REPUBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELA UNIVERSIDAD RAFAEL URDANETA FACULTAD DE INGENIERIA ESCUELA DE INGENIERIA QUIMICA

EC R E D

E

ES R S O

H

DO A V R

S

EFECTO DEL PROCESO TERMOQUÍMICO DE CARBURIZACIÓN SOLIDA EN LA RESISTENCIA A LA ABRASION EN EL ACERO SAE 1020

TRABAJO ESPECIAL DE GRADO (PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO QUIMICO)

REALIZADO POR: BR. CASTILLEJO SARCOS, ISABEL CRISTINA CI. 19.546.962 BR. VICUÑA SARCOS, VERONICA BACILISA CI. 19.546.976 TUTOR ACADEMICO: PROF. GARCIA, CEZAR MARACAIBO, 2011

Dedicatoria A Dios, por haberme dado salud, fortaleza y claridad para lograr cada una de mis metas. A mis padres, por darme la vida y ser para mis pilares bases de motivación y esfuerzo. A mi hermana, por ser para mi el mejor ejemplo de perseverancia y

DO A V R

dedicación en cada una de las circunstancias de mi vida.

E

ES R S O

S

A mis abuelas y a mi madrina, por sus oraciones para mi crecimiento

CH E R Eseguir adelante. indispensableD para

personal y profesional y por recordarme a cada momento que la fe es

Isabel Castillejo

Agradecimiento A Dios, por llenar mi camino de luz, salud, amor y paciencia para finalizar de la mejor manera mi carrera. A mis padres, por acompañarme en cada etapa de mi vida. Gracias por ser mi soporte siempre y por brindarme lo necesario y hasta más para lograr todo lo que me he propuesto.

S O D A porque ha estado conmigo siempre. Gracias por ser más Vque una hermana R E ES R S O A mis abuelas yC aH mi madrina por ese trato especial y por E ERmí. Dpara incondicionales

A mi hermana, por ser uno de los mejores ejemplos de vida que he tenido y

ser

A mis profesores, que fueron más que una enseñanza profesional, una enseñanza de vida. Isabel Castillejo

Dedicatoria A ti Dios por haberme permitido llegar hasta este punto y haberme dado salud para lograr mis objetivos. A mis padres que me dieron la vida y han estado conmigo en todo momento, por darme una carrera para mi futuro, por creer en mí y por hacer de mi una mejor persona a través de sus consejos, enseñanzas y amor.

DO A V R

S

A mi hermana por estar siempre presente, brindándome su apoyo, por ser

SE E R S A mis abuelas, por todos sus consejos, por el amor que me ha dado y por O H C E su apoyo incondicional DER en mi vida. Gracias por llevarme en sus oraciones porque el ejemplo de una hermana mayor.

estoy segura que siempre lo hacen.

Veronica Vicuña

Agradecimiento A Dios, por darme salud, inteligencia y paciencia para culminar mi carrera. Gracias por guiarme e iluminar mi camino, Gracias por

llenar mi vida de

oportunidades. A mis padres, por brindarme la oportunidad de realizar mis estudios, por ser el pilar de mi vida, por acompañarme día y noche en lo que fuera necesario. Gracias a ellos quienes han sacrificado hasta lo que no han tenido para verme

S O D A y que solo depende de mí, Gracias por ser unos padresV excepcionales. R E ES R S HO A mi hermana, porC estar allí siempre que la necesitaba para prestarme su E R DE Sé que cuento con ella siempre. apoyo incondicional.

feliz, por enseñarme que no hay límites, que lo que me proponga lo puedo lograr

A mis abuelas, por todo su cariño, apoyo incondicional, abrazos, oraciones y por siempre dar lo mejor de ellas. A todos los profesores que ahora hacen de mí una mejor persona.

Veronica Vicuña

Índice General Dedicatorias Agradecimientos Resumen Abstract Introducción Índice General Índice de Figuras Índice de Tablas Índice de Graficas

DO A V R

S

Capítulo I……………………………………………………………………………….…20

SE E R S 1.2 Objetivos………………………………………………………………………….....20 O H EC R 1.2.1 General………………………….…………………………………….....20 E D

1.1 Planteamiento del problema…………….…………………………………….…..20

1.2.2

Especifico……………………………………………………………......21

1.3 Justificación de la investigación……………………………………………..........21 1.4 Delimitación de la investigación………………………………………………......22 Capítulo II……………..…………………………………………………………………..23 2.1 Antecedentes………………………………………………………………………..23 2.2 Bases Teóricas……………………………...……………………………………...24 2.2.1

Carburización…………………………………………………………....24

2.2.1.1

Carburización sólida…………………………………..………...25

2.2.1.2

Tratamientos posteriores a la carburización………………….32

2.2.2

Aceros de bajo porcentaje de carbono………………………………..34

2.2.3

Desgaste………………..……………………………………………….35

2.2.3.1 2.2.4

Desgaste abrasivo…………………………………..………..….35 Ensayos de desgaste………………………………………..………….40

2.2.4.1

Elementos………………………………………………………..40

2.2.4.2

Ensayo de abrasión ASTM G-105……………..……..……….42

2.2.5

Caracterización de los materiales……………………………………..47

2.2.5.1

Análisis químico……………………………………………..…..47

2.2.5.2

Análisis metalografico…………………………………….…….49

2.2.5.3

Ensayo de dureza………………………………………….……52

2.3 Cuadro de variables……………………………………………………….…..….55 Capítulo III………….……………………………………………………………………..57 3.1. Tipo de investigación…………………………………………………………......57 3.2. Diseño de la investigación………………………………………………….….....58 3.3 Recolección de datos……………………………………………………….…..…58 3.4 Instrumento.…….…………………………………………………………………..58 3.5. Fases del experimento……………………………………………………………61 3.5.1. Conformado de las probetas…………………………………………..…...62

S O D A 3.5.2.1. Análisis químico………………………………………………………..63 V R E ES 3.5.2.2. Análisis metalográfico inicial………………………………….…..….64 R S HORockwell…………………………….………….…66 3.5.2.3. Ensayo deC dureza E DER de las probetas……………………………………….….....67 3.5.3. Carburización

3.5.2. Caracterización de las probetas………………………………………....…62

3.5.3.1. Fabricación de los contenedores……………………………….…....67 3.5.3.2. Tratamiento térmico de carburización………………….…….…...…68 3.5.4. Gomas de neopreno……………………………………………….…..…..69 3.5.4.1. Determinación de la dureza real de las gomas………..…………..70 3.5.5. Ensayo de abrasión ASTM G-105………………………………………...70 Capítulo IV……….……………………………………………………………………….73 4.1 Análisis metalográfico…………………….………………………………….…....73 4.2. Apreciación metalográfica………………..…………………………………….....73 4.3. Examen de dureza………………………………………………………………...74 4.4. Carburización de especímenes……………………………………………….….76 4.4.1. Tratamiento termoquímico y examen de dureza Inicial…………..……..76 4.4.2. Alivio de tensiones internas y examen de dureza final……...….…….…78 4.5. Medición microestructural del espesor de la capa endurecida……………......80 4.6. Gomas de neopreno………….……………………………………………………84 4.6.1. Dureza real de las ruedas de caucho…………………………...….….…84 4.7. Ensayo de abrasión arena húmeda conducida/rueda de caucho……..……..84

4.8. Efecto de los espesores de capa endurecida en la resistencia a la abrasión…..……………………………………………………………………………….88 Conclusión Recomendaciones Bibliografía Anexos

EC R E D

E

H

ES R S O

DO A V R

S

CASTILLEJO SARCOS, Isabel Cristina; VICUÑA SARCOS, Veronica Bacilisa, “EFECTO DEL PROCESO TERMOQUÍMICO DE CARBURIZACIÓN SOLIDA EN LA RESISTENCIA A LA ABRASION EN EL ACERO SAE 1020” Trabajo Especial de Grado para optar al título de Ingeniero Químico. Universidad Rafael Urdaneta. Facultad de Ingeniería. Escuela de Química, Maracaibo, Venezuela, 2011.

Resumen Durante la consecución de esta tesis, se inspeccionó el comportamiento al desgate abrasivo presentado por piezas de acero SAE 1020 carburizadas a diferentes tiempos. Se trataron 4 especímenes para conseguir distintos profundidades de capa endurecida. Con la ayuda del Departamento de Materiales y Metalurgia, EIM-LUZ, se ejecutaron las pruebas de desgaste abrasivo según el ensayo de arena húmeda conducida/rueda de caucho, bajo la ASTM G 105. Los resultados muestran que los datos obtenidos en laboratorio pueden usarse para interpretar el comportamiento frente al desgaste abrasivo de acero SAE 1020. Se apreció que el tiempo de carburización influye en el espesor de la capa, y que materiales con espesores de capa mayores indicaron mejor resistencia a la abrasión. Igualmente, a medida que aumenta el espesor de capa, la dureza del material aumenta también.

EC R E D

E

H

ES R S O

DO A V R

Palabras Clave: Acero, carburización, desgaste abrasivo, dureza.

Emails: [email protected]; [email protected]

S

Introducción

El desgaste es el daño de la superficie por remoción de material de una o ambas superficies sólidas en movimiento relativo. En este proceso las capas más superficiales de un sólido se desprenden de la superficie del mismo. Los análisis de los sistemas han demostrado que la mayoría de las fallas mecánicas se deben al desgaste de las superficies en rozamiento. Pudiendo concluir entonces que para aumentar la vida útil de un equipo se debe disminuir el desgaste al mínimo posible. la cementación es un tratamiento termoquímico en el que se adiciona

OS D A V a continuación a composición, impregnado la superficie y sometiéndola R E S R un tratamiento térmico. La importancia deE la misma radica en que endurece la S O H C superficie de un material sin modificar su núcleo, creando así una pieza resistente E ER a la fatiga y aD la vez con una superficie de acero con una mayor concentración de

carbono a la superficie de una pieza de acero mediante difusión, modificando su

carbón y con una mejor resistencia al desgaste.

La siguiente investigación tiene como propósito desarrollar parámetros de referencia para la evaluación y control del proceso termoquímico de carburización a fin de producir piezas que presenten mayor resistencia al desgaste abrasivo. Esta tesis se encuentra estructurada en cuatro capítulos definidos según los aspectos documentales y experimentales pertinentes. El trabajo presentado está conformado de la siguiente manera: 

CAPÍTULO I. Conformado por el planteamiento del problema, donde se encontraran los aspectos importantes de la investigación, la justificación de la investigación donde se encuentra expresado el porqué se está realizando dicho trabajo y la delimitación.



CAPÍTULO II. Conformado por todos los argumentos teóricos en que se basa la investigación y una reseña cronológica de algunas investigaciones realizadas anteriormente en el mismo tema.



CAPÍTULO III. Constituye el método mediante el cual se realizó todo el análisis e interpretación de los resultados.



CAPÍTULO IV. Conformado por la presentación y discusión de los resultados, un análisis a las mejoras realizadas al proceso y las conclusiones generadas.

EC R E D

E

H

ES R S O

DO A V R

S

1

Capítulo I

1.1 Planteamiento del problema Para nadie es un secreto la exigencia que plantea una economía globalizada, mercados altamente competitivos y un entorno variable donde la velocidad de

OSAsí pues, el D A enfoque científico de toda industria, se apoya E enR la V ingeniería de materiales y S E Rel desarrollo constante de métodos de corrosión para mantener como premisa S O CH tipos de aceros. Es por ello que los fenómenos de análisis y diseño de R losE distintos DE transferencia de masa implicados durante el servicio de dichas piezas han sido cambio sobrepasa en mucho nuestra capacidad de respuesta.

simulados y ensayados en varias ocasiones. Aun así, existen vacios, en especial al intentar conocer los mecanismos por los cuales una sustancia orgánica luego de descomponerse genera especies donantes de carbono a la superficie metálica. Tomando en consideración que el acero al carbono SAE 1020 es uno de los principales aceros utilizados para fabricar piezas de mediano tamaño, ruedas dentadas, pernos de seguridad entre otras piezas; se evaluara químicamente a través de esta investigación, el proceso termoquímico progresivo de carbonización solida para la optimización de la resistencia abrasiva de acero SAE 1020, bajo la norma ASTM G-105. 1.2 Objetivos 1.2.1

General

Evaluar la influencia de la capa carburizada sobre la resistencia a la abrasión del acero SAE 1020.

2 1.2.2 Especifico 

Determinar la resistencia a la abrasión de muestras de acero SAE 1020 sometidos a diferentes tiempos de carburización.



Graficar la curva de espesor endurecido vs. Resistencia a la abrasión.



Establecer el tiempo de carburización solida más efectivo para lograr la optimización rentable de las características abrasivas del acero SAE 1020.

1.3 Justificación de la investigación

E

ES R S O

DO A V R

S

CH E R E aplicación de D un tratamiento termoquímico que aumente la dureza (manteniendo la Se justifica desde el punto de vista práctico por ser un estudio destinado a la

tenacidad) del acero SAE 1020. Además, posterior al tratamiento termoquímico como tal, se correrían varias pruebas en una maquina de abrasión para evaluar la contribución físico-química sobre la resistencia abrasiva según los diferentes espesores obtenidos ante la acción de un medio abrasivo controlado y compuesto por arena silica y agua desionizada. Así pues, científicamente hablando, se graficará experimentalmente un curva inédita de abrasión vs. espesores endurecidos por carburización que permitirán el análisis de las ventajas que trae el experimento y el diseño de posteriores tratamientos basados en la manipulación de variables experimentales definidas y configuradas durante la consecución de esta investigación. Este estudio estaría enmarcado bajo la estructura de una estrategia química experimental de optimización industrial que se valga del aumento del contenido de carbono en la capa superficial de dichas piezas para generar en ellas superficies duras que el impartan resistencia y un núcleo tenaz que le permita soportar impactos propios del servicio regular que sufren los engranajes.

3

1.4 Delimitación de la investigación 

Espacial La investigación sería llevada a cabo a nivel experimental en las

instalaciones de la Facultad de Ingeniería, Laboratorio de Materiales, Laboratorio de Ensayos No Destructivos, Centro de Estudio de Corrosión de la Universidad del Zulia, bajo la utilización de los equipos disponibles en dichas instalaciones. Las

DO A V R

probetas a utilizar serían obtenidas en la industria privada local. 

Temporal

E

ES R S O

S

CH E R E investigación se realizara en un lapso comprendido entre el Dde Este trabajo mes de septiembre 2010 y abril de 2011. 

Científica

La investigación está orientada a la evaluación del proceso de carburización solida en acero SAE 1020, con el fin de evaluar, explicar y describir los efectos que produce la manipulación de variables independientes del proceso de carburización solida (temperatura y tiempo de carburización) sobre las propiedades termoquímicas del acero SAE 1020.

Capítulo II

2.1 Antecedentes A

continuación

se

exponen

de

manera

resumida

los

precedentes

documentales tomados en cuanta para esta investigación.

