UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO

FACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA DE INGENIERIA METALÚRGICA

“Influencia de la temperatura y el tiempo de carburización

en la dureza, resistencia al impacto y desgaste, en el Acero

AISI 3215 para piñones”

AUTOR(ES):

JARA VALDEZ, Segundo Sergio

PURIZAGA HARO, Jimy Ismael

ASESOR:

Mg. Martín Taboada Neira

TRUJILLO - PERU

2007

PROYECTO DE INVESTIGACION

I. GENERALIDADES:

1. TITULO

“Influencia de la temperatura y el tiempo de carburización en la

dureza, resistencia al impacto y desgaste, en el Acero AISI 3215 para

piñones”

2. PERSONAL INVESTIGADOR

JARA VALDEZ, Segundo Sergio

PURIZAGA HARO, Jimy Ismael

3. TIPO DE INVESTIGACION

3.1.Por su naturaleza: Aplicada

3.2.Por su forma: Experimental

4. REGIMEN DE INVESTIGACION

Orientada

5. LOCALIDAD E INSTITUCION DONDE SE DESARROLLARA EL

PROYECTO

Localidad de Trujillo – Departamento de la Libertad

Universidad Nacional de Trujillo

Departamento de Ingeniería Minas, Metalúrgica y Materiales.

Escuela de Ingeniería Metalúrgica

Laboratorio de Metalurgia Física y Materiales.

6. DURACION DEL PROYECTO Y HORAS SEMANALES DEDICADAS:

6 meses x 8 horas semanales

7. CRONOGRAMA Y EJECUCION DEL PROYECTO

ETAPAS

FECHA

DE

INICIO

FECHA

DE

TERMINO

DEDICACION

SEMANAL(hr)

Actividades

preliminares 04-07-06 18-07-06 08

Recolección de

datos 19-07-06 19-09-06 08

Análisis de

datos 20-09-06 20-11-06 08

elaboración de

informe 21-11-06 4-01-07 08

8. RECURSOS DISPONIBLES

8.1. Personal:

02 Investigadores

01 Asesor

01 Técnico en Maquinarias y Herramientas

01 Laboratorista

8.2. Bienes:

Materiales

Acero AISI 3215

Reactivo de metalografía.

Resina.

Lijas.

Solución de cobalto.

Algodón.

Solución de peróxido de hidrógeno.

Alcohol.

Nital.

Moldes plásticos.

Sales.

Equipos

Horno eléctrico tipo mufla.

Tanque de aceite.

Durómetro HPQ 250.

Microscopio Metalográfico NEOPHOT 21.

Balanza analítica DENVER.

Equipo de desbaste y pulido.

Esmeril de desbaste.

8.3. Servicios:

Servicio por concepto de maquinado.

Servicio por concepto de impresión.

Pasajes, viáticos y correo.

Internet de la UNT.

Biblioteca de la UNT.

Hemeroteca de la UNT.

8.4. Locales:

Locales

Pabellón de Ingeniería Metalúrgica.

Biblioteca de Ingeniería de la UNT

Laboratorios

Laboratorio de Metalurgia Física y Materiales de la Escuela de

Ingeniería Metalúrgica.

Laboratorio de Maquinas Herramientas de la Escuela de Ingeniería

Mecánica.

9. PRESUPUESTO

Presupuesto Analítico de Recursos Disponibles

CODIGO

NOMBRE DEL

RECURSO CANTIDAD

COSTO

($)

5.3.11.30 Horno eléctrico tipo

mufla 01 5500.00

5.3.11.30 Durómetro HPQ 21

01 5500.00

5.3.11.30 Microscopio

metalográfico

NEOPHOT 21

01 8400.00

5.3.11.30 Maquina universal

AMSLER 01 7500.00

5.3.11.30 Equipo de corte y

mecanizado 01 6600.00

5.3.11.30 Equipo de

encapsulado, desbaste

y pulido

01 600.00

5.3.11.51 Computadora Pentium

IV 01 1000.00

5.3.11.51 Impresora Epson LX-

810 01 200.00

Sub Total 35300.00

Presupuesto Analítico de Recursos no Disponibles

CODIGO

NOMBRE DEL

RECURSO CANTIDAD

COSTO

(S/.)

