Practica 2 Carburizacion PDF

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UNIVERSIDAD AUTÓNOMA METROPOLITANAUNIDAD AZCAPOTZALCOAV. SAN PABLO 180, REYNOSA TAMAULIPAS, AZCAPOTZALCO, MÉXICO D. C.DEPARTAMENTO DE CIENCIAS BÁSICASTRANSFORMACIONES DE FASE DE LOS MATERIALESMETALICOSPRÁCTICA 2:“CAPA CARBURADA EN ACERO AL CARBONO”NONIGO VEGA DIANA LAURARENDON RUBIO ANDREARESUMEN:La...

Description

OBJETIVOS  Reconocer como fenómeno de difusión de carbono a la cementación de aceros.  Aplicar la técnica de cementación de aceros medio carbono en fase sólida.  Establecer la relación entre espesor de la capa carburada y el tiempo de proceso.

INTRODUCCION Generalmente los tratamientos térmicos superficiales tienen por objeto el endurecimiento de la superficie de los metales y, por consiguiente, el aumento de la resistencia al desgaste, conservando la ductilidad y tenacidad del núcleo. El endurecimiento superficial del acero se puede conseguir, fundamentalmente, mediante dos procedimientos: modificando la composición química de la superficie mediante la difusión de algún elemento químico (carbono, nitrógeno, azufre, etc.) en cuyo caso se le conoce como tratamiento termoquímico, o modificando sólo la microestructura de la superficie por tratamiento térmico, conociéndose entonces como tratamiento superficial. Una razón principal para endurecer el acero es retardar el desgaste en superficies de soportes, al frotamiento y al límite de fatiga de la pieza que se trata, pero el acero templado es relativamente frágil y poco resistente a la fatiga y al choque. Por lo tanto, para obtener una alta resistencia junto con durabilidad es necesario endurecer las superficies exteriores seleccionadas de muchas partes de máquinas para soportar el desgaste, dejando sus núcleos suaves, dúctiles y tenaces. El temple superficial se realiza calentando la capa superficial del acero hasta una temperatura superior al punto crítico (para austenitización), y con el enfriamiento posterior a una velocidad superior a la crítica para obtención de la martensita. El objetivo fundamental del temple superficial es: aumentar la dureza superficial, la resistencia al desgaste y el límite de fatiga de la pieza que se trata. El núcleo de la pieza se conserva dúctil y tenaz y soporta las cargas de impacto. Los tratamientos más comunes son: carburización, nitruración, Página 2

carbonitruración y boración. Estos procesos se aplican comúnmente a piezas de acero de bajo carbono para lograr una capa exterior dura, resistente al desgaste reteniendo un núcleo tenaz y dúctil. El movimiento de los átomos de un metal puro o del elemento base o solvente se conoce como “auto difusión”, mientras que la difusión de un metal como elemento de aleación en otro metal (base), se conoce como “difusión sustitucional” (sí la solución que forman ambos elementos es del tipo sustitucional) o “difusión intersticial” (sí la solución formada es del tipo intersticial). El movimiento de los átomos dentro de un sólido metálico, en el caso de auto difusión y difusión sustitucional, depende de la existencia de “sitios vacantes o vacancias”, las cuales son un tipo de defecto que posee todo metal y el cual es dependiente de la temperatura, su dependencia es de forma exponencial, por lo que a mayor temperatura mayor concentración de sitios vacantes, con el consecuente aumento en la difusión atómica, además de que a mayor temperatura mayor energía poseen los átomos, aumentando por tanto la frecuencia de salto de los mismos de un sitio vacante a otro. Se somete el carbono elemental a altas temperaturas (900-950 oC), para que se produzca su difusión dentro del material de la pieza. Gracias a la cementación la pieza tendrá dos capas: superficie cementada y núcleo sin cementar. Después de la cementación la pieza se somete a temple y revenido a bajas temperaturas, el núcleo debido al bajo contenido de carbono, no admite temple, queda tenaz y puede trabajar bajo cargas dinámicas, y la zona periférica adquiere temple a una profundidad de cerca de 1 mm haciéndose resistente al desgaste por rozamiento Cabe señalar que la cementación en lo posible debe usarse en aceros en los cuales no pueda crecer mucho el grano y se pueda templar directamente. La cementación tiene por objeto endurecer la superficie de una pieza sin modificar el núcleo de la misma, dando lugar así a una pieza formada por dos materiales, la del núcleo de acero con bajo índice de carbono, tenaz y resistente a la fatiga, y la parte de la superficie, de acero con mayor concentración de carbono, más dura, resistente al desgaste y a las deformaciones, siendo ello una única pieza compacta.