S O D A Sánchez (2009), en su trabajo especial de grado V titulado “Evaluación de la R E ES ferrosas” para obtener el título resistencia al desgaste abrasivo de fundiciones R S O de Ingeniera Mecánica de laHUniversidad del Zulia en Maracaibo, Estado Zulia C E R Venezuela. DE El objetivo general de la investigación fue el de analizar experimentalmente la resistencia al desgaste abrasivo de distintos tipos de fundiciones ferrosas mediante el método de ensayo de arena húmeda/rueda de caucho de acuerdo a la norma ASTM G-105. La muestra estuvo constituida por 8 probetas de 4 diferentes tipos de fundiciones. La investigación contemplo la caracterización química y metalografía de las probetas respectivas. Los resultados revelaron que la variable más influyente en el comportamiento por desgaste abrasivo es la dureza promedio del material, la cual, mostro una relación directa con la resistencia a la abrasión de fundiciones ferrosas estudiadas sin tratamiento térmico aplicado. Se justifica la revisión de esta investigación ya que contempla la metodología del equipo de abrasión a utilizar a la vez que permite vislumbrar aspectos científicos de análisis, propios de este tipo de investigaciones. Montiel (2008), “Evaluación de la resistencia a la abrasión en aleaciones metálicas empleadas en la industria minera” en Maracaibo, estado Zulia,

Venezuela. La investigación de contemplo el estudio de aleaciones empleadas en la compañía Carbones del Guasare, S.A., mediante el ensayo de arena húmeda/rueda de caucho de acuerdo a la norma ASTM G-105. La muestra estuvo constituida por 8 probetas, provenientes de 4 piezas utilizadas en los principales equipos de exploración y producción de la empresa. Se realizo un Software de procesamiento del cúmulo de datos arrojados por el ensayo realizado, para proceder de manera más rápida y fiable. Los resultados revelaron la inexistencia de una relación directa entre las propiedades químicas estudiadas, esto se debió a que hubo materiales que exhibieron mayor resistencia a la abrasión debido a que

DO A V R

S

no presentaban elementos aleantes y no estaban tratados térmicamente.

E

ES R S O

Se justifica la revisión de esta investigación ya que esta proporciono como

CH E R Elos datos arrojados por el ensayo de abrasión de la presente procesamientoD de

resultado un programa de análisis matemático que será aplicado para el investigación, todo esto de una manera expedita, contrario a la ejecución de los cálculos manuales. 2.2 Bases Teóricas 2.2.1

Carburización.

Gonzales (2007), el proceso de carburización consiste en añadir carbono a una capa superficial de acero, rodeándola de un producto carburante y calentándola a una temperatura adecuada. Una vez terminada la operación se templa y reviene la pieza, quedando con gran dureza superficial y buena tenacidad en el núcleo. Los aceros empleados son de bajo contenido de carbono, no superior a 0.3%, utilizándose también aceros aleados con níquel, cromo y molibdeno especialmente adecuados para carburización. La operación se realiza entre 850 a 950°C, es decir, con el acero en estado austenítico y el hierro en forma de hierro gamma, que es cuando tiene mayor capacidad de disolución de

carbono. Una vez absorbido el carbono, en la capa periférica tiene lugar un proceso de difusión del carbono hacia el interior de la pieza. La proporción de carbono de la capa carburada aumenta con la temperatura de carburización, pudiendo llegar (en ciertos casos) hasta 1.76% de carbono a 1130°C. En general las proporciones de carbono que se consideran más adecuadas oscilan entre 0.50 y 0.90%, con las que se consigue después del temple durezas de 64 a 66 Rockwell C. No conviene pasar del 0.9% de carbono, pues a partir del 1% se forman carburos y redes de cementita que debilitan la capa

S O D A exceso de carbono en la capa carburizada, se le da aVlas piezas un recocido en R Ede S E una atmósfera apropiada, con lo cual, además disminuir el porcentaje de R S HO carbono, se uniformiza la composición. C E DER carburizada y tiende a descascarillarse. Para evitar este accidente en caso de

El espesor de la capa carburizada depende de la temperatura y el tiempo que dure la operación. El espesor más corriente varía de 0.5 a 1.5 mm. En ocasiones, se utilizan espesores inferiores a 0.5 mm para piezas pequeñas que no han de sufrir rectificado posterior. Excepcionalmente se carburizan capas de 3 a 4 mm, normalmente en la construcción de capas para blindajes. Respecto de las materias carburizantes, pueden ser sólidas, líquidas a la temperatura de carburización (baños de sales) y gaseosas; y se explican en la siguiente sección. 2.2.1.1

Carburización sólida

La carburización sólida es un proceso en el cual el monóxido de carbono derivado de un compuesto sólido, se descompone sobre la superficie de un material metálico. Pese a que actualmente no es utilizado como un proceso comercial, debido a que ha sido reemplazado principalmente por procesos más

controlables como la carburización líquida y gaseosa, aún tiene usos y aplicaciones especializadas, como la producción de pequeñas series o individual. a. Aplicabilidad de las leyes de Fick y la ley de Harris de difusión. Naveda (2003), El filósofo alemán de reconocido prestigio científico Adolf E. Fick (1829-1901) en su afán por demostrar que las ciencias básicas pueden ser usadas para fundamentar la medicina, desarrolló en 1855 una ley cuantitativa en forma de ecuación diferencial que describe diversos casos de difusión de materia

S O D A térmico. Así pues, los procesos físicos de difusiónVpueden ser vistos como R E S E procesos físicos o termodinámicos irreversibles. Inicialmente la primera ley de Fick R S O H define la difusión en estado estacionario, en el cual las condiciones permanecen C E ER invariables enD el tiempo. o energía en un medio en el que inicialmente no existe equilibrio químico o

 Átomos   m 2  C  Átomos 1     D    J  2   3 m  s s  Y m m     

Ecuación 1

Donde “ J ” es la densidad de flujo. “ D ” es la difusividad o coeficiente de difusión y “ C / Y ” es el gradiente de concentración. Para casos de difusión en estado no estacionario, en el cual la difusividad es independiente del tiempo, se aplica la segunda ley de Fick. Esta ley establece que la velocidad de cambio de la composición de la muestra es igual a la difusividad por la velocidad del cambio del gradiente de concentración. Así pues, se utiliza una solución particular para los casos en los cuales se difunde un gas en un sólido, como lo es el caso de la carburización del acero.   Cs  Cx x   Fer  Cs  Co 2 Dt 

Ecuación 2

Donde, “ Cs ” es la máxima solubilidad de carbono en austenita, “ Co ” es la concentración inicial uniforme del sólido, “ Cx ” la concentración del soluto a una distancia “ x ” de la superficie en tiempo t , “ D ” el coeficiente de difusión, “ t ” el

tiempo y “ Fer ” es la función de error gaussiano, basada en la integración de la “curva de campana”. Por su parte, la ley de Harris es una expresión matemática basada en las leyes de difusión en estado sólido, con el fin de evaluar el tiempo y la temperatura para realizar la carburización. X ( m) 

31,6  t 10

 6700    T 

Ecuación 3

S O D A tiempo en horas y “ T ” la temperatura absoluta en la escala V Rankine. R E ES R S HO Amplia cantidad de C investigaciones y experimentos se han desarrollado en E R DE base a las antes mencionada leyes.

Donde “ X ” es la profundidad de la capa carburizada en pulgadas, “ t ” el

Sigue indicando el autor, que la aplicación de las leyes de Fick para un acero aleado AISI 8620 y un acero al carbono 1020 sirven únicamente como apreciación del comportamiento que presenta dicho material bajo un tratamiento térmico de carburización sólida a lo largo de su superficie. La ley de Harris arroja resultados satisfactorios cercanos a los que se obtienen experimentalmente para determinar la capa carburizada. Sin embargo, la aplicabilidad de las leyes de Fick y la ley de Harris por separado en un tratamiento térmico de carburización sólida no ofrecen resultados satisfactorios, en cambio, la aplicación de ambas leyes en un mismo proceso ofrece información completa respecto del espesor de la capa carburizada y su variación a lo largo de la superficie del material. b. Componentes carburizantes ASM (2000), expone que el carbonato de bario ( BaCO3 ) puede ser utilizado como energizador principal, comprendiendo usualmente del 50 al 70% del

contenido total de carbonato. El resto de agentes carburantes usualmente son: carbonato de calcio (CaCO3 ) , carbonato de sodio ( Na 2 CO3 ) y carbonato de potasio ( K 2 CO3 ) . Debe tomarse en cuenta que el carbonato de bario ha sido denotado por el gobierno de los Estados Unidos como una amenaza a la salud, debido a su toxicidad, siendo descartado en las operaciones de carburización sólida. c. Control del proceso

OS D A Vuna función del potencial R carburización, la concentración de carbono obtenida es E ES R del carbón, la temperatura, el tiempo de carburización y la composición química S O H C Eespeciales del acero. Dos factores en el control del proceso de la carburización R E D sólida son: ASM (2000), En la carburización sólida, como en otros procesos de



La posibilidad de variación en la profundidad de la capa de las piezas habidas dentro de un mismo horno, debido a la diferencia existente entre los procesos previos a los cuales pueden haber sido sometidas.



La distorsión de una o varias piezas mientras se carburiza puede evitarse apoyándola(s) apropiadamente sobre el material carburizante.

Potencial de carbono: el potencial de carbono generado en la atmósfera por el material carburizante, así como el contenido de carbono obtenido en la superficie de trabajo, crece directamente con el aumento en la tasa de monóxido de carbono y dióxido de carbono. Además, hay más carbono disponible en la superficie con el uso de energizadores y materiales carburizantes que promuevan la formación de monóxido de carbono. Temperatura:

la

carburización

sólida

se

ejecuta

normalmente

a

temperaturas de 815 a 955°C. En los años recientes los límites superiores han sido levemente incrementados, y temperaturas de carburización tan altas como

1095°C han sido utilizadas. Los procesos de fabricación del acero han mejorado hasta el punto en el cual se puede mantener un tamaño de grano fino a temperaturas cercanas o superiores 1040°C. Por encima de esta temperatura, el efecto sobre el material ocurre solo después de prolongados períodos de tiempo. La tasa a la cual se forma la capa carburizada aumenta rápidamente con la temperatura. Si un factor de 1.0 es representativo de 815°C, el factor alcanza hasta 1.5 a 870°C y hasta más de 2.0 a 925°C. Contenedores mejorados, aceros de grano fino, y otras mejoras permiten actualmente el uso de una amplia variedad de temperaturas.

E

ES R S O

DO A V R

S

El contenido de carbono en la superficie es aproximadamente aquel que se

CH E R operación,DelEnivel de carbono

alcanza en el límite de saturación del carbono en etapa austenítica. A temperatura de

promedio deseado en la capa depende

directamente de la temperatura de carburización. Cuando se desean capas eutectoides, la temperatura de carburización es normalmente 815°C. Mientras se necesite más carbono en la capa, mayor debe ser la temperatura. Tiempo: la tasa de carburización será mayor a principio del proceso y disminuye gradualmente conforme se prolonga el mismo. Composición del acero: cualquier acero con algún grado de carbono o elementos aleantes puede utilizarse en la carburización sólida. Se considera generalmente que la tasa de difusión de carbono en el acero no está influenciada mayoritariamente por la composición del mismo. Sin embargo, la composición química afecta la actividad del carbono y puede afectar el nivel de carbono a una temperatura particular. Profundidad de capa: aún con excelentes procesos de control, es difícil obtener piezas con una variación total de capa de menos de 0.25 mm de máximo a mínimo, en un horno dado, asumiendo temperatura de carburización a 925°C.

Las tolerancias comerciales para profundidades de

capa obtenidas en

carburización sólida comienzan en Debido a la variación inherente en la profundidad de la capa y el costo de los materiales para carburizar, la carburización sólida no se usa normalmente en trabajos que requieran una profundidad de capa menor a 0.8 mm. Distorsión geométrica de la pieza: normalmente se nota más al aumentarse la temperatura del proceso. En ocasiones, la temperatura de carburización es seleccionada basándose en la máxima cantidad de distorsión permitida. De igual

DO A V R

S

manera, seguir el procedimiento apropiado para el empacado del contenedor ayuda a minimizar la distorsión.

EC R E D

E

ES R S O

H

d. Hornos para la carburización sólida

ASM (2000), la aplicabilidad de un horno para carburización sólida depende de su capacidad (a un costo razonable) para proveer la capacidad térmica adecuada y uniformidad de temperatura (los hornos deben ser controlables entre piezas de trabajo a las temperaturas requeridas. Modernos sistemas de calentamiento y construcción de hornos ofrecen una amplia capacidad de calentamiento y uniformidad en la temperatura en un amplio través de toda la sección de trabajo en un horno largo. Muchos hornos incorporan la compensación automática de pérdida de calor en las puertas u otros puntos de conexión. Para mantener buena uniformidad es necesario cargar el horno tan uniformemente como sea posible y permitir el espacio adecuado entre los contenedores (50 a 100 mm o más) para permitir la circulación de los gases calientes.

e. Contenedores ASM (2000), Son fabricados generalmente de acero al carbono o aleaciones térmico-resistentes de hierro-cromo-níquel. Independientemente del material, la tendencia ha sido la construcción de contenedores más ligeros, usualmente equipados con ranuras dispuestas para generar una junta hermética entre el cuerpo del contenedor y la cubierta. Dichas cubiertas están usualmente fabricadas de simples láminas de metal o material refractario, que a su vez pueden aportar rigidez al contenedor. Debe tomarse en cuenta la correcta expulsión de los “gases de exceso” generados dentro del contenedor. f.

Procedimiento

ASM

E

ES R S O

CH E R DE previo al procedimiento (2000),

DO A V R

S

concreto para la ejecución del

tratamiento de carburización es necesario tener en cuenta las siguientes consideraciones: 

En el caso específico de la carburización sólida, no es necesario el contacto íntimo entre el carburizante y la pieza, sin embargo, está última debe estar apropiadamente apoyada y soportada por el material carburizante.



La capa de carburizante que rodea la pieza debe ser lo suficientemente pesada como para permitir la contracción del carbón y aún así mantener un alto potencial de carbono durante el tratamiento, por otro lado es importante que no sea tan pesada como para retardar excesivamente el calentamiento de la pieza.



Si el contenedor puede diseñarse especialmente para alojar la forma de la pieza, el carburizante será uniforme y tendrá un espesor mínimo.



