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INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL.

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍAMECÁNICA Y ELÉCTRICA.

Unidad Azcapotzalco.

“PROPUESTA DE FABRICACIÓN DE PIEZAS MECÁNICASDE UN ACERO INOXIDABLE AISI 416 CEMENTADAS

PARA SER SOMETIDAS A UNA PRUEBA DE DESGASTEABRASIVO”.

T E S I SQUE PARA OBTENER EL TITULO DE:

INGENIERO MECÁNICO

P R E S E N T A:

MANDUJANO MONROY ANTONIO.

ASESOR:M. en C. SALVADOR RUBÉN AYALA RODRÍGUEZ

MÉXICO, D.F. 2009

PROPUESTA DE FABRICACIÓN DE PIEZAS MECÁNICAS DE UN ACERO INOXIDABLE AISI 416CEMENTADAS PARA SER SOMETIDAS A UNA PRUEBA DE DESGASTE ABRASIVO.

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CONTENIDO

JUSTIFICACIÓN…………………………………………………………………. 1INTRODUCCIÓN…………………………………………………………………. 2

CAPÍTULO 1 ACEROS INOXIDABLES…………………………………….. 31.1- ANTECEDENTES…………………………………………………… 41.2- INTRODUCCION GENERAL ACERCA DE LOS ACEROS……. 51.3- TEMPERATURAS CRÍTICAS DEL HIERRO Y

DE LOS ACEROS………………………………………………… 61.4- ESTADOS ALOTRÓPICOS Y PUNTOS CRITICOS

DEL HIERRO PURO………………………………………………... 61.5- HIERRO ALFA É HIERRO GAMMA ……………………………. 71.6- HIERRO ALFA NO MAGNETICO…………………………………. 81.7- PUNTOS CRÍTICOS DE LOS ACEROS…………………………. 91.8- USO Y APLICACIÓN DE LOS ACEROS INOXIDABLES……… 91.9- DIAGRAMA HIERRO CROMO……………………………………. 101.10- Diagrama hierro níquel…………………………………………… 121.11- FASE SIGMA……………………………………………………….. 121.12- INFLUENCIA DE LOS ELEMENTOS DE ALEACIÓN………… 131.13- PRECIPITACÍON DE CARBUROS……………………………… 151.14- CONSTITUYENTES MICROSCÓPICOS DE LOS ACEROS… 16

1.14.1- Ferrita……………………………………………………… 161.14.2- Perlita………………………………………………………. 161.14.3- Cementita………………………………………………….. 171.14.4- Austenita………………………………………………….. 181.14.5- Martensita…………………………………………………. 181.14.6- Bainita…………………………………………………….. 191.14.7- Troostita……………………………………………………. 201.14.8- Sorbita……………………………………………………… 21

1.15- CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS INOXIDABLES…………. 221.15.1- Aceros ferríticos……………………………………………. 231.15.2.- Aceros martensíticos…………………………………….. 261.15.3.- Aceros Austeníticos……………………………………… 281.15.4.- Aceros ferrítíco – austenítico…………………………… 301.15.5.- Aceros endurecibles por precipitación………………… 31

CAPÍTULO 2 TRATAMIENTOS TÉRMICOS……………………… 322.1- TRATAMIENTOS TERMICOS………………………………………. 332.2- INTRODUCCIÓN A LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS

MÁS USADOS……………………………………………………….. 352.2.1- RECOCIDO………………….……………………………… 352.2.1.1- Recocidos de austenización completa

o de regeneración………………………………………….. 35


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2.2.1.2- Recocidos subcriticos……………………………………… 352.2.1.3- Recocidos de austenización incompleta (globulares)…. 362.2.1.4- Doble recocido………………………………………………. 37

2.2.2- NORMALIZADO……………………………………………………… 372.2.3- TEMPLE……………………………………………………………… 38

2.2.3.1- Ensayo de templabilidad…………………………………. 382.2.3.2- Curvas de templabilidad………………………………….. 382.2.3.3- Factores que influyen en el temple……………………… 392.2.3.4- Medios de temple………………………………………….. 39

2.2.3.4.1- Agua……………………………………………… 402.2.3.4.2- Aceite…………………………………………….. 40

2.2.4- REVENIDO………………………………………………………….. 402.2.4.1- Modificación de las características mecánicas

en el revenido……………………………………………….. 412.2.4.2- Modificaciones de volumen en el revenido……………. 422.2.4.3- Calentamiento para el recocido de regeneración,

temple y normalizado………………………………………. 432.2.4.4- Crecimiento de los cristales de austenita

con el calentamiento……………………………………….. 462.2.4.5- Acero quemado…………………………………………… 482.2.4.6-Teoría del temple. Enfriamiento………………………… 48

2.3- TRATAMIENTOS ISOTÉRMICOS DE LOS ACEROS……………. 512.3.1- Austempering o transformación isotérmica de la austenitaen la zona 250°- 600°……………………………………………….. 522.3.2- Martempering………………………………………………… 522.3.3- Recocidos isotérmicos……………………………………… 522.3.4- Temple superficial…………………………………………… 52

2.4- TRATAMIENTOS EN LOS QUE HAY CAMBIO DECOMPOSICIÓN……………………………………………………… 532.4.1- CEMENTACIÓN……………………………………………… 53

2.4.1.1 -Capa cementada………………………………… 532.4.1.2- CEMENTACIÓN SÓLIDA………………………… 54

2.4.1.2.1- Cementación con C……………………… 542.4.1.3 - CEMENTACIÓN LÍQUIDA………………………… 55

2.4.1.3.1- Endurecimiento superficial conbaños de sales fundidas…………………….. 55

2.4.1.3.2- Evolución del procedimiento……………. 562.4.1.3.3- Cementación en baños de sales……… 572.4.1.3.4- Carburación………………………………. 582.4.1.3.5- Cianuración………………………………. 582.4.1.3.6.- Sulfinización…………………………….. 60

2.4.1.4- CEMENTACIÓN EN GASES…………………….. 602.4.1.4.1- Carburación gaseosa……………………. 602.4.1.4.2- Nitruración………………………………… 612.4.1.4.3- Carbonitruración…………………………. 61


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CAPÍTULO 3 TRIBOLOGÍA………………………………………………… 623.1- TRIBOLOGÍA………………………………………………………….. 63

3.1.1- Naturaleza de la fricción…………………………… 643.1.2- Mecanismos y procesos del desgaste……………. 643.1.3- Modelación de los procesos tribológicos…………. 653.1.4- Modelación de tribosistemas………………………. 653.1.5- Materiales tribológicos y lubricantes……………… 663.1.6- Problemas fundamentales de los ensayos………. 663.1.7- Química de los lubricantes………………………… 66

3.2- TEORÍA DE LA MODELACION Y SU APLICACIÓNEN LA TRIBOLOGÍA………….…………………………………. 673.2.1- Modelación física……………………………………………. 67

3.3- EL DESGASTE EN LOS SÓLIDOS…………………………………. 683.4- CARACTERÍSTICAS DEL PROCESO DE DESGASTE………….. 693.5- MECANISMO DE FORMACIÓN DE PARTÍCULAS………………. 703.6- TEORÍA DE LA FATIGA DEL DESGASTE………………………… 703.7- DESGASTE POR FATIGA SUPERFICIAL…………………. 71

3.7.1- Mecanismo del desgaste por fatiga……………………….. 713.8- DESGASTE ABRASIVO………………………………………………. 723.9- DESGASTE EROSIVO……………………………………………….. 763.10- DESGASTE POR OXIDACIÓN…………………………………… 763.11- DESGASTE CORROSIVO-MECÁNICO……………………………. 773.12- DESGASTE POR FROTAMIENTO…………………………………. 793.13- ENSAYOS DE DESGASTE………………………………………… 81

3.13.1- Resistencia al desgaste de los metales…………………. 813.13.2- Métodos de ensayos al desgaste………………………… 823.13.3-Equipamientos para los ensayos de desgaste…………. 86

CAPÍTULO 4 DESARROLLO EXPERIMENTAL…………………….. 894.1- PREPARACIÓN DE LAS PROBETAS………………….. 904.2-TRATAMIENTO TÉRMICO DE LAS PROBETAS…………. 924.3-PRUEBAS DE DUREZA……………………………………… 944.4- PRUEBAS DE DESGASTE…………………………………. 964.5- ANÁLISIS METALOGRAFICO………………………………. 99

CAPÍTULO 5 RESULTADOS Y ANÁLISIS……………………………. 1005.1- RESULTADOS DE LAS METALOGRAFÍAS……………….. 1015.2- RESULTADOS DE LAS PRUEBAS DE DUREZA………… 1065.3- RESULTADOS DE LAS PRUEBAS DE DESGASTE…….. 108

CONCLUSIONES…………………………………………………………………… 112


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BIBLIOGRAFÍA……………………………………………………………………… 113

ANEXOS…………………………………………………………………………….. 114Anexo 1………………………………………………………………………………. 115Anexo 2……………………………………………………………………………… 116Anexo 3………………………………………………………………………………. 117Anexo 4………………………………………………………………………………. 118Anexo 5……………………………………………………………………………… 118Anexo 6………………………………………………………………………………. 119Anexo 7……………………………………………………………………………… 120Anexo 8………………………………………………………………………………. 121

GLOSARIO………………………………………………………………………….. 122


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ÍNDICE DE FIGURAS.

CAPÍTULO 1Fig. 1.1 Diagrama Fe-Cr-Ni a temperatura ambiente (Wever y Jellinghaus)……… 5

Fig. 1.2 Curva de calentamiento y enfriamiento de hierro puro…………………. 6

Fig. 1.3 Sistemas cristalinos del hierro alfa y del hierro gamma…………. 8

Fig. 1.4 Curvas de enfriamiento de diversas aleaciones hierro -carbono…. 9

Fig. 1.5 Diagrama fases Hierro-cromo…………………………………………….. 10

Fig. 1.6 Diagrama de fases Hierro-Níquel………………………………………… 12

Fig. 1.7 Precipitación de carburos en un acero X6CrNi19-10………………….…. 15

Fig. 1.8 Ferrita……………………………………………………………………….. 16

Fig. 1.9 La perlita es un constituyente eutectoide……………………………….. 17

Fig. 1.10 Cementita…………………………………………………………………. 17

Fig. 1.11 Austenita……………………………………………………………………. 18

Fig. 1.12 Martensíta………………………………………………………………….. 19

Fig. 1.13 Bainita Superior…………………………………………………………… 20

Fig. 1.14 Bainita inferior…………………………………………………………….. 20

Fig. 1.15 Troostita……………………………………………………………………. 21

Fig. 1.16 Sorbita………………………………………………………………………. 22

Fig. 1.17 Variación de la resiliencia de los aceros al cromo……………………. 24

Fig. 1.18 La variación de la resiliencia de los aceros al cromo…………………. 25

Fig. 1.19. Estructura de acero ferrítico, recocido………………………………….. 26

Fig. 1.20 Durezas obtenidas en el temple de un acero martensítico………….. 26

Fig. 1.21 Estructura de un acero martensítico, recocido………………………… 27

Fig. 1.22 Estructura formada de martensita revenida…………………………… 27


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Fig. 1.23 Estructura austenítica exenta de carburos……………………………. 30

Fig. 1.24 Estructura de un acero ferrítico - austenítico………………………….. 30

CAPÍTULO 2 TRATAMIENTOS TÉRMICOS.Fig. 2.1. Diagrama hierro – carbono………………………………………………. 34

Fig. 2.2 Esquema de los tratamientos térmicos más empleados………………. 37

Fig. 2.3 Curva de Jominy (Apraiz)…………………………………………………. 39

Fig. 2.4 Influencia de la temperatura de revenido, sobrela dureza de los aceros al carbono de herramientas, templados……… 41

Fig. 2.5 Influencia la temperatura de revenido, sobre la dureza deun acero indeformable de 13 % de cromo………………………………… 42

Fig. 2.6 Dilataciones y contracciones que experimentan los aceros al carbonoen función de la temperatura de revenido………………………………… 42

Fig.2.7 Representación esquemática de los tipos de temple y revenido………… 43

Fig. 2.8 Tiempo aproximado que tarda en calentarse el centro de los redondosde acero al carbono, al ser introducidos en un horno caliente………….. 44

Fig. 2.9 Temperaturas en el centro de un redondo de acero de 0,35 % de C,de 30 mm de diámetro calentado desde 20° a 1100°…………………… 45

Fig. 2.10 Aumento producido en el tamaño de grano de un acero de 0,60 %de carbono, por el calentamiento a diferentes temperaturas………………. 46

Fig. 2.11 Acero de 0,45 % de carbono calentado a 1000° y enfriadoen el horno…………………………………………………………………… 46

Fig. 2.12 Acero de 0,45 % de carbono calentado a 800° y enfriado en elhorno…………………………………………………………………………. 46

Fig. 2.13 Cambios estructurales que experimenta en los calentamientos yenfriamientos lentos un acero de 0,25 % de carbono………………….. 47

Fig. 2.14 Acero de 0,55 % de C recocido a 810° y enfriado al aire…………. 48

Fig. 2.15 Acero de 0,55 % de C recocido a 810° y enfriado el horno………… 48

Fig. 2.16 Influencia de la velocidad de enfriamiento en la temperatura detransformación de la austenita y sobre los constituyentes que se obtienen. 49


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Fig. 2.17 Influencia de la velocidad de enfriamiento en la situación de lospuntos críticos…………………………………………………………………. 50

Fig. 2.18 Influencia de la temperatura de cianurización en el contenido encarbono y nitrógeno de la capa periférica de un acero al carbonocianurado……………………………………………………………………… 59

Fig. 2.19 Influencia del tiempo de cianurización en el contenido encarbono y nitrógeno de la capa periférica de un acero al carbonocianurado…………………………………………………………………….. 60

CAPÍTULO 3 TRIBOLOGÍA.Fig. 3.1 Modelos gráficos del proceso de fricción (submodelos)……………. 68

Fig. 3.2 Desgaste W en función del tiempo de operación t……………………. 70

Fig. 3.3. a) Desgaste entre ''dos cuerpos"; b) desgaste entre "tres cuerpos"…. 74

Fig. 3.4 Regímenes de desgaste abrasivo……………………………………….. 75

Fig. 3.5 Desgaste por Erosión……………………………………………………… 76

Fig. 3.6 Desgaste por oxidación…………………………………………………… 76

Fig. 3.7 En esta conexión existe desgaste corrosivo mecánico si no selubrica o no es el correcto lubricante……………………………………… 78

Fig. 3.8 Desgaste contra tiempo……………………………………………..……. 83

Fig. 3.9 Esquema para determinar el desgaste por el métodode las bases artificiales…………………………………………………….. 84

Fig. 3.10 Máquina universal para los ensayos a la fricción y el desgaste……….. 87

Fig. 3.11 Máquina universal UMT-1……………………………………………. 87

Fig. 3.12 Esquema de la instalación para los ensayos de materiales a la resistencia aldesgaste……………………………………………………………………………… 88

CAPÍTULO 4 DESARROLLO EXPERIMENTAL.Fig. 4.1 cortadora de disco…………………………………………………………. 90

Fig. 4.2 Corte de la barra…………………………………………………………… 90

Fig. 4.3 Torno usado para maquinado de piezas……………………………….. 91


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Fig. 4.4 Lijadora metalografica de banda………………………………………… 91

Fig. 4.5 Probetas con acabado a espejo………………………………………… 91

Fig. 4.6 obtencion de los testigos………………………………………………….. 92

Fig. 4.7 Marcas de 1,2 y 3 horas…………………………………………………… 92

Fig.4.8 Calderas utilizadas…………………………………………………………. 92

Fig.4.9 Controlador e indicador de temperatura………………………………… 93

Fig.4.10 Precalentado………………………………………………………………. 93

Fig.4.11 Crisoles para precalentado………………………………………………. 93

Fig.4.12 Mezcla introducida en la caldera………………………………………… 93

Fig. 4.13 Durómetro Vickers……………………………………………………….. 94

Fig. 4.14 Durómetro…………………………………………………………………. 94

Fig. 4.15 Pesos de Rockwell……………………………………………………….. 95

Fig. 4.16 Carátula de Rockwell…………………………………………………….. 95

Fig. 4.17 Huella de penetrador……………………………………………………… 96

Fig. 4.18 Revolver de durómetro……………………………………………………. 96

Fig. 4.19 Maquina de desgaste abrasivo…………………………………………. 96

Fig. 4.20. Maquina de desgaste abrasivo………………………………………… 98

Fig. 4.21 desgaste en la pieza……………………………………………………… 99

Fig. 4.22 Balanza……………………………………………………………………. 99

Fig. 4.23 Huella de desgaste……………………………………………………….. 99

Fig. 4.24 Microscopio metalografico………………………………………………. 99

CAPÍTULO 5 RESULTADOS Y ANÁLISIS.Fig. 5.1 Acero sin cementar……………………………………………………….. 101


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Fig. 5.2 Cementado 1 hora 500 aumentos……………………………………….. 102

Fig. 5.3 Cementado 1 hora 1000 aumentos……………………………………… 102

Fig. 5.4 Cementado 1 hora 2000 aumentos……………………………………… 102

Fig. 5.5 Cementado 2 horas 500 aumentos……………………………………… 103

Fig. 5.6 Cementado 2 horas 1000 aumentos…………………………………….. 103




Fig. 5.10 Formación de Carburos de Cromo en AI 416 (partículas blancas)en capa cementada en matriz martensítica 100X, 1 hora……………….. 105

Fig. 5.11 Formación de Carburos de Cromo en AI 416 (Partículas blancas)en capa cementada en matriz martensítica, 100X, 2horas……………. 105

Fig. 5.12 Estructura martensítica, y carburos de cromo dispersos 416,100X con 3 horas…………………………………………………………..... 105

Fig. 5.13. Grafica de los promedios de dureza Rockwell con respectoal tiempo de cementado……………………………………………………. 106

Fig. 5.14 Grafica de los promedios de dureza Vickers con respectoal tiempo de cementado……………………………………………………. 106

Fig. 5.15 Grafica del peso perdido respecto a la distancia recorrida enprobeta sin cementar………………………………………………………… 108

Fig. 5.16Grafica del peso perdido respecto a la distancia recorrida enprobeta 1 hora de cementado……………………………………………… 109

Fig. 5.17 Grafica del peso perdido respecto a la distancia recorrida enprobeta 2 horas de cementado……………………………………………. 110

Fig. 5.18 Grafica del peso perdido respecto a la distancia recorrida enprobeta 3 horas de cementado……………………………………………. 110

Fig. 5.19 Grafica No.7 perdida de material total de cada probetasometida a la prueba de desgaste…………………………………….. 111


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ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 1.1 Uso del acero inoxidable en la industria, en función de las formasdel producto y aplicaciones……………………………………………………… 10

Tabla 1.2. Se dan más detalles acerca de la composición y característicasde cada grupo…………………………………………………………………….. 23

Tabla 1.3. Composición química de algunas calidades de acerosinoxidables austeníticos……………………………………………………. 28

Tabla 2.1. Temperaturas recomendadas para el temple de los aceros alcarbono de 0,10 a 1,40 % de C…………………………………………… 51

Tabla 5.1 Medición de la capa cementada a 1 hora de tratamiento…………… 102

Tabla 5.2 Medición de la capa cementada a 2 horas de tratamiento…………. 103

Tabla 5.3 Medición de la capa cementada a 3 horas de tratamiento…………. 104

TABLA 5.4. Durezas de la probeta sin cementar………………………………… 106

TABLA 5.5. Durezas de la probeta con una hora de tratamiento………………. 106

TABLA 5.6 Durezas de la probeta con 2 horas de tratamiento………………… 106

TABLA 5.7. Durezas de la probeta con 3 horas de tratamiento……………….. 106

TABLA 5.8. Promedio de durezas de las probetas……………………………… 107

TABLA 5.9 PESO PERDIDO (g) CON RESPECTO ALA DISTANCIA (m)PROBETAS SIN CEMENTAR…………………………………………….. 108

TABLA 5.10 PESO PERDIDO (gr) CON RESPECTO ALA DISTANCIA (m)PROBETAS CON 1 HORA DE CEMENTACION……………………….. 109

TABLA 5.11 PESO PERDIDO (gr.) CON RESPECTO ALA DISTANCIA (m)PROBETAS CON 2 HORAS DE CEMENTACION…………………………… 109

TABLA 5.12 PESO PERDIDO (gr.) CON RESPECTO ALA DISTANCIA (m)PROBETAS CON 3 HORAS DE CEMENTACION………………………… 110

TABLA 5.13 PERDIDA DE MATERIAL PROMEDIO…………………………….. 111


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JUSTIFICACIÓN.