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Dependiendo del acero, las temperaturas deben de estar por arriba de las líneas A3 y Acm del diagrama de fases Fe-Fe3C. El proceso de difusión del C en ∂C ∂C )/∂ x , donde C =∂(D ∂x ∂T es la concentacion (# de partes o atomos o masa en g/ cm 3 y en casos el acero es descrito por la segunda ley de Fick;

prácticos % en peso de C o N o B u otros) y

D=Doe−

Q . RT

En el caso de difusión de C la composición como función de x y t, se obtiene x /2(Dt)1/2 , en la que Co es la composición inicial del C ( x ,t ) =Cs−( Cs−Co ) ferr ¿ acero y Cs como corresponde a la composición en la superficie. El espesor de la capa carburada (xcp) se puede obtener como Xc=0.98 ( Dt ) 1/2 . como;

DETALLES EXPERIMENTALES Y/O TEORICOS Se cortaron 15 probetas de una barra de acero 1018, de las que 12 de estas probetas se pusieron en cajas de cementación por pares (2 en cada caja) colocándolas de forma vertical, en donde fueron cubiertas totalmente por 20% en peso de grafito, 70% en peso de carbón vegetal y 10% en peso de carbonato de bario, con los tiempos de 15, 30, 45, 60, 90 y 120 minutos para estar en el horno a 900 oC. Con el horno previamente calentado se introducen cada una de las cajas con las muestras dentro y esperar a que pase el tiempo propuesto (15, 30,45, 60, 90 y 120 minutos). Después de pasado los tiempos propuestos sacar las cajas y extraer las probetas y templarlas en agua, estas acciones deben de hacerse lo más rápido posible. Con las 12 muestras ya templadas y 2 testigo, fueron limpiadas hasta quitarles el óxido, en este proceso hay que cuidar no afectar las superficies de forma que se afecte la zona carburada. Posteriormente 6 de las muestras fueron cortadas en la cortadora de disco de alta velocidad de manera longitudinal y transversal para tener 3 partes de cada probeta, tratando de evitar quemar la probeta. Ya que las muestras son muy pequeñas, se prosiguió a realizar un montaje en caliente en la montadora hidráulica, se montaron dos de las piezas de cada muestra, por lo que en total se obtuvieron 12 probetas montadas de diferentes tiempos.

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Se procedió a realizar un desbaste a las probetas, utilizando papel abrasivo de No. 220, 320, 400 y 600 para lograr obtener la superficie con líneas paralelas entre sí. Al terminar el desbaste se empezó a pulir las probetas utilizando alúmina de tamaño de partícula de 1 micra como agente de pulido, esto se realizó hasta eliminar las líneas visibles y obtener una cara con acabado espejo. Posteriormente se realizó un ataque químico con nital 2% introduciendo la probeta para el ataque por 2 segundos, para evitar quemarla, se introduce a alcohol y se seca perfectamente. Después se dirigió al microscopio para tomar micrografías de todas las probetas a 5X y 10X en el centro de la probeta como en la orilla y observar el espesor de capa en las probetas a diferentes tiempos de carburización. Finalmente se determinó la microdureza (HV) del material con un micrómetro 2003 Buehler, con el cual solo se obtuvieron 7 microdurezas (una por cada tiempo). Todo el proceso de dureza fue guiado por el profesor.

RESULTADOS Y DISCUSIONES A continuación se muestran las microestructuras obtenidas para cada tiempo establecido (15, 30, 45, 60, 90 y 120) y las probetas testigo, en donde se observa la diferencia en el espesor de capa carburada. 

Probeta testigo

Figura.1 probeta testigo “A”, con 5X.

Figura.2 probeta testigo “A”, con 10X.

Microscopio óptico

Microscopio óptico

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

Figura.3 probeta testigo “B”, con 5X.

Figura.4 probeta testigo “B”, con 10X.