Densidad trabajo-carga: es un factor obtenido del peso neto la pieza a carburizar divido por el peso general (peso del contenedor+la(s) pieza(s)), este factor es importante en la eficiencia de la carburización

sólida, puesto que afecta el tiempo de calentamiento y enfriamiento. Mientras más bajo sea este porcentaje, más baja es la eficiencia relativa del proceso. En lo que respecta al procedimiento en sí, es relevante exponer la operación desagradable que puede suponer el empacado de piezas para carburización sólida. Es por ello que la planificación para la correcta asociación de los contenedores, piezas y material carburizante; minimiza su manejo innecesario. El procedimiento consiste inicialmente en depositar de 13 a 50 mm de

S O D A piezas sobre el carburizante. De ser posible, es recomendable V empacar las piezas R E EdelS contenedor. El siguiente paso es con la cara más alargada frente a la base R S O colocar una capa superiorC deH carburizante de espesor mínimo (recomendado) de E DERse coloca la tapa sobre el cuerpo del contenedor y se 25 mm. Finalmente, carburizante en el cuerpo vacío del contenedor. Posteriormente se posicionan las

introduce en el horno a la temperatura seleccionada. 2.2.1.2

Tratamientos posteriores a la carburizacion.

ASM (2000), los tratamientos últimos de las piezas carburizadas son un poco complicados debido a la diversidad del porcentaje de carbono entre el núcleo y la capa carburizada. Los aceros de carburización contienen alrededor de 0.2% de carbono. En cambio en la capa carburizada suelen obtenerse porcentajes de 0.8 a 0.9%. Las temperaturas de austenización, varían según el porcentaje de carbono, siendo la de los aceros con 0.1 a 0.2% de carbono, próxima a los 900°C, por su parte, en los aceros de 0.8% de carbono la temperatura de austenización no supera los 750°C. a. Temple ASM (2000), tiene como finalidad, endurecer y aumentar la resistencia de los aceros. Para ello, se calienta el acero a una temperatura ligeramente más elevada

que la crítica superior y luego se enfría rápidamente en un medio conveniente, agua, aceite, entre otros. Montiel (2008), explica que

con este tratamiento se mejoran las

características mecánicas, aumentando la resistencia a la tracción, límite elástico, dureza, a costa de disminuir el alargamiento y la resiliencia, por otra parte se modifican las propiedades físicas y químicas, caracterizado principalmente por la obtención de martensita.

S O D A necesite alta resistencia a la abrasión, pero requiere una Vvelocidad de enfriamiento R E ES se encargarán de producir otras rápida. Así pues, tasas de enfriamiento lentas R S O H microestructuras que al igual que la martensita poseen grandes aplicaciones en la C E DER industria. Glaeser (2000), según este autor la martensita es deseable siempre que se

Casi todos los aceros destinados al uso industrial se pueden templar, por ejemplo los aceros para resortes, aceros para trabajo en frío, aceros de temple y revenido, aceros para rodamientos, aceros para trabajo en caliente y aceros de herramientas, así como una gran cantidad de aceros inoxidables de alta aleación y aleaciones de hierro fundido. b. Revenido Consiste en un calentamiento posterior al temple ejecutado a temperaturas entre 150°C a 200°C, teniendo como misión casi únicamente reducir tensiones, pues la martensita del núcleo (cuyo contenido de carbono es muy bajo) queda suficientemente tenaz después del temple. Sin embargo, dependiendo de la temperatura seleccionada, el revenido es capaz de modificar las propiedades del material para cumplir los requisitos técnicos relevantes.

En la mayoría de los casos el revenido se realiza después del temple como parte del mismo proceso. En algunas ocasiones el temple es seguido por un proceso bajo cero para potenciar al máximo la transformación de martensita antes del proceso de revenido. Este enfoque puede ser apropiado en algunas aplicaciones específicas. 2.2.2

Aceros de bajo porcentaje de carbono

Jaykant (2009), este grupo tiene mayor resistencia y dureza que la serie SAE

S O D A Son los comúnmente llamados aceros de cementación V (también se les conoce R E ES para forjas. como acero estructural). Los calmados se utilizan R S HO C E ERdenominaciones de estos aceros comprenden la serie SAE Dlas Asimismo, 1000 a 1015 (muy bajo porcentaje de carbono), disminuyendo su deformabilidad.

1016 a 1030. Su respuesta al temple depende del % de C y Mn; los de mayor contenido tienen mayor respuesta de núcleo. Los de más alto % de Mn, se endurecen más convenientemente en el núcleo y en la capa. Cabe destacar que en esta sección se incluye el acero a tratar en esta investigación bajo denominación SAE 1020. Dicho material tienen buena ductibilidad y excelente soldabilidad. Igualmente es apto para soldadura y brazing y además su maquinabilidad mejora con el forjado o normalizado, y disminuye con el recocido. 2.2.3

Desgaste

2.2.3.1

Desgaste abrasivo

ASM (2000), se denomina abrasión a la acción mecánica de rozamiento y desgaste que provoca la erosión de un material o tejido. Así pues, en el siguiente apartado se define el desgaste de tipo abrasivo. Se explican de manera general

las condiciones que lo generan y su correspondencia con las propiedades del material, así como también la influencia que tiene el medio circundante en él. El desgaste abrasivo se produce al forzar el contacto entre sí de partículas a lo largo de una superficie sólida. Cuando dos superficies hacen contacto, el desgaste ocurre en ambas superficies. La tasa de desgate a la cual las superficies se abraden depende de las características de cada superficie, la velocidad de contacto, y otras condiciones ambientales. Así pues, viéndolo desde un punto de vista concreto, las tasas de pérdida de masa no son inherentes al material.

S O D A el ambiente al cual se encuentra expuestos (figura 1). VEn primera instancia los R E S cuerpos, cuando el abrasivo se Edos tipos de contacto incluyen el desgasteR de S O cuerpos, cuando el abrasivo es atrapado entre Htres desliza por la superficie y C el de E ERotra parte también pueden clasificarse como contacto libre o DPor dos superficies. La abrasión es típicamente clasificada de acuerdo con los tipos de contacto y

en su defecto contacto restringido.

Figura 1. Formas de abrasión. Fuente: ASM Metals Handbook Vol.18 (2000) La abrasión es categorizada también como de bajo esfuerzo, alto esfuerzo o de desgarramiento y a continuación se explican: Abrasión de bajo esfuerzo: en general, es el tipo de abrasión menos severa. Las piezas se desgastan debido a la acción del arado repetido que producen las partículas duras y afiladas que se mueven por la superficie del metal a velocidades variables. La velocidad, la dureza, el filo del reborde, el ángulo de ataque y el

S O D A abrasión. Los componentes típicos sometidos a abrasión V de baja tensión incluyen R E ES toberas de bomba de pulpa, implementos agrícolas, tornillos sinfín, clasificadores, R S HO canaletas y ductos de transporte de material equipos de proyección de arena, C E DER abrasivo. tamaño de las partículas abrasivas se combinan para influir sobre el efecto de la

Abrasión de alto esfuerzo: es más intenso que el simple desgarro y ocurre cuando pequeñas y duras partículas abrasivas son presionadas contra una superficie metálica con suficiente fuerza como para fracturar la partícula hasta triturarla.

Generalmente,

la

fuerza

de

compresión

la

proporcionan

dos

componentes metálicos con el elemento abrasivo aprisionado entre ellos. La superficie se torna áspera producto del desgarro, lo cual, puede provocar grietas superficiales. Los componentes comúnmente sometidos a este tipo de abrasión son las barrenas, palas excavadoras, molinos pulverizadores, molinos de bolas, rodillos trituradores, entre otros. Abrasión por desgarramiento: cuando la abrasión de alto y/o bajo esfuerzo va acompañada de algún grado de impacto y/o carga el resultado del desgate puede ser extremo. En la superficie del metal se producen severas deformaciones y surcos, cuando objetos macizos, son presionados fuertemente en su contra. Los componentes que suelen sufrir este tipo de abrasión son las palas mecánicas, los baldes tipo concha de almeja, las trituradoras de pera y las de mandíbula

a. Reciprocidad entre las propiedades del material y el desgaste abrasivo ASM (2000), en lo que respecta al comportamiento del material en condiciones de desgaste abrasivo, existen propiedades intrínsecas del mismo que afectan y alteran su funcionamiento bajo dicha condición. Estas propiedades abarcan dureza, módulo de elasticidad, esfuerzo de cedencia, temperatura de fusión, estructura cristalina, microestructura y composición.

S O D A demostrado experimental y teóricamente que la dureza V de un material se R E EdeSabrasión. Dichos investigadores correlaciona directamente con su tasa R S O H desarrollaron gran cantidad de ensayos y descubrieron que existe una relación C E R inversa entreD laE tasa de abrasión y la dureza para materiales metálicos y Khrushchov y Babichev (1958), según estos investigadores se ha

aleaciones puras. Por su parte el desgaste abrasivo resulta ser dependiente de la estructura y orientación cristalina. Alison y Wilman (1964), según estos autores se demostro que la tasa de desgaste en metales cúbicos es aproximadamente el doble que la de metales con estructura cristalina hexagonal, esto fue atribuido a la menor capacidad de endurecimiento por deformación de los metales hexagonales. Tylczak (2000), según este autor la microestructura también resulta importante para el estudio del complejo fenómeno de desgaste que representa la abrasión, y sobre este particular se ha determinado que microestructura como austenita y bainita de igual dureza son más resistentes a la abrasión de ferrita, perlita o martensita. Esto se debe a que la austenita presenta una mayor capacidad de endurecimiento por esfuerzo y ductilidad.

Continúa el autor indicando que una manera típica de modificar las propiedades de un material es producir una segunda fase, a través de tratamientos térmicos, los cuales pueden causar la formación de precipitados que dan lugar a grandes aumentos de dureza y esfuerzos de cedencia. Un caso particular de este fenómeno es la formación de carburos en las fundiciones blancas aleadas. b. Influencia del ambiente en el desgaste abrasivo

S O D A factores V que influyen R

ASM (2000), Además de las propiedades del material, el ambiente también en los E ESy sus características, temperatura, procesos de abrasión son: tipo de abrasivo R S O H velocidad de contacto, carga del abrasivo en el material y efecto corrosivo. C E DER contribuye con el desgaste abrasivo. Algunos

Algunas de las características que presentan los abrasivos son: dureza, tenacidad y tamaño del abrasivo. En primer lugar, a medida que la dureza del abrasivo excede a la del material abradido, la abrasión se vuelve peor, tal como se muestra en la siguiente figura, ya que la partícula abrasiva es capaz de penetrar la superficie y cortar material, aún si sus esquinas son redondas.

Figura 2. Efecto de la dureza del abrasivo respecto de la dureza del material. Fuente: ASM Metals Handbook Vol.18 (2000) Por su parte, la forma de las partículas abrasivas es también importante, ya que ejerce una influencia relevante en los surcos producidos en el material.

Avery (1961), señala que la tenacidad de las partículas de abrasivo es un factor relevante durante la abrasión, la pérdida de material se incrementa cuando la tenacidad del material abrasivo aumenta. Con respecto a la temperatura, es de esperar que el desgaste abrasivo se incremente con aumento de la temperatura, debido a que la dureza y esfuerzo de cedencia disminuyen. Sin embargo, Soemantri (1985), estudió materiales como el aluminio y el cobre, y encontró que cuando su temperatura es mayor que la temperatura

S O D A propone que la razón de este pequeño cambio se debeVa que durante la abrasión, SER E pequeñas áreas son adiabáticamente R calentadas por lo que el metal fluye y se S HO reduce el esfuerzo, independientemente de la temperatura de inicio, lo mismo C E R E abrasivo. Se ha demostrado que la tasa de desgaste ocurre con elD desgaste ambiente, es muy poco el cambio observado en la tasa de desgaste abrasivo. Se

abrasivo es ligeramente incrementada por aumentos de velocidad, en un rango de 0 a 2,5 m/s. Este aumento es atribuido al calentamiento producido por la fricción aún cuando.El efecto es pequeño debido a que la abrasión está cerca de ser un proceso adiabático. En cuanto a la carga, se ha demostrado que es proporcional al desgate abrasivo. Sin embargo este efecto desaparece cuando la carga es lo suficientemente grande para fracturar las partículas de abrasivo. Si las partículas abrasivas son fracturadas y se crean nuevas partículas filosas, el desgaste se incrementa, pero si las nuevas partículas son redondeadas, el desgaste disminuye. El desgate corrosivo es frecuentemente incrementado por condiciones corrosivos, particularmente en condiciones de bajo pH. Esto se debe a que la abrasión da lugar a una superficie nueva que rápidamente se corroe, y la capa protectiva contra la corrosión del material es removida por abrasión. En este sentido, Madsen (1987) empleando un aparato de mezclas abrasivas demostró que el efecto combinado de abrasión y corrosión puede representar un desgaste total de dos veces el desgate de cada uno de los fenómenos

2.2.4

Ensayos de desgaste

2.2.4.1

Elementos

ASM (2000), Los elementos generales de todo ensayo de desgaste de laboratorio son: simulación, aceleración, preparación de espécimen, control del ensayo, medición de desgaste y reporte de datos obtenidos. H. Czichos (1978), según este autor la simulación es el elemento más

S O D A comportamiento experimentado en la prueba de laboratorio V es el mismo que en su R E S exactamente la situación de Eduplica aplicación. El ensayo de desgaste ideal R S HO desgaste, sin embargo loC más relevante es generar los mismos mecanismos de E R DEen la aplicación real. desgaste habidos

importante de las pruebas de desgaste, porque esta asegura que el

Sigue indicando el autor que la aceleración en los ensayos de desgaste es importante porque reduce el tiempo, costo y el esfuerzo necesario para la ejecución del mismo. Ahora bien la aceleración puede influenciar o cambiar la respuesta del material. Aún así todos los ensayos de desgaste de laboratorio son acelerados de un grado a otro, ya sea midiendo cantidades más pequeñas de desgaste o aplicando cargas, velocidades o temperaturas más altas. Preparación de espécimen y control del ensayo: son importantes porque determinan el grado de precisión de la data obtenida. En cualquier método de ensayo es importante reducir tanto como sea posible el número de factores que afectan el resultado final. Idealmente, los ensayos de desgaste deben reflejar diferencias en el material y no diferencias en la operación del ensayo. Así mismo, la preparación del espécimen es crítica ya que cada ensayo debe comenzar con un espécimen idéntico al anterior en términos de geometría, acabado superficial, entre otros. Es importante mencionar que el control correcto

de los parámetros de operación del aparato de ensayo como carga, velocidad, construcción del instrumento, ambiente, ubicación, alineación, orientación y suministro de abrasivo son cruciales en el control de la reproducibilidad de los datos del ensayo. Medición de desgaste: Determinar la manera más eficiente para medir la pérdida por desgaste en un ensayo depende primeramente del tipo de prueba de desgaste y la cantidad de desgaste generada por el mismo. Las formas más comunes de medición de desgaste incluyen la medida de la pérdida de masa,

DO A V R

S

pérdida de volumen, profundidad de huella, o algunas otras medidas geométricas.

E

ES R S O

Bayer (1985), indica que el reporte de los datos debe describir el material

CH E R E de ensayos que debe realizarse para entregar resultados Dnúmero significativo. El

ensayado, la naturaleza del ensayo, ambiente del ensayo y cualquier otro factor efectivos depende del tipo de ensayo realizado, aunque se sugiere de manera general, la ejecución de un mínimo de tres ensayos.

