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

Transcripción

1 8º CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERIA MECANICA Cusco, 23 al 25 de Octubre de 2007 COMPARACIÓN ENTRE ALUMINIO 6063 ENDURECIDO TERMOQUÍMICA Y MECANOQUÍMICAMENTE. I. Hilerio. UAM Azcapotzalco. Departamento de Materiales. Av. Sn. Pablo 180 Col. Reynosa-Tamaulipas México, D.F Fax ihc@correo.azc.uam.mx, RESUMEN Actualmente, es normal el empleo de un tratamiento termoquímico para mejorar las propiedades superficiales de un material metálico. El objetivo de este trabajo es comparar sus propiedades en relación a un tratamiento alternativo como lo es el tratamiento mecano-químico. La ventaja de éste tratamiento consiste en no adicionar un material al sustrato, ya que el material endurecido con el tratamiento mecano-químico no tiene el problema de la adherencia presentado por las capas endurecidas por tratamiento termoquímico. Se ha llevado el proceso en 5 probetas con las siguientes dimensiones: 35 x 100 x 8 mm. Se ha utilizado una máquina vibradora con diferente carga abrasiva para cada etapa del proceso. Para estudiar la cinética del proceso se ha retirado una probeta para cada etapa del proceso. Se han hecho los estudios de microdureza, MEB y Difracción de rayos X, para establecer la comparación entre ambos métodos. Se han encontrado valores superiores de dureza en el material tratado termoquímicamente, pero la diferencia estriba en los casos en que no puede utilizarse dicho método. Es importante enfatizar la aplicación pertinente de los materiales endurecidos por tratamiento mecano-químico. PALABRAS CLAVE: Tratamiento Termoquímico, Método Mecano-químico, endurecimiento, aluminio Código 1362

2 INTRODUCCIÓN. Existe actualmente una gama de tecnologías utilizadas a nivel industrial en el endurecimiento de superficies en aleaciones metálicas, fundamentalmente aceros, basados en tratamientos térmicos como Temple, tratamientos termoquímicos como Nitruración, Cementación y Carbonitruración entre otros así como técnicas de depositación química de vapor (CVD), depositación física de vapores (PVD), aplicadas a herramientas de corte. Debido a que cada día se incrementan más las exigencias en cuanto a propiedades tales como: Resistencia al desgaste por abrasión y adhesión, Resistencia al revenido, Resistencia a la corrosión, Acabado superficial, así cono una buena Tenacidad al impacto, se requiere de técnicas que respondan a dichos requerimientos. Técnicas adicionales de endurecimiento han sido aplicadas a nivel experimental y práctico en nuestro país y en el extranjero en procedimientos de Conformado por deformación plástica tales como: Forja, Extruido y de Triboacabado de superficies. En cuanto a los tratamientos termoquímicos actualmente utilizados tales como Nitrurado, Carburizado y Carbonitrurado han tenido siempre como principal objetivo endurecer las superficies metálicas sujetas a desgaste por adhesión, abrasión, etc., manteniendo al sustrato con la adecuada tenacidad al impacto. Sin embargo, cada vez mas se requiere de superficies con durezas extremas en componentes ingenieriles de servicio pesado, dónde además de altas resistencias al desgaste se requiere de mayor estabilidad térmica y sustratos con buena resiliencia y resistencia a la flexión entre otras propiedades. El proceso de Borurado ha tenido un desarrollo significativo que le ha permitido obtener una amplia aceptación industrial.