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INFLUENCIA DE LAS VARIABLES DE PROCESO Y EL PORCENTAJE DE CA RBONO EN LA RESISTENCIA A LA CORROSION DE A CEROS PULV IMETALURGICOS PRE-

ALEADOS CON CROMO.

Autor: ALFONSO QUINTERO MALPICA

Código: 200312168

Asesor: PABLO ORTIZ HERRERA Dr. Ing

DEPA RTAMENTO DE INGENIERIA QUIMICA UNIV ERSIDAD DE LOS ANDES

BOGOTA, ENERO de 2009

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TABLA DE CONTENIDO

1. INTRODUCCION 7 2. OBJETIVOS 8

3. MARCO CONCEPTUAL 93.1 Generalidades_____________________________________________________ 90

3.1.1 Metalurgia de polvos____________________________________________ 903.1.2 Proceso de metalurgia de polvos_________________________________ 1013.1.3 Mezclado____________________________________________________ 1013.1.4 Compactación _________________________________________________ 11 3.1.5 Sinterización __________________________________________________ 11

3.2 Metales__________________________________________________________ 12 3.2.1 Aceros_______________________________________________________ 13 3.2.2 Aceros de baja Aleación_________________________________________ 13 3.2.3 Aceros inoxidables _____________________________________________ 13 3.2.4 Tratamiento Térmico de metales __________________________________ 14 3.2.5 Endurecimiento del acero________________________________________ 15 3.2.6 Tratamientos Termoquímicos_____________________________________ 17

3.3 Astaloy CrM ______________________________________________________ 17 3.3.1 Propiedades __________________________________________________ 23

3.4 Corrosión ________________________________________________________ 27 3.4.1 Corrosión electroquímica_________________________________________ 28

4. METODOLOGIA 35 4.1 Materiales ________________________________________________________ 33 4.2 Equipos empleados ________________________________________________ 33

4.3 fases Metodológicas________________________________________________ 34 4.3.1 Calculo de Densidad Aparente ____________________________________ 34 4.3.2 Mezclado de polvos_____________________________________________ 34 4.3.3 Compactación de probetas _______________________________________ 34 4.3.4 Sinterización___________________________________________________ 36 4.3.5 Caracterización térmica del sistema ________________________________ 36 4.3.6 Caracterización mecánica y corrosiva_______________________________ 38

4.3.6.1 Propiedades Mecánicas ______________________________________ 38 4.3.6.2 Corrosión Seca _____________________________________________ 40 4.3.6.3 Corrosión Electroquímica _____________________________________ 40

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5. RESULTADOS Y ANALISIS 41 5.1 Caracterización del polvo Astaloy CrM ________________________________ 41

5.1.1 Densidad Aparente _____________________________________________ 41

5.2 Caracter ísticas de la compactación ____________________________________ 41 5.3 Sinter ización ______________________________________________________ 44

5.3.1 Densidad después de sinterizado __________________________________ 47

5.4 Caracterización ____________________________________________________ 49 5.4.1 Dureza _______________________________________________________ 49 5.4.2 Microestructuras _______________________________________________ 51 5.4.3 Corrosión seca_________________________________________________ 55 5.4.4 Corrosión electroquímica_________________________________________ 60

6. CONCLUSIONES 63

7. LISTA DE REFERENCIAS 64

8. ANEXOS 66

8.1 Dimensiones de las probetas (0%, 0,4% y 0,7%) C en verde y sinter._________ 66 8.2 Valores de dureza Rockw ell B para (0%, 0,4% y 0,7%) C __________________ 69

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LISTA DE FIGURAS Fig 1: (A) Ciclo típico de tratamiento térmico durante el sinterizado y (B) sección Transversal esquemática de un horno continuo de sinterizado ___________________ 12 Fig 2: Diagrama Hierro-carbono____________________________________________ 15 Fig 3: Diagrama esquemático T-T-T para un acero eutectoide ___________________ 16 Fig 4: Curva CC esquemática, la cual es una curva S para un acero eutectoide _____ 17 Fig 5: Partícula de Astaloy CrM ____________________________________________ 18 Fig 6: Comparación entre la inf luencia de la influencia del cromo en A) Contenido de carbón del eutectoide y B) temperatura del eutectoide __________________________ 20 Fig 7: Diagrama de fase para el Astaloy CrM en presencia de carburos. ___________ 20 Fig 8: Diagrama ilustrativo entre la relación de PO2 y PH2O Para atmósferas N2/H2 a 1120 °C. ______________________________________________________________ 21 Fig 9: Fase microestructural Vs ritmos de enfriamiento Para el Astaloy CrM con 0.4% y).5% de C ____________________________________________________________ 22 Fig 10: Resistencia a la tensión y resistencia al esfuerzo Del Astaloy CrM con 0.3-0.5% C, Diastaloy AE y Diastaloy HP con 0.5% C. Materiales compactados a 600 Mpa y 1120 °C Durante 30 min. En 90/10 N2/H2 ________________________________________ 24 Fig 11: Diagrama CCT para el Astaloy CrM + 0.5% C___________________________ 24 Fig 12: Microestructura martensitica de WH0608 para un r itmo de enfriamiento 0.8 K/min. ______________________________________________________________________ 25 Fig 13: Resistencia al esfuerzo Vs contenido de carbono Para tasas de enfriamiento (0.8 °C/s y 2°C/s) ___________________________________________________________ 26 Fig 14: Resistencia a la fatiga en función del contenido de Carbón para un r itmo de enfriamiento (0.8 °C/s) ___________________________________________________ 27 Fig 15: Resistencia a la corrosión Atmosférica de aceros con Mo-Cr ______________ 28 Fig 16: curvas de polarizacion potenciodinamica para aceros PM inoxidables En diferentes concentraciones de acido Nítrico a temperatura ambiente A) AISI 304L B) AISI 316L [19] ______________________________________________________________ 30 Fig 17: Variación de la tasa de corrosión (Vcorr) respecto Al tiempo para aceros fundidos A) AISI 304L B) AISI 316L ________________________________________________ 31 Fig 18: Prensa Hidráulica Instron 5586 ______________________________________ 35

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Fig 19: Mufla tubular 1200 ________________________________________________ 36 Fig 20: Esquema interior del horno tubular ___________________________________ 37 Fig 21: Perfil térmico de sinter ización para dos ritmos de enfriamiento. _____________ 38 Fig 22: Durómetro Wilson Rockw ell series 600 ________________________________ 39 Fig 23: Curvas de compactación (0%, 0,4% y 0,7%)____________________________ 43 Fig 24: Porcentaje de ganancia en peso para dos ritmos de enfriamiento (0,1 °C/seg y 2,2 °C/seg) y 3 porcentajes de grafito (0% 0,4% y 0,7%) ________________________ 46 Fig 25: Comparación entre densidad en verde y densidad sinter a 3 Porcentajes de grafito (a) 0%, (b) 0,4%, (c) 0,7%. __________________________________________ 48 Fig 26: Valores de dureza Rockw ell (a) 300, (b) 500 (c) 700 Mpa, dos ritmos de Enfriamiento (0,1 °C/seg y 2,2 °C/seg) y 3 porcentajes de grafito (0% 0,4% y 0,7%) __ 50 Fig 27: Microestructura Astaloy CrM con (0%, 0,4% y 0,7%) C. Dos ritmos__________ 52 Fig 28: Microestructura Astaloy CrM con (0%, 0,4% y 0,7%) C. Dos ritmos de _______ 53 Fig 29: Microestructura Astaloy CrM con (0%, 0,4% y 0,7%) C. Dos ritmos de _______ 54 Fig 30: Valores de % de ganancia de peso. Tiempo total 18 horas. 0% grafito. ______ 56 Fig 31: Valores de % de ganancia de peso. Tiempo total 18 horas. 0,4% grafito. _____ 56 Fig 32: Valores de % de ganancia de peso. Tiempo total 18 horas. 0,7% grafito. _____ 56 Fig 33: Porcentaje de ganancia en peso en función del t iempo para ritmo lento (a), (b) y (c) y ritmo rápido (d), (e) y (f) a tres porcentajes de carbono (0%, 0,4% y 0,7%)______ 58 Fig 34: Curvas de polarización Potencioestatica (Tafel) para aceros P/M de Astaloy CrM en H2SO4 (0,1M). (a) 500 Mpa (b) 700 Mpa. __________________________________ 61

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LISTA DE TABLAS

Tabla 1: Densidad aparente polvo base ____________________________________41 Tabla 2: Valores de densidad en verde ____________________________________42 Tabla 3: Valores de densidad sinter _______________________________________48

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1. INTRODUCCION Planteamiento del problema

Gracias a su amplia gama de aplicaciones, la industria de la metalurgia de polvos ha

venido creciendo en los últimos años, a tal punto que ha alcanzado nuevos mercados y

nuevas industrias, convirtiéndose así, en una tecnología con excelentes costos de

manufactura y con la posibilidad de trabajar con elementos de aleación que le dan una

mayor consistencia y resistencia a las piezas elaboradas. La pulvimetalúrgia es una rama de la ingenier ía metalúrgica la cual t iene como finalidad,

producir piezas a partir de polvos metálicos, con una buena resistencia, buena

durabilidad y sobre todo con precios muy económicos. Una de las principales industrias

en acogerse a esta técnica, fue la industria automotriz, que con un porcentaje de

aproximadamente el 75% en los estados unidos y del 80% en Europa, ha desarrollado la

mayor parte de las piezas mecánicas a partir de la metalurgia de polvos.

Dentro de los elementos más utilizados de aleación, se encuentra el cromo, que por su

bajo costo y buena templabilidad, se ha convertido en un mater ial con excelentes

resultados en la PM. Es por esta razón que en 1998 Höganäs AB (suecia) lanza al

mercado el polvo pre-aleado con Cr y Mo (Astaloy CrM) con el f in de expandir el

mercado de los polvos de metal y exhibir una combinación entre la durabilidad del

mater ial y la resistencia a la tensión del mismo, en los procesos de sinterización de

piezas mecánicas bajo condiciones pre-determinadas.

No siendo ajeno a este hecho, con este trabajo se pretende estudiar a partir de una

aleación de (Astaloy + grafito), el efecto que t ienen algunas variables de proceso y de

formulación sobre las propiedades mecánicas y en especial, en las propiedades anti-

corrosivas del acero. Además de esto se promueven los beneficios de los polvos de

metal ya que estos ayudan a reducir el impacto ambiental y se pueden moldear con

mayor facilidad para conformar las piezas metálicas.

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2. OBJETIVOS

• Objetivo General

Contribuir al desarrollo de la industria pulvimetalurgica, a part ir de estudios de

propiedades mecánicas y de la resistencia a la corrosión de aceros con aleaciones de

cromo.

• Objetivos específicos

Evaluar el efecto de 2 ritmos de enfriamiento y el % de carbono en las

propiedades mecánicas (f lexión-dureza) y en la resistencia a la corrosión de

piezas generadas a partir del polvo pre-aleado Astaloy.

Estudiar la inf luencia que t ienen diferentes niveles de porosidad en la

resistencia a la corrosión variando la presión de compactación.

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3. MARCO CONCEPTUAL

3.1 Generalidades

3.1.1 Metalurgia de polvos La metalurgia de polvos (PM) es una tecnología de procesamiento de metales la cual

tiene como principal atracción producir piezas masivas a partir de polvos metálicos,

incluyendo la fabricación, caracterización y la conversión de dichos polvos en componentes útiles para la industria. En la secuencia usual de producción de la PM, los

polvos se comprimen para darles la forma deseada y luego se calientan para ocasionar

la unión de las partículas en una masa dura y rígida. El objetivo de la metalurgia de

polvos consiste en transformar polvos metálicos en piezas mecánicas de alta calidad por

medio calor y presión. En ese orden de ideas, se lleva a cabo un proceso de prensado

que se realiza en una maquina tipo prensa cuyas herramientas se diseñan

específ icamente para la parte a producir. El tratamiento térmico, llamado sinterizado, se

ejecuta a una temperatura por debajo del punto de fusión del metal [1].