5.3.11.30 Acero AISI H11 Global 910.00

5.3.11.30 Resina Global 105.00

5.3.11.30 Solución de Cobalto Global 35.00

5.3.11.30 Solución de peróxido de

hidrógeno Global 35.00

5.3.11.30 Lijas, Disco de corte Global 245.00

5.3.11.30 Alcohol y algodón Global 105.00

5.3.11.30 Aceite Global 350.00

5.3.11.30 Resistencia eléctrica Global 490.00

5.3.11.30 Libros, copias Global 175.00

5.3.11.30 Corte y maquinado Global 700.00

5.3.11.39 Impresión y fotocopiado Global 70.00

5.3.11.36 Fotocopias Global 175.00

5.3.11.36 Servicio de computo Global 350.00

5.3.11.20 Movilidad Global 175.00

Sub Total 3920.00

10.FINANCIAMIENTO

Autofinanciamiento de los recursos no disponibles

II. PLAN DE INVESTIGACIÓN:

1. Antecedentes y Justificación del Problema

1.1. Realidad Problemática

En el país el sector automotriz, metal – mecánico, especialmente

el automotriz en esta década se ha incrementado considerablemente por el

reemplazo de piezas como cigüeñales, engranajes, árbol de transmisión,

pines, émbolos, etc.; esto se hace constante debido a las fallas las cuales

generan fugas de divisas ya que estas piezas son generalmente

importadas.

En este caso se tratarán sobre el desgates y fractura de piñones

en la caja de cambios de un motor. Los factores que influyen en este

problema son: la humedad, temperatura, fabricación, falta de

mantenimiento, tipo de acero del engrane.

Los piñones se encuentran expuestos a fricción, a esfuerzos

produciendo calentamiento, también expuestos al impacto produciendo

grietas, otro punto sería el mantenimiento al no engrasar y ajustar

adecuadamente, otra causa sería por el conductor y los problemas de

tránsito que traen como consecuencia el cambio de velocidad; todos estos

factores en suma generan el desgate y fractura de los piñones.

Este problema central trae como consecuencia directas los

accidentes de tránsito, importación de piñones, cambio constante de

piñones (2 veces al año) y piezas de la caja de cambios del motor, la

producción a gran escala de piñones sin previo conocimiento técnico; estas

consecuencias directas generan como efecto final: riesgos a la vida y

afecten a la economía del individuo.

Una posible solución, sería el empleo de aceros que resistan

mejor la fatiga y desgaste, es decir, que tengan mejores propiedades

mecánicas. Otra posible solución, sería aplicar el proceso de carburización

para mejorar la resistencia al desgaste aumentando la dureza y la

tenacidad.

1.2. Antecedentes

El desgaste se puede definir como el deterioro no intencional

resultante del empleo o del ambiente; puede considerarse esencialmente

como un fenómeno de superficie. El desgaste es una de las influencias más

destructivas a que están expuestos los metales, y la importancia de la

resistencia al desgaste no necesita ampliarse. (Avner, 1988, p.563).

Avner (1988) al referirse a los factores que influyen en el desgaste

dice: “La lubricación es un factor de contribución importante para la

resistencia al desgaste, sobre todo en desgaste adhesivo” (p.565).

El impacto es un factor en el desgaste, ya que la carga aplicada

repentinamente puede producir flujo plástico y un cambio en forma. Un

diseño adecuado debe proporcionar una resistencia a la cadencia

compresiva en la superficie, superior al esfuerzo compresivo producido por

las cargas aplicadas con impacto y suficiente soporte, de manera que no

ocurra flujo subsuperficial. (Avner, S. Op.cit. p. 566).

La falla por fatiga se incluye en un estudio de desgaste, ya que es

una deterioración gradual debida al uso. Un diseño adecuado para eliminar

las concentraciones de esfuerzos en muescas y ángulos agudos

incrementará la resistencia a la fatiga. Como las fallas por fatiga se deben

siempre a esfuerzos tensiles, un esfuerzo residual compresivo en la

superficie proporcionará protección adicional. Esto puede llevarse a cabo

por endurecimiento superficial como carburización y por picamiento con un

chorro de perdigones. (Avner, S. Op.cit. p.566).

