Jesús Salvador Luna Álvarez[1]
Juan Carlos Ortiz Cuéllar
Carlos Rodrigo Muñiz Valdez
Fernando Martínez Villafañe
Catedráticos- investigadores del posgrado de la Facultad de Ingeniería
Universidad Autónoma de Coahuila.
Jesús Salvador Luna Sánchez
Estudiante de la Facultad de Ingeniería
Nely Abigail Rodríguez Rosales
Catedrático- Investigador del Instituto Tecnológico de Saltillo
Julio Saucedo Zul
Catedrático- Investigador. Director de Física Matemáticas
Artículo PDF
CienciaCierta #37, Enero-Marzo 2014
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Resumen
En el presente trabajo se desarrolló un tratamiento termoquímico para un acero AISI 8620, con la finalidad de mejorar las propiedades mecánicas y la obtención significativa de la profundidad de cementado mediante la difusión de carbono en el interior del acero, y su posterior temple y revenido. La temperatura de trabajo fue de 930°C, con una duración de ciclo térmico de 12 horas. Después del tratamiento, las probetas fueron examinadas mediante análisis químico, metalográfico, ensayo de dureza Vickers y ensayo de tensión. Los resultados obtenidos en la caracterización de este tipo de acero fueron favorables. En cuanto a la dureza, el valor máximo obtenido en la superficie fue de 614 Hv, presentando una estructura de martensita típica de los aceros templados, mientras que la profundidad de cementado fue de 1200 µm; estos valores son aceptados por la norma ASME 384. Finalmente, se logró un incremento de resistencia a la tensión de 83% con respecto a su valor inicial.
Introducción
La cementación sólida de aceros comprende el cambio de sus estructuras y, por lo tanto, de sus propiedades, y se logra mediante su calentamiento hasta una determinada temperatura a la cual se expone durante cierto tiempo, para ser enfriado posteriormente (Avner, 1990).
Existen varios tipos de tratamientos térmicos (recocido, normalizado, temple y revenido) que en forma distinta cambian la estructura y las propiedades de la aleación, y que se recomiendan en dependencia de las exigencias planteadas a los semiproductos (piezas fundidas, forjadas, laminadas) y a los productos terminados (engranes, flechas, dados, herramientas y aceros de alta resistencia) ( Lajtin, 1977).
El tratamiento térmico de cementación sólida es una operación muy importante en el ciclo tecnológico de preparación de muchas piezas sometidas a esfuerzos, desgaste, fricción y tenacidad. Solamente con ayuda del tratamiento térmico se pueden obtener altas propiedades mecánicas del acero que garantizan un trabajo normal de los elementos modernos de las máquinas y herramientas (Kolachev, 1980).
La cementación sólida o cementación en caja- posee tres características importantes que controlan el proceso:
- Cambio alotrópico del grafito a carbono.
- Absorción de carbono en la superficie del acero.
- Velocidad de difusión del carbono al interior del acero.
Los factores descritos anteriormente se ven favorecidos por catalizadores como el carbonato de bario y sodio (Apraiz, 1981), los cuales son parte del compuesto cementante.
La cementación sólida se efectúa en un recipiente metálico cerrado (comúnmente de acero inoxidable o un acero aleado), el cual contiene la pieza a cementar rodeada de la rebaba de hierro gris más el catalizador, que es adicionado en un rango de 10 a 20%. El tamaño de las partículas de la mezcla cementante rebaba de hierro gris-catalizador es variable, sin embargo, es común que se encuentren desde el tamiz 10 (2.0mm de abertura) al tamiz 40 (0.42mm de abertura) especificación ASTM E-11. Las temperaturas empleadas en el proceso oscilan entre 815 y 955ºC.
Metodología
La metodología se desarrolló de acuerdo a los siguientes pasos:
- Documentación de la teoría del tratamiento térmico de cementación sólida.
- Recolección de los fundamentos necesarios para el entendimiento del tratamiento de cementación sólida.
- Preparación de muestras de acero.
- Preparación de la mezcla de rebaba de hierro gris y catalizador.
- Fabricación de la caja metálica y tapa de acero inoxidable.
- Análisis químico, metalográfico, de dureza y tensión del acero antes del tratamiento.
- Tratamiento térmico de cementación sólida del acero con los cementantes bajo las condiciones establecidas.
- Análisis químico y propiedades mecánicas al acero tratado.
- Caracterización microscópica del acero cementado.
- Análisis y discusión.
