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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITCNICA ANTONIO JOS DE SUCRE VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ DEPARTAMENTO DE INGENIERA METALRGICA TRABAJO DE GRADO

Nitruracin Gaseosa en los Aceros SAE 4340, SAE 4140, SAE O-1, SAE 1045

Autor: Figueroa M, Anny L

Ciudad Guayana, Marzo De 2012

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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITCNICA ANTONIO JOS DE SUCRE VICE-RECTORADO PUERTO ORDAZ DEPARTAMENTO DE INGENIERA METALRGICA TRABAJO DE GRADO

RESUMEN Nitruracin Gaseosa en los Aceros SAE 4340, SAE 4140, SAE O-1, SAE 1045

Autor: Figueroa M, Anny L Palabras Clave: Propiedades. Nitruracin, Gaseosa, aceros, SAE,

Tutor: Nstor Rojas Tratamiento,

Para el estudio del comportamiento de los Aceros SAE 4340, SAE 4140, SAE O-1, SAE 1045 posterior al tratamiento de nitruracin gaseosa. Fue necesario conocer las propiedades alcanzadas por los mismos, en el proceso de nitruracin gaseosa a 560C y con un tiempo de 6 horas de proceso y posteriormente comparar esas propiedades alcanzadas en los aceros de baja aleacin con los de mediana aleacion despues del proceso de nitruracin. El procedimiento para realizar esta investigacin se presenta de acuerdo a los objetivos planteados. Los aceros seleccionados para el estudio, fueron de acuerdo a su uso en la industria en nuestro medio. Una vez que se plantearon los parametros de estudio y las condiciones adecuadas para la realizacion del proceso, las muestras a utilizar fueron preparadas. Dentro de los resultados obtenidos segn la secuencia de los objetivos planteados al inicio de la investigacin se realiza simultneamente una explicacin detallada de cada uno de ellos. Primero se observaron las microestructuras obtenidas en cada acero, en la cual se podr observar la matriz correspondiente en cada caso y los constituyentes que la componen, donde se encontr matrices como martensita revenida y ferrita ms perlita. As mismo, presentamos las tablas con los resultados obtenidos de realizar los ensayos de microdureza en las probetas, cuyos valores ms altos de dureza se obtuvieron en el acero SAE 4140.

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Tabla de contenidoTRABAJO DE GRADO ......................................................................................................... 3 RESUMEN............................................................................................................................... 3 CAPITULO I EL PROBLEMA ............................................................................................... 6 Planteamiento del Problema ............................................................................................ 6 Preguntas del investigador ............................................................................................... 9 Objetivos de la Investigacion ............................................................................................ 9 General: ........................................................................................................................... 9 Especficos: ..................................................................................................................... 9 Justificacin ....................................................................................................................... 10 CAPITULO III MARCO METODOLGICO ...................................................................... 11 Diseo y Tipo de Investigacin ...................................................................................... 11 Metodologa aplicada a la investigacin ....................................................................... 12 Conocimiento de las propiedades alcanzadas por los aceros seleccionados en el proceso de nitruracin gaseosa a 560C y con un tiempo de 6 horas de proceso. ......................................................................................................................... 13 Comparacin de las propiedades alcanzadas en los aceros de baja aleacin con los de mediana aleacin despus del proceso de nitruracin. ...... 20 Reproduccion de un documento tcnico con informacin que ayude a dar un mejor uso de los aceros SAE 4340, SAE 4140, SAE O-1, SAE 1045 nitrurados en la industria. ............................................................................................ 20 Procesamiento de la Informacin .................................................................................. 20 Anlisis de la Informacin ............................................................................................... 23 CAPITULO IV RESULTADOS ........................................................................................... 24 Propiedades alcanzadas por los aceros seleccionados en el proceso de nitruracin gaseosa a 560c y con un tiempo de 6 horas de proceso ..................... 24 Comparacin las propiedades alcanzadas en los aceros de baja aleacin con los de mediana aleacion despues del proceso de nitruracin .................................. 30

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CAPITULO I EL PROBLEMA

Planteamiento del Problema La nitruracin es un tratamiento termoqumico de enriquecimiento superficial, con nitrgeno y amoniaco en fase ferrtica, sobre los aceros. Esto se consigue introduciendo dentro del propio material los elementos antes citados.

