EVALUACION DEL PROCESO DE ENDURECIMIENTO SUPERFICIAL DE …

Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa

UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN

FACULTAD DE INGENIERIA DE PROCESOS ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERIA DE MATERIALES

EVALUACION DEL PROCESO DE ENDURECIMIENTO SUPERFICIAL DE UN ACERO SAE:

1020 MEDIANTE CARBURIZACION SOLIDA Y POSTERIOR TEMPLE Y REVENIDO

TESIS PRESENTADA POR LA BACHILLER: RAQUEL BEATRIZ ALEMAN MONTAÑO PARA OPTAR EL TITULO PROFESIONAL DE INGENIERA DE MATERIALES

AREQUIPA-PERU

2014


DEDICATORIA

A mis padres:

Julio y Yolanda por haber confiado en mí,

y por todo el apoyo que siempre me han brindado.

Para ustedes y para mi hermana:

Maria Isabel ; con su

apoyo y cariño, me han motivado

para seguir adelante.


INDICE CAPITULO I GENERALIDADES 1.1 Introducción ......................................................................................................................................... 1

1.2 Antecedentes ...................................................................................................................................... 2

1.3 Planteamiento del problema ........................................................................................................... 2

1.4 Hipótesis .............................................................................................................................................. 3

1.5 Objetivos ............................................................................................................................................... 3

1.5.1 Objetivo General……………………………………………………………………….3 1.5.1 Objetivo específicos…………………………………………………………………... 3

1.6 Justificación…………………………………………………………………………………..3 1.7 Variables independientes e indicadores…………………………………………………….3

CAPITULO II : MARCO TEORICO 2.1 Difusión ...................................................................................................................... 4 2.2 Leyes de Fick .............................................................................................................. 5 2.2.1 Primera Ley de Fick (Velocidad de Difusión) ..................................................... 5 2.2.2 Gradiente se Concentración ............................................................................... 6 2.2.3 Coeficiente de Difusión y la Temperatura .......................................................... 6 2.2.4 La Energía de Activación y el Mecanismo de Difusión ...................................... 7 2.2.5 Tiempos de Difusión ........................................................................................... 8 2.2.6 Segunda Ley de Fick (Perfil de Composiciones) ................................................ 9 2.6.3 Papel del Tamaño de Grano ........................................................................... 11 2.3 Cementación ............................................................................................................. 12 2.4 Cementación sólida y Reacciones Químicas ............................................................ 13 2.5 Clases de Compuestos Cementantes ....................................................................... 16 2.6 Ejecución y Aplicaciones de la Cementación en Caja ............................................... 17 2.7 Ventajas y Desventajas de la Cementación en Caja ................................................. 17 2.8 Potencial de Carbono y Gradiente de Carbono ......................................................... 18 2.9 Temperatura y Velocidad de Cementación ............................................................... 19 2.10 Penetración del Carbono y Gradiente de Dureza ................................................... 20 2.11 Temple y Revenido posterior a la Cementación .................................................... 21 CAPITULO III : METODOLOGIA Y PRUEBAS EXPERIMENTALES

3.1 Material y Metodología……………………………………………………………………28 3.2 Acero SAE: 1020 ....................................................................................................... 28 3.2.1 Composición Química Nominal ..................................................................... 28 3.2.2 Propiedades Mecánicas ............................................................................... 29 3.2.3 Microestructura en estado de suministro ...................................................... 30 3.2.4 Principales Variables del Proceso ................................................................. 30 3.2.4.1 Selección de la Temperatura Austenización y Cementación. ............ 30 3.2.4.2 Tiempo de Cementado y Difusión .................................................... 31 3.3 Proceso Experimental ............................................................................................... 33 3.4 Diagrama del Proceso de Tratamiento Termoquímico .............................................. 35 3.5 Metodología Experimental ......................................................................................... 36 3.5.1 Carburización ............................................................................................... 36 3.5.2 Tratamiento Térmico de Temple ................................................................... 37 3.5.3 Tiempo de austenización .............................................................................. 37 3.5.4 Tratamiento Térmico de Revenido ............................................................... 37 3.5.5 Ensayo de Dureza ........................................................................................ 38


3.5.6 Ensayo de Tenacidad ................................................................................... 38 3.5.7 Análisis de Microestructuras……………………………………………………..40 3.5.8 Análisis Macrografico……………………………………………………………..41

CAPITULO IV : RESULTADOS OBTENIDOS

4.1 Dureza ...................................................................................................................... 42 4.1.1 Dureza Obtenida ............................................................................................ 42 4.1.2 Efecto de la Temperatura de Carburización .................................................... 42 4.1.3 Efecto del Tiempo de Carburización ................................................................ 42 4.2 Tenacidad ................................................................................................................ 45 4.2.1 Efecto de la Temperatura Carburización.........................................................46 4.2.2 Efecto del Tiempo de Carburización...............................................................46 4.3 Diseño Experimental .............................................................................................. 47 4.3.1 Análisis de la Variación de la Dureza ............................................................. 48 4.3.1.1 Análisis de la Varianza ....................................................................... 48 4.3.1.2 Análisis de Residuos para la dureza .................................................. 52 4.3.2 Análisis de la Variación de la tenacidad ........................................................ 54 4.3.2.1 Análisis de la varianza ........................................................................ 54 4.3.2.2 Análisis de Residuos para la tenacidad .............................................. 57 4.4 Análisis Metalográfico ............................................................................................. 59 4.4.1 Microestructuras Finales ................................................................................ 59

4.5 Análisis Macroscopico .............................................................................................69 4.6 Medicion de Espesor de la capa Cemetada.............................................................72

CAPITULO V : DISCUSION DE RESULTADOS 5.1 Tratamiento Termoquímico de Carburización ......................................................... 80 5.1.1 Efecto de la temperatura sobre la dureza superficial ...................................... 80 5.1.2 Efecto de la tiempo sobre la dureza superficial ............................................. 80 5.2 Temple y Revenido ................................................................................................. 81 5.2.1 Temperatura y Tiempo de Revenido .............................................................. 81 5.3 Análisis de la Tenacidad.......................................................................................... 82 5.3.1 Efecto de temperatura de Carburización ........................................................ 81 5.3.2 Efecto de tiempo de Carburización ................................................................. 81 5.4 Diseño Experimental ............................................................................................... 82 5.4.1 Análisis de la Dureza ...................................................................................... 82 5.5 Metalografía ............................................................................................................. 82 5.5.1 Análisis Microestructural .................................................................................. 82 5.5.2 Análisis Macroscópico ..................................................................................... 83 5.5.3 Medición de Espesor de la capa Cementada .................................................. 83 CAPITULO VI : CONCLUSIONES 84

REFERENCIA BIBLIOGRAFIAS 85 ANEXOS 87


INDICE DE FIGURAS

Fig. 1 Difusión 04 Fig. 2 flujos durante la difusión 05 Fig. 3 Gradiente de concentración 06 Fig. 4 Representación grafica de la función error 10 Fig. 5 Difusión de átomos en la superficie de un material usando la segunda ley Fick 10 Fig. 6 Cementación solida o en caja 14 Fig. 7 Muestra los gradientes de carbono 18 Fig. 8 Gradientes de concentración de un acero SAE 1020 19 Fig. 9 Cementacion solida en acero SAE 3115 20 Fig.10 Gradiente de carbono en SAE 3115 20 Fig 11 Gradiente de dureza para aceros SAE 1020 y 8620 21 Fig.12 Temperatura de austenizacion para temple en el diagrama de Fe y C 22 Fig.13 Curso de la temperatura en temple ordinario 23 Fig.14 Dispositivo para determinar la velocidad de enfriamiento 24 Fig.15 Curvas de enfriamiento del núcleo y superficie de la pieza 24 Fig.16 Fases durante el enfriamiento 24 Fig.17 Efecto de revenido en la dureza 26 Fig.18 acero SAE 1020 en suministro 29 Fig. 19. Microestructura de Perlita y Ferrita. Aumento 500x. Nital 30 Fig. 20 Profundidad de capa cementada en función del tiempo y Temperatura de cementado 900°C 32 Fig. 21 Profundidad de capa cementada en función del tiempo. Temperatura de cementado 930°C 32 Fig. 22. Profundidad de capa cementada en función del tiempo. Temperatura de cementado 960°C 33 Fig. 23 Diagrama Temperatura – Tiempo para el Tratamiento Termoquímico 35 Fig. 24. Carbonato de Calcio 36 Fig. 25. Carbón mineral 36 Fig. 26. Ubicación de la muestra 36 Fig. 27. Sellado de contenedor 36 Fig. 28. Horno de resistencias eléctricas 37 Fig. 29. Temple en agua 37 Fig. 30. Durómetro Digital 38 Fig. 31. Máquina de ensayo Charpy 39 Fig. 32. Probetas tratadas para el ensayo Charpy 39 Fig. 33. Probetas fracturadas 39 Fig. 34. Microscopio Metalográfico 40 Fig. 35. Montaje de muestras 40 Fig. 36. Probetas metalográficas 40 Fig. 37. Microscopio Estereográfico 41 Fig. 38 Dureza en función de la temperatura de carburización. 2 y 6 horas. 43 Fig. 39 Dureza en función del tiempo de carburización. 900 y 960°C. 43 Fig. 40 Dureza después de Carburización y Temple 44 Fig. 41 Dureza después de Temple y Revenido 45 Fig. 42 Variación de la Tenacidad con la temperatura de carburización para 2 y 6 horas de tratamiento. 46 Fig. 43 Variación de la Tenacidad con el tiempo de carburización a 900 y 960ºC de tratamiento. 46 Fig. 44 Tenacidad a diferentes condiciones de ensayo. 47 Fig. 45 Diagrama de superficie para la Dureza 50 Fig. 46 Diagrama de Pareto para la Dureza 51 Fig. 47 Valores observados VS Valores estimados para la dureza 51 Fig. 48 Estimación de Durezas en función del Tiempo de carburización mediante el modelo 53 matemático experimental Fig. 49 Diagrama de superficie para la Tenacidad 56 Fig. 50 Diagrama de Pareto para la Tenacidad 56 Fig. 51 Valores observados VS Valores estimados para la tenacidad 57 Fig. 52. Estimación de Tenacidad en función del Tiempo de temple mediante el modelo 59 matemático experimental Fig. 53. Muestra 1. Superficie cementada. Prueba a 900°C/2 horas. Aumento 50x 60 Fig. 54. Muestra 1 (Superficie). Martensita acicular. Prueba a 900°C/2 horas. Aumento 500x 60


Fig. 55 Muestra 1 (Centro). Ferrita y Perlita fina. Prueba a 900°C/2 horas. Aumento 500x 61 Fig.56 Muestra 2. Superficie cementada. Prueba a 960°C/2 horas. Aumento 50x. 61 Fig. 57 Muestra 2 (Superficie). Martensita acicular. Prueba a 960°C/2 horas. Aumento 500x 62 Fig. 58 Muestra 2. (Centro). Ferrita y Perlita fina. Prueba a 960°C/2 horas. Aumento 500x 62 Fig.59 Muestra 3. Superficie cementada. Prueba a 900°C/6 horas. Aumento 50x. 63 Fig. 60 Muestra 3 (Superficie). Martensita acicular. Prueba a 900°C/6 horas. Aumento 500x. 63 Fig. 61 Muestra 3. (Centro). Ferrita y Perlita fina. Prueba a 900°C/6 horas. Aumento 500x 64 Fig.62 Muestra 4. Superficie cementada. Prueba a 960°C/6 horas. Aumento 50x. 64 Fig. 63 Muestra 4. (Superficie). Martensita acicular. Prueba a 960°C/6 horas. Aumento 500x. 65 Fig. 64 Muestra 4. (Centro). Ferrita y Perlita fina. Prueba a 960°C/6 horas. Aumento 500x. 65 Fig.65 Muestra 5. Superficie cementada. Prueba a 930°C/4 horas. Aumento 50x. 66 Fig. 66 Muestra 5. (Superficie). Martensita acicular. Prueba a 960°C/6 horas. Aumento 500x. 66 Fig. 67 Muestra 5. (Centro). Ferrita y Perlita fina. Prueba a 930°C/4 horas. Aumento 500x. 67 Fig. 68 Muestra 6. Superficie cementada. Prueba a 930°C/4 horas. Aumento 50x. 67 Fig.69 Muestra 6. (Superficie). Martensita acicular. Prueba a 930°C/4 horas. Aumento 500x. 68 Fig.70 Muestra 6. (Centro). Ferrita y Perlita fina. Prueba a 930°C/4 horas. Aumento 500x. 68 Fig. 71. Muestra 1. Fractura de grano fino y grueso 69 Fig. 72 Muestra 2. Fractura de grano fino y grueso 70 Fig. 73 Muestra 3. Fractura de grano fino y grueso 70 Fig. 74 Muestra 4. Fractura de grano fino y grueso 71 Fig. 75 Muestra 5. Fractura de grano fino y grueso 71 Fig. 76 Muestra 6. Fractura de grano fino y grueso 72 Fig. 77 Muestra 1. Medición de zona con grano fino. 73 Fig. 78. Muestra 2. Medición de zona con grano fino. 73 Fig. 79. Muestra 3. Medición de zona con grano fino. 74 Fig. 80. Muestra 4. Medición de zona con grano fino. 74 Fig. 81. Muestra 5. Medición de zona con grano fino. 75 Fig.82. Muestra 1. Medición de zona oscura. Probetas Metalográficas 75 Fig. 83. Muestra 2. Medición de zona oscura. Probetas Metalográficas 76 Fig. 84. Muestra 3. Medición de zona oscura. Probetas Metalográficas 76 Fig. 85. Muestra 4. Medición de zona oscura. Probetas Metalográficas 77 Fig. 86. Muestra 5. Medición de zona oscura. Probetas Metalográficas 77 Fig. 87 Espesores de capa cementada Teórica y Experimental 79


LISTA DE CUADROS

Cuadro 1. Energía de activación y Difusividad 08 Cuadro 2. Función error 09 Cuadro 3 Composición Química 29 Cuadro 4 Propiedades mecánicas del acero SAE 1020 29 Cuadro 5 Valores de dureza superficial a diferentes condiciones de tratamiento (temple) 42 Cuadro 6 Valores de dureza superficial a diferentes condiciones de tratamiento (Revenido) 44 Cuadro 7 Tenacidad para muestras cementadas y sin tratamiento. 45 Cuadro 8 Variables y niveles de diseño factorial. 47 Cuadro 9 Matriz de diseño factorial. 48 Cuadro 10 Matriz de diseño factorial con factores codificados para la dureza 48 Cuadro 11 Análisis de error para la dureza. 50 Cuadro 12 Diferencia entre los valores experimentales y predichos para la dureza. 52 Cuadro 13 Matriz de diseño con valores codificados para la Tenacidad 54 Cuadro 14 Análisis de error para la Tenacidad. 55 Cuadro 15 Diferencia entre los valores Experimentales y los estimados para la Tenacidad. 58 Cuadro 16 Espesores promedios de la capa cementada. 78 Cuadro 17 Espesores promedios de la capa cementada Teóricos y Experimentales. 78 LISTA DE ANEXOS Anexo 1. Prueba de Dureza 87 Anexo 2. Ensayo de Charpy. 90 Anexo 3. Efecto del tiempo en el ablandamiento de un acero de 0,82 % C templado y revenido a 649º C. 94 Anexo 4. Efecto del tiempo para 4 temperaturas de revenido, en la dureza de un acero templado de 0,82 %C 94 Anexo 5. Influencia del contenido de silicio en el ablandamiento por revenido en función de la temperatura, en 95

un acero templado de 0,50-0,55 % C.