Este trabajo se basa en la investigación para probar la resistencia al desgaste de unacero inoxidable, que fue sometido a un proceso de cementación liquida.Debido a que en la mayoría de piezas mecánicas se fabrican con aceros al carbonosometidas a tratamientos térmicos, los aceros inoxidables se utilizan paraaplicaciones especiales.

Dado que algunos aceros inoxidables como los martensíticos 416 son templables yadquieren dureza para ser utilizados en trabajos donde la dureza es determinante,así mismo este acero se cemento para aumentar su dureza superficial y someterlo apruebas de desgaste en arena Los resultados obtenidos en las pruebas de desgastefueron comparados con respecto al tiempo para determinar cuál es tiempo optimoque se debe cementar para ser utilizado en trabajos de desgaste o fricción.

Este estudio se sustentara en la cementación del acero 416 en un tiempo de 1, 2 y 3horas, realizando pruebas de dureza, desgaste y un análisis metalográfico en cadauna de estas piezas y se compararan las propiedades de las probetas hechas a 1, 2y 3 horas.

La razón principal para ser acero inoxidable es su resistencia a la corrosión ydespués de ser cementado, observar cual es su comportamiento al desgasteabrasivo.Se dispone de un gran número de aleaciones resistentes a la corrosión, conpropiedades mecánicas definidas, variando el costo en forma considerable.

Son apropiados para cementación los aceros de baja contenido de carbono, queconserven la tenacidad en el núcleo. El cromo acelera la velocidad de penetracióndel carbono. Los aceros al cromo níquel tienen buenas cualidades mecánicas yresponden muy bien a este proceso.


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INTRODUCCIÓN.

Actualmente, las posibilidades de modificar la estructura, constitución e incluso lacomposición química de los metales y aleaciones, se han extendidoconsiderablemente. Pero siguen siendo los tratamientos térmicos, los que más seutilizan en la metalurgia actual.

Los tratamientos térmicos son procesos donde únicamente se utiliza la temperaturacomo magnitud variable modificadora de la microestructura y constitución de metalesy aleaciones, pero sin variar su composición química.

El objetivo de los tratamientos térmicos consiste en mejorar las propiedadesmecánicas de metales y aleaciones, de tal forma que unas veces interesa aumentarla dureza y resistencia mecánica, y otras veces la ductilidad o plasticidad parafacilitar su conformación.

Por extensión, también se emplea la denominación de tratamientos a otras técnicas,donde además de utilizar la temperatura como única variable a considerar, semodifica también la composición química de una capa superficial de la pieza. A estostratamientos se les conoce con el nombre de tratamientos en los que hay cambio decomposición.


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CAPÍTULO 1

ACEROSINOXIDABLES.


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1.1- ANTECEDENTES.

A principios de los años veinte, en la industria se inició la aplicación de temperaturasde proceso, presiones, reactivos y otras condiciones que estaban más allá de lascaracterísticas de los materiales existentes en esos días. Como en la industriapetrolera. Se encontró que los tubos ordinarios de acero al carbono utilizados en losintercambiadores de calor se corroían aceleradamente, en forma particular cerca delos extremos; debido a esto, se consumían grandes cantidades de tubos. Una de lasprimeras aplicaciones del acero inoxidable fue la sustitución de estas secciones detubos por una aleación al cromo, conocida actualmente como tipo 429.

Sin embargo, los primeros trabajos realizados para la fabricación de los hierros yaceros inoxidables datan del siglo XIX. Ya en aquellos días se sabía que el hierroaleado con ciertos metales, como el cobre y el níquel resistía mejor a la oxidaciónque el hierro ordinario. En 1865 ya se hacían, aunque en cantidades muy limitadas,aceros con 25 y 35% de níquel que resistían muy bien la acción de la humedad delaire y, en general, del medio ambiente; pero se trataba de fabricaciones en muypequeña escala que nunca se continuaron. En esa época no se llegó a estudiar ni aconocer bien esta clase de aceros. En 1872 Woods y Clark fabricaron aceros con 5%de cromo que tenían también mayor resistencia a la corrosión que los hierrosordinarios de esa época.

En 1892 Hadfield, en Sheffield, estudió las propiedades de ciertos aceros aleadoscon cromo y dio a conocer en sus escritos que el cromo mejoraba sensiblemente laresistencia a la corrosión. En 1904-1910, Guillet y Portevin, en Francia, realizaronnumerosos estudios sobre aceros aleados con cromo y níquel, determinandomicroestructuras y tratamientos de muchos de ellos. Llegaron a fabricar aceros muysimilares a los típicos aceros inoxidables que se usan en la actualidad, pero hastaentonces nunca le dieron especial atención a la inoxidabilidad.

El desarrollo original de lo que son actualmente los aceros inoxidables aconteció enlos albores de la primera guerra mundial. En forma independiente y casi simultánea,en Inglaterra y en Alemania se descubrieron los aceros inoxidables tal como losconocemos ahora. El metalurgista inglés Harry Brearly investigando cómo mejoraruna aleación para proteger los cilindros de los cañones, encontró que agregandocromo a los aceros de bajo carbono, obtenía aceros resistentes a las manchas(stainless) o resistentes a la oxidación. Los doctores Strauss y Maurer, de Alemania,en 1912 patentaron dos grupos de aceros inoxidables al cromo-níquel de bajocontenido de carbono; uno de éstos, con la denominación 18-8, ha sido utilizadodesde entonces en numerosas aplicaciones.

Las propiedades y composiciones de los aceros inoxidables se mantuvieron ensecreto por los países beligerantes mientras duró la primera guerra mundial.Posteriormente, a partir de las pocas aleaciones experimentadas en 1920 y de un


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limitado número de grados comercialmente disponibles en 1930, la familia de losaceros inoxidables ha crecido en forma impresionante. En la actualidad se cuentacon un gran número de tipos y grados de acero inoxidable en diversaspresentaciones, y con una gran variedad de acabados, dimensiones, tratamientos,etc.

1.2-INTRODUCCION GENERAL ACERCA DE LOS ACEROS.

El acero se define como una aleación de hierro (Fe) y carbono (C) con contenidos deC inferiores a 1.76 %. En términos de corrosión son materiales poco resistentes,teniendo en cuenta que se oxidan en aire, se corroen en presencia de ácidos y sedecapan (desconchan) a altas temperaturas en hornos. Existe un grupo dealeaciones base hierro, las aleaciones hierro-cromo-níquel conocidas como acerosinoxidables.La presencia de Cr junto con otros elementos de aleación, principalmente el níquel(Ni), molibdeno (Mo), titanio (Ti), carbono, etc. Confieren a los aceros inoxidablesuna estructura, resistente a la corrosión y propiedades mecánicas determinadas.Conociendo como influyen los diferentes elementos, ha sido posible el desarrollo delos aceros y así cumplir con las necesidades de la industria.

Diagramas de fase.

Fig. 1.1 Diagrama Fe-Cr-Ni a temperatura ambiente (Wever y Jellinghaus).

Wever y Jellinghaus trazaron un diagrama Fe-Cr-Ni en el que indican la formación atemperatura ambiente de las distintas estructuras de dichas aleaciones según el contenidode hierro, cromo y níquel.

El cromo es el elemento principal en los aceros inoxidables. En contenidos a partirdel 11 % de cromo, el Cr reacciona con el oxígeno en el aire y forma una fina capade óxido de cromo estable y pasiva en la superficie del acero que se reconstruyeespontáneamente. Por lo tanto la capa pasivante genera una alta resistencia a lacorrosión en ambientes oxidantes.


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Atendiendo a los diagramas de fases hierro-cormo (fig. 1.5) e hirro-niquel (fig. 1.6),se puede analizar la influencia de estos elementos, además de otros elementos dealeación en la microestructura de los diferentes aceros.

1.3- TEMPERATURAS CRÍTICAS DEL HIERRO Y DE LOS ACEROS.

Al estudiar el diagrama hierro carbono (Anexo 1) existen para cada acero ciertastemperaturas, en las que en el calentamiento y en el enfriamiento muy lento haytransformación de los constituyentes microscópicos.

1.4- ESTADOS ALOTRÓPICOS Y PUNTOS CRITICOS DEL HIERROPURO.

Si se deja enfriar lentamente una muestra de hierro lo más puro posible, desde elestado líquido, se puede observar (Fig. 1.2), que se solidifica instantáneamente a1535°.

Al continuar descendiendo la temperatura, no se observa nada anormal en elproceso de enfriamiento, hasta 1400°. Entonces se nota una disminución en lavelocidad de enfriamiento debida a un desprendimiento espontáneo de calor. Luego,hacia los 898°, se produce otro nuevo desprendimiento de calor y se aprecia otradisminución en la velocidad de enfriamiento bastante neta y pronunciada.

Fig. 1.2 Curva de calentamiento y enfriamiento de hierro puro.

Hacia los 750° vuelve a ocurrir otra parada en el enfriamiento, que es ya la últimaantes de llegar a la temperatura ambiente.

Esas temperaturas en las que ocurren esos fenómenos se llaman temperaturas opuntos críticos, y se denominan Ar4, Ar3, Ar2, respectivamente.


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La parada a 1400° (Ar4) corresponde a un cambio alotrópico del hierro, que pasa delestado de hierro delta al de hierro gamma. El punto Ar3 a 891°, señala latransformación del hierro gamma en hierro alfa no magnético y el punto Ar2 a 750°,corresponde a la transformación del hierro alfa no magnético en hierro alfamagnético.

Cuando el proceso es inverso y se calienta el hierro desde la temperatura ambientehasta la de 1550°, los fenómenos se presentan en forma muy parecida, pero atemperaturas un poco superiores, recibiendo ahora esos puntos críticos los nombresAc2, Ac3 y Ac4. El Ac2 se presenta hacia los 790°, el Ac3 a los 910° y el Ac4 a 1410°,aproximadamente. Esta diferencia que existe entre las temperaturas críticas en elenfriamiento y en el calentamiento, revela la resistencia, que oponen los sistemascristalinos a transformarse, indicando además que las temperaturas críticas realesse hallan sin duda entre Ac3 y Ar3 y Ac2 y Ar2. Si se pudiera realizar esoscalentamientos o enfriamientos a una velocidad infinitamente lenta, los puntoscríticos se hallarían a la misma temperatura en el calentamiento y en el enfriamiento.

A esos puntos críticos se les ha dado los nombres de Ar y Ac, recordando el procesoque se ha seguido. (En francés, enfriamiento, «refroidissement», r, y calentamiento,«chauffage»).

En el diagrama teórico hierro-carbono (anexo 1), que se refiere a calentamientos oenfriamientos infinitamente lentos, se dice que la transformación perlita-austenita, ola inversa, austenita-perlita, se verifica a 721°.

1.5- HIERRO ALFA É HIERRO GAMMA.

El hierro muy puro, de bajísimo contenido en carbono, a temperaturas inferiores a898°-910°, se presenta en forma de hierro alfa. A temperaturas superiores a 898o-910°, el hierro se encuentra en forma de hierro gamma, que puede disolver alcarbono o carburo de hierro en cantidades hasta de 1,7 %.

El hierro alfa magnético y el hierro alfa no magnético cristalizan en la misma forma, ysu aptitud de disolución del carbono, también es casi idéntica.El hierro gamma se diferencia también del hierro alfa por su distinta disposiciónatómica.El hierro en estado sólido a la temperatura ordinaria (hierro alfa) adopta ladisposición de cubos centrados, y en cambio, a alta temperatura (hierro gamma) sepresenta con la disposición atómica de cubos de caras centradas (fig. 1.3)

Las células cristalinas unitarias del hierro alfa tienen la forma de un cubo con unátomo de hierro en cada uno de los ocho vértices y uno en el centro, Si se eleva latemperatura del hierro puro, esta situación de los átomos se conserva hasta latemperatura de transformación de 910°, al sobrepasar la cual el hierro alfa se


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transforma en hierro gamma, y la estructura cristalina se disloca lo mismo que lasfiguras de un calidoscopio, y se transforma bruscamente apareciendo la disposiciónde caras centradas en la que hay un átomo en cada uno de los vértices y un átomoen el centro de las caras.

En el hierro alfa (cubo centrado) la materia correspondiente a cada cubo, es enrealidad la de dos átomos. Uno, el átomo central y otro (8 X 1/8 = 1),correspondiente a 1/8 de cada uno de los vértices. En el hierro gamma cada uno delos átomos del centro de las caras pertenece también al cubo adyacente. Resulta,por lo tanto, que el cubo elemental tiene sólo la materia de 4 átomos. Uno (8 x 1/8 =1) de 1/8 de cada uno de los vértices y tres (6 X 1/2 = 3) de 1/2 de cada una de lasseis caras.

Fig. 1.3 Sistemas cristalinos del hierro alfa(cubo de cuerpo centrado) y del hierro

gamma (cubo de caras centradas.

La disposición de caras centradas, o sea la del hierro gamma, es la más compacta,lo que representa más facilidad de deformación y es paramagnético; en cambio, elhierro alfa de cubo centrado tiene más resistencia a la tracción y es ferromagnético.

Cuando los aceros se encuentran a temperaturas superiores a las criticas(austenizados), los átomos de carbono pueden situarse intersticialmente en el centrode las aristas y en el centro de los cubos elementales de hierro gamma. Porencontrarse el carbono en los aceros siempre en pequeño porcentaje, no llegan losátomos de carbono a ocupar todas '"las posiciones posibles en los centros de lasaristas y del cubo.

1.6- HIERRO ALFA NO MAGNETICO.

En los procesos de calentamiento y enfriamiento de hierro puro desde la temperaturaambiente hasta la temperatura de austenizacion se puede observar que hay unazona comprendida entre 790° y 910° en el calentamiento y 898° a 750° en elenfriamiento en que el hierro pierde sus propiedades magnéticas.

Ese estado del hierro ha sido llamado durante muchos años hierro beta, pero es enrealidad hierro alfa no magnético.


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1.7- PUNTOS CRÍTICOS DE LOS ACEROS.

Si observamos los procesos de enfriamiento muy lento de diversos aceros conporcentajes variables de carbono vemos que los puntos críticos que aparecen sondiferentes a los que vimos que se presentaban en los hierros o aceros extradulces.

Ensayando un acero con 0,15 % de carbono, se puede ver que en el enfriamiento, elpunto Ar3 aparece a 850°, aproximadamente, temperatura ligeramente inferior a ladel hierro (fig. 1.4), es menos marcada su importancia que en aquél y señala elcomienzo de la separación de la ferrita proeutectoide, iniciándose por lo tanto unatransformación del hierro gamma en hierro alfa no magnético. Al continuardesendiendo la temperatura, aparece el punto Ar2 a 768 ° aproximadamente, quecorresponde a la aparición del magnetismo del hierro, es decir la transformación dealfa no magnético en magnético.

Fig. 1.4Curvas de enfriamiento de diversas

aleaciones hierro-carbono.

1.8- USO Y APLICACIÓN DE LOS ACEROS INOXIDABLES.

El acero es indiscutiblemente el material de construcción dominante en la industria, lademanda de acero inoxidable aumenta en un 5 % cada año.El producto dominante en los aceros inoxidables es la chapa laminada en fría. Losotros productos, como pueden ser barra, alambre o tubo, representan únicamenteuna tercera parte o menos de la cantidad total de chapa laminada. El uso del aceroinoxidable puede dividirse en varias áreas: productos de consumo, equipamientopara la industria del gas y petróleo, industrias de proceso químico y en la industria dela alimentación.A continuación se presenta la tabla 1.1 donde se muestran las diferentesaplicaciones de los aceros inoxidables.



Tabla 1.1 Uso del acero inoxidable en la industria, en función de las formas del producto yaplicaciones.

Formas del producto Aplicaciones. Categorías

Chapa laminadaBarra y alambrePlaca laminada en calienteTuboFundición y otros

60 %20 %10 %

6 %4 %

Productos de consumo

Lavadoras lavavajillasSartenes, cuchillos etc.fregadera, equipamiento cocinasOtros

Equipamiento industrialIndustria alimentación y bebidasQuímica, industria petróleo y gasTransporteProducción de energíaIndustria textil y papelEdificación y construcciónOtros

8 %9 %4 %5 %

25 %20 %

8 %7 %6 %5 %3 %

26 %

74 %

Las calidades más ampliamente usadas son los austeníticos tipo 18-8 como el AISI304 y 304L, que constituyen más del 50 % de la producción global del aceroinoxidable.Le siguen en uso los aceros inoxidables ferríticos como el AISI 410, seguido por losaceros inoxidables austeníticos aleados con molibdeno AISI 316/316L. Estascalidades unidas suman el 80 % del volumen total de los aceros inoxidables.

