UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLOFACULTAD DE INGENIERAESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERA MECNICA

EFECTOS DE LOS PARAMETOS DEL CIANURADO LIQUIDO EN LA RESISTENCIA AL DESGASTE EN ALEACIONES FERROSAS DE MEDIANO CARBONO EN LA INDUSTRIA AGRICOLA

AUTORES:

CANO SOLES, LUIS RAFAELGUTIERREZ AGUILAR, JOAORODRIGUEZ PONCE, FRANCO JAVIERRODRIGUEZ QUEZADA, HEMYL LOU

PROYECTO DE TESISTrujillo-Per2015

I. GENERALIDADES.1. TTULO: EFECTOS DE LOS PARAMETOS DEL CIANURADO LIQUIDO EN LA RESISTENCIA AL DESGASTE EN ALEACIONES FERROSAS DE MEDIANO CARBONO EN LA INDUSTRIA AGRICOLA

2. AUTORES: Cano Soles, Luis RafaelGutierrez Aguilar, JoaoRodriguez Ponce, Franco JavierRodriguez Quezada, Hemyl Lou

3. ASESOR: Dr. Victor Alcntara Alza.4. TIPO DE INVESTIGACIN:

De acuerdo al fin: Aplicada.De acuerdo al diseo de investigacin: Explicativa.

5. RGIMEN DE INVESTIGACIN: Orientada.

6. LOCALIDAD E INSTITUCIN DONDE SE REALIZAR EL PROYECTO:

a. Localidad:Escuela de ingeniera mecnica Laboratorio de mquinas herramientas Laboratorio de materiales.

b. Institucin:Universidad Nacional de Trujillo.

7. CRONOGRAMA DE EJECUCIN DEL PROYECTO:

ACTIVIDADPERIODO (MES)

123456789

Plan de accionesX

Implementacion del proyectpX

Ejecucion de los protocolos de trabajoXX

Recoleccion de muestras, datos y/o informacionXXXX

Analisis e interpretacin de los resultadosX

Preparacion del informeX

8. FECHA DE INICIO:Se inici el 15 de Marzo9. FECHA DE TRMINO:Se termin el 15 de Diciembre10. PRESUPUESTO Personal a cargo del proyectoCategoriaSalario mensualPago por anticipacion% de jornadaTiempo(meses)Importe