Anexo 6. Influencia del incremento del % Mn, de 0,75 a 1,75 %, en el ablandamiento por revenido en función 96 de la temperatura, en un acero templado de 0,40-0,45 % C.


RESUMEN

El presente trabajo presenta la Evaluación del proceso de endurecimiento superficial del acero SAE 1020 y

posterior temple y Revenido.

El objetivo de esta tesis es Evaluar el proceso de Endurecimiento Superficial de un acero SAE 1020 mediante

la Carburización Sólida y posterior Temple y Revenido. Así mismo determinar las condiciones óptimas del

tratamiento termoquímico de carburización sobre las propiedades mecánicas de dureza y tenacidad, para

correlacionar los cambios microestructurales ocurridos en el proceso de tratamiento termoquímico de

carburización.

El estudio se inicia en el Capítulo I, con el planteamiento del problema y su justificación. Luego en el Capítulo

II se define los aspectos teóricos de la difusión, leyes de Fick y tratamiento de carburización sólida, temple y

revenido. Continuamos con el capítulo III donde encontramos la metodología y las pruebas experimentales

del proceso de endurecimiento superficial del acero SAE 1020 mediante la carburización sólida y posterior

temple y revenido. Seguidamente el capítulo IV contiene los resultados obtenidos por las pruebas

experimentales del tratamiento térmico. En el capítulo V tenemos la discusión de los resultados donde se

afirma la fuerte influencia de la temperatura de carburización sobre la dureza obtenida como resultado de las

pruebas experimentales. Finalmente en el Capítulo VI se observa las conclusiones producto del trabajo

realizado.

La cementación sólida tiene importancia debido a que endurece la superficie de un material sin modificar su

núcleo, creando así una pieza resistente a la fatiga y a la vez con una superficie de acero con una mayor

concentración de carbono y con una mejor resistencia al desgaste. Por ende la dureza superficial del acero

SAE 1020, sometido a un proceso de carburización y temple es influenciado por la Temperatura y el Tiempo

de cementación.

El resultado obtenido es la evaluación del proceso de endurecimiento superficial para así mejorar las

propiedades mecánicas del acero SAE 1020.

Palabras claves: carburización, temple, difusión, matriz de diseño factorial.


ABSTRACT

This work presents the evaluation of the process of hardening the surface SAE 1020 steel subsequent the

Solid Temple and tempering.

The objective of this thesis is to evaluate the process of surface hardening of a steel SAE 1020 through solid

carburization and subsequent the Solid Temple and tempering. Also determine the optimal conditions of the

thermochemical treatment of carburization on the mechanical properties of hardness and toughness, to

correlate the microstructural changes of the thermochemical treatment of carburization process.

The study begins in chapter I, with the approach of the problem and its justification. Then chapter II defines the

theoretical aspects of the diffusion, Fick and solid carburization, and treatment of solid, hardening and

tempering. We continue with Chapter III where we find the methodology and experimental tests of the process

of surface hardening of steel SAE 1020 through solid carburization subsequent solid temple and tempering.

Then the chapter IV contains the results obtained by the experimental tests of the heat treatment. In chapter V

we have the discussion of the results where the strong influence of temperature on hardness carburizing

obtained as a result of the experimental evidence is affirmed. Finally in Chapter VI the work product made

conclusions observed.

The cementation has solid importance due to the fact that hardens the surface of a material without changing

its core, thus creating a part resistant to fatigue and at the same time with a steel surface with a greater

concentration of carbon and with a better resistance to wear. Therefore the surface hardness of the steel SAE

1020, subjected to a process of carburization and temple is influenced by the temperature and the time of

cementation.

The result is the evaluation of the surface hardening process to improve the mechanical properties of the SAE

1020 steel.

Key words: carburization, temple, diffusion, factorial design matrix.


1

CAPITULO I GENERALIDADES

1.1 INTRODUCCION

Por la necesidad que existe en la industria metalmecánica, actualmente se fabrican componentes

mecánicos que requieren de un tratamiento termoquímico para realizar el trabajo para el cual han sido

diseñados.

La producción de partes y componentes mediante procesos combinados de cementación y temple más

revenido, permite la modificación de las propiedades del material como la resistencia al desgaste, impacto

y fatiga, por lo que se facilita el uso de aceros de bajo contenido de carbono, lo que disminuye los costos

de fabricación y materia prima. El conocimiento de los diferentes fenómenos térmicos y de transporte de

materia, permiten la evaluación de ambos procesos y el efecto que estos ejercen en las propiedades de

las partes tratadas.

La cementación es un tratamiento termoquímico en el que se adiciona carbono a la superficie de una

pieza de acero mediante difusión modificando su composición, impregnando la superficie y sometiéndola

a continuación a un tratamiento térmico. La importancia de la misma radica en que endurece la superficie

de un material sin modificar su núcleo, creando así una pieza resistente a la fatiga y a la vez con una

superficie de acero con una mayor concentración de carbono y con una mejor resistencia al desgaste.

En los talleres de fabricación, se da una cementación y temple de manera empírica sin ningún control

obteniéndose características no deseadas (dureza extremadamente elevada) que causa defectos como

fisuras, rajaduras, dientes quebradizos y que invalidan el engranaje definitivamente para su uso.

El presente trabajo de Tesis, se propone realizar una cementación sólida (carburizing pack) de un acero

SAE: 1020 analizando el efecto de las principales variables en el proceso de difusión sobre sus

características mecánicas.

La parte experimental será llevada a cabo empleando un diseño factorial a dos niveles con replicas en el

centro del modelo para conseguir una significancia estadística. La determinación de los parámetros

operativos a nivel de laboratorio (temperatura y tiempo de carburización) serán determinados mediante

cálculo usando relaciones matemáticas establecidas por la Ley de Fick.


2

El presente trabajo de investigación busca conseguir una metodología experimental consistente en un

tratamiento termoquímico (Carburización) más un temple y revenido, evaluando las microestructuras

formadas, la dureza y la tenacidad resultantes.

1.2 ANTECEDENTES

Todo proceso de calentamiento y enfriamiento controlados al que se somete el metal con el propósito de

variar algunas de sus propiedades. Permite alterar las propiedades físicas y mecánicas. Estos procesos

son de gran importancia industrial.

Para poder aplicar un tratamiento térmico requiere conocer profundamente la reacción del material a los

distintos procesos.

Principales tratamientos termoquímicos y térmicos:

Carburizacion o cementación: Para los aceros de muy bajo carbono se verificaba, al penetrar el carbono

del cementante sólido a través de la superficie del acero y difundirse luego hacia el interior. Pero se ha

comprobado que la transferencia del carbono al acero, se da siempre por medio de los gases que se

desprenden al calentarse las mezclas cementantes a alta temperatura, siendo en estos procesos el

monóxido de carbono el principal agente carburante para la pieza y obteniendo una capa cementada.

Temple: Su finalidad es aumentar la dureza superficial y resistencia del acero. Para ello se calienta el

acero a una temperatura ligeramente mas elevada que la critica superior Ac. Luego se enfria mas o menos

rápidamente en un medio como agua, aceite, etc.

Revenido : Solo se aplica a aceros previamente templados, para disminuir ligeramente los efectos del

temple, conservando parte de la dureza y aumentar la tenacidad. El Revenido consigue disminuir la

dureza y resistencia de los aceros templados y se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora

la tenacidad, dejando el acero con la dureza y resistencia deseada.

1.3 PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Debido a que el tratamiento termoquímico de cementación obedece a leyes difusionales, se plantea el

problema de saber cuál es el efecto de las variables experimentales dependientes como la temperatura y

tiempo de carburización, sobre la formación de microestructuras duras y su influencia en el cambio de

propiedades mecánicas del material en estudio.


3

1.4 HIPÓTESIS

Los aceros con contenidos de carbono (%C <= 0.25%) son considerados como aceros cementables. Por

su bajo contenido de carbono, el acero SAE: 1020 resulta ser es adecuado para la aplicación del

tratamiento termoquímico de cementación mejorando su dureza superficial y manteniendo siempre el

núcleo tenaz.

1.5 OBJETIVOS

1.5.1 Objetivo General

Evaluar el proceso de endurecimiento superficial de un acero SAE: 1020 mediante carburización

sólida y posterior temple y revenido.

1.5.2 Objetivos Específicos

Determinar el efecto de la temperatura de carburizacion sobre la dureza superficial.

Determinar el efecto de la temperatura de carburizacion sobre la tenacidad.

Correlacionar las propiedades mecánicas con los cambios microestructurales ocurridos en el

proceso del tratamiento termoquímico de carburización.

1.6 JUSTIFICACION

El presente trabajo encuentra justificación en:

La mejora de las propiedades mecánicas del acero SAE: 1020, buscando obtener una mezcla

de propiedades mecánicas de resistencia al desgaste y tenacidad mediante la aplicación de un

tratamiento termoquímico más un temple y revenido.

Abrir la posibilidad de utilizar el acero SAE: 1020 para la fabricación de elementos mecánicos

(engranajes, piñones) tratados termoquímicamente en vez de un acero de cementación.

1.7 VARIABLES INDEPENDIENTES

Temperatura de carburizacion y austenizacion

Tiempo de carburizacion

Indicadores:

Mediciones de dureza

Mediciones de tenacidad


4

CAPITULO II MARCO TEORICO

2.1 Difusión

La tendencia natural de átomos y moléculas a moverse desde zonas de alta concentración hacia zonas de

baja concentración se llama difusión Cuando se retira la barrera entre dos sustancias, figura 1, las

moléculas se redistribuyen (o difunden) por todo el recipiente. Al final, la mezcla alcanza un estado de

equilibrio, en el que las Moléculas de ambas sustancias están mezcladas uniformemente. Aunque el

número total de moléculas en el recipiente es el mismo que antes de quitar la barrera, la concentración de

cada sustancia es menor. La velocidad de difusión depende de la masa de las moléculas: las moléculas

con más masa se difunden más lentamente.

fuente: Endurecimiento Superficial del acero Fig. 1 Difusión

El movimiento de los átomos de un metal puro o del elemento base o solvente se conoce como “difusión

propia”, mientras que la difusión de un metal como elemento de aleación en otro metal (base), se conoce

como “difusión sustitucional” (sí la solución que forman ambos elementos es del tipo sustitucional) o

“difusión intersticial” (sí la solución formada es del tipo intersticial).

El movimiento de los átomos dentro de un sólido metálico, en el caso de difusión propia y difusión

sustitucional, depende de la existencia de “sitios vacantes o vacancias”, las cuales son un tipo de defecto

que posee todo metal y el cual es dependiente de la temperatura, su dependencia es de forma

exponencial, por lo que a mayor temperatura mayor concentración de sitios vacantes, con el consecuente

aumento en la difusión atómica, además de que a mayor temperatura mayor energía poseen los átomos,

aumentando por tanto la frecuencia de salto de los mismos de un sitio vacante a otro.


5

2.2 Leyes de Fick

Como ya se mencionó, la difusión es el movimiento de los átomos en un material. Los átomos se mueven

de una manera predecible, tratando de eliminar diferencias de concentración y de producir una

composición homogénea y uniforme. El movimiento de los átomos es necesario para muchos de los

tratamientos que se llevan a cabo sobre materiales. Es necesaria la difusión para el tratamiento térmico de

los metales.

2.2.1 Primera ley de Fick (velocidad de difusión)

La velocidad a la cual se difunden los átomos en un material se puede medir mediante el flujo J, que se

define como el número de átomos que pasa a través de un plano de Superficie unitaria por unidad de

tiempo como se aprecia en la figura 2. La primera ley de Fick determina el flujo neto de átomos:

Fig. 2 flujo durante la difusión definido como el numero de átomos que pasa a través de un plano

de área unitaria por unidad de tiempo.

Fuente: Endurecimiento Superficial del acero


6

2.2.2 Gradiente de Concentración

El gradiente de concentración muestra la forma en que la composición del material varía con la distancia;

∆c es la diferencia de concentración a lo largo de una distancia ∆x, figura 3. El gradiente de concentración

puede crearse al poner en contacto dos materiales de composición distinta cuando un gas o un líquido

entran en contacto con un material sólido.

Fuente:Endurecimiento Superficial del acero Fig. 3 Gradiente de concentración

2.2.3 Coeficiente de difusión y la temperatura

El coeficiente de difusión D está relacionado con la temperatura por la ecuación de Arrhenius

Donde:

Q = la energía de activación de la difusión, esto es, la energía necesaria para hacer pasar a un átomo de

una posición reticular de equilibrio a otra Cal/mol

R = constante de gas ideal = 1.987 Cal /mol°C

T = temperatura absoluta [°K]


7

D0= una constante que depende del parámetro de red y la frecuencia de vibración de los átomos [cm2/s]

Cuando se incrementa la temperatura de un material, el coeficiente de difusión y la densidad de flujo de

átomos también se incrementan. A temperaturas mayores, la energía térmica proporcionada a los átomos

que se difunden, les permite superar la barrera de energía de activación y poder desplazarse más

fácilmente a otros sitios de la red. Por esta razón, los tratamientos térmicos de los metales y el

procesamiento de los cerámicos se realizan a temperaturas elevadas, donde los átomos se mueven

rápidamente para concluir las reacciones o alcanzar las condiciones de equilibrio.

2.2.4 La Energía de Activación y el Mecanismo de Difusión

Una energía pequeña de activación Q incrementa el coeficiente de difusión y la densidad de flujo, puesto

que se necesita menos energía térmica para superar la barrera de energía de activación, que es menor.

La difusión intersticial, con baja energía de activación, ocurre normalmente a un orden de magnitud menor,

o más rápidamente que la difusión por vacantes o por átomos sustitucionales. Las energías de activación

son usualmente menores en los átomos que se difunden a través de estructuras cristalinas abiertas, en

comparación con las estructuras cristalinas compactas. La energía de activación para la difusión del

carbono en el hierro FCC es de 32, 900 cal/mol, pero para su difusión en el hierro BCC, es sólo 20,900

cal/mol.

Las energías de activación son también menores para la difusión de los átomos en los materiales con

temperaturas bajas de fusión y generalmente menores en los átomos sustitucionales pequeños

comparados con átomos más grandes

En el siguiente Cuadro 1, se muestra algunos valores de energía de activación Q y Dº la constante para

algunos sistemas de difusión


8

Fuente: Endurecimiento supercial Cuadro 1.