En 1983, Lajtin se refiere acerca de los aceros a mejorar (para

construcción de maquinaria) diciendo:

Los aceros a mejorar deben tener un alto límite de fluencia,

pequeña sensibilidad a las concentraciones de tensiones, y en las

piezas que trabajan en condiciones de múltiple aplicación de las

cargas, un alto límite de fatiga y suficiente margen de ductilidad.

Además, los aceros a mejorar deben tener alta capacidad de

calcinación y pequeña sensibilidad a la fragilidad de revenido. Los

aceros al carbono mejorados de las marcas 35, 40, 45 se

emplean para las piezas que tienen secciones relativamente

pequeñas o que trabajan en condiciones de cargas pequeñas, en

particular, para ejes, bielas, casquillos, discos de fricción,

embragues, tuercas y otras. (p.312).

En 1970, Tweelde (citado por Rodríguez y Ponce, 2002), se refirió

sobre el ensayo de impacto diciendo: “La resistencia al impacto en entalla o

resilencia es la capacidad del acero para resistir a la carga por choque en

presencia de una irregularidad superficial, como una entalla o muesca que

produce condiciones de tensión multiaxial. La situación generalmente se

examina en condiciones de tensión por tracción que existen en la parte de

tracción de una vida de flexión” (p.41).

1.3. Marco Teórico

1.3.1. Acero

Son aleaciones de hierro y carbono en diferentes

proporciones y pueden llegar a alcanzar 2.11% en peso de carbono

sino contienen además otros elementos de aleación que aminoren

este contenido máximo de carbono.

Los aceros contienen cantidades apreciables de carbono,

silicio y manganeso, que son los tres elementos fundamentales en

los aceros ordinarios; además siempre contienen también pequeños

porcentajes de impurezas como fósforo, azufre, oxígeno, etc. (Pero -

Sanz, 2004 p.20).

1.3.2. Aceros Aleados

Se define como acero aleado a aquel cuyas propiedades

características se deben a algún elemento diferente del carbono.

Aunque todos los aceros al carbono contienen moderadas

cantidades de manganeso (hasta del 0.90%) y silicio (hasta del

0.30%) no se consideran aleados, porque la función principal del

manganeso y del silicio es actuar como desoxidadores. Ellos se

combinan con el oxígeno y con el azufre, para reducir el efecto

nocivo de dichos elementos.

Los elementos de aleación se añaden a los aceros para

muchos propósitos, entre los cuales los más importantes son:

1. Aumentar la templabilidad

2. Mejorar la resistencia a temperaturas comunes

3. Mejorar las propiedades mecánicas tanto a altas como a

bajas temperaturas

4. Mejorar la tenacidad a cualquier dureza o resistencia

mínima

5. Aumentar la resistencia al desgaste

6. Aumentar la resistencia a la corrosión, y

7. Mejorar las propiedades magnéticas. (Avner, 1988,

p.348).

1.3.3. Aceros al Cromo – Níquel (serie 3XXX)

En estos aceros, la razón de níquel a cromo es de

aproximadamente 2 ½ partes de níquel por una parte de cromo. Una

combinación de los elementos de aleación generalmente presenta

algunas de las propiedades características de cada uno. El efecto del

níquel de aumentar la tenacidad y la ductilidad se combina con el

efecto del cromo de mejorar la templabilidad y la resistencia al

desgaste. Es importante recordar que el efecto combinado de dos o

más elementos de aleación sobre la profundidad y distribución de la

dureza suele ser mayor que la suma de los efectos de los mismos

elementos de aleación utilizados por separado.

Los aceros aleados al cromo – níquel de bajo contenido de

carbono se carburizan.

El cromo proporciona la resistencia al desgaste de la

superficie endurecida, mientras que ambos elementos de aleación

mejoran la tenacidad de la porción interna. Con 1.5% de níquel y

0.60% de cromo (serie 31XX) se utilizan para formar engranes

helicoidales, pernos para pistón, etc. Para aplicaciones de trabajo

pesado, como engranes para avión, flechas y levas, el contenido de

cromo 1.5% (serie 33XX). Los aceros al cromo – níquel de contenido

medio de carbono se utilizan en la manufactura de bielas

automotrices y flechas de transmisión. (Avner, 1988, p.357).

