DIFUSIÓN EN EL ESTADO SÓLIDO – CEMENTACIÓN

I: INTRODUCCIÓN:

La cementación sólida de aceros comprende transformaciones de fase y por lo tanto, el cambio de las propiedades del acero, que se consiguen mediante el calentamiento hasta una determinada temperatura durante cierto tiempo y un posterior enfriamiento. Existen varios tipos de tratamientos térmicos, como el recocido, normalizado, temple y revenido, que en forma distinta cambian la estructura y las propiedades de la aleación. Cada uno de ellos se recomienda en dependencia de las exigencias planteadas a los semiproductos (piezas fundidas, forjadas, laminadas) y a los productos terminados (engranes, flechas, dados, herramientas y aceros de alta resistencia).

El tratamiento térmico de cementación sólida es una operación muy importante en el ciclo tecnológico de preparación de muchas piezas sometidas a esfuerzos, desgaste, fricción y tenacidad. Solamente con ayuda del tratamiento térmico se pueden obtener altas propiedades mecánicas del acero que garantizan un trabajo normal de los elementos modernos de las máquinas y herramientas.

La dimensión que nos interesa es el ancho ya que se usara como patrón (RECTANGULO NEGRO), SIENDO Este igual a 0.62 cm según

lo que marca Word, el rectángulo VERDE representa la capa cementada que es 0.39 cm

Aplicando una regla de tres simple tenemos:

0.5 mm=0.62 cmX mm=0.39 cm

X=0.39cm∗0.5mm0.62cm

=0.3145mm

Aplicaremos una regla de 3 simple:

Teniendo estos valores reemplazamos en nuestra formula:

Para obtener valores más rápido en función de x lo realizaremos en Excel:

Graficas de tiempo vs la capa cementada:

4.3.5: CEMENTACION DEL ACERO SAE 1020

Procedimiento de Laboratorio

1- Selección Y Corte de acero de 3/8”

Seleccionamos el acero 1020 el cual tenía unas medidas aproximadas de 4cm de largo, el cual cortamos 2 pastillas de 2 cm para hacerles el proceso termoquímico de la cementación seguido de un tratamiento térmico, temple, y así poder visualizar la capa cementada con más visibilidad.

Se realiza el corte a nuestra pastilla (con una hoja de sierra), en la cual se demora por lo menos 4 minutos, sin ejercer mucha presión a la hoja de sierra de manera que no se recaliente demasiado y como refrigerante usamos al agua.

Alistado la muestra

Después de tenerlas cortadas a la medida necesaria, pasamos cada una de las muestras por el esmeril para remover los imperfectos del corte, después comenzamos con el pulido con una lija Nº 400, y luego pasamos sucesivamente hasta la Lija No 1200.

Preparación Para La Cementación

Preparamos la muestra para realizarles la cementacion, inmediatamente las ingresamos a la mufla (Se denomina mufla a la parte refractaria de un horno en la cual se disponen los productos que deben tratarse, para protegerlos de la acción directa del fuego o de la acción oxidante del aire.), la cual consta de unas resistencias de cerámica y de ladrillos refractarios.

0.62 cm

0.39 cm

TIEMPO PARA LA CEMENTACION

7:00 – Iniciamos a elevar la temperatura9:00 – Alcanza una temperatura de 850º C (constante por 2 horas)

Al alcanzar la temperatura deseada para la cementación (850º C)Al transcurrir el tiempo requerido, 2 horas, se sacan las muestras de la mufla y esperamos que enfrié.

Esta clase de acero puede ser empleado en piezas que no estén sometidas a fuertes esfuerzos mecánicos. Considerando la escasa penetración de temple que tiene, generalmente se usa en estado normalizado. Puede emplearse en estado templado y revenido para piezas de pequeño espesor. Puede ser cementado cuando se requieren propiedades mecánicas más altas de las que pueden obtenerse con el tipo 1020 en cuyo caso se aplican las mismas normas de cementación que las especificadas para este acero.

4.3.6: TRATAMIENTO TERMICO AL ACERO SAE 1020 – TEMPLE

Como tratamiento complementario a la cementación, se realizó un temple a las probetas cilíndricas, las cuales fueron cortadas por la mitad con referencia a su diámetro. Luego el área expuesta después del corte fue nivelada con el esmeril y acto seguido lijado.