La industria de la metalurgia de polvos, se ha incrementado considerablemente en los

últimos años, en parte gracias a que ofrece operaciones simples y rápidas a bajo costo y

a tiempos relativamente cortos. Las aplicaciones crecientes más importantes de la

metalurgia de polvos en la industria se encuentran en la manufactura de piezas y partes.

Hoy en día existen una alta gama de industrias como la industria automotriz, las

industrias textiles, las industrias de armamento etc, las cuales han optado en PM para

mejorar y optimizar sus productos con miras a entrar en mercados de alta competit ividad.

Pueden hacerse muchas partes para maquinas y estructurales a menos costo por la

metalurgia de polvos. Esto es cierto para partes de precisión intrincadas que pueden

producirse en dos pasos rápidos por la metalurgia de polvos en lugar de varias

operaciones costosas de maquinado. Los ejemplos más selectos se dan en la industria

automotriz para la fabricación de engranajes, trinquetes, soportes, cerrojos, retenes de

válvulas y abrazaderas. En algunos casos puede lograrse más alta pureza, mas variedad

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y mejor control de las propiedades a través de la metalurgia de polvos que por fundir y

colar a temperaturas de fusión. [2].

Existen limitaciones y desventajas asociadas con el proceso PM, se considera que el

costo de los equipos y de las herramientas es elevado así como el de los polvos

metálicos. Se presentan dif icultades en el almacenamiento y manejo de polvos metálicos

(tales como degradación del metal a través del tiempo y riesgos de incendios del metal

en polvo f ino). Además hay restricciones en la forma de las partes debido a que los polvos metálicos no f luyen fácilmente en dirección lateral dentro del dado durante el

prensado y las variaciones en la densidad del material a través de la parte pueden ser un

problema, especialmente para partes de geometría compleja.[1].

El futuro de la metalurgia de polvos se encuentra en un avance prolongado, es decir, el

uso de polvos de metal se continúa expandiendo y esta técnica avanza más rápido que

otras tecnologías de metalurgia. Algunos ingenieros de diseño indican que conforme el

conocimiento sobre la PM se expande, así mismo habrá aplicaciones que utilicen la

técnica. La mayoría de los usos se basaran en un procesamiento de forma económica en

el cual el futuro prometa más retos en la combinación de factores tales como la f iabilidad,

calidad, fuerza y control dimensional de las piezas producidas a partir de polvos

metálicos tanto de alta como de baja aleación.

3.1.2 Proceso de metalurgia de polvos A continuación se describen los principales pasos presentes en un proceso

pulvimetalurgico con las técnicas utilizadas.

Es importante que se realice una selección de los materiales presentes, así como de sus

principales propiedades, con el objetivo de analizar con que recursos se cuenta antes del

proceso.

3.1.3 Mezclado

El primer paso consiste en mezclar los polvos metálicos ya sean polvos puros o polvos

pre-aleados y obtener la mezcla lo más homogénea posible. Esto con el f in de que se

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aumente la compactibilidad del material, mejorando la densidad. La homogenización de

los polvos se efectúa, en un mezclador de f lujo cruzado. En donde se deposita la materia

a mezclar y se deja un t iempo determinado.

3.1.4 Compactación Se define como el proceso en el cual la pieza es conformada por efecto de la compresión

del polvo de metal, usando prensas mecánicas o hidráulicas en una matriz. El método

convencional de compactación es el prensado, en el cual punzones opuestos aprietan el

polvo contenido en un lado. A la parte después de prensada se le llama compacto verde,

el termino verde signif ica que la parte no está completamente procesada. Como

resultado del prensado, la densidad de la parte, llamada densidad verde, es mucho más

grande que la densidad volumétrica inicial. La resistencia verde de la parte cuando es

prensada es adecuada para el manejo, pero mucho menor que la que se logra después

del sinterizado. Las prensas usadas en la compactación convencional en la metalurgia

de polvos son mecánicas, hidráulicas o una combinación de las dos. Las presiones

típicas de compactación f luctúan entre 70 Mpa para polvos de aluminio y 700 Mpa para

polvos de hierro y acero. [1].

3.1.5 Sinterización Después de prensado, el compactado verde carece de fuerza y resistencia, se

desmorona fácilmente al menor esfuerzo. El sinterizado es una operación de tratamiento térmico que se ejecuta sobre el compactado para unir sus partículas metálicas,

incrementando de esta manera su fuerza y resistencia. El tratamiento se lleva a cabo

generalmente a temperaturas entre 0.7 y 0.9 del punto de fusión del metal. [1]. Esta

operación se conoce con el término de sinterizado sólido y se utiliza en los casos

convencionales de sinterización ya que por lo general, el metal permanece sin fundir a

las temperaturas del sistema.

Habitualmente, en la mayoría de las aplicaciones de la PM, se producen piezas en gran

cantidad, por lo que la mayor ía de los hornos de sinterizado se diseñan con dispositivos

mecanizados para el traslado de las partes de trabajo durante el proceso. El tratamiento

térmico reclina sobre tres pasos plasmados en tres cámaras de hornos continuos. En

primer lugar se t iene la deslubricación, en la cual se queman los lubricantes y el

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aglutinante. En segundo lugar, está el sinterizado y por ultimo esta el enfriado. El

esquema del tratamiento térmico se observa en la f igura 1, no obstante se explicara las

características más adelante.

Fig 1: (A) Ciclo típico de tratamiento térmico durante el sinterizado y (B) sección Transversal

esquemática de un horno continuo de sinterizado [1]

3.2 Metales Los metales y sus aleaciones, incluyendo acero, aluminio, magnesio, zinc, hierro fundido,

titanio, cobre y níquel, generalmente tienen como característica una buena conductividad ecléctica y térmica, una resistencia relativamente alta, una rigidez, ductilidad o

confortabilidad y resistencia al impacto. Son particularmente útiles en aplicaciones

estructurales o de carga. Aunque en ocasiones se utilizan metales puros, las

combinaciones de metales conocidas como aleaciones proporcionan mejor ía en alguna

propiedad particularmente deseable o permiten una mejor combinación de propiedades.

[8].

Una aleación es un metal compuesto de dos o más elementos, de los cuales por lo

menos uno es metálico. Para propósitos de este proyecto, se pretende trabajar con un

mater ial pre-aleado “Astaloy CrM” para formar piezas de acero que serán caracterizadas

posteriormente.

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3.2.1 Aceros El acero es una aleación de hierro y carbono en peso. Frecuentemente se incluyen otros

elementos aleantes como: Manganeso, Cromo, Níquel, Molibdeno, pero el contenido de

carbono es el que convierte el hierro en acero [1]. Los aceros convencionales, se podrían

agrupar en 4 grandes categor ías: Aceros al carbón, aceros de baja aleación, aceros

inoxidables y aceros de herramienta. En este proyecto las dos categorías principales a

tener en cuenta son las de aceros de baja aleación y los aceros inoxidables.

3.2.2 Aceros de baja Aleación Los aceros de baja aleación son aleaciones de hierro-carbono que contienen elementos

aleantes adicionales en cantidades que totalizan menos de 5% en peso,

aproximadamente. Debido a estas adiciones, los aceros de baja aleación tienen

propiedades mecánicas que son superiores a los aceros de carbono para las

aplicaciones dadas. Las propiedades superiores signif ican usualmente mayor

resistencia, dureza, dureza en caliente, resistencia al desgaste, tenacidad y

combinaciones mas deseables de estas propiedades [1]. Con frecuencia se requiere el

tratamiento térmico para lograr el mejoramiento de estas propiedades. Los elementos

comunes que se añaden son el cromo, el manganeso, el molibdeno, el níquel, y el

vanadio. Los aleantes con los que se va a trabajar son el cromo y el molibdeno.

Cromo: La ventaja del cromo es que mejora la resistencia, dureza, resistencia al

desgaste entre otras. Este material es considerado como uno de los mejores aleantes

para incrementar la templabilidad as í como aumentar de manera signif icativa la

resistencia a la corrosión.

Molibdeno: el molibdeno por su parte, aumenta la tenacidad, la dureza y también mejora

la templabilidad, lo que hace es que forma carburos que le permiten ser mas resistentes

al desgaste.

3.2.3 Aceros inoxidables Este tipo de aceros pertenecen al grupo de los aceros de alta aleación, están diseñados

para suministrar una alta resistencia a la corrosión gracias a su alto contendido de

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cromo. Los aceros inoxidables se pueden dividir en tres grupos principales: ferríticos,

martens íticos y austeníticos, que reciben su nombre de acuerdo con la estructura

predominante.

Los aceros inoxidables austeniticos, aunque todos contienen níquel, en forma ocasional

se usa el manganeso y el nitrógeno como sustitutos del níquel. Estos tres elementos son

responsables de la estructura austenítica. Los aceros inoxidables austeníticos contienen

como todos los aceros inoxidables cromo, el cual es necesario para la resistencia contra la corrosión. Con objeto de que el cromo sea efectivo para impartir resistencia a la

corrosión, debe estar en solución sólida en austeníta. [2].

Los aceros inoxidables ferríticos contienen cromo, no tienen níquel y toleran solo

pequeñas cantidades de carbono que estabiliza la austenita. Si se aumenta el contenido

de carbono, debe aumentarse el contenido de cromo con objeto de mantener el balance

y una estructura ferrítica. En esta condición balanceada esos aceros pueden calentarse

al punto de fusión sin transformar la austenita. Por tanto es imposible endurecerlos por

enfriamiento rápido y revenido. [2].

Los aceros inoxidables martens íticos contienen cantidades balanceadas de cromo

(estabilizador de la ferríta), carbono y níquel (estabilizadores de la austenita), de modo

que bajo calentamiento el acero se vuelve austenít ico, pero bajo enfriamiento tiende a

revertir a ferrita. Estas composiciones pueden calentarse al alcance asutenítico de

temperatura y se transformaran en martensita al enfriarse a velocidades adecuadas. El

contenido de carbono es suficiente para producir una dureza martens ítica la cual es

adecuada para cuchiller ía e instrumentos quirúrgicos. [2].

3.2.4 Tratamiento Térmico de metales La f inalidad del tratamiento térmico, es endurecer y hacer más resistentes las partes que

han sido previamente compactadas. Sin embargo, debido a la porosidad de las partes

sinterizadas, se debe tener cuidado al momento de realizar dicho tratamiento. El

endurecimiento (o aumento de la resistencia) se hace calentando una aleación a una

temperatura suficientemente alta, dependiendo del material y enfriándolo con rapidez.

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3.2.5 Endurecimiento del acero

El acero puede endurecerse debido a que el carbono en mas soluble en la estructura

FCC a temperaturas altas (austenita) que en la estructura BCC (ferrita) a temperaturas

bajas. Estas regiones se muestran en la f igura 2. Si el acero se calienta hasta la región

austenít ica y se mantiene hasta que su carbono se disuelva y se enfría entonces con

rapidez por enfriamiento rápido, el carbono no t iene oportunidad para escapar y queda

atrapado como átomos dispersos o en partículas f inas en una malla deformada a baja

temperatura.[2]. Esto establece una estructura distorsionada (martensita) que es

bastante dura y resistente, pero frágil.

Fig 2: Diagrama Hierro-carbono [2]

Los cambios que ocurren cuando se enfría el acero desde los márgenes austeníticos

pueden delinearse mediante diagramas T-T-T o curvas S como las que se observan en

las f iguras 5 y 6. Estas son esquemáticas para un tipo de acero; cada análisis de acero tiene su propia curva S, y han sido publicadas muchas. Muestran lo que sucede en el

enfriamiento sin equilibrio, en contraste con los diagramas de hierro-carbono para

condiciones de equilibrio. Cualquier tasa de enfriamiento puede denotarse con una línea

como AB o AD en un diagrama. En la f igura 3 se ilustra una curva isotérmica de

transformación para acero enfriado debajo de la temperatura crít ica y sostenido por un

periodo de tiempo mientras tiene lugar la transformación. No ocurren cambios en el área

a la izquierda de la curva S. Por ejemplo, si el acero se enfría a una tasa denotada por

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AB y se sostiene entonces a temperatura constate hasta el t iempo C, se transforma

desde una estructura austenitica a una perlit ica gruesa. Si otra muestra se enfría con

rapidez desde A hasta D, a la izquierda de la protuberancia de la curva S, no ocurre

transformación. Entonces, si la muestra se mantiene a la temperatura D hasta el tiempo

E, la estructura se transforma en bainita. [2].

