo temperatura de transformación martensitica (Ms). …………48

Ecuación 4. Segunda ley de Fick para difusión en materiales solidos……………58

Ecuación 5. Regla de las mezclas ……………………………………………………81

Ecuación 6. Calculo para determinar el porcentaje de carbono presente en la martensita (%Cm) ………………………………………………………………………82

Ecuación 7. Expresión para el cálculo de la dureza de la martensita en función del contenido de carbono ……………………………………………………82

Ecuación 8. Expresión para el cálculo del contenido de carbono…………………83

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GLOSARIO

ACERO: mezcla de hierro con una cantidad de carbono que varía entre el 0,03% y el 2,14%, dependiendo de su grado.

ACERO DOBLE FASE (DUAL PHASE STEEL): aceros que presentan una microestructura martensítica en una matriz de ferrita, lo cual hace que tengan una buena combinación de ductilidad y alta resistencia a la tensión.

CEMENTACIÓN: tratamiento termoquímico durante el cual la capa exterior del componente se enriquece con carbono con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas.

ESPECTROMETRÍA POR CHISPA: procedimiento para el análisis de elementos metálicos en muestras sólidas. Se ejecuta excitando los átomos de la pieza a analizar, estos producen luz en distintas longitudes de onda que son medidos por métodos espectroscópicos.

FERRITA: fase más blanda y dúctil de los aceros, tiene una dureza que ronda los 95 Vickers y una resistencia a la tracción de 28kg/mm2.

MARTENSITA: solución sólida sobresaturada de carbono, típica de los aceros templados, tiene una dureza de alrededor de 540 Vickers.

METALOGRAFÍA: procedimiento mediante el cual se estudia la microestructura de los metales o aleaciones, utilizando una sección transversal de los mismos.

MICRODUREZA: ensayo por medo del cual se determina la dureza de una zona reducida del material de estudio.

REVENIDO: tratamiento térmico realizado generalmente después de un temple, tiene como objetivo alcanzar la proporción de dureza y resistencia deseadas.

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TEMPLE: tratamiento térmico utilizado para incrementar la dureza de los aceros.

ZONA INTERCRÍTICA: sector definido entre las temperaturas A1 y A3, también conocido como de austenización parcial o de doble fase.

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RESUMEN

En el presente trabajo se documenta una investigación en la cual se lleva a cabo la caracterización microestructural de un acero AISI 1020, el cual se ha sometido previamente a un tratamiento termoquímico de cementación y un temple en agua, dicho material se sometió posteriormente a un revenido a una temperatura de 390°C en tres tiempos distintos: 5, 10 y 15 minutos, todos ellos llevados a un enfriamiento súbito en agua. Lo que se pretende con este estudio es evaluar el comportamiento microestructural del material base con el tratamiento de cementación y temple a temperaturas intercríticas, dado que estas no son temperaturas comúnmente trabajadas en la industria a la hora de llevar a cabo dichos tratamientos, y el efecto de distintos tiempos de revenido teniendo en cuenta la temperatura obtenida gracias al cálculo de una temperatura de inicio de formación de martensita (Ms). Para llevar a cabo dichos objetivos, posterior a los anteriores tratamientos térmicos, las muestras de material tratado se analizan microestructuralmente con un microscopio metalográfico y este estudio se complementa con el uso de una microscopía electrónica por barrido electrónico (SEM), los perfiles de durezas de cada una de las muestras se llevan a cabo desde el borde externo de la misma hacia el centro, teniendo en cuenta el cambio de fases del material al estar expuesto al carbono en distinta medida en cada punto del mismo. Finalmente se analizarán las microestructuras obtenidas y el porcentaje de carbono presente en cada una de ellas.

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INTRODUCCIÓN

La cementación es un proceso termoquímico que induce a la difusión de carbono en la estructura del hierro con el fin de inducir a la formación de martensita en las capas superficiales del material durante el temple. La formación de estas capas incrementa las propiedades de fuerza y resistencia a la fatiga debido al endurecimiento, en conjunto con fuerzas de compresión superficiales.

En el artículo titulado “Modeling of the carburizing and nitriding processes”,

realizado en el año 2014 por P. Cavaliere et. al., se dice que La fase termoquímica del tratamiento consiste en la alta temperatura de la difusión del carbono en una superficie, empezando con una concentración de 0.1-0.2% y llegando hasta una concentración de 0.7-1.2%. Esta superficie puede presentar dos reacciones distintas:

a) La reacción del carbono con una superficie de baja concentración b) la difusión del carbono en el compuesto base”1

El tiempo del tratamiento puede ser de varias horas con el fin de mantener el rango de la temperatura algunos grados por debajo de la austenización, esto para evitar problemas con el crecimiento del grano en el material.

La cementación de la superficie depende de la temperatura y la presión, estos permanecen constantes durante el tratamiento y al mismo tiempo el carbono se difunde en el compuesto base. De esta forma, el perfil de concentración desde la superficie hasta el resto del volumen cambia con el tiempo del tratamiento. El endurecimiento final se debe al temple posterior.

Las propiedades mecánicas de las capas que se forman después de llevado a cabo el tratamiento térmico dependen de la concentración de carbono, dado que a mayor concentración de este elemento se incrementa la dureza de la misma.

1 P. Cavaliere, G. Zavarise y M. Perillo. Modeling of the carburizing and nitriding processes. Lecce, Italia: University of Salento, Via per Arnesano, junio de 2009.

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1. PROBLEMÁTICA

1.1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En la industria se necesitan aceros que tengan una superficie dura, pero que al mismo tiempo logren absorber la energía producto de los impactos. Este tipo de aceros se conocen como “Aceros Doble Fase” (D.P. por sus siglas en inglés) y se

obtienen después del tratamiento termoquímico de cementación y el temple posterior.

Los primeros desarrollos de este tipo de aceros provienen de la década de los 70, en la cual se evidenció la falta de practicidad de los materiales existentes en la construcción de automóviles, ya que eran bastante pesados y difíciles de formar, haciendo complicada la producción de secciones para carrocerías automotrices.

Dicho cambio de material obedeció principalmente a la optimización en el consumo de combustible de los automóviles. Aunque los primeros aceros de doble fase desarrollados fueron bien recibidos por la industria de la construcción por tener buenas prestaciones estructurales, en el campo automotriz no fue el caso, ya que perdían demasiada ductilidad y formabilidad.

Los primeros aceros de doble fase cuya estructura cristalina contenía granos de tamaño lo bastante fino como para dejarse formar en chapa con facilidad se desarrollaron después, brindando así la solución a los anteriores problemas de ductilidad y formabilidad que presentaban las primeras series de estos. Desde ese entonces se han desarrollado infinidad de referencias de aceros D.P., dependiendo de la compañía y casi todas destinadas a la industria automotriz, en donde la relación resistencia-bajo peso ha sido un componente predominante, además de resultar en una alternativa bastante económica con respecto a otro tipo de materiales.

La principal característica de estos aceros es la presencia de dos fases en el mismo material. Es decir, una fase con una alta concentración de carbono presente en la superficie, lo cual hace a esta mucho más dura, y una fase con una baja concentración de carbono en el núcleo del material.

Este tipo de aceros se desempeñan de una manera extraordinaria en campos donde los esfuerzos de impacto y de desgaste superficial sean demasiado grandes, como,

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por ejemplo, en la fabricación de partes de transmisión de potencia en diferentes máquinas o en la fabricación de carrocerías para automóviles, por citar solo algunos, en donde el coeficiente de absorción de energía tenga que ser un factor importante para proteger los demás elementos.

El hecho de que este tipo de materiales se puedan obtener a base de aceros con una baja concentración de carbono los hace un objeto de fácil estudio aparte de disminuir de manera significativa sus costos.

1.2. JUSTIFICACIÓN

El estudio de aceros de doble fase es un aspecto crucial en el día de hoy en todos los campos de la ingeniería mecánica y en la ciencia de materiales, ya que, como ha quedado demostrado, son de extrema utilidad en el conformado de piezas de utilización diaria y en varios componentes de maquinaria que requieren de propiedades mecánicas diversas en el mismo material. En la industria no se ha hecho un estudio extensivo acerca de la influencia del tratamiento térmico de cementación a temperaturas Intercríticas en los aceros, lo cual nos lleva a introducirnos en este campo analizando el comportamiento de un acero con bajo contenido de carbono como es el AISI 1020, que se caracteriza por ser un acero económico y muy fácil de conseguir, lo cual podría aumentar las posibilidades de su utilización en distintos campos de la industria.

Teniendo en cuenta lo anterior, se realizará el presente estudio, en el cual se realizarán distintas pruebas entre las cuales sobresalen la de dureza superficial y las micrografías por barrido electrónico (SEM) para distintas muestras de dicho material, entre las cuales se buscará observar la difusión de carbono en el compuesto base después del tratamiento termoquímico de cementación en presencia de una atmósfera controlada para tal fin, y se analizará el cambio de su microestructura a medida que la muestra tomada se aleja del borde del material.

La elaboración de este proyecto sentará las bases para futuros estudios de materiales, en los que se podrían determinar las propiedades mecánicas de los aceros sometidos a los tratamientos aquí descritos, pudiendo así proyectarlos a su uso en la industria y ampliando su campo de aplicación.

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1.3. OBJETIVOS

1.3.1. OBJETIVO GENERAL

Obtener un acero de doble fase a partir de una barra de acero 1020 de diámetro ¾”

por medio del tratamiento termoquímico de cementación y temple para el estudio de su micrografía. Dicha microestructura se evaluará en términos de fases encontradas por medio de un estudio con SEM. Posteriormente a dicho material se le hará un revenido y se estudiará, de nuevo, su microestructura para observar las fases y componentes presentes.

1.3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Elaborar un estudio de durezas de acuerdo con varias muestras del material posteriormente tratado.