2.2.4.2

Ensayo de abrasión ASTM G-105

a. Ensayo de abrasión. ASTM (2002), según la ASTM (2002), bajo la denominación G-105. Dicho ensayo implica someter un espécimen estándar de prueba a desgaste, a través de una mezcla abrasiva compuesta por agua desionizada y arena sílica de granulometría controlada. El abrasivo se introduce entre el espécimen de prueba y una rueda giratoria revestida de una cubierta de neopreno de dureza específica. El espécimen se presiona contra el disco en movimiento a una fuerza transmitida por medio de un brazo de palanca mientras que, la arena desgasta la superficie de la probeta. La rotación de la rueda es tal que, con sus paletas agitadoras, se

homogeneiza la mezcla abrasiva facilitando que las partículas de arena sean llevadas a la superficie de contacto en la dirección de la rotación de la rueda. Para ello, se requieren tres ruedas con durezas nominales de 50, 60 y 70 Shore A, con una tolerancia de dureza  2,0. La primera pasada se realiza con la rueda de dureza nominal 50, la prueba continúa con las ruedas de dureza nominal 60, y 70 en orden creciente. Todas las corridas tienen una duración de 4 minutos. La ilustración esquemática de la máquina se muestra a continuación:

EC R E D

E

H

ES R S O

DO A V R

S

Figura 3. Diagrama esquemático del aparato de ensayo de desgaste. Fuente: Norma ASTM G-105 (2002) Los resultados arrojados por el procedimiento, se obtienen pesando los especímenes antes y después de cada pasada para poder registrar con precisión la pérdida de masa. El logaritmo del peso perdido se grafica en función de la dureza de la rueda de caucho y se determina un valor de prueba, con la ecuación de los mínimos cuadrados, según la masa perdida con la rueda de dureza de 60. Es necesario

convertir el peso perdido en pérdida de volumen, en caso de que existan amplias diferencias existentes entre las densidades de los materiales a ensayar.

b. Factores de operación ASTM (2002), En relación a las ruedas de caucho de neopreno, cada una estará moldeada y dispuesta en la periferia de un disco de acero giratorio. Las

S O D A mm de diámetro nominal interno y 13 mm de ancho.V Los compuestos sugeridos R E ES Shore A 50, 60 y 70 se muestran por la norma para las ruedas de goma de dureza R S HO continuación: C E DER dimensiones de las ruedas son de 178 mm de diámetro nominal externo, por 150

Tabla 1. Compuestos sugeridos para los aros de goma. Fuente: Norma ASTM G105 (2002) Shore A 50

Shore A 60

Shore A 70

INGREDIENTES Neopreno GW

Contenido (pph) 100 100 2 2

100

Magnesio A

2

Óxido de Zinc B

20

10

10

Octamina

2

2

2

Ácido Esteárico

0.5

0.5

0.5

SRF Carbón Negro C

20

37

63

14 10 A Maglite D (Merck) B Kadox 15 (New Jersey Zinc) C ASTM Grado N762

Aceite ASTM # 3

10

La rueda es conducida por un motor eléctrico de 0.75-kw (1-hp) y una caja de engranajes diseñada para asegurar que el esfuerzo de torsión sea entregado

completamente durante la prueba. El índice de revolución es de 245  5 rpm y debe ser constante bajo carga. Los especimenes deben ser de forma rectangular, 25.4  0.8 mm de ancho, 57.2  0.8 mm de largo y de 6.4 a 15.9 mm de espesor. El sostenedor del espécimen es conectado a un brazo de palanca, al cual se agregan los pesos, para aplicar una fuerza a lo largo de la línea diametral horizontal de la rueda. Debe ser utilizado un peso apropiado para aplicar una fuerza de 222 N entre el espécimen de prueba colocado en el sostenedor y la rueda de caucho. El peso debe poseer una masa aproximada de 9,5 Kg. y debe

DO A V R

S

ser ajustado para que la fuerza ejercida por el espécimen sobre la rueda de caucho tenga un valor de 222,4  3,6 N.

E

ES R S O

c. Cálculos de resultados

CH E R DE El procedimiento para determinar la resistencia al desgaste de ASTM (2002), los materiales se puede resumir en cuatro operaciones consecutivas, las cuales se detallan a continuación: 

Una etapa previa de preparación de la superficie, consiste en dejar que la rueda gire 1000 vueltas con el caucho de dureza 50  2 Shore A contra la probeta a ensayar.



Se realiza una corrida utilizando también la rueda de 50  2 Shore A, durante otras 1000 revoluciones, y se determina la pérdida de masa en gramos que experimenta la probeta durante esta etapa.



Se realiza una corrida igual que la anterior, pero en este caso con la goma de dureza de 60  2 Shore A, determinando igualmente la pérdida de masa.



Se ejecuta una última corrida con la rueda de dureza 70  2 Shore A y se mide de nuevo la pérdida de masa generada.

Las cuatro etapas del ensayo se realizan sobre la misma superficie, de manera que en cada una de ellas la huella de desgate se imprima sobre la dejada en la etapa anterior. Los datos de pérdida de masa obtenidos en los ensayos

anteriores se normalizan en función de las dimensiones reales de la rueda de goma según la siguiente ecuación: Wn 

(177.8mm)  (12.7mm)  Wr Dr  t r

Ecuación 4

Donde “ Wn ” representa la pérdida normalizada de masa (g), “ Wr ” es la pérdida real de masa (g), “ Dr ” es el diámetro real de la rueda de goma (mm) y “ t r ” indica el espesor real de la rueda de goma (mm).

S O D A frente a los valores de dureza reales de las gomas V de caucho y se ajusta por R E EdeSlos mínimos cuadrados se realiza mínimos cuadrados. El ajuste por medio R S HO empleando la siguiente ecuación. C E DER El logaritmo de los datos de pérdida normalizada obtenidos se representa

x y  xy   N y y  x  X   x  x  N 2

Ecuación 5

2

y  logWn  Ecuación 6

Donde “ y ” es el logaritmo de pérdida de masa normalizada (Ec. 6), “ x ” es la dureza real de la rueda de goma, “ y ” representa el promedio de los logaritmos de pérdida de masa (g), “ X ” es el promedio de durezas de las ruedas de goma y “ N ” es 3 (número de puntos). Para determinar si el procedimiento de ajuste por medio de la Ecuación 5 es adecuado, se debe determinar el coeficiente de correlación entre los valores de masa perdida reales y los corregidos por medio de la expresión siguiente:

 y  Y   y  Y 

2

r

est

Ecuación 7

2

Donde los “ y est ” se obtienen sustituyendo los valores reales de las ruedas de goma empleadas en la ecuación de la línea ajustada por los mínimos cuadrados. La cantidad “ r ” varía entre -1 y +1, cualquier valor significa que la correlación es perfecta; r  0 significa que no hay correlación. Los datos que dan valores entre 0.95 y -0.95 se deben escrutinizar por las causas de la dispersión. El procedimiento descrito se repite para cada probeta, para obtener así de

DO A V R

S

cada una de ellas la ecuación lineal ajustada por los mínimos cuadrados. El

SE E R S G-105. Finalmente se determina el valor O explica en el extracto de la norma ASTM H RECabrasivo correspondiente a una dureza de 60 Shore A, de resistenciaD deE desgaste procedimiento detallado para obtener la ecuación de los mínimos cuadrados se

sustituyendo en la ecuación de los mínimos cuadrados.

De haber diferencias amplias en la densidad de materiales debe convertirse el peso perdido en volumen perdido y así obtener un grado o rango de apreciación de los materiales metálicos que son sometidos a estudios de desgaste abrasivo. De acuerdo a esto, los resultados se reportan en milímetros cúbicos ( mm3 ), se utiliza para ello la siguiente expresión:

Vp 

Wp



1000

Ecuación 8

Donde “ V p ” es el volumen de masa perdida ( mm3 ), “ W p ” es la masa perdida (g); W  10 y y “  ” es la densidad ( g / cm3 ). 2.2.5

Caracterización de los materiales.

2.2.5.1

Análisis químico

ASM (2000), Consiste en un conjunto de técnicas y procedimientos empleados para identificar y cuantificar la composición química de una sustancia. En un análisis químico cualitativo se pretende identificar las sustancias de una muestra. En el análisis químico cuantitativo lo que se busca es determinar la cantidad o concentración en que se encuentra una sustancia específica en una muestra. Un análisis efectivo de una muestra suele basarse en una reacción química del componente, que produce una cualidad fácilmente identificable, como color,

S O D A de precipitados del componente, y los análisis volumétricos, V que dependen de la R E ESreaccionan con el componente, se medición de volúmenes de disoluciones que R S O conocen como “métodos C porHvía húmeda”, y resultan más laboriosos y menos E R versátiles queD losE métodos más modernos.

calor o insolubilidad. Los análisis gravimétricos basados en la medición de la masa

El resultado numérico de un análisis cuantitativo puede establecer la cantidad absoluta del componente o un porcentaje de éste en la muestra, y puede expresarse como porcentaje en masa, concentración molar o como partes por millón. La exactitud de los resultados del análisis queda reflejada en el grado de concordancia con la cantidad real del elemento. La precisión de los resultados la dará la posibilidad de repetir y reproducir el análisis. Los resultados son precisos cuando son fruto de mediciones repetidas y se dan en un estrecho margen de valores. Estos resultados se dice que son altamente reproducibles. a. Técnicas espectroscópicas. ASM (2000). La espectroscopia, o estudio de las interacciones de la radiación electromagnética con la materia, es el mayor y más exacto grupo de métodos instrumentales utilizados en los análisis químicos y en toda la ciencia química. El espectro electromagnético se divide en la siguiente gama de longitudes de onda: rayos gamma, rayos X, ultravioletas, visibles, infrarrojos, microondas y ondas

radioeléctricas. Las interacciones electromagnéticas con la materia provocan la absorción o emisión de energía a través de la transición de los electrones entre niveles cuánticos o discretos de energía, vibraciones de enlaces, rotaciones moleculares y transición de electrones entre orbitales de átomos y moléculas. Las

antes

denominados

mencionadas espectrómetros,

interacciones

tienen

espectrofotómetros

lugar o

en

instrumentos

espectroscopios.

Los

espectros generados en estos equipos se graban (gráfica o fotográficamente) en espectrogramas o espectrógrafos, que permiten el estudio de la longitud de onda y

DO A V R

S

la intensidad de la radiación absorbida o emitida por la muestra analizada.

E

ES R S O

Dentro de las técnicas espectroscópicas existentes, una de las más

CH E R DdeEemisión óptica, debido a la naturaleza de la luz que se emite. espectrometría importantes es la espectrometría de emisión, a menudo suele llamarse también

Es una técnica espectroscópica que analiza las longitudes de onda de los fotones emitidos por los átomos o moléculas durante su transición desde un estado excitado a un estado de inferior energía. Cada elemento emite un conjunto característico de longitudes de onda discretas en función de su estructura electrónica. Mediante la observación de estas longitudes de onda puede determinarse la composición elemental de la muestra. Hay muchas maneras en las cuales los átomos pueden ser llevados a un estado excitado. El método más simple es calentar la muestra a una temperatura alta, produciéndose las excitaciones debido a las colisiones entre átomos de la muestra. 2.2.5.2

Análisis metalografico

ASM (2000), Un ensayo de metalografía se realiza con el fin de obtener toda la información que es posible encontrar en la estructura de los diferentes materiales. Este ensayo se realiza con la ayuda de un microscopio en donde se

observa la estructura de ciertas muestras, que permiten concluir que tipo de aleación se tiene, contenido de carbono y tamaño de grano. Una vez logrado esto, la muestra se podrá relacionar con las propiedades físicas y mecánicas que se desean. Uno de los objetivos más importantes de este tipo de prueba, es la realización de una reseña histórica del material buscando microestructura, inclusiones y/o tratamientos térmicos a los que haya sido sometido, con el fin de determinar si dicho material cumple con los requisitos para los cuales ha sido

S O D A componen la aleación y las inclusiones no metálicas,V así como la presencia de R E ES segregaciones y otras heterogeneidades que tan profundamente puedan modificar R S O las propiedades mecánicas yH el comportamiento general del metal. C E DER

diseñado. A través de este ensayo se conoce la distribución de fases que

Para este ensayo se requiere cierta experiencia por que el proceso de análisis como tal, es de gran cuidado y precisión. Así pues, el análisis de las microfotografías es complejo aunque se realice a simple vista ya que se debe tener un conocimiento amplio de la gran cantidad de casos que se pueden presentar. Los pasos básicos a seguir para la ejecución de un ensayo de caracterización metalográfica son: Muestreo: se debe seleccionar una muestra lo más representativa posible, es decir, si es una falla lo que se pretende analizar se debe tomar el área más cercana a ella y otra área sana para comparar. La muestra se toma haciendo cortes con sierras manuales si el material es suave o con un disco de corte abrasivo si el material es muy duro, se debe lubricar continuamente para facilitar el corte y evitar el recalentamiento de la muestra. Esmerilado brusco o tosco: la muestra debe ser de un tamaño fácil de manipular, mientras sea posible. Una muestra blanda se puede aplanar si se mueve lentamente hacia arriba y abajo a través de una superficie de una lima

plana poco áspera. La muestra dura o blanda puede esmerilarse burdamente sobre una lija de banda (rotatoria), manteniendo la muestra fría sumergiéndola frecuentemente en agua o aceite (si el material es muy propenso a oxidarse) durante la operación de esmerilado. En todas las operaciones de esmerilado y pulido, la muestra debe moverse en sentido perpendicular a las ralladuras existentes y así continúa hasta que la superficie queda plana y libre de mellas e imperfecciones. Montaje: para que el manejo de la muestra sea más sencillo y seguro y

S O D A montarlas en resinas epóxicas, acrílicas o baquelita, V que son materiales de alta R E E dureza y muy buena resistencia mecánica y aS la corrosión. Este montaje se puede R S O hacer en frío o en caliente.CH E DER

además que al pulir no se pierda nada de las fronteras de la pieza, se acostumbra

Pulido intermedio: después de montada la muestra se pule sobre una serie de hojas de lija con abrasivos más finos sucesivamente. Los hierros grises, nodulares y maleables no deben ser sometidos al pulido intermedio, sino pasar directamente al pulido fino para evitar que se arranque el grafito. Pulido fino: la última aproximación a una superficie plana libre de ralladuras se obtiene mediante una rueda giratoria húmeda cubierta con un paño cargado con partículas abrasivas seleccionadas en su tamaño. Existen muchos abrasivos, se prefiere la gamma del óxido de aluminio para pulir metales ferrosos, los basados en cobre u óxido de cerio para pulir aluminio, magnesio y sus aleaciones. Otros abrasivos son la pasta de diamante, óxido de cromo y óxido de magnesio. Ataque: mediante este, se hacen visibles las características estructurales del metal o aleación. A través de un reactivo en la superficie pulida se diferencian claramente las partes de la microestructura. En las aleaciones compuestas de dos o más fases, las componentes se revelan cuando el reactivo ataca a uno o más de estos constituyentes debido a la diferencia en composición química de las fases.

