Propiedades del acero de bajo carbono GENERALIDADES Propiedades del acero de bajo carbono Baja resistencia Baja dureza Buena ductilidad Buena tenacidad Propiedades del acero de alto carbono Alta resistencia Alta dureza Baja ductilidad Baja tenacidad

Objetivos del tratamiento superficial Producir una microestructura dura y fuerte en la superficie, de manera que se obtenga resistencia al desgaste y a la fatiga. Producir en el centro de la pieza un centro blando dúctil y tenaz que proporcione resistencia a la falla por impacto.

Microestructura del acero de mediano carbono templado superficialmente Superficie: Estructura martensítica dura hasta cierta profundidad respecto a la superficie. La superficie se calienta por encima de la temperatura A3. Interior de la pieza: Mezcla blanda de ferrita y perlita o bainita. El centro debe tener una temperatura por debajo de A1.

Razones para el templado superficial Las partes grandes de elementos mecánicos que han de ser sometidos a tratamiento térmico, resulta poco práctico y económico el temple convencional, por ejemplo: grandes engranajes, cilindros grandes, etc. Sólo es necesario tratar un pequeño segmento o zona de la pieza, por ejemplo: extremos de las válvulas, superficie de levas. Mayor exactitud dimensional de la pieza. Reducciones de costo al utilizar aceros económicos con propiedades de desgaste de los aceros de aleación.

DIFUSION La difusión se presenta en el proceso de la carburación o nitruración de los aceros; por los cuales se introducen átomos de carbono o nitrógeno en la superficie del acero para crear una superficie dura que confiera resistencia al desgaste. Es importante conocer los fundamentos de la difusión para comprender como cambia la microestructura y propiedades de los materiales durante el procesamiento térmico.  La difusión es un proceso cinético o de razón de cambio, y la distancia que los átomos se desplazan en un tiempo determinado depende de la temperatura. Para que tenga valor práctico y económico el proceso se debe llevar a cabo en el menor tiempo posible. Esto significa que se emplean altas temperaturas.

DIFUSION Primera Ley de Fick.- La difusión es uno de los procesos de transporte, así como la conducción térmica, el movimiento de los fluidos, etc. El flujo de materia de una región de alta concentración a una de baja concentración se expresa mediante la primera Ley de Fick. J = Flujo específico por unidad de área. D = Coeficiente de difusión (propiedad del material)

DIFUSION Difusión Carbono El coeficiente de difusión depende de la temperatura, y se expresa como: Do = Constante Q = Energía de activación (cal/mol) R = Constante de los gases (8,314) T = Temperatura (K) Difusión Carbono

DIFUSION Segunda Ley de Fick.- Los procesos de difusión implican cambios de concentración con el tiempo (la concentración es función del tiempo como de la posición). Cx = Concentración de carbono a una distancia x de la superficie del acero Co = Contenido original de carbono en el acero Cs = Concentración superficial

DIFUSION

EJEMPLO Un acero 8620 se carburiza a 900 C durante 8 horas en una atmosfera por medio de la cual se mantiene desde el principio, en la superficie la solubilidad máxima es de 1,24 %C en austenita. Determinar la profundidad de la capa total para obtener 0,4 %C. Solución: Z=0,92 (Tabla)

Ejemplo II Se debe endurecer la superficie de engranes de acero con 0,1% de C, por cementación. En la cementación en fase gaseosa, los engranes de acero se colocan en una atmósfera que suministra 1,2 % de C a la superficie del acero a altas temperaturas. A continuación el carbono se difunde de la superficie al acero. Para obtener propiedades óptimas, el acero debe contener 0,45 % de C a una profundidad de 0,2 cm bajo la superficie. Diseñe un tratamiento térmico de carburización que produzca estas propiedades óptimas. Suponga que la temperatura es suficientemente elevada (mínimo 900 oC) para que el hierro tenga la estructura gamma (FCC).

Solución Solución.- Aplicando la segunda ecuación de Fick Se sabe que Cs = 1.2 % de C, Co = 0.1 % de C, Cx = 0.45% de C y x = 0,2 cm. De acuerdo con la segunda Ley de Fick.