2.2.5 Tiempo de Difusión

En la difusión volumétrica, los átomos se mueven a través del cristal de un nodo o de la red a otro, o de un

intersticio a otro. Debido a los átomos circundantes, la energía de activaciones grande y la velocidad de

difusión es relativamente baja. Sin embargo, los átomos se pueden difundir a lo largo de los bordes de

grano, interfaces y superficies en el material. Los átomos se difunden mas fácilmente por difusión en borde

de grano debido al escaso empacamiento atómico en los límites granulares. Debido a que los átomos

atraviesan con mayor facilidad el límite o borde de grano que es desordenado, la energía de activación es

baja. La difusión superficial es aun más fácil, ya que hay menos obstáculos. En consecuencia, la energía

de activación es menor y el coeficiente de difusión es mayor para las difusiones de límite de grano y

superficial.

La difusión requiere de tiempo; recuérde que las unidades para el flujo son

Si deben difundirse un gran número de átomos para producir una estructura uniforme, se requieren

tiempos prolongados, incluso a temperaturas elevadas. La duración de los tratamientos térmicos puede

reducirse aplicando altas temperaturas o acortando la distancia de difusión (∆x) lo más posible. Se

advierte que algunas estructuras y propiedades excepcionales se obtienen si se impide la difusión. Los


9

aceros se templan rápidamente a altas temperaturas para prevenir la difusión de las estructuras fuera de

equilibrio, lo cual proporciona el fundamento de los tratamientos térmicos especiales.

2.2.6 Segunda Ley de Fick (Perfil de Composiciones)

La Segunda ley de Fick describe la difusión dinámica de los atomos expresada en la ecuacion diferencial:

Cuya solución depende de las condiciones del límite para una situación parcial. Una solución es :

Donde:

cS= es una constante de concentración de los átomos que se difunden en la superficie del material

c0= es la concentración uniforme inicial de los átomos en el material

cx= es la concentración del átomo que se difunde a la posición x debajo de la superficie después de un

tiempo t

fer= es una función de error y se puede determinarse a partir del cuadro 2 o fig. 4

fuente:Endurecimiento superficial Cuadro. 2


10

Fuente: Endurecimiento superficial Fig. 4 Representación grafica de la función error

De esta manera, la solución de la primera Ley de Fick permite calcular la concentración de muestras

cercanas a la superficie del material como una función del tiempo y la distancia, siempre y cuando el

coeficiente de difusión D permanezca constante y las concentraciones de átomos difundidos en la

superficie cs y dentro del material c0 permanezcan sin cambios.

Fig. 5 Difusión de átomos en la superficie de un material usando la segunda ley Fick

Fuente: endureimiento superficial

Una de las consecuencias de la segunda Ley de Fick es que se puede obtener el mismo perfil de

concentración para diferentes condiciones mientras el termino Dt sea constante. Esto permite determinar

el efecto de la temperatura en el tiempo que requiere un tratamiento térmico en completarse.


11

2.2.7 Papel Del Tamaño de Grano

El procedimiento para determinar la penetracion del temple y la apariencia de la fractura en los aceros de

herramientas al carbono. Donde las ideas por el desigual comportamiento de los aceros de la misma

composicion se ha admitido la decisiva influencia del tamaño de grano en la calidad de las piezas o

herramientas de acero.

Cuando hablamos de tamaño de grano nos referimos a tamaño de grano austenitico, es decir ,tamaño de

gran correspondiente al momento interior a iniciarse el enfriamiento, cuando el acero está, a temperaturas

variables de 750° a 1000° en estado austenitico. Algunas conclusiones interesantes sobre el tamaño de

grano son :

1. El tamaño de grano austenitico, es un factor decisivo en la calidad comportamiento de los aceros.

2. Cada colda de acero, es decir, todo el acero de las barras o piezas fabricadas con una colada, tiene

una forma caracteristica de comportarse. Las piezas o herramientas fabricadas con algunas coladas

de acero, tiene una tendencia muy marcada a dar despues del temple estructuras groseras y son, en

general, frágiles, y las piezas fabricadas con otras coladas que son de grano fino son, en cambio muy

tenaces.

3. El tamaño de grano austenitico de los aceros, se modifica al elevarse la temperatura y al prolongarse

la duración de calentamiento. Si se toman varias barras de una colada de acero que tiene tendencia a

dar fracturas finas despues del temple a temperatura normal, y se templan a temperaturas muy

elevadas (950° a 1050°) se observará que despues de rotas presentan fracturas groseras.

4. En los aceros que despues del temple quedan con una dureza superior a 55 Rockwell-C, hay una

relacion muy etrecha entre el grano de fractura y el tamaño que tenia el grano austenitico en el

momento anterior al temple.

5. Hay una diferencia muy señalada entre el grano de los aceros, que durante el proceso de fabricacion

han sido desoxidados con silicio, y el de los aceros que han sido desoxidados con aluminio. Los

aceros fabricados con silicio, tienen en general grano grueso, y los fabricados con aluminio, grano

fino.


12

2.3 Cementación

La cementación es un tratamiento termoquímico en el cual, se obtiene una superficie muy dura, resistente

al desgaste y a la penetración y a su vez el núcleo central es muy tenaz para poder soportar los choques a

que están sometidas.

La cementación consiste en aumentar el contenido en carbono en la superficie de las piezas de acero,

rodeándolas con un medio carburante, y manteniendo todo el conjunto, durante un cierto tiempo a elevada

temperatura. Luego, se templan las piezas y quedan con gran dureza superficial. Se puede emplear

cementantes sólidos, líquidos y gaseosos, oscilando la duración de la cementación de 6 a 10 horas

cuando se utilizan cementantes sólidos, de 1 a 6 horas cuando se trata de sales o cementantes líquidos y

de 1 hora a varios días utilizando cementación gaseosa. Se pueden emplear aceros aleados y sin

aleación, de bajo contenido en carbono, generalmente de 0.08 a 0.25 %de C y excepcionalmente algunas

veces se cementan también aceros hasta de 0.40 %de C. La operación se realiza generalmente a

temperaturas comprendidas entre 850 y 1000 °C, siendo las temperaturas próximas a 900 °C las más

utilizadas.

En el proceso de cementación se pueden distinguir dos etapas distintas: la absorción del carbono por el

acero y el mejoramiento de sus características por medio de los tratamientos térmicos adecuados. La

cantidad y distribución del carbonó absorbido por la pieza depende de la composición del acero, de la

naturaleza de la sustancia cementante y de la temperatura y de la duración de la cementación. Una pieza

después de cementada se puede considerar compuesta por dos zonas principales de composición

química diferente; el núcleo y la periferia o capa cementada, existiendo entre ellas otra tercera zona de

transición de menor importancia.

La capa exterior queda con alto contenido de carbono y el corazón con la composición inicial, en la

cementación la periferia a pesar de su alto contenido de carbono queda relativamente blanda, y el corazón

a pesar de tener un bajo contenido de Carbono, queda frágil debido la permanencia del acero durante

mucho tiempo a alta temperatura. Como la periferia y el núcleo central de la pieza cementada son de

distinta composición, necesitaran diferentes tratamientos, pero como ambas son inseparables, esos

tratamientos deberán ser de tal naturaleza, que actúen favorablemente para ambas partes.

Se da el nombre de capa cementada a la zona que después de la cementación queda con un contenido de

carbono superior a la del acero y recibe el nombre de capa dura la zona superficial que después del último

tratamiento queda con una dureza superior a 58-60 RC, y que suele corresponder a la zona cuyo

porcentaje de carbono es superior a 0.50 – 0.80 % de C. A veces en lugar de hacer referencia a la


13

profundidad de la capa cementada se señalan según preferencias la capa con carbono superior a 0.3 a

0.5%de carbono.

Los espesores de las capas cementadas que normalmente se emplean en las piezas de máquinas y

motores, se pueden clasificar en tres grupos:

1. Capas delgadas con menos de 0.50 mm de espesor de cementación. Estas profundidades de

cementación se utilizan para pequeñas piezas de acero al carbono, endurecidas generalmente con sales

de cianuro y templadas directamente desde la temperatura de cementación. Estas piezas deben de

utilizarse siempre sin rectificado posterior.

2. Capas medias de 0.50 a 1.50 mm. Estos espesores son los más corrientes para la mayoría de las

piezas que se utilizan en la fabricación de máquinas y motores. Se pueden emplear cementantes sólidos,

líquidos o gaseosos, con aceros al carbono, débilmente aleados o de alta aleación

3. Capas de gran espesor, superiores a 1.50 mm. se obtienen, generalmente por cementación con

materiales sólidos y con cementantes gaseosos y algunas veces, aunque más raramente, con

cementantes líquidos. Cualquiera que sea el proceso que se emplee, conviene que el contenido en

carbono de la capa cementada no pase de 1% y debe procurarse que la parte periférica de la pieza

después de rectificada, quede aproximadamente con 0.8 a 0.90 % de carbono, con lo que se obtiene en el

temple una dureza de 62 a 65 HRC. ya que siempre conviene obtener durezas superiores a 60 HRC

2.4 Cementación Solida y Reacciones Químicas

Es el procedimiento más antiguo utilizado para enriquecer con carbono la superficie del acero. En este

caso, las piezas, después de su elaboración preliminar, se limpian quitándoles la herrumbre, la suciedad y

la grasa. Se utilizan diversos materiales para suministrar el carbono que ha de absorber el acero durante

la cementación. Las más empleadas suelen ser el carbón vegetal,mineral, el negro animal, huesos

calcinados, cuero, etc. que se mezclan con carbonatos de bario, calcio y sodio. El carbón sólo, no se

emplea por que con él no se suelen conseguir concentración de carbono en la periferia del acero,

superiores a 0.65%de C, mezclándola a cambio con carbonatos alcalinos o alcalino-térreos, se alcanza

hasta 1.20%de carbono. Durante mucho tiempo se creyó que la cementación de los aceros de muy bajo

carbono se verificaba, al penetrar el carbono del cementante sólido a través de la superficie del acero y


14

difundirse luego hacia el interior. Pero se ha comprobado que la transferencia del carbono al acero, se

verifica siempre por medio de los gases que se desprenden al calentarse las mezclas cementantes a alta

temperatura, siendo en estos procesos el monóxido de carbono el principal agente carburante, figura 6.

Fuente: endurecimiento superficial Fig. 6 Cementación solida o en caja

El proceso de cementación por el carbón vegetal, coque, etc., se explica en la siguiente forma: El carbón a

elevada temperatura, en contacto con el oxígeno del aire que hay siempre en el interior de las cajas, entre

los huecos que deja la materia cementante, da monóxido de carbono (CO) según la siguiente reacción:

2 C + O2= 2 CO

Luego, el óxido de carbono formado se descompone a elevada temperatura en carbono naciente y dióxido

de carbono.

2CO = C + CO2

En algunos procesos también se realiza la cementación por la acción del metano que se descompone en

hidrógeno y carbono naciente de acuerdo con la siguiente reacción:

C + 3Fe = Fe3C

Formándose carburo de hierro o cementita, y luego al difundirse el carbono o el carburo de hierro hacia el

interior de las piezas es cuando se puede decirse que se produce la cementación. En todos los casos,

para que se verifique con facilidad la absorción del carbono, es necesario que el acero se encuentre en

estado austenítico, esto es, que el hierro se encuentre en forma de hierro γ, condición que se cumple

utilizando las temperaturas normales de cementación. En esas condiciones de 850 a 950 °C el acero

puede absorber hasta 1.40% de carbono aproximadamente, pudiéndose llegar hasta 2 % de C a 1145 °C.

Cuando el hierro se encuentra en estado α a temperaturas más bajas, la capacidad de absorción del

carbono es, en cambio, muy limitada.


15

El carbono, después de haber penetrado en el acero, queda disuelto en el hierro γ y de acuerdo con las

leyes de difusión, al existir en la periferia una concentración más elevada que en el interior, penetra hacia

el corazón. En el proceso de cementación se señalan, por lo tanto, tres etapas diferentes:

1. Producción de carbono naciente en las proximidades de la superficie de acero.

2. Absorción del carbono en las zonas periférica del acero.

3. Difusión del carbono hacia la zona central.

Los principales inconvenientes de los cementantes sólidos son:

1. La gran duración de la operación, generalmente demasiado larga, ya que es necesario calentar hasta

muy altas temperaturas las grandes cajas de cementación.

2. El elevado consumo de combustible, el necesario para calentar el cementante y las cajas

3. El elevado costo de preparación y colocación de las piezas en las cajas.

4. La dificultad de templar directamente las piezas desde la caja y, por tanto, la imposibilidad de emplear

dispositivos automáticos para el temple al trabajar con grandes series.

5. La irregularidad de temperatura en el interior de las grandes cajas de cementación.

Reaciones químicas

Las reacciones químicas que pueden producir la cementación del acero en un medio cementante sólido

como el carbón vegetal, sin adición de activadores, sólo se puede realizar en presencia de una fase

gaseosa activa, por ejemplo el aire, dentro de la caja de cementar:

C+ O2 CO2 exotérmica (1)

C+ ½ O2 CO exotérmica (2)

CO2+ C 2CO endotérmica (3)

Mientras que la primera reacción se emplea a temperaturas relativamente bajas, la (3) representa un

equilibrio que, al aumentar la temperatura se desplaza cada vez más a la derecha. La atmósfera interior de

la caja de cementación se enriquece cada vez más en CO. Se pueden emplear como activadores,

carbonatos de bario, de sodio, de potasio, de magnesio o de estroncio. La eficacia como acelerantes de la


16

reacción, disminuye en el orden en que se han citado. El proceso de activación se basa en las dos

reacciones químicas siguientes:

Me CO3 MeO + CO2

CO2 + C 2CO

La descomposición de los carbonatos no debe ser brusca, sino progresiva para que perdure una

atmósfera gaseosa de composición constante dentro de la caja, durante mucho tiempo. Durante el

enfriamiento el óxido formado reacciona otra vez con el CO2, según la reacción

MeO + CO2 MeCO3

de lo que se deduce que el agotamiento del activador es relativamente pequeño.

La cementación del acero sólo ocurre en un intervalo pequeño de temperaturas, entre 800º y 950º C

Fe γ + 2CO ↔ [C]Fe γ + CO2

El CO2 formado debe separarse rápidamente de la superficie del acero, pues de otra manera volvería a

actuar como descarburante. Por esta razón, en el medio cementante debe mantenerse un equilibrio entre

el CO, que actúa como carburante, y el CO2, que es descarburante. Cuanto más CO exista, más se

acelerará la cementación, y si hay exceso de CO2, se frenará la cementación o incluso puede producirse

descarburación.