Resultados
Análisis inicial de las propiedades químicas (tabla1) y propiedades mecánicas (tabla 2) del acero a estudiar correspondiente a un acero bajo la norma A.I.S.I. 8620
Se adquirió una barra redonda de 3/4″ la cual fue maquinada para la obtención de las probetas para el ensayo de tensión. Se preparó una muestra para corroborar el análisis químico del acero y se obtuvieron muestras para dureza y análisis metalográfico.
Los resultados obtenidos se presentan en la tabla 1y 2
De acuerdo al análisis obtenido y comparándolo con lo que específica la norma AISI 8620 sí corresponde a dicho acero.
De acuerdo a los datos obtenidos en la prueba de tensión, se considera dentro de las propiedades de un material de este tipo en condición de normalizado (Carvajal, 1990).
La figura 1 muestra la gráfica obtenida del ensayo de tensión antes del tratamiento térmico.
Análisis metalográfico del acero AISI 8620 estudiado
La figura 2 muestra la fotomicrografía del acero antes de ser sometido a tratamiento, revelando una microestructura de granos equiaxiales de ferrita con bandeo de perlita. El tamaño de grano ferritíco es de 9 (0.00025mm2) y 9 ½(0.00018mm2) Norma ASTM E-112.
Figura 2. Fotomicrografía del acero AISI 8620 antes del tratamiento térmico de cementado.
Preparación de caja metálica para el cementado
La figura 3 muestra el diseño de la caja metálica de placa de acero de 1/4″ de espesor, con su respectiva tapa (Shigley, 1990), cuyas medidas son: largo: 30 cm, ancho: 20 cm y alto: 18 cm.
Dentro de la caja se agregó una cama de la mezcla de cementante de rebaba de hierro gris y la sal de carbonato de bario; luego se colocó una probeta de acero AISI 8620 para obtener resultados sobre el ensayo de tensión –incluyendo una muestra testigo, la cual se utilizó para los ensayos metalográfico y de dureza-. Posteriormente se agregó más mezcla, hasta dejar la caja completamente llena; enseguida se colocó la tapa, y con arcilla refractaria se cubrieron los contornos para evitar la entrada o salida de oxígeno. Una vez preparada la caja con la muestra a estudiar, fue puesta dentro del horno para su tratamiento.
Figura 3. Caja metálica utilizada para realizar el tratamiento termoquímico del acero.
Realización y condiciones del tratamiento termoquímico
El tratamiento termoquímico del acero AISI 8620 mediante el uso de rebaba de hierro gris como cementante se realizó de la siguiente manera: La caja metálica que contenía la probeta de acero y la muestra testigo rodeados de rebaba y carbonato de bario, se colocó completamente sellada dentro de la cámara del horno; se cerró la puerta, y en el control de temperatura se indicó 930ºC, iniciándose así el calentamiento. El horno alcanzó la temperatura establecida en un lapso de 4 horas; en ese momento se inició el conteo, tomando como base 12 horas de permanencia. Una vez transcurrido el tiempo se sacó la caja, se retiró la tapa, y se procedió a obtener las muestras, llevándolas a temple con aceite tipo quench-s. El enfriamiento se realizó mediante agitación manual y en forma continua, hasta alcanzar una temperatura de 30ºC. Posteriormente las probetas se colocaron en otra cámara del horno, para darle el revenido a una temperatura de 230ºC por un tiempo de 2 horas y un enfriamiento al ambiente. Una vez concluido el tratamiento, las muestras fueron caracterizadas mediante análisis químico, metalográfico, mapeo de microdureza y ensayo de tensión. Las figuras 4 y 5 muestran el ciclo térmico del tratamiento aplicado.
Fuente: Elaboración propia.
Figura 4. Ciclo térmico mostrando el austenitizado del acero AISI 8620.
Figura 5. Ciclo térmico mostrando el revenido del acero AISI 8620.
Resultados obtenidos en el ensayo de tensión.
La figura 6 muestra la probeta de acero cementada con rebaba de hierro gris, la cual fue ensayada en una máquina para tensión con las siguientes características:
- Diámetro: 12.74 mm.
- Longitud calibrada: 50.80 mm.
- Área: 127.47 mm2.
Los resultados obtenidos son:
- Carga máxima: 16 710 kg-f.
- Carga de fluencia: Falta de fluencia.
- Resistencia a la tensión: 186 449 Psi.
- Alargamiento: Fuera de puntos.
Figura 6. Probeta de tensión y gráfico correspondiente de esfuerzo y deformación del acero AISI 8620.