Solución analítica De la tabla de la función de error, se obtiene: Toda combinación de D y t cuyo producto sea 0.0198 cm2 será válida. Para el carbono que se difunde en hierro gamma (FCC), el coeficiente de difusión se relaciona con la temperatura con la siguiente ecuación:

Solución analítica En consecuencia, la temperatura y el tiempo de tratamiento térmico se relacionan con la ecuación: Ingresando los datos de temperatura se obtiene:

Solución numérica Para una temperatura de 900 oC, D=5.9e-8 cm2/s, t = 340.000 s. En la siguiente figura se indica la variación de la concentración en función de la distancia, con un incremento de tiempo de 10000, nótese el tiempo (330000 s) y la concentración (Co=0.432) en la distancia (x = 0,2)

Solución numérica En la figura se muestra la variación de la concentración en función de la posición.

Endurecimiento a la flama Consiste en la incidencia directa de una flama de alta temperatura para austenitizar rapidamente una capa delgada de la superficie del acero, con posterior temple para formar martensita. Se obtienen profundidades de endurecimiento desde 0.8 mm hasta 6.4 mm. Los aceros al medio carbono con 0.4 – 0.5% C son ideales para endurecimiento. Se pueden endurecer aceros hasta un contenido del 1.5% C si se tienen cuidados especiales. CARACTERISTICAS DE LOS GASES COMBUSTIBLES Gas Capacidad calorífica (BTU/pie3) Temperatura flama (C) Acetileno 1433 2325 Gas doméstico 300-900 1985 Gas natural (metano) 1000 1875 Propano 2520 1925

Endurecimiento por inducción Se consigue por inducción electromagnética o por inducción de corrientes eléctricas parasitas en el material. Las corrientes parasitas disipan energía y originan el calentamiento Componentes: Bobina de inducción, una fuente de energía de corriente alterna y la pieza misma. La bobina en una tubería de cobre por la cual pasa agua de enfriamiento y que adopta diversas formas. Ventajas: Calentamiento rápido Altas velocidades de producción Ahorro de energía

Endurecimiento por inducción La profundidad de capa de endurecimiento depende de la frecuencia de la corriente, una frecuencia menor produce una capa más profunda. Una capa de 0.25 a 1.5 mm proporciona una resistencia al desgaste en condiciones de carga ligera. (balancines, acoplamientos de vástagos). Una capa de 1.5 mm a 6.4 mm soporta cargas pesadas y tiene resistencia al desgaste. (engranes, árboles de levas, guías de cojinetes) Una capa de 3.2 a 12.7 mm mejora la resistencia a la fatiga por torsión y flexión. (ejes de camiones, de automoviles y vástagos de pistones hidráulicos).

Ejemplos del templado superficial por inducción

Ejemplos del templado superficial por inducción

Cementación o carburización Implica la inyección de los átomos intersticiales de carbono en la superficie de los aceros de base de bajo carbono (< 0.20%C) hasta niveles en los que la martensita producida confiere la dureza deseada. Este tratamiento se realiza habitualmente a temperaturas donde la austenita es estable (por encima de A3). El espesor de la superficie endurecida se incrementa al aumentar las temperaturas o el tiempo de carburizado. La profundidad de corteza es mucho menor en los aceros carburizados que en los aceros endurecidos por llama o por inducción.

Métodos de carburización 1.- La carburización con agente sólido: La cementación requiere que el acero se rodee con material de alto contenido de carbono (carbón vegetal), que al quemarse se produce una atmósfera de monóxido de carbono desde la cual se difunden átomos de carbono en el acero. Se utilizan cajas de carburización resistentes al calor (placas de acero soldadas), la pieza debe empacarse con su dimensión más larga en sentido vertical. El tiempo total de cementado, para una profundidad de 1 a 1.25 mm, será aproximadamente de 9 horas. 2.- La carburización con gas: El acero es colocado en un horno sellado que contiene monóxido de carbono. Los gases carburizantes son: monóxido de carbono, el metano, el propano y el etano. Se pueden obtener profundidades de temple de 1 a 1.25 mm en 4 horas a 925 C. Requiere de una elevada inversión inicial por lo que se utiliza para grandes producciones. 3.- La carburización con agente líquido: Requiere que el metal se coloque en un baño de cianuro fundido, que contiene carbono. Los baños son operados a temperaturas comprendidas entre 815 y 900 C y se obtienen profundidadfes de temple de 0.5 mm en 90 min.