2.5 Clases de Compuestos Cementantes

El CO2 formado debe separarse rápidamente de la superficie del acero, pues de otra manera volvería a

actuar como descarburante. Por esta razón, en el medio cementante debe mantenerse un equilibrio entre

el CO, que actúa como carburante, y el CO2, que es descarburante. Cuanto más CO exista, más se

acelerará la cementación, y si hay exceso de CO2, se frenará la cementación o incluso puede producirse

descarburación.

2.6 Ejecución y Aplicaciones de la Cementación en Caja


17

Las piezas se empaquetan en una caja con una cantidad suficiente del polvo de cementar y colocadas de

tal manera que toda su superficie se encuentre rodeada del polvo. Después se cierra la caja con una tapa

y se hace la junta hermética con barro. Las cajas, y con ellas las piezas que llevan dentro, se calientan

hasta la temperatura de cementación y se mantienen las horas necesarias para lograr la profundidad de

cementación deseada. Una vez conseguida esta profundidad, lo que se comprueba rompiendo una

probeta de ensayo, se enfrían las cajas al aire. Si las piezas deben mecanizarse después del enfriamiento,

se recomienda realizar un recocido intermedio a 650º C, para conseguir que la dureza se mantenga igual o

menor de HRC32.

La cementación en caja sólo se aplica a piezas con una capa cementada gruesa, que no deban emplearse

inmediatamente después de la carburación. Pueden alcanzarse profundidades de cementación de hasta 3

mm. La larga permanencia entre 900 y 1000º C asegura la eliminación de cualquier tensión existente

procedente de la manufactura, pero pueden producirse deformaciones grandes. Otra desventaja es el

embastecimiento del grano, como consecuencia de estas largas duraciones de la cementación. También

se la emplea cuando las piezas son tan grandes que difícilmente podrían tratarse en baño de sales y, por

último, cuando no se dispone de baños de sales ni de instalaciones para cementar en gases.

2.7 Ventajas y Desventajas de la Cementación en Caja

Ventajas de la Cementación en Caja

1) Puede usarse en una gran variedad de hornos, porque no requiere el uso de atmósferas controladas

2) Es eficiente y económico para el proceso individual de pequeños lotes de piezas

3) Incorpora un método simple para el enfriamiento lento de piezas que deben ser maquinadas después

de la cementación y antes del temple

4) Ofrece una amplia selección de técnicas para cementación selectiva de las piezas.

Desventajas de la Cementación en Caja

1) no es adecuado para la producción de capas finas que requieran controles estrictos

2) no se puede controlar con exactitud el % de C de la superficie y del gradiente de carbono, como sí en la

cementación gaseosa

3) no es adecuado para efectuar el temple directo o para enfriar en matriz.


18

4) El peso de la caja y del material cementante reduce la velocidad de calentamiento y de enfriamiento y

por ello se necesita mayor tiempo de cementación.

2.8 Potencial de Carbono y Gradiente de Carbono

Potencial de Carbono

Se denomina potencial de C de la atmósfera generada por el compuesto carburizante, al contenido de C

obtenido en la superficie del acero; se incrementa con el aumento de la relación de CO a CO2. El mayor %

de C se desarrolla en la superficie del acero con el uso de energizantes o activadores que promueven la

formación de CO.

Gradiente de Carbono

El gradiente de concentración de C en las piezas cementadas está influenciado principalmente por el

potencial de C, la temperatura de cementación, el tiempo y la composición química del acero.

La Fig. 7 muestra los gradientes de carbono producidos por la cementación líquida en aceros SAE

1020 a 840º C, 870° C y 950º C para varios períodos de tiempo a la temperatura de cementación. En

la parte inferior se puede observar el gradiente obtenido en un SAE 8620 cementado a 915º C

durante 8 hs.

Fuente: metalografia y tratamientos termicos


19

Fig. 8 Gradientes de concentración obtenidos cementando a diversas temperaturas y tiempos un

acero SAE 1020 de 25 mm de diámetro, y un 8620 cementado a 915º C por 8 hs (abajo).


2.9 Temperatura y Velocidad de Cementación

Temperatura de cementación

La cementación en caja se realiza normalmente entre 815º C y 950º C, pudiendo incrementarse cuando se

tratan aceros de grano fino que se mantengan sin crecimiento a temperaturas cercanas a 1040º C.

Velocidad de cementación

La velocidad a la cual se logra la profundidad de capa, se incrementa rápidamente con la temperatura. Si

se considera un factor de 1,0 para 815º C, el factor se incrementa a 1,5 a 870º C, y es algo más de 2,0 a

930º C. De todas maneras la velocidad de cementación es más rápida al comienzo del ciclo y

gradualmente disminuye a medida que éste se extiende. En la Fig. 9 se muestra la profundidad de capa en

función del tiempo de cementación y en la Fig. 10, el gradiente de C para diferentes tiempos a una

temperatura de 930º C en acero aleado SAE 3115.


20

Fig. 9 Cementacion solida en acero SAE 3115 fig.10. gradiente de carbono en SAE 3115


2.10 Penetración de carbono y Gradiente de Dureza

Penetración de carbono

En la cementación líquida, la profundidad de capa está determinada fundamentalmente por la temperatura

y el tiempo de cementación. Los efectos de la composición del acero no tienen mucha importancia. La

fórmula para estimar la profundidad de capa total es:

Pc= K√t

Pc= profundidad de capa

t = tiempo de calentamiento, en horas

K = constante que representa la penetración en la primera hora.

Los valores de Pc a tres temperaturas diferentes son:

0,305 mm. a 815° C

0,457 mm. a 870° C

0,635 mm. a 930° C


21

Gradiente de dureza

El gradiente de carbono produce una variación de la dureza por debajo de la superficie. En la Fig. 11 se

indican los gradientes de dureza obtenidos en aceros al C y de baja aleación. Los datos en aceros SAE

1020 y 8620 están graficados en ciclos de 2, 4, 8, 15, 20 y 40 hs. Las probetas fueron enfriadas al aire

desde las temperaturas indicadas (870, 900 y 930° C), recalentadas en sales neutras a 845° C y

templadas en sales fundidas a 180° C.

Fig 11 Gradiente de dureza para aceros SAE 1020 y 8620, cementados a distintas temperaturas y

tiempos.


2.11 Temple y Revenido posterior a la Cementación

Temple

Es una operación que se realiza calentando a una temperatura por encima del punto de transformación

Ac3 o Ac1, enfriando con tal velocidad que se produzca un considerable aumento de la dureza,


22

superficialmente o hasta el núcleo de la pieza, lo que se debe en general a la formación de martensita. En

la Fig. 12 se muestra la franja de temperatura utilizada para la austenización en el diagrama Fe-C.

Fig. 12 temperatura de austenizacion para temple en el diagrama de Fe y C Fuente: metalografia y tratamientos termicos

La fig. 13 indica el curso de la temperatura en el temple ordinario. Después del calentamiento, se

austeniza la estructura del acero a una temperatura superior a Ac3. En el enfria-miento rápido posterior se

transforma la austenita en martensita.

La formación de martensita está influida, además por la temperatura de temple, el tiempo de

mantenimiento a ella y la forma de enfriamiento. Si la temperatura de temple es demasiado alta, se forma

una martensita de agujas gruesas como consecuencia de la falta de gérmenes y lo mismo ocurre si el

tiempo de mantenimiento es demasiado largo.

La velocidad de enfriamiento depende del tipo de acero y en todos los casos, ha de ser superior a la

velocidad crítica. Este enfriamiento brusco aumenta las tensiones térmicas y de transformación

engendradas en el acero, y en las piezas de forma complicada existe el peligro de fisuración.

Inmediatamente después del temple, se aplicará un revenido a temperatura de unos 200° C, que no afecta

sensiblemente a la dureza, pero alivia las tensiones de temple. A la vez el acero se hace menos sensible

al envejecimiento, porque parte de la austenita residual se transforma en martensita y bainitas, y la

martensita tetragonal, en cúbica.


23

El temple ordinario se aplica a piezas que estarán en servicio sometidas a exigencias no muy grandes y a

herramientas en las que se pretende alcanzar penetración en el temple. A pesar de su sencillez, no se

aplica a piezas de formas complicadas y materiales


Fig. 13. Curso de la temperatura en temple ordinario

Asimismo tiene etapas en la cual es necesario mencionar para que ocurra este proceso son :

Etapa de Precalentamiento

Etapa de Calentamiento ,el tiempo de calentamiento para la disolución de los constituyentes y

austenizar completamente, depende del tamaño y forma de la pieza y de la estructura previa. La condición

previa que transforma más rápidamente en austenita, es el temple y revenido, seguido del perlítico de

normalización, las estructuras laminares vastas y por último la cementita globular. El tiempo necesario

para un tratamiento comprende tres puntos:

1) Tiempo para que la superficie de la pieza alcance la temperatura del horno.

2) Tiempo para que la temperatura vaya progresando hacia el interior de la pieza y alcance en su centro la

temperatura del horno.

3) Tiempo verdadero de mantenimiento para preparar la estructura adecuada para el temple.

En el esquema de la Fig. 14 se muestra un dispositivo para determinar el tiempo para lograr la uniformidad

de temperatura. Una termocupla mide la temperatura del horno y otra, alojada en el interior de una

probeta, permite seguir el calentamiento del núcleo de la pieza


24


Fig.14 Dispositivo para determinar la velocidad de enfriamiento

Etapa de enfriamiento se producen tres fases, la de recubrimiento de vapor, la de ebullición y la de

convección y conducción, si la temperatura de ebullición del medio de temple está por debajo de la

temperatura de temple de la pieza, como se observa en la Fig. 15, para un redondo templado en aceite.

Fig. 15 curvas de enfriamiento del núcleo y superficie de la pieza

Fig.16 fases durante el enfriamiento

I. Recubrimiento de vapor II. de ebullición III. de convección



25

REVENIDO

Es un tratamiento necesario para reducir la fragilidad; para ello se las somete a un calentamiento

inmediatamente posterior al temple, denominado revenido. Como consecuencia se observará una

disminución en la dureza final de las piezas, que se debe corresponder con las especificaciones indicadas

en el plano.

El proceso de revenido involucra principalmente la precipitación y coalescencia de varios carburos de Fe y

otros elementos aleantes. A la temperatura de calentamiento, el Fe disuelve 50 veces más C que a

temperatura ambiente. Durante el temple se alcanza en pocos segundos un tremendo potencial de

sobresaturación de C en el Feα. Las formas estables (o al menos metaestables) del C son los cristales de

carburos, pero justo después del temple se encuentra en una disposición al azar proveniente de la

solución sólida de austenita. La falta de difusión fuerza a esta condición.

Sometido a temperatura, el C difunde adecuadamente para explicar el fenómeno de revenido como un

crecimiento de partículas; con suficiente temperatura se forman partículas fácilmente reconocibles. El uso

del microscopio electrónico ha permitido la observación de partículas de carburos aun después de

revenidos a temperatura muy baja (lo que no es observable con microscopio óptico).

Una característica necesaria para incrementar el tamaño y disminuir el número de partículas dispersas, es

mantener la temperatura constante por un intervalo prolongado, después de templar. Al incrementar la

temperatura para un tiempo dado, la dureza de un acero al C se reduce de una manera definitiva, como se

observa en el gráfico dureza vs. temperatura de revenido, para 1 hora, en un acero templado de 0,62 % C

Fig.17.


26

Fig. 17 efecto de revenido en la dureza de 0.62 % templado, realizado durante una hora a varias

temperaturas, Fuente: metalografia y tratamientos termicos

Se debe tomar en cuenta 5 etapas en el proceso de revenido:

1º etapa: el calentamiento a temperaturas muy bajas 150-200º C produce un ligero oscurecimiento de la

martensita

2º etapa: Comienza a partir de los 200º C aproximadamente; el microscopio electrónico ha mostrado que

ocurre la precipitación del carburo Epsilon, el cual tiene una estructura hexagonal compacta y una fórmula

aproximada a CFe2,4, que al precipitar deja una matriz de martensita de bajo % de C (alrededor de

0,25%).

3º etapa: Tiene lugar en aquellos aceros, especialmente aleados, en los que queda austenita retenida

después del temple, y cuando se supera el punto Ms en el revenido; entonces aquella comienza a

transformar en bainita. Si la cantidad de austenita es elevada, se manifiesta una resistencia al

ablandamiento, ya que la bainita es más dura.

4º etapa: A medida que se incrementa la temperatura cerca de los 280º C, comienza a disolverse el

temperatura

5º etapa: Retardo de ablandamiento y dureza secundaria a temperaturas mayores a 450º C. Los aceros

con elementos aleantes producen una resistencia al ablandamiento como consecuencia de su influencia

en la difusión del carbono


27

Finalmente en el revenido se obtiene como resultado un ablandamiento del acero para una maquinación o

un trabajo en frío posterior y aumenta la ductibilidad y mitiga las tensiones producidas por trabajos en frío o

tratamientos anteriores.


28

CAPITULO III MARCO METODOLOGICO

3.1 Material y Metodología

A partir de una barra cuadrada de 12.5 mm de lado en calidad SAE: 1020, se mecanizaron 10 probetas

con dimensiones de acuerdo a la norma ASTM E-23 para ensayo Charpy.

MATERIALES :

Barra cuadrada de 1/2” x 1.0 mt en Acero SAE: 1020

Resina acrílica

Moldes de 1” de diámetro en PVC

Papeles Abrasivos 220 y 600

Carbón mineral, carbonato de calcio

Ácido Nítrico, alcohol, algodón

Alúmina de 1 micra

EQUIPOS:

Esmeril de banco

Máquina Desbastadora

Máquina Pulidora

Microscopio Metalográfico

Horno de resistencia eléctricas

Termocuplas y termómetros

Máquina de ensayo Charpy

Durómetro

Horno de resistencias

3.2 Acero SAE: 1020

3.2.1 Composición Química Nominal

La composición química del material corresponde a aquella indicada por la hoja técnica del proveedor

Aceros Arequipa S.A., equivalente a la Norma ASTM-A36. El cuadro Nro. 3, muestra el análisis químico

de colada.


29

Cuadro Nro. 3. Composición Química

Calidad C

[%]

Si

[%]

Mn

[%]

P

[%]

S

[%]

1020 0.17/0.24 0.15/0.30 0.40/0.70 0.040 0.035

Fuente: hoja técnica de aceros del Perú

Acero estructural de bajo carbono, puede utilizarse en estado laminado en caliente, cementado o estirado

en frío (calibrado) utilizado en elementos de maquinaria que requieren gran tenacidad, junto con una

dureza no muy alta, posee buena ductilidad y soldabilidad.

Utilizado en partes de vehículos y maquinaria que no estén sometidos a grandes esfuerzos mecánicos.

Los más usuales son ejes, pasadores, eslabones para cadena, Bridas, Clavos de ferrocarril, tornillería

grado 2 (corriente) grapas etc. Otros usos incluyen engranajes ligeramente esforzados con endurecimiento

superficial, pines endurecidos superficialmente, piñones, tornillos, componentes de maquinaria, prensas y

levas.