1.3.4. Tratamiento Térmico del Acero

Se comprende por tratamiento térmico al cambio de

estructura y, por lo tanto, el cambio de las propiedades de la

aleación, que se consigue mediante el calentamiento hasta una

determinada temperatura, exponiendo la aleación a esta temperatura

durante cierto tiempo y el enfriamiento ulterior a una velocidad

determinada.

Existen varios tipos de tratamiento térmico:

b. Recocido

c. Normalizado

d. Templado

e. Revenido

f. Bainitizado,

que en forma distinta cambian la estructura y las propiedades del

acero y que se recomiendan en dependencia de las exigencias

planteadas a los semiproductos (piezas fundidas, forjadas,

laminadas, etc.) y a los artículos preparados.

El tratamiento térmico del acero es una operación muy

importante en el ciclo tecnológico de preparación de muchas piezas.

Solamente con ayuda del tratamiento térmico se pueden

obtener altas propiedades mecánicas del acero que garantizan un

trabajo normal de los elementos moderados de las máquinas y

herramientas. (Lajtin, 1983, p.233).

1.3.5. Tratamiento Químico – Térmico del Acero

Se denomina tratamiento químico térmico a la saturación

superficial del acero con tal o cual elemento (por ejemplo con

carbono, nitrógeno, aluminio, cromo y otros) por difusión desde el

medio ambiente efectuada a alta temperatura.

El tratamiento químico térmico consta de tres procesos

elementales:

1° Procesos que transcurren en el medio ambiente y que

conducen a la separación del elemento difundidor en estado

elemental; a estos procesos pertenecen, por ejemplo, la disociación

del amoníaco con la separación de nitrógeno elemental por la

reacción 2NH3 2N + 3H2 y del monóxido carbónico con la

separación de carbono elemental por la reacción: 2CO CO2 + C y

otros;

2° Contacto de los átomos del elemento difundidor con la

superficie de la pieza de acero y la formación de enlaces químicos

con los átomos del metal básico (adsorción);

3° Difusión, es decir, penetración del elemento saturador

en las profundidades del metal. La velocidad de difusión al penetrar

los átomos difundidores en la red cristalina del hierro no es igual y

depende del tipo de solución formada. (Lajtin, 1983, p.277).

Hay cinco métodos de tratamiento químico – térmico o

tratamiento térmico superficial:

1. Carburización,

2. Nitruración,

3. Cianuración o Carbonitruración,

4. Endurecimiento por flama, y

5. Endurecimiento por inducción.

Los tres primeros métodos cambian la composición

química: la carburización por la adición de carbono, la nitruración por

la adición de nitrógeno y la cianuración por la adición de carbono y

de nitrógeno. Los dos últimos no cambian la composición química del

acero y son esencialmente métodos de endurecimiento poco

profundo.

En los métodos de endurecimiento por flama y por

inducción, el acero debe ser capaza de endurecerse; por tanto, el

contenido de carbono debe ser como del 0.30% o mayor. (Avner,

1988, p.317).

1.3.6. Difusión

Fenómeno que consiste en la migración de átomos de un

sitio de la red cristalina a otra.

También puede ser definida como el movimiento de átomos

en un material. Los átomos se mueven de manera ordenada,

tendiendo a eliminar las diferencias de concentrar y producir una

composición homogénea en el material.

La difusión interviene en el tratamiento térmico de metales

en la manufactura de cerámicos, en la solidificación de materiales, en

la fabricación de transistores y celdas solares, y aún en la

conductividad eléctrica de muchos materiales cerámicos. (Askeland,

1985, p.77).

Existen dos tipos de difusión: La de vacancias o

sustitucional e intersticial.

1. Difusión Sustitucional o de Vacancias: Migración de

átomos en la red cristalina desde una posición a otra si hay presente

suficiente energía de activación, proporcionada esta por la vibración

térmica de los átomos. (Smith, 2004, p.98).

Las vacantes en los metales son defectos en equilibrio y

están presentes para facilitar la difusión sustitucional de átomos.

Para que se de la difusión sustitucional se debe cumplir

las reglas de Hume – Rothery (Shackelford, 1995, p.130).

a. La diferencia de porcentaje entre átomos de soluto y

solvente no debe exceder el 15%.

b. Tener la misma estructura cristalina.

c. Similar electronegatividad.

d. La misma valencia.