AsesorS/.2,000S/.600.29S/.3,700

TecnicoS/.650S/.400.77S/.3,380

TotalS/.7,090

Material gastableCosto UnitarioCosto Total

MaterialUnidad de medidaMNCantidadMN

Barra lisa AISI 4140 Diam. 1 1/2"x 6 mUno S/. 25.00 1 S/. 25.00

Barra lisa AISI 4140 Diam. 1"x 6 mUno S/. 20.00 1 S/. 20.00

Cuchillas para tornoUno S/. 20.00 10 S/. 200.00

RefrigeranteLitro S/. 18.00 2 S/. 36.00

Lija metalica # 100Pliego S/. 2.00 5 S/. 10.00

Lija metalica # 180Pliego S/. 2.00 5 S/. 10.00

Lija metalica # 220Pliego S/. 3.00 5 S/. 15.00

Lija metalica # 320Pliego S/. 3.00 5 S/. 15.00

Lija metalica # 400Pliego S/. 3.00 5 S/. 15.00

Lija metalica # 600Pliego S/. 3.00 5 S/. 15.00

Lija metalica # 1000Pliego S/. 3.00 5 S/. 15.00

Pastilla de carbono de tungstenoGramos S/. 4.00 20 S/. 80.00

NitalGramos S/. 3.00 30 S/. 90.00

Polvo de aluminaGramos S/. 1.00 300 S/. 300.00

Cloruro de bario (80%)Gramos S/. 1.00 300 S/. 300.00

Cianuro de sodio (6%)Gramos S/. 1.50 50 S/. 75.00

Cloruro de sodio (14%)Gramos S/. 1.00 80 S/. 80.00

total S/. 1,301.00

Equipamiento

Dietas por gastos de viajes

Total de gastos directos

Gastos indirectos

Presupuesto del proyecto

II. PLAN DE INVESTIGACIN:

2.1. REALIDAD PROBLEMTICA.Las empresas del sector agroindustrial en Trujillo han ido creciendo en los ltimos aos con el proyecto de irrigacin de CHAVIMOCHIC, tales como DAMPER S.A, GLORIA, CAMPOSOL, ESPARRAGUERA VIRU, LAREDO entre otras, donde se utilizan piezas como picotas, diente de palas excavadoras, y partes para maquinaria de movimiento de tierras como cinceles de arado que en general estn sometidos a un elevado desgaste por abrasin dada su interaccin con tierras, rocas o materiales similares. Las herramientas y maquinarias usadas en el sector agrcolas que interactan con el suelo se ven afectas al desgaste, corrosin y fatiga principalmente por abrasin ya que la tierra tiene partculas abrasivas como la slice, haciendo que la herramienta de trabajo tenga prdidas como de material y de su geometra inicial. El desgaste comparado a la corrosin y fatiga es el menos estudiado, debido a que los ingenieros de produccin y mantenimiento estn acostumbrados a convivir con ellos y se le toma importancia cuando la tasa de reposicin de herramientas o materiales es excesivamente elevado.En ingeniera se busca materiales alternos para sustituir los que se desgastan rpidamente o se trata de aplicar el tratamiento trmico o termoqumico adecuado para aumentar la dureza superficial y as obtener un mejor rendimiento de la superficie susceptible al desgaste aumenta la vida til de la pieza.Se ha constatado que las empresas mencionadas hacen uso para fabricacin de componentes sometidos a degaste, diversos tipos de acero, entre ellos el AISI 4140, acero de medio carbono aleado con cromo y molibdeno de alta templabilidad y buena resistencia a la fatiga, abrasin e impacto, muchas veces sin ningn tratamiento trmico y si lo hacen es de manera inadecuada dando como resultado piezas con propiedades de resistencia al desgaste deficientes y como consecuencia de esto las piezas fallan antes del tiempo de vida previsto en el diseo. Ocasionando problemas tcnicos y econmicos a las empresas antes mencionados.Se estima que los costos generados por la friccin y el desgaste suelen ser tan altos que pueden presentar el 0.3% al 3% del PBI de un pas industrializado y se acentan en los subdesarrollados. La investigacin del desgaste en herramientas agrcolas es reducido y mucho ms en nuestro pas, limitando su mejoramiento en cuanto a diseo y nuevos materiales.El tratamiento trmico adecuado a aplicar ser el de carbonitruracin liquida o cianuracin, tratamiento termoqumico del acero, en el que se suministra carbono y nitrgeno a la superficie de una pieza de acero para proporcionarle las caractersticas de dureza deseada.2.2. ANTECEDENTES Lajtin Y. y Arzamasov B. en su libro Tratamiento qumico-trmico de los metales afirma que: la carbonitruracion es la saturacin difusiva de la capa superficial del acero simultneamente con carbono y nitrgeno y que a medida que aumenta la temperatura desde 820 a 950C se incrementa los cianuros y por ende aumenta a difusin aumentando el espesor de capa, haciendo la superficie del acero ms duro y ms resistente al desgaste, elevado el lmite de fatiga a la flexin y a la resistencia al contacto [1].

Bris - Llave en su estudio Efecto del nitrgeno en carbonitruracion en la velocidad de enfriamiento de la austenita a martensita y la temperatura de revenido en un acero de medio carbono concluye que: el nitrgeno en carbonitruracin disminuye la velocidad critica de enfriamiento en el proceso de temple (velocidad de enfriamiento para que se produzca el paso de austenita a martensita). Esto permite un enfriamiento ms lento y en consecuencia una menor distorsin de la pieza, tambin un aumento de la temperatura de revenido, lo que permite que la pieza trabaje a una temperatura de servicio ms elevada. Los inconvenientes se debe a que el nitrgeno estabiliza la austenita dificultando su paso a martensita a causa de ello se necesitan temperaturas de revenidos ms altas, o tiempo de permanencias mayores para su transformacin [2].

Alva D. en su investigacin Influencia de la temperatura en el proceso de cementacin solida sobre la resistencia al desgaste adhesivo seco y dureza superficial de un acero SAE 1020 concluye que el incremento de la temperatura de cementacin genera un aumento en la resistencia al desgaste y dureza de la capa cementada. Esto es debido principalmente por la capa superficial que est formada por martensita y cementita [3].

Cabrera - Boy en su investigacin Influencia del tiempo de nitruracin en el acero AISI 4340 sobre la resistencia al desgaste y dureza concluye que: a medida que aumenta el tiempo de nitruracin aumenta la resistencia al desgaste y espesor de capa y la dureza superficial es aproximadamente 65 HRc en todos los niveles de tiempo en estudio [4].

Bartolom M. Manifiesta que en la cianuracin o carbonitruracin liquida, la proporcin de carbono y nitrgeno en la superficie dura externa producida por un bao de cianuro depende de la composicin y la temperatura del bao. Siendo esta ultima la ms importante y que generalmente el contenido de carbono est entre 0.5 a 8% y nitrgeno hasta 0.35% [5].

Naudots J. en su investigacin concluye que: el nitrgeno aumenta la capacidad de endurecimiento. La carbonitruracin de aceros al carbono seria menos caros para muchas aplicaciones dar lugar a propiedades equivalentes a los que se obtienen en los aceros aleados carburizados y que la resistencia de la superficie carbonitrurada al reblandecimiento durante el revenido es mucho mayor que la de una superficie carburizada [6].

Herring D. en su estudio Carbonitriding of Fasteners afirma que la carbonitruracin como la carburizacin es utilizada principalmente para producir dureza y resistencia al desgaste. La carbonitruracin produce superficies ms duras y usa aceros de bajo contenido de carbono y baja aleacin. Las ventajas especficas de la carbonitruracin comparada con la carburizacin son los siguientes: la adicin de nitrgeno en la capa superficial produce una mayor dureza, mejor resistencia al desgaste y buen desempeo a elevadas temperaturas de servicio, mejores propiedades de fatiga, bajo costo de operacin debido a cortos tiempos de tratamientos [7].2.3. JUTIFICACIN:La decisin para llevar a cabo este presente trabajo de investigacin, aparece justamente debido a las siguientes razones:JUSTIFICACION TCNICAEl desgaste abrasivo es uno de los problemas que enfrentan muchas herramientas de movimientos de tierras como la labranza. Este tipo de desgaste hace que el tiempo de vida de las herramientas se reduzca notablemente, ocasionando grandes prdidas en la industria debido al costo y tiempos empleados en renovarlos, paradas no previstas, etc. El cianurado liquido es un proceso que puede usarse para recubrir dichas herramientas (cincel) y prolongar su esperanza de vida de estas.JUSTIFICACIN TECNOLGICACon este estudio, determinaremos nuevas tecnologas basadas en los datos obtenidos para estructuras y elementos de herramientas con resistencia a la fatiga, por ende ms eficientes. JUSTIFICACIN ECONMICATener conocimiento de la esperanza de vida y la resistencia al desgaste es importante para el proceso de una herramienta, de una forma econmica ya que se pueden optimizar los costos en materiales sabiendo que tendran la misma resistencia que aceros ms costosos.