Fig 3: Diagrama esquemático T-T-T para un acero eutectoide [2]

En la f igura 4 se observa una curva de transformación de enfriamiento continuo, en la

que se muestran los cambios que ocurren cuando la austerita se transforma sobre una

escala de temperaturas y no a una temperatura. Se dan ejemplos de los cambios cuando

el acero se enfría a diversas tasas por las líneas que se indican en la f igura 4. El acero

enfriado a la tasa indicada por AF esta transformado todo en perlita. Cualquier acero

enfriado con rapidez a lo largo de una línea a la izquierda de la protuberancia de la

curva, como la línea AG, se mantiene austenit ico hasta que alcanza la temperatura Ms.

Ahí comienza a transformarse en martensita y la transformación es completa cuado se

alcanza la temperatura Mf. La línea que pasa en la protuberancia de la curva representa

la tasa crítica de enfriamiento. Si el enfriamiento tiene lugar a lo largo de la línea AH, la

transformación en perlita f ina puede ser completa solo en forma parciales el momento en

que se alcanza el límite designado. Aquí es donde se detiene la transformación. La

austerita restante cambia entonces a martensita debajo de la temperatura Ms. El

resultado es una mezcla martensitica y perlita f ina. [2].

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Fig 4: Curva CC esquemática, la cual es una curva S para un acero eutectoide [2]

3.2.6 Tratamientos Termoquímicos Variaciones de composición en la superficie de las probetas al ser sometidas a

ciclos térmicos en atmósferas específ icas, permiten mejorar las propiedades

superficiales.

En el caso de la nitruración por plasma y el tratamiento al vapor, los cambios

dimensionales son limitados en comparación con los tratamientos de

endurecimiento tradicionales, y además se reducen riesgos de alabeos por las

bajas temperaturas a las que se desarrollan los procesos .[13].

La Nitruración es un tratamiento térmico de endurecimiento superficial de las

aleaciones férreas, que introduce nitrógeno en la superficie del material. Este

proceso está indicado para aceros con un contenido medio en carbono y que

contienen elementos formadores de nitruros, como el cromo, aluminio, vanadio y

molibdeno. La dureza de la capa nitrurada es función de la naturaleza y cantidad de

elementos aleantes formadores de nitruros. [13].

3.3 Astaloy CrM El desarrollo de polvos de metal con mejores propiedades, ha jugado un papel

signif icativo en el crecimiento de la industria pulvimetalurgica durante las últimas

décadas. Una de las principales razones de este fenómeno ha sido el continuo avance

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en la microestructura de los polvos de metal conforme las exigencias del mercado y

tecnológico así lo piden.

A partir de esa necesidad es que en el año de 1998 Höganäs AB (suecia) lanza al

mercado un material pre-aleado conocido como Astaloy CrM, el cual ofrece una relación

de costo/calidad supremamente alta.

Astaloy CrM (f igura 5) es un polvo de hierro atomizado por agua, pre-aleado con un 3% de Cr y un 0.5% de Mo. Este tipo de polvo presenta una extraordinaria capacidad de

endurecimiento as í como una buena compresibilidad debido a su bajo contenido de

oxigeno ya que se evita en cierta medida la corrosión del mater ial y se controla mejor las

condiciones de sinterización. Tras el sinterizado se puede obtener una gran resistencia y

dureza, no obstante el Astaloy CrM también es apropiado para la sinterización a alta

temperatura, autotemple y nitruración por plasma ya que su composición totalmente pre-

aleada proporciona una microestructura homogénea con muy buenas propiedades

mecánicas.[11]

Fig 5: Partícula de Astaloy CrM [11]

El proceso de producción de este polvo de metal, ha sido optimizado de forma tal, que el

porcentaje de oxigeno se mantenga alrededor de 0.25%. Esto es un factor importante

para mejorar la compresibilidad del polvo pre-aleado. [10]. Generalmente el Astaloy CrM

se sinteriza bajo una atmósfera N2/H2 manteniendo una presión parcial de oxigeno

inferior a 5 * 10 ^-18 para que el metal no se oxide. Esto se logra en hornos de

sinterización a una temperatura de 1120 °C. Cabe anotar que anteriormente cuando se

utilizaba FeCr bajo una fuente de Cr, se hacía necesario incrementar la temperatura de

sinterización con el objetivo de evitar la oxidación del cromo. [10].

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Se han utilizado atmósferas de sinterización con mezclas gaseosas basadas en N2/H2 y

con tasas desde 25/75 a 95/5 así como adiciones de metano (CH4), con el f in de

asegurar la protección de los óxidos y ajustar el potencial de carbono durante la

sinterización. Es el caso de Ortiz y castro en [20] los cuales realizan varios experimentos

con mezclas del polvo pre-aleado (Astaloy CrM) y porcentajes de grafito (0%, 0.2% y

0.8%) en peso. Esta aleación se lleva a cabo en un mezclador tubular con adiciones de

Acrawax C como lubricante. Las muestras se compactan en frío usando una maquina

hidráulica que produce piezas cilíndricas en verde de 16 mm de diámetro y 7 mm de alto. La presión de compactación es de 700 Mpa generando densidades de 7.00 gr/cm^3. La

sinterización de las probetas se efectúa en una mufla tubular de 15 cm de diámetro y 70

cm de largo. El ciclo de sinterización comienza con un precalentamiento del horno a una

tasa de 20 K/min hasta una temperatura de 500 °C. Posteriormente se eleva la

temperatura hasta la temperatura de sinterización que oscila entre 1100 y 1250 °C

durante 1 hora. Después de la sinterización, el contenido de carbono f inal se determina

utilizando un analizador elemental (Leco CS-200). Para el análisis microestructural las

probetas son pulidas hasta un valor de 1 micro-metro y son observadas empleando un

microscopio óptico. [20]

Como resultados experimentales, se consideran aspectos importantes relacionados con

los diagramas de fase del Astaloy CrM antes de discutir sobre las atmósferas de

sinterización y su interacción con las compactaciones de polvo realizadas. Como se

puede observar en la f igura 6a, se introduce una sobrestimación de la influencia del Cr

en el cambio de posición del eutectoide en el diagrama de fase Fe-C. En respuesta a

esta inconsistencia presentada por el eutectoide, se observa en la f igura 6b un cambio

en los datos de temperatura para el eutectoide.

19

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Fig 6: Comparación entre la influencia de la influencia del cromo en A) Contenido de carbón del eutectoide y B) temperatura del eutectoide [20]

Un diagrama de fases más acorde para el acero Fe–3%Cr–0.5Mo–C se presenta en la

f igura 7 obteniendo después de la suspensión de fases de carburo.

Fig 7: Diagrama de fase para el Astaloy CrM en presencia de carburos. [20]

20

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Por otra parte, dentro de las consideraciones termodinámicas para reducir los óxidos

metálicos en contacto con una atmósfera de sinterización (N2/H2), es fundamental que la

reducción del oxido metálico ocurra cuando la PO2 atmósfera sea menor que laPO2

oxido, donde el PO2 del oxido representa la presión de disociación del oxigeno en el

oxido y PO2 atm representa la presión parcial del oxigeno en la atmósfera. Ahora bien,

considerando la reducción de algún oxido metálico cuando se pone en contacto con una

mezcla de Hidrogeno-Nitrógeno como atmósfera de sinterización y sin presencia de

carbón en el sistema, el criterio para la tasa de sinterización atmosférica viene dado por PH2/PH2O. Esto se ilustra en la f igura 8 que indica las características atmosféricas a

una temperatura de 1120 °C. [20].

Las líneas de equilibrio corresponden a Fe-3%Cr de acuerdo a la ley de Henry, ayudado

de una atmósfera para prevenir la oxidación del Astaloy CrM y para reducir los óxidos

internos durante el proceso de sinterización. Cabe mencionar que estos óxidos internos

presentan una elevada reductibilidad en comparación con el Cr2O3 al aumentar el

porcentaje de Cr disuelto en la matriz metálica. Es evidente que realizar el proceso de

sinterización a altas temperaturas mejorará las condiciones de sinter izado ayudando a

reducir la porosidad del material.

Fig 8: Diagrama ilustrativo entre la relación de PO2 y PH2O Para atmósferas N2/H2 a 1120 °C. [20]

Varios investigadores de la compañía americana Höganäs AB han tratado de demostrar

las mejoras en las propiedades de dos de los polvos pre-aleados con Cr-Mo que se

encuentran estandarizados, FL-5208 y FL- 5305. El FL-5208 es un acero PM pre-aleado

con 1.5% de Cr y 0.2% de Mo. Para términos de este trabajo el de gran interés es el FL-

21

 IQ‐2009‐I‐45

5305 que es un acero PM pre-aleado basado en 3% de Cr y 0.5% de Mo. Estos dos

polvos han sido recientemente estandarizados por la MIPF con las designaciones

correspondientes según el % de carbono. La influencia del % carbono para el Astaloy

CrM, es estudiada por Milligan et al en [9] evidenciado la microestructura cuando se

presentan dos niveles diferentes de carbono (0.4% y 0.5%) con varios ritmos de

enfriamiento. Como se observa en la f igura 9, la microestructura obtenida a 0.4% C y

una tasa de enfriamiento de 0.8 °C/s, consiste básicamente en un 75% de bainita y un

25% de martensita. Incrementando el contenido de Carbono a 0.5% C, la microestructura cambia principalmente a martensita con algunas proporciones de bainita. Se puede

observar también que una microestructura martensitica se puede obtener usando una

tasa de enfriamiento de 1 °C/s y o.5% C. [9]

Fig 9: Fase microestructural Vs ritmos de enfriamiento Para el Astaloy CrM con 0.4% y).5% de C [9]

Por otra parte en los trabajos de Campos, Sánchez y Torralba [15], se realiza un

Análisis térmico diferencial (DTA) en conjunto con una termo-gravimetría (TG) para el

Astaloy CrM con 0.5% C y adiciones de manganeso entre el 1% y 2%. Las pruebas se

evaluaron a una temperatura de sinterización (1200 °C) y a una Atmósfera

90N2+10H2+0.1CH4. Se detectan dos reacciones exotérmicas combinando el

tratamiento (DTA-TG) en la que la fase de transformación α→γ es revelada sin asociar cambios de masa en rangos de temperatura de 780-880 °C pero teniendo en cuenta el

contenido de C. La tendencia de las graficas TG después del proceso de oxidación

cambia aumentando la mas considerando Astaloy sin cantidad de carbón y con un

porcentaje de 0.2% C. Las graficas cambian también pero la masa se mantiene estable.

22

 IQ‐2009‐I‐45

[15]. Las aleaciones con manganeso, permiten la formación de martensita mejorando su

homogeneidad microestructural. Una mezcla de ferrita y perlita alrededor de la fase

liquida se visualiza y la fase martensita con algo de bainita se muestra dependiendo del

contenido de carbono.

Estudios más recientes se remontan A.Babakhania, A.Haerianb, M.Ghambric [16], los

cuales trabajan con Astaloy CrM. Las pruebas se prepararon con dos tipos de polvos: la

primera se mezclo con 0.6% de esterato de lit io y la segunda con 0.6% de esteramida como lubricante. La mezcla fue compactada a 600 Mpa. Las pruebas se sinterizaron a

1120 °C durante 60 minutos bajo una atmósfera de nitrógeno. Las estructuras

resultantes consisten de perlita y bainita después de la sinterización. Al disminuir la

temperatura gradualmente, se obtiene martensita. Las investigaciones metalograficas

muestran que el tratamiento con calor (austenizar y luego templar) no tiene efecto en la

forma ni en el tamaño de poro. El efecto de la porosidad depende de que tanto el acero

es resistente al desgaste. [16]

3.3.1 Propiedades A diferencia de otros polvos metálicos pre-aleados con cromo, el astaloy CrM tiene un

menor contenido de oxigeno y se puede ser producido a menor precio. La

microestructura del Astaloy CrM es relativamente homogénea consistiendo de bainita y

martensita, esto hace que el material sea más duro y más resistente en compasión con

el Diastaloy A E (f igura 10).[10].

