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Resumen. El hierro dúctil es un material de ingeniería que se ha utilizado en diferentes

aplicaciones desde hace más de cinco décadas, específicamente en la industria automotriz se ha empleado en la fabricación de diferentes partes como cubiertas, soportes, bielas, etc.

Actualmente, se está evaluando la posibilidad de sustituir autopartes en acero por hierro dúctil, ya que presenta ventajas sobre el primero como son: Menor densidad, mayor capacidad de amortiguamiento de vibraciones (lo que implica un vehículo más silencioso), facilidad de maquinado y un costo de fabricación mucho menor (el hierro funde a menor temperatura).

Muchas partes sujetas a esfuerzos elevados se fabrican actualmente de acero AISI 8620 carburizado, templado y revenido, teniendo un costo muy elevado debido a que contiene elementos de aleación caros y su importación representa un alto costo, de ahí que se esté buscando su sustitución. Una de las causas por la cual no se ha utilizado el hierro dúctil en lugar del acero 8620, es porque presenta una baja resistencia al desgaste comparada con este último. Por tal motivo, en este trabajo se presentan las propuestas efectuadas para incrementar la resistencia al desgaste del hierro dúctil, éstas consistieron en realizar un tratamiento térmico de austemperizado y otro de temple.

El primero de ellos, se realizó en un baño de plomo a una temperatura de 360 °C para lograr propiedades mecánicas similares al acero 8620, mientras que el de temple se efectuó en agua a temperatura ambiente. Para evaluar la resistencia al desgaste por deslizamiento de ambos materiales y del acero 8620, se utilizó la maquina tribológica de perno sobre disco, según las especificaciones de la norma ASTM G-99, tanto en condición seca como lubricada. Se obtuvieron los coeficientes de fricción, tasas de desgaste y coeficientes de desgaste k de cada uno de los materiales. Las huellas de desgaste generadas fueron analizadas en el microscopio electrónico de barrido.

Los resultados obtenidos de los ensayos de desgaste indican que el hierro dúctil austemperizado presenta una tasa de desgaste mayor con respecto al acero 8620 carburizado, templado y revenido en condición seca y lubricada. Asimismo, establecen que el hierro dúctil templado y el acero 8620 presentan tasas de desgaste por deslizamiento similares en condición lubricada.

Se modeló una cruceta y se analizó a través del método de elemento finito utilizando el software ANSYS; teniendo como objetivo: Determinar el estado de esfuerzos generado en la pieza fabricada con acero 8620 y predecir su comportamiento si se utiliza hierro dúctil perlítico o hierro dúctil austemperizado; solo una cruceta fabricada con este último puede igualar la resistencia mecánica que presenta el acero.

Abstract. Ductile iron has been used as engineering material for different applications,

in automotive industry it has been employed for manufacture of coverings, different supports, connecting rods, etc.

At the present time, evaluating to use ductile iron to produce automotive parts instead of steel is being made, because this material has the following advantages regarding steel: approximately 10% lower density, better damper of vibration, near form cast products, improve machinability and lower price to produce it. (Ductile iron melts at lower temperature).

Many parts under the action of high stress are manufactured with AISI 8620 steel in carburized, quenched and tempered condition; this material has a very high cost as a result of addition of alloy elements and their importation; for this is being looking for the replacement. The main reason ductile iron has not been used in mobile parts is because this material does not have enough wear resistance as steel. For this reason, this work presents the proposals made to increase the wear resistance of ductile iron, there consisted of conducting a heat treatment of austempering and other of quench.

The first one, was conducted in a bathroom of lead at a temperature of 680°F (360 °C) to reach to similar mechanical properties of AISI 8620 steel, while quench was carried out in water at room temperature. To evaluate the sliding wear resistance of both materials and AISI 8620 steel a tribological machine pin on disc was used, according to the specifications of norm ASTM G-99 in both conditions dry and lubricated. Friction coefficients, wear rate, wear coefficients k of each one of materials was obtained and likewise the wear tracks were analyzed by scanning electron microscopy.

The results obtained of wear tests indicate a higher wear rate in sliding of austempered ductile iron than the AISI 8620 steel in both conditions of test. Also, the wear rate of ductile iron quenched and AISI 8620 steel are very similar in lubricated condition.

A model of a crosshead was analyzed by Finite Element Method in order to: Determine the state of stresses generated in a piece made of AISI 8620 steel and predict its behavior using either perlitic ductile iron or austempered ductile iron; only a crosshead manufactured with the latter, can match the mechanical strength of steel.

A g r a d e c i m i e n t o s .

Al Instituto Politécnico Nacional, por impulsar el desarrollo de México. Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, por apoyar el conocimiento. A la ESIQIE, por brindar educación con excelencia. A los directores de este trabajo, por su guía. Al los laboratorios del Departamento de Ingeniería Metalúrgica y al de tribología de la ESIME Zacatenco. A los docentes de la ESIQIE, quienes participaron en mi formación. A mis padres, familia y amigos, por su apoyo invaluable e incondicional. Y sobre todo a Dios, por ser privilegiado al tener tantas bendiciones.

G R A C I A S .

Contenido. Página.

Acta de revisión de Tesis. Carta de cesión de derechos. Resumen. Abstract. Agradecimientos. Lista de Figuras. Lista de Tablas. Símbolos y Abreviaturas.

1. Introducción 1

2. Antecedentes 5

2.1 Hierros fundidos. 5 2.2 Hierro dúctil austemperizado (ADI). 6

2.2.1 Tratamiento térmico de austemperizado. 6 2.2.2 Microestructura del ADI. 7

2.3 Propiedades mecánicas del hierro dúctil, hierro dúctil austemperizado y acero AISI 8620. 7 2.4 Estado del arte sobre la caracterización mecánica del hierro dúctil austemperizado (ADI). 10 2.5 Proyectos automotrices que utilizan hierro dúctil austemperizado (ADI). 13 2.6 Tribología. 14 2.7 Desgaste. 15 2.8 Tipos de desgaste. 16

2.8.1 Desgaste abrasivo. 16 2.8.2 Desgaste por deslizamiento (adhesivo) 16 2.8.3 Desgaste por fatiga. 18 2.5.4 Desgaste corrosivo. 19

2.6 Máquina tribológica de perno sobre disco (Pin on disc). 19 2.6.1 Procedimiento según norma ASTM G99. 20

3. Desarrollo experimental 22

3.1 Materiales utilizados. 23 3.2 Fabricación de probetas e identificación. 23 3.3 Tratamientos térmicos realizados. 24

CONTENIDO

3.3.1 Acero 8620 carburizado, templado y revenido. 24 3.3.2 Hierro dúctil templado. 24 3.3.3 Hierro dúctil austemperizado. 24

3.4 Metalografía. 25 3.5 Ensayos de dureza. 26 3.6 Ensayos de desgaste por deslizamiento. 26 3.8 Simulación por elemento finito. 27

3.8.1 Determinación de fuerzas. 28 3.8.2 Condiciones de análisis. 31

4. Resultados 33

4.1 Caracterización microestructural del acero 8620CTR, HDT y ADI. 33 4.1.1 Acero 8620CTR. 33 4.1.2 Hierro dúctil templado (HDT). 34 4.1.3 Hierro dúctil austemperizado (ADI). 36

4.2 Ensayos de dureza. 37 4.3 Caracterización tribológica. 38

4.3.1 Fuerza de fricción en condición lubricada y seca. 38 4.3.2 Volumen perdido. 38 4.3.3 Tasa de desgaste. 40 4.3.4 Coeficiente de desgaste. 40 4.3.5 Micrografías de las huellas de desgaste. 41

4.4 Análisis por elemento finito. 44

5. Discusión de resultados 46

5.1 Caracterización microestructural. 46 5.2 Ensayos de resistencia al desgaste. 47 5.3 Simulación por elemento finito. 49

Conclusiones 50

Referencias 51

Apéndice A. 54

Lista de Figuras. Página.