1.9- DIAGRAMA HIERRO CROMO.

Fig. 1.5 Diagrama fases Hierro-cromo. Según distintos investigadores, el punto de fusión delcromo puro oscila entre 1.840ºC y algo más de 1.900ºC.



Del diagrama de la figura 1.5 se deduce:

a) Para el hierro puro el punto Ac3 está a 910°C.b) Cuando se aumenta el contenido de cromo el punto Ac3 disminuye hasta llegar

hacia los 850°C para un contenido de cromo aproximado del 8%.c) Si se sigue aumentando el cromo, para contenidos de 8 a 12 ó 13% el punto

Ac3 sube de 85.0 a 1,000° C.d) Para el hierro puro el punto Ac4 está a 1,400°C.e) Cuando aumenta el contenido de cromo disminuye el punto Ac4. Para cromos

de O a 12-13% el punto Ac4 pasa de 1,400 a 1,000°C.f) La ferrita de todas las aleaciones hierro-cromo cuyo contenido de cromo oscila

entre O y 12%, se transforma, por calentamiento, en austenita o fase gamma(T) (zona amarilla de la figura 1.5). Por enfriamiento rápido hasta la temperaturaambiente conseguiremos transformar la austenita en martensita (acerosmartensíticos).

g) El límite del bucle gamma corresponde a 13% de cromo aproximadamente,todas las aleaciones hierro-cromo con contenidos de cromo superiores a 13%serán aleaciones ferríticas al no existir transformación de la fase alfa (a) enfase gamma (T).

h) Las aleaciones hierro-cromo con contenidos de cromo entre 12 y 13% formana elevadas temperaturas estructuras bifásicas (a + T) (zona verde de la figura1.5) que enfriadas rápidamente a temperatura ambiente, presentarán unaestructura for-P „ macla por ferrita y martensita (aceros matensítico-ferríticos).

i) Para el hierro puro el punto Ac2 está a 768°C.j) Cuando aumentamos el contenido de cromo, el punto Ac2 se eleva

acercándose a los 800° C para un contenido de cromo ~ 3%. Para cromossuperiores a 3% la temperatura de Ac2 va disminuyendo paulatinamente. Lastemperaturas de Ac2 son el limite o punto de Curie de la ferrita magnética(zona azul de la figura 1.5) a partir de las cuales se transformará enmagnética.

k) En las aleaciones hierro-cromo con contenidos de este último de 25 a 42% yde 48 a 65% a temperaturas comprendidas entre 600 y 820°C aparece unafase intermetálica llamada fase sigma (a) que coexiste con la ferrita (zonanaranja de la figura 1.5).

l) Con contenidos de cromo de 42 a 48% aproximadamente, toda la ferrita puedetransformarse en fase sigma (a) (zona violeta de la figura 1.5). podemos decirque es muy dura y frágil. Se puede disolver en la ferrita calentando por encimade los 820°C.

m) En consecuencia el cromo es un elemento favorecedor de la fase alfa (a),luego forma parte de los elementos alfágenos.



1.10- Diagrama hierro níquel.

Fig. 1.6 Diagrama de fases Hierro-Níquel.

En el diagrama Hierro-níquel (Fig. 1.6), el comportamiento gammágeno del níquelamplia la existencia de la fase austenítica γ en lugar de la fase α. Otros elementos que estabilizan la fase gamma son el carbono, el manganeso, el nitrógeno o el cobre.

1.11- FASE SIGMA.

Para la formación de la fase sigma en los aceros inoxidables y refractarios puede serla presencia de ferrita en los mismos. Cuando a éstos se les mantiene durante largotiempo a temperaturas comprendidas entre los 600 y los 820°C, la ferrita setransforma en un compuesto intermetálico de hierro y cromo.

Esta fase se caracteriza fundamentalmente por su pérdida de ductilidad y resiliencia,y sus características fundamentales son:

a) Dureza superior a 900 Vickers.b) Una gran fragilidad que, unida a que la transformación de la fase alfa en

sigma se hace con contracción, hace que aparezcan en el acero grietas muyfinas.

c) Hasta hace poco tiempo se la consideraba no magnética pero según variostrabajos posteriores que estudian la cinética de la transformación de estafase, se ha comprobado la existencia de un notable paramagnetismo.

La fase sigma no solamente se forma en los aceros altos en cromo, ya que puededarse en los aceros ferríticos con contenidos de cromo desde 14%.



También hay posibilidad de que se forme en los aceros austeníticos y austenitico-ferríticos, sobre todo si está favorecida por la presencia de una fase alfa rica encromo, como es el caso del 25% de cromo y 20% de níquel.

Los elementos silicio, molibdeno, niobio y titanio, al favorecer la formación de la fasealfa, favorecen la formación de la fase sigma. La precipitación de la fase sigmatambién aumenta cuando el acero ha sido sometido previamente a unatransformación en frío.

Su influencia es notable en las características mecánicas, en la resistencia a lacorrosión y en las propiedades de las soldaduras. A temperatura bajo cero, reducesensiblemente la resiliencia de los aceros inoxidables austeníticos.

Se precipita más rápidamente en las aleaciones con estructura bifásica (α+ T). Lafase sigma es perjudicial en la mayoría de los casos. Con un tratamiento térmicopodemos disolverla en la austenita, transformándola de nuevo en ferrita delta.

1.12- INFLUENCIA DE LOS ELEMENTOS DE ALEACIÓN.

Los elementos de aleación tienen un efecto específico en las propiedades del acero.El efecto combinado de todos ellos le confiere una propiedad determinada a cadacalidad.

Cromo (Cr).Es el elemento de aleación más importante en los aceros inoxidables. Es el elementoque proporciona a los aceros inoxidables la resistencia a la corrosión. La resistenciaa la corrosión aumenta cuando aumenta el contenido en cromo. Además aumenta laresistencia a la oxidación a altas temperaturas. El cromo estabiliza la estructuraferrítica.

Níquel (Ni).Es un estabilizador de la fase austenítica. Este elemento aumenta la ductilidad y latenacidad. Disminuye la corrosión sobretodo en ambientes ácidos.

Molibdeno (Mo).El molibdeno disminuye el efecto oxidante necesario para formar una capa pasiva.Disminuye la tendencia a la rotura de la capa pasiva ya formada. El molibdenoaumenta la resistencia a la corrosión por picadura.

Cobre (Cu).El cobre aumenta la resistencia a la corrosión en presencia de ciertos ácidos ypromueve la estructura austenítica.



Manganeso (Mn).El manganeso es usado generalmente en los aceros inoxidables con el objetivo demejorar la ductilidad en caliente.

Su efecto en el balance austenita-ferrita depende de la temperatura: a bajastemperaturas el manganeso es un estabilizador de austenita pero a altastemperaturas estabiliza la ferrita. El manganeso aumenta la solubilidad del nitrógenoy es usado para obtener elevados contenidos de nitrógeno en aceros austeníticos.Es un fuerte formador de óxidos y sulfuros (MnO y MnS). Se añade para mejorardesoxidación y prevenir formación de inclusiones de sulfuros que causan rotura encaliente.

Silicio (Si).Aumenta la resistencia a la oxidación, a altas temperaturas y en solucionesfuertemente oxidantes a bajas temperaturas. Promueve la fase ferrítica.

Carbono (C).El carbono es un estabilizador fuerte de la austenita. Aumenta la resistenciamecánica. El carbono reduce la resistencia a la corrosión intergranular. Se mantienea niveles bajos en aceros austeníticos debido a que puede formar carburos decromo, reduciendo los valores de cromo y así reduciendo la resistencia a lacorrosión.

Nitrógeno (N)El nitrógeno estabiliza la estructura austenítica. Aumenta sustancialmente laresistencia mecánica. Aumenta también la resistencia a la corrosión localizada y a lacorrosión intergranular. Esto es debido a la formación de Cr2 N en lugar de Cr23 C6.

Titanio (Ti)El titanio es un fuerte estabilizador de la ferrita y un fuerte formador de carburos,evitando la precipitación de carburos de cromo Cr23 C6.En aceros austeníticos se añade titanio para aumentar la resistencia a corrosiónintergranular aumentando las propiedades mecánicas a alta temperatura.

Niobio (Nb)El niobio es un formador de ferrita y de carburos. En los aceros inoxidables mejora laresistencia a la corrosión intergranular y mejora las propiedades mecánicas a altastemperaturas.

Aluminio (Al)El aluminio mejora la resistencia a la oxidación, si se añaden cantidadessustanciales. Se usa para aleaciones con resistencia a temperatura.



Azufre (S)El sulfuro se añade en ciertos aceros inoxidables para mejorar la mecanización.Reduce sustancialmente la resistencia a la corrosión, ductilidad y propiedades defabricación como la soldadura y procesos de deformación.

Cerio (Ce)Se añade en pequeñas cantidades para aumentar la resistencia a temperatura, y enalgunas aleaciones para aumentar la resistencia a la oxidación y corrosión a altatemperatura.

1.13- PRECIPITACÍON DE CARBUROS.

Cuando los aceros inoxidables se hallan a temperaturas comprendidas entre los 450y 900°C durante cierto tiempo, o se les enfría lentamente en dicho intervalo detemperaturas, se origina en ellos una precipitación, fundamentalmente de "carburosde hierro y cromo" Esta precipitación es más intensa en el intervalo de los 600 a los850°C.Por lo general, estos carburos se precipitan en las uniones de los granos (fig. 1.7)disminuyendo la cohesión de los mismos y haciendo que las zonas contiguas quedenempobrecidas de cromo, con lo que pierden su carácter de inoxidables en esaszonas y, por consiguiente, su resistencia a la corrosión. De esta manera en ciertosmedios corrosivos se puede producir un ataque intergranular, cuya intensidaddependerá de la temperatura a que han estado expuestos y del tiempo transcurrido,así como de la composición química y del tratamiento previo realizado en el acero.

Esta precipitación se produce preferentemente en los aceros inoxidables austeníticosy es típico en las zonas cercanas a los cordones de soldadura. Los carburosprecipitados son del tipo C6 (Cr, Fe)23.Se evita esta precipitación de carburos en las juntas de los granos fabricando losaceros con un contenido máximo de carbono de 0.03%.

Fig. 1.7 Precipitación de carburos en un acero X6CrNi19-10 (UNE F-3504) provocadadurante 200 horas a 650°C.



1.14- CONSTITUYENTES MICROSCÓPICOS DE LOS ACEROS.

Los constituyentes metálicos que se pueden encontrar en aceros al carbono son:ferrita, perlita, cementita, austenita, martensita, vainita, troostita, sorbita. Tambiénpueden estar presentes constituyentes no metalicos como silicatos, óxidos, sulfuros yaluminiatos.

1.14.1- Ferrita.

Es una solución solida de carbono de hierro en alfa, su solubilidad a la temperaturaambiente es del orden de 0.008 % de carbono, por eso se considera como hierropuro, la máxima solubilidad de carbono en el hierro alfa es de 0.02 % a 723 °C. Laferrita es hierro alfa, es decir hierro casi puro que puede contener en solucionespequeñas cantidades de silicio, fosforo y otras impurezas. En los aceros aleadossuelen formar solución solida con la ferrita o hierro alfa, el níquel, manganeso, cobre,aluminio, etc.La ferrita (fig. 1.8) es la base más blanda y dúctil de los aceros, cristalizada en la redcubica centrada en el cuerpo, tiene una dureza de 90 Brinell y una resistencia a latracción de 28kgf/mm2, llegando hasta un alargamiento del 40 %. La ferrita se puedeobservar al microscopio como granos poligonales claros.

Fig. 1.8 Ferrita en un acero con C = 0.05% y Mn = 0.29%. Es hierro alfa (a) o hierro casi puro. Esel constituyente más blando (R =275 N/mm2 = 28kgf/mm2; A =35%). Resulta muy dúctil, maleabley magnético. Se encuentra libre en los aceros de menos de 0.89% de carbono. Con la cementitaforma la perlita. En los aceros con carbono superior a 0.89% forma la matriz de los carburos dehierro (cementita) después de un recocido oscilante a temperaturas próximas al punto crítico

Así. El contorno de los granos es ligeramente curvilíneo. En las uniones de los granos seaprecia cementita terciaria.

1.14.2- Perlita.

Es el microconstituyente eutectoide formado por capas alternadas de ferrita ycementita, compuesta por el 88 % de ferrita y el 12 % de cementita, contiene el 0.8 %C, tiene una dureza de 250 brinell, resistencia a la tracción de 80 kg/mm2 y unalargamiento del 15 %, el nombre de perlita se debe a las irisaciones que adquiere al



iluminarla, parecidas a las perlas. La perlita aparece en general en el enfriamientolento de la austenita y por la transformación isotérmica de la austenita en el rango de650 a 723 °C.Si el enfriamiento es rápido (100 - 200 °C / seg.), la estructura es poco definida y sedenomina sorbita, si la perlita laminar se somete a un recocido a temperaturaaproximada a 723 °C, la cementita adopta la forma de glóbulos incrustados en lamasa de la ferrita, denominándose perlita globular. (Fig. 1.9)

Fig. 1.9 La perlita es un constituyente eutectoi-de que aquí forma láminas de ferrita y cementita(86.5% de ferrita y 13.5% de cementita). Aparece junto con granos de ferrita en los aceros con C

< 0.89%. En los aceros autectoides y en los de contenido de O 0.89%. R = 785 N/mm2 - 80kgf/mm2 y A = 15%. Las líneas oscuras son ferrita y las blancas cementita.

1.14.3- Cementita.

La cementita es carburo de hierro C Fe3. Contiene 6.687 % de carbono y 93.33 % dehierro. Es el constituyente más duro y frágil de los aceros al carbono, su dureza essuperior a 68 Rockwell C y cristalizada formando un paralelepípedo ortorrómbico degran tamaño. (Fig. 1.10)

Fig. 1.10 Cementita en un acero con C = 1% después de un recocido oscilante alrededor de Act.Matriz ferrítica y glóbulos de cementita. Es carburo de hierro (C Fe3) y es el constituyente más

duro de los aceros (68 HRC). Tiene propiedades magnéticas por debajo de los 210°C yamagnéticas a temperaturas superiores. Se forman en los aceros con O 0.89% como cementitaproeutectoide, y junto con la ferrita en la perlita. Y como cementita terciaria en los aceros con C

< 0.25%.



1.14.4- Austenita.

Es el constituyente más denso de los aceros y está formado por una solución solidapor inserción de carbono en hierro gamma. La cantidad de carbono disuelto varia de0.8 % al 2% C que es la máxima solubilidad a la temperatura de 1130 °C. Laaustenita no es estable a la temperatura ambiente pero existen algunos aceros alcromo–níquel denominados austeníticos cuya estructura es austeníta a temperaturaambiente. (Fig. 1.11)

Fig. 1.11 Austenita en acero de Cr = 17.80% y Ni = 10.10% Es solución sólida de carbono en hie-rro gamma (T). Resulta blanda, dúctil, tenaz y magnética. El contorno de los granos es

rectilíneo. Es estable por encima de Ac t. Es el constituyente de los aceros inoxidables yrefractarios austeníticos a temperatura ambiente. Su resistencia varía de 590 a 885 N/mm2 (de

60 a 90 kg/mm2).

1.14.5- Martensita.

Es el constituyente de los aceros templados, está conformado por una soluciónsolida sobresaturada de carbono o carburo de hierro en ferrita y se obtiene porenfriamiento rápido de los aceros desde su estado austenítico a altas temperaturas.

El contenido de carbono suele variar desde muy poco carbono hasta 1 % decarbono, sus propiedades físicas varían con su contenido en carbono hasta unmáximo de 0.7 % C. (Fig. 1.12)



Fig. 1.12 Martensíta en un acero con C =0.55% y Mn = 0.65%templado en agua desde los 900"C.La martensita puede considerarse como una solución sólida de carbono en ferrita

sobresaturada y distorsionada. Su dureza oscila entre 50 y 68 HRC y después de la cementita esel constituyente más duro de los aceros. Se consigue por enfriamiento rápido de la austenita y

está constituida por agujas que forman ángulos de aproximadamente 60°.

La martensita tiene una dureza de 50 a 68 Rc, resistencia a la tracción de 170 a 250kg/mm2 y un alargamiento de 0.5 al 2.5 % muy frágil y presenta un aspecto acicularformando grupos zigzag con ángulos de 60 grados.

Los aceros templados suelen quedar demasiado duros y frágiles, inconveniente quese corrige por medio del revenido que consiste en calentar el acero a unatemperatura inferior a la crítica inferior (727 °C), dependiendo de la dureza que sedesee obtener, enfriándolo luego al aire o en cualquier medio.

1.14.6- Bainita.

Es el constituyente que se obtiene en la transformación isotérmica de la austenitacuando la temperatura del baño de enfriamiento es de 250 a 500 °C. se diferenciandos estructuras: la bainita superior de aspecto arborecente formada a 500 – 580 °Ccompuesta por una matriz ferrítica conteniendo carburos y la bainita inferior formadade 250 – 400 °C tiene un aspecto acicular similar a la martensita y constituida poragujas alargadas de ferrita que contienen delgadas placas de carburos.

La bainita tiene dureza variable de 40 a 60 Rc comprendida entre las lascorrespondientes a la perlita y a la martensita.



Fig. 1.13 Bainita Superior en un acero con C = 0.38%; Mn = 0.78%; Cr = 1.01% y Mo = 0.15%. Laszonas arborescentes son bainita superior y las zonas claras martensita, débilmente coloreadapor el reactivo de ataque. Se consigue por transformación isotérmica de la austenita, entre 500

y 600°C.

Fig. 1.14 Bainita inferior en un acero con C = 0.55%; Cr = 1.2%; Ni = 4.10%; Mo = 0.48%y W =0.82% Las agujas que forman ángulos de aproximadamente 60 constituyen la bainita inferior y

las zonas claras son martensita. Es muy parecida a la martensita y sus característicasmecánicas son buenas. Se consigue por transformación isotérmica de la austenita entre 250 y

400°C.