La templabilidad del Astaloy CrM es muy elevada (f igura 11), con un contenido de carbón

de 0.5% es posible obtener martensita con una micro-dureza de 800 mhv para una tasa

de enfriamiento de 2 °C/seg. Ahora bien, si se aumenta el contenido de carbono y se

incrementa la tasa de enfriamiento, se puede obtener un porcentaje mayor de martensita

con una dureza mayor. [10].

Existe otra manera de mejorar las propiedades mecánicas, esta consiste en utilizar

Astaloy CrM junto con una compactación en caliente y a una temperatura de

sinterización más elevada. A partir de allí se obtendrían mayores resultados positivos

que en el Diastaloy AE.

23

 IQ‐2009‐I‐45

Fig 10: Resistencia a la tensión y resistencia al esfuerzo Del Astaloy CrM con 0.3-0.5% C, Diastaloy AE y Diastaloy HP con 0.5% C. Materiales compactados a 600 Mpa y 1120 °C Durante 30 min. En

90/10 N2/H2 [10]

Fig 11: Diagrama CCT para el Astaloy CrM + 0.5% C[10]

Las propiedades de sinterización para el Astaloy CrM están caracterizadas por tener una

buena resistencia al esfuerzo y una buena resistencia al desgaste. Para propósitos

generales, un contenido de carbono de 0.3-0.4% es recomendable que se implemente ya

que resultan valores de resistencia al esfuerzo entre 500-600 Mpa, valores de resistencia

a la tensión entre 740-870 Mpa y valores de dureza vickers entre 240-280 HV10. Los

calores mencionados son medidos para densidades de sinterización de 7.1 g/cm^3 y una

temperatura de 1120 °C. [11].

24

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Por otro lado, los trabajos de Marcu, A. Molinar i, G. Straffelini y S. Berg [17], evalúan

varias propiedades del Astaloy CrM con contenido de 3% Cr y 0.5% Mo. Este polvo pre-

aleado se mezcla con diferentes cantidades de grafito (0.6% y 0.7%) y se sinteriza a

1120 °C de temperatura durante 60 minutos. La atmósfera de sinterización es 90%N2–

10%H2. Las mezclas son compactadas a 700 Mpa y as í obtener piezas para ensayos

de tensión. Tres diferentes ritmos de enfriamiento son utilizados (0.8, 2, 5) K/s que se

controlan gradualmente con una termocupla. Ensayos de dureza vickers (ASTM E384)

se realizan a las muestras después de haber pulido las probetas. Los resultados que se presentan corresponden en promedio a 15 identaciones por muestra. Las pruebas de

microestructura se llevan a cabo en un microscopio óptico después de la preparación

metalografica. Se hace un estudio cuantitativo de la microestructura. Con herramientas

como difracción de Rayos X se mide la fracción volumétrica de austenita retenida.

Finalmente ensayos de tensión son aplicados a 5 probetas por medio de la maquina

Instron a temperatura ambiente y a una velocidad de 1mm / min. [17].

Los resultados de densidad y porosidad de los materiales estudiados muestran que al

realizar compactación en caliente con una elevada temperatura de sinterización, la

densidad incrementa y la porosidad disminuye. La microestructura que se genera es

totalmente martensita. En la f igura 12 se observa la microestructura martensit ica para un

ritmo especif ico de enfriamiento (0.8 K/ min). En la estructura el gris oscuro hace

referencia a una cantidad muy baja de bainita y lo que se ve gris claro, hace referencia a

martensita.

Fig 12: Microestructura martensitica de WH0608 para un ritmo de enfriamiento 0.8 K/min. [17]

Ensayos de dureza (HV30) y de Micro-dureza (HV0-05) son aplicados a las piezas

sinterizadas. Se infiere que los valores de micro-dureza aumentan cuando se incrementa

25

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la tasa de enfriamiento desde 0.8 K/seg hasta 2 K/seg estabilizándose en un valor dado

que lo determina la cantidad de carbono. Esta tendencia es debida a la microestructura

ya que contiene bainita a 0.8 K/seg y contiene martensita a las otras tasas de

enfriamiento. [17].

Mezclas basadas en Astaloy CrM con 4 diferentes niveles de carbono 0.55, 0.66. 0.75 y

0.85, compactadas en frío a una densidad de 7.0 g/cm^3, pruebas de tensión ( ISO 2740)

y pruebas de fatiga (ISO 3928) son estudiadas por [18]. La temperatura de sinterización es de 1250 °C en una atmósfera 90/10/N2/H2 durante 60 minutos. Dos tasas de

enfriamiento se utilizan 0.8 °C/s y 2°C/s y se analizan pruebas dinámicas para materiales

enfriados a 0.8 °C/s.

Fig 13: Resistencia al esfuerzo Vs contenido de carbono Para tasas de enfriamiento (0.8 °C/s y 2°C/s)

[18]

Se puede observar (f igura 13) que al incrementar el ritmo de enfriamiento de 0.8°C/s

hasta 2.5°C/s, la resistencia al esfuerzo se incrementa. Los valores de incremento para

la resistencia al esfuerzo oscilan entre 770 Mpa y 1157 Mpa. Esto es debido a la

transformación de la microestructura partiendo de martensita 85% a una estructura

totalmente martensitica. La máxima resistencia al esfuerzo se alcanza con

aproximadamente 0.45% C. La resistencia a la fatiga se determina por el método de escalera según la MIPF estandarizada # 56, 2001. El desempeño de la fatiga se obtiene

en la f igura 14.

26

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Fig 14: Resistencia a la fatiga en función del contenido de Carbón para un ritmo de enfriamiento (0.8

°C/s) [18]

Una esfuerzo de fatiga de 300 Mpa es encontrada con un contenido de carbono de 0.4%.

Incrementando el contenido de carbono a 0.5%, un optimo es encontrado con respecto a

las propiedades estáticas mientras que el esfuerzo de fatiga sube hasta 390 Mpa. Cuando se tiene un contenido más alto de carbono, las propiedades estáticas

disminuyen pero el esfuerzo de fatiga continúa aumentando. Se encuentra un esfuerzo

de fatiga de 445 Mpa a 0.7%C. En este contenido de carbono la estructura consiste de

martensita con algo de austenita retenida en las agujas de la martensita. [18].

3.4 Corrosión Como aspecto importante en nuestro estudio, es primordial y es uno de los objetivos

plateados del trabajo de grado, realizar una caracterización de las propiedades

corrosivas presentes en las piezas de acero sinterizadas. Para ello se parte de un

fundamento teórico el cual servirá de preámbulo al estudio corrosivo que se desarrollara

posteriormente.

Una de las mayores aplicaciones que tienen los aceros pulvimetalurgicos pre-aleados

con Cr-Mo, es la resistencia a la corrosión. Los aceros de baja aleación con adiciones de

Cr y Si, exhiben mejor resistencia que los aceros al carbón sin ninguna aleación. Estos

efectos positivos tanto del cromo como del silicio se resumen en la f igura 8. El silicio es

un material muy efectivo en la resistencia a la corrosión de aceros aleados con Cr-Mo. Al

adicionar 1.5% Si a un acero pre-aleado 5Cr-0.5Mo, se puede observar un incremento

signif icativo en las propiedades anticorrosivas. El elemento de aleación más importante

para mejorar la resistencia a la oxidación es el cromo. Como se puede ver en la f igura

27

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15, para aceros con 0.5% Mo e incrementando el porcentaje de cromo de 1% a 9%, la

resistencia del acero aumenta considerablemente. No obstante, para aceros 7Cr-0.5Mo y

9Cr-1Mo, se reportan valores poco signif icativos de las tasas de enfriamiento (0.2,

0.8)°C/s a temperaturas entre 680 y 700 respectivamente. Entre más se encuentre

aleado el acero con cromo, más resistente es a la oxidación. [14].

Fig 15: Resistencia a la corrosión Atmosférica de aceros con Mo-Cr [10]

El uso de la PM para fabricar aceros inoxidables austeniticos ha tenido mucho interés a

nivel industrial. Estos aceros exhiben buenas propiedades mecánicas y una resistencia a

la corrosión elevada. Resientes trabajos se han venido realizando con el propósito de

combatir la porosidad de los aceros y desarrollar nuevas estrategias que mejoren las

propiedades anticorrosivas.

3.4.1 Corrosión electroquímica La corrosión electroquímica es la forma más común de ataque de los metales, ocurre

cuando los átomos de metal pierden electrones y se convierten en iones. Conforme se

consume gradualmente el metal, se forma un subproducto en este proceso. La corrosión

electroquímica ocurre con mayor frecuencia en un medio acuoso, donde estén presentes

iones en el agua o en el aire húmedo. En este proceso se crea un circuito eléctrico y es

sistema se conoce como una celda electroquímica. Ejemplos de esta reacción son la

corrosión en tuber ías de acero y los lienzos de acero para automóvil, lo cual forma

agujeros en dicho metal y herrumbre como subproducto [8].

28

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En los trabajos de Otero, Pardo, Sáenz, Utrilla [19], se llevan a cabo actividades de

fundición y PM de aceros inoxidables austenit icos AISI 304L y AISI 3 16L. 15 gr de polvo

pre-aliado se compactan uniaxialmente a 700 MPa utilizando estearato de Zinc como

lubricante. Densidades en verde de 6.40 y 6.43 g/cm3 se obtienen para AISI 304L y

316L respectivamente. La sinterización se lleva a cabo en un horno de vacío a 1603 K,

con una presión de vac ío de aproximadamente 0.13 Pa durante 30 min. Las tasas de

calentamiento y enfriamiento se dan a 5 K/min. Los productos son de 25 mm de diámetro

y de 4.9 mm de espesor con densidades de 6.9 y 7.30 g /cm3 para AISI 304L y AISI 316L respectivamente. Los electrolitos utilizados para las pruebas son los siguientes: 10, 20

35 y 65%de HN03, a temperatura ambiente. Una célula de tres electrodos se utiliza para

obtener las mediciones electroquímicas. El electrodo de trabajo es acero, el contador es

de platino y la referencia un electrodo de calomel saturado (SCE). Un potenciestato es

utilizado para medir y registrar los resultados. La tasa de corrosión Vcorr se determina a

través de la ley de faraday, Al f inal de cada prueba se usa la espectroscopía de

absorción atómica para determinar los elementos disueltos en la solución electrolítica y

para calcular el peso equivalente. [19].

Un potencial de más o menos 10 mV se aplica en todo el potencial de corrosión y Rp es

determinado en la región de Ecorr. Las curvas Tafel se establecen a partir la región

activa de las correspondientes curvas anódica y catódica. Cuando Rp es conocido se

aplica la ecuación de Stern-Geary para obtener Icorr. El t iempo total de prueba es de 360

Horas.

Los resultados se presentan de acuerdo a las curvas de polarización potenciodinámica

de la f igura 16 en las que la magnitud de Icorr para ambos es del orden de 10 mA/cm2.

Se observa que incrementando la concentración de HNO3 El valor de Ecorr aumenta

pero disminuye la zona pasiva. Ambos aceros se comportan igual por tiempos pequeños

de exposición.

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Fig 16: curvas de polarización potenciodinamica para aceros PM inoxidables En diferentes concentraciones de acido Nítrico a temperatura ambiente A) AISI 304L B) AISI 316L [19]

La fundición de aceros expuesta a diferentes electrolitos tiene una mejor resistencia a la polarización por activación que los aceros PM, demostrando así su carácter pasivo que

ayuda a la resistencia a la corrosión en los diferentes medios de prueba.

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Fig 17: Variación de la tasa de corrosión (Vcorr) respecto Al tiempo para aceros fundidos A) AISI

304L B) AISI 316L [19]

En la f igura 17 se muestra la variación de Vcorr con el tiempo. Se observa un

comportamiento lineal y la pequeña similitud de Vcorr indica que los valores de ambos

mater iales son pasivos en toda la prueba. Hay unos órdenes de magnitud de diferencia

de Vcorr entre la fundición y la PM de aceros. Después de 360 Horas en la PM de acero

el potencial se establece más rápido debido a la exposición de una mayor superficie.