2.4. OBJETIVOS:

2.4.1 Objetivo generalDeterminar cules son los efectos de los parmetros del cianurado lquido sobre el espesor de capa, dureza superficial y resistencia al desgaste en el acero de mediano carbono.2.4.2 Objetivos especficosDeterminar los parmetros del cianurado lquido ptima para obtener las mejores propiedades de espesor de capa, dureza superficial y resistencia al desgaste en el acero de mediano carbono.

2.5. ENUNCIADO DEL PROBLEMA. Qu efectos producen los parmetros del cianurado lquido en la resistencia al desgaste en aleaciones ferrosas de mediano carbono en la industria agrcola?

2.6. HIPTESISUn incremento en la temperatura de cianuracin en el rango de 750C a 900 C, aumenta la dureza, espesor de capa superficial y la resistencia al desgaste en el acero, debido a la difusin simultnea de carbono y nitrgeno que hace que la capa despus del tratamiento est formada por martensita, carbonitruros y algo de austenita retenida.

III. FUNDAMENTACION TERICO3.1 ACEROS Son aleaciones hierro y carbono en diferentes proporciones y pueden llegar a alcanzar 2.11% en peso de carbono, si no contienen adems otros elementos de aleacin. Segn el diagrama Hierro cementita se clasifican en Hipoeutectoide, eutectoide e hipereutectoide. Figura 1.1.

Figura 1.1 Diagrama metaestable Fe-C.[8]3.1.1 Aceros de medio carbono y baja aleacin Son aceros de alta resistencia mecnica, aleados con cromo, nquel y molibdeno, de alta templabilidad, aceros con estructuras ferrito-perlticas que se utilizan bonificados (temple y revenido) con estructura de martensita revenida, resultan simultneamente ms resistente a la rotura y ms tenaces que los ferrito-perliticos al carbono, debido a la precipitacin fina de cementita en matriz ferrtica como consecuencia de un revenido alto de la martensita.Cuando el acero ha de soportar esfuerzos alternativos durante un elevado nmero de ciclos, esa cementita finamente dispersa resulta mucho ms favorable que la cementita laminarperltica porque alarga las etapas de nucleacin y preparacin de grieta durante la fatiga. Para piezas de responsabilidad en aviacin, automovilismo, mquinas y motores de media y alta resistencia por ejemplo: ejes, cigeales, balancines, etc, conviene que la estructura sea de martensita revenida, porque proporciona simultneamente la resistencia mecnica y tenacidad necesarias para un buen comportamiento a esfuerzos dinmicos alternativos. Dentro de este grupo tenemos al acero AISI 4140 [8].

3.2 Mecanismo de difusin sustitucional o por vacantes Los tomos pueden moverse en la red cristalina de una posicin atmica a otra si tienen suficiente energa de activacin procedente de sus vibraciones trmicas y si existen vacantes u otros defectos cristalinos en la red hacia las que los tomos puedan desplazarse. Las vacantes en los metales y aleaciones son defectos en equilibrio, y por ello siempre hay algunas presentes que posibilitan la difusin sustitucional de los tomos. Cuando se aumenta la temperatura del metal, hay ms vacantes y ms energa trmica disponible y por tanto la velocidad de difusin es superior a temperaturas ms elevadas.Durante la autodifusin o difusin sustitucional en estado slido, los tomos deben romper sus enlaces iniciales con otros tomos y reemplazarlos por nuevos enlaces. Este proceso se facilita por la presencia de vacantes, por lo que puede tener lugar a menores energas de activacin. Figura 1.2. Para que este proceso ocurra en las aleaciones es necesario que haya solubilidad de un tipo de tomo en el otro.

Figura 1.2 Energa de activacin asociada al movimiento de tomos en un metal a) la difusin del tomo A de cobre de la posicin 1 en el plano (111) de una red cristalina de cobre a la posicin 2(una vacante) tendr lugar si dispone de suficiente energa de activacin como se indica en b). [9] 3.3 Mecanismos de difusin intersticial La difusin intersticial de los tomos en las redes cristalinas tiene lugar cuando los tomos se mueven de un sitio intersticial a otro intersticio vecino sin desplazar de manera permanente a ninguno de los tomos de la red cristalina de la matriz. Figura 1.3. Para que el mecanismo intersticial sea operativo, el tamao de los tomos que se difunden debe ser relativamente pequeo comparado con el de los tomos de la matriz.Los tomos pequeos como el hidrgeno, oxgeno, nitrgeno y carbono se pueden difundir intersticialmente en algunas redes metlicas cristalinas. En la difusin intersticial del carbono en hierro, los tomos de carbono deben pasar entre los tomos de la matriz de hierro [9].tomos intersticiales difundindose en sitios intersticiales

Figura 1.3 Diagrama esquemtico de una solucin solida intersticial. Los crculos grandes representan tomos de un plano (100) de una red cristalina FCC. Los crculos pequeos, oscuros, son tomos intersticiales que ocupan posiciones intersticiales. Los tomos intersticiales se pueden mover a sitios intersticiales adyacentes que estn vacantes. [9].