Ellos tambin expresan que, los procesos de nitruracin se componen de dos mecanismos:

a. Un tratamiento de conversin qumica superficial que conduce a la formacin en la superficie de la pieza de una capa de combinacin compuesta de nitruros de hierro. b. Un tratamiento de difusin del nitrgeno en solucin solida intersticial y de combinacin en ciertos elementos de aleacin, principalmente de Cr, Mo, Ti, Al y V, procedentes del acero que se va a tratar en nitruros finamente dispersos conduciendo a un endurecimiento por reforzamiento estructural en una profundidad denominada capa o zona de difusin.

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El mtodo fue usado por primera vez en el ao 1920 desde entonces su aplicacin ha aumentado continuamente, ya que se puede aplicar a un nmero mayor de diferentes aceros a los que se pensaron inicialmente.

Existen diferentes mtodos de nitrurar, pero para este trabajo se empleo la tcnica de Nitruracin Gaseosa. Esta se lleva a cabo en hornos comunes con atmsferas nitrurantes a presin atmsferica y temperaturas

comprendidas entre 470 C y 550 C aproximadamente. El aporte de nitruros se efecta mediante la ruptura molecular del amonaco, segn Industrias Tey (2005)

Crdova

(2003)

plantea,

que

la

nitruracin

gaseosa

permite

el

endurecimiento parcial de piezas de casi cualquier forma, mediante el temple de capas protectoras. Las durezas alcanzadas dependen de los elementos formadores de nitruros existentes en el acero. sta se aplica a numerosas piezas sometidas a condiciones de desgaste en construcciones de motores, maquinas-herramientas y aviones entre otros.

Anteriormente, en 1990 Anthony Dizuni y Robert E. Duffy presentaron un artculo en la revista Industrial Heating, acerca del proceso econmico de nitruracin en Lecho Fluidizado para obtener una profundidad de capa con un mnimo de capa blanca, el objetivo era desarrollar una capa total de 0.070 en 3 de los aceros nitrurables mas usados 4140, 4340 y nitroaleacin 135 M.

Todos los trabajos de nitruracin fueron hechos con el sistema ahorrador de gases a bajo flujo (LFGS), la base endurecida para cada uno de los tres materiales fueron 4140,(29-31 Rc); 4340,(29-30 Rc); 135M,(28-30 Rc), todas

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la nitruraciones fueron realizadas a 526C, se realizaron dos pruebas, la tcnica fue usar 20 horas de nitruracin seguidas por 4 horas de difusin, para la primera prueba, la segunda fue realizar la misma tcnica pero por 6 das.

Los resultados de las pruebas del largo ciclo de nitruracin de lecho Fluidizado muestran que esto fue posible para obtener el primer objetivo de formacin a 0.070 de capa total. Sin embargo estos resultados fueron mezclados para el segundo objetivo que era controlar la formacin de la capa blanca. Los resultados del lecho Fluidizado muestran que es capaz de formar rpidamente capas nitruradas y para una mayor profundidad en comparacin con otros tipos de hornos.

Los dos grandes costos de operacin asociados con la nitruracin son la energa y la atmsfera del gas. En general los lechos Fluidizado consumen ms atmsfera de gas por hora que la nitruracin con gas convencional. Estos costos son ms que compensados por la energa economizada que resulta de ciclos cortos y de altas densidades de carga.