La porosidad de PM de aceros causa las mayores tasas de corrosión, esto se debe a

que en los poros se encuentran a altas concentraciones de protones, los cuales

producen la disolución de las capas pasivas en las grietas. En todas las pruebas las

mayores tasas de corrosión se presentan para PM AISI 304L en comparación con AISI

316L.

Aun no se han desarrollado trabajos para medir la resistencia a la corrosión de aceros

pre-aleados con Cr de baja aleación. La bibliografía citada, presenta algunos trabajos

realizados con aceros inoxidables pre-aleados sometidos a diferentes ambientes

31

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corrosivos y a masivas pruebas electroquímicas. Es por esta razón que se hace uso de

esta herramienta y se pretende estudiar las principales propiedades anticorrosivas para

el acero pre-aleado Astaloy CrM.

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4. METODOLOGIA

4.1 Materiales Los materiales que se utilizaron para la realización de este proyecto fueron polvos de

Astaloy CrM y de grafito en 3 diferentes porcentajes (0%, 0,4% y 0,7%). Para la mezcla

se tomaron 300 gr de Astaloy CrM y su respectivo porcentaje en peso de grafito

correspondiente a cada grupo de material.

Astaloy CrM es un polvo de hierro atomizado por agua, pre-aleado con un 3% de Cr y un

0.5% de Mo. Este t ipo de polvo presenta una extraordinaria capacidad de

endurecimiento as í como una buena compresibilidad debido a su bajo contenido de

oxigeno ya que se evita en cierta medida la corrosión del mater ial y se controla mejor las

condiciones de sinterización. Tras el sinterizado se puede obtener una gran resistencia y

dureza, no obstante el Astaloy CrM también es apropiado para la sinterización a alta

temperatura, autotemple y nitruración por plasma ya que su composición totalmente pre-

aleada proporciona una microestructura homogénea con muy buenas propiedades

mecánicas.[11]

El grafito utilizado en este proyecto, correspondió a un grafito comercial de tamaño de

partícula menor a 20 micras y con 3 diferentes porcentajes en peso (0%, 0,4% y 0,7%).

Para la mezcla se tomaron 300 gr de Astaloy CrM y su respectivo porcentaje en peso de

grafito correspondiente a cada grupo de material.

4.2 Equipos empleados Mezclador de f lujo cruzado: La homogenización de los polvos se efectúa, en un

mezclador de f lujo cruzado, En donde se deposita la materia a mezclar y se deja un

tiempo determinado.

Prensa Hidráulica Instron 5586: Equipo para realizar ensayos universales. Por intermedio

de una compresión en frío se compactan las probetas dándoles un conformado

homogéneo.

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Mufla: Es básicamente la fuente de calor para el horno tubular. Tienen una temperatura

máxima según el fabricante de 1250 °C y posee n controlador PID.

Potenciostato Gamry Instrument PC 750: equipo encargado de recoger los datos de

potencial de corrosión y corriente de corrosión. Este posee un programa que acompaña

al potenciostato llamado Gamry Echem Analyst.

4.3 fases Metodológicas

4.3.1 Calculo de Densidad Aparente En primera instancia, se realizó una medida de la densidad aparente del polvo base

(Astaloy CrM sin grafito. La norma que se utilizó fue la MPIF 04 [2]. Según esta norma,

se hace una medición por quintuplicado y se saca un promedio para saber el dato de la

densidad aparente.

4.3.2 Mezclado de polvos Para el mezclado de polvos se utilizó un mezclador de f lujo cruzado. Una ves se tienen

las masas correspondientes, se depositan cantidades pequeñas de material tanto de

Astaloy CrM como de grafito (0,4% y 0,7%) dentro del mezclador. Posteriormente se

tapan las boquillas y se procede a mezclar durante 30 minutos a una velocidad de 30

rpm. El mater ial mezclado es almacenado en recipientes de plástico y es guardado en un

desecador para evitar al máximo el deterioro del material por oxidación.

4.3.3 Compactación de probetas La compactabilidad del polvo fue realizada en un dado f lotante de compactación uniaxial

que fabrica cilindros con un diámetro de 9,55 mm. La prensa utilizada para aplicar las

cargas fue la máquina para ensayos universales Instron 5586 (f igura 18), disponible en el

laboratorio de propiedades mecánicas (ML 227). Se f ijo una cantidad de polvo de 3 gr

por probeta y se compactó a una velocidad de 10 mm/seg. Las presiones empleadas

fueron de 300, 500 y 700 Mpa que equivalen a cargas de 23.2, 38.8 y 54.3 KN

respectivamente para cada uno de los materiales empleados (0, 0,4 y 0,7) % C

obteniendo un cantidad de 9 probetas. Este proceso se realizo por duplicado para

efectos de evaluar los dos ritmos de enfriamiento (0,1 °C /seg y 2,2 °C /seg) empleados

34

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en el proyecto. La variable que se obtuvo fue la densidad de las piezas. Para la

determinación de la densidad se utilizó un calibrador digital con una precisión de +- 0,01

mm con el que se midió el ancho, un micrómetro digital con una precisión de +- 0,001

mm con el que se midió la altura y una balanza digital con una precisión de +- 0,0001 gr

con la que se midió el peso.

Fig 18: Prensa Hidráulica Instron 5586

Por otro lado, se compactaron un nuevo grupo de probetas para la realización de

ensayos de f lexión a tres puntos, las cuales por falta de tiempo no se pudieron llevar a

cabo. Sin embargo, con este grupo de probetas (con 0,4% C, y dos presiones 500 y 700

Mpa) se realizaron ensayos de corrosión electroquímica. Se utilizó una matr iz de

compactación con diferente geometr ía en aras de tener mayor área de contacto y se

fabricaron en la misma prensa usada para las probetas cilíndr icas. Se obtuvieron

probetas por duplicado con el f in de evaluar el efecto de dos ritmos de enfriamiento (0,1

°C /seg y 2,2 °C /seg) en la resistencia a la corrosión. Las cargas empleadas fueron de

120 y 150 KN correspondientes a 500 y 700 Mpa de presión. Es de destacar que antes

35

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de utilizar los elementos de compactación, estos deben ser limpiados con alcohol, y se

debe verif icar que estén en buen estado, prestando especial atención al ajuste de los

punzones con el dado.

4.3.4 Sinterización La sinterización de los materiales se llevo a cabo en una mufla tubular 1200 (f igura 19)

disponible en el laboratorio de polvos metálicos y cerámicos (ML 209) a una temperatura

de 1120 °C. Esta mufla cuenta con un horno tubular de atmosfera controlada, el cual

consiste en un recipiente cilíndrico, con un sistema de cierre que permite hermeticidad.

Contiene además un soporte para ubicar las piezas al interior del recipiente durante la

sinterización. El horno posee una entrada y una salida de gases en tubing de acero

inoxidable de ¼ OD. Para este proceso, fue necesario llevar a cabo una caracterización

previa del perf il térmico a utilizar en cada uno de los ritmos de enfriamiento. Por medio

de guías de desplazamiento se pudo controlar la temperatura de forma manual. La

temperatura fue registrada por intermedio de una termocupla t ipo K en intervalos de 1

minuto por lectura. La atmosfera empleada para la sinterización fue de N2 + getter (95 %

en peso de alúmina + 5% en peso de Grafito) y se manejo a un f lujo de 2 lit/min.

Fig 19: Mufla tubular 1200

4.3.5 Caracterización térmica del sistema En este procedimiento se caracterizo la respuesta del sistema de sinterización frente a

una estimulación térmica representada por la temperatura de la mufla. Para ello se tomo

36

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la temperatura medida en el lugar donde se ubican las piezas (f igura 20) en intervalos de

1 minuto.

Fig 20: Esquema interior del horno tubular

Se precalentó la mufla hasta la temperatura deseada (1120 °C) dejando el horno tubular

por fuera hasta que la temperatura de la mufla fuera estable. Una vez se alcanzo la

temperatura programada, se abrió el f lujo de gas y se introdujo el horno tubular una

distancia de 31,8 cm sosteniéndolo en esa posición hasta que la temperatura reportada

por la termocupla fuera de 250 °C. Posteriormente, se introdujo el tubo una distancia de

36,8 cm hasta que la temperatura reportara 600 °C. Finalmente se introdujo el tubo en su

totalidad y se espero a que se alcanzara la temperatura de trabajo. Este procedimiento

tarda 11 minutos aproximadamente. Luego, teniendo en cuenta que la inercia del horno

tubular es elevada, se hace necesario modif icar la temperatura de la mufla con el f in de

estabilizar las condiciones al interior de la misma, se disminuye la temperatura del

controlador hasta un valor de 1050 °C y con ello se garantiza una temperatura de

sinterización de 1120 °C durante 60 minutos para las probetas previamente alimentadas.

Los ritmos de enfriamiento fueron caracterizados de tal forma que se garantizara una

tasa de enfriamiento constante a través del t iempo. Para el ritmo de 0,1 °C/seg, se

implemento un control manual a partir del desplazamiento gradual del tubo desde el

interior hasta el exterior de la mufla, en primea instancia y una vez el ciclo de sinterización haya terminado, la mufla es apagada y el tubo es mantenido dentro de la

misma por un t iempo de 40 min. Después de eso, el tubo es retirado una distancia de 15

cm dejándolo allí durante 20 min. Posteriormente, el tubo es expulsado por completo

hasta llegar a temperatura ambiente en donde se puede proceder a retirar las probetas.

Es importante que el f lujo de N2 se mantenga constante durante todo el proceso y hasta

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que se llegue a una temperatura inferior a 50 °C. Del mismo lado, para el ritmo de

enfriamiento rápido (2,2 °C/seg) se implementa un control manual en el cual una vez

haya culminado el sinterizado de las probetas, el tubo es retirado en su totalidad hacia el

ambiente. El f lujo de N2 en este caso también debe permanecer constante durante el

enfriamiento y no debe ser interrumpido hasta que la temperatura alcance un valor

inferior a 50 °C.

De estas dos maneras y una vez se tienen los datos consignados en el termómetro, se procede a graficar la temperatura en función del tiempo obteniendo las curvas o perf iles

típicos de sinterización. (Figura 21). Cabe aclarar, que para el segundo grupo de

probetas correspondientes a pruebas electroquímicas, se siguió el mismo procedimiento

de sinterización descrito anteriormente.

Fig 21: Perfil térmico de sinterización para dos ritmos de enfriamiento.

4.3.6 Caracterización mecánica y corrosiva Una vez terminado el proceso de sinterización del material, se realiza una

caracterización a nivel mecánico y se estudia la resistencia a la corrosión.

4.3.6.1 Propiedades Mecánicas Con el f in de establecer los efectos de los ritmos de enfriamiento y el porcentaje de

carbono sobre las propiedades mecánicas del material, se realizo un ensayo de dureza

38

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Rockw ell B, HRB, a todos los grupos de probetas. Para ello se utilizo un durómetro

Wilson Rockw ell series 600 (f igura 22) presente en el laboratorio de microscopia óptica

(ML 226) de la universidad de los Andes. La escala es obtenida haciendo uso de cargas

de 100 kg y una bola de diámetro 1/16 de pulgada. Se realizador medidas por triplicado

para efectos de cumplir con la norma (ASTM E18). Mediante la comparación de las

durezas de las probetas, se pudo corroborar las fases metalograficas obtenidas después

del endurecimiento de los materiales.

Fig 22: Durómetro Wilson Rockwell series 600

El control microestructural de las muestras fue realizado mediante un microscopio óptico

Olimpus BX51Mubicado en el laboratorio de microscopia óptica (ML 226). Para esto, se

realizo en primera instancia un corte transversal de cada una de las probetas para

después embeber las en una resina de poliestireno. Las probetas fueron preparadas en

papel lija de tamaños 240, 320, 400, 600, 800 y 1200 para Posteriormente ser pulidas en

paños y suspensión diamantada de 10 a 1 micras. Para efectos de revelar la

microestructura, se atacaron las probetas empleando una solución de nital al 3% por

espacios de 10 a 15 segundos.