3.4 Desgaste de herramientas agrcolas

Para Bhakat, la falla de herramientas agrcolas se asocia bsicamente al desgaste causado por abrasin debido a la interaccin del material de la superficie con el suelo [10]. Las herramientas agrcolas desgastadas son usualmente menos efectivas para el control de malezas, labranza o siembra, y pueden causar mayores requerimientos de traccin y generar ms fallas [11]. Zollinger. considera que los implementos agrcolas son sometidos a abrasin de bajo esfuerzo; el metal es desgastado por la accin repetida del rozamiento de partculas a travs de la superficie a distintas velocidades sin fracturar las partculas abrasivas[12]. Las partculas de suelo estn compuestas fundamentalmente por slice, con dureza alrededor de 1100 HV [13]. Complementado el prrafo anterior se tiene que el desgaste no es una caracterstica intrnseca del material si no una caractersticas del sistema, que dependen de la carga, velocidad, temperatura, dureza, presencia de otros materiales en el suelo y de las condiciones ambientales[10]. Variables metalrgicas, como dureza, espesor, microestructura y composicin qumica, tienen importante influencia en el desgaste abrasivo [14].Bayhan afirma que una gran parte de las prdidas de energa pueden ser atribuidas al desgaste de las herramientas, donde la cantidad de suelo movido por las herramientas es enorme [11]. El proceso por el cual las herramientas se desgastan incluye impacto, abrasin, desgaste vibratorio (fretting) y accin qumica. La eficiencia de la herramienta y su capacidad de trabajo estn tambin determinadas por la respuesta del suelo a la herramienta. El resultado del desgaste en equipos de labranza ocasiona prdidas de tiempo, prdidas de energa e incremento en los costos de produccin. La cantidad de acero que se mezcla con el suelo, la prdida de tiempo debida al reemplazo de las piezas gastadas en los equipos, el trabajo manual y las prdidas de produccin afectan la economa nacional gravemente [11]. Investigadores han intentado por aos reducir el costo de las operaciones de labranza reduciendo la friccin del metal con el suelo. Se ha propuesto utilizar capas de tefln, emulsiones, lquidos y electro smosis. Sin embargo estas tcnicas no han sido muy eficaces en el sector agrcola [11].

3.5 Factores de la herramienta que ms influyen en su desgaste

Los factores de la herramienta que ms influyen en su desgaste son: dureza, resistencia mecnica, resistencia a la propagacin de grietas y su composicin qumica [15]. Owsiak considera que en la resistencia al desgaste de las herramientas agrcolas influye [16]: Composicin qumica del acero y su tratamiento trmico Profundidad de operacin Distancia recorrida Posicin de los elementos en la herramienta Diseo de la herramienta Natsis, plante que los siguientes factores son los que tienen mayor influencia [17]: Material, tratamiento trmico y forma Condiciones de labranza, como rea de trabajo, velocidad y profundidad de trabajo Fuerzas entre la herramienta y el suelo En el sistema suelo - herramienta se debe tener en cuenta la presin sobre la superficie de contacto, la duracin del contacto y velocidad de contacto [15]. Resumiendo, los factores que ms influyen en el desgaste de las herramientas que han sido considerados por varios investigadores son los siguientes:

Propiedades mecnicas y estructurales del material Diseo de la herramienta Profundidad de operacin rea de trabajo- duracin del contacto Velocidad de trabajo Fuerzas entre la herramienta y el suelo Posicin de los elementos en la herramienta.

En las propiedades mecnicas y estructurales del material se debe incluir su dureza, composicin qumica y tratamientos trmicos. Lo ideal sera que las herramientas tuvieran niveles de dureza superiores a los del abrasivo, pero esto potencialmente aumentara la fragilidad, aunque con los tratamientos trmicos se consigue disminuir la fragilidad para mayor resistencia a fuerzas de impacto. En cuanto a la composicin qumica, por ejemplo en los ltimos aos se ha preferido fabricar gran nmero de herramientas con pequeas adiciones de boro, lo que aumenta la tenacidad de los aceros, adems tambin es muy frecuente adiciones de cromo para mejorar su dureza y resistencia a la corrosin.

3.6 Conceptos bsicos sobre mecanismos de desgaste Dependiendo de los diferentes tipos de acciones sobre la superficie, se pueden clasificar los procesos de desgaste de acuerdo a lo que puede denominarse modos de desgaste [18]. Una clasificacin que agrupa concisamente todas las clases de desgaste es aquella que se hace de acuerdo a los mecanismos fundamentales de desgaste. Segn la norma DIN 50320 (1979) existen slo cuatro mecanismos de desgaste bsicos y la combinacin de stos genera todos los procesos de desgaste conocidos. Estos mecanismos son: adhesin, abrasin, fatiga superficial, y reaccin triboqumica. La Figura 1-1 muestra un esquema de estos mecanismos.