Fuente: composición de acero Fig.18 acero SAE 1020 en suministro

3.2.2 Propiedades Mecánicas

En el cuadro Nro.4, se muestran los valores de las propiedades mecánicas propias para el acero SAE

1020.

Cuadro Nro. 4. Propiedades Mecánicas para el acero SAE: 1020

Calidad

Resistencia Min. (Kg/cm2)

Límite Fluencia (Kg/cm2)

Elongación (%)

1020 41 – 56 23-33 22

Fuente: hoja técnica de aceros del Perú


30

3.2.3 Microestructura en Estado de Suministro

En la fig. Nro. 19, se muestra la microestructura que presenta el acero SAE: 1020. Por ser un acero

estructural de bajo contenido de carbono, las fases micro estructurales presentes corresponden a perlita y

ferrita.

Fig. Nro. 19. Microestructura de Perlita y Ferrita. Aumento 500x. Nital Fuente: elaboración propia

3.2.4 Principales Variables del Proceso

3.2.4.1 Selección de la Temperatura de Cementación y austenizaccion

Se debe considerar que la cementación se rige por el fenómeno de difusión, por consiguiente es necesario

fijar temperaturas relativamente altas de tratamiento. La velocidad máxima a la cual el carbono puede

ingresar al acero está limitada por la velocidad de difusión del carbono en austenita. Esta velocidad de

difusión se incrementa pronunciadamente al incrementar la temperatura. Por ejemplo, el carbono se

incorpora en el acero un 40% más rápido al pasar de 870 ºC a 925 ºC. Una temperatura de carburización

muy empleada es 925ºC, por permitir una velocidad de carburización razonablemente rápida sin un

deterioro excesivo del interior del horno. Esta temperatura puede ser elevada a 955 ºC y 980 ºC, acortando

el tiempo de carburización para piezas que requieran mayor profundidad de capa. A la inversa, en caso de

requerir menores profundidades de capa, se emplean menores temperaturas de carburización obteniendo

un control mucho más preciso de la capa carburada. Teniendo en cuenta estos criterios, se selecciona el

rango de 900 a 960 ºC para las pruebas de cementación.

P

F


31

3.2.4.2 Tiempo de Cementado y Difusión

La profundidad de la capa cementada aumenta con la temperatura y con la duración del proceso. Entre 2 a

6 horas de tratamiento a una temperatura de 950°C es posible obtener una profundidad de capa

cementada de 3 mm. El tiempo de cementado se determinó aplicando la segunda Ley de Fick, además de

considerar la ecuación de Arrenius para el cálculo de la difusividad D.

Cálculo del Tiempo de Carburización

Difusividad:

Donde:

Do = Constante de proporcionalidad, (cm2/s)

Q = Energía de activación de las especies en difusión (Cal/mol)

R = Constante molar de gases (Cal/mol°K)

T = Temperatura (°K)

Segunda Ley de Fick:

Donde:

Cs = Concentración superficial del elemento en el gas que difunde dentro de la superficie (%)

Co = Concentración inicial uniforme del elemento en el sólido (%)

Cx = Concentración de elemento a la distancia x de la superficie en un tiempo t (%)

D = Difusividad del elemento soluto que difunde (cm2/s)

X = Distancia desde la superficie (cm)

t = Tiempo (seg)

Las Figuras Nro. 20, 21 y 22; muestran las curvas tiempo vs. Espesor de capa cementada para diferentes

concentraciones Cx y temperaturas de prueba.


32

Fuente: elaboración propia

Figura Nro. 20 Profundidad de capa cementada en función del tiempo.

Temperatura de cementado 900°C


Figura Nro. 21 Profundidad de capa cementada en función del tiempo. Temperatura de cementado 930°C


33

Fuente: Elaboración propia

Figura Nro. 22. Profundidad de capa cementada en función del tiempo. Temperatura de cementado 960°C

3.3 Proceso Experimental

El proceso de cementación consta de dos etapas.

1ra Etapa: Ocurre el proceso de “cementación gaseosa” tiene su fundamento en el fenómeno de difusión

del carbono, desde una atmósfera rica en gas hidrocarbonáceo a una superficie del acero, a una

temperatura por encima de la línea A3 del diagrama de fase del sistema hierro - carburo de hierro.

Produciéndose así un alto contenido de carbono, debido a la rápida difusión y a la alta solubilidad del

carbono en la austenita.

2da Etapa: Cuando el acero es templado, ocurre la transformación martensítica en la superficie o capa

cementada de alto contenido de carbono, logrando alta dureza superficial y manteniendo el núcleo blando.

En el Diagrama Nro. 1, se presenta las principales operaciones, equipos, material y demás insumos

necesarios que fueron utilizados para la realización de las pruebas experimentales.


34

Diagrama Nro. 1. Proceso Experimental


Material Probetas mecanizadas

Acero SAE 1020

Equipo - Durómetro

Digital

Carburización 900 -960°C 2, 4, 6 horas

Equipos y Accesorios - Horno - Contenedores - Pinzas - Termocupla

Análisis de Dureza Muestra sin tratamiento Muestras Templadas

Análisis de Propiedades Mecánicas

Muestras sin tratamiento Muestras Templadas

Muestras con temple y

revenido

Equipos

- Màquina de

Ensayo Charpy

Metalografìa Muestra sin tratamiento

Muestras Templadas

Muestras con temple y

revenido

Equipos

- Pulidora

- Microscopio

Metalográfico

Temple Austenización 850°C

20 min. Revenido 150°C a 30min

Equipos y Accesorios - Horno - Recipientes - Pinzas


35

3.4 Diagrama del Proceso de Tratamiento Termoquímico

El proceso de carburización se realizó empleando contenedores cilíndricos, donde se colocaron las

probetas de acero además de carbón mineral (aporte de Carbono) y CO3Ca (activador) manteniendo una

relación porcentual de Carbón/Activador igual 11.5. Para evitar la fuga de gases, el contenedor se selló

empleando una tapa cerámica hecha de una mezcla de arcilla, arena silícea y silicato de sodio para

acelerar su secado.

Las temperaturas de carburización fueron de 900, 930 y 960°C con un tiempo constante de sostenimiento

a estas temperaturas de 2, 4 y 6 horas, luego de los cuales se enfriaron a temperatura ambiente. El temple

se realizó austenizando las probetas a 850ºC por un tiempo de 20 min. y enfriando rápidamente en agua a

19.7°C.

La Figura Nro. 23, presenta el diagrama de enfriamiento para el proceso completo del tratamiento

termoquímico.

Figura Nro. 23 Diagrama Temperatura – Tiempo para el Tratamiento Termoquímico


Tiempo (min)

A1

930°C

960°C

Agua

850°C

Temperatura

°C

900°C

150°C

Aire


36

3.5. Metodología Experimental

3.5.1 Carburización

Para un eficiente proceso de carburización es necesario utilizar un contenedor de acero inoxidable para

evitar la rápida degradación del mismo por la formación de cascarilla. Se aseguró el cierre hermético del

contenedor utilizando una tapa de arcilla y barbotina. La disposición de las muestras en el interior del

contenedor se realizó manteniendo una distancia de 2.5 cm entre el fondo y las paredes del recipiente.

Transcurrido el tiempo de carburización, el contenedor es retirado del horno se deja enfriar a temperatura

ambiente. Las Figuras Nros.24, 25, 26 y 27 muestran los componentes del cementante y el contenedor

sellado.


Figura Nro. 24. Carbonato de Calcio Figura Nro. 25. Carbón mineral


Figura Nro. 26. Ubicación de la muestra Figura Nro. 27. Sellado de contenedor


37

3.5.2 Tratamiento Térmico de Temple

La temperatura de austenización fue definida en función del contenido nominal de carbono

correspondiente a un acero SAE: 1020. Se recomienda austenizar alrededor de 850ºC y luego proceder al

temple para evitar gradientes térmicos altos y, en consecuencia, distorsiones, fisuras y desprendimientos

de capa.

3.5.3 Tiempo de Austenizaciòn

El tiempo de permanencia dentro de la cámara del horno se determinó considerando la geometría y

dimensiones de las probetas y aplicando la relación práctica siguiente:

Tiempo de austenización = 20 + [Diámetro (cm)] / 2 ; para Diámetros < 21 cm.

Tiempo de austenización = 20 + 0.5 = 20.5

Para el calentamiento de las probetas mecanizadas se empleó un horno de resistencias eléctricas marca

Veb Elektro Bad Frankenhausen con controlador digital de temperatura de 0 a 1200°C. Las Figuras Nro.

28 y 29, muestran el horno de resistencias eléctricas con su controlador digital de temperatura y el

proceso de temple en agua.

Figura Nro. 28. Horno de resistencias eléctricas Figura Nro. 29. Temple en agua


3.5.4 Tratamiento Térmico de Revenido

Se llevó a cabo un revendido a una temperatura de 150ºC por 30 minutos con el fin de no disminuir

considerablemente la dureza superficial. Transcurrido el tiempo de sostenimiento se retiraron las muestras

y se dejaron enfriar al ambiente.


38

3.5.5 Ensayo de Dureza

Para la evaluación de la dureza se empleó un durómetro digital INDENTEC y utilizando la escala Rockwell

C con aplicación de una carga de 150 kg-f y un microindentador de cono de diamante. La Figura Nro. 30,

muestra el equipo empleado para la medición de la dureza. Las muestras fueron cuidadosamente pulidas

para retirar la oxidación superficial.

Fuente: elaboración propia Figura 30. Durómetro Digital

3.5.6 Ensayo de Tenacidad

El ensayo se realizó en una máquina de ensayo Charpy Veb Werkstoffprufmaschinen Leipzig y aplicando

una carga de 30 000 kg. Se tuvo especial cuidado en no contaminar las superficies fracturadas que fueron

llevadas a análisis macrográfico mediante observación al microscopio estereográfico. Las Figuras Nro. 31,

32 y 33, muestran la máquina de ensayo Charpy y las probetas tratadas térmicamente antes y después del

ensayo.


39

Fuente: elaboración propia Figura 31. Máquina de ensayo Charpy

Figura Nro. 32. Probetas tratadas para el ensayo Charpy Figura Nro. 33. Probetas fracturadas



40

3.5.7 Análisis de Microestructuras

Para el análisis microestructural, se utilizó un microscopio metalográfico METALAB de platina invertida y

de luz reflejada, provisto de un conjunto de lentes objetivos de 5, 10, 20 y 50x. Después de realizar el

montaje de las muestras en resina acrílica, se procedió a realizar el desbaste utilizando lijas al agua de

grano #220, 320, 400, 600 y seguidamente se pulieron con alúmina de 1.0 μm. En las Figuras Nro. 34, 35

y 36, se muestran el microscopio Metalab, la operación de montaje y las probetas metalográficas.

Figura Nro. 34. Microscopio Metalográfico


Figura Nro. 35. Montaje de muestras Figura Nro. 36. Probetas metalográficas



41

El ataque químico para revelar la microestructura característica de cada muestra, se realizó usando una

solución de Nital al 3% (97 ml de alcohol etílico, 3 ml de ácido nítrico) esto; tanto para el material sin

tratamiento así como el tratado térmicamente.

3.5.8 Análisis Macrográfico

El análisis de la fractura se realizó empleando un microscopio estereográfico Carl Zeiss con aumentos de

0.5 a 5X. Las superficies de fractura fueron previamente limpiadas con aire seco y forzado a fin de retirar

las partículas extrañas que podrían depositarse sobre éstas. La Figura Nro. 37, muestra microscopio

estereográfico empleado para analizar las fracturas.

Figura Nro. 37. Microscopio Estereográfico



42

CAPITULO IV RESULTADOS OBTENIDOS

4.1 Dureza

4.1.1 Durezas Obtenidas

El endurecimiento superficial del acero SAE: 1020 fue confirmado mediante la medición de la dureza

después del temple. En el cuadro Nro. 5, se muestran las durezas para temperaturas y tiempos de

tratamiento y para la muestra sin tratamiento (ST).

Cuadro Nro. 5. Valores de Dureza Superficial a diferentes condiciones de tratamiento

Muestra

Temperatura de Carburizaciòn (°C)

Tiempo de Carburizaciòn (horas)

Dureza HRc

1 900 2 35,9

2 960 2 45,7

3 900 6 45,0

4 960 6 52,8

5 930 4 44,7

6 930 4 46,6

7 930 4 48,5

8 930 4 46,0

9 930 4 46,0

10 Sin tratamiento 17,0 Fuente: elaboración propia

4.1.2 Efecto de la Temperatura de Carburización

En la Figura Nro. 38, se muestra el efecto de la temperatura de carburización sobre la dureza para

pruebas considerando un tiempo de carburización de 2 y 6 horas.

4.1.3 Efecto del Tiempo de Carburización

En la Figura Nro. 39 se muestra el efecto del tiempo de carburización en la dureza para muestras

carburizadas a 900 y 960°C.


43

Figura Nro. 38 Dureza en función de la temperatura de carburización.

Tiempo de carburización 2 y 6 horas.


Figura Nro. 39 Dureza en función del tiempo de carburización.

Temperatura de carburización 900 y 960°C.


La Figura Nro. 40, presenta las durezas alcanzadas por muestras sometidas a diferentes condiciones

según la matriz experimental de pruebas.


44

Figura Nro. 40 Dureza después de Carburización y Temple

4.1.4 Durezas obtenidas después del Revenido

En el Cuadro Nro. 6 se muestran las durezas para temperaturas y tiempos de tratamiento y para la

muestra sin tratamiento (ST).

Cuadro Nro. 6 Valores de Dureza Superficial a diferentes condiciones de tratamiento

Muestra Temperatura Revenido (°C) Tiempo Revenido (min)

Dureza HRc

1 150 30 30.9

2 150 30 42.2

3 150 30 42.0

4 150 30 48.4

5 150 30 43.9

6 150 30 46.1

7 150 30 48.2

8 150 30 44.5

9 150 30 37.1

10 Sin tratamiento 17,0 Fuente: Elaboracion propia

La Figura Nro. 41, presenta las durezas alcanzadas por muestras carburizadas a diferentes condiciones

de prueba después de temple y después de revenido.

Fuente: Elaboracion propia


45

fuente: Elaboracion propia Figura Nro. 41 Dureza después de Temple y Revenido

4.2 Tenacidad

El cuadro Nro. 7, muestra los resultados del ensayo Charpy realizados sobre muestras tratadas y muestra

sin tratamiento.

Cuadro Nro. 7 Tenacidad para muestras cementadas y sin tratamiento

Muestra



Jouls ( J )

1 900 2 33,32

2 960 2 13,72

3 900 6 31,36

4 960 6 13,72

5 930 4 16,66

6 930 4 11,76

7 930 4 14,70

8 930 4 11,76

9 930 4 18,62

10 Sin tratamiento 217,56 Fuente: Elaboracion propia


46

4.2.1 Efecto del Temperatura de Carburización

La Figura Nro. 42, muestra el efecto de la temperatura de carburización sobre la tenacidad para 2 y 6

horas de tratamiento.

fuente: Elaboracion propia

Figura Nro. 42 Variación de la Tenacidad con la temperatura de carburización para 2 y 6 horas de

tratamiento.