En las aleaciones uniformes se obtiene contraste y las fronteras de grano se hacen visibles debido a las diferencias en la rapidez a que los granos son atacados por el reactivo. La diferencia en la rapidez de ataque depende del ángulo entre las secciones de grano con el plano de la superficie pulida. Las fronteras de grano aparecerán como valles en la superficie pulida. Al chocar con la orilla de estos valles, la luz del microscopio se refleja fuera de él, haciendo que las fronteras de grano aparezcan como líneas oscuras. 2.2.5.3

Ensayo de dureza

EC R E D

E

H

ES R S O

DO A V R

S

a. Ensayo de dureza Rockwell.

ASTM (2003), El ensayo de dureza Rockwell es un método para determinar la dureza, es decir, la resistencia de un material a ser penetrado. El ensayo de dureza Rockwell constituye el método más usado para medir la dureza debido a que es muy simple de llevar a cabo y no requiere conocimientos especiales. Se pueden utilizar diferentes escalas que provienen de la utilización de distintas combinaciones de penetradores y cargas, lo cual permite ensayar prácticamente cualquier metal o aleación. Hay dos tipos de penetradores: unas bolas esféricas de acero endurecido (templado y pulido) de 1/16, 1/8, ¼ y ½ de pulgada, y un penetrador cónico de diamante con un ángulo de 120  3 y vértice redondeado formando un casquete esférico de radio 0,20 mm, el cual se utiliza para los materiales más duros. El ensayo consiste en disponer un material con una superficie plana en la base de la máquina. Se le aplica una precarga menor de 10 kg, básicamente para eliminar la deformación elástica y obtener un resultado mucho más preciso. Luego se le aplica durante unos 15 segundos un esfuerzo que varía desde 60 a 150 kg a compresión. Se desaplica la carga y mediante un durómetro Rockwell se obtiene

el valor de la dureza directamente en la pantalla, el cual varía de forma proporcional con el tipo de material que se utilice (ver figura 4). También se puede encontrar la profundidad de la penetración con los valores obtenidos del durómetro si se conoce el material.

EC R E D

E

H

ES R S O

DO A V R

S

Figura 4. Durómetro Rockwell marca WILSON (United States) Fuente: Propia

Con la intención de no cometer errores muy grandes, el espesor de la probeta del material en cuestión debe ser al menos diez veces la profundidad de la huella. También es importante acotar, que los valores por debajo de 20 y por encima de 100 normalmente son muy imprecisos y debería hacerse un cambio de escala. Para la ampliación de detalles respecto de este ensayo consultar la norma ASTM E-18 (2003). b. Ensayo de dureza Shore Tal como lo expresa Tobolski (2000), la dureza puede ser empíricamente relacionada a la respuesta elástica de un material o a su deformación plástica. Los

ensayos de dureza por indentación determinan la respuesta del material a la deformación plástica, mientras que los ensayos dinámicos relacionan la dureza con la respuesta elástica del material. Entre los ensayos de dureza dinámicos se encuentra el ensayo del escleroscopio de Shore, el cual, es un ensayo de tipo rebote. El método presenta dos escalas de dureza elástica: escala Shore A, y escala Shore D. La primera escala es aplicable para plásticos blandos y la segunda para plásticos más duros.

EC R E D

E

H

ES R S O

DO A V R

S

Figura 5. Modelos de durómetros Shore. Fuente: ASM Metals Handbook Vol.08 (2000) Como lo expresa Mayagoitia (2004), esta prueba consiste en medir el rebote de un martinete cilíndrico (de 2.5 g de peso) con punta de diamante o esfera de acero endurecido que se deja caer sobre la pieza a ensayar desde una altura determinada (10”). El principio de operación del método se basa en la reacción elástica del material cuando se deja caer sobre él un material más duro. En este sentido, cuanto más duro es el material, el rebote es mayor; debido a que se

pierde menos cantidad de energía en el trabajo de producir una huella, la cual, es menos profunda que en un material blando. Existen varias ventajas que caracterizan el método Shore. Entre ellas se encuentra principalmente el hecho de que no produce prácticamente ninguna huella en el material ensayado, lo cual lo hace el único ensayo no destructivo para medir durezas; por esta razón, es posible medir la dureza superficial de piezas terminadas. 2.3 Cuadro de variables

E

ES R S O

DO A V R

S

Tabla 2. Cuadro de variables. Fuente: Propia

CH E R E del acero SAE 1020. Dabrasión resistencia a la

Objetivo General: Evaluar la influencia de la capa carburizada sobre la

Objetivos

Variable

Sub variable

Indicador

Determinar

la

Resistencia a  Resistencia a la Abrasión.

resistencia

la

la abrasión.

abrasión

de

muestras

de

(mm3)

Proceso

 Dureza.( HRB)

acero SAE 1020 termoquímico sometidos

a

diferentes tiempos

de carburización.

de

carburización. Graficar la curva

Curva

de

de espesor

espesor

endurecido vs.

endurecido vs.

Resistencia a la

Resistencia a

abrasión.

la abrasión.



Espesor

de

capa

teórico.(mm) 

Espesor de capa real (mm)



Tiempo Tratamiento.(hr)

de



Resistencia

a

la

Abrasión.(mm3) 

Establecer

el

tiempo

Tiempo

de

de

carburización.



Dureza.( HRB)

Comportamiento (mm3/mm)

carburizacion solida

más .

efectivo

para

lograr

la

optimización rentable de las características abrasivas

EC R E D del

acero SAE 1020.

E

H

ES R S O

DO A V R

S

abrasivo

Capítulo III

En la siguiente sección de este proyecto de investigación se exponen de forma precisa el tipo de datos que se requiere indagar para el logro de los objetivos, así como la descripción de los distintos métodos y las técnicas que posibilitaron obtener la información necesaria.

3.1. Tipo de investigación.

E

ES R S O

DO A V R

S

CH E R DE y Fernández (2005), el tipo de investigación se determina Según Chamorro

en base a los procesos de interpretación científica que conllevan a la solución de la problemática planteada. Expone Chamorro y Fernández (2005), que la la investigación descriptiva es aquel proceso que tiene como objetivo la descripción y análisis de lo que ocurrirá en ciertas y determinadas condiciones cuidadosamente controladas y en donde un experimento se convierte en la fuente que origina la información. La investigación descriptiva consiste en la manipulación deliberada de una variable independiente frente a una o más variable(s) dependiente(s). Dentro de este mismo orden de ideas, esta investigación es de tipo descriptiva puesto que consiste en la aplicación de un ensayo capaz de manipular una variable independiente (cambio de temperatura en el horno, y variación de tiempos de carburizacion) frente a una variable dependiente (cantidad de carbono adicionada). Así pues, el ensayo de arena húmeda conducida/rueda de caucho estandarizado según la ASTM G-105 es la fuente de los resultados de esta investigación.

3.2. Diseño de la investigación. El diseño de la investigación no es más que la estrategia general que adopta el investigador para responder al problema planteado. La investigación se enmarca dentro del tipo de diseño experimental. Sigue señalando el autor que el diseño explicativo es aquel que busca encontrar razones o causas que ocasionan ciertos fenómenos. Este diseño comprende lineamientos netamente explicativos, por cuanto su propósito es demostrar que los cambios en la variable dependiente fueron causados por la variable independiente. Es decir, se pretende establecer

S O D A someter un espécimen de prueba a determinado potencial V abrasivo, para observar R E EdeSdesgaste abrasivo. los efectos o reacciones producidos a nivel R S HO C E ER de datos Drecolección 3.3 Técnicas de

con precisión una relación causa-efecto. Así pues, la estrategia consistió en

Las técnicas de recolección de datos empleadas en la presente investigación fueron la observación directa, donde el estudio y la recolección de datos se realizo personalmente en el lugar donde se realizo el ensayo,

la

observación indirecta, donde se obtuvo información por medio de testimonios escritos por parte de la persona que estuvo en contacto directo con la fuente que proporciona los datos y por ultima la observación documental, donde se obtuvo información de documentos ya escritos y almacenados. 3.4 Instrumento Arias (2006), expresa que un instrumento de recolección de datos es cualquier recurso, dispositivo o formato (en papel o digital), que se utiliza para obtener, registrar o almacenar información. En este caso, se utilizaron tablas que sirvieron para organizar la dureza que tiene el material antes y después de ser sometido al tratamiento termoquímico,

masas de las piezas antes y después de carburizar,

así como también la

profundidad de la capa endurecida. A continuación se presentan cada una de ellas: Tabla 3. Datos de los ensayos de dureza para una muestra sin carburizar Material

Ensayo

Distancia del Centro (mm)

Dureza (HRB)

1 2 Acero 3

SAE

E

ES R S O

CH E R 4 DE

1020

DO A V R

S

5

La siguiente tabla se utilizo para recolectar datos de dureza antes y después de los procesos posteriores a la carburizacion (Temple y revenido) Tabla 4. Examen de dureza Tiempo de Permanencia (h)

Ensayo 1 2

6

3 4 5 1

8

2 3

Distancia del

Dureza

Centro (mm)

(HRC)

4 5 1 2 3

10

4 5 1

12

OS D A V al proceso de de la capa endurecida del material luego de ser sometido R E ES R carburizacion S HO C E DER

La tabla a continuación se utilizo para recolectar los datos de profundidad

Tabla 5. Profundidades de capa reales

Tiempo

Dureza Rockwell

Profundidad de Capa

(h)

(HRC)

(mm)

6 8 10 12

La siguiente tabla permitió el registro de las durezas reales de las diferentes ruedas de caucho fabricadas por la empresa LAICA. Tabla 6. Dureza real Dureza Dureza Real 1 Dureza Real 2 Dureza Real 3

Shore A 50

Shore A 60

Shore A 70

La tabla a continuación permitió registrar la masa de cada probeta antes del proceso termoquímico, así como también antes y después de cada corrida. Tabla 7. Datos de masa (g) de las probetas antes y después de carburizar a cada tiempo de permanencia. Tiempo (h) Probeta

de

1ra

2da

3ra

4ta

permanencia

Corrida

Corrida

Corrida

Corrida

a 925°C 0 A

(sin carburizar)

B C

6 EC R E D

E

H

ES R S O

DO A V R

S

8

D

10

E

12

3.5. Fases del experimento. En la siguiente sección de este texto se contemplan cronológicamente la serie de pasos seguidos para la consecución del ensayo de abrasión ASTM G-105 en aceros SAE 1020 carburizados. Estos procedimientos se establecieron de acuerdo al desarrollo sistemático del experimento, de esta manera se pudo definir desde la conformación de las probetas a ensayar, hasta el análisis micrográfico posterior al ensayo; pasando por la carburización controlada de las muestras y la obtención de los elementos necesarios para la realización del ensayo de abrasión, tal y como se explica detalladamente a continuación.

Fase I: Determinar la resistencia a la abrasión de muestras de acero SAE 1020 sometidos a diferentes tiempos de carburización.

3.5.1. Conformado de las probetas. El

acero

SAE

1020

fue

adquirido

en

la

industria

privada

local,

específicamente en la empresa Ferrum Aceros C.A., ubicada en la avenida principal Los Haticos. La presentación ofrecida por la empresa es de barras de

S O D A escogió trabajar con 3 barras de 2 in de diámetro y 2¼ Vin de largo, debido a que R E S exigidos en la norma, como se este tamaño abarca los requerimientosR deE forma S HO explica en el siguiente párrafo. C E DER sección circular de 1 in y 2 in de diámetro respectivamente, de las cuales, se

La norma exige dimensiones específicas para los especímenes de prueba, que comprenden paralelepípedos de 2 ¼ in de largo, 1 in de ancho y 0.55 in de espesor. Así pues, se requirieron los servicios de la empresa metalmecánica BENSA C.A. (en adelante BENSA), ubicada en la Av. 17 con calle 4, diagonal a la Plaza de las Banderas en el Municipio San Francisco, Estado Zulia. BENSA estuvo encargada del mecanizado de las barras de acero SAE 1020. Dichas barras fueron llevadas a sección rectangular hasta cumplir con las medidas deseadas a través de un procedimiento de arranque de viruta por planeado en una fresadora universal modelo FGU 32 (véase la figura 6).

Figura 6. Fresadora Universal y Espécimen de prueba. Fuente: Propia

3.5.2. Caracterización de las probetas. A pesar de que junto con la compra del acero SAE 1020 se tuvo acceso a las especificaciones técnicas del material, tales como las características generales del acero, el rango de composición química de los elementos aleantes, algunas aplicaciones, entre otras; fue necesaria la verificación de las mismas con la finalidad de darle validez al ensayo y así poder estudiar el mismo de manera mas precisa. Así pues, se realizó un análisis químico y un ensayo de dureza con la

DO A V R

intención de convalidar lo establecido por el proveedor.

E

ES R S O

3.5.2.1. Análisis químico.

S

CH E R DE Una de las fases iniciales de esta investigación se encuentra definida por el análisis químico efectuado antes del mecanizado de las barras de acero SAE 1020. Para este análisis se requirieron los servicios del Laboratorio Ambiental e Industrial C.A. adscrito al conjunto empresarial DIPROCAVE, ubicado en la Zona Industrial de la ciudad de Maracaibo, Estado Zulia. En LAICA, la barra fue primeramente desbastada en uno de sus polos para conseguir una superficie mejor pulida, de manera que se evite a toda costa la contaminación de la superficie durante su preparación. Posteriormente la barra fue sometida a un análisis por EEA o análisis por espectrometría de emisión atómica. Este análisis es ejecutado a través de un espectrómetro con fuente de chispa, el cual, analizó las longitudes de onda de los fotones emitidos por los átomos o moléculas durante su transición desde un estado excitado a un estado de inferior energía. El material estudiado emite un conjunto característico de longitudes de onda discretas en función de su estructura electrónica y mediante la observación de estas longitudes de onda, el dispositivo determinó la composición elemental de la muestra (ver anexos).

El análisis dura entre 1 y 3 minutos y los resultados se expresan digitalmente a través de un monitor destinado para ello. La evidencia dejada por la chispa sobre la barra es una marca minúscula en forma de círculo, por lo tanto, este análisis se considera una inspección no destructiva, puesto que no implica un daño considerable a la muestra examinada.