Las probetas fueron introducidas al horno durante un tiempo aproximadamente de 20 minutos a una temperatura de 850 ºC, luego fueron retiradas e inmediatamente enfriadas rápidamente en agua.

Efectos

Antes de endurecer el material, la microestructura del material es una estructura de grano de perlita que es uniforme y laminar. La perlita es una mezcla de ferrita y cementita formada cuando el acero o hierro fundido se fabrican y se enfría a una velocidad lenta. Después de enfriamiento rápido endurecimiento, la microestructura de la forma material en martensita como una estructura fina, grano de aguja.

4.4: ENSAYOS DE LAS PROBETAS

A) Ensayo de impacto

La probeta Charpy después de ser sometido al tratamiento termoquímico respectivo, cementación, que fue a una temperatura de 850ºC y por un tiempo de 2 horas.- ahora es sometida al ensayo de impacto.

La muestra se coloca horizontalmente en un patrón especial que garantiza estrictamente la posición de la incisión (ranura, entalla) en la parte media del vano entre los apoyos. El impacto es aplicado desde el lado opuesto a la incisión, en el plano perpendicular al eje longitudinal de la

muestra. El péndulo se fija en la posición superior inicial a la altura hα de 1.6m, lo que corresponde a una velocidad del cuchillo del péndulo, en el momento del impacto de 5.6 m/s. Luego la uña de fijación se retira, el péndulo cae libremente por efecto de su propia gravedad aplicado un impacto a la muestra, que se encorva y destruye elevándose en relación a su eje vertical del péndulo Charpy en un angulo β. Este angulo es tanto menor, cuanto mayor es la energía aplicada en el proceso por el péndulo para la deformación y destrucción de la muestra

Una vez realizada el ensayo, se prosigue al siguiente paso; que consta en la toma de datos y la comparación de la probeta Charpy sometida al tratamiento térmico con una probeta sin tratamiento.

Esto se realiza con la finalidad de saber cuánto de dureza (Rockwell) se a incremento en la probeta Charpy que fue sometida al tratamiento térmico (en kilopondios).

Area=8×10−3m×10×10−3m

Area=8×10−5m2

Resilencia=(marca+0.2)×gravedad

área

Resilencia=(2.75+0.2)×9.81

8×10−5

Resilencia=361,74KJ /m3

Charpy sin tratamiento:

Resilencia=(18.3+0.2)×9.81

8×10−5

Resilencia=226.86KJ /m3

B) Ensayo de dureza

Desde el punto de vista físico se define la dureza como la resistencia que oponen los cuerpos a ser rayados o penetrados por otros con los que se compara.- Las escalas de uso industrial actuales son las siguientes:

C) ENSAYO METALOGRÁFICO

Para efectuar un estudio metalográfico a una pieza, se requiere de una cuidadosa selección y preparación de la misma. La probeta deberá ser característica fiel del metal estudiado y servir para el fin a que se dirige tal estudio. La técnica de preparación de muestras es sencilla, pero requiere mucho cuidado en cada una de las etapas y sobre todo mucha limpieza. Las etapas para un ensayo metalográfico son:

Toma de muestra:

La muestra debe ser característica y representativa de las piezas a estudiar, debe escogerse la muestra del lugar que nos pueda dar mayor información o hacer Interesante el estudio. Se llevó una fracción de la probeta Charpy al microscopio donde se vio una sola estructura de grano es decir su microestructura era similar en toda la pieza es por ello que para ver a mejor detalle y para tener resultados adecuados y precisos se le aplica la metalografía.

Corte de la muestra:

Ya seleccionadas las muestras, se deberá tener precaución para seccionar la pieza a fin de no alterar sus propiedades y microestructura. Por ningún motivo se deberá sobrecalentar la muestra ya que el calentamiento puede alterar la estructura. Se debe tener en cuenta cómo se realizara el corte, ya sea longitudinal o transversamente, según el caso del estudio.

Montaje de la muestra:

El propósito del montaje es facilitar el manejo durante el pulido de la muestra y preservar los bordes, estandarizar tamaños y en algunas ocasiones identificar bien las muestras. El montaje consiste en incrustar una pequeña muestra dentro de un soporte que puede ser metálico, resina, plástico.