Elaborar un estudio de micrografía (S.E.M) en las muestras tratadas para observar la profundidad de la capa en la que se distribuyó el carbono.

Establecer la cantidad de carbono presente en las fases del material después del tratamiento termoquímico.

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2. MARCO DE REFERENCIA

2.1. ANTECEDENTES

Los aceros de doble fase son materiales que presentan dos fases distintas en el mismo material, producto de la difusión de carbono en el componente base (material al cual se le hace el tratamiento termoquímico). Dicha difusión de carbono altera de una manera significativa la dureza y la composición química de las dos fases que se presentan en el material. Como dice María Quintana en su artículo “Propiedades Mecánicas de aceros de fase dual de grano ultrafino”, del año 2010, esta clase

de aceros representan una excelente alternativa en la producción de piezas automotrices, que combinan la alta resistencia mecánica, alta resistencia al impacto y una elongación elevada. Además, se fabrican con aceros de baja aleación, por lo cual esto representa una reducción en los costos.2

En el artículo de M.S. Rashid titulado “Dual Phase Steels”, elaborado en el año

1981, se referencia el origen de los aceros de doble fase hacia la década de 1960 en dos lugares distintos y en paralelo, el BISRA (British Iron and Steel Research Association) del reino unido y en Inland Steel Corporation de estados unidos. Ambos intentos se enfocaron principalmente en lograr producir aceros para hacer chapas templando drásticamente aceros de bajo contenido de carbono en temperaturas cercanas a la temperatura crítica. El término “Acero de doble fase” fue

acuñado en la década de 1970 para describir los aceros de microestructura ferrítica-martensítica, aunque los aceros de doble fase comúnmente contienen más de dos fases presentes en ellos.3

Datos adicionales acerca del desarrollo de los aceros de doble fase pueden ser encontrados en el artículo de S.S. Hansen “The Formability of Dual-Phase Steels”, en el que se explica que la razón inicial para el desarrollo de aceros de doble fase para la industria automotriz fueron los estándares federales obligatorios relacionados con la economía de combustible promedio de los nuevos automóviles,

2 QINTANA, María; GONZALES, Roberto y VERDEJA, Luis. Propiedades mecánicas de aceros de fase dual de grano ultrafino. En: XVI Congreso Internacional Anual De La SOMIM. Nuevo León, México, 2010. 3 RASHID, M.S. Dual phase steels. General Motors Research Laboratories, Metallurgy Department. Warren, Michigan, Agosto de 1981.

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junto con la reciente preferencia de los usuarios por automóviles más eficientes en cuanto al consumo de combustible. Estos resultaron en un esfuerzo concertado de los fabricantes estadounidenses de automóviles para reducir el peso de todos los modelos que estaban en producción en aquella época. Esta reducción de peso fue lograda gracias a una combinación de reducción de tamaño de los automóviles y la sustitución cada vez mayor de materiales de alto peso (como el hierro fundido) por metales livianos. Un resultado inicial de estos programas de reducción de peso fue el surgimiento de aceros de alta resistencia y baja aleación (HSLA, por sus siglas en inglés)4

Las propiedades de dichos aceros se basan principalmente en el tratamiento termoquímico del cual se obtienen. Cárdenas E. et. al., en su artículo “Estudio De Las Propiedades Mecánicas De Aceros De Doble Fase Mediante El Ensayo Miniatura De Punzonado”, señala que los aceros de fase dual son aceros de bajo

contenido de carbono que requieren de un tratamiento intercrítico en el dominio de austenita + ferrita seguido de un enfriamiento lo suficientemente rápido como para transformar la austenita en martensita. Adicional a esto, las propiedades finales de estos aceros dependen del porcentaje de sus dos fases constitutivas, ferrita y martensita, y estos a su vez dependen del contenido de carbono, de la temperatura del tratamiento intercrítico y de la facilidad de temple.5

El estudio de este tipo de aceros nace de la necesidad de obtener distintas propiedades en un mismo material, lo cual puede ser provechoso para la fabricación de una amplia variedad de elementos para maquinaria. Este tipo de aceros son muy apetecidos en varios campos de la industria, principalmente la automotriz, ya que en componentes como las carrocerías de los automóviles se necesitan materiales que puedan absorber una gran cantidad de energía con una deformación relativamente pequeña y que sean fáciles de conformar. Con respecto a esto María Quintana en su artículo también señala que los aceros de doble fase, además de presentar unas excelentes propiedades mecánicas, permiten la reducción de peso, debido a la combinación de resistencia y elongación elevadas, excelente respuesta al impacto y, debido a esto, la posibilidad de utilizar secciones más delgadas.

Propiedades adicionales de este tipo de material pueden ser obtenidas del artículo “The Effect Of Intercritical Heat Treatment Temperature On The Tensile Properties And Work Hardening Behavior Of Ferrite–Martensite Dual Phase

4 S.S. Hansen. The formability of dual phase steels. Bethlehem Steel Corporation, Bethlehem. En: Applied Metalworking, Vol.2. Pennsylvania. American Society For Metals (ASM). Enero de 1982. 5 CÁRDENAS E., RODRÍGUEZ F. et al. Estudio de las propiedades mecánicas de aceros de doble fase mediante el ensayo miniatura de Punzonado. En: Anuales de la mecánica de la fractura, 26 vol.1, E.P.S. de Ingeniería de Gijón. Universidad de Oviedo.

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Steel Sheets”, de M. Pouranvari, En el cual se muestra que los aceros de fase dual son una rama importante de los aceros de Alto esfuerzo vs. Baja aleación (HSLA por sus siglas en inglés). Estos materiales tienen una combinación de propiedades mecánicas especiales tales como un alto esfuerzo a la tensión, un alto porcentaje de endurecimiento en las primeras etapas de la deformación plástica, así como buena ductilidad, las cuales los distinguen entre los aceros HSLA. Estas propiedades favorables están relacionadas con la microestructura especial de los aceros de doble fase, en la cual la matriz suave de ferrita provee una buena ductilidad, mientras que las partículas duras de martensita juegan el papel de soporte de carga.6

Con respecto al tratamiento térmico de Cementación, por medio del cual se obtienen los aceros de doble fase, P. Cavaliere dice que es un proceso termoquímico que induce a la difusión de carbono en la estructura del hierro con el fin de inducir a la formación de martensita en las capas superficiales del material durante el temple. La formación de estas capas lleva al incremento de las propiedades de esfuerzo y fatiga debido al endurecimiento, en conjunto con un estado de compresión superficial. Como consecuencia de este tratamiento, las propiedades mecánicas de las capas superficiales dependen de su composición química. En particular, la concentración de carbono puede variar la presencia de martensita, austenita residual y bainita. Los esfuerzos residuales dependen también de la concentración de carbono, siendo estos relacionados con la formación de martensita, que conlleva a esfuerzos de compresión en la superficie.

El tratamiento intercrítico es la manera más simple de mejorar los aceros de baja aleación (los cuales tienen una concentración de carbono menor al 0.2%) a aceros con microestructura de doble fase con una combinación superior de esfuerzo y ductilidad. Esto involucra un temple a una temperatura comprendida entre el rango de las temperaturas intercríticas AC1 y AC3. En este tratamiento intercrítico la austenita se transforma en martensita, obteniendo como resultado una estructura de Martensita y Ferrita.

Dado que el tratamiento térmico lleva un enfriamiento bastante rápido, es común que se obtengan tensiones que pueden llegar a ser perjudiciales para las propiedades mecánicas del material. Es por esto que se recomienda hacer un

6 P. Movahed, et al. The effect of intercritical heat treatment temperature on the tensile properties and work hardening behavior of ferrite–martensite dual phase steel sheets, Mining and metallurgical engineering department, Amirkabir University of Technology. Dezful Branch, Dezful, Iran: Islamic Azad University, School of Engineering Tehran, Iran and Materials and Metallurgical Engineering Department, 2009.

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posterior revenido al material, el cual ayudará a que tales tensiones desaparezcan de la fase superficial, haciendo menos frágil dicha fase.

2.2. METALES Y ALEACIONES

Los metales y aleaciones poseen muchas propiedades útiles, por lo que representan gran aplicación en los diseños de ingeniería. El hierro y sus aleaciones (principalmente el acero) suponen aproximadamente el noventa por ciento de la producción mundial de metales, fundamentalmente por la combinación de buena resistencia, tenacidad y ductilidad a un coste relativamente bajo. Cada metal tiene propiedades especiales para su uso en diseños de ingeniería y su elección resulta del análisis comparativo de costos con otros metales y materiales.

2.3. ACEROS DE BAJO CONTENIDO DE CARBONO

Los aceros de bajo contenido de carbono son aquellos que tienen una concentración del 0.05% - 0.20% de carbono. Son materiales que no adquieren una dureza sensible con un temple común, aunque son fáciles de conformar.

Este tipo de aceros se utilizan ampliamente en aplicaciones estructurales dada su fácil formabilidad, y se utilizan en una amplia variedad de partes para maquinaria.

2.4. ACERO 1020

El 1020 es un acero de mayor fortaleza que el 1018 y más difícil para conformar. Responde bien al trabajo en frío y al tratamiento térmico de cementación. Por su alta tenacidad y baja resistencia mecánica es adecuado para elementos de maquinaria.

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En la tabla 17, se ilustran tanto la composición química como las propiedades mecánicas del acero 1020:

Tabla 1. Propiedades del acero 1020

Fuente: Coldeaceros S.A.

2.5. TRATAMIENTOS TÉRMICOS

2.5.1. TRATAMIENTO TERMOQUÍMICO DE CEMENTACIÓN

La cementación es un tratamiento termoquímico por medio del cual se hace un enriquecimiento de carbono en la capa superficial de una pieza por difusión con temple posterior.

7 COLDEACEROS S.A. Aceros Especiales: Acero SAE 1020. [en línea]. http://www.coldeaceros.com/productos/aceros-especiales/acero-1020.