Figura 1. Cantidad de vehículos fabricados en el año 2007. _________________ 1 Figura 2. Componentes de la junta cardan. ______________________________ 2 Figura 3. Diagrama de flujo del proceso de fabricación de crucetas con acero

8620. ____________________________________________________ 3 Figura 4. Diagrama de flujo propuesto del proceso de fabricación de crucetas con

hierro dúctil. ______________________________________________ 3 Figura 5. Microestructuras de diferentes tipos de hierro. ____________________ 5 Figura 6. Esquema del proceso de austemperizado. _______________________ 6 Figura 7. Microestructura del ADI. ______________________________________ 7 Figura 8. Rango del esfuerzo de cedencia y ductilidad del hierro dúctil. ________ 8 Figura 9. Resistencia a la tensión y ductilidad del hierro dúctil. _______________ 8 Figura 10. Engranes hipoidales fabricados con ADI. ______________________ 14 Figura 11. Soporte de la suspensión del Ford Mustang Cobra fabricado con ADI. 14 Figura 12. Micrografía de una superficie desgastada por abrasivo. ___________ 16 Figura 13. Micrografía de una superficie desgastada por adhesivo. ___________ 17 Figura 14. Micrografía del daño causado por el desgaste adhesivo. __________ 17 Figura 15. Daño provocado por el efecto de la fatiga. ______________________ 18 Figura 16. El daño corrosivo y la deformación plástica actuando de manera

conjunta. ________________________________________________ 19 Figura 17. Esquema del arreglo perno sobre disco. _______________________ 19 Figura 18. Tribómetro utilizado. _______________________________________ 20 Figura 19. Diagrama de flujo del procedimiento experimental utilizado. ________ 22 Figura 20. Probetas de acero y hierro dúctil. _____________________________ 23 Figura 21. Horno de tubo horizontal utilizado. ____________________________ 24 Figura 22. Resistencia a la tensión y elongación del ADI según la temperatura de

austemperizado. __________________________________________ 25 Figura 23. Microdurómetro utilizado. ___________________________________ 26 Figura 24. Proceso general de la prueba de desgaste. _____________________ 27 Figura 25. Ensayo de torsión estática para crucetas. ______________________ 27 Figura 26. Modelo de la cruceta en CAD. _______________________________ 28 Figura 27. Diagrama de cuerpo libre para determinar las cargas aplicadas. ____ 28

LISTA DE FIGURAS

Figura 28. Análisis de fuerzas que actúan en el cojinete y muñón. ___________ 29 Figura 29. Modelo seccionado en elementos finitos. ______________________ 31 Figura 30. Distribución de presiones en los muñones. _____________________ 32 Figura 31. Microestructura del acero 8620CTR. __________________________ 33 Figura 32. Microestructura del hierro dúctil sin tratamientos térmicos. _________ 34 Figura 33. Microestructura del hierro dúctil sin tratamientos térmicos atacada. __ 35 Figura 34. Microestructura del hierro dúctil templado. _____________________ 36 Figura 35. Microestructura del hierro dúctil austemperizado. ________________ 37 Figura 36. Volumen perdido en condición seca en relación con la distancia

recorrida. _______________________________________________ 39 Figura 37. Volumen perdido en condición lubricada en relación con la distancia

recorrida. _______________________________________________ 39 Figura 38. Tasas de desgaste de los materiales ensayados en condición seca y

lubricada. _______________________________________________ 40 Figura 39. Coeficiente dimensional de desgaste k, de cada material ensayado en

condición seca y lubricada. _________________________________ 40 Figura 40. Huellas de desgaste del acero 8620CTR. ______________________ 41 Figura 41. Huellas de desgaste de hierro dúctil austemperizado. _____________ 42 Figura 42. Huellas de desgaste de hierro dúctil templado. __________________ 43 Figura 43. Localización y magnitud de los esfuerzos generados en la cruceta. __ 45 Figura 44. Dureza promedio en función de la temperatura de austemperizado. _ 47

Lista de Tablas. Página.

Tabla 1. Propiedades mecánicas publicadas del hierro dúctil perlítico. _________ 9

Tabla 2. Propiedades del acero 8620 carburizado a 925°C. __________________ 9

Tabla 3. Propiedades del acero 8620 carburizado a 900 °C. _________________ 9

Tabla 4. Propiedades mecánicas publicadas del hierro dúctil austemperizado. __ 10

Tabla 5. Presión aplicada a cada segmento del muñón. ____________________ 30

Tabla 6. Densidad de nódulos del hierro dúctil. __________________________ 34

Tabla 7. Durezas HV y HRC de los materiales ensayados. _________________ 38

Tabla 8. Coeficientes de fricción de los tres materiales estudiados. ___________ 38

Símbolos y Abreviaturas.

k Coeficiente de desgaste μ Coeficiente de fricción σ0 Esfuerzo de cedencia E Módulo de elasticidad ν Relación de Poisson UTS Resistencia última a la tensión Q Tasa de desgaste TA Temperatura de austemperizado Tγ Temperatura de austenización Τ Torque ADI Hierro dúctil austemperizado CAD Diseño asistido por computadoraDRX Difracción de rayos x FEM Método por elemento finito HDT Hierro dúctil templado T Temperatura t Tiempo

1

1. Introducción

La industria automotriz en México es muy importante, ya que tiene un impacto directo en otras industrias como la del acero, vidrio, plástico y en el sector manufacturero, el cual se ha incrementado en los últimos años. Contribuye además de una manera importante a la generación de empleos y la atracción de inversión extranjera.

En el año 2007 la Organización Internacional de Constructores de Automóviles (OICA) dio a conocer que la producción mundial de vehículos se elevó a 73.1 millones de unidades, ocupando México la decimoprimera posición de países productores [1], según lo presentado en la siguiente grafica.

Figura 1. Cantidad de vehículos fabricados en el año 2007.

El continuo desarrollo de ésta, demanda la utilización de nuevos materiales,

los cuales deberán tener un igual o mejor desempeño a un menor costo. Actualmente, el acero es el material con el que se fabrica la mayoría de los componentes estructurales que componen el motor, suspensión, transmisión, chasis y carrocería.

2° 4° 6° 8° 10°0

2

4

6

8

10

12 Japón

Estados Unidos

China

IndiaCanadaEspañaBrasilFrancia

Corea del Sur

Alemania

Mill

ones

de

Uni

dade

s

Posición

México

INTRODUCCIÓN

2

Un material ferroso que se comporta de manera similar al acero es el hierro dúctil. En la actualidad existen diferentes grados de hierro dúctil, lo que significa un amplio rango de propiedades que pueden ser utilizadas en diferentes aplicaciones.

Las ventajas que presenta el hierro dúctil respecto al acero son:

1. Aproximadamente 10% menor densidad. 2. Mejor amortiguamiento ó absorción de vibraciones. 3. Presenta nódulos de grafito, el cual funciona como lubricante entre

las superficies en contacto. 4. La energía requerida para fundirlo es mucho menor. 5. Fluye con facilidad en formas complicadas, lo que permite eliminar

defectos en la fundición y reducir etapas en el proceso de fabricación, producir piezas coladas con geometría y dimensiones casi finales.

6. Maquinabilidad superior al acero [2, 3, 4].

Actualmente la empresa DANA dedicada a la fabricación de engranes cónicos y flechas cardan entre otras partes, pretende sustituir el acero 8620 por hierro dúctil en la fabricación de crucetas. Estos elementos mecánicos están constituidos por un cuerpo sólido con cuatro muñones como se muestra en la figura 2-a; formando parte del la junta cardán, la cual se utiliza en el árbol de transmisión de los vehículos que tienen el motor en la parte delantera y tracción en las llantas traseras, su objetivo es transmitir el giro y torque entre ejes que no se encuentran alineados, ver figura 2-b.

Figura 2. (a) Componentes de la junta cardan, (b) Ubicación.

1 Horquilla 2 Cruceta 3 Cojinetes de agujas 4 Arandelas de seguridad

Árbol de transmisión

1 2 3 4

1

(a) (b) Junta cardan

INTRODUCCIÓN

3

El proceso actual de manufactura de estos elementos se muestra en la figura 3.

Figura 3. Diagrama de flujo del proceso de fabricación de crucetas con acero 8620.

Por lo anterior la empresa DANA pretende fabricar componentes

empleando hierro dúctil por las ventajas ya mencionadas, poniendo énfasis en el costo de fabricación, con ello el proceso de manufactura se reduciría como se muestra en la figura 4.

Figura 4. Diagrama de flujo propuesto del proceso de fabricación de crucetas con hierro dúctil.

Maquinado Tratamiento Térmico

• Austenización 900 °C • Austemperizado a 360 ºC

por 3 Horas.

Terminado • Lapeado • Limpieza • Pintura • Empaque

Producto

Fundición de Pzas.

Maquinado Tratamiento Térmico

• Precalentamiento 450 °C • Austenización 900 °C • Carburizado 5 Horas • Temple (Aceite) 4 min • Revenido 170 °C, 2H.

Terminado • Lapeado • Limpieza • Pintura • Empaque

Producto

Forjado de Pzas.

Rectificado pzas.

INTRODUCCIÓN

4

Lo que demuestra un gran ahorro en el proceso de manufactura al reducir los tratamientos térmicos y los tiempos de maquinado. Por ello, uno de los objetivos fundamentales del presente trabajo fue realizar las propuestas que consistieron en emplear un tratamiento térmico de austemperizado y otro de temple, a fin de incrementar la resistencia al desgaste del hierro dúctil. Objetivos específicos.