1.14.7- Troostita.

Es un agregado muy fino de cementita y ferrita, se produce por un enfriamiento de laaustenita con una velocidad de enfriamiento ligeramente inferior a la crítica de templeo por transformación isotérmica de la austenita en el rango de temperatura de 500 a600 °C o por revenido a 400 °C.



Sus propiedades físicas son intermedias entre la martensita y la sorbita, tiene unadureza de 400 a 500 brinell, una resistencia a la tracción de 140 a 175 kg/mm2 y unalargamiento del 5 al 10 %. Es un constituyente nodular oscuro con estructura radialapreciable a unos 1000 X y aparece generalmente acompañado a la martensita y a laaustenita. (Fig. 1.15)

Fig. 1.15 Troostita en un acero con C = 1.60%y Mn =0.36% Los nódulos y zonas oscuras sontroostita, las zonas claras martensita y las uniones blancas entre los granos cementita

proeutectoide. Es un constituyente nodular formado por ferrita y cementita, cuyas láminas muyfinas forman una estructura radial. Las características mecánicas son intermedias entre la

martensita y la sorbita: Rm ^de 1375 a 1715 N/mm2 (de 140 a 175 kg/mm2). Se puede formar portransformación de la austenita a velocidad inferior a la crítica de temple o por transformación

isotérmica de la austenita a temperaturas entre 500 y 600°C.

1.14.8- Sorbita.

Es también un agregado fino de cementita y ferrita se obtiene por enfriamiento de laaustenita con una velocidad de enfriamiento bastante inferior a la crítica de temple opor transformación isotérmica de la austenita en la zona de 600 a 650 °C o porrevenido a la temperatura de 600 °C. Su dureza es de 250 a 400 Brinell, suresistencia a la tracción es de 88 a 140 kg/mm2, con un alargamiento del 10 al 20 %.

Con pocos aumentos aparece en forma muy difusa como manchas, pero con 1000 Xtoma la forma de nódulos blancos muy finos sobre fondo obscuro, de hecho tanto latroostita como la sorbita pueden considerarse como perlita de grano muy fino.(Fig. 1.16)



Fig. 1.16 Sorbita en un acero con C =0.19%; Mn =0.84%; Cr =0.53%; Ni =0.59% y Mo=0.17%. Esun constituyente formado por ferrita y cementita en láminas muy finas cuya resistencia es

superior a la de los otros constituyentes: Rm =865 a 1375 N/mm2 (88 a 140*kgf/mm2) y A = 10a20%. Aparece frecuentemente en los aceros normalizados y recocidos en forma vermicular o

de granos blancos. También se forma en casi todos los aceros forjados y laminados. Esposible obtenerla por enfriamiento de la austenita a velocidad inferior a la crítica de temple o

por calentamiento de la austenita, martensita o troostita, entre 400 y 700°C.

1.15- CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS INOXIDABLES.

Los aceros inoxidables se han clasificado tradicionalmente en diferentes categoríasdependiendo de su microestructura a temperatura ambiente.Se pueden dividir principalmente en 5 grupos:

- Martensítico.- Ferrítico.- Ferrítico-austenítico.- Austenítico.- Endurecibles por precipitación.

El nombre de los cuatro primeros se refiere a los componentes dominantes en lamicroestructura del acero inoxidable, el nombre del último grupo se refiere al hechoque estos aceros son endurecibles por un mecanismo especial que implica laformación de precipitados dentro de la microestructura.



Tabla 1.2. Se dan más detalles acerca de la composición y características de cada grupo.

Categoría acero Composición (peso %) Endurecible Ferro-magnetismo

C Cr Ni Mo Otros

Martensítico>0.10 11-

14 0-1 - V Endurecible Magnético

>0.17 16-18 0-2 0-

2

Endurecible porprecipitación

15-17 7-8 0-

2 Al Endurecible Magnético

12-17 4-8 Al,Cu,Ti,Nb

Ferrítico<0.08 12-

19 0-5 <5 Noendurecible Magnético

<0.25 24-28 - -

Ferrítico-austenítico(dúplex) <0.05 18-

27 4-7 1-4

Noendurecible Magnético

Austenítico <0.08 16-30

8-35

0-7 N,Cu,Ti,Nb No

endurecible No magnético

Las dos primeras categorías, aceros inoxidables martensíticos son endurecibles, porlo tanto es posible modificar sus propiedades vía tratamiento térmico de la mismaforma que los aceros al carbono. El segundo grupo, los aceros endurecibles porprecipitación, pueden ser endurecidos por tratamiento térmico (Tabla 1.2).

Los procedimientos usados para estos aceros son tratamientos térmicos especiales osecuencias de tratamientos termomecánicos incluyendo finalmente unendurecimiento por precipitación y envejecimiento. Las tres últimas categorías,ferríticos, ferrítico-austeníticos, y austeníticos no son endurecibles. Los acerosferrítico-austeníticos se conocen también como aceros inoxidables dúplex.Sólo los aceros inoxidables austeníticos son no magnéticos, el resto son magnéticos.

1.15.1- Aceros ferríticos.

Estos se caracterizan por su estructura ferrítica a cualquier temperatura y porconsiguiente no hay transformación de la ferrita en austenita en el calentamiento nitransformación martensítica en el enfriamiento. Por esta razón no hay posibilidad deregeneración del grano y la recristalización solo es posible mediante unadeformación plástica en frio, previo recocido, o mediante una deformación encaliente.



A esta familia pertenecen los aceros con cromo de 15 a 18% y carbono máximo de0.12% que tienen una corrosión superior a los aceros martensíticos. Tambiénpertenecen a esta familia los aceros de 25 a 30% de croo con carbono inferior a0.35%

Del mismo modo están incluidos en esta familia los aceros al cromo con contenidosde aluminio hasta el 4%, que son más resistentes a la oxidación y que tienen granaplicación en la fabricación de resistencias, por su gran resistividad.Muchas de las propiedades físicas de estos aceros son similares a los martensíticos.

A veces se añade nitrógeno en proporción de 0.10 a 0.25% para reducir, atemperaturas elevadas, la velocidad de crecimiento de los granos.

Cuando un acero de 15 a 18% de cromo se calienta a 1 000°C y se enfría en aire, suagrandamiento y resiliencia descienden gradualmente. Con un recocido posterior a750 °C conseguimos aumentar su alargamiento pero no así la resiliencia queprácticamente se mantiene. Para poder aumentar la resiliencia será necesariorealizar una nueva transformación ya sea en caliente o en frio.

En estos aceros cuando el contenido de cromo aumenta, la resiliencia disminuyedebido a la baja resistencia al efecto de entalla. (Fig. 1.17)

Fig. 1.17 Variación de la resiliencia de los aceros al cromo en función de del contenido decarbono y de cromo.



Fig. 1.18 La variación de la resiliencia de los aceros al cromo en función del contenido de cromoy de la temperatura (C=0.01%).

En los aceros ferríticos con un contenido elevado de cromo, puede aparecer fasesigma cuando se les mantiene mucho tiempo a temperaturas comprendidas entre 550y 900 °C. Para disolver esta fase es necesario calentar por encima de 900 °C.

Las deformaciones en fría y la adición de elementos como el níquel, manganeso ysilicio aceleran la deformación de la fase sigma.

En los aceros de 15 a 18% de cromo, la adición de cobre hasta cantidades de 1%parece que aumenta la fluidez del acero líquido, lo que permite que consigan piezasmoldeadas de muy buena calidad, además es más resistente a la corrosión.Los aceros ferríticos por lo general son difíciles de soldar. Los aceros de 16 a 18% decromo son fáciles de trabajar en embutición debido a su maleabilidad.

Los aceros de 25 a 30% de cromo presentan una buena resistencia a la oxidación y alas atmosferas sulfurosas en caliente, son más resistentes en el acido nítrico, en losácidos orgánicos y en el agua de mar que los de menor contenido de cromo. Por labaja resistencia al efecto de entalla, no se han desarrollado en caldaria.

Por la adición de nitrógeno a los aceros altos en cromo contribuye a controlar el granoy mejora la cristalización de los aceros moldeados. La proporción de nitrógeno esinferior a .25%.



Fig. 1.19. Estructura de acero ferrítico, recocido y de composición: C = 0.090%; Si = 1.20%; Mn =0.84%; Cr = 17.30% y Al 0.92%. Estructura formada de ferrita rica en cromo.

1.15.2.- Aceros martensíticos.

Tienen la facultad de adquirir gran dureza cuando se les enfría rápidamente una vezaustenizados. Los aceros de 12 a 14%de cromo con contenidos de carbono de 0.20a 0.50%se emplean fundamentalmente en cuchillería.Los aceros de 16 a 18%de cromo y contenido de carbono de 0.60 a 1.20%adquieren por temple elevadas durezas y son resistentes a la corrosión y aldesgaste.El gráfico de la figura 1.20 determina las durezas después del temple en función delcarbono y de la temperatura de temple, en los aceros martensíticos con cromo de15.5 a 16%.

Fig. 1.20 Durezas obtenidas en el temple de un acero martensítico de 15.5 a 16%decromo en función del contenido de carbono y de la temperatura de temple.



Las aplicaciones de esta familia de aceros son: cuchillería, accesorios de bombas,válvulas para motores, navajas de afeitar, equipos para la industria petrolífera yalimenticia, tuercas, tornillos, muelles, etc.

Los aceros con cromo de 16 a 18% y níquel de 2 a 4% se emplean en ejes y hélicesmarinos, palas de turbina a vapor, etc.También se fabrican rodamientos con los aceros cuyo carbono es superior a 0.6%.

La mayor resistencia a la corrosión de estos aceros la presentan cuando han sidotemplados y pulidos.

Fig. 1.21 Estructura de un acero martensítico, recocido y de composición: C = 0.43%;Si = 0.76%; Mn = 0.89%; Cr = 16.75%; Mo = 1.22%. Estructura formada de "carburos de

hierro y cromo" en una matriz ferrítica.

Fig. 1.22 Estructura del mismo acero de la figura 1.21, templado a 1030 C y revenido a630°C. Estructura formada de martensíta revenida.



1.15.3.- Aceros Austeníticos.

Los aceros inoxidables con porcentajes de níquel superior o igual a 8 % ydependiendo de otros elementos de aleación proporcionan una estructuracompletamente austenítica. Estos aceros no son endurecibles por tratamientotérmico. Tienen mayor resistencia a la corrosión. Son no magnéticos, aunquealgunos grados de baja aleación como el tipo 304 pueden ser magnéticos trasdeformación en frío. Ligeras reducciones en el tenor de níquel disminuyen laestabilidad de la austenita, permitiendo la aparición de martensita inducida pordeformación en frío, consiguiéndose así excelentes propiedades para aplicacionesestructurales.

Se utiliza la norma AISI (American Iron and Steel Institute) para identificar los aceros.En esta norma, los aceros inoxidables austeníticos al cromo-níquel son designadoscon un número de tres cifras que comienzan con la cifra 3 (serie 300) y las dosúltimas se utilizan simplemente para distinguir un tipo del otro. Los acerosinoxidables austeníticos metaestables como el 301, cuya composición química estádetallada en la tabla 1.3, tienen muy buena ductilidad y se usa en aplicaciones querequieren buena deformabilidad.

La calidad 301 se caracteriza por tener mayor contenido en carbono (≤0.15 %) queel resto de los aceros inoxidables austeníticos, por lo que le proporciona mejorescaracterísticas mecánicas, pero sin embargo menor resistencia a la corrosión. Elcontenido de níquel es el menor entre los inoxidables austeníticos (6-8 % Ni). Tieneun elevado endurecimiento por deformación y se obtiene alta resistencia mecánicaen estado laminado en frío. Las calidades 302 y 304 se usan comúnmente por suelevada resistencia a la corrosión. Añadiendo molibdeno a estas calidades básicasse obtiene la calidad 316 con un incremento en la resistencia a la corrosión yresistencia a altas temperaturas.

Tabla 1.3. Composición química de algunas calidades de aceros inoxidables austeníticos.

Elementos AISI 301 AISI 302 AISI 304 AISI 310S AISI 316CSiMnPSNCrMoNi

0.05-0.15<2.00<2.00

<0.045<0.015<0.1116.00-19.00<0.80

6.00-9.50

<0.15<0.75<2.00<0.045<0.03<0.10

17.00-19.00

8.00-10.00

<0.07

<1.00<2.00<0.045<0.015<0.1117.00-19.50

8.00-10.50

<0.10<1.50<2.00<0.045<0.015<0.11

24.00-26.00

19.00-22.00

<0.07<1.00<2.00<0.045<0.015<0.11

16.50-18.502.00-2.50

10.00-13.00



Estos no presentan transformación alguna en el calentamiento, porque su estructuraes ustenítica como su nombre lo indica.

Engrosan el grano a temperaturas elevadas o con permanencias largas, pero ladebilidad que adquieren no es tan peligrosa como en los aceros ferríticos.

La precipitación de carburos de cromo en las juntas de los granos hace que seproduzca una pérdida de cromo en las inmediaciones de dichas juntas. Las zonas enlas que se produce esta decromización pierden inoxibilidad, quedando sensibilizadasa la corrosión intergranular.

Para evitar la precipitación de carburos puede disminuirse el contenido de carbono(C < 0.03 %) o bien adicionarse al acero otros elementos, como el titanio o niobio,mas ávidos del carbono que del cromo.

Los aceros con carbono superior a 0.03 % deberán ser sometidos a un templeaustenítico (hipertemple) con el objeto de disolver los carburos precipitados.En estos aceros y en general en todos los inoxidables y refractarios, el tiempo depermanencia a la temperatura de tratamiento térmico deberá ser como mínimo eldoble que en los aceros al carbono, debido a su baja conductividad térmica.

El crecimiento del grano en estos aceros no tiene influencia en las característicasmecánicas, pero tiene el inconveniente de la aparición, en los aceros embutidos, delo que se denomina vulgarmente como “piel de naranja “que dificulta las operacionesde pulido.La maleabilidad de estos aceros es muy grande, por eso se emplean en embutición.

Una de las buenas propiedades de los aceros austeníticos es la ausencia defragilidad a bajas temperaturas, todo lo contrario a lo que sucede con losmartensíticos y ferríticos. Mantienen resiliencias excelentes a temperaturas cercanasal cero absoluto. Por el contrario el resto de las características mecánicas varíannotablemente (aumentan la carga a la rotura y el limite elástico y disminuye elalargamiento).Con transformación en frio conseguimos mejorar la carga de rotura y el límite elásticopero se vuelven ligeramente magnéticos al transformar parte de la austeníta enmartensita. No se debe olvidar que las piezas fabricadas de esta maneraexperimentan aumento de volumen, causa de problemas cuando las toleranciasexigidas son muy estrechas.

A los aceros austeníticos con contenidos de carbón superior a 0.03%, que se hayanmantenido a temperaturas comprendidas entre 400 y 900°C es necesario someterlosa un temple austenítico (hipertemple) para disolver los carburos precipitados y asídejarlo insensibles a la corrosión intergranular. A todos los aceros austeniticos no lesatrae el imán.



En la mayoría de los gráficos de propiedades y características mecánicas de losaceros inoxidables austeníticos, aparece el término “recocido” en lugar de “templeaustenítico” o “hipertemple”. Esto debido a que el tratamiento térmico para ladisolución de carburos recibía el nombre de “recocido de solubilización” y que porcomodidad se expresaba con la palabra “recocido”.

Fig. 1.23 Estructura de un acero, de composición: C = 0.04 %; Cr = 17.20 %; Ni = 10.40% y Mo =2.16 % con temple austenítico (hipertemple). Estructura austenítica exenta de carburos.

1.15.4.- Aceros ferrítíco – austenítico.

La estructura de estos aceros está formada de austenita y ferrita. En estos aceros,en los que el contenido de cromo es elevado y el níquel relativamente bajo, laproporción de austenita y ferrita no depende solamente de la composición, ya quepara un mismo acero la proporción de ferrita es tanto mayor cuanto más elevada seala temperatura del tratamiento y más rápido el enfriamiento.

En la fotomicrografía de la figura 1.24 se aprecia la ferrita de color obscuro y laaustenita de color claro en un acero C = 0.20 %; Cr = 25 % y Ni = 4.5 %

Fig. 1.24 Estructura de un acero ferrítico - austenítico de C = 0.20 %; Cr = 25 % y Ni = 4.5 %. Laszonas más claras pertenecen a la austeníta.



Para conseguir estas estructuras que mejoran en ciertos reactivos la resistencia a lacorrosión, con respecto a los otros aceros inoxidables, se necesita un equilibriodeterminado entre los elementos alfágenos (silicio, cromo, molibdeno, titanio,aluminio o vanadio) y gammagenos (carbono, manganeso, nitrógeno y níquel).Aunque no toman el temple, si les calentamos a temperaturas comprendidas entre950 y 1050 °C y los enfriamos rápidamente adquieren las mejores propiedadesfísicas y químicas y la máxima ductilidad.

Son magnéticos. Presentan dificultades en su transformación en caliente. Algunosaceros de esta familia son insensibles a la corrosión intergranular y pueden serendurecidos por precipitación. Son menos dúctiles que los austeníticos y por elcontrario poseen un límite elástico más elevado, que permite reducir las dimensionesde las piezas sometidas a esfuerzos mecánicos. Con calentamientos a 800 °Cprovocamos la formación de la fase sigma que los hace más frágiles. Por el contrario,endurecidos con tratamientos a 450 °C, mantiene la resistencia a la corrosión y suductilidad. Uno de los mayores empleos de estos aceros es en la fabricación deelectrodos para soldar aceros austeníticos y ferríticos.

1.15.5.- Aceros endurecibles por precipitación.

Una consecuencia de las exigencias impuestas por las industrias aeronáutica yaeroespacial ha sido la investigación de estos aceros. Los aceros inoxidablesmartensíticos nos permiten conseguir características mecánicas elevadas, pero paraciertas aplicaciones su resistencia a la corrosión es insuficiente. Los ferríticos yausteníticos más resistentes a la corrosión presentan características mecánicas másdébiles. Los austeníticos – ferríticos pueden presentar un cierto endurecimientoestructural y obtenerse mejores características aunque estas no son suficientes paraalgunas aplicaciones.