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Para este fin se pueden utilizar distintos tipos de agentes de carburización, ya sean sólidos (como polvos o granulados), líquidos (baño de sales) o gaseosos por medio de atmósferas controladas.

Los materiales más aptos para la cementación suelen ser aceros con bajo contenido de carbono (comúnmente menor a 0.25%) que muestran una capa superficial dura y resistente al desgaste después de la cementación. Debido a que después de dicho tratamiento se presentan estados internos de compresión en la capa superficial, esta posee también una resistencia a la fatiga más alta, mientras que el material del núcleo se caracteriza por su buena tenacidad.

El nivel de contenido de carbono en la capa superficial se ajusta con la adecuada selección del medio de carburización, mientras que la temperatura y el tiempo que dure este proceso ejercen una influencia mínima. La temperatura usual de a la que se lleva a cabo la carburización se haya entre los 850 y los 950°C.

El contenido de carbono más favorable para la templabilidad de la capa superficial es de aprox. 0,60 - 0,80%. Los baños de sales usualmente permiten obtener contenidos de carbono de 0,5%, 0,8% y 1,1% en la capa superficial.

Por medio de este tratamiento térmico, los aceros tratados adquieren distintas propiedades que los hacen predilectos para distintas aplicaciones mecánicas que requieran de resistencia al impacto y al desgaste (como engranajes, sin fin, pines, etc). Algunas de esas propiedades son: Alta tenacidad del núcleo, la superficie cementada aumenta su dureza y la capa cementada aumenta su resistencia al desgaste.

2.5.2. TEMPLE

El temple se define como el enfriamiento rápido del material a partir de una temperatura de austenización adecuada. Para este proceso generalmente se sumerge la pieza en agua, aceite o salmuera (mezcla de agua y sal). Algunas otras veces, como en el caso de los aceros inoxidables, se templa la pieza por medio de aire forzado.8 Después de que se ha transformado el acero en Austenita durante el calentamiento del mismo, se procede a enfriarlo rápidamente, lo que logra convertir

8 LUNA, Jesús. Cementación Sólida de Aceros. Tesis en opción al grado de Maestro en ciencias de la Ingeniería Mecánica con especialidad en Materiales. San Nicolás de los Garza, Nuevo León: Universidad Autónoma de Nuevo León. Facultad de ingeniería mecánica y electrónica, febrero de 2005.

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la Austenita en Martensita. Durante este tratamiento la superficie del material adquiere una dureza mayor, pero se pueden producir esfuerzos de tensión en la estructura del material, por lo cual se puede volver más frágil. Se recomienda efectuar un revenido en la pieza para así poder eliminar cualquier tensión interna que afecte las propiedades de la misma.

2.5.3. REVENIDO

Tratamiento complementario al temple, generalmente lo prosigue. La finalidad del tratamiento de revenido es disminuir la dureza y la fragilidad de las piezas templadas, sin afectar demasiado su tenacidad. Consiste en calentar el acero, posteriormente a la realización del temple, a una temperatura inferior al punto crítico o temperatura de recristalización, seguido de un enfriamiento que puede ser rápido si se quiere un material de alta tenacidad, o lento si se quiere reducir al máximo las tensiones que pueden generar deformaciones en la pieza. 9

2.6. CONSTITUYENTES PRESENTES EN LOS ACEROS

Las transformaciones que se presentan en los aceros después de los tratamientos térmicos y su método de enfriamiento pueden hacer que las propiedades mecánicas de este cambien. Dichas transformaciones pueden variar entre si según su forma, tamaño y composición, siendo claramente identificables al momento de realizar un estudio metalográfico. Algunos de los constituyentes más comunes son: Ferrita (considerada como hierro puro), Austenita, Martensita, Perlita, Cementita, entre otros. A continuación, se presenta un diagrama Fe-C en el que se evidencian las transformaciones de estos elementos dependiendo de la composición de hierro y la temperatura:10

9 ESCUELA COLOMBIANA DE INGENIERÍA. Tratamientos térmicos: Protocolo. Curso de materiales. Bogotá, 2008. 10 JIMENEZ, José. Diagrama Fe-C. Mancha Real, España: I.E.S Sierra Mágina, Departamento de Tecnología.

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Figura 1. Diagrama Fe-C.

Fuente: JIMENEZ, José, Diagrama Fe-C, I.E.S Sierra Mágina, Mancha Real, Departamento de Tecnología.

2.6.1. FERRITA

Este es el constituyente más blando y por ende dúctil de los presentes en los aceros. Se le considera hierro puro. Sus propiedades mecánicas son: Resistencia a la ruptura de 28kg/mm una elongación de entre el 35 y el 40%, y una dureza que ronda los 95 Vickers.11

11 UNIVERSIDAD AUTÓNOMA DE MADRID. Aceros: aleaciones hierro-carbono. [en línea]. www.uam.es/docencia/labvfmat/labvfmat/practicas/practica4/fases%20del%20acero.htm.

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2.6.2. MARTENSITA

Se define como una solución sólida sobresaturada de Carbono en hierro alfa. Se obtiene por medio de un enfriamiento rápido en los aceros, una vez que estos se han llevado a su temperatura de austenización. Generalmente se presenta en forma de agujas. Después de la cementita, este es el constituyente de mayor dureza en los aceros, su dureza varía entre los 50 a 68 Rockwell-C y su alargamiento de un 0,5 a un 2,5%.12

2.6.3. PERLITA

La Perlita se define como una mezcla de fases de perrita y cementita. Se presenta en placas paralelas (llamada también Estructura Laminar), y se produce por la descomposición eutectoide de la austenita.13

La perlita se forma enfriando el acero dese su temperatura eutectoide, produciendo la siguiente reacción:

Austenita ↔ Cementita + ferrita

La cementita y ferrita se forman en placas paralelas llamadas láminas (o forma laminar). Esta es una estructura compuesta de una fase de carburos duros, cementita y una fase suave y dúctil de ferrita. La perlita se forma en estructuras llamadas “colonias”, en donde las láminas están orientadas en la misma dirección. Para determinar el espacio interlaminar entre las estructuras de la perlita generalmente se necesita el uso de un S.E.M. (Scanning Electron Microscope).14

12 PERO-SANZ, José. Ciencia e ingeniería de materiales. estructura, transformaciones, propiedades y selección. Editorial CIE, Dossat, 2006. 13 SMITH, William, et al. Fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales, 4 Ed. Mexico D.F: McGraw Hill, 2006. 14 J.R. Davis. Structure/Property relationship in Irons and Steels. Metals Handbook Desk Edition, Second Edition. ASM International.

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2.7. METALOGRAFÍA

La obtención de las imágenes de las fases que se presentan en la microestructura del acero después del tratamiento térmico es fundamental para determinar sus propiedades y componentes. Para esto se procede al alistamiento de las muestras del material a estudiar previamente tratado, siguiendo una serie de pasos que llevarán a la preparación de la superficie del mismo con el fin de poder efectuar los procedimientos de toma de imágenes y diferenciación estructural y química de las fases presentes. Los pasos por seguir en este proceso son los siguientes:

Figura 2. Diagrama de proceso.

2.7.1. OBTENCIÓN DE PROBETAS

Tomando el material previamente tratado, se obtienen muestras de acuerdo al estudio que se desee efectuar. En este punto es importante tener en cuenta que las dimensiones de la probeta estarán limitadas por los equipos que se utilizarán en procedimientos posteriores, siendo necesario consultar con anterioridad las medidas máximas permitidas en estos. Generalmente las probetas se obtienen por

Obtención de

probetasEncapsulamiento Lijado de superficie

Obtención de Brillo

Espejo

Ataque químico

Toma de

metalografías en

microscópio óptico

Análisis por SEMPruebas de Dureza

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medio del corte una sección transversal del material, dicho proceso es recomendable llevarlo a cabo una cortadora metalográfica para evitar calentamientos en la superficie del mismo que puedan llegar a afectar su estructura metalográfica.

2.7.2. ENCAPSULAMIENTO

Por medio de una prensa metalográfica (o encapsuladora metalográfica) se procede al encapsulamiento de la probeta para su posterior lijado y alistamiento de superficie. Durante el proceso de encapsulado se ubica la probeta en el “vaso” de

la máquina y se le suministra la resina granulada correspondiente. La máquina después aporta calor y presión sobre el conjunto, lo que derrite la resina y expulsa el aire de la misma.15 Este proceso se lleva a cabo con el fin de poder lijar mejor la superficie del material, evitando curvaturas en sus bordes, que puedan llegar a afectar la toma de imágenes posteriores.

2.7.3. LIJADO DE SUPERFICIE

En este paso se procede a la eliminación de rayones y protuberancias que puedan estar presentes en la superficie de la probeta como resultado de su corte transversal. Se debe tener cuidado de utilizar una superficie totalmente plana para evitar posteriores irregularidades en la cara del material que se analizará después, tales como curvaturas o rayones profundos. Los rangos de lijas utilizadas para este proceso varían desde la 220 hasta la 2000.

2.7.4. OBTENCIÓN DE BRILLO ESPEJO

Para una correcta visualización de la estructura metalográfica del material se debe garantizar que su superficie esté libre de toda clase de rayones e irregularidades que pudieran haber sido adquiridas durante los procesos anteriores. Esto se logra

15 DISHECO S.A. Prensa metalográfica HiTech Europe, Encapsuladora Metalográfica CEE. [en línea]. http://www.disheco.com/productos/metrologia-y-control-de-calidad/ensayos/metalografia/prensa-metalografica/

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dando un acabado superficial de brillo espejo, para el cual es necesaria la utilización de distintos elementos como pulidoras metalográficas, paños adecuados para evitar rayar la superficie, y materiales abrasivos con un tamaño de grano lo suficientemente pequeño como para lograr este acabado (pastas diamantadas o alúmina).