• Caracterización microestructural del acero 8620 y hierro dúctil antes y después de recibir tratamientos térmicos. Determinando cantidad y fases presentes, % de nodularidad, densidad de nódulos, tamaño de nódulos y dureza de la matriz.

• Determinar el coeficiente de fricción del acero 8620 carburizado,

templado y revenido, hierro dúctil templado y hierro dúctil austemperizado en condición seca y lubricada.

• Determinar la tasa de desgaste y coeficiente de desgaste k de los

tres materiales en condición seca y lubricada. • Evaluar la respuesta de estos materiales en una condición de carga

a través de la simulación por elemento finito. • En función de los resultados obtenidos, evaluar la posibilidad de

hacer la sustitución del acero 8620 por hierro dúctil.

5

2. Antecedentes

2.1 Hierros fundidos. Los hierros fundidos son aleaciones ferrosas con un contenido de carbono

entre 3.0 y 4.5% en peso y otros elementos de aleación, en ellos el carbono existe en forma de grafito, tanto la microestructura como su comportamiento mecánico depende de la composición química y si se aplicó un tratamiento térmico. Los tipos de hierro se clasifican en gris, dúctil, blanco y maleable.

Figura 5. Microestructuras de diferentes tipos de hierro. (a) Hierro gris muestra, hojuelas de grafito dentro de una matriz de ferrita. (b) Hierro dúctil presenta, nódulos de grafito dentro de una matriz de ferrita. (c) El hierro blanco tiene regiones de cementita (clara) dentro de una matriz de perlita (oscura). (d) Hierro maleable presenta, rosetas de grafito en una matriz de ferrita [2].

En el hierro gris, el grafito se encuentra en forma de hojuelas, ver figura 5-a, mecánicamente es frágil debido a sus puntas agudas de las hojuelas, las cuales actúan como concentradores de esfuerzos. Su capacidad de amortiguamiento es mucho mejor que la mostrada por los aceros y tiene una alta resistencia al desgaste por deslizamiento. La alta fluidez a temperatura de colada hace posible que se puedan obtener geometrías complejas.

(a)

(d)(c)

(b)

ANTECEDENTES

6

El hierro dúctil presenta nódulos o esferas en lugar de hojuelas, ver figura 5-b, ofrece un amplio rango de propiedades mecánicas dependiendo de su matriz que puede ser ferrítica, perlítica o austemperizada, conocido por sus siglas en inglés como ADI, las cuales se utilizaron en este trabajo.

El hierro blanco contiene una gran cantidad de carbono en forma de cementita en lugar de grafito, como consecuencia es extremadamente duro y muy frágil, lo que dificulta su maquinado. Por ello, el uso del mismo se limita a aplicaciones que requieren una gran resistencia al desgaste sin alto grado de ductilidad, éste se muestra la figura 5-c [2].

El hierro maleable contiene nódulos de grafito de forma irregular como se presenta en la figura 5-d, tiene considerable ductilidad y tenacidad al igual que el hierro dúctil por ello es adecuado para aplicaciones que requieren estas propiedades. Este tipo de hierro se prefiere para partes que requieren: Ser conformadas en frio, máxima maquinabilidad, adecuada resistencia al imparto a bajas temperaturas.

2.2 Hierro dúctil austemperizado (ADI).

2.2.1 Tratamiento térmico de austemperizado. El tratamiento térmico es una herramienta que se utiliza para mejorar las

propiedades mecánicas del hierro y acero según se requiera. Un esquema del tratamiento térmico de austemperizado que recibe el hierro

dúctil se muestra en la figura 6. La primera etapa consiste en calentar y mantenerlo a una temperatura entre los 815 y 927 °C (según el contenido de carbono), este proceso se llama austenización. La segunda etapa, se basa en enfriar rápidamente en un baño de sales que se encuentre a una temperatura entre 232 y 399 °C, enfriándose posteriormente a la temperatura ambiente.

Figura 6. Esquema del proceso de austemperizado [3].

0 1 2 3 4

0

200

400

600

800

1000

Tem

pera

tura

, °C

Tiempo, h

A1

MS

ANTECEDENTES

7

El efecto de la temperatura de austemperizado influye en las propiedades mecánicas, con temperaturas cercanas a 400 °C se obtiene una alta ductilidad, alta resistencia a la fatiga y al impacto, relativamente menor esfuerzo de cedencia y resistencia a la tensión. Utilizando temperaturas cercanas a 230 °C el ADI presenta alta resistencia a la tensión y esfuerzo de cedencia, baja ductilidad y baja resistencia al impacto [2, 3].

2.2.2 Microestructura del ADI. La microestructura del hierro dúctil austemperizado es única en los hierros.

Esta consiste en ferrita acicular y austenita estable con alto contenido de carbono la cual se llama ausferrita.

Figura 7. Microestructura del ADI muestra nódulos de grafito, ferrita acicular (fase oscura) y austenita estable con alto contenido de carbono (fase clara) [5].

2.3 Propiedades mecánicas del hierro dúctil, hierro dúctil austemperizado y acero AISI 8620.

Las propiedades mecánicas del ADI comparadas con otros materiales se muestran en las figuras 8 y 9.

100 μm 20 μm

ANTECEDENTES

8

Figura 8. Rango del esfuerzo de cedencia y ductilidad del hierro dúctil, hierro dúctil austemperizado y aceros forjados [3].

Figura 9. Resistencia a la tensión y ductilidad del hierro dúctil con diferente tipo de matriz [3].

Las propiedades mecánicas publicadas en diferentes referencias con respecto al hierro dúctil, hierro dúctil austemperizado y acero 8620, que tienen una composición química y tratamientos térmicos similares a los utilizados en este trabajo se resumen en las tablas 1, 2, 3 y 4.

0 10 20 30 400

250

500

750

1000

1250

1500

1750

2000

Esfu

erzo

de

cede

ncia

, MPa

Elongación, %

0 5 10 15 20 25

400600800

100012001400160018002000

Ferrítico

Perlítico

Templado y revenido

Res

iste

ncia

a la

tens

ión,

MPa

Elongación, %

Austemperizado

Acero

ADI

Hierro Dúctil

| 10

ANTECEDENTES

9

Tabla 1. Propiedades mecánicas publicadas del hierro dúctil perlítico [2,4,6,7].

Composición Química 0.2% σ0.

[MPa] UTS. [MPa]

Elong. [%]

Dureza

[HRC]C Si Mn Mg Cu

3.5 3.8

2.2 2.7

0.6 --- 0.2 0.5

483 689 >6 23 31

3.21 2.28 0.32 0.04 0.14 339 480 --- ---

3.3 2.5 0.47 0.067 0.46 480 805 --- ---

3.5 2.7 0.18 0.041 0.65 465 781 --- ---

Tabla 2. Propiedades del acero 8620 carburizado a 925 °C por 5 h, templado en aceite y revenido a 230 °C [4].

AISI 8620 Resistencia a la tensión 1157 MPa.Esfuerzo de cedencia 833 MPa.Elongación 14.3 %Reducción de área 53.2 %Módulo de elasticidad 205 GPa.Relación de Poisson 0.29Maquinabilidad 65 %Módulo de corte 80 GPa.Dureza de superficie 61 HRC

Tabla 3. Propiedades del acero 8620 carburizado a 900 °C por 5 h, templado en aceite a 90 °C y revenido a 170 °C (Datos proporcionados por DANA).

AISI 8620 Resistencia a la tensión 1200 MPa.Esfuerzo de cedencia 850 MPa.Elongación 11 %Dureza de superficie 58 HRC

ANTECEDENTES

10

Tabla 4. Propiedades mecánicas publicadas del hierro dúctil austemperizado [2,4,7,8,9,10,11].

Los datos de las tablas anteriores indican el rango de propiedades que

pueden obtenerse con estos materiales, con ello se da a conocer que el hierro dúctil austemperizado a una temperatura de entre 350 y 370 °C posee propiedades mecánicas similares al acero 8620.

2.4 Estado del arte sobre la caracterización mecánica del hierro dúctil austemperizado (ADI).

Para evaluar el potencial que tiene el ADI para ser utilizado en partes sujetas a desgaste Y. S. Lerner and G. R. Kingsbury [11], estudiaron la resistencia al desgaste del ADI y un acero AISI 4140 sujetos a desgaste por deslizamiento y desgaste abrasivo. La resistencia del ADI fue casi cuatro veces mayor que un hierro 90% perlítico, solo el hierro templado con una microestructura martensítica

Composición Química TA

[°C]

0.2% σ0.

[MPa]

UTS. [MPa

]

Elong.