Figura 1.4 Descripcin esquemtica de los cuatro principales mecanismos de desgaste [18]. Desgaste adhesivo: se produce por la formacin de juntas entre regiones localizadas de dos superficies, las cuales se rompen y cuando son separadas nuevamente el material es removido de uno o de ambos componentes. Fatiga superficial: repeticiones cclicas de esfuerzo sobre la superficie de una pieza, induciendo en cada repeticin un dao de naturaleza mecnica de bajo grado, generando deformacin en las capas superficiales. Reaccin triboqumica: por contacto entre dos superficies slidas que reaccionan con el medio ambiente corrosivo (este puede ser gaseoso o lquido). Desgaste abrasivo: remocin o desplazamiento del material de una superficie debido al contacto con otra superficie en movimiento relativo, generalmente de mayor dureza.3.7 La abrasin La ASTM (1987) define el desgaste abrasivo como la prdida progresiva de material de una superficie slida debido a partculas duras o protuberancias que son forzadas contra dicha superficie en movimiento relativo con respecto a ellas [19]. Desde el punto de vista de la configuracin del sistema tribolgico, este tipo de desgaste puede clasificarse en dos grandes grupos: Abrasin a dos cuerpos, cuando las asperezas de dos superficies slidas interactan debido a la aplicacin de una carga y la existencia de un movimiento relativo. En este caso, las partculas abrasivas estn fijas a una de las superficies. Abrasin a tres cuerpos, cuando entre dos cuerpos existen partculas duras con posibilidad de movimiento relativo respecto a las dos superficies.

Figura 1.5 Desgaste a dos y tres cuerpos [18].Normalmente la tasa de desgaste bajo la condicin de desgaste abrasivo a dos cuerpos es 2 o 3 rdenes de magnitud mayor que en la condicin de desgaste a tres cuerpos. Esto es una consecuencia de la posibilidad que tienen las partculas abrasivas para rotar y adoptar configuraciones con menor capacidad de corte cuando la condicin es a tres cuerpos. Cuando las partculas estn fijas a una de las superficies (es decir, en la condicin de desgaste a dos cuerpos) la capacidad de corte es aumentada porque los niveles de esfuerzos localizados son ms grandes y un mayor nmero de partculas pueden efectivamente cortar la otra superficie. Esta afirmacin est asociada a un concepto introducido por Sedriks y Mulhearn , quienes encontraron que para cada par abrasivo-superficie existe un ngulo de ataque crtico del abrasivo, por encima del cual el mecanismo de microcorte de la superficie efectivamente ocurre [20].3.7.1 Mecanismos de desgaste abrasivo Varios mecanismos se han propuesto para explicar como el material es removido de la superficie desgastada bajo la accin abrasiva de partculas duras o protuberancias. En materiales con comportamiento predominantemente dctil ocurren generalmente deformacin plstica, micro-corte y fatiga [21]. Mecanismos de fractura frgil pueden ocurrir tambin, dependiendo de las propiedades mecnicas de la superficie (en especial la tenacidad a la fractura) [18]. Debido a la complejidad del fenmeno abrasivo no hay un slo mecanismo que se presente para todos los tipos de materiales. 3.7.2 Variables que afectan el desgaste abrasivo.Las variables que influencian el tipo y magnitud del desgaste abrasivo pueden clasificarse en los siguientes grandes grupos: Caractersticas del abrasivo Propiedades Mecnicas: dureza, tenacidad a la fractura Geometra: tamao y angulosidad. Caractersticas de la Superficie Dureza. Capacidad de Endurecimiento por trabajo. Tenacidad. En lo que concierne a las caractersticas del abrasivo, se ha encontrado en numerosas experiencias que cuando la relacin de durezas entre abrasivo y superficie (Ha/Hs) es superior al valor de 1,2 el rgimen de desgaste pasa de una condicin moderada a severa, con incidencia acentuada del mecanismo de microcorte [22]. En relacin al tamao de las partculas abrasivas, por otro lado, se ha observado que partculas mayores llevan a prdidas de masa ms grandes, hasta que se llega a un tamao a partir del cual no hay variaciones significativas [23].En trminos de las propiedades de la superficie, son fundamentales tanto la capacidad de soportar carga como la capacidad de deformacin de la microestructura. Se ha observado que el coeficiente de endurecimiento por deformacin es un factor muy importante en el comportamiento de las superficies sometidas a abrasin, ya que puede determinar hasta qu punto la respuesta del material es dctil (con mecanismos de deformacin plstica y micro-corte) o frgil (con rotura por clivaje y agrietamiento). La dureza, por su parte, se constituye en uno de los parmetros ms usados pero a la vez uno de los de ms difcil interpretacin. Esto se debe a las dificultades inherentes a la medicin, en especial en reas pequeas y con altos niveles de deformacin plstica. De manera general se afirma que un aumento del contenido de carbono en los aceros, se relaciona con el aumento de la dureza, [15]. Aunque algunos materiales a determinada dureza tienen comportamientos diferentes a lo esperado; obsrvese por ejemplo en la Figura 1-3 las curvas de los metales trabajados en fro, con comportamiento relativamente constante de resistencia al desgaste con el incremento de la dureza; o las fundiciones blancas con alto Cr Mo con disminucin de la resistencia al desgaste al incrementar la dureza. El aumento en la dureza de la superficie trae consigo generalmente una mayor resistencia al desgaste en los aceros aleados, este aumento no es tan grande como se espera, debido a que el incremento de la resistencia al desgaste es en general 1/3 del incremento de la dureza de la superficie [16].

Figura 1.6 Resistencia al desgaste abrasivo (abrasin a dos cuerpos) de diferentes materiales medidos en ensayos a abrasin, variando la dureza de los materiales [18].3.8 DurezaEs una medida de la resistencia de un metal a la deformacin permanente (plstica). La dureza de un metal se mide forzando la indentacin de un penetrador en la superficie del metal. El penetrador, que normalmente es una bola, pirmide o cono, est fabricado con un material mucho ms duro que el material a ensayar. As, el material empleado en estos penetradores suele ser de acero templado, carburo de volframio o diamante. En la mayora de los ensayos de dureza normalizados se aplica lentamente una carga conocida que presiona el penetrador contra la superficie del metal a ensayar y perpendicularmente a esta, figura 1.5 [2]. Despus de producir la indentacin, se retira el penetrador figura 1.5 [2] y se calcula o se lee en un dial un nmero emprico de dureza basado en el rea de la seccin transversal de la huella producida en su profundidad.