2.7.5. ATAQUE QUÍMICO

Por medio del uso de reactivos (usualmente ácidos disueltos en alcohol), se ataca la superficie de la muestra, logrando así revelar la microestructura del material. Después de exponer la superficie al reactivo, las diferentes fases presentes en esta se pigmentan con tonalidades distintas. Para las aleaciones de hierro generalmente se utiliza Nital del 3% al 5%, el cual se compone de ácido nítrico disuelto en alcohol.

2.7.6. TOMA DE METALOGRAFÍAS EN MICROSCOPIO OPTICO

Después de atacar la superficie del material se procede a tomar las fotografías en las que se verán los distintos constituyentes y fases presentes en el mismo. Para llevar a cabo este procedimiento se deberá hacer uso de un microscopio óptico reflexivo, el cual funciona combinando un sistema óptico con uno de iluminación continua. En este, los haces de luz emitidos sobre la superficie de análisis reflejan contrastes sobre la lente, creando así las imágenes necesarias.

2.7.7. ANÁLISIS POR S.E.M.

Esta es una técnica de análisis superficial por medio de la cual se enfoca un haz fino de electrones, el cual se acelera con energías de excitación (desde 0,1kV hasta 30kV). Por medio de este se logran obtener imágenes de alta resolución de las muestras estudiadas. Adicional a esto se puede obtener información topográfica, morfológica y de composición de la misma.16

16 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. Microscopía de barrido de Electrones (MEB). Vicerrectoría de investigaciones. [en línea]. https://investigaciones.uniandes.edu.co/es/microscopio-electronico-de-barrido-meb/

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Los electrones son generados mediante un elemento llamado Cañón de Electrones, el cual consiste en un filamento de tungsteno. Rodeando dicho filamento se encuentra un cilindro de Wehnelt, el cual tiene una carga negativa con respecto al filamento. Después de este se encuentran un conjunto de lentes que sirven para poder enfocar dicho haz de electrones y ampliar o disminuir su tamaño sobre la muestra. Un esquema de dicho diagrama se puede encontrar en la figura 317: Figura 3. Esquema de un microscopio por barrido electrónico.

Fuente: D.A. Skoog et al, Principios de análisis instrumental. McGraw Hill, Madrid, 2002.

17 D.A. Skoog. et al. Principios de análisis instrumental. Madrid: McGraw Hill, 2002.

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3. DESARROLLO DEL PROYECTO

Para el desarrollo de este proyecto se hizo uso de diferentes herramientas y equipos, tanto para la preparación de las probetas, como para el análisis de estas; La cortadora metalográfica, la mufla, la encapsuladora, la pulidora metalográfica, fueron esenciales para la preparación de cada una de las probetas, con estos se realizó la adecuación dimensional de cada una de las probetas, se encapsularon las muestras para facilitar y garantizar el correcto pulido, gracias a la pulidora se pudo dar un acabado superficial lapeado o brillo espejo; con la mufla luego de realizar la cementación y temple con ayuda de una empresa dedicada a realizar estos tratamientos, se realizó el revenido.

Para el análisis de las probetas fue necesario un espectrómetro con el cual obtenemos la composición química de la pieza, un microscopio óptico para poder observar y capturar una imagen de microestructura del material, también fue necesaria una práctica de observación en microscopio electrónico de barrido SEM, para poder ver más detalladamente las fases presentes en el material tratado. Para realizar el estudio de durezas y el perfil de durezas del material base y el material con tratamiento se hizo uso de un durómetro y microdurómetro.

3.1. EQUIPOS

Para poder llevar a cabo esta investigación fueron necesarios diferentes equipos y herramientas, con las cuales se les dieron acabados finales a las muestras, necesarios para poder realizar la observación, también pruebas fundamentales para la obtención de datos y su posterior análisis.

3.1.1. ESPECTRÓMETRO UV-VIS-NIR

Es usado en espectroscopia para producir líneas espectrales y medir sus longitudes de onda e intensidades. Son instrumentos que funcionan en una amplia variedad de longitudes de onda, desde rayos gamma y rayos X hasta el infrarrojo lejano. Si la

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región de interés está restringida a un rango cercano al espectro visible. es un instrumento óptico que se usa para medir las propiedades de la luz sobre una porción específica del espectro electromagnético. Su utilidad es realizar análisis espectroscópicos para identificar materiales. La variable medida es generalmente la intensidad de la luz, pero también podría ser, por ejemplo, el estado de polarización.18

El servicio que presta un laboratorio de espectrofotometría es la entrega de archivos que pueden ser abiertos por programas de datos en que se grafica la intensidad absorbida, transmitida o refractada de una muestra en función de su longitud de onda, esta da información al usuario (analista) sobre los tipos de enlace que existen en las moléculas y con ello determinar el compuesto que es. Además, proporciona información cuantitativa de la muestra, espesor de película y parámetros ópticos.19

Figura 4. Espectrómetro UV-VIS-NIR

Fuente: Universidad Nacional de Colombia-Laboratorio de física-Bogotá.

3.1.2. HORNO DE ATMOSFERA CONTROLADA

La cementación es un tratamiento térmico por el cual el contenido de carbono de la superficie en una pieza de acero con bajo carbono aumenta debido a la exposición a una atmósfera rica en carbono a una temperatura dentro del campo de fase

18 ESPECTROMETRÍA. Espectroscopia UV/VIS - Aplicaciones y principios. [en línea]. http://www.espectrometria.com/espectrmetros 19 UNIVERSIDAD NACIONAL DE COLOMBIA. Espectrómetro UV-VIS-NIR Laboratorios de física Universidad Nacional de Colombia. [en línea]. http://ciencias.bogota.unal.edu.co/departamentos/fisica/servicios-de-extension/laboratorios-y-taller/espectrofotometria

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austenítico. El endurecimiento se obtiene cuando la pieza se templa y la capa superficial de alto carbono forma martensita.

La cementación gaseosa requiere de tres procesos que son: preparación de la atmósfera o de la mezcla gaseosa a utilizar, proceso de carburización y análisis de los gases involucrados en el proceso.

La cementación se realiza frecuentemente entre 850°C y 950ºC, pero a veces se utilizan temperaturas mayores para reducir el tiempo del tratamiento térmico o producir capas de alto contenido de carbono de mayor profundidad. La introducción del carbono en la austenita durante la cementación está influenciada por dos procesos importantes, uno es la reacción que causa que el carbono sea absorbido en la superficie del acero; y el otro es la velocidad a la cual el carbono puede difundirse desde la superficie hacia el interior del acero.20

Figura 5. Sistema de cementación por atmosfera controlada.

Fuente: Universidad de Antioquia.

20 RIOS, Oscar E. SERNA, Claudia P. MEDINA, Rufino. Diseño e implementación de un sistema de cementación gaseosa para el tratamiento superficial de aceros. Medellín, Colombia: Departamento de Ingeniería de Materiales, Universidad de Antioquia.

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3.1.3. MUFLA ELÉCTRICA LABTECH/LEF-P

Es un horno que puede alcanzar temperaturas muy altas para cumplir con los diferentes procesos que requieren este tipo de característica. Ha sido diseñada para una gran variedad de aplicaciones dentro de un laboratorio y pueden realizar trabajos como: procesos de control, tratamientos térmicos y secado de precipitados. Cuenta con hornos pequeños con resistencias calefactoras ocultas. Está equipada con un control digital que se encarga de regular la temperatura. Adicionalmente cuenta con un Interruptor en la puerta que se encarga de cortar el suministro eléctrico para minimizar la exposición a altas temperaturas y el consumo innecesario de energía eléctrica, esta función además previene el daño prematuro de los elementos calefactores. Puede alcanzar temperaturas de hasta 1200°C. 21

Figura 6. Mufla eléctrica LABTECH/LEF-P

Fuente: Universidad Distrital Francisco José de Caldas-Laboratorio de tratamientos térmicos y preparación de probetas metalográficas.

3.1.4. CORTADORA METALOGRÁFICA METACUT 250.

Es un equipo idóneo para preparar muestras metalográficas, proporcionando una solución perfecta para realizar cortes eficientes, versátiles y de alta calidad. Es

21 UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS. Laboratorios y Talleres de Mecánica. Facultad Tecnológica, Bogotá Colombia. [en línea]. http://www1.udistrital.edu.co:8080/web/laboratorio-mecanica.

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compacta y potente, posee funcionamiento rápido y sencillo, diseñada para cortar piezas largas e irregulares, con una palanca de accionamiento manual, máxima seguridad con freno electrónico y dispositivo de bloqueo. Está diseñada para el corte de todo tipo de piezas: grandes o pequeñas, regulares o irregulares, de materiales metálicos, cerámicos o composites, cuenta con un sistema de refrigeración al momento de realizar el corte por medio de un chorro de refrigerante directamente al disco abrasivo y a la pieza. Disponen de un potente motor de corte que conduce el disco hacia la pieza. La parte inferior está montada sobre una robusta base de fundición que proporciona estabilidad al conjunto. La mesa de corte dispone de ranuras en T que permiten montar una amplia variedad de dispositivos de fijación para amarrar todo tipo de piezas de todas las formas y tamaños.21

Figura 7. Cortadora Metalográfica METACUT 250


3.1.5. PRENSA DE MONTAJE AUTOMÁTICO METKON ECOPRESS 50.

La prensa de montaje automático Metkon Ecopress 50 automático con un cilindro, funcionamiento completamente automático con controles de microprocesador, con el medidor de presión de lectura directa, presión de moldeo hasta 300 bar, temperatura de hasta 200 º C, el tiempo de operación hasta 59:99 minutos, tiempo de ciclo corto, la energía térmica de temperatura controlada del ciclo de enfriamiento 1250W, automático, seleccionable a tamaños de moldes de 25 mm a 50 mm.21

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Figura 8. Prensa de montaje automático METKON ECOPRESS 50.