Con los aceros endurecibles por precipitación se consiguen una gran resistenciamecánica, una buena inoxibilidad y una aceptable resistencia a elevadastemperaturas. A este grupo pertenecen los inoxidables clásicos que contenganalguno de los siguientes elementos: nitrógeno, aluminio, cobalto, boro, titanio, niobio,cobre, fosforo, etc. Que forman compuestos intermetalicos con los restanteselementos de aleación, pasando a formar una solución solida cuando se les sometea un tratamiento de disolución a elevada temperatura.

Mediante un enfriamiento suficientemente rápido, quedan detenidos en forma dedisolución sobresaturada, es decir, en estado metaestable. Por último se provoca laprecipitación de estas fases intermetalicas mediante un tratamiento de maduraciónconjugando el tiempo y la temperatura.



CAPÍTULO 2

TRATAMIENTOSTÉRMICOS.



2.1- TRATAMIENTOS TERMICOS.

Los tratamientos térmicos tienen por objeto mejorar las propiedades y característicasde los aceros, y consisten en calentar y mantener las piezas o herramientas de aceroa temperaturas adecuadas, durante un cierto tiempo y enfriarlas luego encondiciones convenientes. De esta forma, se modifica la estructura microscópica delos aceros, se verifican transformaciones físicas y a veces hay también cambios en lacomposición del metal.

El tiempo y la temperatura son los factores principales y hay que fijarlos siempre deantemano, de acuerdo con la composición del acero, la forma y el tamaño de laspiezas y las características que se desean obtener.Las herramientas y las piezas de máquina tienen que tener una dureza, unapermanencia de poder cortante y una resistencia adecuadas a la utilización que hande tener. El filo de un cincel, por ejemplo, ha de estar enteramente templado. Losdientes de una rueda dentada, por el contrario, deben tener capas exteriores duras ycon ello resistentes al desgaste.

Los núcleos de los dientes, sin embargo, tienen que permanecer tenaces con objetode que puedan responder elásticamente ante las solicitaciones a choques y a laflexión. Estas diferentes propiedades pueden obtenerse mediante la elección de unmaterial apropiado y de un conveniente tratamiento térmico.

Para las variaciones de propiedades en el acero no aleado el contenido de carbonoes una circunstancia de carácter decisivo. Según sea el contenido de carbono sepueden distinguir tres grupos principales de aceros no aleados:

- Acero con un 0,77 % de contenido de C, acero eutectoide del griego(eutectoide, nivelado, igualado) tiene una cantidad equilibrada de ferrita ycarburo de hierro y forma por esta causa cristales homogéneos, uniformes.Estos cristales se llaman perlita, a causa de su aspecto perlado, nacarado, enla micrografía metalográfica.

- Acero con menos de un 0,77% de C, acero hipoeutectoide que contienedemasiado poco C para poder formar estructura que esté constituidaúnicamente por cristales de perlita; queda todavía ferrita sobrante. Sonestructuras no equilibradas que se designan como ferrita-perlita. Los cristalesde hierro puro (Fe) se llaman ferrita.

- El acero con más de un 0,77% de C. acero hipereutectoide, contiene tanto Cque después de la formación de perIita queda todavía carburo de hierrosobrante (cementita). Es una estructura no equilibrada y se designa con elnombre de perlita-cementita. Los cristales de hierro y carbono (carburo dehierro Fe3C) se llaman cementita. La cementita es el componente más duro dela estructura del acero.



Los diferentes estados de la estructura, que son dependientes del contenido de C yde la temperatura, aparecen representados en el diagrama hierro-carbono de lafigura siguiente:

Fig. 2.1. Diagrama hierro – carbono.

En el caso del acero con un 0,77% de O se realiza la transformación de estructurarepentinamente al llegar, el calentamiento a los 723 ºC (punto de transformación).En este punto se descompone la perlita y el carbono se disuelve completamente enel hierro. Este proceso se consuma en el estado sólido, se forma una disoluciónsólida. La nueva estructura formada se llama austenita, por el nombre delinvestigador inglés Austen.

En los aceros con menos de un 0,77 % de C al llegar con el calentamiento a los 723ºC, línea P-S, pasa toda la perlita a solución sólida, mientras que la ferrita restante setransforma en austenita en el campo de temperaturas comprendido entre las líneasP-S y G-S.

Por encima de la línea G-S ha pasado a austenita toda la ferrita restante.Los aceros con más de un 77% de C cambian su estructura al sobrepasar la línea S-K. La perlita pasa a austenita; la cementita no se transforma.

Para el temple se calientan los aceros unos 30 a 60 ºC por encima de la línea G-S-Kpara tener plena garantía de haberse obtenido una suficiente transformaciónestructural (línea de temperaturas de temple H-J).



En el enfriamiento lento vuelve la estructura a su estado de partida. Pero si el acerose hace enfriar bruscamente desde un estado por encima de la línea H-J no haytiempo para la evolución regresiva de la estructura, sino solamente para latransformación.

De la austenita se forma una estructura que va desde estructura de agujas finashasta una estructura finamente granulada que es de dureza varias veces mayor quela de la ferrita.Esta nueva estructura se llama martensíta, nombre dado en recuerdo delinvestigador alemán Martens. En este proceso se apoya el templado de los aceros.Para los aceros aleados no es aplicable el diagrama hierro-carbono, ya que lainfluencia de los componentes de la aleación y la del carbono se sobreponenfrecuentemente.

2.2- INTRODUCCIÓN A LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS MÁS USADOS.

Los tratamientos térmicos más usados son: El recocido, temple, normalizado,revenido, cementación, nitruración, temple en baño de sales, temple en baño deplomo, etc.

2.2.1- RECOCIDO.

Con este nombre se conocen varios tratamientos cuyo objeto principal es ablandar elacero; otras veces también se desea además regenerar su estructura o eliminartensiones internas. Consisten en calentamientos a temperaturas adecuadas,seguidos generalmente de enfriamientos lentos. Las diferentes clases de recocidosque se emplean en la industria se pueden clasificar en tres grupos: Recocidos conaustenización completa, recocidos suscriticos y recocidos con austenizaciónincompleta.

2.2.1.1- Recocidos de austenización completa o de regeneración.En este caso el calentamiento se hace a una temperatura ligeramente más elevadaque la critica superior y luego el material se enfría muy lentamente. Sirve paraablandar el acero y regenerar su estructura.

2.2.1.2- Recocidos subcriticos.El calentamiento se hace por debajo de la temperatura critica inferior, no teniendotanta importancia como en el caso anterior la velocidad de enfriamiento, pudiendoincluso enfriarse el acero al aire sin que se endurezca. Por medio de este tratamientose minan las tensiones del material y se aumenta su ductilidad.Se pueden distinguir tres clases de recocidos subcríticos: a) de ablandamiento,b) contra acritud y c) globular.

a) Recocido de ablandamiento. Su principal objeto es ablandar el acero por unprocedimiento rápido y económico. Con este tratamiento no se suelen obtener



las menores durezas, pero en muchos casos las que se consiguen sonsuficientes para mecanizar perfectamente los materiales. El proceso consisteen calentar el acero hasta una temperatura, que siendo inferior a la crítica Ac1,sea lo más elevada posible y enfriar luego al aire. Las durezas que seobtienen en ciertos aceros de herramientas y de construcción de alta aleación,después de este tratamiento, suelen ser algunas veces demasiado elevadaspara el mecanizado.

b) Recocido contra acritud. Se efectúa a temperaturas de 5500 a 650°, y tienepor objeto, principalmente, aumentar la ductilidad de los aceros de pococontenido en carbono (menos de 0,40 %) estirados en frío. Con elcalentamiento a esa temperatura, se destruye la cristalización alargada de laferrita, apareciendo nuevos cristales poliédricos más dúctiles que losprimitivos, que permiten estirar o laminar nuevamente el material sin dificultad.El enfriamiento se suele hacer al aire.

c) Recocido subcritico globular. En ocasiones para obtener en los aceros alcarbono y de baja aleación una estructura globular de muy baja dureza, encierto modo parecida a la que se obtiene en el recocido globular deaustenización incompleta (que se estudia a continuación), se les somete a losaceros a un calentamiento a temperaturas, inferiores. Pero muy próximas a lacrítica Ac1, debiendo luego enfriarse el acero lentamente en el horno.

2.2.1.3- Recocidos de austenización incompleta (globulares).Son tratamientos que se suelen dar a los aceros al carbono o aleados, de más de0,50 % de carbono, para ablandarlos y mejorar su maquinabilidad. Consisten encalentamientos prolongados a temperaturas intermedias entre la crítica superior y lainferior, seguidos siempre de un enfriamiento lento. El fin que se persigue con estosrecocidos es obtener la menor dureza posible y una estructura microscópicafavorable para el mecanizado de las piezas. Por medio de estos tratamientos seconsigue con bastante facilidad en los aceros hipereutectoides que la cementita y loscarburos de aleación adopten una disposición más o menos globular que da paracada composición una dureza muy inferior a cualquier otra micro estructura, inclusola perlita laminar.

Unas veces se hace el recocido empleando un ciclo oscilante de temperaturas queson unas veces superiores y otras inferiores a Ac1. Otras veces (que suelen sermayoría) se emplean temperaturas ligeramente superiores a Ac1. Al primero de estostratamientos se le suele simplemente llamar recocido globular oscilante y al segundose le llama simplemente recocido globular de austenización incompleta.

En los aceros hipoeutectoides es algo más difícil obtener estructuras globulares, quepor otra parte no tienen en general tanto interés como en los aceros hipereutectoidesSin embargo con permanencias prolongadas y oscilaciones de temperatura seconsigue también en los aceros de bajo contenido en carbono esas estructuras.Recientemente se ha comenzado a exigir estructuras globulares en numerosos



aceros de construcción y d baja aleación. Un caso típico es un acero al carbono paratornillería (C = 0,25 0,35%) que es roscado por laminado en frío.

2.2.1.4- Doble recocido.Cuando se desean obtener muy bajas durezas suele dar a los aceros primero unrecocido de regeneración y luego otro subcritico.

2.2.2- NORMALIZADO.

Este tratamiento consiste en un calentamiento a temperatura ligeramente máselevada que la crítica superior, seguido de un enfriamiento en aire tranquilo. De estaforma, se deja el acero con una estructura y propiedades que arbitrariamente seconsideran como normales y características de su composición. Se suele utilizar parapiezas que han sufrido trabajos en caliente, trabajos en frío, enfriamientosirregulares o sobrecalentamientos, y también sirve para destruir los efectos de untratamiento anterior defectuoso, Por medio del normalizado se eliminan las tensionesinternas y se uniformiza el tamaño de gran del acero. Se emplea casi exclusivamentepara los aceros de construcción al carbono o de baja aleación.

Fig. 2.2 Esquema de los tratamientos térmicos más empleados y del desplazamiento de laszonas de transformación. Los puntos y zonas negras señalan los puntos de transformación del

acero.



2.2.3- TEMPLE.

Tratamiento térmico de un material que consiste en calentarlo hasta la temperaturade austenización durante un tiempo también previsto, y posteriormente enfriarlorápidamente para favorecer la conversión de la austeníta en martensíta. Tiene porobjeto endurecer y aumentar la resistencia de los aceros.En los aceros a herramientas como explicaremos más adelante, en el calentamientopara el temple sólo se llega a la austenización incompleta.

Es el tratamiento térmico convencional, y se usa para la obtención de acerosmartensíticos. Se caracteriza por enfriamientos rápidos y continuos en un medioadecuado de temple: agua, aceite o aire. Las propiedades óptimas de un acerotemplado se consiguen durante el tratamiento térmico del temple si la muestraadquiere un alto contenido en martensíta.

La capacidad de un acero aleado para transformarse en martensíta durante undeterminado temple depende de la composición química y de un parámetro quedenominaremos templabilidad, que se define como la aptitud de la aleación paraendurecerse por formación de martensíta, como consecuencia de un tratamientotérmico.

2.2.3.1- Ensayo de templabilidad.El procedimiento empleado para determinar el grado de templabilidad se conocecomo Ensayo Jominy.Este ensayo consiste en mantener constantes todos los factores que influyen en laprofundidad del endurecimiento de la pieza, excepto la composición. El proceso sedescribe á continuación:

1- Una probeta normalizada de 25 mm de diámetro y 100 mm de longitud seausteniza a una cierta temperatura durante un tiempo determinado.

2- Se saca del horno, y el extremo de la pieza se templa mediante un chorro deagua de caudal y temperatura constante, de tal manera que la velocidad deenfriamiento es máxima en el extremo templado y disminuye a lo largo de laprobeta.

3- Una vez que la probeta se ha enfriado a temperatura ambiente, se desbastauna tira de 0,4 mm de espesor y se determina la dureza a lo largo de los 50mm primeros. Se traza una curva de templabilidad, representando los valoresde dureza en función de la distancia al extremo templado.

2.2.3.2- Curvas de templabilidad.En la Figura siguiente se representa una gráfica de templabilidad típica.El extremo templado se enfría más rápidamente y presenta un máximo de dureza. Eneste punto, y en la mayoría de los aceros, la microestructura coincide con el 100 por100 de martensíta. La velocidad de enfriamiento decrece con la distancia del extremotemplado, y, en consecuencia, la dureza disminuye.



Al disminuir la velocidad de enfriamiento, el carbono dispone de más tiempo para ladifusión y facilita la formación de perlita más blanda, que puede estar mezclada conmartensíta.

Fig. 2.3 Curva de Jominy (Apraiz).

La templabilidad es una medida cualitativa de la velocidad con que la durezadisminuye en función de la distancia al extremo templado. Un acero con altatemplabilidad mantiene valores elevados de dureza durante distancias relativamentelargas. Un acero aleado tiene una única curva de templabilidad.

A veces resulta más conveniente relacionar la dureza con la velocidad deenfriamiento, en lugar de hacerlo con la distancia al extremo templado.

2.2.3.3- Factores que influyen en el temple.La velocidad de enfriamiento de una muestra depende de la rapidez de eliminaciónde energía térmica, que es función a su vez de:

1- Composición del acero.2- Temperatura a la que hay que calentar.3- Tiempo de calentamiento.4- Velocidad de enfriamiento.5- Características del medio donde se realiza el temple.6- Tamaño y geometría de la muestra.

2.2.3.4- Medios de temple.De los tres medios más comunes que se utilizan para templar: agua, aceite y aire, elagua es el que produce temples más rápidos o severos, seguido a continuación delaceite que es más efectivo que el aire. El grado de agitación de los medios también



influye en la velocidad de enfriamiento, y una mayor agitación implica una mayorvelocidad de enfriamiento, lo que aumenta la efectividad del temple.

Para aceros de alto contenido en carbono, el temple en agua puede resultardemasiado severo porque produce deformaciones y grietas. Para evitar esteincremento se utilizan los aceites como medio de temple.

El temple al aire de los aceros al carbono provoca una microestructura casitotalmente perlítica.

2.2.3.4.1- Agua.Es un medio rápido de enfriamiento, se consiguen temples muy fuertes y se utilizapara templar aceros al carbono. Es necesaria una cantidad de agua suficiente paraque la temperatura de la misma no suba de los 30 0C. Las piezas se han de agitardentro del medio acuoso, para evitar la formación de una burbuja de vapor alrededorde la pieza, que actuaría de aislante térmico y retardaría el enfriamiento.

2.2.3.4.2- Aceite.Los aceites, como tienen un calor específico menor que el agua y son más viscosos,enfrían más lentamente que el agua y, por tanto, consiguen temples más suaves. Seemplean para aceros aleados. También es conveniente agitar para evitar laformación de vapor.

2.2.4- REVENIDO.

Es un tratamiento que sigue al temple con objeto de eliminar la fragilidad y lastensiones ocasionadas.Dado que los aceros después del temple suelen quedar generalmente demasiadoduros y frágiles para los usos a que van a ser destinados. Estos inconvenientes secorrigen por medio del revenido, que es un tratamiento que consiste en calentar elacero a una temperatura más baja que su temperatura crítica inferior AC1, para lograrque la martensíta se transforme en una estructura más estable. El proceso terminacon un enfriamiento más bien rápido, enfriándolo luego generalmente al aire y otrasveces en aceite o agua, según la composición.

El objeto del revenido no es eliminar los efectos del temple sino modificarlos,disminuyendo la dureza y resistencia, aumentando la tenacidad y eliminando tambiénlas tensiones internas que tienen siempre los aceros templados.

Para comprender el fundamento de este tratamiento es interesante estudiar el efectoque ejerce sobre las propiedades mecánicas del acero y sobre su microestructura.

Los factores que más influyen en los resultados del revenido son la temperatura y eltiempo de calentamiento.



2.2.4.1- Modificación de las características mecánicas en el revenido.Primero hay que considerar la influencia que el revenido ejerce sobre laspropiedades de los aceros al carbono templados, si se sabe que estos acerosdespués de un temple teóricamente perfecto, están constituidos por cristales demartensíta. El acero en esa forma es muy resistente, pero tiene muy poca ductilidady tenacidad.

Si el acero templado se vuelve a calentar a diferentes temperaturas comprendidasentre la temperatura ambiente y 700°, y después se enfría al aire, la resistencia a latracción disminuye progresivamente a medida que se eleva la temperatura delrevenido y al mismo tiempo aumenta la ductilidad y la tenacidad. La resistencia alchoque o resiliencia, que es generalmente muy baja cuando el revenido se hace atemperaturas inferiores a 450°, aumenta en cambio notablemente cuando el revenidose efectúa a temperaturas más elevadas.

Un acero de 0,45 % de carbono, por ejemplo, templado en agua tieneaproximadamente una dureza de 550 Brinell y una resistencia de 190 Kg pormilímetro cuadrado, y después de ser revenido a 300°, queda aproximadamente con150 Kg/mm2 de resistencia, 7,5 % de alargamiento y 3 Kgm/cm2 de resiliencia; conun revenido de 500°, queda con 110 Kg por milímetro cuadrado de resistencia, 12 %de alargamiento y 7,5 Kgm/cm2 de resiliencia, y si la temperatura de revenido seeleva a 600°, quedará con R = 85 Kg/mm2, A = 15,5 % y p = 13,6 Kgm/cm2.La pérdida ''de dureza que experimentan con el revenido los aceros al carbono deherramientas de 0,70 % a 1,30 % de C templados, se puede ver en la figura 2.4.

Fig. 2.4 Influencia de la temperatura derevenido, sobre la dureza de los aceros alcarbono de herramientas, templados.