2. Difusión Intersticial: Migración de átomos intersticiales

en una red de átomos matriz. Para el mecanismo intersticial sea

operativo el tamaño de los átomos que se difunden deben ser

relativamente pequeños comparados con los átomos de la matriz.

Los átomos pequeños considerados para la difusión son oxígeno,

hidrógeno, nitrógeno y carbono. (Smith, 2004, p.99).

La difusión intersticial tiene lugar cuando los átomos se

trasladan de un intersticio a otro contiguo, sin desplazar

permanentemente a ninguno de los átomos de la matriz de la red

cristalina.

1.3.7. Difusión de Carbono en el Acero

También llamado “carburización o cementación”, consiste

en el movimiento de átomos de carbono hacia la zona central del

acero. Los factores más importantes de este proceso son la

temperatura y el tiempo.

El mecanismo de difusión de carbono en el hierro es de tipo

intersticial, aquí el átomo de carbono ocupa los intersticios, estos

átomos se mueven de una posición intersticial a otra debido a saltos

producidos por las vibraciones térmicas. La solución sólida por

difusión intersticial, como la que forma el carbono disuelto en la

matriz de hierro, ocurre sólo si el átomo de soluto tiene diámetro

menor que el del solvente.

La difusión en estado estacionario (Primera Ley de Fick),

se considera debido a que el gradiente de concentración es

constante con el tiempo, esto significa que con el tiempo no existen

cambios en la concentración de átomos de soluto en estos planos.

(Smith, 2004, p.100).

La Primera Ley de Fick determina el flujo neto de átomos,

la cual se define como el número de átomos que pasa a través de un

plano de área unitaria por unidad de tiempo, esto representa la

velocidad a la cual lo átomos se difunden en un material. (Askeland,

1985, p.80)

El flujo o corriente de átomos puede representarse por la

siguiente ecuación:

donde:

J: Flujo o corriente de átomos

D: Coeficiente de difusión o difusividad

Gradiente de concentración

La ecuación primera de Fick, utiliza signo negativo porque

la difusión tiene lugar de altas a bajas concentraciones, es decir, es

un gradiente de concentración negativo. (Smith, 2004, p.100).

Las unidades en el sistema internacional para esta

ecuación son:

A continuación definiremos todas las variables de la

ecuación de Fick:

Gradiente de Concentración: Indica como varia la

composición del material con la distancia, es la diferencia de

concentración a lo largo de la distancia . (Askeland, 1985, p.81).

Coeficiente de Difusión: Medida de la velocidad de

difusión en sólidos. (Smith, 2004, p.100).

El efecto de la temperatura en el coeficiente de difusión

viene dado por la siguiente ecuación:

Esta es la ecuación de Arrhenius y aquí se muestra la

dependencia de la velocidad de difusión con la temperatura.

Donde:

D: Coeficiente de difusión (m2/s)

D0: Factor de frecuencia de los átomos que se difunden

(constante) (m2/s)

Q: Energía de activación de las especies en difusión (J/mol

ó cal/mol).

R: Constante molar de los gases (8.314 J/mol.°K ó 1.987

cal/mol.°K)

T: Temperatura (°K)

El coeficiente de difusión o difusividad depende de muchas

variables, las más importantes son las siguientes:

El tipo de mecanismo de difusión, intersticial o

sustitucional.

La temperatura indica la cantidad de carbono que se

difunde en el acero mediante el proceso de difusión.

El tipo de estructura cristalina a la red matriz.

El tipo de imperfecciones cristalinas.

La concentración de las especies que se difunden.

La difusión en estado no estacionario o transitorio

(Segunda Ley de Fick), describe a la difusión en forma dinámica o no

estable de los átomos, esto significa que el flujo y gradiente de

concentración varían con el tiempo. La difusión en estado transitorio

se expresa como: (Smith, 2004, p.101).

en la ecuación como D es independiente de la concentración esto

nos conduce a una simplificación de la ecuación anterior:

donde:

C: Concentración de la superficie que se difunde, a una distancia x

de la superficie.

t: Tiempo expresado en segundos

Una solución particular de la ecuación diferencial de la

Segunda Ley de Fick es la siguiente:

donde:

Cs: Concentración de los átomos que se difunden en la superficie del

material.