Microscopio óptico

Microscopio óptico

Probeta a 15 minutos

Figura.5 probeta a 15 min “A “centro, con 10X. Microscopio óptico

Figura.6 probeta a 15 min “A “orilla, con 5X. Microscopio óptico

Figura.7 probeta a 15 min “A “orilla, con 10X. Figura.8 probeta a 15 min “B “centro, con 5X. Microscopio óptico Microscopio óptico

Figura.9 probeta a 15 min “B “centro, con 10X. Microscopio óptico

Figura.10 probeta a 15 min “B “orilla, con 5X. Microscopio óptico

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Figura.11 probeta a 15 min “B “orilla, con 10X. Microscopio óptico



Probeta a 30 minutos

Figura.12 probeta a 30 min “A “centro, con

Figura.13 probeta a 30 min “A “centro, con

5X. Microscopio óptico

10X. Microscopio óptico

Figura.14 probeta a 30 min “A “orilla, con 5X.

Figura.15 probeta a 30 min “A “orilla, con

Microscopio óptico

10X. Microscopio óptico

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Figura.16 probeta a 30 min “B “centro, con

Figura.17 probeta a 30 min “B “centro, con

5X. Microscopio óptico

10X. Microscopio óptico

Figura.18 probeta a 30 min “B “orilla, con 5X. Microscopio óptico



Figura.19 probeta a 30 min “B “orilla, con 10X. Microscopio óptico

Probeta a 45 minutos

Figura.20 probeta a 45 min “A “centro, con 5X. Microscopio óptico

Figura.21 probeta a 45 min “A “centro, con 10X. Microscopio óptico

8

Figura.22 probeta a 45 min “A “orilla, con 5X. Microscopio óptico

Figura.23 probeta a 45 min “A “orilla, con 10X. Microscopio óptico

Figura.24 probeta a 45 min “B “centro, con 5X. Microscopio óptico



Probeta a 60 minutos

Figura.25 probeta a 60 min “A “centro, con 5X. Microscopio óptico

Figura.26 probeta a 60 min “A “centro, con 10X. Microscopio óptico

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Figura.27 probeta a 60 min “A “orilla, con 5X. Microscopio óptico

Figura.28 probeta a 60 min “A “orilla, con 10X. Microscopio óptico

Figura.29 probeta a 60 min “B “centro, con

Figura.30 probeta a 60 min “B “orilla, con 5X.

5X. Microscopio óptico

Microscopio óptico



Probeta a 90 min

Figura.31 probeta a 90 min “A “centro, con 5X. Microscopio óptico

Figura.32 probeta a 90 min “A “centro, con 10X. Microscopio óptico

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Figura.33 probeta a 90 min “A “orilla, con 5X. Microscopio óptico

Figura.34 probeta a 90 min “A “orilla, con 10X. Microscopio óptico

Figura.35 probeta a 90 min “B “centro, con Figura.36 probeta a 90 min “B “orilla, con 5X. 5X. Microscopio óptico Microscopio óptico



Probeta a 120 minutos

Figura.37 probeta a 120 min “A “centro, con 5X. Microscopio óptico

Figura.38 probeta a 120 min “A “centro, con 10X. Microscopio óptico

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Figura.39 probeta a 120 min “A “orilla, con 5X. Microscopio óptico

Figura.40 probeta a 120 min “A “orilla, con 10X. Microscopio óptico

En las figuras mostradas se observó que el espesor de capa que se aprecia a la orilla de la probeta, es mayor conforme el tiempo de tratamiento aumenta, por lo cual hace que el material sea superficialmente duro, soportando desgaste y fatiga en la orilla del material; mientras que el centro del mismo permanecerá intacto. De igual forma se percató sobre difusión en las probetas sometidas a tiempos mayores, ya que se observa en los límites de grano como en superficies libres zonas más oscuras por lo cual, el carbono se difunde en el acero.

Tiempo Testigo 15 min. 30 min. 45 min 60 min. 90 min 120 min

206.7 353.6 285.1 292 374.5 572.3

Dureza HV 216.0 221.2 264 242.5 248.8 236.5 282 226.7 352 344.5 416.5 397.4

234.0 204.6 231.5 211.6 337.5 270

231.5 -

412.6

356.7

321.9

-

330.1

Tabla 1. Durezas medidas a escala HV a determinados tiempos con una carga de 100 grF.