EC R E D

E

H

ES R S O

DO A V R

S

Figura 7. Vista de la sección transversal de la barra de acero SAE 1020 posterior al análisis químico. Fuente: Propia

3.5.2.2. Análisis metalográfico inicial. Para la ejecución de este estudio se requirió preparar primeramente las muestras por medio de procesos de desbaste, pulido y ataque químico; pudiendo así visualizar la microestructura a través de un microscopio óptico. Durante la etapa de muestreo de este análisis, se seleccionan las probetas previamente mecanizadas por BENSA, las cuales, no habían sido tratadas térmicamente aún. Dichas probetas poseen dimensiones representativas del material a ensayar. Posterior a la selección de la muestra y en vista de que no necesitaba esmerilado brusco y/o montaje, se procedió a utilizar una lijadora automática (ver figura 8), a través de la cual se realizó un pulido intermedio de la superficie del material. Así pues, la muestra se pule sobre una serie de hojas de lija con abrasivos más finos sucesivamente (180, 220, 240, 320, 360, 400, 600, 1200). Durante el proceso de desbaste intermedio, se debe tomar en consideración la

rotación periódica de 90º en la probeta con la finalidad de eliminar las ralladuras o huellas producidas por la lija anterior.

OS D A V y Metalurgia de LUZ). Figura 8. Lijadora automática (Laboratorio de Materiales R E ES R Fuente: Propia S HO C E DER

La última aproximación a una superficie plana libre de ralladuras se obtuvo

en el proceso de pulido, aplicado mediante una rueda giratoria húmeda cubierta con un paño cargado con polvo de alúmina. Se tuvo especial cuidado en pulir hasta hacer desaparecer las llamadas colas de cometa que se observan microscópicamente. En la figura 9 se muestra el equipo empleado para este proceso.

Figura 9. Pulido (Laboratorio de Materiales y Metalurgia de LUZ). Fuente: Propia El ataque químico para permitir poner evidencia la microestructura del metal fue realizado con nital al 2%. Este proceso consistió en sumergir la superficie de la

muestras en el reactivo, luego en agua y seguidamente en alcohol. Posterior a este procedimiento se deshumedece la superficie con un secador. El procedimiento de observación en el microscopio se realizó a través de un equipo marca Olympus. Se procedió a la colocación de la probeta sobre el porta muestras y se enfocó la imagen a través de las perillas de ajuste grueso y fino. Con el uso de una cámara marca Minolta dispuesta perpendicular al eje del microscopio, se toman ejemplares microestructurales de las zonas atacadas, valiéndose de la función de desvío de luz/imagen incorporada en el microscopio.

DO A V R

S

Obteniendo así, la cantidad de acercamientos necesarios para realizar el análisis.

E

ES R S O

Fase II: Graficar la curva de espesor endurecido vs. Resistencia a la abrasión.

EC R E D

H

3.5.2.3. Ensayo de dureza Rockwell. Los ensayos de dureza de la probeta fueron realizados igualmente en el Laboratorio de Materiales y Metalurgia de la Universidad del Zulia, para los cuales se emplearon equipos de medición de dureza Rockwell (ver figura 10) para el acero SAE 1020, aplicando los procedimientos explicados en el marco teórico de esta investigación. Se realizaron 5 indentaciones sobre la superficie del material, iniciando en el borde izquierdo, pasando por el centro y terminando en el borde derecho.

Figura 10. Ensayo de Dureza. Fuente: Propia

3.5.3. Carburización de las probetas. En las bases teóricas de esta investigación se explicaron los procedimientos a seguir para la carburización sólida de materiales metálicos. Así pues, se tomaron en cuenta los factores de control expuestos en la norma, para carburizar las probetas de acero SAE 1020. Pese a que inicialmente se contemplaron 4 probetas, es decir, una para cada uno de los 4 tiempos de carburización; se decidió ensayar un primer ejemplar sin carburizar, con el fin de tener valores de

S O D A respecto de los especímenes endurecidos superficialmente. V R E ES R S HO a 6, 8, 10 y 12 horas de carburización Las probetas fueron tratadas C E DEElRprocedimiento utilizado y los razonamientos teóricos que respectivamente.

referencia, que les permitan a las investigadoras tener parámetros de comparación

conformaron cada elemento del tratamiento serán explicados en el siguiente parágrafo. 3.5.3.1. Fabricación de los contenedores. Esta investigación contempla la fabricación de los contenedores o cajas de carburización. Inicialmente se tomaron las medidas del horno a utilizar. Para el ensayo se utilizó un horno eléctrico tipo mufla ubicado en las instalaciones del Laboratorio de Tratamiento Térmico de la Facultad de Ingeniería de LUZ, ya que tiene la capacidad térmica requerida para el tratamiento. Sus dimensiones interiores en el plano frontal son aproximadamente de 35 cm de alto por 58 cm de largo. Se dispuso entonces la fabricación de 2 contenedores, de manera tal que, sólo serían utilizados un par de veces cada uno, lo cual, corresponde con los 4 tratamientos a diferentes tiempos especificados anteriormente.

Debido a su corto uso, el material utilizado para la fabricación de los contenedores fue un trozo de lámina estriada de acero dulce de aproximadamente 35 cm 2 . La lámina fue cortada y doblada según las dimensiones deseadas. Posteriormente se aplicó soldadura de arco eléctrico para unir los vértices del contenedor. El contenedor (ver figura 11) fue concebido teniendo en consideración la correcta expulsión de los “gases de exceso” generados dentro de él.

EC R E D

E

H

ES R S O

DO A V R

S

Figura 11. Ensayo de Dureza. Fuente: Propia

Fase III: Establecer el tiempo de carburización solida más efectivo para lograr la optimización rentable de las características abrasivas del acero SAE 1020.

3.5.3.2. Tratamiento térmico de carburización. 

Se encendió el horno y se fijó a 925°C. Se fue midiendo la temperatura periódicamente con un termocupla hasta alcanzar la temperatura prefijada.



Una vez alcanzados los 925°C, se introduce el contenedor debidamente empacado y se esperan 50 minutos aproximadamente para garantizar que internamente se ha alcanzado la temperatura deseada.



Se esperó el tiempo de permanencia y se extrajo el contenedor según lo programado. Cabe acotar que, justo antes de la apertura del horno y la seguida extracción de las cajas de carburización, se incrementa la

temperatura levemente para no afectar desmedidamente la atmósfera interna. El procedimiento antes descrito fue ejecutado a la misma temperatura (como se ha expuesto anteriormente en este texto) para cuatro tiempos de permanencia distintos, sean 6, 8, 10 y 12 horas. Lográndose así, cuatro espesores de capa diferentes correlacionables a su vez entre sí.

3.5.4. Gomas de neopreno.

E

ES R S O

DO A V R

S

Para la ejecución de los ensayos de desgaste abrasivo fue necesaria la

CH E R DE empresa fabricante de gomas

fabricación de gomas de neopreno. Fue necesario entonces convenir los servicios de la

industriales Caucho Industrial C.A. (en

adelante CAICA), ubicada a 200 metros de la Cervecería Regional en el sector Haticos por Arriba del Municipio Maracaibo. CAICA se encargó de la producción de los anillos de caucho sintético antes mencionados a través de un proceso de vulcanización.

Figura 12. Anillos de Caucho. Fuente: Propia Con respecto al diámetro, en el Marco Teórico de la presente investigación se plantea que el diámetro exterior teóricamente es de 178 mm, ya que estos se

hacen con un molde de medida universal, pero debido al enfriamiento del caucho luego de fabricada la rueda , se propone que la medida sea del 99% de la real. 3.5.4.1. Determinación de la dureza real de las gomas. El paso siguiente a la fabricación de los aros de neopreno fue la determinación de la dureza real de los mismos, puesto que estos valores son imprescindibles para el cálculo posterior de los resultados. Tal como se definió en el marco teórico, la escala a emplear para el examen de dureza en gomas es la escala Shore, particularmente la escala Shore A.

E

ES R S O

DO A V R

S

Los ensayos de dureza también fueron realizados en CAICA, a través de un

CH E R DEde la profundidad de penetración en el material con una aguja dureza en función

durómetro Shore A proporcionado por la misma empresa. Este equipo mide la de geometría troncocónica empujada por una fuerza calibrada, siendo capaz de medir en un rango de medida de 0 a 100 Shore A.

3.5.5. Ensayo de abrasión ASTM G-105. La norma ASTM G-105 plantea los pasos a seguir para la consecución satisfactoria del ensayo de abrasión de arena húmeda conducida/rueda de caucho. Así pues, se pusieron en práctica los procedimientos estandarizados para medir, a través de la máquina de abrasión, la resistencia a la abrasión de 1 espécimen nominal de acero SAE 1020 y 4 especímenes del mismo material con tratamiento de carburización aplicado. El ensayo contempla la medición inicial del volumen de cada probeta. Debido al rectificado inicial en fresadora realizado por BENSA, la medición del volumen pudo realizarse con precisión a través de la medición de las longitudes rectangulares de cada cara con el uso de un vernier y el posterior cálculo de la

ecuación de volumen para un paralelepípedo regular. Luego se pesó cada probeta por medio de una balanza digital de precisión de 0,0001 g, facilitada por el Instituto de Superficies y Catálisis de la Universidad del Zulia. Las medidas tomadas fueron registradas para su posterior uso. A continuación se limpia la máquina de abrasión como lo indica la norma. Luego se coloca el espécimen en el portamuestra y se instala la goma de dureza Shore A 50; posteriormente se cierra la cámara.

S O D A 0,94 kg de agua desionizada a temperatura ambiente V y 1,5 kg de arena de sílice. R E EunSminuto para la homogenización de Luego se encendió la máquina y se esperó R S HOconsiste en hacer descender el espécimen la mezcla. El paso siguiente C E DEelRaro de neopreno, desde el momento en el que existe el lentamente contra Se vierte la mezcla abrasiva dentro de la máquina. Dicha mezcla consiste en

contacto probeta/aro se cuentan 4 minutos (1000 revoluciones) y se apaga el motor. Por último se abrió la válvula de drenaje (ver figura 13) para extraer la mezcla de la cámara.

Figura 13. Máquina de Abrasión. Fuente: Propia Seguidamente se abre la cámara y se retira la probeta. La probeta abradida se lava con agua común y se seca; para luego pesarla en la balanza digital antes especificada, con la intención de registrar la masa perdida en la corrida respectiva.

El procedimiento descrito en el parágrafo anterior se repite cuatro veces para cada probeta, en primer lugar con la goma de dureza Shore A 50, y consecutivamente con las gomas de Dureza Shore A 50, 60 y 70 respectivamente. Así pues, se registraron los datos obtenidos de este procedimiento y se sintetizaron a través del software computacional desarrollado por Montiel y Moreno (2008). Hallándose así los resultados finales del ensayo de abrasión realizado.

EC R E D

E

H

ES R S O

DO A V R

S

Capítulo IV

Análisis y discusión de los resultados 4.1 Análisis metalográfico El material fue sometido a análisis químico a través de un espectrómetro de

DO A V R

S

emisión óptica. Mediante la observación de las longitudes de onda emitidas

SE E R S de resultados informe O

durante la excitación del material, el dispositivo determinó la composición

H C E R sintetizado en la siguiente DE tabla: elemental de la muestra. El

del análisis se muestra

Tabla 8. Composición Química del acero SAE 1020 Acero Resultad o

%C

%S

%P

%Si

0,200

0,0285

0,0154

0,203

0,18 Limite

a

0,4

0,35

0,23

0,15 a

%Mn

%Cr

%Ni

0,75

0,44

0,45

1

8

2

0,7 a 0,4 a 0,4 a

0,35

0,9

0,6

0,7

%Mo

%Fe

0,215

97,350

0,15 a

--

0,25

Podemos observar en la Tabla 3 que el acero a utilizar en el experimento cumple con los rangos de composición de elementos químicos del mismo , y que se puede trabajar con este sin ningún problema 4.2. Apreciación metalográfica. La exploración microestructural inicial del acero SAE 1020, se llevó a cabo en el Laboratorio de Materiales y Metalurgia de la Facultad de Ingeniería (ver

figura14 y 15). La finalidad principal de este análisis es el reconocimiento metalográfico del acero previo a tratarlo termoquímicamente. Así pues, se aplicaron los procedimientos descritos anteriormente en el capítulo III de este texto, para la realización del respectivo análisis metalográfico. Se tomaron entonces microfotografías que permiten apreciar y analizar la microestructura del acero SAE 1020, ver la siguiente figura:

E

ES R S O

CH E R DE (14)

DO A V R

S

(15)

Figura 14. Microestructura del SAE 1020, 200X. Nital al 2%. Fuente: Propia Figura 15. Microestructura de un acero al carbono (0,2% C), 200X. Picral al 4% y luego Nital al 2%. Fuente: ASM Metals Handbook Vol.09 (2000) Se observa claramente que el acero SAE 1020 estudiado presenta una microestructura típica de un acero al carbono, constituida por perlita (área oscura) y “  ” ferrita (área blanca). 4.3. Examen de dureza. La caracterización mecánica del acero SAE 1020 evaluado, se ejecutó de acuerdo a ensayos de dureza Rockwell, siguiendo los lineamientos establecidos en la ASTM E-18 (2003). La distancia de estudio mide 14 mm, la cual, corresponde a la longitud más corta del espécimen a ensayar. Se examinó su dureza de borde a borde tomando como referencia el centro de la pieza.

Seguidamente se estructuró la siguiente tabla en la cual se contemplan los ensayos realizados y a través de los cuales se obtiene la dureza promedio del material en la escala Rockwell B (HRB). Tabla 9. Resultados de los ensayos de dureza para una muestra sin carburizar Material

Ensayo

Distancia del Centro (mm)

1

5,0

2

2,5

Acero SAE 1020

3

EC R 4 E D

Dureza (HRB)

H

5

Promedio

93

E

ES R S O 0,0

Dureza

OS D 93,6 HRB A RV 94 94

=

203 HB

-2,5

94

-5,0

93

Como era de esperarse, al tratarse de un acero con una matriz perlíticaferrítica, su dureza promedio es de 203 HB, el cual, es un valor muy similar a los 201 HB planteados teóricamente. El anterior resultado se tomó como referencia para los 5 especímenes de pruebas, puesto que pertenecen a una misma barra con composición química uniforme. Con este ensayo de dureza se culmina la sección de caracterización del material. Así pues, se determinó física y metalográficamente que el material cumple con los requerimientos mecánicos para tratarlo termoquímicamente a través del proceso de carburización, así mismo, esta condición permitirá el cotejo referencial de resultados (posteriores al tratamiento) respecto de anteriores investigaciones.

4.4. Carburización de especímenes. Esta sección comprende el tratamiento termoquímico aplicado sobre 4 especímenes de prueba. A continuación se exponen, estudian y discuten los resultados obtenidos a través de la selección inicial de tiempos de permanencia. En ese mismo sentido se valoran los resultados emanados del tratamiento termoquímico como tal y los respectivos exámenes de dureza realizados antes y después del revenido de las piezas. Véase la figura.