C0: Concentración uniforme inicial de los átomos en el material.

Cx: Concentración de átomos que se difunden a una profundidad x de

la superficie después de un tiempo t.

fer: Función error Gauss.

D: Coeficiente de difusión.

La solución de la Segunda Ley de Fick permite calcular la

concentración de muestras cercanas a la superficie del material

como una función del tiempo y la distancia, siempre y cuando el

coeficiente de difusión D, permanezca constante y las

concentraciones de átomos difundidos en la superficie Cs dentro del

material C0 permanezcan sin cambios. (Askeland, 1985, p.86).

También es importante mencionar que se puede predecir la

profundidad de penetración o el espesor de capa tratada (x); en

función del tiempo a la temperatura de operación, usando la siguiente

relación:

1.3.8. Cementación

Procedimiento termoquímico más antiguo de saturación de

la superficie de los aceros con carbono y se aplica para obtener

dureza y resistencia alta al desgaste de la capa superficial,

conservando al mismo tiempo el núcleo blando y tenaz. (Malishev,

1983, p.126).

El objetivo de la cementación es crear una capa superficial

rica en carbono, y de una elevada dureza, sobre la pieza de acero de

bajo carbono. Los aceros de cementación contienen normalmente

0.25% de carbono como máximo. (Valencia, 1992, p.345).

El proceso se hace calentando hasta el rango de

temperatura austenítico, manteniendo el acero en contacto con el

ambiente cementante para permitir que el carbono se difunda hasta

una profundidad satisfactoria, con enfriamiento lento y tratamiento

térmico posterior. (Valencia, 1992, p.345).

El contenido de carbono disminuye desde la superficie

hacia el centro. Se obtiene así después del temple, una dureza

superficial muy elevada, mientras que la zona central que contiene

bajo carbono inicial se endurece poco y permanece tenaz. (Valencia,

1992, p.345).

La cementación comprende dos operaciones sucesivas

distintas que son:

La carburación enriquece la capa superficial en carbono

(cementita) y a su vez este proceso se compone de dos fenómenos

simultáneos, el primero que es independiente del tipo de cementante,

es la transferencia de los átomos de carbono del cementante a la

superficie de la pieza, esta transferencia son resultados de

reacciones químicas. (Valencia, 1992, p.345 - 346).

En el proceso de carburación usando coque se dan las

siguientes reacciones, en medio sólido:

Formación de CO: El carbón a elevada temperatura, en

contacto con el oxígeno del aire que hay en el interior de la caja,

entre los espacios que deja la matriz cementante, según la siguiente

reacción: (Apraiz, 1997, p.329).

Descomposición del CO: Al contacto con la superficie de la

pieza se descompone en carbón naciente y dióxido de carbono

producto de la elevada temperatura. (Apraiz, 1997, p.329).

Descomposición de BaCO3: Los carbonatos y en especial

el carbonato bárico que son mezclados con el carbón vegetal,

aceleran la formación de carbono naciente, el carbonato de bario

también es conocido como activador debido a que aporta CO2.

(Apraiz, 1997, p.329 - 330).

El segundo fenómeno es la migración de átomos de

carbono de la superficie al interior del material, proceso de difusión

formando austenita saturada debido a la elevada temperatura.

(Apraiz, 1997, p.329).

Los resultados de la cementación dependen de los

siguientes factores:

- Composición del acero

- Composición del medio carburante (carburizador)

- Régimen de cementación: temperatura de calentamiento

y tiempo de permanencia.

- Carácter del tratamiento térmico después de la

cementación. (Malishev, 1983, p.126).

La capa cementada es la zona que después de la

cementación queda con un contenido de carbono superior a la del

acero y recibe el nombre de capa dura la zona superficial después

que del último tratamiento queda con una dureza superior a 58 – 60

Rockwell – C y cuyo porcentaje de carbono es superior a 0.5 – 0.8%

de carbono. (Apraiz, 1997, p.326).

1.3.9. Desgaste

Se define como el deterioro no intencional resultante del

empleo o del ambiente; puede considerarse esencialmente como un

fenómeno de superficie.

El desgaste es una de las influencias más destructivas a

que están expuestos los metales.