[%]

Dureza

[HRC]

C Si Mn Mg Cu Mo

3.52

2.67

0.29 0.032

0.87 0.25 350370390410

800 851 620 660

1125 1104 965 967

4 8 9 10

36.6 35.5 31 30

3.45

2.43

0.089

0.06 0.061Cr

0.024Ni

450 640 950 6 33

3.4 3.8

2.4 2.8

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551 1275

861 1585

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1600 1380 1190 1080 1050

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3.53

2.27

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1320 901

1333 1036

0.2 1.64

50.5 38

ANTECEDENTES

11

exhibió una resistencia mayor que el ADI, por otra parte el desgaste del acero fue relativamente menor comparándolo con el ADI.

La resistencia al desgaste del ADI es atribuida al posible cambio que se da en la superficie de desgaste, la austenita estable con alto contenido de carbono se transforma en martensita.

John R. Keough y Kathy L. Hayrynen [20], examinaron los datos disponibles en la literatura sobre los modos de desgaste: abrasivo, adhesivo y por erosión. Utilizando el primero de ellos, obtuvieron que la resistencia al desgaste del ADI no depende de la dureza del material cuando se generan altos esfuerzos, esto como resultado de la posible transformación de austenita a martensita en la superficie de prueba. Cuando los esfuerzos no son lo suficientemente grandes para iniciar la transformación, el desgaste es proporcional a la dureza de la muestra. La resistencia a la abrasión del ADI se puede mejorar incrementando el volumen de carburos en la superficie.

Para determinar la causa del incremento en la resistencia al desgaste del ADI comparada con hierros dúctiles sin tratamiento térmico J. Zimba, y colaboradores [21], estudiaron la resistencia a la tensión, desgaste, tenacidad y dureza de un ADI, un acero EN 24 frecuentemente utilizado en aplicaciones que requieren buena resistencia al desgaste y un acero SAE 1020 utilizado como estándar en pruebas de desgaste. Reportando que el austemperizado en un rango de temperaturas 340-375 °C mejora significativamente la resistencia a la tensión y al desgaste con sacrificio de la ductilidad y tenacidad. La resistencia a la abrasión del ADI es muy superior al hierro dúctil y es comparable a la de aceros que tienen aproximadamente dos veces su dureza del ADI. Existe una transformación de austenita retenida en martensita (comprobado con DRX), este fenómeno endurece la superficie del ADI, con ello se incrementa la resistencia al desgaste; a partir que la transformación solo es en la superficie no se pierde tenacidad en el material, resultando una buena combinación de alta resistencia, tenacidad y resistencia al desgaste.

A. Refaey, N. Fatahalla [22], Compararon la microestructura, resistencia, impacto, fractografía y características de desgaste de un ADI, un hierro nodular de baja aleación. Las propiedades de desgaste fueron determinadas usando una maquina de perno sobre disco en condiciones de deslizamiento seco. Algunos resultados son: la masa perdida del ADI es cercana al hierro dúctil de baja aleación, presentando buena resistencia al desgate, la cual está principalmente relacionada con la dureza, la masa perdida está directamente relacionada con la velocidad de deslizamiento y carga aplicada en la prueba.

La resistencia al desgaste abrasivo puede evaluarse a través de la prueba llamada “Dry sand/rubber wheel” (Norma ASTM G-65) y según lo reportado por los investigadores Dommarco, Sousa y Sikora [23], sugieren que para disminuir la tasa de desgaste es recomendable tener una baja densidad de nódulos ya que estos tienen una influencia negativa aun en matrices de alta dureza. Proponen un factor, el cual puede ser una herramienta para predecir el desgaste abrasivo en materiales con diferentes durezas y ductilidad.

ANTECEDENTES

12

Respecto a la fatiga por contacto de rodadura (FCR) Dommarco y Salvande

[24], realizaron experimentos utilizando hierro dúctil austemperizado y acero AISI 4140 reportando el efecto que tiene la dureza de la matriz en este tipo de desgaste, presentando un incremento en la resistencia cuando la temperatura de austemperizado decrece. Esto se atribuye a que la alta dureza retrasa la acumulación microplástica y por ello la nucleación de grietas, El ADI presenta un tiempo de vida menor que el acero AISI 4140.

Considerando que la falla por fatiga por contacto de rodadura (FCR) está compuesta por tres etapas: nucleación, propagación y fractura, la nucleación consume cerca del 85% de la vida total y la presencia de nódulos es importante ya que actúan como sitios de nucleación. El acero AISI 4140 templado y revenido ensayado tuvo una resistencia siete veces mayor que el hierro dúctil austemperizado a 300° C y dos veces más que el tratado a 240° C, también se reporta que el ADI no es susceptible a la presencia de defectos artificiales ya que el tiempo de vida es similar al registrado sin la presencia de estos defectos, mientras que los aceros ensayados disminuyen 15% su tiempo de vida con la presencia de los mismos.

El progreso de agrietamiento del ADI se caracteriza por un continuo cambio de dirección de la grieta, aparentemente causado por la presencia de nódulos cerca de la punta de la grieta. Esta propagación involucra las pequeñas grietas que se generan en los nódulos, como una consecuencia de los esfuerzos inducidos en la vecindad de éstos por avance de la grieta principal. La generación de grietas secundarias funciona como un mecanismo de reforzamiento, porque la grieta requiere una cantidad extra de energía para continuar avanzando, así mismo, así mismo, ésta es obstruida por la austenita retenida de la matriz de ausferrita que puede transformarse en martensita por esfuerzo o deformación, lo cual, consume más energía. También se generan esfuerzos residuales de compresión, los cuales reducen la propagación de la grieta. Otro factor que explica su buena resistencia a la fatiga es el conteo de nódulos, la propagación de grieta es fuertemente influenciada por la presencia de nódulos justo por debajo de la superficie de contacto.

Aunque se considera la buena resistencia del ADI a la propagación de grietas, ésta es solo una pequeña fracción del tiempo total de vida. El tiempo de vida o resistencia a la fatiga está determinado por la nucleación de grietas en el caso del hierro dúctil, los nódulos actúan como defectos naturales donde las grietas se nuclean fácilmente.

Además de evaluar el comportamiento del hierro dúctil austemperizado a diferentes temperaturas, también se ha evaluado el efecto que tiene incrementar la densidad de nódulos sobre la resistencia al desgaste. Por ello, el grupo de tribología integrado por Rebasa, Dommarco y Sikora [25], reportaron que la falla por fatiga por contacto de rodadura es un proceso probabilístico, la probabilidad de falla aumenta incrementando la densidad de nódulos, pero esto solo es aplicable cuando el desgaste es de tipo abrasivo. Por el contrario, el desgaste por contacto

ANTECEDENTES

13

por rodadura tuvo una notable disminución en hierros con alta nodularidad, la cual fue una quinta parte de la generada en piezas con densidad de nódulos promedio.

Otro estudio realizado por los investigadores Dommarco, Jaurguiberry y Sikora [26], reportaron que el tamaño de nódulos afecta la vida de fatiga por contacto de rodadura independientemente de la microestructura del hierro dúctil, su resistencia a él es afectada por cambios en el tamaño de nódulos, pero ésta puede ser mejorada incrementando el área de contacto.

En lo referente a desgaste por deslizamiento Gangasani [27], realizó un estudio comparativo del comportamiento de dos tipos comerciales de hierro dúctil 65-45-12 y 80-55-06, los cuales fueron austemperizados a diferentes temperaturas, la evaluación se realizó a través del método “3 pernos sobre disco”, el cual se utiliza para determinar el comportamiento al desgaste de materiales en condición seca, reportó que cuando la carga de prueba es relativamente baja, el material perdido está relacionado solo a la dureza inicial de las muestras ya que no existe evidencia de formación de martensita. La tasa de desgaste del hierro austemperizado a 250 °C fue las más baja de los materiales ensayados.

Respecto a las propiedades mecánicas que se obtienen con este material Yoon-Jun Kim, y colaboradores [28], encontraron que un hierro dúctil austemperizado tiene mayor ductilidad cuando se trata térmicamente a una temperatura de 410°C con elongaciones del 10% y a una temperatura de 350°C se obtiene la resistencia más alta 1125 MPa con una ductilidad del 8%. También reportaron que la adición de cobre y molibdeno es muy importante para el incremento de la resistencia a la tensión.

A. Refaey y N. Fatahalla [29], realizaron una comparación entre un ADI y un hierro dúctil aleado con níquel y molibdeno reportando valores de dureza 1.5 mayores que las del ADI y 2.5 más grandes que el hierro dúctil convencional. Esfuerzos de cedencia de 340 MPa para hierro dúctil convencional, 640 MPa para ADI y 750 MPa para el hierro aleado. El ADI registró una pérdida de masa semejante al hierro aleado mostrando buena resistencia al desgaste en condición seca, su resistencia al desgaste se encuentra directamente relacionada con la dureza de la matriz.