En ciertos aceros especiales de alta aleación en los que después del temple quedaademás de martensíta algo de austeníta residual sin transformar, se presenta uncurioso fenómeno de aumento de dureza cuando el revenido se hace en la zona detemperaturas comprendidas entre 350 ° y 550 ° (fig. 2.5 curva 1). Entonces laausteníta residual de baja dureza se transforma en otros constituyentes,apreciándose por ese motivo un sensible aumento de dureza (dureza secundaria).Cuanto más elevada es la temperatura de austenización (fig. 2.5 curva 2, 3), menores la dureza que se obtiene después del temple, por ser mayor la cantidad de



austeníta residual que queda sin transformar. Luego, al efectuarse el revenido, esmayor el aumento de dureza cuanto más elevada haya sido la temperatura detemple, debido a que entonces es mayor que en otros casos el porcentaje deausteníta residual blanda que se transforma en otras estructuras más duras.

Fig. 2.5 Influencia la temperatura derevenido, sobre la dureza de unacero indeformable de 13 % de

cromo.

2.2.4.2- Modificaciones de volumen en el revenido.

Los aceros por efecto de las transformaciones que experimentan en el revenido, engeneral se contraen. En la figura 2.6 puede verse lo que ocurre con diversos acerosal carbono. En el gráfico se señalan en abscisas las temperaturas de revenido y enordenadas las dilataciones o contracciones que el acero experimenta por efecto delrevenido. La primera anotación corresponde a los aceros en bruto de laminación y lasegunda a los aceros templados, pudiendo observarse la dilatación que todos ellosexperimentan en el temple, y la contracción que experimentan en el revenido. En losaceros al carbono que después del temple tienen algo de austeníta residual (0,98 y1,30 % de carbono), se observa una variante en la zona de 1500 a 2250 debido aque, entonces, esa austeníta se transforma en otros constituyentes, y el acero enlugar de contraerse, como en los demás casos, se dilata.

Fig. 2.6 Dilataciones y contracciones que experimentan los aceros al carbono en función de latemperatura de revenido.



Fig.2.7 Representación esquemática de los distintos tipos de temple y revenido.En la figura 2.7 se resumen gráficamente los tratamientos térmicos industriales.

2.2.4.3- Calentamiento para el recocido de regeneración, temple ynormalizado.

Es la primera fase de todo tratamiento térmico aunque algunas veces no se le sueledar importancia, tiene, suficiente para que haya que dedicarle cierta atención, sobretodo cuando se trata de perfiles y piezas de bastante espesor.

Las piezas de poco espesor y de formas sencillas se pueden introducir directamenteen los hornos calientes a alta temperatura 7500 a 850°, pero en el caso de piezasgruesas hay que tomar precauciones.

En las piezas gruesas el calentamiento ha de procurarse que sea lo más uniformeposible y debe llegar hasta el corazón de la pieza. Debe hacerse lentamente paraque haya la menor diferencia de temperatura entre, el interior y la periferia, pues encaso contrario se pueden crear fuertes tensiones internas que pueden dar lugar agrietas y roturas. Algunas veces, estos defectos aparecen luego en los temples orevenidos y se atribuyen indebidamente a causas distintas de las que los originaron.

Estas tensiones se crean primero por la desigual dilatación de las zonas calientes yfrías de las piezas (periferia y centro) y luego por las contracciones que ocurren alatravesar el acero las zonas críticas.

No es recomendable introducir las piezas frías de más de 200 milímetros de diámetroen hornos cuya temperatura sea superior a 3500, porque el acero relativamente frioes poco plástico, no admite deformaciones y las tensiones que se crean puedenoriginar grietas.



El paso de la zona crítica no es peligroso cuando toda la pieza tiene la mismatemperatura o las diferencias entre el centro y la periferia son pequeñas, como ocurreen los calentamientos lentos. En cambio, cuando en las piezas muy gruesas laperiferia alcanza esa temperatura antes que el centro, la zona periférica sufre unacontracción, mientras el centro que no ha llegado a esa temperatura se estádilatando todavía y el peligro de grietas es mayor.

Cuando en el calentamiento el acero alcanza aproximadamente los 732°, la perlitaque contiene, comienza a transformarse en austeníta, y cambia la estructuracristalina del hierro de la perlita, pasando de hierro alfa a hierro gamma, y el aceroque hasta entonces se estaba dilatando se contrae mientas dura esa transformación,continuando luego otra vez la dilatación.

Fig. 2.8 Tiempo aproximado que tarda en calentarse el centro de los redondos de acero alcarbono, al ser introducidos en un horno caliente.

Los calentamientos rápidos son peligrosos en las piezas gruesas, especialmente enlos aceros de alto contenido en carbono, en lo que el porcentaje de perlita es grande.En los aceros dulces, en cambio, se pueden utilizar mayores velocidades decalentamiento, ya que en ellos estos fenómenos tienen menos importancia.Para evitar que las tensiones sean peligrosas, conviene que en las seccionestransversales la diferencia de temperatura entre dos puntos de un mismo radiosituados a 25 mm de distancia, no sea superior a 20°, y para conseguirlo, la duracióndel calentamiento desde la temperatura ambiente a los 850°, debe ser superior amedia hora por pulgada de diámetro, y si es posible conviene que la duración delcalentamiento sea de una hora por pulgada de diámetro.



Fig. 2.9 Temperaturas en el centro de un redondo de acero de 0,35 % de C, de30 mm de diámetro calentado desde 20° a 1100°.

Para tener una idea aproximada del tiempo que tarda en calentarse un redondo deacero al carbono, introducido en un horno caliente, insertamos la figura 2.9, en la quese da el tiempo aproximado que necesitan los redondos de acero de diferentesdiámetros para alcanzar la temperatura del horno.

Según este gráfico, un redondo de 10 mm, introducido en un horno que esté a 800°,tarda en alcanzar esa temperatura doce minutos, y en cambio, introducido en unhorno a 1000°, sólo tarda ocho minutos en alcanzar esa temperatura.

Un redondo de 30 mm tarda en calentarse a 800° treinta y cinco minutos, y encambio, introducido en un horno a 1.000°, sólo tarda veinticinco minutos en alcanzaresa temperatura.

Un redondo de 300 mm de diámetro tarda en calentarse a 900° cuatro horas y mediaaproximadamente. A partir de 721° el tiempo necesario para que el centro de losredondos alcance la temperatura deseada, aumenta debido al calor que absorbe elacero para que se efectúe la transformación de la perlita en austeníta.

La transmisión del calor en los aceros de alta aleación, como los rápidos,inoxidables, indeformables de 13 % de cromo, etcétera, es mucho más despacio queen los ordinarios, entonces la duración del calentamiento es aproximadamente eldoble que el necesario para los aceros al carbono o de baja aleación.El estado de la superficie del material tiene también gran influencia en la duración delcalentamiento, existiendo por esa circunstancia diferencias muy notables entre lostiempos necesarios para conseguir un correcto calentamiento de barras o perfiles dediferente estado superficial. Cuando se trata de superficies brillantes, la duración delcalentamiento es unas dos o tres veces mayor que cuando se trata de superficiesrugosas u oxidadas.



En la figura 2.9 se puede ver la influencia de la superficie del material en la velocidadde calentamiento de un redondo de acero de 30 mm de diámetro.

2.2.4.4- Crecimiento de los cristales de austenita con el calentamiento.

Si el acero es mantenido durante bastante tiempo a temperatura más elevada que lacrítica superior, los cristales de austenita tienen tendencia a desarrollarse y aumentarde tamaño. Esta tendencia aumenta cuanto más alta sea la temperatura y mayor laduración del calentamiento.

Por, lo tanto, si se mantiene el acero, durante bastante tiempo a temperatura superiora Ac3, obtendremos cristales groseros de austenita, y como el tamaño de los cristalesdel acero al terminar el tratamiento dependen precisamente del tamaño que tuvieronlos cristales de austenita, obtendremos, después de un tratamiento a elevadatemperatura, una estructura grosera y un acero de bajas características.

Fig. 2.10 Aumento producido en el tamaño de grano de un acero de 0,60 % de carbono, por elcalentamiento a diferentes temperaturas.

Fig. 2.11 Acero de 0,45 % de carbonocalentado a 1000° y enfriado en el horno.

Fig. 2.12 Acero de 0,45 % de carbonocalentado a 800° y enfriado en el horno.



Comparando la microestructura de las figuras 2.11 y 2.12 se observa la influencia dela temperatura de calentamiento en el tamaño de los cristales en un acero de 0,45 %de carbono.

Cuando en el calentamiento de un acero se llega a la zona crítica, se reduce siemprela recristalización y nacen nuevos cristales de austenita en el mínimo tamaño que sepuede conseguir con esa clase de acero.

Luego cuando en los procesos de calentamiento se sobrepasa la temperatura críticaAc3, el tamaño de los cristales de austenita aumenta y su crecimiento depende, comohemos dicho antes, de la temperatura alcanzada y del tiempo de permanencia.

Fig. 2.13 Cambios estructurales que experimenta en los calentamientos y enfriamientos lentosun acero de 0,25 % de carbono.

Por eso cuando por cualquier circunstancia tenemos un acero con grano grosero,para afinarlo basta con calentarlo a una temperatura lo más justo por encima de lacrítica y luego enfriarlo más o menos rápidamente al aire según la composición.En el enfriamiento al aire los granos de austenita se transforman en otros máspequeños de ferrita o cementita y perlita, sorbita o troostita según la composición.

Cuando los cristales son muy grandes, para afinarlos se suele recomendar variasregeneraciones sucesivas. La primera a temperatura bastante superior a la crítica,pues entonces las partículas de acero tienen más movilidad y es más fácildescoyuntar la grosera cristalización primitiva y homogeneizar la masa del acero, yluego se hacen otras regeneraciones a temperaturas más bajas y más próximas a lacrítica, que son las que en realidad afinan el grano.



2.2.4.5- Acero quemado.

Cuando un acero se ha calentado a una temperatura demasiado elevada, próxima alpunto de fusión, queda muy frágil, con muy poco alargamiento y su estructura es muygrosera y brillante. Por efecto de la alta temperatura; los cristales pierden sucohesión, quedando rodeados por delgadísimas capas de óxido que hace imposiblela regeneración del acero, pues esas capas impiden que los cristales contiguosvuelvan a soldarse y a quedar con suficiente adherencia.Esto quiere decir, que así como el acero sobrecalentado se puede regenerar porcalentamientos y enfriamientos adecuados, el acero quemado no tiene regeneraciónposible.Este fenómeno comienza aproximadamente a 1 350° para los aceros extradulces, a1300° para los de 0,50 % de carbono y a 1200° para los de 0,90 % de carbono.

Fig. 2.14 Acero de 0,55 % de C recocido a 810°y enfriado al aire. Enfriamiento bastante

rápido. Partícula difusa (sorbita) y retículade ferrita. Dureza 200 brinell.

Fig. 2.15 Acero de 0,55 % de C recocido a 810°y enfriado el horno. Enfriamiento bastantelento. Perlita laminar y ferrita. Dureza 170

brinell.

2.2.4.6-Teoría del temple. Enfriamiento.

Teóricamente en el temple, lo mismo que en el recocido de regeneración de losaceros hipoeutectoides, toda la masa de acero debe encontrarse en estadoaustenítico en el momento de comenzar el enfriamiento. Si entonces se enfría elacero con rapidez, todo el material queda con gran dureza y la transformación de laaustenita ocurre generalmente por debajo de 350°, o sea, a temperatura mucho másbaja que en el recocido.



Fig. 2.16 Influencia de la velocidad de enfriamiento sobre la temperatura de transformación dela austenita y sobre los constituyentes que se obtienen.

En los aceros de herramientas (hipereutectoides) no se llega a la austenizacióncompleta por quedar siempre algunos carburos sin disolver.Para comprender mejor el fenómeno del temple, se puede ensayar un acero de 0,90de carbono enfriándolo a velocidades variables y observando luego lo que sucede(fig. 2.17).

En el recocido, cuando dejamos enfriar el acero muy lentamente desde unatemperatura superior a la crítica, la zona de transformación de la austenita en otrosconstituyentes, aparece a una temperatura inferior, pero próxima a la teórica (721°), yel acero queda muy blando.

Si aumentamos progresivamente la velocidad de enfriamiento, el punto Ar que señalala transformación de la austenita, aparece cada vez a temperatura más baja. Alaumentar la velocidad, también vemos (fig. 17 b) que la estructura microscópicaresultante va cambiando progresivamente.

La dureza obtenida ha ido aumentando paralelamente con los cambios de estructura(fig. 17). Al principio, cuando aparecía perlita, la dureza no pasaba de 10 a 20 Rc, yal enfriarse más rápidamente y obtenerse troostita, se llega a 30 y 45 Rc.



Fig. 2.17 Influencia de la velocidad de enfriamiento en la situación de los puntos críticos, en losconstituyentes microscópicos resultantes y en la dureza que se obtienen en el temple de un

acero de 0,90 % de C.

La estructura totalmente martensítica típica de los aceros bien templados, seconsigue cuando toda la austenita se transforma a baja temperatura, generalmenteinferior a 350°.Las temperaturas recomendables para el temple de los aceros al carbono, son lasque se señalan en la tabla 2.1.



Tabla 2.1. Temperaturas recomendadas para el temple de los aceros al carbono de 0,10 a 1,40% de C.

2.3- TRATAMIENTOS ISOTÉRMICOS DE LOS ACEROS.

Reciben este nombre ciertos tratamientos, en los que el enfriamiento de las piezasno se hace una forma regular y progresiva, sino que se interrumpe o modificardiversas temperaturas durante ciertos intervalos, en los que permanece el material atemperatura constante durante un tiempo, que depende la composición del acero, dela masa de las piezas y de los resultados que se quieren obtener.

Después de los recientes estudios realizados sobre la curva de a <<S>> de losaceros, se han desarrollado mucho estos tratamientos, que se usan en la actualidadpara temple de troqueles, herramientas, engranajes, muelles, etc. Se obtienen deesta forma una gran tenacidad, muy pequeñas deformaciones se elimina el peligrode grietas y roturas. También se emplea con gran éxito tratamiento de esta clase,que recibe el nombre de recocido isotérmico, para el ablandamiento de los aceros.

2.3.1- Austempering o transformación isotérmica de la austenita en lazona 250°- 600°.

Este tratamiento consiste en calentar el acero a una temperatura ligeramente máselevada que la crítica superior luego enfriarla rápidamente en plomo o sales fundidas,a temperaturas comprendidas entre 250° y 600°, permaneciendo el acero en el bañoa esa temperatura durante el tiempo suficiente para que se verifique latransformación completa de la austenita en otros constituyentes a temperaturaconstante, tratamiento de esta clase, denominado “patenting”, se aplica desde hacemucho tiempo para la fabricación de ciertos alambres de alta resistencia, que seconocen generalmente con el nombre de “cuerda de pianos”. Este caso el



enfriamiento se suele hacer en baño de plomo, quedando acero con una tenacidad yductilidad excepcionales.

2.3.2- Martempering.

Es un tratamiento que ha comenzado a desarrollarse bien muy recientemente. Es untemple escalonado en el que el material caliente, a una temperatura ligeramente máselevada que la crítica superior, se enfría en un baño de sales, también caliente, atemperaturas comprendidas entre 200° y 400°, permaneciendo en él las piezas anteun tiempo que debe controlarse cuidadosamente y que debe ser creciente para queiguale la temperatura en toda la masa, antes de que en ninguna parte de ella seinicie la transformación de la austenita, y o se enfría al aire.

De esta forma se consigue que la transformación de toda la masa del acero severifique casi al mismo tiempo, evitándose desiguales y peligrosas dilataciones queocurren en los temples ordinarios, por eso es que las transformaciones de lasdistintas zonas del material ocurren momentos diferentes.

2.3.3- Recocidos isotérmicos.

Son tratamientos de ablandamiento que consisten en calentar el acero por encimade la temperatura critica superior según los casos (generalmente de 740° a 8800) yluego enfriar a una temperatura de 600° - 700°, que se mantiene constante durantedos horas, para conseguir la completa transformación isotérmica de la austenita yfinalmente, se enfría al aire. Este tratamiento es muy rápido y se obtienen durezasmuy bajas.

El calentamiento se suele hacer con austénización completa en los aceroshipoeutectoides y austenización incompleta en los aceros hipereutectoides. En ciertomodo estos tratamientos pueden considerarse como casos particulares de losrecocidos de austenización completa e incompleta.

2.3.4- Temple superficial.

Recientemente se ha desarrollado este procedimiento en el que se endureceúnicamente la capa superficial de las piezas. El calentamiento se puede hacer porllama o por corrientes inducidas de alta frecuencia, pudiéndose regular en amboscasos perfectamente la profundidad del calentamiento y con ello la penetración de ladureza. Una vez conseguida la temperatura de temple, se enfría generalmente enagua.



2.4- TRATAMIENTOS EN LOS QUE HAY CAMBIO DE COMPOSICIÓN.

En esta clase de tratamientos, además de considerar el tiempo y la temperaturacomo factores fundamentales, hay que tener también en cuenta el medio o atmósferaque envuelve el metal durante el calentamiento y enfriamiento. Estos tratamientos sesuelen utilizar para obtener piezas que deben tener gran dureza superficial pararesistir el desgaste y buena tenacidad en el núcleo.

2.4.1- CEMENTACIÓN.

Con estos tratamientos se modifica la composición química de la superficie de lapieza, introduciéndole ciertos elementos mediante el proceso de difusión, fundado enla movilidad de los átomos en estado sólido a temperaturas elevadas. El fenómenose conoce con el nombre general de cementación.Mediante estos procesos se trata de conseguir algunos de los siguientes fines:

Aumentar la dureza superficial, sin alterar la ductilidad y resiliencia del núcleo. Favorecer las cualidades de lubricación y rozamiento. Aumentar la resistencia al desgaste. Aumentar la resistencia a los esfuerzos de fatiga. Mejorar la resistencia a la corrosión.

2.4.1.1 -Capa cementada.

Se da el nombre de capa cementada a la zona que después de la cementaciónqueda con un contenido de carbono superior a la del acero y recibe el nombre decapa dura la zona superficial que después del último tratamiento queda con unadureza superior a 58-60 Rockwell-C, y que suele corresponder a la zona cuyoporcentaje de carbono es superior a 0,50-0,80 % de C.Aunque de unos casos a otros hay bastantes diferencias, se puede considerar queen la mayoría de las piezas cementadas el espesor de la capa dura varia de la cuartaparte a la mitad (0,25 a 0,5) de la profundidad de la capa cementada.