3.1.6. SISTEMA DE ESMERILADO Y PULIDO METKON FORCIPOL 2V.

Posee dos discos giratorios que hace mover la muestra, controlado por un microprocesador. Estos discos pueden usarse con velocidades de rotación constantes, dobles o infinitamente variable con pantalla digital. Esto permite el ajuste de la velocidad óptima para cada proceso de preparación individual. Las ruedas están montadas sobre cojinetes de bolas que permite la aplicación de altas presiones para preparar incluso especímenes grandes. Sus instrumentos pueden ser utilizados para la molienda, lapeado y pulido con discos magnéticos y respaldados con paños y por intercambio rápido.21

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Figura 9. Sistema de esmerilado y pulido METKON FORCIPOL 2V


3.1.7. MICROSCOPIO AXIO OBSERVER D1M

El equipo AXIO OBSERVER D1M es un microscopio metalográfico invertido que permite efectuar el control de superficie y análisis óptico de metales. El objeto por estudiar se ilumina con luz reflejada, ya que las muestras cristalográficas son opacas a la luz.21

Figura 10. Microscopio AXIO OBSERVER D1M

Fuente: Universidad Distrital Francisco José de Caldas-Laboratorio de metalografía.

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3.1.8. MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE BARRIDO JEOL JSM-6490LV

El JSM-6490LV es un microscopio electrónico de barrido versátil y de alta resolución de 3.0 nm en el modo de alto vacío y 4.0 nm en el modo de bajo vacío. El modo de bajo vacío permite la observación y análisis de muestras no conductivas, húmedas o no compatibles con el alto vacío. La óptica electrónica permite magnificaciones desde 5X hasta 300.000X, facilitando la búsqueda y observación de las áreas de interés. Se pueden introducir muestras de hasta 70 mm (altura máxima).

El microscopio tiene acoplados cuatro detectores:

Detector de electrones secundarios tipo E-T (Everhart-Thornley): la señal producida se forma a partir de una delgada capa superficial de la muestra (cientos de nanómetros) y con una energía inferior a 50 eV. Debido a la baja energía de estos electrones, en su trayectoria hacia el exterior de la muestra van perdiendo energía por diferentes interacciones, por tal razón, sólo los que están muy próximos a la superficie tienen cierta probabilidad de salir del material y llegar al detector, dando una imagen en relieve o tridimensional.

Detector de electrones retrodispersados de estado sólido multielementos: debido a que la emisión de estos electrones es causada por choques de tipo elástico, con energía equivalente a la de los electrones incidentes (mayor de 50eV), depende fuertemente del número atómico (Z) de la muestra. Esto implica que dos zonas de la muestra con composición heterogénea se manifiestan con distinta intensidad; aunque no haya ninguna diferencia de topografía entre ellas. A mayor Z mayor intensidad. Las zonas con menor Z se verán más oscuras.

Detector de espectroscopía por dispersión de energía de rayos X (EDS): Cuando el haz de electrones incide sobre la superficie de la muestra, se produce la ionización (pérdida de electrones internos) de los átomos presentes. En este estado un electrón de una capa más externa salta a ocupar el hueco originado. Este salto produce una liberación de energía, equivalente a la diferencia entre las energías que tenía cada electrón en su orbital correspondiente. Esta energía de rayos X es única para cada elemento. Al representar la intensidad de esta radiación electromagnética frente a su energía, se adquiere un espectro de rayos X, compuesto por una serie de picos, denominados líneas de intensidad variable, que se conocen como rayos X característicos.

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Detector de electrones secundarios para observaciones en el modo de bajo vacío.22

Figura 11. Microscopio Electrónico de Barrido JEOL JSM-6490LV

Fuente: Universidad de los Andes- Centro De Microscopía Laboratorio B-101.

3.1.9. DURÓMETRO GNEHM SWISS ROCK.

El durómetro GNEHM Swiss Rock determina la dureza Rockwell HRA, HRB y HRC de materiales metálicos. La fuerza de ensayo se ejerce de forma automática y se puede seleccionar previamente, esta se aplica sobre un elemento penetrador normalizado, que produce una huella sobre el material. En función de la profundidad y morfología de la muesca, se obtendrá la dureza del material.21

22 UNIVERSIDAD DE LOS ANDES. Centros de Microscopía, microscopio electrónico de barrido. Vicerrectoría de Investigaciones. Disponible en: https://investigaciones.uniandes.edu.co/es/microscopio-electronico-de-barrido-jeol-jsm-6490lv

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Figura 12. Durómetro GNEHM SWISS ROCK

FUENTE: UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS-LABORATORIO DE METALOGRAFÍA.

3.1.10. MICRODURÓMETRO SHIMADZU HMV-2.

El equipo SHIMADZU HMV-2 es un microdurómetro que permite la medición de durezas en escala Vickers en zonas muy pequeñas de muestras metálicas. El equipo genera una deformación plástica en una región de la muestra a analizar la deformación generada es proporcional a la dureza del material. 21

Figura 13. Microdurómetro SHIMADZU HMV-2

Fuente: Universidad Distrital Francisco José de Caldas-Laboratorio de metalografía.

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3.2. DIAGRAMA DE FLUJO

A continuación, se presenta un diagrama de flujo con cada uno de los procesos que se llevaron a cabo para el desarrollo de esta investigación.

Figura 14. Diagramad de flujo para el estudio de un acero 1020 sometido a tratamientos térmicos.

3.3. SELECCIÓN Y PREPARACIÓN

Para el desarrollo de este proyecto se decidió trabajar con un acero de bajo porcentaje de carbono, como lo es el acero AISI 1020, el cual se obtuvo por medio de la Compañía General de Aceros S.A.

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Se realizó la compra de dos barras de acero AISI 1020 de 1 metro por ¾” de

diámetro, el cual se cortó manualmente con segueta, esto para garantizar que no hubiera sobrecalentamiento del acero, que pudiera alterar las caracterizas del material, como puede ocurrir con una cortadora abrasiva no refrigerada, se obtuvieron piezas de aproximadamente 150 mm, para facilitar el montaje en los diferentes equipos necesarios para el desarrollo de este estudio.

3.4. ESPECTROMETRÍA

Para poder determinar las temperaturas intercriticas, para su posterior tratamiento de cementación, temple y revenido, se realizó una espectrometría en los laboratorios de física en la Universidad Nacional de Colombia, esto con el fin de conocer la composición química del material y poder realizar dichos cálculos.

A continuación, se presenta en la tabla 2, los resultados de la espectrometría realizada a un acero AISI 1020.

Tabla 2. Composición química de un acero AISI 1020.

COMPOSICION QUÍMICA DEL ACERO AISI-SAE1020

Fe % C % Mn % P % S % Si % Cu % Ni % Cr % V %

98.459 0.172 0.652 0.005 0.011 0.197 0.270 0.103 0.072 0.002

Mo % W % Co % Ti % Sn % Al % Nb % B % Pb % Mg %

0.015 0.011 0.012 0.000 0.010 0.000 0.003 0.000 0.005 0.000

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3.5. CÁLCULO DE TEMPERATURAS CRÍTICAS

Para llevar a cabo el tratamiento térmico de cementación y temple al material, es necesario primero realizar el cálculo para obtener el valor de las temperaturas criticas AC1 y AC3, ya que se debe garantizar trabajar dentro de ese rango y siempre por debajo de AC3, para ello se usa la ecuación 1, 223 y los datos obtenidos en la espectrometría realizada al acero, como sigue:

(1)

(2)

Las temperaturas calculadas con las ecuaciones 1 y 2 se muestran a continuación.

Tabla 3. Temperatura critica del Acero AISI 1020

AC1 AC3

728,84 °C 817,07 °C

23 BOHÓRQUEZ, Carlos A. Influencia del tratamiento térmico desde temperaturas intercríticas en las propiedades mecánicas del acero SAE 1045. Bogotá, Colombia: Universidad Distrital Francisco José de Caldas, sede tecnológica. Noviembre, 2012.

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3.6. CEMENTACIÓN Y TEMPLE

Ya calculadas las temperaturas intercriticas, se realiza el tratamiento térmico de cementación en un horno con atmosfera controlada a una temperatura de 810°C, temperatura inferior a AC3, durante tres horas continuas y luego un temple en agua.

A continuación, se presenta un esquema básico de la secuencia del tratamiento térmico (cementación y temple), el acero AISI 1020.

Figura 15. Secuencia de tratamiento térmico, cementación y temple a un acero AISI 1020.

3.7. REVENIDO

Luego del tratamiento de cementación y temple, es necesario realizar el cálculo de Ms o temperatura de transformación martensitica, para lo cual usamos la fórmula

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de Sverdlin-Ness, como se aprecia en la ecuación 3.24 Se procede de la misma forma en la que se obtuvo los datos de las temperaturas intercriticas y se remplazan los valores de la composición química del material, como sigue:

(3)

Dónde:

Se realiza el revenido a una temperatura de 390°C inferior a la obtenida en la ecuación 3; a 3 parejas de probetas a diferentes tiempos de exposición de 5, 10, 15 minutos y se realiza un enfriamiento en agua.

A continuación, se presenta un esquema básico de la secuencia del tratamiento térmico revenido el acero AISI 1020 a diferentes tiempos de exposición.

Figura 16. Secuencia de tratamiento térmico, revenido en diferentes tiempos a un acero AISI 1020.