2.5 Proyectos automotrices que utilizan hierro dúctil austemperizado (ADI). General Motors inició un proyecto en los años 60´s, el cual fue un programa

de desarrollo de engranes con ADI, después de una década de investigación, en 1977 GM lanzó un juego de engranes hipoidales presentados en la figura 10, instalados en vehículos de medio tamaño producidos por Pontiac. Se estuvieron manufacturando engranes hasta que la producción de vehículos cesó [30].

ANT

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2.6

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TECEDENTES

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ANTECEDENTES

15

1. Un cuerpo base o primario sujeto a desgaste. 2. Un cuerpo secundario o de fricción bajo condiciones de desgaste. 3. Sustancia intermedia entre las superficies en contacto: aceite, grasa,

polvo, fibras, abrasivos, agua, vapor, gases, etc. 4. Medio ambiente donde se encuentra el sistema, si éste se encuentra

inmerso en gases, líquidos, bajo diferentes presiones o temperaturas.

2.7 Desgaste. El desgaste es definido como: Desprendimiento de partículas que ocurre

en la superficie de sólidos que se encuentran en contacto y movimiento relativo, producto de la acción de una carga [13].

El desgaste produce daño en las superficies de contacto y el análisis e interpretación de las mismas puede resultar compleja debido a que generalmente es una combinación de dos o más tipos de daños, pero es posible hacer una clasificación utilizando tipos idealizados [14], como los que se describen a continuación.

1. Daños de superficie sin intercambio de material. a. Cambios estructurales: Daño por cambios estructurales como

envejecimiento, revenido, transformaciones de fase, etc. b. Deformación plástica: Daño caracterizado por deformación de

alguna capa de la superficie localizada o extensa, la última se revela como un cambio de forma.

c. Agrietamiento de superficie: Daño causado por un excesivo contacto local o variaciones cíclicas de temperatura o esfuerzos, el último caso produce arreglos densos de grietas paralelas mientras que las variaciones térmicas generan arreglos de redes de grietas.

2. Daños de superficie que involucra pérdida de material: desgaste. El material perdido de la superficie puede presentar varias formas y tamaños.

3

1

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TECEDENTES

3.

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TECEDENTES

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TECEDENTES

5.4 DesgasLa corr

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ANTECEDENTES

21

La cantidad de desgaste es determinada midiendo y pesando las probetas antes y después de la prueba, la cantidad de materia perdida es convertida a volumen perdido en mm3 utilizando el valor de la densidad de las muestras.

Los valores de desgaste se reportan en gráficas de volumen perdido contra distancia recorrida lo que permite conocer la tasa de desgaste del material estudiado.

El desgaste en cualquier sistema depende de varios parámetros como:

carga aplicada, velocidad de deslizamiento, distancia recorrida, medio ambiente (lubricado, seco, presión, vacio, temperatura, corrosivo, etc.) y las propiedades del material. Este tipo de ensayos se utilizan para evaluar el desgaste de un material en condiciones reales de servicio.

22

3. Desarrollo experimental

Figura 19. Diagrama de flujo del procedimiento experimental utilizado.

Conclusión y Propuesta

Evaluación

Determinar Magnitud de cargas

Análisis Método Elemento Finito

(FEM)

Modelo por diseño asistido por computadora

(CAD)

Tratamientos Térmicos

Ensayos de dureza

Ensayos de desgaste (Perno sobre Disco)

Fabricación de Probetas

Caracterización microestructural

Propiedades Mecánicas (Literatura)

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3.2

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23

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DESARROLLO EXPERIMENTAL

24

3.3 Tratamientos térmicos realizados.

3.3.1 Acero 8620 carburizado, templado y revenido. Se utilizó un horno de retorta y una atmósfera de metanol-nitrógeno para

aplicar tratamientos térmicos al acero 8620 los cuales fueron: carburizado a una temperatura de 900 ± 20° C por 5 horas, un temple en aceite hasta un temperatura de 80-90° C y finalmente un revenido a 160-170° C por 2 horas.

3.3.2 Hierro dúctil templado. Se llevó a cabo en un horno de tubo horizontal marca Carbolite modelo

CTF; se utilizó una atmósfera de argón para evitar la oxidación de la probeta. El calentamiento del horno se hizo con una rampa de 10 °C por minuto hasta alcanzar la temperatura de austenización (Tγ) de 900 °C y se mantuvo por 1.5 horas. Esta temperatura se monitoreó a través de un termopar externo, el cual se introdujo en el tubo justo en la ubicación de la muestra. Posteriormente las muestras se templaron en agua a temperatura ambiente.

Figura 21. Horno de tubo horizontal utilizado.

3.3.3 Hierro dúctil austemperizado. Los trabajos expuestos en forma general concluyen que para tener buena

resistencia al desgaste se debe tener alta dureza para evitar la deformación, la generación y propagación de grietas, sin embargo se pierde ductilidad.

Según las características de funcionamiento de la cruceta descritas en la introducción de este trabajo, esta parte debe poseer además un valor considerable de ductilidad con el fin de que esta pieza absorba la mayor cantidad de esfuerzos generados. Para producir un hierro con una ductilidad del 11% y resistencia mecánica de 1100 MPa, semejantes al que posee el acero 8620 según la tabla 3; se utilizó una temperatura de austemperizado de 360 °C, la cual se extrajo de la figura 22.

Se utilizó el mismo equipo y condiciones de austenización que el temple; para el austemperizado se utilizó plomo líquido como medio de temple, el cual se

Ubicación de la probeta


25

mantuvo a una temperatura de 360 °C, una vez concluidas 1.5 horas a 900 °C las probetas se extrajeron y se sumergieron en el baño de plomo durante un período de 3 horas a temperatura constante.

Figura 22. Resistencia a la tensión y elongación del ADI según la temperatura de austemperizado [4].

3.4 Metalografía. Se realizó un corte transversal en cada una de las probetas de acero

8620CTR, HDT y ADI con el fin de observar la microestructura en la parte central de la misma.

La preparación de metalografías en hierro dúctil es algo diferente y difícil debido a que se deben mantener la máxima cantidad de nódulos de grafito en la matriz, por esta razón este procedimiento se realizó según las recomendaciones del manual ASM volumen 9, que específica el equipo y materiales a utilizar [32].

Para el desbaste se utilizaron lijas de carburo de silicio con graduación: 240, 500, 1000, 2000 y 4000. En el pulido se utilizó pasta de diamante de 1 µm.

Las muestras fueron atacadas con reactivo de nital al 2% y observadas con un microscopio metalográfico equipado con analizador de imágenes.

220 240 260 280 300 320 340 360 380 40002468

1012

9001000110012001300140015001600

Elon

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ón, %

UTS

, MPa

Temperatura de austemperizado, °C


26

3.5 Ensayos de dureza. Se realizaron siete ensayos de microdureza Vickers en la matriz de las

probetas de acero 8620CTR, HDT y ADI, utilizando una carga de 50 gramos y un tiempo de aplicación de 12 segundos en un durómetro marca Mitutoyo modelo HV-113.

Figura 23. Microdurómetro utilizado.

3.6 Ensayos de desgaste por deslizamiento. Los pernos utilizados fueron los rodamientos tipo aguja del cojinete (Figura

24-a), los cuales están fabricados con acero DIN Cr 6 que es un acero al cromo con alto contenido de carbono (0.95- 1.10% C). Los discos utilizados fueron las probetas manufacturadas especialmente para el presente trabajo experimental.

Las condiciones de prueba utilizadas fueron: 25 mm de diámetro de la huella, 350 R. P. M. (ajustadas con tacómetro digital, ver figura 24-b) para una velocidad tangencial de 0.458 m/s, 140 N de carga normal y se ajustó el tiempo de prueba para que la distancia recorrida fuera de 200 m para la condición seca y 1000 m para la condición lubricada. Se usó grasa Chevron ultra duty grease®, con viscosidad cinemática de 400 cSt a temperatura ambiente.

Se realizaron cuatro ensayos de desgaste de cada material, los valores del peso perdido para la distancia acordada fueron evaluados por medio de una balanza marca Scientech modelo SA 310 con una precisión de 0.0001 g (figura 24-c).

Se midió la fuerza de fricción de los tres materiales en condición seca y lubricada utilizando una celda de carga marca PASCO 4500, utilizando una carga de 9.81 N por 1 minuto, la configuración utilizada se presenta en la figura 24-d.