En la Figura Nro. 43, se observa efecto del tiempo de carburización sobre la tenacidad para temperaturas

de carburizado de 900 y 960°C.

Figura Nro. 43 Variación de la Tenacidad con el tiempo de carburización a 900 y 960ºC de tratamiento.

Fuente: Elaboracion

propia


47

En la Figura Nro. 44, se aprecia la tenacidad obtenida después del tratamiento de carburización y temple

para diferentes condiciones de prueba, y la correspondiente a la muestra sin tratamiento.

Figura Nro. 44 Tenacidad a diferentes condiciones de ensayo.

4.3 Diseño Experimental

Se utilizó un diseño experimental factorial 22, con cinco réplicas en el centro del modelo y considerando

como variables: Temperatura y tiempo de carburización. Los Cuadros Nro. 8 y 9, muestran las variables a

considerar y la matriz del diseño factorial.

Cuadro Nro. 8 Variables y niveles del diseño factorial

Variable Nivel (-) Nivel (+)

Z1: Temperatura de Carburización (°C) 900 960

Z2: Tiempo de Carburización (horas) 2 6

Se considera importante analizar la dureza (HRc) presentada por las muestras después de ser sometidas

a carburización y posterior temple en agua.

Fuente:

Elaboracion propia

Fuente: Elaboracion

propia


48

Cuadro Nro. 9. Matriz del diseño factorial

Prueba Z1 Z2 X1 X2

1 900 2 -1 -1

2 960 2 +1 -1

3 900 6 -1 +1

4 960 6 +1 +1

5 930 4 0 0

6 930 4 0 0

7 930 4 0 0

8 930 4 0 0

9 930 4 0 0 Fuente: Elaboración propia

4.3.1 Análisis de la variación de la Dureza

El cuadro Nro. 10, muestra la matriz del diseño con valores codificados para la Dureza.

Cuadro Nro. 10 Matriz del diseño con factores codificados para la Dureza.

Prueba X1 X2 X1X2 Dureza (HRc)

1 -1 -1 +1 35,9

2 +1 -1 -1 45,7

3 -1 +1 -1 45,0

4 +1 +1 +1 52,8

5 0 0 0 44,7

6 0 0 0 46,6

7 0 0 0 48,5

8 0 0 0 46,0

9 0 0 0 46,0 Fuente: Elaboración propia

4.3.1.1 Análisis de la Varianza

Para el análisis de la Varianza se utiliza la siguiente expresión matemática, que representa a la

variabilidad total de los datos en sus partes componentes:

SStotal = SSefectos + SSerror

Dónde:

SStotal = suma total de cuadrados

SSefectos = suma de cuadrados debida a los tratamientos

SSerror = suma de cuadrados debida al error

Para el análisis de la varianza de un diseño factorial


49

Dónde:

N = número de pruebas experimentales

r = número de réplicas en el diseño

O sea, SStotal es igual a la suma de cada una de las respuestas elevadas al cuadrado, menos la suma de

todas respuestas elevada al cuadrado dividida por el número total de experimentos por el número de

réplicas efectuadas.

La suma de cuadrados de los efectos e interacciones se da por la siguiente relación:

A través del cálculo del efecto puede determinarse si la variable X1 tiene incidencia importante en el

proceso. La manera precisa y estadística de medir la importancia de esta variable es por el teorema de

Cochran, que se resumen en la siguiente expresión:

Fo =

Dónde:

MS Efectos = SSEfectos/glT

MS Error = SSError/glE

glT = grados de libertad de los efectos e interacciones. Igual a 1 en los diseños factoriales a dos niveles (2-

1 = 1).

glE = grados de libertad de la suma de cuadrados del error igual a:

Esto es, la sumatoria del número de réplicas menos 1. El cuadro Nro. 11, muestra el análisis de error

para los factores del diseño experimental formulado.


50

Cuadro Nro. 11 Análisis de error para la dureza

ANAVA; Var, HRC; R2=0.91887; Adj: .87019; 2** (2-0) desing: MS Residual = 2.543778

DV: HRC

Factor SS df MS Fo p

(1) TEMPCARB 77.4400 1 77.4400 30.44291 0.002677

(2) TIEMPCAR 65.6100 1 65.6100 25.79235 0.003839

1 by 2 1.0000 1 1.0000 0.39312 0.558179

Error 12.7189 5 2.54378

Total SS 156.7689 8


Para un nivel de significación de α = 0.05; glT = 1; gle = 5 se tiene F (0.05; 1; 5) = 6.61. La condición de Fo

> F (α; glt; gle) se cumple para las variables X1 y X2. Por consiguiente, el modelo matemático será:

Ŷ = 45.6888 + 4.4*X1 + 4.05*X2 - 0.5*X1*X2 + 0

Las Figuras Nros. 45 y 46, muestran el diagrama de superficie y de Pareto para la dureza.


Figura Nro. 45 Diagrama de superficie para la Dureza


51

En la Figura Nro. 46, se muestra el diagrama de Pareto, que evidencia con claridad la fuerte incidencia de la

temperatura de calentamiento en el proceso estudiado. En la Figura Nro. 47, se presenta el ajuste de los

valores observados con los estimados para la dureza.

Fuente: Elaboracion propia Figura Nro. 46 Diagrama de Pareto para la Dureza


Figura Nro. 47 Valores observados VS Valores estimados para la dureza


52

En la gráfica de valores observados vs estimados se observa que describen una recta y un ajuste

aceptable, confirmando el coeficiente de correlaciòn R2 = 0. 91887.

4.3.1.2 Anàlisis de Residuos para la Dureza

Para el anàlisis de residuos se utliza las siguientes expresiones matemàticas:

Donde:

Ŷ = Y estimado o respuesta segùn modelo

Yr = Y observado o respuesta experimental

Nr = Nùmero total de experimentos

l = Nùmero de paràmetros del modelo matemàtico

Nr-l = grados de libertad del residuo = glR

El anàlisis de residuos, permite evaluar cuan distanciados se encuentran los valores predecidos por el

modelo matemàtico en relaciòn a los valores experimentales. El cuadro Nro. 12, muestra la diferencia

entre los valores experimentales y predichos para la dureza.

Cuadro Nro. 12 Diferencia entre valores experimentales y predichos para la Dureza

Nro. Prueba X1 X2 Yr Ŷ R=(Yr – Ŷ)

1 -1 -1 35.9 36.7 -0.8

2 +1 -1 45.7 46.5 -0.8

3 -1 +1 45.0 45.8 -0.8

4 +1 +1 52.8 53.6 -0.8

5 0 0 44.7 45.7 -1.0

6 0 0 46.6 45.7 0.9

7 0 0 48.5 45.7 2.8

8 0 0 46.0 45.7 0.3

9 0 0 46.0 45.7 0.3 Fuente: Elaboracion propia

SSMR = 12.39 / 7 = 1.77


53

Se determina estadìsticamente si el modelo matemàtico hallado representa adecuadamente a los datos

experimentales realizando el càlculo de: Fo = 1.77 / 2.54378 = 0.6958

El modelo es adecuado si se cumple que Fo < F (α; glr; gle) ò F (0.05; 7; 5) = 4.88

Estadísticamente el modelo se ajusta adecuadamente a los datos experimentales. El modelo decodificado

queda de la siguiente manera:

Dureza ( HRc ) = - 129.8111 + 0.1800 (Temperatura Carburizaciòn) + 9.7750 (Tiempo Carburizaciòn)

- 0.0083 ( Temperatura Carburizaciòn)*(Tiempo Carburizaciòn) + 0

Mediante ésta expresión matemática es posible predecir la dureza en función del tiempo de carburización

para una determinada temperatura de cementaciòn.

La Figura Nro. 48, presenta las durezas estimadas con el modelo experimental obtenido con el programa

STATISTICA.


Figura Nro. 48 Estimación de Durezas en función del Tiempo de carburización mediante el modelo

matemático experimental

0.0

10.0

20.0

30.0

40.0

50.0

60.0

70.0

80.0

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5

Du

reza

( H

Rc

)

Tiempo Carburización (Horas)

850°C900°C920°C940°C960°C980°C1000°C1050°C


54

4.3.2 Análisis de la variación de la Tenacidad

El cuadro Nro. 13, muestra la matriz del diseño con valores codificados para la Tenacidad.

Cuadro Nro. 13 Matriz del diseño con factores codificados para la Tenacidad.

Prueba X1 X2 X1X2 Tenacidad

(Jouls)

1 -1 -1 +1 33.3

2 +1 -1 -1 13.7

3 -1 +1 -1 31.4

4 +1 +1 +1 13.7

5 0 0 0 16.7

6 0 0 0 11.8

7 0 0 0 14.7

8 0 0 0 11.8

9 0 0 0 18.6 Fuente: Elaboracion propia

4.3.2.1 Análisis de la Varianza

Para el análisis de la Varianza se utiliza la siguiente expresión matemática, que representa a la

variabilidad total de los datos en sus partes componentes:

SStotal = SSefectos + SSerror

Donde:

SStotal = suma total de cuadrados

SSefectos = suma de cuadrados debida a los tratamientos

SSerror = suma de cuadrados debida al error

Para el análisis de la varianza de un diseño factorial

Dónde:

N = número de pruebas experimentales

r = número de réplicas en el diseño

O sea, SStotal es igual a la suma de cada una de las respuestas elevadas al cuadrado, menos la suma de

todas respuestas elevada al cuadrado dividida por el número total de experimentos por el número de

réplicas efectuadas.


55

La suma de cuadrados de los efectos e interacciones se da por la siguiente relación:

A través del cálculo del efecto puede determinarse si la variable X1 tiene incidencia importante en el

proceso. La manera precisa y estadística de medir la importancia de esta variable es por el teorema de

Cochran, que se resumen en la siguiente expresión:

Fo =

Dónde:

MS Efectos = SSEfectos/glT

MS Error = SSError/glE

glT= grados de libertad de los efectos e interacciones. Igual a 1 en los diseños factoriales a dos niveles

(2-1 = 1).

glE = grados de libertad de la suma de cuadrados del error igual a:

Esto es, la sumatoria del número de réplicas menos 1. El cuadro Nro. 14, muestra el análisis de error

para los factores del diseño experimental formulado.

Fuente: Elaboración propia Cuadro Nro. 14 Análisis de error para la Tenacidad

ANAVA; Var, TENACIDAD; R2=0.64642; Adj: .43427; 2** (2-0) desing: MS Residual = 38.13855

DV: TENACIDAD

Factor SS Df MS Fo P

(1) TEMPCARB 346.7044 1 346.7044 9.090655 0.029583

(2) TIEMPCAR 0.9604 1 0.9604 0.025182 0.880125

1 by 2 0.9604 1 0.9604 0.025182 0.880125

Error 190.6928 5 38.1386

Total SS 539.3180 8

Para un nivel de significación de α = 0.05; glT = 1; gle = 5 se tiene F (0.05; 1; 5) = 6.61. La condiciòn de Fo >

F (α; glt; gle) se cumple para la interacciòn X1. Por consiguiente, el modelo matemàtico será:

Ŷ = 18.4022 - 9.31*X1 - 0.49*X2 + 0.49*X1*X2 + 0


56

Las Figuras Nros. 49 y 50, muestran el diagrama de superficie y de Pareto para la tenacidad.

Fuente: Elaboracion propia Figura Nro. 49 Diagrama de superficie para la Tenacidad

En la Figura Nro. 50, se muestra el diagrama de Pareto, que evidencia con claridad la fuerte incidencia de

la temperatura de calentamiento en el proceso estudiado. En la Figura Nro. 51, se presenta el ajuste de los

valores observados con los estimados para la tenacidad.

Fuente: Elaboracion propia Figura Nro. 50 Diagrama de Pareto para la Tenacidad


57


Figura Nro. 51 Valores observados VS Valores estimados para la tenacidad

En la gràfica de valores observados vs estimados se observa que describen una recta y un ajuste

aceptable, confirmando el coeficiente de correlaciòn R2 = 0. 64642 y R = 0.8040.

4.3.2.2 Anàlisis de Residuos para la tenacidad

Para el anàlisis de residuos se utliza las siguientes expresiones matemàticas:

Donde:

Ŷ = Y estimado o respuesta segùn modelo

Yr = Y observado o respuesta experimental

Nr = Nùmero total de experimentos

l = Nùmero de paràmetros del modelo matemàtico

Nr-l = grados de libertad del residuo = glR


58

El anàlisis de residuos, permite evaluar cuan distanciados se encuentran los valores predecidos por el

modelo matemàtico en relaciòn a los valores experimentales. El cuadro Nro. 15, muestra la diferencia

entre los valores experimentales y predichos para la tenacidad.

Cuadro Nro. 15 Diferencia entre valores experimentales y estimados para la Tenacidad

Nro. Prueba X1 X2 Yr Ŷ R=(Yr – Ŷ)

1 -1 -1 33.32 28.69 4.63

2 +1 -1 13.72 9.09 4.63

3 -1 +1 31.36 26.73 4.63

4 +1 +1 13.72 9.09 4.63

5 0 0 16.66 18.40 -1.74

6 0 0 11.76 18.40 -6.64

7 0 0 14.70 18.40 -3.70

8 0 0 11.76 18.40 -6.64

9 0 0 18.62 18.40 0.22 Fuente: Elaboracion propia

SSMR = 190.6928 / 7 = 27.2418

Se determina estadìsticamente si el modelo matemàtico hallado representa adecuadamente a los datos

experimentales realizando el càlculo de: Fo = 27.2418 / 38.1386 = 0.7142

El modelo es adecuado si se cumple que Fo < F (α; glr; gle) ò F (0.05; 7; 5) = 4.88

Estadísticamente el modelo se ajusta adecuadamente a los datos experimentales. El modelo decodificado

queda de la siguiente manera:

Tenacidad (Jouls) = 338.3722 - 0.3430 (Temperatura Carburizaciòn) - 7.8400 (Tiempo Carburizaciòn)

+ 0.008166 (Temperatura Carburizaciòn)*(Tiempo Carburizaciòn) + 0

Mediante ésta expresión matemática es posible predecir la dureza en función de la temperatura y tiempo

de de austenización y tiempo de temple.

La Figura Nro. 52, presenta la tenacidad estimada con el modelo experimental obtenido con el programa

STATISTICA.


59

fuente:Elaboracion propia

Figura Nro. 52. Estimación de Tenacidad en función del Tiempo de temple mediante el modelo

matemático experimental

4.4 Análisis Metalográfico

4.4.1 Microestructuras Finales

Las muestras metalográficas fueron atacadas con mezcla de Nital al 3%, a fin de revelar las fases

microestructurales producto de un proceso de carburización y posterior temple.