Los aceros seleccionados para evaluar la nitruracin gaseosa de esta investigacin, fueron de acuerdo a un estudio realizado de los aceros comerciales ms usados para este tratamiento, dentro de los cuales se encontraron Aceros SAE 4340, SAE 4140 y los aceros SAE O-1, SAE 1045 que nos permitirn comparar las propiedades que se obtendrn.

El estudio de ellos es para conocer y mejorar las propiedades de los aceros nitrurados, lo que afecta directamente la eficiencia del producto desde el punto de vista de su utilizacin, ya que no se aprovechan los beneficios que aporta la pieza luego de aplicar el tratamiento termoqumico de nitruracin gaseosa. Debido a la falta de informacion en la bibliografa

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consultada, surge la necesidad de conocer las propiedades de estos aceros, generando un aporte de informacion valioso para la industria en aplicaiones posteriores.

Preguntas del investigador A temperaturas mas elevadas (>590C) aparecera la combinacion hierro nitrogeno (Fe - N) fragiles no deseables? Depender el grado de aumento de dureza superficial

exclusivamente de la composicion quimica del material a nitrurar? Con mayores tiempos de proceso, mayores sern las capas, disminuyendo la dureza, si el espesor de la capa es grande?

Objetivos de la Investigacion General: Estudiar el comportamiento de los Aceros SAE 4340, SAE 4140, SAE O-1, SAE 1045 posterior al tratamiento de nitruracin gaseosa. Especficos: Conocer las propiedades alcanzadas por los aceros seleccionados en el proceso de nitruracin gaseosa a 560C y con un tiempo de 6 horas de proceso. Comparar las propiedades alcanzadas en los aceros de baja aleacin con los de mediana aleacion despues del proceso de nitruracin. Proporcionar un documento tecnico con informacion que ayude a dar un mejor uso de los aceros SAE 4340, SAE 4140, SAE O-1, SAE 1045 nitrurados en la industria.

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Justificacin En la actualidad industria como la del plsticos, empresas de servicios de metalmecnica, procesos de extrusin y trefilado y otros, en sus elementos de mquina que requieran dureza superficial y estabilidad dimensional estn requiriendo la aplicacin del tratamiento termoqumico en ciertos tipos de piezas buscando obtener cada vez mejores resultados en el trabajo de la misma, por lo tanto mayor eficiencia en su produccin.

Si bien hay nuevas tecnologias y materiales para obtener piezas las caracteristicas similares a las obtenidas con los tratamientos termoquimicos en particular con nitruracion gaseosa, los usuarios aun desconocen todas las propiedades que los aceros pueden obtener con este proceso y las limitaciones en su uso.

El presente trabajo de investigacion fue hecho con el proposito de dar al usuario una mayor informacion sobre las bondades que alcanzan los materiales con este tratamiento para un mejor rendimiento de las piezas, desde la seleccin de la calidad de aceros mas usados en nuestro medio, dando mayor nfasis a usos ms especficos de acuerdo a los parametros que se proponen.

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CAPITULO III MARCO METODOLGICO

En el siguiente captulo se presenta el tipo de investigacin que se llevara a cabo, as como tambin la lista de las actividades que se llevaran a cabo y los diferentes instrumentos que se utilizaron para recolectar la informacin.

Diseo y Tipo de Investigacin En el presente estudio, se desarrollo una investigacin por muestra con diseo experimental de tipo descriptivo y aplicado que suscitara la informacin para desarrollar el trabajo.

De esta manera, para la investigacin experimental, Grajales (2000) seala que, consiste en la manipulacin de una (o ms) variable experimental no comprobada, en condiciones rigurosamente controladas, con el fin de describir de qu modo o por qu causa se produce una situacin o acontecimiento particular. El experimento provocado por el investigador, le permite introducir determinadas variables de estudio manipuladas por l, para controlar el aumento o disminucin de esas variables y su efecto en las conductas observadas.

Continuando la descripcin de la cita, dado que uno de nuestros objetivos es, conocer las propiedades alcanzadas por los aceros seleccionados en el

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proceso de nitruracin gaseosa, el cual trabajaremos bajo condicionas contraladas, ya que como variables principales hemos determinado especificar que el proceso ocurra a 560C y con un tiempo de 6 horas.

