8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007

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1 8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007 ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO AL DESGASTE DE ACEROS 1018 Y 8620 RECUBIERTOS MEDIANTE UN PROCESO DE CEMENTACIÓN SÓLIDA Ayala Rodríguez S.*, Villa y Rabasa G.**, Castillo Sánchez M. **, Aguilar Sánchez R.* Licenciatura en Ingeniería Mecánica ESIME U. Azcapotzalco. IPN. Sección de Estudios de Posgrado e Investigación, ESIME U. Zacatenco. IPN. Avenida IPN s/n, Unidad Profesional Adolfo López Mateos, edificio 5, tercer piso, Departamento de Mecánica, Colonia Lindavista, C.P , México D. F. Teléfono (55) , Extensión: avinfer@hotmail.com RESUMEN El presente trabajo expone la investigación de un proceso de cementación sólida, en aceros SAE1018 y SAE8620, los cuales estuvieron en el horno de cementado durante periodos de 2, 4, y 6 horas. En la cual se determina la influencia de los elementos de aleación y se caracteriza la dureza y resistencia al desgaste, la determinación de las propiedades se obtuvo mediante el análisis metalográfico, ensayo de dureza, resistencia a la abrasión, microscopia óptica y electrónica, y donde se analizan mediante los datos obtenidos y las graficas generadas el comportamiento que presenta cada acero. PALABRAS CLAVE Cementita, carburos, difusión, dureza superficial, tratamiento térmico.

2 INTRODUCCIÓN Muchos componentes fabricados en acero son sometidos a rotación o deslizamiento, tales como partes de maquinaría, los cuales deben tener una superficie dura para resistir el desgaste y un núcleo interno tenaz para resistir la fractura. En la fabricación de componentes de acero cementados, normalmente el componente se mecaniza primero en condiciones de fácil maquinado, y luego, después de mecanizado, la capa más externa se endurece por algún tratamiento de endurecimiento como el de cementación. Los aceros cementados son de bajo contenido en carbono, con contenido de carbono de entre 0.10 a 0.25 % y algunos otros elementos de aleación. Generalmente, el proceso de cementación sólida, y con un posterior tratamiento térmico tiene por objeto el endurecimiento de la superficie de los metales y por consiguiente el aumento de la resistencia al desgaste, se aplican generalmente para aquellas áreas donde se encuentra la exposición máxima a condiciones de uso severo, tales como: fricción de metal con metal, abrasión, impacto, invasión de partículas sólidas, entre otras aplicaciones. Los aceros SAE 1018 y SAE 8620 son los que utilizaremos para cementar, los cuales por medio de la difusión del carbono satisfacen estas exigencias dentro de la industria metal-mecánica, química, textil, metalúrgica, etc. Los aceros para cementar SAE1018 y 8620 son estudiados en este trabajo. Estos son particularmente importantes dentro de los usos a que se destinan, entre otras aplicaciones, pueden disminuir los costos de servicio y mantenimiento [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7]. METODOLOGÍA a. Los ensayos que se realizaron tuvieron las siguientes características. -Temperatura de cementación: 920 C. - Medio de temple: Agua a 24 C - Los experimentos se llevaron a cabo para diferentes tiempos de cementación, los cuales se indican en la tabla I. 1. Tabla 1. Parámetros de control, para realizar el proceso de investigación Ensayo No. Tipo de acero SAE Tiempo de cementación horas b. Al mismo tiempo se fabricaron 2 testigos de cada acero, para colocarlos en los procesos de cementación y medir posteriormente el espesor de la capa cementada en función del tiempo y temperatura. c. Se prepararon 1,000 gramos de mezcla cementante que está compuesta de carbón vegetal pulverizado y 10 % de carbonato de sodio (NaCO ) como catalizador, está mezcla se denomina CARÓN. 3 d. Se vertió la mezcla denominada Carón a la caja de acero inoxidable, colocando una cama de 1.5 cm. de espesor, posteriormente se coloco una pieza de acero SAE 1018 y SAE 8620 separadas y se cubrió nuevamente con el agente cementante, se introdujeron los testigos del acero correspondiente. e. Posteriormente se tapo la caja y se sello herméticamente para evitar la entrada de oxígeno. f. La caja cementante se precalienta a una temperatura de 600 C aproximadamente, para evitar el choque térmico a temperatura máxima. g. Cuando alcanza la temperatura máxima (920 C) se empieza a contar el tiempo de cementación, está operación se realiza para los 3 ensayos. h. Transcurrido el tiempo de cementación se apago el horno y se dejaron enfriar las probetas dentro del horno para obtener una microestructura de recocido libre de tensiones térmicas. i. A continuación se limpiaron las probetas y se marcaron para evitar confusión, así mismo los testigos se prepararon para medir el espesor de la capa cementada por análisis metalográfico. j. Las probetas que se van a templar se protegieron de una posible descarburación con limadura de hierro. k. Las probetas que fueron cementadas, son sometidas a un proceso de temple a 860 C, tiempo de calentamiento 1 hora, templándolas al agua a temperatura ambiente.