[1]. En éste trabajo se presenta por una parte la influencia de un tratamiento térmico sobre el aluminio 6063 utilizado. En lo que respecta a los tratamientos mecanoquímicos (Triboacabado), su interés primordial consiste en obtener un acabado superficial excelente aunado con una alta dureza, lo que permite aplicarlo para mejorar el comportamiento de las piezas tratadas en un gran número de situaciones presentadas en la industria. La diferencia entre estos 2 tratamientos estriba en que en los tratamientos mecanoquímicos no es necesario agregar un material distinto al sustrato (endurecimiento por deformación) en comparación al tratamiento termoquímico. MARCO TEÓRICO. El interés de un tratamiento de superficie para una mejor resistencia a la fricción y al desgaste de los materiales es obvio. En lo que concierne a los metales, las teorías de la Corrosión Electroquímica ó de la Oxidación han mostrado que los únicas armas que se dispone para protegerlos son: a) Una acción exterior que generalmente es cara. b) La adición de elementos de aleación que no es siempre posible y c) Una protección superficial. Ésta última solución presenta en general la ventaja de ser barata, no modificar las propiedades mecánicas del metal como un todo y de poderse adaptar a diferentes condiciones de utilización. El objetivo de un tratamiento de superficie puede ser muy variable. Entre otros aspectos se intenta mejorar entre otros puntos los siguientes: i) Las propiedades ópticas, ii) La resistencia a la corrosión, iii) El comportamiento de superficies soldadas, iv) La conductibilidad, v) Las propiedades mecánicas y vi) La resistencia al comportamiento ante el desgaste. Éste último punto es el que nos interesa mostrar en este trabajo. Métodos de estudio de los tratamientos de superficie. Se pueden clasificar en 3 grandes grupos: Métodos Geométricos, Métodos Físico-Químicos y Métodos Mecánicos. Es en este último, es en donde se insertan los tratamientos térmico y mecano-químico objeto de éste trabajo. Permiten en general determinar la composición así como la estructura de una capa fina cercana a la superficie y la variación de las mismas en función de la profundidad de la capa. Las técnicas de caracterización que se emplean para los tratamientos antes mencionados son: a) Espectroscopía de electrones Auger, b) Difracción de Rayos X, c) Microscopía Óptica, d) Difracción Electrónica, e) Microanálisis con sonda electrónica y f) Microscopía Electrónica de Barrido. En cuanto a los tratamientos termoquímicos se puede citar que la parte medular del mismo consiste en la difusión de elementos cuyo diámetro atómico sea bastante menor que el del hierro, como ocurre con el carbono (Cementación), nitrógeno (Nitruración), boro (Borurado), ó una combinación de los mismos formando capas multicomponenciales, como por ejemplo Carbonitruración ó Boronitruración. En este trabajo se presentan los resultados con muestras envejecidas por precipitación, como una primera parte del proyecto que se realiza en la UAM Azcapotzalco. En cuanto a los tratamientos mecanoquímicos se trata de endurecer la superficie deformándola en un medio con un tensoactivo, una carga abrasiva y un recipiente que es energizado para que las piezas tratadas sean deformadas superficialmente. Ésta deformación es muy suave y tiene un doble propósito: Producir una superficie especular agradable a la vista y endurecer la superficie. Hay que tomar en cuenta que en este proceso no se requiere de la

3 presencia de elementos extraños para realizar la acción endurecedora como sucede en los tratamientos termoquímicos. PRUEBAS EXPERIMENTALES. El proceso térmico se llevó a cabo por calentamiento de las piezas a tratar en una mufla con atmósfera controlada por un gas inerte como lo es el argón para evitar la oxidación del material. La temperatura de calentamiento se realizó a 550 C, durante 30 min para una estabilización térmica. A continuación, a las piezas se les realizó un tratamiento T6, que consiste en luego del calentamiento a una temperatura no superior a 550 C, un tratamiento térmico en solución seguido de un envejecimiento artificial. Esto le confiere a la aleación una máxima dureza. Los parámetros de operación fueron determinados para obtener capas mínimas de 100 micras, por lo tanto se seleccionó una temperatura de 550ºC y tiempos de 3, 4 y 5 horas.