24 GORNI, Antonio Augusto. Steel forming and heat-treating handbook. Sao Vicente, Brasil. Enero. 2017. [en línea]. http://www.datasheets.tips/images/server01/27022017/6/7acaa5946d1571c9a6f41fb1e450bb62.pdf

49

3.8. PREPARACIÓN DE LAS PROBETAS PARA LA OBSERVACIÓN

Realizados los tratamientos térmicos necesarios para el desarrollo del estudio, se procede a preparar las probetas para su observación, análisis y demás estudios necesarios; lo primero a realiza es el corte del acero ya tratado por medio de la cortadora abrasiva, para obtener muestras del material con las dimensiones que se aprecian en la figura 17. Esto con el fin de facilitar su manipulación y montaje en los equipos, también para almacenar las muestras del material en pequeños recipientes y asilarlos de condiciones ambientales como la humedad y prevenir la aparición de óxido que pueda afectar al momento de realizar la observación en los microscopios.

Figura 17. Dimensiones aproximadas probetas.

Con las probetas dimensionadas se realiza el encapsulamiento y se adicionan puntillas de acero a los lados o contorno del material, esto con el fin de mejorar la pulida y preparación de la superficie, también prevenir o disminuir la curvatura y obtener una superficie más plana, lo cual facilita la visualización de la microsestructura al momento de realizar la observación.

50

En la figura 18, se muestran probetas luego de ser encapsuladas en baquelita, junto con clavos de acero.

Figura 18. Probetas encapsuladas

Con las probetas encapsuladas se procede a pulir la superficie con lija de agua en diferentes calibres hasta llegar a la numero 2000, luego con ayuda de la pulidora metalográfica, paño cheviot y alúmina (abrasivo de grano fino), se obtiene la superficie brillo espejo o lapeada, necesaria para la observación. Antes de realizar la observación en los microscopios es necesario realizar un ataque químico a la superficie del material por medio de Nital del 3% al 5%, para así revelar la microestructura del material.

51

4. ANALISIS Y RESULTADOS

4.1. DUREZAS

Ya realizada la observación por MICROSCOPIO AXIO y por MICROSCOPIO ELECTRÓNICO DE BARRIDO, se realizan las pruebas de durezas con fines comparativos y poder observar el comportamiento del material dependiendo del tipo de tratamiento y el tiempo de revenido.

Tabla 4. Datos ensayo de dureza

ACERO AISI 1020

ACERO AISI 1020 (CEMENTACION-

TEMPLE) HRB HV HRB HV 95,1 214 99,5 246 95,0 213 99,1 243 94,8 211 97,4 229 94,3 208 95,7 217 91,5 192 95,5 216

Tabla 5. Datos ensayo de dureza cementación, temple y revenido.


TEMPLE-REVENIDO 5 MIN)





HRB HV HRB HV HRB HV 98,1 235 98,0 234 97,8 232 98,0 234 97,9 233 97,6 231 97,1 227 96,7 224 96,1 220 96,1 220 95,8 218 95,1 213 89,7 183 88,5 177 87,5 173

52

En las tablas 4 y 5, se muestran los datos obtenidos en el ensayo de dureza, donde se evidencia el aumento de dureza en el material con tratamiento térmico en relación al acero base o sin tratamientos térmicos; también se puede observar la disminución de la dureza en proporción al tiempo de permanencia durante el revenido.

Hay que tener en cuenta que este ensayo se realizó tomando capturas de datos, lo más cercano al borde posible y desplazándose hacia el centro del material, esto con el fin de ver el cambio en los valores a medida que se alejaba del borde cementado en cada caso.

Cabe resaltar y como se puede observar en la figura 19, donde se muestra el comportamiento de cada tipo de probeta de acero AISI 1020 en el ensayo de dureza , sometidas a diferentes condiciones, como después de realizar el revenido a diferentes tiempos se obtuvo uno de los valores notablemente bajo, lo cual se puede deber a la dispersión del carbono adquirido en el tratamiento térmico de cementación y a que la medición se realizó cerca del centro de la probeta , lo cual también explica el aumento de dureza el material a medida que se realiza en ensayo de dureza cerca del borde de la sección transversal.

Figura 19. Comparación de durezas vs tratamiento térmico

214 213211

208

192

246243

229

217

216

235234

227

220

183

234233

224

218

177

232231

220

213

173170

180

190

200

210

220

230

240

250

DUREZA

(HV)

TIPO DE TRATAMIENTO TERMICO

DUREZAS VS TRATAMIENTO TERMICO ACERO BASE

C+T

C+T+R * 5

C+T+R*10

C+T+R*15

53

4.2. MICRODUREZAS

El ensayo de Microdureza se realiza con el fin de mostrar el comportamiento del Acero AISI 1020 sometido a diferentes tratamientos térmicos y del tiempo de permanecía durante el tratamiento de revenido y realizar una comparación entre las muestras del material, tomando las medidas del borde hacia el centro del material y observar los cambios presentes a medida que se aleja del borde.

A continuación, en la tabla 6, se muestran los datos obtenidos con el MICRODURÓMETRO SHIMADZU HMV-2 durante el ensayo de microdureza, comenzando con una toma lo más cercano al borde del material y desplazándose un milímetro hacia el centro del material en cada captura.

Tabla 6. Datos obtenidos en el ensayo de microdureza.

ENSAYO DE MICRODUREZAS AL ACERO AISI 1020 (HV)

DISTANCIA AL BORDE

(mm)

CEMENTACION

CEMENTACION MAS TEMPLE

CEMENTACION, TEMPLE Y

REVENIDO 5 MINUTOS


REVENIDO 10 MINUTOS


REVENIDO 15 MINUTOS

0 261 837 641 533 515 1 161 413 370 326 321 2 168 353 284 328 319 3 150 294 261 292 265 4 163 263 271 252 232 5 150 275 198 278 206 6 146 222 243 250 219 7 145 226 219 256 205 8 147 241 259 217 215 9 139 160 237 204 223

De la tabla 6, se puede evidenciar que el mayor dato de dureza obtenido se presenta en los bordes del material, debido al tratamiento térmico de cementación y temple presentes en estas probetas y cuando se someten al revenido este valor comienza a disminuir en proporción al tiempo de permanencia durante el revenido.

54

Figura 20. Perfil de dureza cementación.

Figura 21. Perfil de dureza cementación y temple.

De la figura 21, se puede observar el comportamiento del material sometido a cementación y temple, su aumento considerable de dureza a medida que se acerca al borde del material, debido a los tratamientos térmicos y a que no se realizó un revenido. Lo cual crea un aumento de dureza superficial, pero también un aumento de fragilidad.

261

161168

150

163

150 146 145 147139

130

150

170

190

210

230

250

270

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

DUREZA

(HV)

DISTANCIA (mm)

PERFIL DE DUREZA ACERO AISI 1020

CEMENTADO

837

413353

294263 275

222 226 241

160

100

200

300

400

500

600

700

800

900

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

DUREZA

(HV)

DISTANCIA (mm)


CEMENTACION Y TEMPLE

55

Figura 22. Perfil de dureza cementación y temple con revenido por 5 minutos.

En la figura 22, se puede ver el comportamiento del mismo acero, pero con un revenido posterior a la cementación y temple, donde la dureza aumenta en medida que se acerca al borde, pero con un cambio menos significativo en cuanto se aleja del borde.

Figura 23. Perfil de dureza cementación y temple con revenido por 10 minutos

641

370

284261 271

198

243219

259237

190

290

390

490

590

690

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

DUREZA

(HV)

DISTANCIA (mm)


CEMENTACION, TEMPLE Y REVENIDO 5 MIN

533

326 328

292

252278

250 256

217204

200

250

300

350

400

450

500

550

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

DUREZA

(HV)

DISTANCIA (mm)



56

Al igual que en el caso anterior, se puede ver que a media que aumenta el tiempo de revenido disminuye la dureza al borde del material.

Figura 24. Perfil de dureza cementación y temple con revenido por 15 minutos

Figura 25. Comparación perfiles de dureza.

515

321 319

265

232206

219205 215 223

200

250

300

350

400

450

500

550

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

DUREZA

(HV)

DISTANCIA (mm)



100

200

300

400

500

600

700

800

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

DUREZA

(HV)

DISTANCIA (mm)

MICRODUREZAS VS DISTANCIA

CEMENTACION

CEMENTACION MAS TEMPLE

C+T+R 5 MINUTOS

C+T+R 10 MINUTOS

C+T+R 15 MINUTOS

57

Como era de esperar y como se observa en la figura 25, donde se realiza una comparación de los datos obtenidos durante el ensayo de micro dureza en las diferentes probetas, se evidencia un aumento notable de dureza en el borde de la sección transversal de la probeta que fue sometida a cementación y temple, pero no a un tratamiento de alivio de tensiones o ajuste de durezas como es el revenido, pero a medida que se desplaza hacia el centro del material disminuye considerablemente hasta acercarse al valor de dureza del material base.

De las probetas con revenido se puede observar un mejor comportamiento del borde hacia el centro, donde se nota un aumento en la dureza del material con respecto al material base, pero a medida que se aleja del borde un cambio menos drástico y a media que se acerca al centro un comportamiento cercano al material base; esto se debe al proceso de cementación y temple, que es el encargado de producir una capa superficial dura y resistente, la cual va introduciendo carbono presente en la atmosfera en el material, en función de la temperatura y tiempo de permanecía en este proceso, lo cual se puede ver como un gradiente de concentración de carbono entre la superficie y el centro del material.25 También se puede ver la influencia de revenido ya que la probeta que solo cuenta con cementación y temple, presenta una dureza superficial mucho más alta, lo cual la hace frágil, el material con revenido tiene una dureza en los bordes más baja ya que la función del revenido es aliviar tensiones y ajustar durezas.

4.3. CARACTERIZACIÓN DE LAS MICRODUREZAS EN LA CAPA CEMENTADA

Para determinar la profundidad de la capa cementada en el material después del tratamiento termoquímico y evaluar el impacto del tratamiento de revenido en la misma, se procedió a efectuar un análisis de microdurezas, partiendo de la parte exterior de las probetas hacia el interior. El objetivo de esta toma de muestras es observar la distancia a la cual se hace evidente el cambio del valor de las durezas, entendiendo entonces que en este punto la capa cementada se acaba y comienza el material base.