3 l. Se tomaron durezas de temple para determinar la temperatura de revenido de 180 C, durante 40 minutos, para ajustar dureza y eliminar tensiones internas de temple. k. Se efectuaron las pruebas de desgaste abrasivo con arena pómez, en cada uno de loas aceros a ensayar. RESULTADOS A continuación en la figura 1, se muestra la micrografía de la capa cementada del acero recocido SAE 1018, con un tiempo de cementado de 2 horas. Figura 1a). 50X Figura 1b). 2000X a) Profundidad de capa cementada de aproximadamente de 1.1 mm. b) Formación de perlita fina (zona obscura) y perlita laminar gruesa, cementita libre ocluida en los límites de gano de perlita, microfotografía en capa cementada. En la figura 2, se observan las micrografías de la capa cementada del acero recocido SAE 1018, con un tiempo de cementado de 4 horas. Figura 2a). 50X Figura 2b). 2000X a) Profundidad de capa cementada de aproximadamente de 1.7 mm. b) Formación de perlita fina y estructura laminar gruesa y cementita libre ocluida en límites de grano entre la perlita, microfotografía en capa cementada. En la figura 3, se observan las micrografías de la capa cementada del acero recocido SAE 1018, con un tiempo de cementado de 6 horas. Figura 3a). 15X Figura 3b). 2000X

4 a) Profundidad de capa cementada de aproximadamente de 2.0 mm. b) Formación de perlita laminar gruesa, con tamaño de grano grande y oclusión de cementita libre en los límites de grano de perlita, microfotografía en capa cementada. En la figura 4, se observan las micrografías de la capa cementada del acero recocido SAE 8620, con un tiempo de cementado de 2 horas. Figura 4a). 50X Figura 4b). 2000X a) Profundidad de capa cementada de aproximadamente de m. b) Formación de perlita fina (zona obscura) y carburos formados en los límites de grano, perlita laminar gruesa, microfotografía en capa cementada. En la figura 5, se observan las micrografías de la capa cementada del acero recocido SAE 8620, con un tiempo de cementado de 4 horas. Figura 5a). 30X Figura 5b). 2000X a) Profundidad de capa cementada de aproximadamente de 0.002m. b) Formación de granos de perlita fina, así como granos de perlita gruesa compacta, también observamos líneas de carburos en los límites de grano de la perlita, microfotografía en capa cementada. En la figura 6, se observan las micrografías de la capa cementada del acero recocido SAE 8620, con un tiempo de cementado de 6 horas. Figura 6a). 50X Figura 6b). 2000X a) Profundidad de capa cementada de aproximadamente de m. b) Formación de carburos (Cr, Mo), en los límites de grano de la perlita y el Ni ese encuentra disuelto en la ferrita.

5 El ensayo de desgaste abrasivo (arena pómez) en un acero 1018, nos muestra la variación de los coeficientes de fricción, dependiendo el tiempo de cementado a que estuvo expuesto el acero (Tabla 2). La figura 7, nos muestra el comportamiento en la prueba de desgaste abrasivo (arena pómez) comparativamente del acero 1018 cementado, a diferentes tiempos de exposición. Tabla 2. Coeficientes de fricción obtenidos experimentalmente, acero 1018 Tiempo min. Coeficiente de Fricción µ Tiempo de cementado hrs horas 4 horas 6 horas Coeficiente de fricción Tiempo, min. Figura 7: Comportamiento del acero 1018 a desgaste. El ensayo de desgaste abrasivo (arena pómez) en un acero 8620, nos muestra la variación de los coeficientes de fricción, dependiendo el tiempo de cementado a que estuvo expuesto el acero (Tabla 3). Tabla 3. Coeficientes de fricción experimentales, acero 8620 Tiempo min. Coeficiente de Fricción µ Tiempo de cementado hrs La figura 8, nos muestra el comportamiento en la prueba de desgaste abrasivo (arena pómez), comparativamente del acero 8620 cementado, a diferentes tiempos de exposición.