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28

Para realizar este análisis se modeló la geometría de la cruceta según sus dimensiones reales (Apéndice A), para ello los muñones se ubicaron en dirección de los ejes X y Y, como se muestra en la figura 26.

Figura 26. Modelo de la cruceta en CAD.

3.8.1 Determinación de fuerzas. Para determinar la magnitud de las fuerzas que actúan en la cruceta, se

elaboró el diagrama de cuerpo libre mostrado en la figura 27, en ella se manifiesta que una horquilla está limitada a cualquier desplazamiento, ésta transmite la restricción a los cojinetes respectivos y finalmente a los muñones, de la misma forma, el torque aplicado (Τ) o par de fuerzas (2F) es transmitido a los dos muñones restantes.

Figura 27. Diagrama de cuerpo libre para determinar las cargas aplicadas.

X

Y Z

X

Y

F

F

Τ


29

Para determinar el valor de fuerza F aplicada en la parte media del cojinete, se conoce que, el valor del momento de un par de fuerzas es igual al producto de una de ellas por la distancia que las separa.

dF ×=Τ . . . . . . . . . . . . . . 4

En este caso la distancia es la longitud de 98.49 mm. Determinando una

fuerza de 63,965 N. Un análisis detallado de cómo se transmite la fuerza desde el cojinete hasta

el muñón se presenta en la figura 28. Considerando que los rodamientos solo transmiten la fuerza radial y que la anteriormente calculada F solo actúan en el eje Y, se establece que ésta se divide en varias de menor magnitud (f), las cuales tienen componentes en el eje Y y Z, solo se consideraron las fY, debido a que las fZ se eliminan al actuar en sentidos opuestos.

También se observa que la magnitud de las componentes fY es diferente, siendo máxima (558.21 N) a 0° y cero a 90° y 270°, esto produce el perfil de la fuerza distribuida.

Figura 28. Análisis de fuerzas que actúan en el cojinete y muñón.

La periferia del muñón de dividió en 36 partes para aplicar una fuerza

diferente en cada una de ellas, la cual se determinó empleando una hoja de cálculo y utilizando la ecuación 5. Los resultados se agruparon cada 10°, correspondientes a cada segmento.

270°

Y

Z

α

f máx.

Horquilla

Cojinete

Rodamientos tipo aguja

270°

90°

Muñón

F


30

FCos 270

=∑90

αf . . . . . . . . . . . . . 5

Donde: f Fuerza transmitida por las agujas del cojinete F Fuerza transmitida por la horquilla

La presión en cada segmento se determinó utilizando la ecuación 6, los

valores obtenidos anteriormente y la aérea de cada uno de ellos, los resultados se muestran en la tabla 5.

Dlπ

∑°

α= 10

segmento

fP

Cos 36 . . . . . . . . . . . 6

Donde: D Diámetro del muñón, (0.0271 m)

l Longitud del muñón, (0.01921 m)

Tabla 5. Presión aplicada a cada segmento del muñón. Ángulo ∑ Fuerza [N] Psegmento [Pa]

90-99 437.42 9628402.12100-109 1395.90 30726321.03110-119 2311.97 50890636.22120-129 3157.79 69508665.18130-139 3907.66 86014708.52140-149 4538.80 99907238.46150-159 5032.03 110764137.53160-169 5372.36 118255524.32170-179 5549.46 122153776.85181-190 5549.46 122153776.85191-200 5372.36 118255524.32201-210 5032.03 110764137.53211-220 4538.80 99907238.46221-230 3907.66 86014708.52231-240 3157.79 69508665.18241-250 2311.97 50890636.22251-260 1395.90 30726321.03261-270 437.42 9628402.12


31

3.8.2 Condiciones de análisis. Como plataforma de análisis se utilizó el software ANSYS; el modelo fue

importado del archivo .sat generado en Mechanical Desktop. Se consideró un análisis tipo lineal y estático utilizando las propiedades correspondientes al acero AISI 8620 mostradas en la tabla 3 (E = 205 GPa y ν = 0.29). Para su discretización se empleó el elemento Solid45, utilizado para resolver estructuras sólidas en 3D, su forma primaria es un cuadrilátero, definido por ocho nodos con tres grados de libertad en cada uno (desplazamiento en X, Y y Z), lo anterior produjo 850,787 elementos finitos como se aprecia en la figura 29.

Para simular la condición de carga, primero se aplicó la restricción a cualquier desplazamiento a las superficies de dos muñones opuestos, posteriormente se aplicaron las presiones de la tabla 5 en cada segmento de los muñones restantes como se muestra en la figura 30.

Después de obtener la solución, se obtuvieron los esfuerzos de Von Mises, conocido como: criterio de máxima energía de distorsión, establece que el material no fluirá en el punto analizado siempre que la energía por unidad de volumen en el mismo, no supere la que se da en el momento de la fluencia en un ensayo de tensión.

. Figura 29. Modelo seccionado en elementos finitos.


32

Figura 30. Distribución de presiones en los muñones.

4.

4.1

4.1

862prema

Figperrete

Result

Caracteri

.1 Acero 8La micr

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10

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33

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4.1

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50 μm

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34

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RESULTADOS

35

Las probetas se atacaron químicamente con nital al 2%, revelando las fases de la microestructura, siendo 10% de grafito, 27% de ferrita y 63% de perlita como se observa en la figura 33-a. La misma figura a mayor magnificación muestra perlita gruesa.

Figura 33. (a) Microestructura del hierro dúctil sin tratamientos térmicos atacada con nital al 2%, muestra un porcentaje de fases: 10% grafito, 27% ferrita y 63% perlita. (b) Nódulos de grafito rodeados de una corona de ferrita y una matriz de perlita gruesa.

La microestructura del hierro dúctil templado, se presenta en la figura 34,

donde se observa una completa transformación de la perlita y ferrita en agujas de martensita, también muestra pequeñas zonas de austenita retenida.

(b)

(a)

10 μm

50 μm

RESULTADOS

36

Figura 34. Microestructura del hierro dúctil templado, (a) presenta nódulos de grafito en una matriz martensítica. (b) zonas de austenita retenida (fase blanca central).

4.1.3 Hierro dúctil austemperizado (ADI). La microestructura del hierro dúctil austemperizado se indica en la figura 35,

en ella se observa una matriz de ausferrita la cual consiste en ferrita acicular y austenita estable con alto contenido de carbono.

Austenita retenida

(a)

(b) 10 μm

50 μm

RES

Figen aus

4.2

idetrat

SULTADOS

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stenita estab

2 Ensayos En la

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10 μm

50 μm

Nódulos de g

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medio de del respe

m

m

37

grafito ura) y

siete ectivo

RESULTADOS

38

Tabla 7. Durezas HV y HRC de los materiales ensayados. Probeta Microdureza Vickers

[HV] Dureza Rockwell C

[HRC] Acero 8620CTR 656 57.8 Hierro dúctil perlítico 326 32.8 ADI 485 48 Hierro dúctil templado 867 65 Acero DIN Cr 6 800 64[33]

4.3 Caracterización tribológica.

4.3.1 Fuerza de fricción en condición lubricada y seca.

Para determinar el coeficiente de fricción (μ), se hizo una relación del promedio de la fuerza de fricción para cada aleación y la carga aplicada, los resultados de cada condición de prueba se muestra en la tabla 8.

μ = aplicada Carga

fricción de Fuerza . . . . . . . . . . . 7

Tabla 8. Coeficientes de fricción de los tres materiales estudiados.

Probeta μ

Seco μ

Lubricado

8620CTR 0.15987 0.01121

ADI 0.17023 0.07849

HDT 0.15089 0.02404

4.3.2 Volumen perdido. Los gráficos de volumen perdido contra distancia recorrida de los tres

materiales se evaluaron cada 200 y 1000 m recorridos. La densidad de cada material se determinó dividiendo el valor de masa inicial entre el volumen según las dimensiones de la probeta. Las densidades utilizadas fueron: 7.7901 g/cm3 para el 8620CTR, 7.0995 g/cm3 para el ADI y 7.0199 g/cm3 para el hierro dúctil templado. Se reporta el valor promedio de cuatro pruebas realizadas en cada material por condición seca y lubricada.

Los resultados de los ensayos de desgaste en condición seca se presentan en la figura 36. Muestra que el volumen perdido de la superficie del ADI fue el mayor, seguido del acero 8620CTR, mientras que el hierro dúctil templado

RESULTADOS

39

presentó la menor pérdida. Respecto a las pruebas lubricadas, en general se registró menor pérdida de volumen debido a la acción del lubricante que impide el contacto directo entre las superficies del perno y disco, reduciendo considerablemente la fricción y el calentamiento del material. La figura 37, muestra el volumen perdido cada 1000 m en condición lubricada, observándose que el ADI sigue presentando la mayor pérdida de volumen, mientras que el acero 8620CTR tuvo la menor pérdida de volumen.