EC R E D

E

H

ES R S O

DO A V R

S

Figura 16. Efecto del tiempo en la Profundidad de Capa a 925°C (1700°F) En la figura podría trazarse un límite imaginario alrededor de las 13 horas de tratamiento, a partir del cual, la curva pierde pendiente y el tratamiento se vuelve cada vez más lento. Se decide experimentar entonces con una temperatura de 925°C y tiempos de permanencia igualmente distanciados de 2 horas, seleccionando 4 tiempos de 6, 8, 10 y 12 horas respectivamente. 4.4.1. Tratamiento termoquímico y examen de dureza Inicial. Este proceso se explicó con amplio detalle en el anterior capítulo. Cabe agregar que no se presentaron perturbaciones y/o inconvenientes durante la aplicación de este tratamiento, esto se debe en gran medida a las consideraciones tomadas previas a su realización. Durante los cuatro tratamientos se observó la integridad del contenedor de carburización (ver figura), lo cual, minimizó las posibilidades de distorsión en la pieza. Igualmente se apreciaron los residuos del agente carburante utilizado, lo cual, denota su exposición y posterior reacción a

altas temperaturas, deduciéndose entonces que la apariencia ceniza exhibida es el resultado del cambio de fase sólido-gaseoso que tuvo lugar dentro del contenedor y por medio del cual, se logró la penetración del material.

E

ES R S O

DO A V R

S

Figura 17. Contenedor posterior a su extracción del horno a 925°C. Fuente: Propia

CH E R DEde las piezas resultaron poseer un color naranja y amarillo La superficie

brillante. Dichas piezas fueron extraídas del horno y posteriormente sumergidas en un tanque con aceite (temple) obteniendo una apariencia ennegrecida en su superficie. En el mismo orden de ideas, se estudió la dureza superficial promedio de una probeta por cada tiempo de carburización, con la finalidad de comprender en mejor medida las variaciones de esta propiedad respecto de los tiempos de carburización y su correspondencia con la resistencia a la abrasión hallada en secciones posteriores de esta investigación, a través del ensayo de abrasión por norma ASTM G 105. Los resultados obtenidos se tabularon y se muestran a continuación: Tabla 10. Examen de dureza (posterior al temple) Distancia

Tiempo de Permanencia

Ensayo

(h)

6

del

Dureza

Dureza

Centro

(HRC)

Promedio

(mm) 1

5,0

62

2

2,5

69

65,6 HRC

8

10

3

0,0

68

4

-2,5

67

5

-5,0

62

1

5,0

67

2

2,5

67

3

0,0

68

4

-2,5

67

5

-5,0

68

1

5,0

66

2

2,5

4

CH 5 E R DE 12

E

ES R -2,5 S O

3

0,0

67,4 HRC

OS D A V 66,4 HRC R66 68 66

-5,0

66

1

5,0

67

2

2,5

68

3

0,0

69

4

-2,5

68

5

-5,0

70

68,4 HRC

4.4.2. Alivio de tensiones internas y examen de dureza final. Posterior l examen de dureza aclarado en el anterior subpunto, las piezas son sometidas a un alivio de tensiones internas por revenido, a través de su inducción en el horno de carburización a 180°C durante 2 horas, luego de transcurrido este tiempo se dejan enfriar en aire a temperatura ambiente. De esta manera se consigue disminuir esfuerzos internos en el material y para su verificación y medición se realiza un último examen de dureza, cuyos resultados se muestra en la siguiente tabla: Tabla 11. Examen de dureza (Posterior al Revenido)

Distancia

Tiempo de Permanencia

Ensayo

(h)

6

12

Dureza

Centro

(HRC)

Promedio

1

5,0

64

2

2,5

63

3

0,0

63

4

-2,5

62

5

-5,0

62

1

5,0

3

E

ES R 0,0 S O

CH 4 E R E D 10

Dureza

(mm)

2 8

del

2,5

62,8 HRC

61

S

63

63,4 HRC

O D A V R62

-2,5

65

5

-5,0

66

1

5,0

66

2

2,5

65

3

0,0

64

4

-2,5

63

5

-5,0

64

1

5,0

64

2

2,5

65

3

0,0

64

4

-2,5

64

5

-5,0

66

64,4 HRC

64,6 HRC

Dureza Rockwell (HRC)

Curva de Tiempo vs. Dureza 69 68 67 66 65 64 63 62

Temple Revenido

0

2

4 6 8 10 Tiempo de Permanencia en el Horno (h)

12

14

Grafica 1. Gráfica de tiempo vs. Dureza

E

ES R S O

DO A V R

S

Se observa que los valores del temple muestran un aumento en la dureza a

CH E R E de carburización. Esta desviación comprende rasgos propios las 8 y las 10D horas medida que transcurre el tiempo de permanencia, exceptuando la transición entre

del material afectados durante el temple brusco en aceite, al extraer las piezas el horno. Por su parte, el revenido regulariza el comportamiento de la curva mediante el alivio de tensiones, resultando en una relación de correspondencia, en la cual, la dureza de los especímenes tratados aumenta según transcurre el tiempo de carburización. 4.5. Medición microestructural del espesor de la capa endurecida. En el siguiente apartado se miden los espesores de capa endurecida en los especímenes carburizados. Inicialmente se toman microfotografías digitales de zonas en aquellas zonas donde existe uniformidad en el borde carburizado. Posteriormente se utiliza el programa de procesamiento de datos microsoft word para obtener el valor de 5 mediciones realizadas para cada probeta en la dirección de la capa carburizada (de izquierda a derecha).

Luego, se realiza el promedio de espesores respectivo para cada probeta y posteriormente se convierte dicho espesor promedio a milímetros (según la magnificación utilizada para la microfotografía), obsérvense las siguientes figuras:

DO A V R(19)

S

SE E R Figura 18. Capa endurecida de acero S SAE 1020 carburizado (6 h) a 925°C. Nital O H EC al 2%. 100X. R E D (18)

Figura 19. Núcleo de acero SAE 1020 carburizado (6 h) a 925°C. Nital al 2%. 100X.

(20)

(21)

Figura 20. Capa endurecida de acero SAE 1020 carburizado (8 h) a 925°C. Nital al 2%. 200X. Figura 21. Núcleo de acero SAE 1020 carburizado (8 h) a 925°C. Nital al 2%. 500X.

(22)

(23)

Figura 22. Capa endurecida de acero SAE 1020 carburizado (10 h) a 925°C. Nital al 2%. 200X.

DO A V R

S

Figura 23. Capa endurecida de acero SAE 1020 carburizado (10 h) a 925°C. Nital

EC R E D

E

ES R S O al 2%. 500X.

H

(24)

(25)

Figura 24.Transición de capa de acero SAE 1020 carburizado (12 h) a 925°C. Nital al 2%. 200X. Figura 25. Núcleo de acero SAE 1020 carburizado (12 h) a 925°C. Nital al 2%. 500X. En el primer grupo de figuras, se aprecian claramente las similitudes respecto de los especímenes de referencia expuestos en el ASM Metals Handbook (2000). Así pues, en el borde carburizado se observa una estructura martensítica debido al alto contenido de carbono, también se observan pequeñas cantidades de austenita retenida (partículas blancas).

Así mismo, en los subsiguientes 2 grupos de figuras, se aprecia que la microestructura adyacente a la superficie es totalmente martensítica, de nuevo tiene pequeñas cantidades de austenita retenida, mientras que al acercarse al núcleo se observa un aumento del contenido de ferrita y la estructura se vuelve bainitica. A continuación se tabulan los resultados obtenidos de la medición del espesor promedio.

S O D A Dureza Rockwell Profundidad V de Capa R E (HRC) RES (mm) S O 1,21 ECH

Tabla 12. Profundidades de capa reales Tiempo (h)

D6ER

62,8

8

63,4

10

64,4

12

64,6

(0.04764 in) 1,59 (0.0626 in) 1,78 (0.07008 in) 2,01 (0.07913 in)

Los resultados arrojados exhiben un aumento gradual en el espesor de la capa carburizada, conforme se aumenta el tiempo de permanencia a temperatura constante. Véase la siguiente figura:

Curva de Tiempo vs. Espesor de Capa Espesor de Capa Endurecida (mm)

2,5 2 1,5 1 0,5 0 0

5 10 Tiempo de Permanencia (h)

EC R E D

E

ES R S O

H

DO A V R

S

Grafico 2. Gráfica de tiempo vs. Espesor de capa

4.6. Gomas de neopreno El diámetro de la rueda de caucho es un dato esencial para el cálculo de la resistencia a la abrasión, como se explico anteriormente estas gomas sufren un mínimo cambio en su diámetro al momento del enfriamiento del mismo, lo cual genera un cambio en su espesor, es por esto que debe calcularse su diámetro y espesor real, los cuales están expuestos en la siguiente tabla. Tabla 13. Características de la Goma de neopreno Gomas de Neopreno

Nominal

Real

Diámetro

178

176,22

Espesor

13

12,87

4.6.1. Dureza real de las ruedas de caucho Cada dos probetas se cambian las ruedas de cauchos, ya que la misma va perdiendo su dureza y esto afecta los resultados. Las durezas reales de las diferentes ruedas de caucho se presentan en la siguiente tabla: Tabla 14. Dureza Real de la rueda de caucho Dureza

Shore A 50

Shore A 60

Shore A 70

Dureza Real 1

50,2

57,6

67,1

Dureza Real 2

50,5

57,8

67,2

Dureza Real 3

50,4

S O D A 57,4 67,2 V R E ES

R S O 4.7. Ensayo de abrasión arena CHhúmeda conducida/rueda de caucho. E R DE

Dadas las condiciones que anteceden este ensayo y debido a su importancia dentro de los fines de esta investigación, los resultados de la aplicación del Método de Ensayo Estándar para Pruebas de Abrasión Arena Húmeda Conducida/Rueda de Caucho (ASTM G-105), constituyen un procedimiento crucial durante la consecución de este proyecto. Con referencia a lo anterior, debe aclararse que los resultados de los ensayos de esta sección de la investigación, fueron obtenidos a través de un programa desarrollado por Montiel y Moreno (2008), con el cual, se agiliza la síntesis de los datos. Igualmente se aclara que la resistencia a la abrasión exhibida por las piezas, debe ser reportada como una pérdida volumétrica expresada en milímetros cúbicos ( mm 3 ). Para realizar el cálculo de los volúmenes es necesario los siguientes datos:

Tabla 15. Dimensiones de las probetas Probetas

A

Tiempo de permanencia (h)

Ancho (mm)

Largo(mm)

Alto (mm)

25,23

57,08

13,82

0 (Sin carburizar)

B

6

25,34

58,27

13,8

C

8

27,10

56,03

13,08

D

10

26,92

13,05

E

12

S ADO

R S O CH

E

DER

57,25

V 57,12 R E ES 25,08

13,93

Así pues, fue necesario el cálculo de la densidad de cada espécimen a ensayar, y para ello, se registraron los valores de masa y volumen inicial respectivos, tal y como se muestra en la siguiente tabla: Tabla 16. Cálculo inicial de densidades Tiempo (h) de Probeta

permanencia

Masa (g)

925°C A

0 (sin carburizar)

Volumen (mm3)

Densidad

156,8802

19901,1225

7,8830

B

6

159,1680

20371,0150

7,8135

C

8

155,5332

19861,0800

7,8311

D

10

157,7114

20101,3350

7,8458

E

12

155,8600

19954,5125

7,8724

Luego se procede a la ejecución del ensayo de abrasión según la norma ASTM G 105, siguiendo los parámetros y factores de operación planteados y discutidos previamente en los capítulos II y III de este contenido. Los valores de pérdida de masa obtenidos durante las respectivas corridas contempladas en cada ensayo, se registraron y tabularon a continuación: Tabla 17. Masa (g) de cada espécimen posterior a cada corrida Probeta

Tiempo (h) de

1ra

permanencia

Corrida

DOS

2da

3ra

A Corrida V R SE

Corrida

E R S 156,7563 HO (sin carburizar) C E DE6R 159,1214 159,1009 0

A B

156,8055

4ta

Corrida

156,6804

156,3653

159,0513

158,9324

C

8

155,4820

155,4541

155,4286

155,3540

D

10

157,6521

157,6333

157,6172

157,5795

E

12

155,8389

155,8305

155,8181

155,7796

Los resultados antes mostrados se tradujeron en valores de pérdida de masa, expuestos a continuación según las etapas comprendidas entre cada corrida. Tabla 18. Masa (g) perdida por las piezas entre cada corrida Tiempo (h) de Probeta

permanencia a 925°C

A

0 (sin carburizar)

1ra Etapa

2da Etapa

3ra Etapa

558,6 m

1117,2 m

1675,8 m

ra

(3era a 4ta

Corrida)

Corrida)

Corrida)

0,0492

0,0759

0,3151

(1

era

a2

da

(2

da

a3

B

6

0,0205

0,0496

0,1189

C

8

0,0279

0,0255

0,0746

D

10

0,0188

0,0161

0,0377

E

12

0,0084

0,0124

0,0385

Es importante aclarar que a pesar de que existe una primera corrida con su respectiva pérdida de masa, la norma no considera esta pérdida, puesto que sólo se realiza con la intención de remover parte de la superficie, evitando posibles

OS D A V después de la corrida medición de la resistencia a la abrasión comienza justo R E ES R inicial o “run in”. S HO C E R E D Se observa que las piezas sin tratamiento alguno, tienen mayor amplitud de porosidades u otros agentes atrapados en ella. Así pues, se considera que la

pérdida. Sin embargo, se aprecia que los especímenes con tiempos de permanencia de 10 y 12 horas reportan niveles de abrasión muy semejantes; este comportamiento era de esperarse puesto que la diferencia de dureza entre ellos es sólo de 0,2 HRC. Para finalizar el cálculo de la resistencia a la abrasión contemplado en la norma ASTM G 105, lo valores obtenidos deben ser llevados de masa a unidades de volumen. Así pues, se muestran en la siguiente tabla los valores de resistencia al desgaste abrasivo de los especímenes, expresados en unidades de masa y volumen.

Tabla 19. Resistencia al desgaste abrasivo (masa/volumen) Tiempo (h) de Probeta

permanencia a 925°C

A

Resistencia Densidad

a la

(g/cm3)

Abrasión (g)

0 (sin carburizar)

Volumen Perdido (mm3)

Resistencia Promedio a la Abrasión (mm3)

7,8830

0,1271

16,1233

14,5280

B

6

7,8135

0,0586

7,49984002

5,6566

C

8

7,8311

0,0410

5,23553524

5,2685

D

10

7,8458

0,0237

E

12

A 3,02072446 V R SE

E0,0184 R S CHO 7,8724

DOS

2,33727961

2,9204 2,5422

ERE D Dentro de la evaluación final para la cual se diseñó esta investigación, se

contempla una discusión conjunta de los resultados obtenidos. 4.8. Efecto de los espesores de capa endurecida en la resistencia a la abrasión. Desde su planteamiento hasta a su consecución, en este proyecto se ha venido planteando la viabilidad experimental de evaluar el “Efecto del Espesor de la Capa Endurecida en la Resistencia a la Abrasión de Aceros SAE 1020 Carburizados”. Así pues, se idearon los métodos y estrategias a utilizar para tales fines y el resultado concreto en este respecto se explica detalladamente en esta sección de la investigación. En primer lugar se estudia el comportamiento de la dureza del acero SAE 1020 frente al aumento en el espesor de penetración de carbono.