25 LUNA ALVAREZ, Jesús Salvador. Cementación solida de aceros. Tesis de Ingeniería Mecánica. Nuevo León, México: Universidad Autónoma de Nuevo León, Facultad de Ingeniería Mecánica y Electrica, febrero de 2005.

58

La distancia de la capa cementada se puede calcular teóricamente con la segunda ley de Fick para difusión en materiales sólidos, que se puede aplicar al tratamiento de cementación como sigue:

= (4)

Dónde:

Cs= Porcentaje de carbono en el gas de la atmósfera del horno

Co= Concentración inicial de carbono en el material base

X= Distancia de difusión desde la superficie del material

D= Coeficiente de difusión del carbono

t = Tiempo del tratamiento

erf= Función de error

Teniendo en cuenta esta función, y tomando el coeficiente de difusión del carbono como se obtiene por método iterativo una distancia X de 350 m, a partir de la cual teóricamente la dureza del material se estabiliza, dando a entender que estamos tomando esta medición para el material base.

La figura 26 muestra la gráfica de la anterior fórmula:

59

Figura 26. Curva de difusión de carbono para un Acero 1020.

Este resultado teórico se comparará con el obtenido por medio de las microdurezas obtenidas experimentalmente para cada una de las probetas, como se observa a continuación.

4.3.1. MICRODUREZAS EN LA CAPA CEMENTADA

Se realiza un ensayo de microdurezas enfocándose en determinar la profundidad de la capa cementada y el comportamiento en cada una de las probetas dependiendo del tipo de tratamiento al que fueron sometidas y al tiempo de permanencia. Para ello se lleva a cabo mediciones lo más cerca al bode posible en cada probeta y desplazándose hacia el centro del material cada 30 micras.

Cabe resaltar que, debido a la exactitud del micro durómetro de la universidad, fue imposible iniciar la toma de muestras a menos de 100 micras del borde de la pieza.

60

Tabla 7. Microdureza en la capa cementada del acero 1020 cementado y templado.

ACERO AISI 1020 CEMENTADO Y TEMPLADO

DISTANCIA 0 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450

DUREZA HV 837 824 803 778 720 736 742 748 712 440 424 413 422

Figura 27. Grafica de microdureza en la capa cementada para cementación y temple.

Para la probeta de acero 1020 cementada y templada se puede evidenciar de la figura 27, como hay un cambio notable en la dureza cuando se realiza el ensayo de microdureza a 330 micras y a partir de allí se estabiliza obteniendo valores entre 420 y 440 Vickers. Por lo cual se puede considerar una capa cementada de 330 micras para la probeta cementada y templada.

350

450

550

650

750

850

950

1050

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450

DU

RE

ZA

EN

(H

V)

DISTANCIA EN MICRAS


61

Tabla 8. Microdureza en la capa cementada del acero 1020 cementado, templado y revenido 5 minutos.

ACERO AISI 1020 CEMENTADO, TEMPLADO Y REVENIDO 5 MINUTOS

DISTANCIA 0 130 160 190 220 250 280 310 320 340 370 400 430

DUREZA HV 641 631 648 639 642 516 513 569 418 405 412 422 412

Figura 28. Grafica de microdureza en la capa cementada para cementación, temple y revenido 5 min.

De la figura 28, se puede observar como la capa cementada disminuye con relación a la probeta que solo fue cementada y templada, obteniendo para esta una capa cementada de 310 micras, ya que se observa un comportamiento similar en el valor de las durezas a partir de las 320 micras, manteniendo valores entre los 405 a 422 Vickers.

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450

DU

RE

ZA

EN

(H

V)

DISTANCIA EN MICRAS

REVENIDO 5 MINUTOS

62



DISTANCIA 0 110 140 170 200 230 240 260 290 320 350 380 410

DUREZA HV 533 526 529 519 427 424 429 375 372 370 369 363 366

Figura 29.Grafica de microdureza en la capa cementada para cementación, temple y revenido 10 min.

Como se puede evidenciar en la figura 29, a medida que se aumenta el tiempo de permanecía de durante el revenido, la capa cementada disminuye, esto debido a la difusión de carbono hacia el núcleo.

Para la probeta de acero AISI 1020 con revenido durante 10 minutos se obtuvo una capa cementada de 240 micras, y se puede ver como los valores de dureza se mantienen cercanos, con valores entre 363 y 375 Vickers.

300

350

400

450

500

550

600

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420

DU

RE

ZA

EN

(H

V)

DISTANCIA EN MICRAS

REVENIDO 10 MIN

63



DISTANCIA 0 110 140 170 200 230 240 260 290 320 350 380 410

DUREZA HV 515 502 493 457 445 476 378 382 371 359 377 360 362

Figura 30. Grafica de microdureza en la capa cementada para cementación, temple y revenido 15 min.

Para la probeta con mayor tiempo de revenido se obtuvo una capa de cementación de 230 micras, como se puede ver en la figura 30, ya que a partir de las 240 micras el valor de la dureza se estabiliza obteniendo valores de entre 382 y 359 Vickers.

4.4. MICROGRAFIAS

A continuación, se muestran las imágenes tomadas a distintos aumentos sobre la superficie del material tratado y atacado:

300

350

400

450

500

550

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420

DU

RE

ZA

EN

(H

V)

DISTANCIA EN MICRAS

REVENIDO 15 MINUTOS

64

CEMENTACIÓN:

Figura 31. Metalografías tomadas al material de análisis con solo cementación y enfriamiento al aire. A) 100X, B) 500X, C) 1000X, D) Detalle de la transformación de fase del borde cementado al centro del material base, 100X.

65

CEMENTACIÓN Y TEMPLE

Figura 32. Metalografías tomadas al material tratado con cementación y temple posterior en agua. A) 100X, B) 500X, C) 1000X, D) Detalle de la transformación de fase del borde cementado al centro del material base, 100X.

66

Figura 33. Metalografías tomadas al material tratado con cementación y temple. E) Borde cementado a 5000X, F) Microestructura del material a 2mm del borde. G) Microestructura del material a 4mm del borde. H) Microestructura del material en el centro de la muestra

67

CEMENTACIÓN, TEMPLE Y REVENIDO DE 5 MINUTOS

Figura 34. Metalografías tomadas al material tratado con cementación, temple y revenido de 5 minutos a 390°C. A) 100X, B) 500X, C) 1000X, D) Detalle de la transformación de fase del borde cementado al centro del material base, 100X.

68

Figura 35. Metalografías, cementación, temple y revenido de 5 minutos a 390°C.E) Borde cementado a 5000X, F) Microestructura del material a 2mm del borde. G) Microestructura del material a 4mm del borde. H) Microestructura del material en el centro de la muestra.

69



70

Figura 37. Metalografías, cementación, temple y revenido de 10 minutos a 390°C.E) Borde cementado a 5000X, F) Microestructura del material a 2mm del borde. G) Microestructura del material a 4mm del borde. H) Microestructura del material en el centro de la muestra

71



72

Figura 39. Metalografías, cementación, temple y revenido de 15 minutos a 390°C.E) Borde cementado a 5000X, F) Microestructura del material a 2mm del borde. G) Microestructura del material a 4mm del borde. H) Microestructura del material en el centro de la muestra

4.4.1. ANÁLISIS DE MICROESTRUCTURAS.

En todas las microestructuras presentadas anteriormente se evidencia claramente la presencia de dos zonas, a las cuales se llamarán zona A (clara) y zona B (oscura). El comportamiento de la dispersión de estas zonas a través del compuesto base obedece, como ya se ha visto en la bibliografía consultada y en las fotos tomadas, a la velocidad de enfriamiento y a su revenido posterior. Así pues, podemos evidenciar que en la muestra que se sometió únicamente a cementación sin ningún temple posterior, la difusión de esta zona oscura tuvo lugar en una menor proporción

73

que en los materiales con temple y revenido posteriores, cuando se analiza la imagen tomada desde el borde cementado hacia el centro del material base.

El mayor cambio en la proporción de los dos componentes presentes en el material se presenta en las fotos B y C de cada uno de los tratamientos, en la cual se evidencia un cambio en el tamaño del grano y una variación de la proporción de una zona respecto a la otra:

El comportamiento del acero, al efectuar las pruebas de durezas y Micro durezas es el esperado, al comportarse de manera descendente en sus durezas tomadas desde el borde cementado hasta el centro del mismo, en todas las muestras. Tomando en cuenta los resultados de estas pruebas, se puede determinar de manera teórica las fases presentes en el material, ayudados también de la bibliografía consultada, con respecto a la forma típica descrita por los constituyentes. Para este análisis se procederá a efectuar una diferenciación de las dos zonas presentes, por orden de tratamiento:

CEMENTACIÓN:

Al analizar la estructura obtenida en este tratamiento, se evidencia la presencia de dos fases. Aplicando la prueba de micro durezas se tiene una dureza en la zona clara que ronda entre los 143 a 161 HV, dando como resultado una matriz ferrítica. Al aplicar este mismo ensayo sobre la zona oscura nos encontramos con un material con una dureza de 262 HV, correspondiente a Perlita gruesa.

Figura 40. Microestructura Acero 1020 cementado y enfriado al aire, 500X. Foto tomada en el centro de la probeta.

74

CEMENTACIÓN Y TEMPLE

En el caso del material cementado y templado también se evidencian dos fases, pero una de ellas tiene una morfología distinta a las presentes en la imagen anterior. Al aplicar las micro durezas a ambas fases, se tiene una dureza en la zona clara que oscila entre los 160 HV y los 222 HV, siendo esta una matriz ferrítica, mientras que la zona oscura arroja valores que están entre los 413 y los 837 HV (42 a 65,1 HRC), siendo esta Martensita. La morfología de los granos de la misma también deja ver que se trata de este compuesto.