El desplazamiento y la separación de las partículas

mecánicas de una superficie mecánica puede producirse por

contacto con:

a. Otro metal (desgaste adhesivo metálico)

b. Un abrasivo metálico o uno no metálico (abrasión), o

c. Líquidos o gases en movimiento (erosión). La erosión

se acompaña generalmente por alguna forma de corrosión.

El mecanismo de desgaste, el desgaste adhesivo también

llamado rayado, erosión, prendimiento y ludimiento de las superficies,

pequeñísimas salientes producen fricción por interferencia mecánica,

con movimiento relativo de las superficies en contacto que

incrementan la resistencia para movimiento ulterior.

En el desgaste abrasivo ocurre cuando partículas duras se

deslizan o ruedan bajo presión a través de una superficie, o cuando

una superficie dura se frota a través de otra. (Avner, 1988, pp.563,

564, 565).

1.3.10. Dureza

Se denomina dureza la capacidad de los metales de resistir

a la penetración en ellos de una sustancia más dura. (Malishev,

1983, p.57).

También se llama dureza las propiedades del material de

ejercer resistencia a la deformación plástica (raramente a la rotura

frágil) durante la indentación. Existe una relación determinada entre

la dureza del material y su límite de fluencia o su resistencia. (Lajtin,

1983, p.88).

Los ensayos de dureza tienen carácter estático, son fáciles

de efectuar y se realizan con rapidez, sin deteriorar la pieza que se

ensaya. En la práctica industrial tienen una gran aplicación diversos

métodos de medir la dureza. (Malishev, 1983, p.57).

Los ensayos de dureza más aplicables son:

- Ensayo de dureza en aparatos tipo Brinell (dureza

Brinell).

- Ensayo de dureza en aparatos tipo Rockwell (dureza

Rockwell).

- Ensayo de dureza en aparatos tipo Vickers (dureza

Vickers).

1.3.11. Resistencia al Impacto

Las pruebas dinámicas de flexión por impacto revelan la

tendencia del metal a la rotura frágil. Durante el ensayo al impacto la

rotura puede ser frágil o dúctil. La rotura frágil tiene lugar por

desprendimiento y no va acompañada de deformación plástica

notable; la fractura en este caso es cristalina brillante.

En el caso de la rotura dúctil la fractura es fibrosa, de color

mate gris; la rotura va precedida de una deformación plástica

considerable.

Los ensayos al impacto son los más rígidos y conducen a

la rotura frágil. En las fábricas, los ensayos al impacto generalmente

se realizan a temperaturas ambiente, considerando, que las

condiciones de ensayo no son menos rígidas que las condiciones de

explotación.

1.4. Justificación del Problema

En nuestro país el sector automotriz, metal – mecánico,

especialmente el automotriz se ha incrementado considerablemente por el

reemplazo de piezas como piñones, engranajes, cigüeñales, etc.; esto se

hace constante debido a las fallas las cuales generan fugas de divisas ya

que estas piezas son generalmente importadas. Es por eso que se

considera este problema como proyecto de investigación.

2. Problema

¿En qué medida influyen la temperatura y el tiempo de

carburización en la dureza, resistencia al impacto y desgaste, en el Acero

AISI 3215 para piñones en la caja de cambios de un motor DIESEL en la

UNT?

3. Hipótesis

Al aumentar la temperatura y el tiempo de carburización, entonces

incrementará la dureza superficial del acero y se incrementará la

resistencia al impacto y desgaste.

4. Importancia

La importancia de esta investigación es que se su solución es el

empleo de aceros que resistan mejor la fatiga y desgaste (mejores

propiedades mecánicas) y aplicar el proceso de carburización a dichos

aceros para mejorar la resistencia al desgaste aumentando la dureza y la

tenacidad. Esta solución es importante porque evita el cambio constante

de piñones en la caja de cambios de un motor, permite el ahorro

económico del individuo y pérdidas humanas.

5. Objetivos

5.1. Objetivo General

Determinar los efectos de la temperatura y el tiempo en el

proceso de carburización de un Acero AISI 3215, con la finalidad de

incrementar la resistencia al desgaste de un piñón.

5.2. Objetivos Específicos

Aumentar la vida útil de la pieza.

Determinar el mejor valor de la temperatura para obtener la

mejor dureza superficial.