La investigacin es de tipo descriptivo, ya que segn Grajales (2000), los estudios descriptivos buscan desarrollar una imagen o fiel representacin (descripcin) del fenmeno estudiado a partir de sus caractersticas. Miden variables o conceptos con el fin de especificar las propiedades importantes de comunidades, personas, grupos o fenmeno bajo anlisis.

Aunado a esto, el hecho de que nuestro objetivo principal es, estudiar el comportamiento de los Aceros SAE 4340, SAE 4140, SAE O-1, SAE 1045 posterior al tratamiento de nitruracin gaseosa, cuya finalidad es describir el comportamiento de los mismos en funcion del analisis de las durezas obtenidas en cada uno de ellos y las fases determinantes en el analisis microestructural de las fotos micrografias correspondiente a cada acero.

Finalmente, planteamos que nuestra investigacin lleva un sentido aplicada, el cual depende de los descubrimientos y avances de la investigacin bsica y se enriquece con ellos, pero se caracteriza por su inters en la aplicacin, utilizacin y consecuencias prcticas de los conocimientos. La investigacin aplicada busca el conocer para hacer, para actuar, para construir, para modificar; sealado de esta manera por Grajales (2000). Para el desarrollo de nuestra investigacin, los aceros a estudiar representan algunos de los de ms necesidad y utilidad en la industria.

Metodologa aplicada a la investigacin El procedimiento para realizar esta investigacin se presenta a continuacin, de acuerdo a los objetivos planteados, primeramente:

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Conocimiento de las propiedades alcanzadas por los aceros seleccionados en el proceso de nitruracin gaseosa a 560C y con un tiempo de 6 horas de proceso.

Los aceros seleccionados para el estudio, fueron de acuerdo a su uso en la industria en nuestro medio, primero se seleccionaron dos aceros bonificados aptos para la nitruracin (SAE 4140, 4340), teniendo estos aceros propiedades favorables para el proceso (elementos aleantes).

Luego se seleccion un acero al carbono (SAE 1045), para conocer su comportamiento en el proceso, siendo este un acero muy usado en nuestro medio, por su flexibilidad en el trabajo, se sabe tambin que es fcil de adquirirlo por su bajo costo y porque se encuentra en el mercado fcilmente, finalmente se selecciono el acero para el trabajo en frio (SAE O1) acero templable, acero que por sus propiedades (composicin, curva de revenido) no es muy favorable al proceso de nitruracin, pero en algunas ocasiones es posible hacerlo.

A

continuacin

se

describe

las

caractersticas

de

los

aceros

seleccionados, detallados por Crdova (2003): Acero SAE 4340 (34 CrNiMo6): Composicin Qumica: 0,38-0,43%C; 0,7-0,9%Cr; 1,65-2,0%Ni; 0,6-0,8%Mn; 0,2-0,3%Mo; 0,15-0,35%Si; 0,009%P; 0,002%S; 0,093%Cu. Dureza: 275-320 HB. Estado de Suministro: Bonificado. Propiedades:

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- Conserva la dureza y resistencia a alta temperatura debido al cromo, manganeso y molibdeno. - Mejora la resistencia al desgaste de la superficie endurecida y la tenacidad del ncleo debido al cromo, nquel, molibdeno y manganeso. - Tiene alta templabilidad hasta en medidas grandes proporcionada por el cromo, nique, manganeso y molibdeno. - Son menos susceptibles al fragilizado, debido al revenido, lo que permite reconocerlo a altas temperaturas para eliminar tensiones debido al efecto del cromo, nquel y molibdeno. - Altamente resistente a la traccin, torsin y a cambios de flexin, debido al efecto de manganeso, molibdeno y el carbono. - Puede utilizarse bajo trabajo en caliente (T