En las Microfotografías de las fig. Nro. 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59,60,61,62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69 y 70;

se pueden observar la formación de una capa cementada y las microestructuras formadas por la

transformación de la austenita en martensita de alta dureza además de perlita fina y ferrita.

0.0

5.0

10.0

15.0

20.0

25.0

30.0

35.0

40.0

45.0

50.0

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 7.5 8 8.5 9 9.5 10 10.5

Ten

acid

ad (

Jo

uls

)

Tiempo Carburización (Horas)

850°C 900°C920°C 940°C950°C


60


Microfotografía fig. 53. Muestra 1. Superficie cementada. Prueba a 900°C/2 horas. Aumento 50x.

Reactivo Nital 3%.


Microfotografía fig. 54. Muestra 1 (Superficie). Martensita acicular. Prueba a 900°C/2 horas.

Aumento 500x. Reactivo Nital 3%.


61


Microfotografía fig. 55 Muestra 1 (Centro). Ferrita y Perlita fina. Prueba a 900°C/2 horas. Aumento

500x. Reactivo Nital 3%.

Microfotografía fig.56 Muestra 2. Superficie cementada. Prueba a 960°C/2 horas. Aumento 50x.

Reactivo Nital 3%.

Fuente:Elaboracion propia


62


Microfotografía fig. 57 Muestra 2 (Superficie). Martensita acicular. Prueba a 960°C/2 horas.



Microfotografía fig. 58 Muestra 2. (Centro). Ferrita y Perlita fina. Prueba a 960°C/2 horas. Aumento



63



Reactivo Nital 3%.


Microfotografía fig. 60 Muestra 3 (Superficie). Martensita acicular. Prueba a 900°C/6 horas.



64






Reactivo Nital 3%.


65


Microfotografía fig. 63 Muestra 4. (Superficie). Martensita acicular. Prueba a 960°C/6 horas.






66

fuente: Elaboración propia

Microfotografía, fig.65 Muestra 5. Superficie cementada. Prueba a 930°C/4 horas. Aumento 50x.

Reactivo Nital 3%.


Microfotografía fig. 66 Muestra 5. (Superficie). Martensita acicular. Prueba a 930°C/4 horas.

Aumento 500x. Reactivo Nital 3%


67





Microfotografía fig. 68 Muestra 6. Superficie cementada. Prueba a 930°C/4 horas. Aumento 50x.

Reactivo Nital 3%.


68


Microfotografía fig.69 Muestra 6. (Superficie). Martensita acicular. Prueba a 930°C/4 horas.


Microfotografía fig.70 Muestra 6. (Centro). Ferrita y Perlita fina. Prueba a 930°C/4 horas. Aumento




69

4.5 Análisis Macroscópico

Las superficies de fractura de las probetas Charpy, fueron observadas con un microscopio estereográfico

para evaluar la forma de fractura y posteriormente determinar el espesor de capa cementada mediante la

medición de la zona de fractura con grano fino.

En las Macrofotografías fig. 71, 72, 73, 74, 75 y 76; se pueden observar la formación de zona externa con

fractura de grano fino y en la zona central una fractura del tipo fibroso.

Macrografía fig. 71. Muestra 1. Fractura de grano fino en el borde y grano grueso en zona central.

Prueba a 900°C/2 horas. Aumento 5x.



70


Macrografía fig. 72 Muestra 2. Fractura de grano fino en el borde y grano grueso en zona central.






71








72




4.6 Medición del Espesor la capa Cementada

Se emplearon dos métodos a carencia de un Micro durómetro.

Método 1:

Midiendo el espesor de la fractura que presenta grano fino.

Método 2:

Midiendo el espesor de zona de coloración oscura mostrada por cada probeta cuando es atacada por el

reactivo Nital al 3%. Para ambos métodos se utilizó el software de Análisis de Imágenes Image 4 Plus. Las

Macrofotografías fig. 77, 78, 79, 80 y 81, muestran las mediciones realizadas sobre la fractura para cada

condición de prueba.


73


Macrofotografía fig. 77 Muestra 1. Medición de zona con grano fino.

Prueba a 900°C/2 horas. Aumento 5x


Macrofotografía fig. 78. Muestra 2. Medición de zona con grano fino.



74








75




En las Microfotografías fig. 82, 83, 84, 85 y 86 ; se pueden observar la medición de la zona oscura después

de realizado el ataque químico.


Microfotografía fig.82. Muestra 1. Medición de zona oscura.



76


Microfotografía fig. 83. Muestra 2. Medición de zona oscura.



Microfotografía fig.84. Muestra 3. Medición de zona oscura.



77








78

El cuadro Nro. 16, presenta los espesores de capa cementada obtenidos luego de realizadas las

mediciones.

Cuadro Nro. 16. Espesores promedio de Capa Cementada

Fuente: Elaboracion propia

Muestra

Temperatura Carburizaciòn

(°C)

Tiempo Carburizaciòn

(horas)

Método 1 Espesor de Capa

(mm)

Método 2 Espesor de Capa

(mm)

1 900 2 0.36 0.32

2 960 2 0.49 0.43

3 900 6 0.31 0.39

4 960 6 0.98 1.05

5 930 4 0.39 0.35

La teoría de Difusión indica que cuando un soluto difunde en el interior de un sólido a través de una

superficie de concentración de soluto constante, la distancia “x” a partir de la superficie a la cual la

concentración es la mitad de la concentración inicial del soluto y la concentración en la superficie, y está

dada por:

X = √ t x D

Dónde:

T = Tiempo en segundos

D = Difusividad del producto expresada en cm2/seg.

De esta manera es posible calcular teóricamente el espesor de la capa cementada y compararla con la

obtenida experimentalmente. El cuadro Nro. 17, muestra la comparación de los espesores de capa

cementada teóricos y experimentales.

Cuadro Nro. 17 Espesores de Capa Cementada Teórico y Experimental


Muestra

Temperatura Carburizaciòn

(°C)

Tiempo Carburizaciòn

(horas)

Teórico Espesor de Capa

(mm)

Experimental Espesor de Capa

(mm)

1 900 2 0.32 0.32

2 960 2 0.45 0.43

3 900 6 0.56 0.39

4 960 6 0.79 1.05

5 930 4 0.54 0.35

En la Figura Nro. 87, se presenta la comparación de los espesores de capa cementada teórico y

experimental para las diferentes condiciones de prueba.


79

Figura Nro. 87 Espesores de capa cementada Teórica y Experimental



80

CAPITULO V DISCUSION DE RESULTADOS

5.1 Tratamiento Termoquímico de Carburización

5.1.1 Efecto de la Temperatura sobre la Dureza Superficial

Pruebas a 900 y 960ºC de carburización:

La dureza se incrementa en 9.8 HRc, de 35.9 a 45.7 HRc cuando se emplea una temperatura de

carburización de 900 y 960°C por 2 horas. (Figura Nro. 39).

Para un tiempo de carburización de 6 horas, la dureza aumenta en 7.8 HRc, de 45.03 a 52.8 HRc

cuando para una carburización de 900 y 960°C. (Figura Nro. 39).

El incremento de la dureza superficial se ve influenciada por la formación de la martensita después

del temple. La cantidad de martensita es dependiente de la temperatura de carburización, a

mayores temperaturas se tiene alta concentración de carbono difundido lo que facilita la

transformación de fase en el estado sólido de austenita a martensita. A temperaturas mayores, la

energía térmica proporcionada a los átomos que se difunden, les permite superar la barrera de

energía de activación y poder desplazarse más fácilmente a otros sitios de la red.[1]

La velocidad máxima a la cual el carbono puede ingresar al acero está limitada por la velocidad de

difusión del carbono en austenita. Esta velocidad de difusión se incrementa pronunciadamente al

incrementar la temperatura.

5.1.2 Efecto del Tiempo sobre la Dureza Superficial

Pruebas a 2 y 6 horas:

La dureza aumenta en 9.1 HRc de 35.9 a 45.0 HRc cuando el tiempo de carburización va de 2 a 6

horas, para una temperatura de carburizado de 900°C. (Figura Nro. 40).

Para una temperatura de carburización de 960°C, la dureza se incrementa en 7.1 HRc, de 45.7 a

52.8 HRc para 2 y 6 horas de carburización. (Figura Nro. 41).

A mayores tiempos de carburizado el proceso de difusión del carbono en el material soporte se

hace más intenso. La difusión requiere de tiempo; hay que recordar que las unidades para el flujo

atómico es átomos/cm2xseg. Si deben difundirse un gran número de átomos para producir una

estructura uniforme, se requieren tiempos prolongados, incluso a temperaturas elevadas. [1]. Para

el presente caso experimental en particular, con tiempos altos de carburización se obtienen

valores altos de dureza producto de formación de fases duras (martensita); cuya existencia sólo

será posible si la concentración de carbono es mayor a 0.40%C.


81

En consecuencia, se obtienen mejoras en la dureza superficial del orden de 2.1 a 2.6 veces la

dureza del material sin tratamiento; cuando se carburizan a 900ºC y 960ºC por 2 horas. Se mejora

en el orden de 2.7 a 3.1 veces la dureza del material sin tratamiento; cuando se carburizan a

900ºC y 960ºC por 6 horas.

5.2 Temple y Revenido

Una adecuada selección en la temperatura de austenización hace propicia la existencia de una fase

austenítica homogénea. Para el presente trabajo experimental, empleando una austenización de 850ºC

por 20 min., se consigue una buena disolución del carbono en austenita y se evita un excesivo crecimiento

del grano austenítico. La dureza se incrementa desde 17.0 hasta 52.8 HRc por efecto del endurecimiento

martensítico. (Figura Nro. 42)

5.2.1 Temperatura y Tiempo de Revenido

Considerando que el revenido posterior al temple trae como consecuencia una disminución en la dureza, y

que el revenido es influenciado directamente por la temperatura y el tiempo al cual es llevado a cabo; el

revenido a 150ºC por 30 min., permite sólo aliviar tensiones internas con una pérdida mínima en el

endurecimiento superficial. Con este tratamiento, se consigue reducir la dureza en un promedio de 3.1

HRc; existiendo siempre una superficie dura. (Cuadro Nro. 7 y Figura Nro. 43).

5.3 Análisis de la Tenacidad

5.3.1 Efecto de la Temperatura de Carburización

Pruebas a 900 y 960ºC de carburización:

La Tenacidad disminuye en 19.6 Jouls, de 33.32 a 13.72 Jouls cuando se realiza una

carburización a 900 y 960°C; manteniendo constante un tiempo de proceso de carburizado de 2

horas. (Figura Nro. 43).

Para un tiempo de carburización de 6 horas, la tenacidad desciende en 17.64 Jouls, de 31.36 a

13.72 Jouls para 900 y 960ºC de carburizado. (Figura Nro. 43).


Pruebas a 2 y 6 horas:

La tenacidad se reduce en 1.96 Jouls, de 33.32 a 31.36 Jouls cuando el tiempo de carburización

va de 2 a 6 horas, para un carburizado a 900°C. (Figura Nro. 44).

Para una carburización a 960°C, la tenacidad se mantiene constante en un valor de 13.72 Jouls

con tiempos de carburizado de 2 y 6 horas. (Figura Nro. 44).


82

Se hace evidente que la tenacidad se ve influenciada fuertemente por la temperatura de

carburización antes que por el tiempo. Este comportamiento se explica por el hecho de que a

menores temperaturas y tiempos de difusión la cantidad de átomos de carbono que ingresan en el

acero también es baja, por lo tanto el espesor de la capa endurecida es reducida y

consecuentemente los valores de tenacidad son altos.

5.4 Diseño Experimental

5.4.1 Análisis de la Dureza

El análisis estadístico de los resultados experimentales para la dureza, puso en evidencia que las

variables que influyen directamente en el proceso son la temperatura y tiempo de carburización;

con una probabilidad del 95%. (Cuadro Nro. 12).

El modelo matemático que expresa el efecto de las variables y sus interacciones en el proceso

experimental, es el siguiente:

Dureza (HRc) = - 129.8111 + 0.1800 (Temperatura Carburización) + 9.7750 (Tiempo Carburización)

- 0.0083 ( Temperatura Carburización)*(Tiempo Carburización)

5.5 Metalografía

La muestra sin tratamiento, presenta una microestructura inicial correspondiente a Perlita laminar y Ferrita.

(Microfotografìa fig. Nro.19).

5.5.1 Análisis Microestructural

Carburización a 900°C/2 horas.

Superficie: Presenta Martensita acicular. [5]. (Microfotografía fig. Nro. 54).

Centro: Presenta ferrita y perlita fina. [5]. (Microfotografía fig. Nro. 55).



Centro: Presenta ferrita y perlita fina. [5]. (Microfotografía fig.Nro. 58).








83


Superficie: Presenta Martensita acicular. [5]. (Microfotografías fig. Nro. 66 y 69).

Centro: Presenta ferrita y perlita fina. [5]. (Microfotografías fig. Nro. 67 y 70).

La presencia de martensita acicular en zona cercana a la superficie, indica un cambio en la

composición química en esa zona; producido por el proceso de difusión de átomos de carbono.

Por el contrario, en la zona central existe una modificación de la perlita y la ferrita por efecto del

enfriamiento.

5.5.2 Análisis Macroscópico

El análisis de superficie de fractura, permitió identificar un contorno de un espesor definido con

grano fino y una zona de mayor grano con grano grueso. (Macrofotografías fig. Nro. 71, 72, 73, 74,

75 y 76).

A condiciones de prueba de 960ºC/6horas, se observa un contorno de gran dimensión

evidenciando una mayor zona de penetración de carbono.(Macrofotografía fig. Nro. 74).

5.5.3 Medición del Espesor la capa Cementada

Los métodos empleados para la medición del espesor de la capa cementada mostraron que se

consigue una gran penetración a altas temperaturas y tiempos de carburización, lo cual es

coincidente con los conceptos teóricos sobre la difusión y su dependencia con la temperatura y

tiempo de tratamiento. De esta manera, se consiguen espesores de capas cementadas o capas

endurecidas desde 0.32 hasta 1.05 mm. (Cuadro Nro. 17).

De acuerdo a las curvas teóricas profundidad de capa cementada en función del tiempo y

considerando los espesores de capa cementada, es posible estimar las concentraciones de

carbono alcanzadas para esas distancias. Para el presente caso de estudio se tiene que, para

una carburización a 900ºC por 2 horas se alcanza una concentración de 0.6%C, para 960ºC por 2

horas se tiene 0.6%C; para 900ºC por 6 horas se tiene 0.7%C, para 960ºC por 6 horas 0.5%C y

para 930ºC por 4 horas 0.7%C. (Cuadro Nro. 17 y Figuras Nros. 20, 21 y 22).

Esto explica la formación de fases microestructurales duras como la martensita cuando se realiza

el temple en agua.


84

CAPITULO VI CONCLUSIONES

La dureza superficial del acero SAE: 1020, sometido a un proceso de carburización y temple es

fuertemente influenciado por la Temperatura.