Figura 36. Volumen perdido en condición seca en relación con la distancia recorrida.

Figura 37. Volumen perdido en condición lubricada en relación con la distancia recorrida.

0 200 400 600 800 1000 12000.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

Vol

umen

per

dido

, m

m3

Distancia recorrida, m

8620CTR ADI HDT

0 2000 4000 60000.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Vol

umen

per

dido

, mm

3

Distancia recorrida, m

8620CTR ADI HDT

RESULTADOS

40

4.3.3 Tasa de desgaste. La tasa de desgaste de los tres materiales en ambas condiciones de prueba

se muestra en la figura 37.

Figura 38. Tasas de desgaste de los materiales ensayados en condición seca y lubricada.

4.3.4 Coeficiente de desgaste. El coeficiente dimensional de desgaste k se presenta en la figura 36.

Figura 39. Coeficiente dimensional de desgaste k, de cada material ensayado en condición seca y lubricada.

8620CTR ADI HDT0.0

5.0x10-4

1.0x10-3

1.5x10-3

2.0x10-3

8.054x10-4

1.850x10-3

5.138x10-57.044x10-5

1.460x10-3

Tasa

de

desg

aste

, mm

3 /m

Material

Lubricada Seca

4.739x10-5

8620CTR ADI HDT0.0

2.0x10-6

4.0x10-6

6.0x10-6

8.0x10-6

1.0x10-5

1.2x10-5

1.4x10-5

5.753x10-6

1.317x10-5

3.670x10-75.031x10-7

1.042x10-5

k,

mm

3 N

-1m

-1

Material

Lubricada Seca

3.385x10-7

RESULTADOS

41

4.3.5 Micrografías de las huellas de desgaste. Para determinar el mecanismo de desgate de los tres materiales en cada

condición de prueba se analizaron las huellas de desgaste a través de microscopía electrónica de barrido, cuyos resultados se exhiben en las figuras 40, 41 y 42.

Las figuras 40-a y 40-c, corresponden a la huella de desgate del acero 8620CTR en condición seca, se identifican dos mecanismos de desgaste: Deformación plástica y resquebrajamiento de la red cristalina, mientras que en condición lubricada se percibe menor deformación plástica, así como daños superficiales debido a las impurezas o poros donde se concentran los esfuerzos, lo anterior se exhibe en las figuras 40-b y 40-d.

Figura 40. Huellas de desgaste del acero 8620CTR. (a) y (c) Condición seca. (b) y (d) Condición lubricada.

(a) Resquebrajamiento Deformación plástica (b) Deformación plástica

(c) (d) Daños superficiales

Condición seca Condición Lubricada

1 0 0 μm 1 0 0 μm

1 0 μm 1 0 μm

RESULTADOS

42

Las huellas de desgaste del hierro dúctil austemperizado en condición seca

se presentan en las figuras 41-a y 41-c, se observa que debido al desgaste por adhesión, existe una gran deformación plástica, delaminación y resquebrajamiento de la matriz. Las figuras 41-b y 41-d, corresponden a la condición lubricada donde se percibe reducida deformación plástica, así como resquebrajamiento con menor daño superficial.

Figura 41. Huellas de desgaste de hierro dúctil austemperizado. (a) y (c) Condición seca. (c) y (d) Lubricada.

(a) Deformación plástica (b) Deformación plástica Nódulos

(c) Delaminación Grieta (d) Daños superficiales


1 0 0 μm 1 0 0 μm

1 0 μm 1 0 μm

RESULTADOS

43

En la figura 42-a, se indica la huella en condición seca del hierro dúctil templado donde casi no existe deformación plástica de la matriz por el contrario se observa un agrietamiento y material adherido del perno. En la figura 42-c, se contempla claramente la delaminación que sufre la matriz justo en los perímetros de los nódulos.

La figura 42-b, correspondiente a la condición lubricada presenta mínima deformación plástica de la matriz; el desgaste revela pequeños nódulos de grafito, así como reducidos daños superficiales. La figura 42-d, presenta escasa deformación plástica, esto es evidente en la periferia de los nódulos.

Figura 42. Huellas de desgaste de hierro dúctil templado en condición seca y lubricada.

(a) Grietas Material adherido (b) Nódulos

(c) Delaminación (d) Deformación plástica


1 0 0 μm

1 0 μm 1 0 μm

1 0 μm

RESULTADOS

44

4.4 Análisis por elemento finito. Los resultados del análisis por elemento finito se muestran en la figura 43,

éstos corresponden a los esfuerzos de Von Mises generados en la cruceta fabricada con acero 8620CTR. En ella se observa que la zona donde se concentran los esfuerzos se localiza en la base de los muñones, alcanzando un valor de hasta 760 MPa.

Realizando este mismo análisis utilizando las propiedades del hierro dúctil y hierro dúctil austemperizado (E=175 GPa y ν=0.28), se obtiene un esfuerzo máximo generado de 775 MPa.

Una cruceta fabricada con acero 8620 resiste este valor de torque porque su esfuerzo de cedencia es de 833 MPa, el cual es mayor al esfuerzo máximo generado en la base de los muñones, mientras que una fabricada con hierro dúctil no puede soportar este torque debido a que los esfuerzos generados superan por mucho el valor de su esfuerzo de cedencia que es de 483 MPa.

Considerando los valores reportados [8, 9, 10], se tiene que el esfuerzo de cedencia del hierro dúctil austemperizado a una temperatura de 360° C, con una composición química similar tiene un rango de 800 y 900 MPa.

Por otra parte, se tiene que la dureza de la matriz austemperizada alcanzó un valor de 48 HRC esto hace que el material tenga un esfuerzo de cedencia más elevado a los reportados. Para fines de comparación, se utilizó el valor mínimo reportado de 800 MPa. En consecuencia sí puede resistir el torque requerido.

RESULTADOS

45

Figura 43. Localización y magnitud de los esfuerzos generados en la cruceta.

46

5. Discusión de resultados

5.1 Caracterización microestructural. La matriz del acero 8620 está compuesta por las fases de ferrita y perlita

según la Figura 31, por lo que la matriz de la cruceta tiene adecuadas propiedades de ductilidad y tenacidad, mientras que la capa carburizada presenta agujas de martensita y un porcentaje del 30% de austenita retenida, su aportación a la resistencia mecánica del acero es mínima, debido a que tiene un espesor de 550 μm dado que su función, es incrementar la dureza (57.8 HRC); obteniendo una superficie resistente al desgaste y una matriz dúctil.

El hierro dúctil presenta una densidad de nódulos total de 1040 nódulos/mm2 considerando todos los tamaños. Sin embargo, utilizando el criterio de solo cuantificar aquellos con un área mayor a 100 μm2, se determinó una densidad de 277 nódulos/mm2. En tanto que la nodularidad de las partículas de grafito es del 85%, esto en base a la comparación realizada con tablas.

La matriz del hierro dúctil presentada en la Figura 33, tiene una microestructura compuesta por 10% nódulos de grafito, 27% ferrita y 63% perlita gruesa, como el que posee un hierro dúctil comercial denominado 100-70-03, el cual ofrece una favorable combinación de resistencia mecánica y tenacidad [2,3,4,6,7], con dureza de su matriz de 32.8 HRC.

El proceso de temple en hierro dúctil se realizó de una manera correcta ya que en su microestructura presentada en la Figura 34, se pueden identificar fácilmente nódulos rodeados de agujas de martensita, así como también pequeñas zonas de austenita retenida, con dureza de su matriz de 65 HRC.

El tratamiento de austemperizado produjo la microestructura de la Figura 35, la cual consiste en ferrita acicular y zonas de austenita estable con alto contenido de carbono. Utilizando la temperatura de austemperizado de 360 °C, se obtuvo una dureza de matriz de 48 HRC (485 HV), ésta solo se alcanza cuando se templa a bajas temperaturas (alrededor de 260 °C) [3,5,10,11], como se muestra en la Figura 44, lo anterior se puede atribuir al uso de plomo líquido como medio de temple, dado que es un metal; teniendo mejor conductividad térmica que las sales fundidas que normalmente se utilizan.

DISCUSIÓN DE RESULTADOS

47

Figura 44. Dureza promedio en función de la temperatura de austemperizado. Las barras de error representan la desviación estándar determinada de siete mediciones de dureza en cada caso [5].

5.2 Ensayos de resistencia al desgaste. La Figura 36, muestra el comportamiento de los tres materiales utilizados

en condición seca. El acero 8620CTR inicialmente presenta una pérdida de volumen

considerable, debido a que el perno forma una huella en el disco, la cual se visualiza por el daño de la superficie. La cantidad de volumen perdido tiene una tendencia casi lineal según sea la distancia recorrida.