[2]. El proceso mecanoquímico de Triboacabado se llevó a cabo con los mismos materiales para su comparación con las muestras tratadas por procesos térmicos. Se utilizaron probetas del mismo tamaño en ambos casos, ya mencionado anteriormente. En éste caso, dichas muestras fueron introducidas en un vibrador que contiene una carga formada por los abrasivos y el medio tensoactivo. El vibrador gira alrededor de su eje en posición horizontal, lo que provoca que la superficie del material se deforme y por lo tanto se endurezca. RESULTADOS. Tratamiento térmico. El material tratado térmicamente presentó el siguiente resultado: Se observa un mayor cambio estructural en el material con mayor tiempo de envejecimiento artificial y de elementos aleantes, principalmente de Si y Mg. Esto se explica por la tendencia de los elementos aleantes a ocupar sitios intersticiales en la red cristalina. El enfriamiento posterior al aire propicia la formación de estructuras intermedias Al-Si y Al-Mg ó aún Al-Si-Mg. La tabla 1 muestra el resultado obtenido con el aluminio analizado en este trabajo. Las mayores profundidades de capa se obtienen con el aluminio con mayor tiempo de envejecimiento y los menores espesores de capa se obtuvieron con el material con menor tiempo de envejecimiento artificial. Ésto se atribuye como ya se indicó, a la influencia de los elementos aleantes que tienden a reducir la cinética de difusión en la matriz. Tabla 1: Profundidades de capa obtenidas a 550ºC. MATERIAL TIEMPO DE ENVEJECIDO (HRS.) PROFUNDIDA D DE CAPA (MICRAS) ALUMINIO La estructura en todos los casos muestra una capa de forma aserrada eslabonada a la matriz a base de Al-Si ó Al-Mg. La morfología de sierra es típica cuando se tienen elementos aleantes. Dicha morfología es característica de la fase intermedia Al-Si ó Al-Mg. La capa es pequeña y la morfología es planar. Se puede observar que los límites de grano se encuentran alineados con los compuestos de Al-Si, en dónde, el crecimiento probablemente se lleva acabo en forma intergranular. Por otro lado y como resultado de la difusión preferentemente intersticial del silicio (en morfología dentada), en el Al y la consecuente sobresaturación de este elemento, el aluminio es desplazado de la periferia hacia el núcleo ocasionando durante el enfriamiento estructuras intermedias y en otros un crecimiento del grano en la zona de transición capa-núcleo. Las durezas de las capas fueron determinadas bajo una carga de 50g y son reportadas en la tabla 2: Tabla 2: Dureza de las capas por tratamiento térmico. MATERIAL DUREZA ANTES DEL TRATAMIENTO (VHN) DUREZA DESPUÉS DEL TRATAMIENTO (VHN) Al Al 6063 envejecido horas Al 6063 envejecido horas Al 6063 envejecido 6 horas

4 Tratamiento Mecano-Químico. En cuanto a los tratamientos mecano-químicos, los ensayos han sido realizados utilizando una máquina vibradora, en la cual se introdujeron las piezas a tratar, la carga abrasiva que es la responsable del tratamiento de deformación plástica en las piezas y el aditivo que produce una tensión superficial en la superficie de la pieza para facilitar el trabajo de la carga abrasiva. Es decir, el tratamiento en las superficies, es un tratamiento suave de desgaste, producto de la deformación plástica sobre las mismas. Se utilizó un microdurómetro Micromet Buehler para evaluar la variación de la dureza con diferentes cargas. Es importante recordar que dicho tipo de ensayo permite un acercamiento predictivo de la profundidad h del indentador en el material a partir de una fórmula empírica [3]: h= d/7, en dónde d es la diagonal promedio de la huella dejada por el indentador Vickers. Los datos que relacionan a este tipo de ensayo en diferentes probetas de aluminio 6063 se muestran a continuación: MATERIAL DUREZA ANTES DEL TRATAMIENT O (VHN) DUREZA DESPUÉS DEL TRATAMIENT O (VHN) Aluminio El granallado es un