6 horas 4 horas 6 horas 0.40 Coeficiente de fricción Tiempo, min. Figura 8: Comportamiento del acero 8620 a desgaste. En la figura 9, se observa la caracterización del análisis metalográfico de la microestructura obtenida en el temple del acero SAE1018 Figura 9a). 1000X Figura 9b). 1000X Figura 9c). 1000X a) Microestructura en capa efectiva constituida por martensíta fina y presencia de algunos granos de austeníta retenida, en 2 horas. b) Microestructura en capa efectiva constituida por martensíta fina, además la microestructura muy definida, en 4 horas. c) Microestructura en capa efectiva constituida por martensíta fina, por el alto contenido de C, hay presencia de austeníta retenida en mayor cantidad, en 6 horas. En la figura 10, se observa la caracterización del análisis metalográfico de la microestructura obtenida en el temple del acero SAE Figura 10a). 1000X Figura 10b). 1000X Figura 10c). 1000X a) Microestructura en capa efectiva constituida por martensíta fina y presencia de austeníta retenida, formación de carburos de Cr y Mo, en forma de puntos blancos en 2 horas. b) Microestructura en capa efectiva constituida por martensíta fina, austeníta retenida atrapada en la microestructura martensítica, en 4 horas. c) Microestructura en capa efectiva constituida por martensíta fina, austeníta retenida en mayor cantidad, formación de carburos de Cr y Mo, en forma de puntos blancos en 6 horas.

7 DISCUSIÓN En un acero 1018 cementado, al incrementar el tiempo, (2 a 6 horas), aumenta el espesor de la capa cementada, así mismo esta está formada por una matriz perlítica, donde en los límites de grano se encuentra la cementita libre, que aumenta su volumen de acuerdo al contenido de carbono. Así mismo el núcleo está formado por granos de perlita en una matriz ferrítica, obteniendo con esto, un núcleo blando. En un acero 8620 cementado, observamos que se forman carburos aleados de cromo y molibdeno en la capa cementada, los cuales se ubican en una forma regular en el contorno de los granos de perlita, la capa cementada esta formada por una matriz perlítica. el núcleo de la probeta esta formada por granos de perlita fina distribuida en forma regular en una matriz ferrítica, el níquel tiende a disolverse en la ferrita dando por consecuencia un núcleo tenaz. Como se puede observar en las imágenes, el comportamiento en condiciones de desgaste, en el acero 1018, el coeficiente de fricción del cementado de 4 y 6 horas presenta un comportamiento homogéneo y menor en el valor del mismo, en el cementado de 2 horas, el deslizamiento es menor, la capa cementada es mas delgada y por lo tanto resiste menos el proceso abrasivo. En el acero 8620 el comportamiento irregular bajo condiciones de desgaste, principalmente se explica por la fragilidad de la capa cementada y la dureza adquirida por el acero al templarlo después del proceso de cementado. CONCLUSIÓN En los aceros 1018 bajos en carbono para cementado, se encontró que al templarlos en agua, se obtiene la máxima dureza en la capa cementada, en este tipo de acero, si los tiempos de austenización son prolongados a temperatura máxima hay crecimiento de grano, lo cual no es recomendable porque se fragiliza el material, la temperatura y tiempo deben establecerse de acuerdo al fabricante o proveedor del acero, el alto contenido de carbono en la superficie provoca después del temple austeníta retenida, debe eliminarse para evitar durezas heterogéneas superficiales. La austeníta residual se elimina con el posterior revenido formando una martensíta dura, para fines prácticos se recomienda que se de un segundo revenido para homogenizar la martensíta..el uso de este acero 1018 cementado se recomienda donde no se exija altas propiedades de resistencia al impacto o desgaste. El acero 8620 cementado, desarrolla mejores propiedades, por la presencia de elementos de aleación, como el cromo, níquel y molibdeno, ya que el cromo y molibdeno aumentan la templabilidad del acero, regulan el tamaño de grano y son formadores de carburos muy estables, mientras que el níquel se disuelve en la ferrita aumentando la tenacidad del núcleo. Estos aceros después del temple se pueden utilizar en trabajos más específicos, como la fabricación de cigüeñales, bielas, pernos, en donde puedan soportar trabajos de fatiga, abrasión, impacto, etc. REFERENCIAS [1] T. Burakowski, J. tacikowski, J. Senatorki, Instytut Mechanike Precizyjnej, warzowa Pland. [2] P. Goeuriot, F. F. Thévenot, j. H. driver y T. Magnin. 8º Internacional Conference on Chemical Vapour Deposition, Gouvieux Chantilly, France, Sep [3] L. F. Zagonel, C. A. Figueroa, R. Droppa, F. Álvarez. Influence of the process temperature on the steel microstructure and hardening in pulsed plasma nitriding. Surface and Coatings Technology. Volume 201, 12 July 2006, Pages [4] N. N. Rammo, O. G. Abdula. A model for the prediction of lattice parameters of iron carbon austenite and martensite. Journal of Alloys and compounds. Volume 420, 31 July 2006, pages [5] J. Göken, K. Bergmann, W. Baetz, K. Steinhoff. Functional gradation of gear shafts made of cementation steel and its influence on damping and microstructure. Materials Characterization. Volume 57, July Pages [6] Robert E. Reed-Hill, Principios de la metalurgia física, Editorial Continental, Sexta Edición. [7] Sydney H. Avner Introducción a la metalurgia física. Editorial McGraw-Hill, Segunda Edición.