Desbaste de probetas:

Durante el corte de la muestra y dependiendo del método usado, se produce una deformación plástica en la superficie, la cual deberá eliminarse. El desbaste consiste en eliminar la capa deformada en la superficie de la muestra mediante la acción abrasiva de materiales con gran dureza y bordes agudos. La técnica de desbaste se describe a continuación:

La superficie a pulir se presiona y se desliza sobre la superficie abrasiva. Deberá ser refrigerada todo el tiempo con chorro de agua, que servirá para arrastrar las partículas desprendidas del metal

y abrasivo, además de enfriar la muestra para no sobrecalentarla. La muestra deberá moverse en una sola dirección, de manera que las partículas dejen rayas paralelas y de la misma profundidad. Se deberán eliminar las partículas en el chorro de agua para no contaminar el abrasivo más fino. La siguiente etapa es un abrasivo más fino, desbastando ahora a 45° ó 90° respecto a la dirección de las rayas paralelas, el nuevo rayado eliminará las anteriores. Se repiten todos los pasos anteriores hasta la última etapa del desbaste.

Pulido de muestras:

El objetivo del pulido es el de obtener una superficie plana y brillante (pulida a espejo), capaz de reflejar una cantidad de luz suficiente para poder observarla en el microscopio sin dificultad. El pulido se realiza en un material de superficie muy fina, para este caso se utiliza el paño. La finalidad de este paso es de seguir quitando material mediante el uso de polvos abrasivos de partículas muy finas. Estos se agregan sobre el paño y su importancia es tal, que su calidad depende de que al observar la

muestra se obtenga una estructura real y sin ralladuras.

Ataque de muestras metalográficas:

En general se revela la estructura de las aleaciones con un ataque diferencial o manchado de las diversas fases debido a su diferente composición química, con lo cual se tienen variadas velocidades de disolución. En aleaciones o metales monofásicos, la diferencia en velocidad de disolución no se atribuye a su composición química, sino a su orientación cristalográfica; unos granos son atacados con mayor o menor velocidad.

Antes del ataque, en la mayoría de las probetas es conveniente observarlas en el microscopio, en ocasiones los detalles son enmascarados por el ataque, así como los poros, grietas, defectos superficiales, etc. Para las inclusiones no metálicas, su evaluación se realiza sin ataque.

El ataque normalmente se efectúa de dos maneras: Inmersión o por frotación.

En cualquier caso se recomienda seguir las indicaciones que se dan respecto a la temperatura y la concentración. El tiempo de ataque varía para cada muestra dependiendo de la magnificación a la que se va a observar, se debe recordar que la probeta deberá estar completamente libre de grasa y seca antes de atacar, con el fin de lograr un ataque bueno y uniforme. En caso de sobre atacar la muestra, se deberá pulir de nuevo, ya sea en el último e inclusive hasta el desbaste fino, dependiendo del daño provocado. Los reactivos para llevar acabo el ataque químico en la muestra metálica pueden ser de diferentes características lo cual depende del tipo de material, el reactivo utilizado fue Nital al 0.5%.

REACTIVO DE ATAQUE COMPOSICION USOS

Ácido nítrico

Ácido blanco 1-5 ml

Acido metílico o etílico100 ml

Aceros al carbón a)para oscurecer la perlita y dar

contraste entre colonias de perlitas b)`para revelar las

fronteras de las perlitas ,c)para diferenciar la

ferrita de las martensitas

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

ANÁLISIS DE LAS MICROESTRUCTURAS

Probetas analizadas AnálisisLa región observada corresponde al borde de la pieza (zona hipereutectoide). Se observa una franja oscura con granos que presenta límites de grano oscuro, propios de la zona eutectoide; alejándose de la zona eutectoide, se aprecia la zona hipoeutectoide, donde se observan los granos encerrados por límites de ferrita o formas aciculares de éste.La región observada se localiza antes del borde de la pieza. Se observa granos poligonales con límites de ferrita, además de láminas largas o agujas de ferrita que entran al grano.Se observa el centro de la muestra, donde aparece una microestructura conformada principalmente por martensita con contornos de grano de ferrita .

La región observada corresponde al núcleo (zona hipoeutectoide). Se presentan granos poligonales con límites de ferrita y con maretensita.

La figura muestra claramente la película de capa cementada y su respectiva difusión del carbono de la superficie hacia el núcleo

La región observada corresponde al borde de la pieza (zona hipereutectoide). Se observa un cambio gradual de estructura. En la zona hipereutectoide se observa estructura perlitica con agujas dispersas sin orientación preferente