Resultados obtenidos en el ensayo metalográfico
La muestra de acero fue preparada para obtener una probeta metalográfica, la cual fue analizada vía microscopio. Las figuras 7 (a) y (b) muestran la fotomicrografía que revela los constituyentes que forman la capa cementada.
Figura 7. La fotomicrografía (a) presenta una zona decarburada en la superficie con presencia de martensita 200x. En la (b), una zona cementada revela estructura de martensita 200x.
Profundidad de cementado
Para conocer la profundidad de cementado o difusión de carbono en el acero, se utilizó la probeta metalográfica obtenida después del tratamiento térmico. La figura 8 muestra en forma macroscópica la profundidad de cementado.
Para cuantificar la profundidad de cementado se realizó un mapeo de microdureza. El equipo utilizado fue un durómetro Vickers, bajo la norma ASTM E-384. La tabla 3 muestra los valores de microdureza Vickers, los intervalos a los cuales se fue realizando, las mediciones y su equivalencia en dureza Rockwell “C”. La lectura de 1200* indica la profundidad máxima obtenida después del tratamiento termoquímico.
Figura 8. Probeta metalográfica que muestra la profundidad de cementado (zona oscura).
La figura 9 muestra la fotomicrografía del mapeo de microdureza realizada con el durómetro Vickers con carga de 500grs. Cabe señalar que, en base a la norma mencionada, una dureza menor a 50HRc ya no se considera como profundidad de cementado, por lo tanto, las fases se van modificando, teniendo como resultado una profundidad de 1200 µm con un constituyente de martensita característico de alta dureza y resistencia a la fricción, y otra fase de una combinación de martensita con bainita, constituyente de dureza regular característica de alta tenacidad –el núcleo de la muestra no se ve transformado, presentando una estructura de perlita y buena ductilidad.
Figura 9. Mapeo de microdureza en el cual se determinó la profundidad de cementado. La fotomicrografía (a) presenta la zona subsuperficial con decarburación e inicio de estructura de martensita; la (b), la estructura totalmente formada de martensita; la (c), la combinación de estructura martensítica con trazas de bainita; y la (d), la estructura en su mayoría de bainita con trazas de perlita.
Conclusiones
- El acero que se utilizó para realizar el estudio de cementación sólida es el especificado de acuerdo a lo planteado en este trabajo, comprobado por el análisis químico, pruebas mecánicas y estructuras analizadas.
- El uso de la rebaba de hierro como cementante fue satisfactorio para llevar acabo la difusión del elemento carbono en el acero.
- La sal de carbonato de bario que se utilizó en el cementante ayudó en gran parte para que se lograra la aceleración y activación del carbono para la difusión.
- El diseño de la caja utilizada para realizar el cementado y el acomodo o empaquetamiento de las probetas en su interior, fueron favorables para llevar acabo el tratamiento termoquímico.
- Las estructuras obtenidas en el tratamiento térmico de cementado para este tipo de acero fueron las esperadas, observándose que en la zona superficial se presentó una decarburación y presencia de martensita.
- La zona cementada presentó en su totalidad una estructura de martensita, mientras que en la de transición se encontró bainita más perlita.
- Se incrementó la resistencia a la tensión hasta 83% con respecto a su valor inicial.
- Se incrementó la dureza de 197 Hv hasta 614 Hv en la superficie del acero.
- Se obtuvo una profundidad de cementado favorable.
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CienciaCierta #37, Enero-Marzo 2014
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Referencias bibliográficas
Apraiz, J. (1981). Tratamientos térmicos de los aceros, Estados Unidos, Editorial Dossat.
Avner, S. (1990). Introducción a la Metalurgia Física (2ª. Ed.). Estados Unidos: Editorial McGraw-Hill.
Carvajal, J. L. (1990). Curso de tratamientos térmicos. Publicado en la Corporación Mexicana de Investigación en Materiales S. A. de C. V. pp.186-210. Saltillo Coahuila
Harvey, P. (1982). Engineering properties of steel. ASME., pp. 345-352. Artículo académico
Kolachev, B. A (1980). Tecnología de tratamiento de Metales y aleaciones no ferrosos. Moscú: Editorial MIR.
Lajtin, Y. (1977). Metalografía y tratamiento térmico de los aceros. Moscú: Editorial MIR.
James P. Schaffer, (1999), The science and design of engineering materials, Nueva York: Editorial McGraw-Hill. Edición 2, Universidad de Virginia ISBN 0256247668, Número de páginas 826
Shigley, J .E. (1990). Diseño en ingeniería mecánica. México: Editorial McGraw-Hill.
[1] Autor para correspondencia: salvador.luna@uadec.edu.mx