Los espesores de las capas cementadas que normalmente se emplean en las piezasde máquinas y motores, se pueden clasificar en tres grupos:

1- Capas delgadas con menos de 0,50 mm de espesor de cementación. Estasprofundidades de cementación se utilizan para pequeñas piezas de acero alcarbono, endurecidas generalmente con sales de cianuro y templadasdirectamente desde la temperatura de cementación. Estas piezas deben deutilizarse siempre sin rectificado posterior.

2- Capas medias de 0,50 a 1,50 mm. Estos espesores son los más corrientespara la mayoría de las piezas que se utilizan en la fabricación de máquinas ymotores. Se pueden emplear cementantes sólidos, líquidos o gaseosos, conaceros al carbono, débilmente aleados o de alta 'aleación.



3- Capas de gran espesor, superiores a 1,50 mm. Son obtenidas, generalmente,por cementación con materias sólidas y con cementantes gaseosos y algunasveces, aunque más raramente, con cementantes líquidos. Las chapas deblindaje, que suelen fabricarse con capas cementad as de 3 a 4 mm soncementadas con gases.

Cualquiera que sea el proceso que se emplee, conviene que el contenido en carbonode la capa cementada no pase de 1 % y debe procurarse que la parte periférica de lapieza después de rectificada, quede aproximadamente con 0,8 % a 0,9 % decarbono; con lo que se obtienen en el temple durezas de 62 a 65 Rockwell-C.Siempre conviene obtener durezas superiores a 60 Rockwell-C, que esaproximadamente el límite de dureza en que la lima ya no marca al acero.

Cuando el contenido en carbono de la zona periférica es superior a la composicióneutectoide de 0,90 % de carbono, suelen aparecer redes de cementita o de carburosque pueden hacer frágil a la capa cementada y con tendencia a descascarillarse. Enestos casos conviene dar a las piezas después de la cementación un recocido dedifusión a 800°-900° en una atmósfera o baño apropiado para disminuir el porcentajede carbono de la periferia.

Con este tratamiento se uniformiza bastante el contenido en carbono y se evitanposibles desconchamientos en las piezas cementadas.

Dependiendo la naturaleza del agente ceméntate distinguimos entre cementaciónsólida, líquida o gaseosa.

2.4.1.2- CEMENTACIÓN SÓLIDA.

Esta dura entre 6 y 10 horas.

2.4.1.2.1- Cementación con C.

Se denomina también cementación y carburación. Consiste en aumentar laconcentración de C en la superficie de un acero, calentándolo a la temperatura deaustenización en presencia de un medio cementante. Éste ha de ser capaz decederle C en estado atómico, el cual se difunde por su interior formando una soluciónsólida, cuyo espesor varía en función del tiempo. Por temple posterior se consigue ladureza superficial y resistencia al desgaste, junto a elevadas características deductilidad y resiliencia.

Factores que influyen en el proceso:

- Composición del acero: suelen ser de bajo contenido en C



- Agente cementante: ha de poder suministrar carbono atómico. Se utilizafrecuentemente CO.

- Temperatura de cementación: debe mantenerse por encima de la temperaturacrítica a fin de que el acero se encuentre como austenita.

- Tiempo de cementación: a igualdad de los restantes factores, el espesor de lacapa cementada crece con la duración del proceso. A medida que aumenta laconcentración de C en la superficie, el proceso se hace más lento.

El proceso de cementación se realiza de la siguiente manera: se introducen laspiezas ya maquinadas con sobre espesores de 0.2-0.3 mm, completamenterodeadas de agente cementante sólido en cajas metálicas herméticamente cerradas,taponando las juntas con arcilla refractaria. Las cajas así preparadas se introducenen un horno a temperaturas comprendidas entre 900-1000 ºC y se mantienen en éldurante el tiempo necesario para conseguir el espesor de capa que se desee. Sesacan las cajas del horno y cuando están frías, se extraen las piezas y se les da eltratamiento térmico adecuado.

En las piezas en que sólo se desea cementar determinadas zonas, hay que protegerlas restantes recubriéndolas con agentes anticementantes como hilo de amianto,tierra refractaria, etc. Como la cementación en cajas es un proceso largo y costoso,que no permite el empleo de dispositivos automáticos ni el tratamiento de piezas muyvoluminosas, está siendo cada vez más desplazado por la cementación con líquidosy gases.

2.4.1.3 - CEMENTACIÓN LÍQUIDA.

Esta dura entre 1 y 6 horas.

2.4.1.3.1- Endurecimiento superficial con baños de sales fundidas.

En los últimos años se ha generalizado extraordinariamente el uso de baños de salespara el endurecimiento superficial de los aceros. Para pequeños espesores esteprocedimiento es mucho más rápido que la cementación con materias sólidas, y estambién más sencillo, empleándose cada día con más éxito en competencia con loscementantes sólidos

Las sales tienen la desventaja de ser muy venenosas, y aunque los humos quedesprenden no lo son, sin embargo causan molestias e irritan las vías respiratorias.Para endurecer piezas sencillas o de poca responsabilidad y para pequeñosespesores de capa dura, conviene cementar con sales. Para poder obtener capasprofundas, aunque todavía son más utilizados los cementantes sólidos, se estátambién incrementando en estos años el uso de baños de sales.



2.4.1.3.2- Evolución del procedimiento.

El cianuro potásico, que fue la primera sal utilizada para endurecer el acero, seemplea todavía en la actualidad en algunos talleres. La cianuración con polvos decianuro es un procedimiento muy primitivo y poco preciso que no se puede utilizarmás que para piezas sin ninguna responsabilidad. Se comienza calentandopreviamente en la fragua o en un horno las piezas o herramientas que se van acementar. Cuando están calientes (700° a 900°) se rodean con polvos de cianuro,luego se vuelven a calentar a 781° - 800° y finalmente se templan enfriándolasrápidamente en agua, obteniéndose una superficie de gran dureza.

Después se uso para endurecer los aceros extradulces el cianuro sódico, porque eramás barato que el potásico. Se fundían las sales en crisoles, donde se introducíanlas piezas que se iban a cementar, permaneciendo un cierto tiempo y luego setemplaban directamente en agua.

Después se usaron sales compuestas a base de cianuro sódico con proporciones decloruro y carbonato sódico; estas dos sales son inertes pero mezcladas las 3 secomportan igual al cianuro. Aunque se conseguía gran dureza superficial, el únicoproblema con este es que no se conseguían capas con más de 0,3 mm deprofundidad. Aunque se elevara la temperatura y el tiempo.

Para obtener capas duras de 0,5 mm a 2mm de espesor con baños de sales, elmejor procedimiento es la cementación con baños de cianuro activados con agentescatalizadores. Esos baños se preparan con sales inertes como el cloruro y carbonatosódico, elementos activos como el cianuro sódico, cálcico o potásico y catalizadorescomo cloruros y fluoruros de bario, calcio y estroncio que sirven para aumentar lapenetración del carbono.

Los procesos con sales preparadas se pueden dividir en cianuración y carburación.En la cianuración el endurecimiento se consigue por la acción combinada delcarbono y el nitrógeno obteniéndose capas superficiales duras de poca profundidad.En la carburación con sales, se utilizan baños preparados a base de cianuros yagentes catalizadores. La profundidad es mayor que en la cianuración oscila entre0,2 mm y 3 mm; aunque en la periferia hay poco nitrógeno se considera que elendurecimiento es por la acción del carbono.

La cianuración se emplea no sólo para endurecer aceros de bajo contenido encarbono, sino también algunas veces para aceros de mayor contenido en carbonocon o sin aleación, en los que además de elevadas características en el núcleo, sedesea también mejorar la dureza superficial. Esto se consigue calentando las piezaspara el temple, en baños con 40 % de cianuro y manteniendo las piezas en el bañode 15 a 60 minutos, aproximadamente. De esta forma después del revenido laspiezas tendrán en el corazón las características correspondientes a un temple y



revenido normal y la periferia quedará con 40 a 62 Rockwell-C, según la temperaturade revenido.

El principal inconveniente de los baños de cianuro es, el no poderse conseguir conellos capas duras de gran profundidad. Para una determinada profundidad de capacementada obtenida con cementantes sólidos y con cianuros, la profundidad de lacapa dura es mayor en la cementación con materias sólidas. A una capa cementadade 1 mm de espesor, obtenida con baños de cianuro, no le suele corresponder másde 0,30 mm de capa dura, mientras que con los cementantes sólidos, para esamisma capa cementada, la capa dura es de 0,55 milímetros, aproximadamente. Conlos baños de cianuro activados se consigue, para un determinado espesor de capacementada, mayor capa dura que en la cianuración.

2.4.1.3.3- Cementación en baños de sales.

En este proceso la gran dureza superficial que adquiere el acero, puede considerarsedebida exclusivamente a la acción del carbono. La influencia del pequeño porcentajede nitrógeno existente en la capa periférica es muy pequeña y puede ser casidespreciada.

Los baños de sales que se utilizan en este procedimiento se preparan generalmentea base de cianuro sódico, con porcentajes variables de cloruro y carbonato sódicos alos que se añade uno o más cloruros o fluoruros de bario, potasio, calcio o estroncio.Que actúan como agentes catalíticos, aumentando notablemente la penetración delcarbono, y con ello la profundidad de la capa dura que puede variar desde 0,2 a 3mm.

Las sales que se utilizan para la cementación de los aceros, se pueden clasificar endos grupos de acuerdo con la penetración que con ellas se consigue. Unas con 17 a23 % de cianuro que se emplean a temperaturas variables de 8500 a 9000 para capasde espesor medio de 0,2 a 1,5 mm de profundidad, y otras de 7,5 a 12 % de cianuropara espesores, variables de 1 a 3 mm que se emplean a temperaturas de 8750 a9500

En los baños de cementar debe cubrirse siempre la superficie de las sales conescamas de grafito para evitar una pérdida grande de cianuro

La intensidad de esta reacción se acentúa con la temperatura y con ella aumenta laliberación de carbono activo y disminuye la formación de nitrógeno, cuya influenciaes perjudicial en este tratamiento porque dificulta la penetración del carbono en elacero. Como el porcentaje de cianato en el 'baño es un índice de la cantidad denitrógeno que absorbe el acero, para asegurar una buena penetración de carbonodebe evitarse que pase de ciertos límites, debiendo mantenerse en los baños depenetración media, porcentajes de cianato inferiores a 1 % y en los de granpenetración menores del 0,3 %.



Las irregularidades que se pueden presentar en estos procesos deben atribuirse aalguna de las siguientes circunstancias:

1- Contenido insuficiente de cianuro para generar el carbono activo.2- Aumento exagerado del contenido de carbonato sódico.3- Cantidad excesiva de cianato sódico.4- Error en la temperatura de cementación.

El proceso de trabajo que se sigue en los talleres de tratamientos térmicos paramantener los baños con .las composiciones adecuadas varía según la clase desales empleadas.

2.4.1.3.4- Carburación.

Se trata de una cementación en líquido. Las piezas completamente limpias y exentasde humedad, se introducen en una mezcla de sales fundidas entre las que siemprese encuentra como componente fundamental del cianuro sódico y otras que actúancomo diluyentes o agentes catalíticos.

La acción carburante de estas sales fundidas es muy rápida, pero la capa que seobtiene es relativamente delgada y muy dura, aunque también es posible obtenerpenetraciones de hasta 3 mm. Terminada la cementación, se sacan las piezas delbaño y se sumergen en agua o aceite fríos. Este procedimiento presenta la ventajade poder emplear dispositivos automáticos, tanto para la cementación como para eltemple, además de ser más rápido, permite un mejor control sobre la penetración, dapiezas más limpias y mayor homogeneidad en la capa cementada.

2.4.1.3.5- Cianuración.

Este se emplea para endurecer superficialmente pequeñas piezas de acero. Losbaños de cianurar contienen cianuro, carbonato y cianato sódico con o sin clorurosódico como diluyente.

Consiste en crear en las piezas de acero una capa superficial rica en C y N,introduciéndolas en un baño líquido.

A la temperatura del proceso (800-900 ºC), en presencia de oxígeno del aire seforma una difusión de C y N en la superficie del acero. Posteriormente se da untemple para aumentar la dureza.

El contenido de cianuro puede variar de 20 a 50%, el cianato sódico se forma poroxidación durante el trabajo, operando a temperaturas de entre 760° y 950° y usandobaños de cubiertos con escamas de grafito, el porcentaje de cianato sódico noexcede de 30 %.



El carbonato sódico es el último producto que se forma en los baños pordescomposición u oxidación del cianuro por la acción oxidante del aire.

La carburación del acero se realiza por acción de CO que se descompone en el bañoy la nitruración por efecto del nitrógeno.El cianuro se oxida al reaccionar con el oxigeno del aire dando cianato.

2 NaCN + O2 = 2NaCNO

El cianato sódico a la temperatura de trabajo se descompone por el calor en cianurosódico, carbonato sódico, oxido de carbono y nitrógeno naciente.

4 NaCNO + calor = 2 NaCN + Na2CNO3 + CO + 2 N

El cianuro vuelve nuevamente a comenzar el ciclo, siendo siempre el carbonato elproducto final de la transformación. El oxido de carbono que se libera en ladescomposición del cianato, se descompone en carbonato naciente y dióxido decarbono que en contacto con el hierro caliente se disuelve en el hierro gamma y sedifunde hacia el interior.

La formación del carbono se produce de la siguiente forma:

2 CO = C + CO2

Siendo C el carbono que pasa al acero, también pasa algo de nitrógeno al acero.

Fig. 2.18 Influencia de la temperatura decianurización en el contenido en carbono ynitrógeno de la capa periférica de un acero alcarbono cianurado con sales de 25 % deCNNa. Se señalan valores a una capa situadaa 0,1 mm de la periferia y otra a 0,2 mm.

El CO producido en las reacciones mostradas siendo en definitiva el carbononaciente y el nitrógeno naciente producidos que pasan al acero. El carbono formacarburos de hierro o aleados y el nitrógeno forma nitruros.

Para la cianuración es fundamental la formación de una cierta cantidad de canato.Los nitruros que se forman interfieren en la penetración del carbono y por suinfluencia perniciosa no se pueden utilizar los baños de cianuro sin catalizadorespara producir capas económicas de hasta 0,3 mm de profundidad.



Fig. 2.19 Influencia del tiempo decianurización en el contenido en carbono ynitrógeno de la capa periférica de un acero alcarbono cianurado con sales de 36 % deCNNa a 800° Se señalan valores a una capasituada a 0,1 mm de la periferia y otra a 0,2mm.

En la figura 2.18 se observa la influencia de la temperatura en la cianuración, alaumentar la temperatura disminuye en la capa exterior el porcentaje de carbono ynitrógeno, en cambio en el interior al aumentar la temperatura aumenta el contenidode estos elementos.

2.4.1.3.6.- Sulfinización.

Es un tratamiento termoquímico que consiste en introducir una pequeña capasuperficial a base de azufre, nitrógeno y carbono en aleaciones férricas y de cobre.

De esta manera, se consigue mejorar la resistencia al desgaste, favorecer lalubricación y evitar el agarrotamiento. Las herramientas sometidas a este tratamientotienen una duración cinco veces mayor que sin sulfinizar.

Se introducen las piezas en baños a 560-570 ºC formados por una mezcla decianuro, sulfito o hiposulfito anhidro, carbonato sódico y cloruro bárico (baños desales).

La capa sulfinizada, sin aumento de dureza con respecto a la del metal basefavorece la lubricación, mejora las características de resistencia al desgaste, evita elagarrotamiento y se autopropaga hacia el interior.

2.4.1.4- CEMENTACIÓN EN GASES.

Esta dura entre 1 hora a varios días

2.4.1.4.1- Carburación gaseosa.

Se colocan las piezas en un horno a temperaturas de 850-950 ºC en presencia deuna atmósfera carburante a base de CO y diversos gases diluyentes, cuya misión es



impedir la tendencia de los hidrocarburos a la formación de hollín sobre las piezas.Este método presenta ventajas cuando se tienen que tratar un gran número depiezas o si son muy voluminosas.

Por otra parte las piezas salen completamente limpias, y es posible un controlriguroso de la temperatura del horno, así como de la composición y dosificación delos gases.

2.4.1.4.2- Nitruración.

Es un tratamiento de endurecimiento superficial aplicado a ciertos aceros yfundiciones. Se obtienen durezas muy elevadas, del orden de 1200 unidades Brinell.

Los aceros o fundiciones nitrurados son superficialmente muy duros y resistentes a lacorrosión. La nitruración se efectúa en hornos especiales, exponiendo las piezas auna corriente de amoníaco a una temperatura de 500 a 525 0C. El amoniaco sedisocia en la superficie de las piezas y el N atómico liberado se difunde con facilidaden el hierro.

Este procedimiento se aplica a aquellas piezas que se hallan sometidassimultáneamente a esfuerzos de choque y rozamiento tales como engranajes,cigüeñales, bulones, camisas de cilindros, árboles de levas, ejes de cardán, piñonesy aparatos de medida. Además de gran dureza se consiguen superficies resistentesal desgaste y disminución en el coeficiente de rozamiento.

2.4.1.4.3- Carbonitruración.

Tiene por objeto la formación de una capa rica en C y N en un producto siderúrgico,calentándolo a temperaturas entre 650-850 ºC, en una atmósfera gaseosa formadapor una mezcla de hidrocarburos, amoniaco y óxido de carbono.

En la siguiente figura se representan algunos de los tratamientos térmicos másimportantes.



CAPÍTULO 3

TRIBOLOGÍA.



3.1- TRIBOLOGÍA.

El concepto de "tribología" fue usado por primera vez en un informe elaboradopor la Comisión del Ministerio de Educación y Ciencia de la Gran Bretaña el 9 demarzo de 1966, por lo que esta fecha se reconoce como la del nacimiento de latribología como una nueva disciplina científica.La tribología comenzó a reconocerse como fuente de un gran potencial paraeconomizar recursos financieros, materias primas y materiales energéticos. De aquísu enorme importancia y el que se recomendara, haciéndose efectiva por muchospaíses la estimulación de las investigaciones en la fricción, la lubricación y eldesgaste.

En toda industria, hay elementos en movimiento (pares de fricción) donde lafricción y el desgaste están presentes. Es de seña la r e l lugar ocupado pore l tóp ico de t ra tamientos y recubrimientos superficiales y el avance queexperimenta el desgaste abrasivo.