Figura 41. Microestructura acero Cementado y Templado en agua. 500X. Foto tomada en el centro de la probeta

CEMENTACIÓN, TEMPLE Y REVENIDO DE 5, 10 y 15 MINUTOS.

Analizando el material cementado, templado y revenido 5 minutos, se observa que la microestructura cambia para hacerse más uniforme, mostrándose más equilibrada la proporción entre las dos fases a medida que la toma de información se acerca al centro. El borde de la pieza aún muestra casi en su totalidad Martensita, y su dureza está en torno a los 57,4 HRC. Al aplicar las microdurezas en la zona clara se obtienen valores que oscilan entre 198 HV y 261 HV, lo cual indica que la matriz presente es ferrita, mientras la zona oscura muestra una dureza cercana a los 641 HV, denotando una matriz martensítica.

75

Figura 42. Microestructura acero Cementado, templado y revenido 5 minutos. 500X Foto tomada en el centro de la probeta

El mismo comportamiento es evidenciado para las muestras tratadas con 10 y 15 minutos de revenido, en las cuales su microestructura se compone de una matriz ferrítica sobre la cual se encuentran granos de Martensita, con durezas que alcanzan entre los 515 HV hasta los 533 HV. (50 HRC a 51 HRC).

Los bordes de estas probetas también describen el mismo comportamiento, en el cual su dureza es mucho más alta que el material que se encuentra en medio, denotando una matriz casi completamente martensítica. La transformación de la microestructura, en la cual se evidencia mucho más fácilmente la presencia de dos fases, se empieza a dar a partir de las 200 micras aproximadamente.

76

Figura 43. 1) Microestructura acero Cementado, templado y revenido 10 minutos. 500X 2) Microestructura acero Cementado, templado y revenido 15 minutos. 500X. Ambas imágenes corresponden al centro de las probetas.

4.5. PORCENTAJES DE FASES

Para determinar la cantidad presente de cada fase en la probeta, se hizo uso del software complemento, del Microscopio AXIO OBSERVER D1M, el cual trabaja en conjunto con las micrografías obtenidas con este equipo y el cual nos permite ver en detalle el porcentaje de fracción volumétrica de cada fase, donde la fase 1 (rojo) corresponde al valor de la martensita y la fase 2 (verde) a la ferrita.

77

ACREO AISI 1020 CEMENTADO Y TEMPLADO

En la figura 44, se puede observar los porcentajes de fase 1 y 2, los cuales representan el porcentaje de martensita (rojo) y el porcentaje de ferrita (verde), presentes en el acero AISI 1020 con tratamiento de cementación y temple en agua. Con un porcentaje del 54,19% para la fase 1 (rojo) y del 45,25% para la fase 2 (verde).

Figura 44. Porcentajes de fase de ferrita y martensita, acero AISI 1020 cementado y templado

78

ACREO AISI 1020 CEMENTADO, TEMPLADO Y REVENIDO POR 5 MINUTOS

En la figura 45, se puede observar los porcentajes de fase 1 y 2, los cuales representan el porcentaje de martensita (rojo) y el porcentaje de ferrita (verde), presentes en el acero AISI 1020 con tratamiento de cementación, temple en agua y revenido por 5 minutos. Con un porcentaje del 49,81% para la fase 1 (rojo) y del 48,31% para la fase 2 (verde).

Figura 45. Porcentajes de fase de ferrita y martensita, acero AISI 1020 cementado, templado y revenido 5 minutos

79


En la figura 46, se puede observar los porcentajes de fase 1 y 2, los cuales representan el porcentaje de martensita (rojo) y el porcentaje de ferrita (verde), presentes en el acero AISI 1020 con tratamiento de cementación, temple en agua y revenido por 10 minutos.

Con un porcentaje del 46,98% para la fase 1 (rojo) y del 52,03% para la fase 2 (verde).

Figura 46. Porcentajes de fase de ferrita y martensita, acero AISI 1020 cementado, templado y revenido 10 minutos

80


En la figura 47, se puede observar los porcentajes de fase 1 y 2, los cuales representan el porcentaje de martensita (rojo) y el porcentaje de ferrita (verde), presentes en el acero AISI 1020 con tratamiento de cementación, temple en agua y revenido por 15 minutos.

Con un porcentaje del 46,87% para la fase 1 (rojo) y del 52,77% para la fase 2 (verde).

Figura 47. Porcentajes de fase de ferrita y martensita, acero AISI 1020 cementado, templado y revenido 15 minutos.

81

Tabla 11. Porcentajes de fase presentes en el acero

ACERO AISI 1020

PORCENTAJE DE FASE

CEMENTACION

Y TEMPLE


REVENIDO 5 MINUTOS


REVENIDO 10 MINUTOS


REVENIDO 15 MINUTOS

FASE 1 (%) 54,19% 49,81% 46,98% 46,87% FASE 2 (%) 45,25% 48,31% 52,03% 52,77% TOTAL (%) 99,44% 98,12% 99,01% 99,64%

De la tabla 11, se puede detallar como disminuye el porcentaje de fase 1 (martensita), cuando se realiza un tratamiento de revenido y como este porcentaje continúa disminuyendo en la media que pasa el tiempo de permanencia del acero durante el revenido y como el porcentaje de fase 2 (ferrita) aumenta.

4.6. PORCENTAJE DE CARBONO PRESENTE EN LA MARTENSITA

Para determinar el contenido de carbono presente en la martensita y poder determinar el cambio que se presenta luego de someter el acero AISI 1020 a diferentes tratamientos, temperaturas y tiempos, se lleva a cabo el cálculo con la ecuación 426.

Uno de los principales parámetros de control para las propiedades mecánicas de los aceros fase dual es el contenido de carbono presente en la fase martensita. Este contenido de carbono en la martensita puede calcularse según la regla de las mezclas, como sigue:

(5)

26 POURANVARI, MAJID. Tensile strength and ductility of ferrite-martensite dual phase steels. Iran: Islamic Azad University, Association of Metallurgical Engineers of Serbia, 2010.

82

Despejando Cm:

(6)

Dónde:

Con esta ecuación y de acuerdo con la referencia bibliográfica, supone que el contenido de carbono es 0,015, que es el límite de solubilidad del carbono en fase de ferrita y con los datos de la tabla 11, “porcentajes de fase presentes en el acero”,

obtenemos los valores de Vf y Vm, que pertenecen a los porcentajes de la fracción volumétrica de la fase 1 y 2, donde la fase 1 corresponde al valor de la martensita y la fase 2 al de la ferrita.

Para determinar el valor del porcentaje de carbono (Co), de las probetas con los tratamientos térmicos ejecutados, se realiza el cálculo por medio de la expresión de Blondeau Et al27 (ecuación 7), en la cual, conociendo la composición química del material y luego de realizar los tratamientos térmicos y obteniendo el valor de la dureza en la zona de interés, es posible hallar el porcentaje de carbono presente en el material, para lo cual se tomó el valor de la dureza calculado en el borde de la probeta con tratamiento de cementación y temple, ya que es la muestra que nos da un valor más real del porcentaje de carbono adquirido durante la cementación.

(7)

Despejando (%C),

27 BROKS, Charlie R. Principles of the heat treatment of plain carbon and low alloy steels. Tennessee, United

States: ASM International, The materials information society. 490 p.

83

(8)

Se obtiene,

Conociendo el valor de carbono del material previamente cementado y templado se procede a realizar el cálculo del porcentaje de carbono presente en la martensita por medio de la ecuación 6, cuyo resultado se presenta en la Tabla 12, para cada tipo de tratamiento.

Tabla 12. Porcentaje de carbono presente en la martensita.

PORCENTAJE DE FASE


CEMENTACION

, TEMPLE Y REVENIDO 5

MINUTOS

CEMENTACION, TEMPLE Y REVENIDO 10

MINUTOS

CEMENTACION,

TEMPLE Y REVENIDO 15

MINUTOS

Vm 0,5419 0,4981 0,4698 0,4687

Vf 0,4525 0,4831 0,5203 0,5277

Carbono (Cm)

1,594 1,733 1,836 1,840

84

Figura 48. Porcentaje de carbono en la martensita

85

CONCLUSIONES

La microestructura presente en todas las probetas mostró dos fases, que se diferencian claramente entre el borde y el centro de las probetas.

La velocidad de enfriamiento tuvo una influencia bastante importante en la dureza final de la capa cementada y del material base, obteniendo durezas muy elevadas con el tratamiento de cementación y temple y disminuyendo con cada uno de los revenidos a distintos tiempos.

La microestructura cambió en cuanto a la concentración de sus fases, encontrando un material más homogéneo en cuanto a la concentración de las mismas a medida que incrementaba su tiempo de revenido, y evidenciando una diferencia mayor en el material con solo temple posterior, no solo en sus fases sino en la dureza final.

Se evidencia una transformación de la matriz, pasando de Perlita en la probeta cementada, pero sin ningún temple, a una matriz ferrítica-martensítica en todas las probetas a las cuales se sometió al temple posterior.

Se pudo comprobar el comportamiento del acero doble fase en cuanto a las durezas y microdurezas, siendo consecuentes las dos pruebas aplicadas, obteniendo durezas elevadas en la capa cementada que harán que el material sea más resistente al desgaste en la misma, y durezas menores a medida que se acerca la prueba tomada al centro de la probeta, haciendo que el material sea más resistente a impactos dada la absorción de energía de la fase blanda.

Por medio de la caracterización de las microdurezas en la capa cementada se logró observar la profundidad de la misma. Comparando esta con la obtenida mediante el método iterativo aplicando la segunda ley de Fick, se comprobó que ambos datos son bastante cercanos en la probeta de cementación y temple, y a medida que se aumenta el tiempo de revenido la capa se hace más pequeña, dada la difusión de carbono presente en esta hacia el núcleo de las probetas.

86

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