39

 IQ‐2009‐I‐45

4.3.6.2 Corrosión Seca En esta sección, se llevo a cabo, para el primer grupo de probetas, un ensayo de

corrosión seca a una temperatura de 800 °C en una mufla de calentamiento. El t iempo

total de exposición de las probetas fue de 18 horas en aire. Antes de que las piezas

fueran sometidas a la temperatura seleccionada, se limpiaron en un ultrasonido

utilizando metanol y acetona como solventes, esta medida se hizo con el f in de remover

posibles impurezas y/o grasas que afectaran las mediciones de masa. Las muestras

fueron pesadas en una balanza digital con una precisión de +- 0,0001 gr. Se tomaron

datos en un intervalo de una hora durante las tres primeras horas y en un intervalo de

tres horas para las horas restantes, se obtuvieron valores del % de ganancia de peso en

función del t iempo para cada de las probetas y en cada uno de los intervalos

seleccionados.

4.3.6.3 Corrosión Electroquímica

El análisis electroquímico correspondiente a esta sección, se llevo a cabo por intermedio

de una celda electroquímica compuesta de un potenciostato (el cual registra los datos) y

por 3 electrodos, el electrodo de trabajo (Astaloy CrM), el electrodo de referencia (en

este caso es SCE o electrodo de calomel) y un contra-electrodo o electrodo auxiliar

(Acero al carbón) el cual por lo general cumple la función de agente conductor en el

circuito. El electrolito utilizado fue una solución de H2SO4 (0,1M). Se establecieron las curvas Tafel para cada una de las regiones correspondientes (Anódica-catódica). Las

curvas de polarización potencioestática para los materiales pulvimetalurgicos trabajados

en este proyecto.

40

 IQ‐2009‐I‐45

5. RESULTADOS Y ANALISIS

5.1 Caracterización del polvo Astaloy CrM

5.1.1 Densidad Aparente En primera instancia, se realizó una medida de la densidad aparente del polvo base

(Astaloy CrM sin grafito). La densidad aparente es la relación que hay entre la masa del

polvo y el volumen cuando este no es sometido a movimiento ni fuerzas externas, para

este caso el polvo solamente es vertido en un recipiente en donde se realizan las

mediciones. Estas mediciones tienen implicación directa en el proceso ya que se puede

tener un valor de referencia como punto de partida del estudio y saber la densidad del

polvo cuando este se encuentra suelto, es decir, cuando no ha sido compactado.

Masa Astaloy CrM (gr) Densidad Aparente (gr/cm3) 89.570 3.582 82.880 3.315 89.900 3.596 83.610 3.344 83.840 3.353

Tabla 1. Densidad aparente polvo base

Densidad Aparente Promedio = 3.43 gr/cm3

5.2 Características de la compactación En esta etapa se compactaron los diferentes grupos de probetas (0%, 0,4% y 0,7% de

grafito), Este procedimiento se llevo a cabo en una prensa hidráulica, variando la presión

de compactación (300, 500 y 700) Mpa. Los valores de densidad en verde (densidad

alcanzada después de la compactación) de cada grupo de probetas se encuentran

reportados en la (tabla 2).

41

 IQ‐2009‐I‐45

Probetas compactadas Presión de Compactación (Mpa)

% de Carbono 300 500 700 ρ (gr/cm^3) ρ (gr/cm^3) ρ (gr/cm^3)

0% 5,7540 6,4254 6,9098 ρ (gr/cm^3) ρ (gr/cm^3) ρ (gr/cm^3)

0,40% 5,8191 6,5787 7,0080 ρ (gr/cm^3) ρ (gr/cm^3) ρ (gr/cm^3)

0,70% 5,9182 6,5985 7,0475

Tabla 2. Valores de densidad en verde.

Hasta este momento, varios experimentos previos realizados en este proyecto con

mezclas del polvo pre-aleado (Astaloy CrM), tales como, compactación de probetas

cilíndricas, nos han demostrado que variando el porcentaje de carbono se obtienen

diferentes valores de densidad y variando la presión de compactación se obtienen

diferentes niveles de porosidad. Gracias a la revisión bibliográfica que se ha hecho, se

ha determinado trabajar con tres densidades (6,0, 6,6 y 7,1) gr/cm3, esto con el f in de

evidenciar un cambio signif icativo en la micro estructura metalográfica del material.

Varios autores demuestran comportamientos de ciertos materiales frente a las

variaciones de la presión de compactación y frente a las variaciones de porcentajes de

carbono. Es el caso, por ejemplo de Milligan et al en [9], en el cual se muestra como

cambian las fases metalográficas cuando se tienen 0.4% y 0.5% de carbono y una tasa

común de enfriamiento de 0.8 °C/s. La micro estructura obtenida consiste básicamente

en un 75% de bainita y un 25% de martensita. De igual forma, Ortiz y castro en [20],

realizan varios experimentos con mezclas del polvo pre-aleado (Astaloy CrM) utilizando

porcentajes en peso de carbono de (0%, 0.2%, y 0.8%, tomando como referencia 700

Mpa como presión de compactación. Ellos alcanzan densidades de 7.00 gr/cm^3 y

Además, evidencian un cambio en la estructura metalográfica para los tres grupos de

probetas compactados. Asimismo, A. Molinari, G. Straffelini y S. Berg en [17], utilizan dos

porcentajes de carbono (0.6 y 0.7%) y una presión comercial de 700 Mpa. Aquí, se

observa diferentes resultados de densidad y porosidad de los materiales estudiados,

igualmente la micro estructura que se genera es totalmente martensit ica para ritmos de

enfriamiento de (2 °K /seg y 5 K/seg). Estructuras bainiticas se alcanzan a una tasa de

0.8 °K/seg.

42

 IQ‐2009‐I‐45

A continuación se presentan las curvas de compactación del Astaloy CrM,

correspondientes a los 3 porcentajes de carbono (0%, 0,4% y 0,7%) y a las tres

presiones (300, 500, 700) Mpa. (Figura 23). Como se t ienen valores por duplicado, se

realiza un estadístico para cada grupo de probetas.

Fig 23: Curvas de compactación (0%, 0,4% y 0,7%)

Tomando como soporte la fenomenológica de la compactación, en otras palabras, el

fundamento teórico del proceso por el que se rige la compactación, se infiere de las

curvas que, a medida que la presión de compactación se incrementa, as í mismo se

incrementa la densidad en verde (es decir, la densidad después de compactada la

pieza), y se disminuye el nivel de porosidad de las piezas. También, se puede decir, que

las curvas se asemejan a un comportamiento logar ítmico, en donde, la tasa de

densif icación, en una primera parte, se incrementa al mismo ritmo que la presión

aumenta, pero, una vez continua la deformación, la curva de densidad vs presión, se

declina, alcanzando valores estables para presiones altas, Este fenómeno se conoce

como “w ork hardening”, o, trabajo de endurecimiento de partícula. [5].

Otro aspecto importante en este proceso, tiene que ver con las fases o etapas básicas

presentes en la compactación de polvos metálicos, las cuales se subdividen de la

siguiente manera: 1) Se comienza con un reordenamiento por parte del polvo, lo que

43

 IQ‐2009‐I‐45

produce un mejor empaquetamiento de las partículas. 2) Se lleva a cabo una

deformación plástica de las partículas, incrementando su volumen relativo, y 3) se

genera una fragmentación en las moléculas del polvo, llegando f inalmente a un trabajo

de endurecimiento de las partículas (w ork hardening). [5].

El comportamiento del Astaloy CrM con tres porcentajes de carbono frente a tres

presiones de compactación, fue evaluado con el f in de determinar el nivel de porosidad

incorporado en cada uno de los grupos de probetas. El resultado fue un nivel de porosidad total de 24,9% a 300 Mpa, 15,9% a 500 Mpa y 9,8% a 700 Mpa. En ese

sentido, se infiere de estos porcentajes, que a medida que la presión aumenta, la

porosidad disminuye generando una mayor compresibilidad en el material a tal punto que

se obtienen densidades más elevadas. Del mismo modo, cuando se incrementa el % de

grafito, se produce un aumento constante en la densidad del Astaloy CrM. En particular,

se puede decir, que la diferencia entre densidades es del orden de 0,5 gr/cm3 para los

tres rangos de presión. si bien la composición química del polvo hace que este tenga la

capacidad de deformarse plásticamente y que sean el Cr y el Mo los elementos

endurecedores del material, la presencia del grafito también ayuda a obtener mejores

propiedades mecánicas y de templabilidad en los aceros pulvimetalurgicos. Es de

destacar que, el % de carbono que revela mejores propiedades de endurecimiento es el

de 0,7% C debido a que hay mas presencia de carbono permitiendo alcanzar estructuras

metalográficas más estables.

5.3 Sinterización Para la etapa de sinter ización, se hizo uso de una mufla tubular 1200, se trabajo a una

temperatura de 1120 °C durante un tiempo de 60 minutos y bajo una atmosfera

controlada de N2 + getter (95 % en peso de alúmina + 5% en peso de Grafito). Los ritmos

de enfriamiento empleados fueron de 0,1 °C/seg y 2,2 °C/seg (f igura 21).

Los ritmos de enfriamiento fueron escogidos, con base en investigaciones previas. Por

ejemplo, en el trabajo de Marcu, A. Molinari, G. Straffelini y S. Berg [17], evalúan varias

propiedades mezclando el polvo base con diferentes cantidades de grafito (0.6% y

0.7%), Sinterizando a 1120 °C durante 60 min, manejando una atmósfera de

sinterización de 90% N2–10% H2, bajo una presión de 700 Mpa y utilizando tres

44

 IQ‐2009‐I‐45

diferentes ritmos de enfriamiento (0.8, 2, 5) K/s que se controlan gradualmente con una

termocupla. En este trabajo los resultados de densidad y porosidad de los materiales

estudiados muestran que al realizar compactación en caliente con una elevada

temperatura de sinterización, la densidad incrementa y la porosidad disminuye.

Del mismo modo, en [18], realizan estudios en mezclas basadas de Astaloy CrM con 4

diferentes niveles de carbono (0.55, 0.66. 0.75 y 0.85) %, compactadas en frío a una

densidad de 7.0 g/cm^3, los cuales utilizan 0.8 °C/s y 2°C/s. Ellos observan que cambiando el ritmo de enfriamiento de las probetas, se consigue una mejor resistencia al

esfuerzo y a la corrosión.[18].

Sin duda, la etapa del proceso de producción de piezas masivas a part ir de la metalurgia

de polvos que mas implica trabajo, es la etapa de sinterización. Es aquí donde el

compacto de las piezas se consolida dando paso a materiales con muy buenas

propiedades. Es importante decir, que la atmosfera empleada para la reducción de los

óxidos en el proceso de sinterización (N2 + getter), no fue 100 % eficaz y que en

respuesta a eso, se produjo un aumento en la masa de las probetas después de

sinterizadas. Este porcentaje de ganancia de peso, (f igura 24), se debió posiblemente a

que cierta cantidad de oxigeno hizo contacto con las partículas sólidas de acero,

generando una capa superficial de oxido, el cual provoco un aumento de masa en las

probetas. Este es uno los principales problemas a tener en cuenta, la atmosfera debe

cumplir a cabalidad con su actividad reductora de óxidos a las temperaturas típicas de

sinterización. En la grafica también se puede visualizar una diferencia entre las

probetas sinterizadas. En ese orden de ideas, se puede decir que de acuerdo a los

resultados obtenidos, se observa y se cuantif ica, que las probetas sin grafito, tuvieron

una mayor ganancia de oxido que las probetas con grafito durante la meseta de

sinterización. Asimismo, cuando se trabaja a presiones altas, se impide en mayor grado

la formación de capas superficiales de oxido que alteren la respuesta del material frente

a las propiedades mecánicas y anticorrosivas.