Dureza (HRC)

Curva Espesor vs. Dureza 64,8 64,6 64,4 64,2 64 63,8 63,6 63,4 63,2 63 62,8 62,6

2,01 1,78

1,59 1,21

0

0,5

1

1,5

2

2,5

Espesor de Capa Endurecida (mm)

S O D A Grafica 3. Gráfica de espesor vs. Dureza V R E ES R S O Según la figura, E y C de H acuerdo con lo pretendido por el experimento, la ER en el acero SAE 1020 produjo una capa endurecida que a Dcarbono penetración del pesar de mantener tenacidad internamente, pudo incrementar ampliamente el índice de dureza en la superficie de las piezas. Se comprueba entonces que para una carburización realizada bajo las condiciones dadas en esta investigación, la pieza tratada es capaz de aumentar su dureza en un 350%, pasando por ejemplo de 14 HRC a casi 63 HRC durante sólo 6 horas. Así mismo, se aprecia una transición entre las piezas carburizadas a 8 y 10 horas respectivamente, entre las cuales, la curva de penetración/dureza pierde pendiente y que comprueba lo obtenido previamente donde el tratamiento está estipulado en puntos de control equidistantes de 2 horas, los últimos dos valores de dureza se asemejan entre sí, obteniéndose 64,4 y 64,6 HRC en las piezas de 10 y 12 horas respectivamente. Esto último, también indica que durante la fabricación de piezas con índices de penetración de carbono y valores de dureza superiores a estos, la ganancia no se justificaría contra el gasto de producción requerido.

Las consideraciones expuestas en la justificación de esta investigación ponen de manifiesto la ventaja de evaluar la resistencia a la abrasión respecto del espesor de capa carburizada. Curva de Pérdida volumétrica vs. Espesor de Capa Espesor de Capa Endurecida (mm)

2,5 2

2,5 2,9

1,5

5,3 5,7

1 0,5 0

R S Pérdida volumétricaO (mm ) CH E R E

0

2

4

6

8

3

ESE 10

DO A V R

S

14,5

12

14

16

D

Grafica 4. Cuerva de pérdida volumétrica vs. Espesor de capa endurecida Se observa claramente en la figura que a medida que aumenta el espesor de la capa endurecida disminuye la perdida de volumen, es decir, se incrementa su resistencia a la abrasión. Lo explicado, puede mesurarse por el simple hecho de que una pieza de acero SAE 1020 sólo necesitaría 1,21 mm de profundidad de penetración de carbono para conseguir 59,86% de proporción de pérdida volumétrica menor; y de sólo 2,01 mm para que su pérdida se reduzca en un 82.76%. Se deduce entonces que las tasas de desgaste abrasivo de los 4 especímenes tratados termoquímicamente bajo configuraciones controladamente disímiles, varían según las condiciones de la carburización y con el espesor de la capa endurecida formada sobre la superficie del espécimen. En la siguiente figura se confrontan los resultados de dureza Rockwell superficial obtenidos, con los datos de resistencia a la abrasión (pérdida volumétrica en mm 3 ), para los especímenes estudiados:

65 64,6 Dureza Superficial (HRC)

64,4 64 63,4 63 62,8

62 0

0,5

1

1,5

2

DO A V R

Espesor de capa endurecida (mm)

E

ES R S O

2,5

S

Grafica 5. Curva de espesor de capa endurecida vs dureza

EC R E D

Pérdida Volumétrica (mm3)

6

H

5,6566 5,2685

5 4 3

2,9204 2,5422

2 1 0 0

0,5

1 de capa endurecida 1,5 Espesor (mm)

2

2,5

Grafica 6. Curva de espesor de capa endurecida vs pérdida volumétrica

Puede verificarse a través de esta investigación que existe una relación estrecha entre la dureza de especímenes carburizados y su resistencia al desgaste por contacto abrasivo, ya que como se aprecia en la figura, a medida

que aumenta la dureza, disminuye la perdida volumétrica (aumenta la resistencia a la abrasión) del acero SAE 1020. Es importante tomar en consideración que por más beneficioso que pudiera parecer inicialmente, la concentración de carbono en la capa no debe superar el 0,9%, puesto que pueden formarse carburos y redes de cementita que debilitan la capa carburizada y esta, tendería a descascarillarse y por lo tanto perdería cualidades en cuanto a resistencia al desgaste abrasivo se refiere.

EC R E D

E

H

ES R S O

DO A V R

S

C

E R S HO

E DER

S

S

O D A ERV

Figura 1. Formas de abrasión. Fuente: ASM Metals Handbook Vol.18 (2000)

Figura 2. Efecto de la dureza del abrasivo respecto de la dureza del material. Fuente: ASM Metals Handbook Vol.18 (2000)

C

E R S HO

E DER

S

S

O D A ERV

Figura 3. Diagrama esquemático del aparato de ensayo de desgaste. Fuente: Norma ASTM G-105 (2002)

Figura 4. Durómetro Rockwell marca WILSON (United States) Fuente: Propia

C

E R S HO

E DER

S

S

O D A ERV

Figura 5. Modelos de durómetros Shore. Fuente: ASM Metals Handbook Vol.08 (2000)

Figura 6. Fresadora Universal y Espécimen de prueba. Fuente: Propia

Figura 7. Vista de la sección transversal de la barra de acero SAE 1020 posterior al análisis químico. Fuente: Propia

C

E R S HO

E DER

S

S

O D A ERV

Figura 8. Lijadora automática (Laboratorio de Materiales y Metalurgia de LUZ). Fuente: Propia

Figura 9. Pulido (Laboratorio de Materiales y Metalurgia de LUZ). Fuente: Propia

Figura 10. Ensayo de Dureza. Fuente: Propia

C

E R S HO

E DER

S

S

O D A ERV

Figura 11. Contenedores. Fuente: Propia

Figura 12. Anillos de Caucho. Fuente: Propia

Figura 13. Máquina de Abrasión. Fuente: Propia

E R S HO

C

E DER

(14)

S

S

O D A ERV

(15)

Figura 14. Microestructura del SAE 1020, 200X. Nital al 2%. Fuente: Propia Figura 15. Microestructura de un acero al carbono (0,2% C), 200X. Picral al 4% y luego Nital al 2%. Fuente: ASM Metals Handbook Vol.09 (2000)

Figura 16. Efecto del tiempo en la Profundidad de Capa a 925°C (1700°F)

Dureza Rockwell (HRC)

Figura 17. Contenedor posterior a su extracción del horno a 925°C. Fuente: Propia

C

E R S HO

E DER

69 68 67 66 65 64 63 62

S

S

O D A ERV

Curva de Tiempo vs. Dureza

Temple Revenido

0

2

4 6 8 10 Tiempo de Permanencia en el Horno (h)

12

14

Grafica 1. Gráfica de tiempo vs. Dureza

(18)

(19)

Figura 18. Capa endurecida de acero SAE 1020 carburizado (6 h) a 925°C. Nital al

S O D A Figura 19. Núcleo de acero SAE 1020 carburizado (6 Vh) a 925°C. Nital al 2%. R E ES 100X. R S HO C E DER 2%. 100X.

(20)

(21)

Figura 20. Capa endurecida de acero SAE 1020 carburizado (8 h) a 925°C. Nital al 2%. 200X. Figura 21. Núcleo de acero SAE 1020 carburizado (8 h) a 925°C. Nital al 2%. 500X.

(22)

(23)

Figura 22. Capa endurecida de acero SAE 1020 carburizado (10 h) a 925°C. Nital

S O D A Figura 23. Capa endurecida de acero SAE 1020 carburizado V (10 h) a 925°C. Nital R E ES al 2%. 500X. R S HO C E DER al 2%. 200X.

(24)

(25)

Figura 24.Transición de capa de acero SAE 1020 carburizado (12 h) a 925°C. Nital al 2%. 200X. Figura 25. Núcleo de acero SAE 1020 carburizado (12 h) a 925°C. Nital al 2%. 500X.

Curva de Tiempo vs. Espesor de Capa Espesor de Capa Endurecida (mm)

2,5 2 1,5 1 0,5 0 0

5 10 Tiempo de Permanencia (h)

E R S HO

C

E DER

S

S

O D A ERV

Grafico 2. Gráfica de tiempo vs. Espesor de capa

Dureza (HRC)

Curva Espesor vs. Dureza 64,8 64,6 64,4 64,2 64 63,8 63,6 63,4 63,2 63 62,8 62,6

2,01 1,78

1,59 1,21

0

0,5

1

1,5

2

Espesor de Capa Endurecida (mm)

Grafica 3. Gráfica de espesor vs. Dureza

2,5

Espesor de Capa Endurecida (mm)

Curva de Pérdida volumétrica vs. Espesor de Capa 2,5 2

2,5 2,9

1,5

5,3 5,7

1 0,5 0

14,5

0

2

4

6

8

Pérdida volumétrica (mm3)

10

12

14

16

S

O D A ERV

ES R S Grafica 4. Cuerva de pérdida HOvolumétrica vs. Espesor de capa endurecida C E DER 65 64,6 Dureza Superficial (HRC)

64,4 64 63,4 63 62,8

62 0

0,5

1

1,5

2

Espesor de capa endurecida (mm)

Grafica 5. Curva de espesor de capa endurecida vs dureza

2,5

Pérdida Volumétrica (mm3)

6

5,6566 5,2685

5 4 3

2,9204 2,5422

2 1 0 0

0,5

E R S HO

C

E DER

1

OS D A ERV 1,5

S

2

2,5

Espesor de capa endurecida (mm)

Grafica 6. Curva de espesor de capa endurecida vs pérdida volumétrica

Conclusión 

Se realizo previamente la caracterización inicial tanto química como mecánica de las probetas de acero SAE 1020. Se determino entonces su composición química, dureza y análisis metalográfico,

permitiendo esto

validar que el material cumple con los requerimientos para la realización del ensayo. 

Se realizo el proceso termoquímico de carburización solida a cuatro

S

probetas idénticas a diferentes tiempos de permanencia en el horno,

O D A ERV

partiendo desde seis hasta doce horas, para lograr analizar los efectos del

ES R S abrasión, para finalmente evaluar la resistencia a la abrasión. HO C E ER que el aumento de la dureza es proporcional al tiempo de Se pudo Dobservar

mismo sobre la probeta en cuanto a espesor de capa endurecida, dureza y 

permanencia de la pieza en el horno. Este comportamiento se observa luego de aplicar el revenido. 

A través de la medición microestructural de la pieza se pudo determinar el espesor de la capa endurecida. Se tomaron microfotografías en las cuales se observo que a medida que el tiempo de permanencia era mayor predominaba la estructura martensítica lo que indica el contenido de carbono.



Las probetas sin tratamiento termoquímico tienen mayor amplitud de perdida que las que si fueron tratadas, se pudo observar que el comportamiento de abrasión de las probetas con tiempo de permanencia de diez y doce horas tienen una resistencia a la abrasión y una dureza muy similar.



El aumento de dureza es apreciable en los primeros intervalos, ya en el intervalo de 10 a 12 horas, el proceso se hace más lento y el incremento de dureza es mínimo



La relación entre la dureza del espécimen carburizado, espesor de espécimen carburizado

y la resistencia a la abrasión es realmente

proporcional, ya que a medida que aumenta el espesor de la pieza aumenta la dureza y con esto aumenta la resistencia a la abrasión. 

Por lo anteriormente expuesto se puede deducir que el mejor tiempo de carburización es el de 10 horas, ya que el de 12 horas está muy cercano al punto donde las curvas pierden pendiente. La resistencia a la abrasión y la dureza en estos dos puntos es bastante similar. Además, se deja entonces un factor de seguridad de penetración mayor ya que si el material se endurece más de lo debido, la capa endurecida quedaría muy frágil.

E DER

C

E R S HO

S

S

O D A ERV

Recomendaciones 

Caracterizar química y mecánicamente

la probeta a evaluar para

cerciorarse de que es realmente el material que deseamos. 

Seguir el esquema de la norma ASTM E-18 para realizar una correcta medición de dureza en las piezas a ensayar.



Para la realización de la

Prueba de Abrasión Arena Húmeda

Conducida/Rueda de Caucho , es crucial realizar paso a paso lo indicado

S

en la norma ASTM G-105, ya que la misma contiene explícitamente el correcto procedimiento del ensayo

O D A ERV

ES R S para aliviar tensiones y tener un comportamiento regularizado del HO C E incremento DEdeRla dureza, evitando con esto posibles desviaciones o saltos



Es necesario luego del temple de la pieza, realizar el revenido de la misma



Se sugiere un cambio de rueda de caucho al menos cuando ya haya hecho contacto

con 2 o 3 piezas de acero ya que va perdiendo propiedad

mecánica como lo es su dureza y esto influye directamente en la evaluación de la resistencia a la abrasión 

Es importante que el porcentaje de carbono en las piezas no sea mayor del 0,99%, ya que la capa carburizada se debilita y tiende a descascarillarse.

Bibliografía 

American Society of Materials, Metal Handbook (2000). “Heat treating”. Metals Park, Ohio: ASM Editors. Vol.04.



American Society of Materials, Metal Handbook (2000). “Mechanical testing and evaluation”. Metals Park, Ohio: ASM Editors. Vol.08.



American Society of Materials, Metal Handbook (2000). “Metallography and microstructures”. Metals Park, Ohio: ASM Editors. Vol.09.



American Society of Materials, Metal Handbook (2000). “Friction, lubrication

OS D A RV G 105. “Standard test E Annual Book of Standards (ASTM) (2002). Designación S E R S method for conductingH wet sand/rubber wheel abrasion tests. Estados O C E Unidos. DER

and wear technology”. Metals Park, Ohio: ASM Editors. Vol.18. 



Naveda, Oscar (2003). “Aplicabilidad de la ley de fick y la ley de harris de

difusión en el proceso de cementación sólida de un acero aleado aisi 8620”. Maracaibo, La Universidad del Zulia, Facultad de Ingeniería, Escuela de Mecánica. 

Montiel L. y Moreno E. (2008). “Evaluación de la resistencia a la abrasión en aleaciones metálicas empleadas en la industria minera”. Maracaibo, La Universidad del Zulia, Facultad de Ingeniería, Escuela de Mecánica,



Rodríguez y Rabarsa (2006). “Estudio del comportamiento al desgaste de aceros 1020 recubiertos mediante un proceso de cementación sólida”. Cusco, Perú.



Arias, F. “El proyecto de Investigación: Introducción a la Metodología Científica”. Quinta Edición. Editorial Episteme. 2006.



Chamorro y Fernández (2005). “Manual autoinstruccional para la cátedra: metodología de la investigación”. Maracaibo, Venezuela.

Anexos Anexo 1. Software utilizado para el cálculo de la resistencia de la abrasión de las probetas

E DER

C

E R S HO

S

S

O D A ERV

Anexo 2. Composición química del acero SAE 1020

E DER

C

E R S HO

S

S

O D A ERV