El comportamiento del ADI es muy variado, inicialmente presenta una gran pérdida de volumen, debido a que la matriz tiene menor dureza que el perno y a que el grafito no funciona como lubricante, porque es arrancado junto con la matriz. Posteriormente, se estabiliza probablemente por la transformación reportada de austenita retenida a martensita [11,20,21], ya que se producen grandes esfuerzos. Por último, la cantidad de volumen perdido es muy grande comparada con el acero 8620CTR.

El hierro templado registró mayor resistencia al desgaste en el inicio del ensayo, siendo similar a la presentada por el acero 8620CTR. Posteriormente, la cantidad de volumen perdido se estabiliza, debido a la acción del grafito que funciona como lubricante dentro de la matriz. Sin embargo poco a poco se presenta adición de material correspondiente al perno como se indica en la Figura 42-a.


48

Las pruebas en condición lubricada muestran mucha variación en la forma que se comporta cada material. El volumen perdido resulta ser menor que en condición seca debido a la acción de la grasa lubricante, la cual reduce considerablemente el contacto directo entre las asperezas de la superficie del perno y del disco, que además funciona como refrigerante, lo cual evita el calentamiento excesivo de los materiales ensayados y con ello una disminución en el módulo de elasticidad del material (E).

La Figura 37, indica que el acero 8620CTR en un inicio presenta una pérdida de volumen mayor que el hierro dúctil austemperizado y hierro dúctil templado, estabilizándose y disminuyendo de una manera no muy excesiva con relación a los anteriores.

La pérdida de volumen del hierro dúctil austemperizado es gradual, no se presentan periodos de estabilización o disminución debido a que la grasa lubricante reduce la temperatura y los esfuerzos entre las superficies de los materiales, evitando de esta manera la transformación de fase de austenita a martensita.

En tanto que el hierro dúctil templado, inicialmente presenta una pérdida de volumen mayor que el acero 8620, pero posteriormente se estabiliza aproximándose a los valores obtenidos en dicho acero.

Los coeficientes de fricción (μ) presentados en la tabla 8, establecen el grado de oposición que ofrecen las superficies de los materiales ensayados, se tiene que en una condición seca el ADI presenta μ = 0.17023. Este valor es el mayor y se debe a que la matriz es blanda comparada con las otras; esto hace que la matriz se deforme plásticamente provocando mayor adherencia de la superficie. El acero 8620CTR tiene μ = 0.15987 y el hierro dúctil templado μ = 0.15089, esta disminución se debe a la acción del grafito lubrica, reduciendo el contacto directo entre las superficies del perno y del disco.

En la condición lubricada se tiene μ = 0.07849 para el ADI, μ = 0.01121 para el acero 8620CTR y μ = 0.02404 para el hierro templado. La reducción de dichos coeficientes se debe a que la película lubricante de la grasa impide el contacto directo de las asperezas de los materiales respectivos tanto del perno como del disco. En esta condición el grafito no tiene influencia, por el contario las partículas de éste hacen que la superficie tenga mayor grado de rugosidad, teniendo un coeficiente de fricción mayor al del acero.

Se utilizó el volumen perdido y la distancia total recorrida para determinar las tasas de desgaste de los tres materiales correspondientes que se señalan en la figura 37, donde se indica que el hierro dúctil austemperizado presentó la mayor tasa de desgaste tanto en condición seca como lubricada que fue de 1.850 X 10-3 mm3/m y 7.044 X 10-3 mm3/m respectivamente. Mientras que la mostrada por el hierro dúctil templado en condición seca, resulta ser la menor de todas con un valor de 8.054 X 10-4 mm3/m. Por otra parte en condición lubricada alcanza un valor de 5.138 X 10-5 mm3/m, siendo similar a la registrada en el acero 8620CTR que es de 4.739 X 10-5 mm3/m; lo que representa un porcentaje del 8.4 mayor que este último.


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En la Figura 39, se presentó el coeficiente dimensional de desgaste k de los tres materiales, indicando que el valor correspondiente al hierro dúctil templado en condición lubricada es muy similar al del acero 8620CTR, ya que éstos son: 3.670 X 10-7 mm3N-1m-1 y 3.385 X 10-7 mm3N-1m-1 respectivamente; estableciendo que se desgastan de manera semejante en un mismo tribosistema.

Las micrografías de microscopia electrónica de barrido del 8620CTR presentadas en las Figura 40-a y 40-c, correspondientes a una condición seca, muestran que los mecanismos de desgaste principal son deformación plástica y resquebrajamiento de la matriz. Mientras que en las figuras 40-b y 40-d, referentes a la condición lubricada, se aprecia menor deformación plástica y escasa pérdida de material, así como una gran densidad de daños superficiales, los cuales afectan el desempeño del material ya que en estos puntos se concentran los esfuerzos.

La superficie del hierro dúctil austemperizado en condición seca presenta mayor daño superficial según lo mostrado en las Figura 41-a y 41-c, donde se aprecian zonas de gran deformación plástica de la matriz, delaminación y resquebrajamiento. Esto se atribuye a la presencia de ferrita dado que es una fase blanda, la cual no resiste los esfuerzos generados. Los residuos de material desprendido generan abrasión ocasionando daños severos en la matriz. Asimismo, se presentan grietas o fisuras, lo cual indica que el material tiene zonas de mayor dureza o frágiles esto se puede atribuir a la transformación a martensita de la austenita retenida por los grandes esfuerzos generados. En condición lubricada como se exhibe en las figuras 41-b y 41-d, el desgaste es menor con mínima deformación plástica y la presencia de pequeños daños superficiales.

El hierro dúctil templado en condición seca presenta un agrietamiento de la matriz debido a su alta dureza, según lo mostrado en la Figura 42-a, lo cual impide que se deforme plásticamente, produciendo una delaminación en la periferia del nódulo como se aprecia en la figura 42-c. Por el contrario en condición lubricada la matriz presenta una mínima deformación plástica debido a la presencia del lubricante, disminuyendo la fricción, temperatura y deformación; por lo que no se afecta la periferia de los nódulos tal y como se muestra en la figura 42-d.

5.3 Simulación por elemento finito. Utilizando el torque de 6300 N-m en la cruceta de acero 8620CTR en el

software de análisis estructural por elemento finito ANSYS, se obtuvieron los esfuerzos de Von Mises, siendo máximos en la base de los muñones, como lo indica la Figura 43; alcanzando un valor máximo de 760 MPa y 775 MPa utilizando hierro dúctil austemperizado. Concluyendo que ésta puede soportar dicho torque dado que su esfuerzo de cedencia (≥ 800 MPa) resulta ser mayor al esfuerzo máximo generado. Lo anterior establece que una cruceta manufacturada con hierro dúctil perlítico no podría resistir debido a que su esfuerzo de cedencia de 483 MPa es superado por mucho. En tanto que una cruceta fabricada con hierro dúctil austemperizado puede resistir esta condición de carga ya que su esfuerzo de cedencia mínimo es de 800 MPa.

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Conclusiones

• La dureza de la matriz del hierro dúctil austemperizado es de 48 HRC, la cual es superior a las reportadas (36-38 HRC) utilizando la misma temperatura de temple a 360 °C.

• La resistencia al desgaste del hierro dúctil austemperizado es insuficiente para igualar la resistencia del acero 8620CTR tanto en condición seca y lubricada, ya que registró los valores más altos de tasa de desgaste y coeficiente de desgaste.

• La resistencia al desgaste del hierro dúctil templado en condición seca es superior al acero 8620 al presentar una tasa de desgaste del 44.8% menor.

• El coeficiente de desgaste k del hierro dúctil templado en condición lubricada es muy similar al del acero 8620CTR, siendo estos valores: 3.670 X 10-7 mm3N-1m-1 y 3.385 X 10-7 mm3N-1m-1 respectivamente, lo que representa un incremento del 8.4% referente a este último.

• Una cruceta fabricada con hierro dúctil austemperizado soporta el torque requerido de 6,300 N-m debido a que se generan esfuerzos máximos de 770 MPa, los cuales son menores a su esfuerzo de cedencia de 800 MPa.

• Una alternativa lograda de este trabajo para realizar la sustitución del acero 8620 en la manufactura de las crucetas, es hacer una selección de los resultados obtenidos, es decir, tener una matriz de hierro dúctil austemperizado, la cual tendría propiedades similares al acero o incluso superiores y un temple superficial lo que incrementaría su resistencia al desgaste.

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Apéndice A. Dimensiones de la cruceta en mm.

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