45

 IQ‐2009‐I‐45

Fig 24: Porcentaje de ganancia en peso para dos ritmos de enfriamiento (0,1 °C/seg y 2,2 °C/seg) y 3

porcentajes de grafito (0% 0,4% y 0,7%)

Dado que los hornos empleados para la sinterización de materiales pulvimetalurgicos en

su mayoría son abiertos y continuos, la atmosfera juega un papel fundamental en la

reducción de los óxidos que recubren las piezas metálicas. Debido a que la atmósfera de

N2 es inerte, esta no presenta reducción alguna de los óxidos, por lo que comúnmente

es aconsejable mezclarla con cantidades de H2. Para efectos de este trabajo, no se pudo

trabajar con H2 teniendo en cuenta que no se contó con un sistema adecuado de

instalación de gases, asimismo se sabe que el H2 es un gas inflamable y explosivo,

razones cruciales a tener en cuenta para garantizar la seguridad del experimento. El

papel del carbono resulta fundamental en los procesos de sinterización de piezas

aleadas con grafito; propiedades mecánicas tales como la dureza y la tracción dependen

esencialmente del contenido de este. Existe un fenómeno llamado descarburación, el

cual consiste en una pérdida global de carbono debido a una reducción de los óxidos

presentes durante la meseta de sinterización y a la formación de CO debido a la

neutralización del oxigeno (1120 °C). Por consiguiente, cuando el acero que contiene

carbono es sometido a altas temperaturas, los agentes oxidantes presentes en la

atmosfera y en si los del mismo material, hacen que se produzca una oxidación del

carbono, arraigando con ello, una pérdida de masa. El carbono es un regulador del

contenido de oxigeno gracias a su capacidad reductora, este puede reaccionar con el

46

 IQ‐2009‐I‐45

oxigeno formando CO a temperaturas elevadas. Asimismo, la atmosfera de N2 es

termodinámicamente oxidante pero en presencia de grafito, presenta actividad reductora

mejorando considerablemente la sinterización. [21].

5.3.1 Densidad después de sinterizado Se puede evidenciar que, la densidad del producto sinter izado presenta valores mas

altos que los valores de la densidad en verde, para los tres porcentajes de grafito

presentes en las probetas. Esto se puede explicar, gracias a que, durante el proceso de

sinterización se dan cambios en las dimensiones del compacto (Anexo 1) y se lleva a

cabo una densif icación mayor al reordenarse de una manera más uniforme las partículas

o los poros del acero. La densidad es una variable que depende tanto de la masa como

de las dimensiones de la pieza, las cuales una vez sinterizadas las probetas, se vieron

modif icadas. A continuación se presenta la tabla con los valores de densidad sinter.

(Tabla 3)

Probetas sinterizadas Presión de Compactación (Mpa)

% de Carbono 300 500 700 ρ (gr/cm^3) ρ (gr/cm^3) ρ (gr/cm^3)

0% 5,8039 6,4855 7,0178 ρ (gr/cm^3) ρ (gr/cm^3) ρ (gr/cm^3)

0,40% 5,8808 6,6595 7,0608 ρ (gr/cm^3) ρ (gr/cm^3) ρ (gr/cm^3)

0,70% 5,9806 6,6926 7,1195

Tabla 3. Valores de densidad sinter. Al analizar los materiales después del proceso de sinterización, se percibe que estos

vienen acompañados de cambios dimensionales que conllevan a un aumento

especialmente en los valores de densidad. Estos cambios inicialmente hacen que el

porcentaje de porosidad total disminuya, representando una ventaja considerable para el

mater ial. En la medida que un mater ial poroso tenga un porcentaje de porosidad cerrada

mayor (más denso), su respuesta frente a cualquier tipo de caracterización es mejor,

esto se debe a que se está promoviendo un empaquetamiento más uniforme de las

partículas del material, el cual por ejemplo, impide que las piezas sean degradadas más

severamente. Las graficas de densidad en verde vs densidad después del sinterizado

(f igura 25 a-b-c), se comportan de manera similar en todos los casos, por una parte se

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 IQ‐2009‐I‐45

ilustra que el aumento de masa, ganado por la oxidación en la meseta de sinterización,

produce un aumento general en la densidad de las muestras; por otra parte, los ritmos

de enfriamiento, revelan una leve influencia en los cambios dimensionales de las

probetas. Además de esto, es importante decir que el carbono aleado con Astaloy CrM,

interacciona de varias formas en la meseta de sinterización, este puede reaccionar con

la atmosfera o dentro del mismo acero, produciendo una susceptible perdida o variación

en el contenido del mismo durante el proceso.

(a)

(b)

(c)

Fig 25: Comparación entre densidad en verde y densidad sinter a 3 Porcentajes de grafito (a) 0%, (b) 0,4%, (c) 0,7%.

48

 IQ‐2009‐I‐45

5.4 Caracterización

5.4.1 Dureza

Para el primer grupo de probetas, se llevaron a cabo ensayos de dureza Rockw ell B,

HRB. La tabla con los valores de dureza Rockw ell B se puede ver en el (anexo 2). Las

durezas permitieron observar el efecto del carbono y el ritmo de enfriamiento para cada

una de las densidades (300, 500 y 700) Mpa en el material estudiado y en las fases

metalográficas presentes. A continuación se presentan las graficas correspondientes a

las durezas para cada una de las condiciones de proceso. (Figura 26 a-b-c).

(a)

300 Mpa

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

40,0

0% 0,40% 0,70%

% de carbono

Dureza (H

RB)

0,1 C/seg

2,2 C/seg

(b)

500 Mpa

20,0

25,0

30,0

35,0

40,0

45,0

50,0

0% 0,40% 0,70%

% de carbono

Dureza (H

RB)

0,1  C/seg

2,2  C/seg

49

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(c) 700 Mpa

30,0

35,0

40,0

45,0

50,0

55,0

60,0

65,0

70,0

75,0

0% 0,40% 0,70%

% de carbono

Dureza (HRB

)

0 ,1  C/seg

2 ,2  C/seg

Fig 26: Valores de dureza Rockwell (a) 300, (b) 500 (c) 700 Mpa, dos ritmos de Enfriamiento (0,1 °C/seg y 2,2 °C/seg) y 3 porcentajes de grafito (0% 0,4% y 0,7%)

Se puede observar un incremento común en los valores de dureza cuando se incrementa

el contenido de carbono. No obstante, las probetas más densas (700 Mpa) reportan

valores más elevados en comparación con las menos densas (300 y 500) Mpa. De

mismo modo, es apreciable como la variación del ritmo de enfriamiento (lento-rápido)

tiene un efecto sobre la dureza, reportado valores de casi el doble de magnitud

respectivamente.

Una inspección detallada de la dureza en los materiales estudiados en este proyecto,

tiene que ver con el efecto del ritmo del enfriamiento al cual fueron sometidas las piezas

después de sinterizadas. Las graficas de la (f igura 26 a-b-c), exhiben valores más

grandes de dureza Rockw ell (HRB) para las probetas endurecidas a una tasa de 2,2

°C/seg que para las probetas endurecidas a una tasa de 0,1 °C/seg. Dicho fenómeno es

soportado con los cambios microestructurales detectados en la microscopia, en donde se

tienen estructuras ferriticas y bainiticas para las probetas con 0,4 y 0,7 % C a (300, 500 y

700) Mpa y 0,1 °C/seg y estructuras compuestas por bainita y una mezcla de

bainita+bainita de alto carbono para las probetas con 0,4 y 0,7 % C a las mimas

presiones pero con un ritmo de enfriamiento de 2,2 °C/seg. Para una presión de 300

Mpa, los valores de dureza de 0% C reportados en la escala Rockw ell B, se encuentran

en una escala inferior (5-10 HRB aprox) para un ritmo lento y (20-25 HRB aprox) para un

ritmo rápido, en comparación con los demás porcentajes de grafito y las demás

presiones de compactación, estas tendencias se mantienen cuando la sinterización se

50

 IQ‐2009‐I‐45

lleva a cabo bajo atmósferas con alta actividad descarburante (como es el caso de la

atmosfera empleada en este proyecto). Las diferencias microestructurales se acentúan a

lo largo de toda la probeta revelando la posibilidad de alcanzar estructuras ferriticas con

bajo contenido de carbono. Del lado contrario, están las probetas con medio y alto

contenido de carbono (0,4 y 0,7% C) respectivamente, las cuales alcanzan valores de

dureza relativamente altos (50-80 HRB) cuando son enfriadas a 2,2 °C/seg. Las

microestructuras observadas para este grupo de probetas corresponden tanto a bainita

como a una mezcla de bainita + bainita de alto carbono. La bibliografía nos reporta datos de dureza y microestructura para el Astaloy CrM normalizado por la MPIF como

FL-5305. Es el caso de Engström, Milligan, Dave y Klekovkin en [9], en donde se realizan

experimentos de Dureza y se muestran las fases metalograficas en un acero con 0,75%

C y densidades de 6.70, 6.90, 7.10 y 7.30 g/cm3, sinterizados en una atmosfera de 90%

H2 10% N2a 1120 °C durante 30 min. Los valores de dureza obtenidos por ellos son del

orden de 90 HRB para cada una de las densidades. Para tasas de enfriamiento de (1-

1,5) °C/seg se forman fases bainiticas mientras que para una tasa de (2-2,5) °C/seg, se

comienza a formar martensita de bajo carbono, aunque es la fase bainit ica la que

predomina en todas las probetas.

5.4.2 Microestructuras Si bien el estudio de la dureza nos da una manera de evaluar en un primer plano el efecto del carbono y el ritmo de enfriamiento sobre las propiedades del material, de

manera complementaria, se presenta una observación microestructural que permite

corroborar las diferencias en términos generales producida por las variaciones de dichas

variables. Con las microestructuras se pretende, mediante la observación detallada de

las probetas sinterizadas, asociar tanto las condiciones de operación como de

composición, para evaluar la presencia de posibles óxidos, la inf luencia de la atmosfera

de sinterización y las fases metalográficas formadas en las probetas. A continuación se

muestran las microestructuras correspondientes a los 3 porcentajes de carbono, 3

densidades y 2 ritmos de enfriamiento. (Figuras 27.28,29)

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Ritmo de enfriamiento 0,1 °C /seg Ritmo de enfriamiento 2,2 °C /seg 0% C

0,4% C

0,7% C

Fig 27: Microestructura Astaloy CrM con (0%, 0,4% y 0,7%) C. Dos ritmos

de Enfriamiento (0,1 °C/seg y 2,2 °C/seg) y una presión de 300 Mpa

52

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Ritmo de enfriamiento 0,1 °C /seg Ritmo de enfriamiento 2,2 °C /seg 0% C

0,4% C

0,7% C

Fig 28: Microestructura Astaloy CrM con (0%, 0,4% y 0,7%) C. Dos ritmos de

Enfriamiento (0,1 °C/seg y 2,2 °C/seg) y una presión de 500 Mpa

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Ritmo de enfriamiento 0,1 °C /seg Ritmo de enfriamiento 2,2 °C /seg 0% C

0,4% C

0,7% C

Fig 29: Microestructura Astaloy CrM con (0%, 0,4% y 0,7%) C. Dos ritmos de

Enfriamiento (0,1 °C/seg y 2,2 °C/seg) y una presión de 700 Mpa

54

 IQ‐2009‐I‐45

Haciendo un control riguroso de los valores de dureza, se percibe que estos van de la

mano con las estructuras metalográficas. Se puede decir que, a medida que se

incrementa el % de carbono, la presión y la tasa de enfriamiento, se obtienen valores de

dureza mucho mayores y se tienen estructuras coherentes y acordes a las condiciones

experimentales del sistema dado. Estos resultados son llamativos teniendo en cuenta

que resaltan las diferencias microestructurales y de dureza, especialmente, entre un

ritmo y otro.

Es importante decir, que en la caracterización microestructural detallada de las probetas,

se genero un cambio en la estructura del material debido a los dos ritmos de

endurecimiento puestos en marcha. Para las tres presiones de compactación, se

evidencia un cambio considerable en la microestructura de 0,1 °C/seg a 2,2 °C/seg,

pasando de estructuras con algo de ferrita a estructuras con una mezcla de bainita +

bainita de alto carbono. Las micrografías muestran un comportamiento estructural

homogéneo tanto en los bordes como en el centro de las probetas sinterizadas bajo la

atmosfera escogida (N2 + getter), la identif icación de las fases indica que las probetas

con 0% C a (0,1 °C/seg y 2,2 °C/seg), presentan estructuras f inas en las cuales se

definen las fronteras de grano, cabe aclarar que no se evidencia de manera muy clara la

presencia de una estructura ferritica debido a la presencia de estructuras secundarias

que posiblemente se introdujeron en la etapa de sinterización. Las probetas con 0,4 % C

a (300, 500 y 700) Mpa y un ritmo de enfriamiento de 0,1 °C/seg, tienden a estructuras

con una mezcla de ferrita + bainita, mientras que a un ritmo de 2,2 °C/seg, las

estructuras tienden a estructuras netamente bainit icas. Del mismo modo, con 0,7% C a

(300, 500 y 700)y un ritmo de 0,1 °C/seg, las estructuras tienden a ser bainiticas, sin

embargo a 2,2 °C/seg, la estructura formada es una mezcla de bainita + bainita de alto

carbono.