método de trabajo en frío en el cual se inducen esfuerzos compresivos a una superficie expuesta de una pieza metálica, por el choque de una lluvia de disparos de granalla, directamente a la superficie del metal a gran velocidad bajo condiciones controladas. Esto difiere de la limpieza a base de aire, ya que aun cuando el granallado limpia la superficie del metal mediante el disparo, esta función es incidental. El principal propósito del granallado es incrementar su resistencia a la fatiga. El proceso tiene otras aplicaciones, como el relevado de esfuerzos tensiles los cuales contribuyen al rompimiento por corrosión, el formado y resistencia de las partes metálicas, y pruebas de adhesión de plata en discos de acero. CONCLUSIONES. El proceso térmico T6 aplicado al aluminio 6063 arrojan las siguientes conclusiones: - Se forma una capa monofásica constituida por Al-Si que adquiere una coloración clara al ataque químico. Las mayores durezas obtenidas se deben a la presencia de aleantes como el cromo, manganeso y molibdeno que forman intermetálicos complejos de mayor dureza. A medida que estos elementos se incrementan en la aleación aumenta el número de intermetálicos de mayor dureza cuyo valor máximo se ve reflejado en el aluminio envejecido 5 horas. - La temperatura utilizada de 550ºC resulta adecuada, ya que la difusión del alumino y/o silicio se ve favorecida con la temperatura propiciando un incremento de la capa e impidiendo una sobresaturación de silicio que conduzca a la formación de la fase Al-Si que resulta ser de mayor dureza pero también de mayor fragilidad. - La estructura dentada o aserrada solo se presenta en el aluminio envejecido por 3 horas. La anisotropía del crecimiento produce una fuerte orientación preferencial en la capa, con el eje z de la celda unitaria paralelo a la dirección [001] perpendicular a la superficie. El alto contenido de elementos aleantes disminuye la velocidad de enfriamiento de la capa, se reduce la orientación preferencial y un cambio en la morfología de la estructura dentada a planar. - Durante el endurecimiento por envejecimiento no se manifiestan en la capa estructuras como la martensita ya que la solubilidad del magnesio es considerablemente baja, alrrededor de 0.003%, lo que ocasiona que la capa esté constituida primordialmente de Al-Si. Esto, indudablemente acarrea ventajas en cuanto a la estabilidad de los intermetálicos que se refleja en una alta resistencia. En cuanto a los tratamientos mecano-químicos aplicado al aluminio 6063 se obtienen las siguientes conclusiones: - La carga de trabajo es la que debe controlarse. - Debe darse una atención especial a las condiciones de llenado del tonel. - Se ha obtenido un estado de superficie especular. - Se han visualizado las variaciones de los parámetros rugosimétricos de la superficie. En cuanto a la comparación de las durezas obtenidas en ambos tratamientos arrojan las siguientes conclusiones: - La dureza obtenida en un tratamiento termoquímico revela que dichos valores obtenidos son superiores a los obtenidos por tratamiento mecano-químico. - Hay que hacer énfasis que la adherencia del depósito al sustrato juega un papel preponderante en el caso del tratamiento termoquímico, en tanto que en el tratamiento mecano-químico no existe ese problema, ya que se endurece la superficie del material por deformación.

5 - Por tanto, a nivel práctico hay que hacer una evaluación para cada caso particular para decidir que tratamiento debe ser utilizado. REFERENCIAS. [1] D.N. Tsipas, J. Rus. Boronized of alloy steels Journal of Materials Science Letters, 6, (1987), pp [2] J.A. Knapp, D.M. Follstaedt, S.M. Myers. Precipitated hardened aluminum alloys formed using pulsed laser deposition. J. Apply. Phys., 79, (2), , (1996). [3] J.F. Linn, Y.Y. Guu. The tribological characteristics of titanium nitride coatings. Wear, vol. 194, (1994), pp