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Gráfica 1. Tiempo vs dureza

La carburación de los metales ayudan a mejor la dureza en la capa, en la realización de esta práctica se pudo comprobar este tipo de dureza contra el tiempo, la dureza dependerá del tiempo dentro del horno de la pieza, directa, esto se puede notar en la gráfica donde a mayor tiempo la dureza aumenta, sin embargo llega a un punto máximo donde la dureza decrece, esto podría ser por una mala toma de dureza con el aparato o alguna variante en el tiempo de conformado dentro del horno. Para graficar los datos se despreció un dato de las cuatro diferentes mediciones obteniendo un promedio y con ello graficando. Dentro de la toma de mediciones de dureza se notó que mientras más se acerca al centro de la probeta, la dureza disminuirá gradualmente hasta llegar probablemente a su dureza inicial tomada de la probeta testigo HV=221.88 ya que el tratamiento de endurecimiento no fue homogéneo para toda la sección de la pieza.

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Algunos autores afirman que el carbono que se difunde proviene de la obtención de CO, proponer la reacción química que lo demuestra.

El carbón a elevada temperatura, en contacto con el oxígeno del aire que hay siempre en el interior de las cajas, entre los huecos que deja la materia cementante, da monóxido de carbono (CO) según la siguiente reacción:

2 C + O2= 2 CO Luego, el óxido de carbono formado se descompone a elevada temperatura en carbono naciente y dióxido de carbono.

2CO = C + CO2

CONCLUSIONES Nonigo Vega Diana Laura: En esta práctica se cumplieron los objetivos planteados al inicio de la práctica, ya que se comprobó que mediante la carburización en la probeta de acero se obtuvieron a mayores tiempos, una difusión de carbono en los límites de grano y en las superficies libres. De igual manera la dureza (HV) del material fue mayor en los tiempos más elevados a diferencia de los de menor tiempo, con esto se concluye que la carburización sometida al acero, logró aumentar la dureza superficial del material, ya que los valores de dureza fueron disminuyendo al acercarse al centro de la muestra. También se concluye que a mayor tiempo de proceso el espesor de capa carburada aumenta, por lo que se da una dureza superficial mayor al material mientras el tiempo de proceso sea largo. Rendón Rubio Andrea: Durante toda la práctica se realizaron procedimiento metódicos con los cuales se puede llegar a una carburación, este proceso mejora la dureza de una material, la probeta analizada para el caso del equipo con probeta de 30

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minutos logro obtener una dureza HV=238.93, esto es el promedio de las cuatro durezas realizadas. Con lo que se concluye que entre más tiempo la dureza de la capa carburada aumenta significativamente, el tiempo dentro de la mufla también dependerá del material que se desea carburar. Los objetivos se cumplieron ya que se pudo reconocer la cementación de la probeta ASTM 1018 y reconocer la relación de tiempo de proceso para espesor de capa carburada.

CUESTIONARIO 1. ¿Qué tan cercanos son los valores experimentales de Xc con los calculados? Se encuentran cercanos, pero las variantes pueden ser causadas por situaciones externas como el tiempo de realizar el temple.

2. ¿Se puede establecer una relación entre la dureza y la Xc? Si se puede establecer ya que mientras más grande sea la capa carburada la dureza será mayor por lo que ambas si tienen una relación entre sí, pero depende más de tiempo.

3. En la mezcla de polvos del procedimiento experimental, ¿Qué papel juega el carbonato de bario? La atmosfera más utilizada para la cementación de acero en medio solido consiste en una mezcla de carbón y carbonato de bario o sodio conocida con el nombre de Carón. Esta mezcla tiene una proporción de 80 % en peso de carbón y 20 % en peso de carbonato aproximadamente. Página 15

Figura.23 probeta a 45 min “A “orilla, con 10X. Microscopio óptico

Cuando el acero sumergido en la mezcla anterior es calentado hasta una temperatura de austenización se producen las siguientes reacciones químicas: BaCO3 + calor ----BaC+CO2 CO2+ carbon----2CO 2CO+ CO2+C(disociado) El carbono disociado o agente carburante se disuelve en la superficie del acero hasta alcanza el límite de solubilidad del carbono en austenita a la temperatura de calentamiento. El límite de solubilidad en austenita a 900°C, por ejemplo, es de 1,2 % en peso aproximadamente. El aumento en el contenido de carbono en la superficie produce un gradiente desde la superficie hasta el centro de la pieza donde el acero mantiene el contenido de carbono original.

REFERENCIAS  R. Askeland y Phule, La ciencia e Ingeniería de los materiales, Internacional Thomson Edit., 4ª 2004.  Verhoeven, Fundamentos de la Metalurgia Física, LIMUSA, primera edición 1987.

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