5.4.3 Corrosión seca El termino corrosión seca, normalmente se conoce como una reacción que toma lugar

entre un metal y un gas a temperaturas por encima de 100 °C [22]. Por lo general, los

metales y las aleaciones no sufren un ataque considerable en la atmosfera a

temperaturas por encima de las normales. A continuación se presentan las graficas

55

 IQ‐2009‐I‐45

correspondientes de corrosión seca en donde se mide el porcentaje de peso ganado por

las probetas durante el ciclo total de (18 horas).

Fig 30: Valores de % de ganancia de peso. Tiempo total 18 horas. 0% grafito.

Fig 31: Valores de % de ganancia de peso. Tiempo total 18 horas. 0,4% grafito.

Fig 32: Valores de % de ganancia de peso. Tiempo total 18 horas. 0,7% grafito.

Las combinaciones de cromo y molibdeno que poseen en general los aceros de baja

aleación, hacen de esta familia, un grupo de aceros con una buena resistencia frente a la

56

 IQ‐2009‐I‐45

oxidación ambiental y frente a la oxidación a temperaturas intermedias, sin embargo,

debido a las altas porosidades que adquieren los aceros producidos a partir de la

metalurgia de polvos, del orden de 20 a 8 % de porosidad total y de 100 a 80 % de

porosidad abierta, las altas temperaturas alrededor de 800 °C en adelante, arraigan un

posible deterioro en las probetas y un crecimiento superficial de capas gruesas de oxido,

generando un cambio de masa en las probetas sinterizadas. Algunos investigadores, han estudiado el comportamiento de materiales basados en Cr y

Mo, frente a la oxidación ambiental a condiciones elevadas de temperaturas. Es el caso

particular de simms y litt le en [23], los cuales examinaron las etapas de crecimiento de

capas de oxido en un acero con una composición de 2,25% de Cr y 1% Mo, un acero

muy similar al trabajado en este proyecto (3%Cr-0.5%Mo), a una temperatura de 700 °C

en aire. Entre 1 y 22 horas encontraron capas superficiales de oxido que coexistían

sobre el material, después de 100 horas de exposición, vieron que la capa de oxido

aumento su grosor provocando un incremento considerable en el peso de las muestras.

(a)

(b)

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(c)

(d)

(e)

(f)

Fig 33: Porcentaje de ganancia en peso en función del tiempo para ritmo lento (a), (b) y (c) y ritmo rápido (d), (e) y (f) a tres porcentajes de carbono (0%, 0,4% y 0,7%)

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El comportamiento de las graficas de % de ganancia de peso respecto al tiempo de

exposición (f igura 33), está gobernado por una cinética de oxidación, la cual es una

función que liga la ganancia de peso revelando un comportamiento que se asemeja a la

siguiente ecuación denominada como “the Parabolic Rate Law ”.[14].

X 2 = Kt + x 0

En donde (X) es un parámetro de medida, que en este caso sería el % de ganancia de

peso, (K) es una constante de la tasa de oxidación, (t) es el tiempo de exposición y (x0)

es una constante. Esta ecuación asume que la difusión de los iones negativos (aniones)

del oxigeno sobre el metal, es la tasa que controla la oxidación y es derivada de la

primera ley de Fick de la difusión. [23].

Analizando el fenómeno de oxidación a altas temperaturas, se puede inferir que las

probetas con bajo contenido de carbono, tienden a ganar más peso debido a las capas

gruesas de oxido que se forman en la superficie de las piezas, en comparación con las

de alto contenido de carbono. A manera de inspección, se percibe de las f iguras (31-31-

33) que le ritmo de enfriamiento presenta un efecto de manera signif icativa en la

oxidación de las muestras, las probetas que fueron enfriadas a una tasa de 0,1 °C/seg

alcanzan porcentajes de ganancia de peso del 15% para las de 0%C, alrededor del 10%

para las de 0,4% C y un 8% para las de 0,7% C, después del tiempo de exposición total

(18 horas), mientras que en las probetas enfriadas a una tasa de 2,2 °C/seg, los

porcentajes de ganancia de peso son del orden del 11% para las de 0% C, del 8% paras

las de 0,4% C y del 6% para las de 0,7% C después de 18 horas. Se concluye a partir de

estos valores, que las probetas sin grafito presentan una tasa de corrosión mayor que las demás, adjuntamente a eso, el efecto de la porosidad abierta la cual para las de 0% C es

mayor que para las otras (esto se prueba con el nivel de porosidad total), es un factor

predominante en la resistencia a la oxidación ambiental de aceros pulvimetalurgicos, de

ahí que, a mayor porosidad abierta (menos densa) mayor es la ganancia de peso y por

ende mayor es la corrosión a altas temperaturas. Este fenómeno también es válido para

las probetas con 0,4 y 0,7% C.

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5.4.4 Corrosión electroquímica Las probetas evaluadas en esta sección corresponden a una misma familia de aceros

con 0,4% de grafito y dos ritmos de enfriamiento (0,1 °C/seg y 2,2 °C/seg), pero

presentan diferencias en las condiciones de operación, es decir, fueron compactadas a

500 y 700 Mpa de presión respectivamente. Se puede inferir que, el potencial de

corrosión (Ecorr) para las probetas con un ritmo de enfriamiento de (0,1 °C/seg) presenta

un valor más elevado que para las probetas enfriadas a (2,2 °C/seg). De ahí que,

aunque, el Ecorr no cuantif ica la proporción de acero que se corroe, si permite establecer

de forma general, cual probeta presenta mayor riesgo de presentar corrosión respecto a

las otras. Para este caso, se puede decir que a medida que el Ecorr aumenta, mayor es

la corrosión del material y viceversa. Del mismo modo, se observa que el ritmo de

enfriamiento presenta también un efecto en los valores de potencial de corrosión, un

ritmo de enfriamiento lento, hace que el Ecorr aumente en comparación con un ritmo de

enfriamiento rápido y por ende se genere una mayor oxidación en el material. Esto se

puede evidenciar en la (f igura 34 a-b), en donde los potenciales de corrosión para (0,1

°C/seg) son mayores que para (2,2 °C/seg) corroborando lo anteriormente citado. El

ritmo de enfriamiento ofrece diferentes resultados de Ecorr, teniendo en cuenta que se

produce un cambio microestructural, que conlleva a que los materiales tengan diferentes

propiedades anticorrosivas.

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(a)

(b)

Fig 34: Curvas de polarización Potencioestatica (Tafel) para aceros P/M de Astaloy CrM en H2SO4 (0,1M). (a) 500 Mpa (b) 700 Mpa.

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Adjunto a eso, se sabe que la corrosión en un medio acuoso, es un fenómeno que

engloba dos semireacciones de oxidación-reducción, por un lado se tiene la oxidación

del Fe a Fe2+, y por otro lado la reducción del oxigeno. Teniendo en cuenta este proceso,

se despliega la corriente de corrosión (Icorr) la cual es una magnitud eléctrica utilizada

como una medida de la velocidad de corrosión.

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6. CONCLUSIONES

En este trabajo se llevaron a cabo el estudio propiedades mecánicas y anticorrosivas del

polvo pre-aleado con Cr y Mo Astaloy CrM, de las cuales se puede concluir que a

medida que se incrementa el ritmo de enfriamiento y el % de carbono, se mejora la

dureza del material y se obtienen fases metalograficas mejores que le dan consistencia y

templabilidad al acero. Asimismo, los aceros con estas características, mejoran su

comportamiento frente a la oxidación tanto atmosférica como en un medio acido

aumentando su vida útil y su funcionalidad.

Por otro lado, se pudo evidenciar que diferentes densidades conllevan a diferentes

niveles de porosidad en piezas pulvimetalurgicas. Con estos niveles se tiene una medida

de que tan resistente es un material poroso, frente a las propiedades anticorrosivas. Se

pudo connotar que a medida que la densidad de un material aumenta, mejor es su

respuesta frente a la corrosión.

Todos los fenómenos estudiados en este trabajo, demuestran que cuando se trabaja a

diferentes densidades, la interacción entre la atmosfera de sinterización y el compacto

son factores esenciales si se quiere evitar el desarrollo de óxidos en las partículas de

Astaloy CrM, del mismo lado, la presencia de grafito ayuda a constituir un control eficaz

de las especies oxidantes presentes en la atmósfera.

A manera de recomendación, es importante realizar un control estricto de las atmósferas

de sinterización con el f in de evitar fenómenos de oxidación y descarburación que

puedan alterar las propiedades del material. Del mismo modo, se puede afirmar que es

la reducción de los óxidos superficiales, la etapa crítica de la que depende el conformado

y la consolidación de la pieza.

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7. LISTA DE REFERENCIAS [1] Groover, Mikell P. Fundamentos de manufactura moderna.1997, Prentice Hall. [2] Doyle, Lawrence E. Procesos y materiales de manufactura para ingenieros. 1988, Prentice Hall. [3] D. Whittaker, Current and future forces driving automobile PM, Metal Pow der Report 55, 23 (2000). [4] Tesis de grado Ing. Mecánica, Universidad de los Andes, Acero García, Juan Pablo. / Caracterización de polvos metálicos, Junio 2003. [5] R. German, Powder Metallurgy Science, 2da ed. (Pr inceton, New Jersey, 1994). [6] Tesis de grado Ing. Mecánica, Universidad de los Andes, Hurtado Ochoa, Boris. / Estudio de las Propiedades Mecánicas y la Microestructura de piezas Fe-50Ni Sinterizadas a Baja Temperatura, Julio 2007. [7] R. German, Sintering Theory and practice, John Wiley & sons, Inc. Usa.1996. [8] Askeland, Donald R. Ciencia e ingeniería de los materiales. International Thomson Editores, tercera edición, 2004. [9] Milligan, Dave y Klekovkin, A. Chromium may give pre-alloys the cost edge, Metal Pow der.net. North American Höganäs, San diego 2006. [10] C. Lindberg, Low Cost Alloys, Metal Pow der Report 55, 6 (2000). [11] M. Johansson, Expanding opportunities with Chromium, Metal Pow der Report March 22 (1999). [13] Campos, Gómez M. tesis doctoral, nuevos aceros sinterizados de baja aleación Al: Cr-Mo: sinterabilidad, comportamiento mecánico y tribologico, tratamientos térmicos y termoquímicos. Universidad Carlos III de Madrid, Departamento de ciencia de materiales e ingeniería Metalúrgica. Leganés 2002. [14] J. R. Davis, Alloying: Understanding the Basics (2001). [15] M. Campos, D. Sanchez, J.M. Torralba,Sintering behavior improvement of a low Cr–Mo prealloyed powder steel through Mn additions and others liquid Phase promoters. Journal of Materials Processing Technology, Department of materials science, Universidad Carlos III de Madrid, Leganés, España2003. [16] A.Babakhani, A.Haerian, M.Ghambri. Effect of heat treatment, lubricant and sintering temperature on dry sliding wear behavior of medium alloyed chromium PM steels, journal of materials processing technology. Department of Metallurgy and Materials Engineering, Ferdowsi University of Mashhad, Vakil Abad Boulevard, P.O.BoxNo.91775-1111, Mashhad, Iran, Department of Industrial Engineering, Sadjad University of Technology,

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8. ANEXOS  

8.1 Dimensiones de las probetas (0%, 0,4% y 0,7%) C en verde y sinter.   

    

    

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8.2 Valores de dureza Rockwell B para (0%, 0,4% y 0,7%) C