Figura 1.7Etapas para la medida de dureza con un penetrador cnico de diamante. La profundidad t determina la dureza del material. A menor valor de t, mayor dureza del material [9].En la tabla 1.1 se muestra los tipos de penetradores y los tipos de huellas producidas asociados a cuatro ensayos de dureza habituales; Brinell, Vickers, Knoop y Rockwell. El nmero de dureza para cada uno de estos ensayos depende del penetrador y de la carga aplicada. La dureza de un metal depende de la facilidad con que puede ser deformado plsticamente. Por tanto, se puede determinar una relacin experimental entre la dureza y la resistencia para cada metal en particular. El ensayo de dureza puede ser no destructivo, es decir, la presencia de una pequea huella no imposibilita la utilizacin del objeto ensayado. Por estas razones, es habitual la utilizacin del ensayo de dureza en el control de calidad de procesos industriales [1].3.9 Cianuracin y Carbonitruracin liquida Es un tratamiento termoqumico (TQT) que consiste en la saturacin difusiva de la capa superficial del acero simultneamente con carbono y nitrgeno a 820-950 C en la masa fundida que contiene cianuros. La cianuracin se aplica para elevar la dureza superficial, la resistencia al desgaste, el lmite de fatiga a la flexin y la resistencia de contacto. La estructura despus de la cianuracin es anloga a la formada durante la nitrocementacin a alta temperatura. Con el aumento de la temperatura el contenido de nitrgeno en la capa se reduce mientras que el carbono se incrementa y por sus cualidades la capa se aproxima a la cementada o carburizada [1].3.9.1 Cianuracin a temperatura mediaEn este proceso la pieza se calienta hasta 820-860 C en sales fundidos que contienen NaCN. Para obtener una capa de pequeo espesor (0.15 0.35 mm) el proceso se realiza de 820 a 860 C en baos (20-25% de NaCN, 25-50% de NaCl y 25-50% de Na2CO3). La duracin del proceso se determina por el espesor requerido de la capa, Figura 1.4.

Figura 1.8 Influencia del tiempo de proceso de cianuracin a 850 C en un bao que contiene el 20% de NaCN, en el espesor de la capa difusiva [1].El cianuro sdico en el proceso de cianuracin se oxida con el oxgeno del aire y se desarrollan las siguientes reacciones:

(1)(2)(3)Con el tiempo la cantidad de NaCN que hay en el bao disminuye y la de Na2CO3 aumenta.Para componer el bao, previamente se funden las sales neutras y despus se aade NaCN. En el proceso de trabajo el bao se renueva adicionando cianuro sdico (85% de NaCN) a razn de 0.5 a 1% por hora respecto a la masa de las sales. El contenido de NaCN en el bao no debe ser inferior al 16 o 18%. Para la cianuracin se usan ampliamente los baos con aleacin de cianuracin (43-49% de Ca (CN)2, 2-3% CaCN2, 30-35% de NaCl, 14-16% de CaO, 4-5% de C), que son ms baratos. La parte neutra del bao con cianuro de calcio consta del 60% CaCl2 + 40% de NaCl, en el cual se introduce el 10% de fundido de cianuracin respecto a la mas de mezcla. En dicho bao transcurren las siguientes reacciones:(4)(5)(6)El bao se renueva cada 2 h de trabajo introduciendo el 3% de aleacin de cianuracin respecto a la masa de sal que hay en el crisol. El abundante desprendimiento del precipitado en el fondo del bao es el inconveniente que tiene el fundido de cianuracin. La cianuracin en este bao transcurre con mayor rapidez que en los baos con NaCN. La concentracin de cianuro en el bao constituye un 1.5-0.5 %. La cianuracin en este bao se realiza en los baos con calentamiento elctrico, de gas o petrleo. Tomando en consideracin la gran toxicidad de los cianuros, los baos y tanques de lavado deben estar provistos de dispositivos de ventilacin.A la cianuracin se someten las piezas despus de maquinadas y acabadas o con un pequeo sobreespesor para el rectificado. La capa cianurada obtenida a 820 - 860 C, contiene 0.7% de C y el 0.4-0.5%N. La cianuracin a las temperaturas indicadas, relativamente bajas, permite ejecutar el temple directamente despus del bao de cianuro, despus del temple se realiza el revenido a baja temperatura (180-200 C). La dureza de la capa cianurada despus del tratamiento trmico es de 58-62 HRC. La capa cianurada, en comparacin con la cementada, posee una mayor resistencia al desgaste y aumenta con eficacia el lmite de fatiga.La resistencia al desgaste se incrementa despus de la cianuracin en ms de dos veces, en comparacin con la cementacin. El lmite de fatiga de las muestras lisas (10 mm) se eleva en un 40-50% y el de las probetas con entalla en un 80-100%. Sin embargo, lo mismo que en la cementacin, en la capa cianurada se puede observar una distribucin desfavorable de tensiones residuales, lo cual trae consigo una reduccin en el lmite de fatiga. [1].3.9.2 Cianuracin a alta temperaturaPara obtener una capa de mayor espesor (0.5-2.0 mm) se emplea la cianuracin profunda o a alta temperatura, de 930 a 950 C, en un bao que contiene 8% de NaCN, el 82% BaCl2 y el 10% de NaCl (composicin del bao antes de fundirse). La superficie del bao se cubre con una capa de grafito escamoso o en polvo para evitar grandes prdidas de calor y los desperdicios de los cianuros. El espesor del recubrimiento de grafito es de 3 a 4.5 mm. El tiempo de exposicin de las piezas en el bao para obtener la capa del espesor indicado, es de 1.5 a 6 h.