Cianuración Se utiliza cuando se requiere una superficie dura resistente al desgaste. El baño consta de cianuro de sodio con cloruro de sodio y carbonato de sodio para retardar la descomposición del cianuro. Debe efectuarse a una temperatura justamente por encima de la crítica del corazón de la pieza, y el acero debe enfriarse por inmersión directa al salir del baño de cianuro. Se obtiene una profundidad uniforme de superficie templada de unos 0.25 mm en 1 hora.

Nitruración El nitrógeno proporciona un efecto de endurecimiento similar al del carbono. La nitruración se lleva a cabo por debajo de la temperatura A1 (510 a 540 C). El tratamiento por lo común dura de 50 a 90 horas, dependiendo de la composición del acero y de la profundidad de la capa Este método no requiere de un enfriamiento por inmersión. Propiedades mecánicas del interior de la pieza no resultan alteradas, aumenta la resistencia al desgaste, a la corrosión y a la fatiga. Elevado costo, tiempo de operación y personal con experiencia.

ESTUDIO DE CASO Objetivo.- En este trabajo se presenta información relacionada con la evaluación de la estructura metalográfica de un piñón de engranajes rectos, fabricado en acero AISI 3215 cementado y bonificado. El piñón ha trabajado dentro de una caja de cambios en un automóvil Suzuki forsa. Preparación de la probeta.- Se realizaron dos cortes radiales para extraer dos dientes y luego se realizó un corte adicional en la dirección transversal a la cara del diente para obtener la muestra metalográfica. Esta muestra se preparó metalográficamente de acuerdo con ASTM E-3 y se atacó químicamente con Nital 2 para revelar la microestructura. Probeta metalográfica

Microestructura del acero AISI 3215 en condición de suministro ESTUDIO DE CASO Microestructura.- El análisis microestructural consta de dos partes; la primera correspondiente al acero en condición de suministro y la segunda la correspondiente al diente del engranaje. La siguiente figura muestra la microestructura del acero AISI 3215 en condición de suministro, se puede apreciar la estructura ferrito perlítica. Microestructura del acero AISI 3215 en condición de suministro

del acero AISI 3215 en condición de recocido. ESTUDIO DE CASO Microestructura.- Los resultados de cantidades relativas de fases por métodos computacionales de análisis de imagen se muestran en la siguiente figura, se utilizó el software (CLEMEX®). PERLITA 18,9 FERRITA 81,1 TAMAÑO DE GRANO ASTM 112-96: 9,86 Resultados el análisis computarizado de imagen del acero AISI 3215 en condición de recocido.

ESTUDIO DE CASO Microestructura del diente.- En el diente del engranaje se observa una variación de microestructuras producidas por el tratamiento superficial y por el bonificado. La figura muestra la región carburada del acero en la que la estructura dominante es martensita. 200 mm 400 mm La fotomicrografía ilustra la microestructura de la superficie del diente del engranaje. Se observa la matriz martensítica. Atacada con Nital 2, 200X

ESTUDIO DE CASO Microestructura del diente.- En la siguiente figura se presenta la microestructura de la región central del diente, fuera de la influencia de la carburación. Aquí, la miscroestructura resultante es de martensita, bainita y ferrita acicular. Ferrita Bainita Martensita 200 mm La fotomicrografía ilustra la microestructura del núcleo de diente del engranaje. Atacada con Nital 2, 400X. Tamaño de grano ASTM 112-96: 7.5

ESTUDIO DE CASO Resultados.- La ferrita acicular es una estructura que propicia la fragilidad en el acero. Adicionalmente es evidente que el grano del material ha crecido excesivamente, lo cual sin duda es la causa principal de reducción de resistencia mecánica y de fragilidad en el acero. Las causas principales de crecimiento del grano son un calentamiento excesivamente largo o una temperatura demasiado alta. En la cementación del acero se producen ambas condiciones por lo tanto, es necesario que en el acero, luego del tiempo de cementación sea enfriado dentro del horno y posteriormente se realice el bonificado para que se produzca la recristalización del grano y su tamaño se mantenga pequeño.