Se determina que la máxima dureza superficial es obtenida a una condición de tratamiento de

960ºC por 6 horas de difusión, alcanzándose una profundidad de capa cementada de 1.05 mm.

El incremento de la dureza se debe exclusivamente a la formación de martensita del tipo acicular

en la superficie, mientras que en el núcleo se forma perlita fina acompañada de ferrita. El posterior

ablandamiento de la martensita con el revenido, permite bajar la dureza en cantidades reducidas y

ganar tenacidad por la formación de martensita revenida.

Existe una relación directa entre las microestructuras formadas y el endurecimiento superficial. En

general, a bajas temperaturas y tiempos de difusión; la cantidad de martensita formada y el

espesor de la capa cementada son menores, mientras que a temperaturas y tiempos de difusión

altos se obtiene más martensita y un espesor de capa cementada mayor.


85

BIBLIOGRAFIA

[1] Felipe Díaz del Castillo Rodríguez, Endurecimiento Superficial del Acero, Facultad de Estudios

Superiores, Cuautitlan Izcalli, Mexico 2007.

[2] A. P. Guliàev, Metalografìa, Tomo 1, Editorial MIR, 1978.

[3] Ricardo Garcìa Castanon, Ciencia y Tecnologìa de Materiales, Tema 10. Tratamientos de los Aceros,

Escuela Superior de la Marina Civil de Gijòn-Universidad de Oviedo, Oviedo 2007.

[4]. D. A. Porter, K.E. Easterling, Phase Transformations in Metals and Alloys, Second Edition, Chapman &

Hall, 1991.

[5]. Metals Handbook, Vol. 9, Metallography and Microstructures, American Society for Metals, 1985.

[6]. Carlos Capdevila Montes, Modelizaciòn de las Transformaciones de origen Difusional Producidas por

Descomposiciòn Isotèrmica de la Austenita en un Acero Carbono Manganeso Microaleado con Vanadio y

Titanio, Tesis Doctoral, Universidad Complutense de Madrid, Madrid 1999.

[7]. M. A. Grossman y E. Bain, Principios de Tratamiento Térmico, Editorial Blume, Madrid, 1972.

[8]. Robert E. Reed-Hill, Principios de Metalurgia Física, Segunda Edición, Editorial Continental, México,

1986.

[9]. John D. Verhoeven, Primera Edición, Fundamentos de Metalurgia Física, Editorial Limusa, México,

1987.

[10]. Eduardo Torres Alpìzar, Apuntes acerca del Tratamiento Tèrmico y la Clasificaciòn General de los

Aceros, Universidad de Matanzas, Facultad de Ingenierìa Quìmicas y Mecànica, Cuba 2004.

[11]. Honeycombe R. W. K, Steel, Microstructure and Properties, American Society of Metals, London 1981..

[12]. George E. Totten, Steel Heat Treatment Handbook, , Portland State University, CRC Press, New York,

2006.

[13]. Ayala Rodríguez S., Villa y Rabasa G., Castillo Sánchez M., Aguilar Sánchez R., Estudio del

Comportamiento al Desgaste de Aceros 1018 y 8620 Recubiertos Mediante un Proceso de Cementación

Sólida, 8vo. Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica, Cusco 2007.

[14]. Andrés Ortiz Cárdenas, Carlos Alberto López, Dureza efectiva de una capa cementada en una

atmósfera endotérmica a partir de metano, en aceros de bajo carbono, Scientia et Technica Año XVII, No 50,

Universidad Tecnológica de Pereira, Colombia Abril 2012.

[15]. Mª Concepción Merino Casals, Transformaciones en estado sólido. Difusionales y no difusionales,

Departamento de Ciencia de los Materiales e Ingeniería Metalúrgica. Facultad de Ciencias Químicas. Madrid

2012.


86

BIBLIOGRAFIA DE INTERNET

http://olimpia.cuautitlan2.unam.mx/pagina_ingenieria/mecanica/mat/mat_mec/m6/endurecimiento%20supe

rficial%20del%20acero.pdf

visitado: 07/0714 ,ley fick tratamientos térmicos

http://www.frro.utn.edu.ar/repositorio/catedras/mecanica/5_anio/metalografia/12._Cementacion_(a)_v2.pdf

visitado: 07/0714 cementación en caja

http://olimpia.cuautitlan2.unam.mx/pagina_ingenieria/mecanica/mat/mat_mec/m6/endurecimiento%20supe

rficial%20del%20acero.pdf

visitado: 07/0714 , cementación termoquimico

http://estudioyensayo.files.wordpress.com/2008/11/cementacion.pdf

visitado: 07/0714 ,cementación definición

http://prezi.com/qf6qkv19uf4_/cementacion/

visitado: 22/0714 , diaposotivas cementacion

http://www.youtube.com/watch?v=IhOh0imzWCo

visitado: 22/0714 ,video transformaciones cementita

http://hermandaddelyunque.foroactivos.net/t74-relacion-entre-los-colores-y-las-temperaturas

visitado: 22/0714 , colores de revenidos

http://materias.fi.uba.ar/6750/seleccion_de_aceros.pdf

visitado: 22/0714 , normas de aceros equivalencias

http://es.scribd.com/doc/60335131/Unidad-12-Tratamientos-termoquimicos-de-los-aceros#

visitado: 22/0714 , tipos de cementación y fotos

http://www.timken.com/es-es/products/Steel/productlist/tubing/Pages/thermal.aspx visitado: 22/07/14

revenido

http://www.utp.edu.co/~gcalle/DUREZAROCKWELL.pdf visitado: 22/08/14 ,durezas

http://www.acerosotero.cl/img/imgproductos/3barras.jpg visitado: 22/0714 ,composicion de acero SAE

1020

file:///E:/Mis%20documentos/Downloads/CATALOGO_DIGITAL_DE_ESTUDIO_METALOGRAFICO_DE_

MATERIALES_DE_INGENIERIA.pdf visitado: 22/0714, Metalografia de Materiales

http://olimpia.cuautitlan2.unam.mx/pagina_ingenieria/mecanica/mat/mat_mec/m6/endurecimiento%20superficial%20del%20acero.pdf


http://www.frro.utn.edu.ar/repositorio/catedras/mecanica/5_anio/metalografia/12._Cementacion_(a)_v2.pdf



http://estudioyensayo.files.wordpress.com/2008/11/cementacion.pdf

http://prezi.com/qf6qkv19uf4_/cementacion/

http://www.youtube.com/watch?v=IhOh0imzWCo

http://hermandaddelyunque.foroactivos.net/t74-relacion-entre-los-colores-y-las-temperaturas

http://materias.fi.uba.ar/6750/seleccion_de_aceros.pdf

http://es.scribd.com/doc/60335131/Unidad-12-Tratamientos-termoquimicos-de-los-aceros

http://www.timken.com/es-es/products/Steel/productlist/tubing/Pages/thermal.aspx

http://www.utp.edu.co/~gcalle/DUREZAROCKWELL.pdf

http://www.acerosotero.cl/img/imgproductos/3barras.jpg


87

ANEXOS

ANEXO 1: HARDNESS TEST (ASTM E18)

Rockwell Test Description: In this test a hardness value is obtained by determining the depth of penetration of a diamond point or a steel

ball into the specimen under certain arbitrarily fixed conditions. A minor load of 10 kgf is first applied which

causes an initial penetration, sets the penetrator on the material and holds it in position. A major load which

depends on the scale being used is applied increasing the depth of indentation. The major load is removed

and, with the minor load still acting, the Rockwell number, which is proportional to the difference in penetration

between the major and minor loads is determined; this is usually done by the machine and shows on a dial,

digital display, printer, or other device. This is an arbitrary number which increases with increasing hardness.

The scales most frequently used are as follows:

Rockwell superficial hardness machines are used for the testing of very thin steel or thin surface layers. Loads

of 15, 30, or 45 kgf are applied on a hardened steel ball or diamond penetrator, to cover the same range of

hardness values as for the heavier loads. The superficial hardness scales are as follows:

Approximate Hardness Conversion Numbers for Steels (Rockwell B to Other Hardness Numbers)


88

TABLE Symbols and Designations Rockwell B Hardness Test


89

Corrections to Be Added to Rockwell B, F, and G Values Obtained on Convex Cylindrical Surfaces of Various

Diameters


90

ANEXO 2: CHARPY IMPACT TESTING (ASTM E23)

1. Scope

1.1 These test methods describe notched-bar impact testing of metallic materials by the Charpy (simple-beam)

test and the Izod (cantilever-beam) test. They give the requirements for: test specimens, test procedures, test

reports, test machines verifying Charpy impact machines, optional test specimen configurations precracking

Charpy V-notch specimens, designation of test specimen orientation, and determining the percent of shear

fracture on the surface of broken impact specimens. In addition, information is provided on the significance of

notched-bar impact testing, methods of measuring the center of strike, and the availability of Charpy V-notch

verification specimens.

1.2 These test methods do not address the problems associated with impact testing at temperatures below –

196 °C (–320 °F, 77 ° K).

1.3 The values stated in SI units are to be regarded as the standard. Inch-pound units are provided for

information only.

1.4 This standard does not purport to address all of the safety concerns, if any, associated with its use. It is the

responsibility of the user of this standard to establish appropriate safety and health practices and determine

the applicability of regulatory limitations prior to use. Specific precautionary statements are given in Section 5.

2. Referenced Documents

2.1 ASTM Standards:

E 177 Practice for Use of the Terms Precision and Bias in ASTM Test Methods

E 399 Test Method for Plane-Strain Fracture Toughness of Metallic Materials3

E 604 Test Method for Dynamic Tear Energy of Metallic Materials3

E 691 Practice for Conducting an Interlaboratory Study to Determine the Precision of a Test Method2

E 1271 Practice for Qualifying Charpy Verification Specimens of Heat-treated Steel

E 1313 Guide for Recommended Formats for Data Records Used in Computerization of Mechanical Test Data

for Metals

3. Summary of Test Method

3.1 The essential features of an impact test are: a suitable specimen (specimens of several different types are

recognized), an set of anvils, and specimen support assembly supports on which the test specimen is placed

to receive the blow of the moving mass, a moving mass that has sufficient energy to break the specimen

placed in its path, and a device for measuring the energy absorbed by the broken specimen.


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4. Significance and Use

4.1 These test methods of impact testing relate specifically to the behavior of metal when subjected to a single

application ofa force resulting in multi-axial stresses associated with a notch, coupled with high rates of loading

and in some cases with high or low temperatures. For some materials and temperatures the results of impact

tests on notched specimens, when correlated with service experience, have been found to predict the

likelihood of brittle fracture accurately.

5. Precautions in Operation of Machine

5.1 Safety precautions should be taken to protect personnel from the swinging pendulum, flying broken

specimens, and hazards associated with specimen warming and cooling media.

6. Apparatus

6.1 General Requirements:

6.1.1 The testing machine shall be a pendulum type of rigid construction.

6.1.2 The testing machine shall be designed and built to conform with the requirements given in Annex A1.

6.2 Inspection and Verification

6.2.1 Inspection procedures to verify impact machines directly are provided in A2.2 and A2.3. The items listed

in A2.2 must be inspected annually.

6.2.2 The procedures to verify Charpy V-notch machines indirectly, using verification specimens, are given in

A2.4. Charpy impact machines must be verified annually.

7. Test Specimens

7.1 Configuration and Orientation :

7.1.1 Specimens shall be taken from the material as specified by the applicable specification. Specimen

orientation should be designated according to the terminology given in Annex A5.

7.1.2 The type of specimen chosen depends largely upon the characteristics of the material to be tested. A

given specimen may ,not be equally satisfactory for soft nonferrous metals and hardened steels; therefore,

many types of specimens are recognized. In general, sharper and deeper notches are required to distinguish

differences in very ductile materials or when using low testing velocities.

7.1.3 The specimens shown in Figs. 1 and 2 are those most widely used and most generally satisfactory. They

are particularly suitable for ferrous metals, excepting cast iron.5

7.1.4 The specimen commonly found suitable for die-cast alloys is shown in Fig. 3.


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7.1.5 The specimens commonly found suitable for powdered metals (P/M) are shown in Figs. 4 and 5. The

specimen surface may be in the as-produced condition or smoothly machined, but polishing has proven

generally unnecessary. Unnotched specimens are used with P/M materials. In P/M materials, the impact test

results are affected by specimen orientation. Therefore, unless otherwise specified, the position of the

specimen in the machine shall be such that the pendulum will strike a surface that is parallel to the compacting

direction.

7.1.6 Sub-size and supplementary specimen recommendations are given in Annex A3.

7.2 Specimen Machining:

7.2.1 When heat-treated materials are being evaluated, the specimen shall be finish machined, including

notching, after the final heat treatment, unless it can be demonstrated that the impact properties of specimens

machined before heat treatment are identical to those machined after heat treatment.

Charpy (Simple-Beam) Impact Test Specimens, Types A, B, and C


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ANEXOS 3 y 4

Fig. X.18: Efecto del tiempo en el ablandamiento de un acero de 0,82 % C templado y revenido a 649º C.

Fig. X.19: Efecto del tiempo para 4 temperaturas de revenido, en la dureza de un acero templado de 0,82

%C fuente: Metalografía


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ANEXO 5

Fig. X.20: Influencia del contenido de silicio en el ablandamiento por revenido en función de la

temperatura, en un acero templado de 0,50-0,55 % C

Fuente: Metalografía


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ANEXO 6

Fig. X.22: Influencia del incremento del % Mn, de 0,75 a 1,75 %, en el ablandamiento por revenido en función

de la temperatura, en un acero templado de 0,40-0,45 % C. fuente: metalografía


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ANEXO 7

Cuadro Nro. 4.1. Valores de Dureza Superficial a diferentes condiciones de tratamiento de Carburización

(Durezas tomadas después de la Carburización)

Muestra



Dureza HRc

1 900 2 30,0

2 960 2 30,0

3 900 6 33,0

4 960 6 30,0

5 930 4 29,0

10 Sin tratamiento 17.0

Cuadro Nro. 4.2. Valores de Dureza Superficial después del Temple

Muestra



Dureza HRc

1 900 2 35,9

2 960 2 45,7

3 900 6 45,0

4 960 6 52,8

5 930 4 44,7

6 930 4 46,6

7 930 4 48,5

8 930 4 46,0

9 930 4 46,0

10 Sin tratamiento 17,0

Cuadro Nro. 4.3. Valores de Dureza Superficial después del Revenido

Muestra Temperatura Revenido (°C) Tiempo Revenido (min)

Dureza HRc

1 150 30 30.9

2 150 30 42.2

3 150 30 42.0

4 150 30 48.4

5 150 30 43.9

6 150 30 46.1

7 150 30 48.2

8 150 30 44.5

9 150 30 37.1

10 Sin tratamiento 17,0


EVALUACION DEL PROCESO DE ENDURECIMIENTO SUPERFICIAL DE …

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