Durante la cianuracin en el bao se desarrollan las siguientes reacciones:(7)(8)(9)El carbono y el nitrgeno elementales que se desprenden se difunden en el hierro. A las altas temperatura indicadas la superficie del acero se satura en mayor grado con carbono (hasta un 0.8 a 1.2%) y en grado menor, con nitrgeno (0.2%). Para obtener resultados estables de cianuracin es necesario mantener en el bao no solo la cantidad requerida de NaCN, sino que tambin de BaCl2 por eso para renovar el bao se aaden alternativamente BaCL2 y cianuro sdico de alto porcentaje. El consumo de NaCN es de 0.1% por hora con respecto a la masa de las sales en el bao, y el consumo de BaCl2, 0.4% por hora.Para disminuir la deformacin las piezas a tratar se calientan hasta 450-500C antes de ser introducidas en el bao. La cianuracin se suele realizar en hornos de electrodos con bao cermico hecho de ladrillo de magnesita.Despus de la cianuracin a alta temperatura, para afinar el grano de austenita se realiza el temple despus del recalentamiento en el bao salino o en el horno, efectundose el revenido a 180-200 C. En algunos casos el temple se hace despus del preenfriamiento hasta 800-820 C (en el bao salino intermedio), lo cual disminuye la deformacin, pero no afina el grano de austenita. Antes del temple las piezas de acero de alta aleacin se someten a un revenido a 600-620 C, para disminuir la cantidad de austenita residual. Despus del tratamiento trmico la estructura de la capa est formada por martensita con austenita residual. La dureza superficial es de 58 a 62 HRC.La cianuracin a alta temperatura posee las siguientes ventajas: poca duracin del proceso, pequeas deformaciones y torceduras de las piezas complicadas, alta resistencia al desgaste y a la corrosin. Los defectos de la cianuracin son: un difcil mantenimiento de la composicin constante del bao, grandes prdidas de calor debidas a la irradiacin de la superficie del bao, toxicidad y alto costo de las sales empleadas, as como la imposibilidad de regular el contenido de carbono y nitrgeno en la capa. El trabajo con sales toxicas, su transportacin y conservacin, el cargamento del bao, la neutralizacin de las sales, etc., requieren medidas especiales de seguridad, lo cual se convirti en la causa principal de la difusin relativamente reducida en este proceso en la industria [1].3.10 Ventajas y desventajas de la cianuracin Ventajas La cianuracin es un proceso de endurecimiento superficial relativamente econmico porque puede utilizarse aceros al carbono comunes. Es un proceso bastante rpido utilizado en aplicaciones que requieren una capa delgada y dura.

Desventajas La cianuracin puede ser un proceso riesgoso. Las sales de cianuro son venenosas, los humos resultantes pueden ser fatales si son inhalados. El rea que rodea al horno debe estar muy bien ventilado. Se deben tener cuidados especiales de seguridad cuando se manejan materiales cianurados. Si el lquido del bao de sal hace contacto con una herida abierta, los resultados pueden ser muy serios [24].3.11 Objetivos de la cianuracinLa Cianuracin puede tener por finalidad algunos de los siguientes objetivos:

Producir una elevada dureza superficial. Lograr una buena resistencia al desgaste. Obtener ambas caractersticas sobre superficies terminadas que no requieren rectificacin o bien lograr una mnima deformacin: alabeo o distorsin compatible con el uso [24].

IV. MATERIALES Y METODOS:

4.1. Material de estudio

El material utilizado para la siguiente investigacin fue el acero AISI 4140 suministrado por Bhler en forma de barra redonda de 38 mm de dimetro.Caractersticas del material de estudioa. Composicin qumicaTabla 4.1. Composicin qumica del acero AISI 4140.ElementoCSiMnCrMo

%0.410.300.701.000.20

Fuente: Manual de aceros especiales Bhler p. 27

b. Propiedades mecnicasTabla 4.2. Propiedades mecnicas del acero AISI 4140.Estado de suministroCaractersticas Mecnicas

Resistencia a la traccin (kg/mm2)Lmite de fluencia(kg/mm2)Ductilidad (%)Dureza (HRC)

Bonificado92 751432

Fuente: Manual de aceros especiales Bhler p. 27

4.1.1. Muestra Para el ensayo de durezaLas probetas para evaluar la dureza fueron cilndricas segn norma ASTM E 140, segn figura 4.1, las mismas que servirn para evaluar el espesor de capa.

Figura 4.1Probetas para el ensayo de dureza y anlisis micro estructural segn norma ASTM E-140.