6. Diseño de Contrastación

6.1. Material de estudio:

Acero AISI 3215

Es un acero especial de cementación aleado al Cromo – Níquel.

Adquiere excelente dureza superficial en el temple de cementación.

Insuperable tenacidad en el núcleo.

Mayormente se aplica en partes de maquinarias y repuestos de

grandes dimensiones, de las cuales exige muy alta dureza superficial,

tenacidad y resistencia extraordinaria en el núcleo, ideal para la

fabricación de piñones, cigüeñales, ejes de cajas.

Su composición química es:

C 0.17%

Cr 1.5%

Ni 1.6%

Si 0.30%

Mn 0.50%

Características Mecánicas:

CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS

EN EL NÚCLEO DE LA PIEZA CEMENTADA

DUREZA ROCKEWELL EN

LA SUPERFI

CIE Rc

DIÁMETROmín.

LIMITE DE

FLUENCIA N/mm2

RESISTENCIA A LA

TRACCIÓN N/mm2

ALARGAMIENTO (L=5d) mín. %

CONTRACCIÓN % mín.

RESILIENCIA SEGÚN

DVM kg.m/cm2

(vál. de guía)

10

30

68

700

650

550

1000 – 1300

900 – 1200

800 – 1100

8

9

10

35

40

40

-

10

-

59a62

6.2. Métodos y técnicas:

6.2.1. Diseño experimental:

Variable Independiente: Temperatura y tiempo de

carburización

Variable Dependiente: Dureza, desgaste y resistencia al

impacto.

6.2.2. Procedimiento experimental

Preparar las muestras a cementar: limpiarlas con gasolina

la grasa y contaminantes; colocarlas en la caja de

cementación con su respectiva mezcla carburante (80% de

Carbón vegetal + 20% BaCO3), tapándolas y enmasillando.

Introducir las cajas al horno.

Poner en funcionamiento el horno eléctrico tipo mufla

verificando el sistema de control automático de

temperatura.

Controlar la temperatura de cementación y el tiempo

necesario de calentamiento que estarán dentro del horno.

Sacar la caja del horno, e inmediatamente proceder al

temple directo de las muestras, sumergiéndolas en agua.

A este tratamiento térmico de temple directo, en grupos de

4 serán colocadas todas las muestras.

Luego de templadas las probetas serán preparadas para

someterlas al ensayo de dureza, en la capa cementada.

Luego del templado directo se realizará un tratamiento

térmico de revenido a la temperatura de 200 ºC, durante un

tiempo de 45 minutos.

7. Referencias Bibliográficas

ACEROS BÖHLER DEL PERU S.A. (1995) “Manual de Aceros

Especiales”.

APRAIZ, J. (1997). “Tratamiento Térmico de los Aceros”. 9ª Edición.

Madrid: Editoriales LIMUSA y CIE – DOSSAT 2000.

ASKELAND, D. (1985). “La Ciencia e Ingeniería de los Materiales”.

México: Editorial Ibero – Americana.

AVNER, S. (1988). “Introducción a la Metalurgia Física”. México:

Editorial Reverte.

LAJTIN, Y. (1983). “Metalografía y Tratamiento Térmico de los

Metales”. 3a Edición. Moscú: Editorial MIR.

LIÑAN, C. y VALVERDE, E. (1999). “Influencia de la Temperatura y

Tiempo de Carburización Sólida sobre las propiedades

mecánicas de Resistencia al Impacto Tracción, Dureza

Superficial en el Acero AISI 3215”.

MALISHEV, A, et al. (1983). “Tecnología de los Metales”. 6a Edición.

Moscú: Editorial MIR.

PERO, J. y SANZ, E. (2004). “Aceros”. 1ª Edición. Madrid: Editoriales

Dossat 2000.

SHACKECLFORD, J. “Ciencia de los Materiales para Ingeniería”. 3ª

Edición. Editorial Prentice Hall.

SMITH, W. (2004). “Ciencia e Ingeniería de los Materiales”. 3a

Edición. Madrid: Mc Graw Hill.

VALENCIA, A. (1992). “Tecnología del Tratamiento Térmico de los

Metales”. Editorial Universidad de Antioquia Colombia.

BÖLHER UDDEHOLM Australia. http://www.bnan.com.avll