Para el ensayo de desgastePara el ensayo de desgaste deslizante (contacto plano-cilindro) se utiliz las probetas segn Norma ASTM G 77. Figura 4.2

Figura 4.2 Probeta de ensayo de desgaste segn norma ASTM G 77

4.1.2. Equipos e instrumentosa. Equipos Torno CELTIC 5 HP- 60 Hz 220V Sierra elctrica TOS 3 HP- 60 Hz 220V Equipo para el ensayo de carbonitruracin liquida o cianuracin Horno elctrico: Tipo mufla de resistencia elctrica con control automtico de temperatura de 0-1200 C. Pirmetro de 0 1200 C Crisol de acero inoxidable: 16 mm x 18 mm de altura Equipo para el ensayo de desgaste Dispositivo para ensayo de desgaste (laboratorio de mquina herramienta ingeniera mecnica) que consta de lo siguiente: Torno MHASA de 3 Hp 60 Hz 220V 0 a 600 RPM Desgastador: Pastilla de carburo de tungsteno Balanza analtica: 3P2105 con 4 decimales de precisin Cronometro digital Ventilador Durmetro digital INDENTEC: Escala Rockwell C Microscopio metalogrfico LEICA: aumento 50 1000 X.b. Instrumentos Vernier MITUTOYO: 8 pulgadas. Cmara Fotogrfica CANON de 8 megapxeles.

c. Otros materiales Medio difusor: 80% BaCl2, 6% NaCN y 14%NaCl. Polvo de almina (Al2O3): de 1m - 5m. Nital 3%: reactivo de ataque qumico (97% de alcohol y 3% HNO3). Lijas: # 100 180 220 320 400 600 y 1000. Alcohol, algodn, franela y pana.

4.2. Mtodos y tcnicas

4.2.1. Modelo experimentalPara la contrastacin de la hiptesis se utiliz un diseo unifactorial con cuatro niveles y tres rplicas. Entonces el nmero de probetas fue:P = Nm x RDonde:P = N de probetas.N = Niveles de variable independientes.m = factores o variables independientes.R = nmero de repeticiones.Entonces el nmero de probetas fue:P = 41 x 3 = 12 para cada variable independiente.

Seleccin de variables:

Variables independientes:Temperatura de carbonitruracin liquida (C): 750 800 850 900.

Variables dependientes: Dureza: medida en escala Rockwell (HRC). Espesor de capa: (mm). Resistencia al desgaste: (mg).

Variables parametrizadas:Tiempo de carbonitruracin (hrs): 2Medio de temple: aceite (25 C)Temperatura de revenido: 180 CTiempo de revenido: 1 hora

4.2.2. Matriz de datos

Tabla 4.3. Modelo matricial de un solo factor para anlisis de resultados.

Temperatura de Carbonitruracin (C)Rplicas

123

t1t11t12t13

t2t21t22t23

t3t31t32t33

t4t41t42t43

ti: Temperatura de carbonitruracin o cianuracin (C)

tij: Dureza (HRC), Espesor de capa (mm), resistencia al desgaste (mg).

4.2.3. Procedimiento experimental:

Se realiz segn el diagrama de bloques de la figura 4.3.

Figura 4.3 Diagrama de bloques del proceso de cianuracin del acero AISI 4140.

a.Elaboracin y preparacin de probetas

De las barras de 38 mm x 200 mm de longitud en condicin de suministro, se maquinaron las probetas para el ensayo de resistencia al desgaste segn norma ASTM G77 (segn figura. 4.2) se prepararan 12 probetas.De las barras de 20 mm x 300 mm de longitud, en condicin de suministro se maquinaran 12 probetas segn norma ASTM E 140 para el ensayo de dureza (segn figura 4.1). Las mismas que servirn para realizar los respectivos ensayos de dureza y anlisis metalogrfico

b.Tratamiento trmico de carbonitruracin liquida o cianuracinSe utiliz un crisol de acero inoxidable de 140 mm x 180 mm de altura con su respectiva tapa. Se agreg primero el medio de cianuracin (80%BaCl2, 6% NaCN y 14% NaCl), y seguidamente se introdujeron dentro del horno a la temperatura de estudio.Despus se introdujeron en el bao de sales las probetas limpias, libres de xido, escorias, etc. previamente precalentadas, por espacio de dos horas.

c.Temple y revenidoLos crisoles se retiraron del horno y seguidamente se sacaron las probetas y se templaron en aceite hasta temperatura ambiente.Revenido de probetas, se realiz a 180 C por un tiempo de una hora.

d.Ensayo de desgasteSe realiz segn la norma ASTM G77 para ensayo de desgaste deslizante (contacto plano cilindro) considerando la prdida de peso experimentado despus de realizar el ensayo a una velocidad de 355 rpm con una carga de 19 Kg por un tiempo de 45 minutosPara determinar la resistencia al desgaste se sigui los siguientes pasos:Se pesaron las probetas cianurizadas antes del ensayo usando la balanza analticaSe realiz el ensayo de desgaste segn las especificaciones dadas en el laboratorio de mquinas y herramientas de ingeniera mecnica.Se pesaron nuevamente las probetas despus del ensayo (desgastadas) usando la misma balanza analticaEl valor del desgaste experimentado se obtuvo por la diferencia de peso que dio la balanza analtica para cada probeta, antes y despus del ensayo.

e.Ensayo de durezaSe midi utilizando el durmetro INDENTEC segn la escala Rockwell C (HRC).

f.Anlisis metalogrficoPrimero se encapsularon las probetas y luego se realiz un pulido grueso y pulido fino. Seguidamente se atacara en el reactivo nital al 3% y luego realiz su respectivo anlisis metalogrfico utilizando el microscopio metalogrfico leica: 50-1000X

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20

20

UM: mm

35

20

10

U.M. : mm