Después de la Segunda Guerra Mundial en Alemania, así como en otrospaíses, se notó una tendencia general, en la ingeniería mecánica, a lasgrandes cargas, mayores velocidades y operaciones a elevadastemperaturas y así mismo a disminuir el peso de los elementos enmovimiento en las maquinarias. Desde ese instante, se incremento elinterés en los problemas de desgaste, fricción y lubricación.

La tribología es una de las cuatro disciplinas fundamentales de la construcción demaquinarias, debido a que los pares de fricción están presentes en todos lossistemas mecánicos.

En Estados Unidos las pérdidas debidas a problemas tribológicos tienen sufuente principal en la industria, el transporte y en el sector de producción deenergía. Así lo señaló el informe que en 1980 elaboró el Ministerio de Energía deEstados Unidos. Las pérdidas, según las investigaciones realizadas apartir de 1983, se clasificaron en directas (por fricción) e indirectas (pordesgaste). A su vez ellas se analizaron por cada sector.

Cada día es más factible calcular el desgaste y como los procesos paralograrlo se tornan más económicos y fáciles, dentro de algunos añosesto será exigencia para las máquinas y sus elementos, incrementándoselos métodos de control y las medidas preventivas.

El desgaste, su control y diagnóstico formará parte de los sistemas decalidad. Para la aplicación y desarrollo de la tribología es requisitoindispensable la aplicación de los métodos y técnicas de cómputo. A suvez, es de suma importancia la aplicación de la tribología a las máquinascomputadoras.



En los últimos años se han debatido las demandas principales de los problemastribológicos y estos problemas se han dividido en ramas las cuales son:

3.1.1- Naturaleza de la fricción.

La fricción es el objetivo fundamental de estudio en la tribología. Lostrabajos hasta ahora desarrollados han aportado conocimientosimportantes en el área real de contacto, la adhesión y el surcado; noobstante, una teoría completamente elaborada aún no se ha logrado.

El problema fundamental reside en que la fricción depende de unsinnúmero de procesos complejos en la superficie de contacto.

El conocimiento principal quizás sea el área real de contacto, ya que elresto de los procesos están muy condicionados con éste. Muchostrabajos actuales están dirigidos a estudiar la topografía de la superficie decontacto y el cálculo del área real de contacto.

En muchos contactos tribológicos, las superficies de las capas se diferen-cian por la estructura y/o por la composición química. Esto inf luencialas reacciones triboquimicas entre las superficies y el medio ambiente y latransmisión de material entre las superficies de contacto. A veces estematerial se forma por desgaste de ambas superficies y productos dereacciones químicas, por ejemplo óxidos.

La fricción y el desgaste dependen de la formación y destrucción de estascapas. Es por ello que en cualquier investigación es necesariocaracterizar las superfic ies en contacto y tener en cuenta la influencia delas capas superficiales.

La naturaleza de las reacciones triboquímicas y la cinética de formaciónde las capas superficiales deben ser determinadas para cada casoconcreto, teniendo en cuenta su influencia decisiva en el coeficiente defricción y en la intensidad del desgaste.

El l lamado "tercer cuerpo" o material desprendido producto deldesgaste, influye en el coeficiente de fricción. Por tanto, en todo procesose hace indispensable su caracterización.

3.1.2- Mecanismos y procesos del desgaste.

Desgaste: es la variación de las dimensiones, forma, masa o estado de la superficiede una pieza producto de la rotura (desgaste) de la capa superficial de la piezadurante la fricción.



Fricción: Es la resistencia al movimiento durante el deslizamiento o rodamiento queexperimenta un cuerpo sólido al moverse sobre otro con el cual está en contacto.Esta resistencia al movimiento depende de las características de las superficies.

En los últimos años se establecieron muchos mecanismos y procesos dedesgaste, tales como el adhesivo, el abrasivo, el de fatiga, el de corrosión,y el de separación o desprendimiento por capas. La mayoría de estosmecanismos han sido confirmados por ensayos de laboratorio; pero, elárea o región donde cada uno se produce no ha sido totalmente definida

Para el análisis de cada proceso de desgaste debe hacerse un análisis desistema donde se plasmen las condiciones concretas de trabajo de éste(p.ej. carga, temperatura, velocidad, etc.), así como del desgaste específico, suintensidad y forma del coeficiente de fricción.

3.1.3- Modelación de los procesos tribológicos.

En la modelación de los procesos tribológicos ha habido avances, sobretodo en lo que a lubricación hidrodinámica se refiere. Mucho másatrasada está la modelación en los modelos comunes de fricción,lubricación límite y desgaste. Esto se debe a lo complejo de lainteracción en la superficie de contacto y por ello hay que acometer en esto eltrabajo en forma multidisciplinaria.

Los modelos deben ser elaborados con base en principios físicos conoci -dos y determinar claramente las características de los contactostribológices que se producen. Deben permitir la selección correcta delos materiales a utilizar así como determinar el coeficiente de fricción, laintensidad del desgaste y la máxima vida útil de la máquina.

La modelación tiene dos formas fundamentales de trabajarse. Una es lade seleccionar empí ricamente los factores que intervienen o dondedebe incluirse la caracterización de la superf icie, y una posteriorinvestigación a nivel de laboratorio, con cuyos resultadosconvenientemente procesados, se confirma un modelo empírico. Este sistemaexige de gran tiempo.La otra variante se basa en la formulación del modelo basada en princi-pios físicos conocidos y su posterior comprobación con los datosexperimentales obtenidos, después de lo cual se corrige el modelo.

3.1.4- Modelación de tribosistemas.

Los modelos de lubricación tienen que ser modernizados a partir de, teneren cuenta el efecto de la rugosidad superficial, y debe garantizar laposibilidad de calcular la fricción en la superficie de contacto. La mayoría



de los modelos actuales se basan en modelos newtonianos y condicionesestacionarias.

Debe contemplarse el uso de modelos no newtonianos y procesoscambiantes y considerar la influencia de los procesos térmicos, laturbulencia y la destrucción de la capa límite.La aparición de partículas, por ejemplo, impurezas o suciedades y productos deldesgaste, destruyen el normal comportamiento de la mayoría de lossistemas tribológicos, por lo que su influencia debe ser considerada, yvaloraos los cambios que se producen en el tribosistema.

3.1.5- Materiales tribológicos y lubricantes.

La tendencia es la de incrementar la resistencia al desgaste encondiciones extremas de trabajo (cargas, temperatura, medio ambiente,altas velocidades).

Un papel importante en esto lo pueden jugar las diferentes tecnologías derecubrimiento, los compositos y los materiales cerámicos, para loscuales debido a ser aplicaciones modernas, no se han elaboradocompletamente características tribológicas, posibilidades de aplicación ylimitaciones.

Se incrementa la tendencia al uso de lubricantes sólidos sobre todo paraser usados en los casos de lubricación a temperaturas elevadas y conadición de componentes contra la oxidación. Es por ello que la tribologíatiene que trabajar en la caracterización de estos lubricantes, susmecanismos y elaborar modelos menos empíricos que los actuales

3.1.6- Problemas fundamentales de los ensayos.

Los datos experimentales serán útiles si caracterizan completamente losmateriales ensayados, su superficie y lubricación, y si las condiciones deensayo y el medio ambiente son también controlados. Si losexperimentos se ejecutan para modelar un nudo tribológico concreto, lascondiciones de ensayo deben corresponderse con las reales de trabajo.

3.1.7- Química de los lubricantes.

Los materiales lubricantes industria les generalmente compuestos deuna base de aceite y diferentes aditivos que determinan propiedadesconcretas para su explotación. Los materiales lubricantes típicos estánformados por cientos de diferentes tipos de moléculas que de formacompleja interactúan entre ellas. Los problemas fundamentales a investigar



en la química de estos lubricantes están relacionados con laspropiedades de los adit ivos y las interacciones capa-lubricante.

3.2- TEORÍA DE LA MODELACION Y SU APLICACIÓN EN LATRIBOLOGÍA.

Para trabajar en la construcción de uniones tribológicas y lograr la correcta selecciónde los materiales de estas uniones es imprescindible estudiar la influencia que enellas ejercen las condiciones variables que determinan su comportamiento real.Frecuentemente no se tiene la información completa, no se han estudiadocompletamente los fenómenos físicos en la zona de contacto, no se conocen lasexpresiones matemáticas ni los métodos para la solución del proceso. Para superarestas condiciones en el conocimiento del proceso real, se emplea la modelación física.

3.2.1- Modelación física.

Se llama así, a la investigación física de procesos en condiciones de laboratorios, enlas que se conserva la naturaleza física del fenómeno, pero usando otrasdimensiones geométricas o físicas.

La particularidad del modelo en la modelación Física es su naturaleza idéntica con elobjeto natural, o sea, en ambos casos se emplean los mismos pares de fricción ylubricante.Mediante el empleo de la modelación física se solucionan tareas que permitenconocer la dependencia del coeficiente de fricción, intensidad del desgaste ytemperatura de fricción con el funcionamiento del par y las propiedades de la unióntribológica.

La Ley de la modelación se determina por medio de un factor de escala, el cual es latotalidad de todos los coeficientes de conversión del modelo a la naturaleza y losparámetros del régimen de trabajo, para los materiales de la unión tribológica parasu construcción, incluidos en el criterio de semejanza.

Para acumular la correcta información en condiciones de laboratorio es muyimportante hacer uso de maquinas y probetas normalizadas que permitan no sologarantizar la veracidad de los datos obtenidos, sino comparar los resultados con losde otras investigaciones.Además este método permite realizar ensayos acelerados sin afectar la correctaevaluación de los parámetros investigados en el modelo.

La relación entre los parámetros del modelo y del objeto real se hace por medio decálculos, y en los cuales generalmente se presentan estas etapas.En primer lugar, el sistema se subdivide en tres subsistemas mediante gráficos,en los cuales se usan modelos fundamentales: físicos, mecánicos, termofisicos, demacro y microcontacto. (Fig. 3.1).



Fig. 3.1 Modelos gráficos del proceso de fricción (submodelos).a) Mecánico, b) termofisico, c) de macrocontacto yd) microcontacto de los elementos del par de fricción.

Segundo, con base en el análisis de la representación grafica de los subsistemas, seconstruye un modelo jerárquico, cuya finalidad es revelar los parámetrosfundamentales y secundarios. Los parámetros determinados ejercen una influenciaimportante en todos los subsistemas y los secundarios (hasta 10-15%) en lafricción y el desgaste.

Tercero, se establece una relación entre las dependencias funcionales, de lascaracterísticas de salida (coeficiente de fricción, intensidad del desgaste,temperatura de fricción).

3.3- EL DESGASTE EN LOS SÓLIDOS.

En los últimos tiempos la energía consumida por maquinarias y equipos, en masa, yla producción seriada se han incrementado significativamente, así, mismo hansurgido nuevos procesos de producción que incluyen condiciones severas de trabajo;de forma tal que se hace necesario dedicar una atención especial al diseño demaquinarias de gran duración. El análisis efectuado sobre las razones o causas defallo de las máquinas y mecanismos ha mostrado que el 75% de los casos de fallos sedebe al desgaste de las superficies en rozamiento. Así, el elevar la resistencia aldesgaste de las máquinas es uno de los factores fundamentales para aumentar suvida útil.

Es importante mencionar algunos principios que hay que tener en cuenta alestablecer los cálculos y que se apliquen de los criterios tradicionales del cálculo deresistencia.

1- El volumen de material que soporta la carga en el contacto deslizante no esconstante y varía de acuerdo a la presión, la rugosidad de las superficies enrozamiento y la presencia de películas en las superficies.



2- El contacto real entre sólidos es discreto y se deforman microvolúmenes delmaterial, para los cuales hablando estrictamente, la hipótesis de cuerposhomogéneos isotrópicos usada en la mecánica clásica de los cuerposdeformables, es inaplicable.

3- En contraste con cálculos de resistencia (donde los cuerpos no se fac-turan) en los de desgaste es esencial la condición de los procesos defractura.

4- Las propiedades de los materiales que tornan parte en el deslizamiento,difieren frecuentemente de las de los materiales originales, ya queellas varían durante el proceso de forma tal que las condiciones derotura del material varían de acuerdo a esto.

3.4- CARACTERÍSTICAS DEL PROCESO DE DESGASTE.

El desgaste es un proceso en el cual las capas superiores de un sólidose rompen como resultado de la acción mecánica de otro cuerpo o medio. Sila acción mecánica aparece en forma de fuerza de fricción, entonces alproceso se le llama desgaste por fricción, lo cual constituye nuestro tema deanálisis.

En el desgaste (desde ahora desgaste por fricción) el acto de ruptura selocaliza en un pequeño volumen del material, el cual es removido de la zonade rozamiento en forma de partículas de desgaste. La magnitud de éste esusualmente valorada por la disminución en dimensiones del cuerpo en unadirección perpendicular a la superficie de deslizamiento (desgaste lineal).

La figura 3.2 muestra una representación gráfica típica del desgaste enfunción del tiempo de operación, y puede observarse tres etapas en el proce-so.

- La primera etapa, de asentamiento, es una etapa de no equilibrio delproceso que sigue una función exponencial y representa solo unapequeña porción del tiempo total de operación del par desgaste. Secaracteriza por, un régimen específico de desgaste d W/dLr (donde Wes el desgaste y Lr es la trayectoria de fricción) que disminuye con el tiempodurante el deslizamiento.

- La segunda etapa del proceso, la cual es la más larga, se caracterizapor valores constantes del régimen de desgaste, por lo que sigue unafunción lineal, dW/dLr = const.

- La tercera etapa, de desgaste catastrófico, se caracteriza por unrégimen de desgaste en incremento constante y no es aplicable a lassuperficies en rozamiento. El desgaste tiene lugar en las partes de lasuperficie donde hay una fuerte interacción entre los cuerpos enrozamientos, o sea, en los enlaces de las asperezas, que si se suman



dan lugar al área real de contacto entre los dos cuerpos. En condicionesestables de desgaste el área real de contacto no varía en ningúnmomento.

Fig. 3.2 Desgaste W en función del tiempo de operación tI, asentamiento; II, etapa de condiciones estables; III, desgaste catastrófico.

3.5- MECANISMO DE FORMACIÓN DE PARTÍCULAS.

El proceso de formación de partículas de desgaste en el deslizamiento es uno de losmás importantes problemas, cuya solución exitosa permite obtener losrequerimientos para explicar el mecanismo que gobierna el daño de las superficiesen deslizamiento y la construcción de modelos teóricos.

Las partículas de desgaste son una fuente importante de información, y estudiandosu forma y tamaño, su composición, el relieve superficial, las propiedades físicas ymecánicas, es posible establecer ideas específicas sobre el proceso de su formación.

3.6- TEORÍA DE LA FATIGA DEL DESGASTE.

El término de fatiga es aceptado generalmente como el tipo especial de dañocausado por la acción repetida de esfuerzos cíclicos con una amplitud que alcanzavalores por debajo del límite elástico del material. El fenómeno de la ruptura de losmateriales sujetos a esfuerzos cíclicos por encima del límite elástico que se haobservado en los últimos años, se le llama "fatiga de pocos ciclos" y se extiendeconceptualmente al término "daño por fatiga".



La aplicación del concepto de daño por fatiga al explicar las leyes del desgaste hasido de importancia decisiva para revelar el mecanismo del daño en eldeslizamiento. Debido a las asperezas de los cuerpos reales, su interacción enel deslizamiento es discreta, y el contacto tiene lugar en partes individuales que alunirse formen el área real de contacto. Bajo cargas normales, las asperezaspenetran unas en las otras y se aplanan, y en la región de puntos de contacto realsurgen esfuerzos y deformaciones. En el deslizamiento un volumen fijo de materialestá sujeto a muchas acciones repetidas.

El análisis efectuado del fenómeno, por medio de un modelo en el que se empleócomo aspereza una esfera rígida deslizando a lo largo de una superficie deformable,demostró que surge una distribución compleja de esfuerzos en este espacio, que lazona en comprensión se forma en el frente de la aspereza y la de tensión detrás de lamisma. Esto tiene lugar al aplicar ciclos alternativos de carga en el material, Cadaciclo deja un efecto en el material, el daño se acumula y lo debilita, lo que conduce ala fractura final del mismo.

Resultados obtenidos por investigadores japoneses confirman la naturaleza de lafatiga del desgaste. Ellos analizaron periódicamente a bajas y altas cargas el procesoe hicieron una analogía con las leyes que gobiernan la distribución de grietas defatiga en el volumen del material, observando cuando las grietas detienen sucrecimiento temporalmente en la transición de cargas grandes a pequeñas y despuéscomienzan a propagarse nuevamente. Los autores también observaron que larelación entre el tiempo de asentamiento y las fuerzas actuantes establecen laconexión cualitativa entre los esfuerzos actuantes y el número de ciclos hasta eldaño.

3.7- DESGASTE POR FATIGA SUPERFICIAL.

3.7.1- Mecanismo del desgaste por fatiga.

El desgaste por fatiga superficial generalmente se considera debido a la acción delas tensiones o esfuerzos superficiales, sin mediar necesariamente otrasinteracciones físicas entre las superficies de los cuerpos sólidos. Esta creencia seoriginó al observar fenómenos de fatiga superficial en los cojinetes de friccióndeslizante con lubricación hidrodinámica, donde las superficies rozantes estánnormalmente separadas por una película gruesa de lubricante.

El proceso de desgaste por fatiga está relacionado con ciclos de tensiones repetitivasen el contacto por rodadura o por deslizamiento.El proceso de fatiga provoca deterioros en el material debido a las tensionesvariables, cuyo nivel máximo no sería perjudicial si actuara en forma constante, atracción o compresión. Como la fatiga superficial es una forma clásica de fallo de loscojinetes de bolas y rodillos, consideremos inicialmente los mecanismos de fatiga



superficial en el contacto por rodadura.

Comparando la fatiga superficial del contacto rodante con la fatiga volumétrica,es necesario destacar dos diferencias, En primer lugar, la durabilidad (tiempode vida antes del deterioro o fallo) en el contacto por rodadura es muy superior.En segundo lugar, existe la llamada tensión límite de fatiga, que se observa en losensayos de fatiga volumétrica. Por debajo de dicho valor límite, el material presentauna durabilidad limitada a la fatiga. Este límite no existe en el caso de la fatigasuperficial, tal como se presenta en los rodamientos.

Las investigaciones experimentales han demostrado que desde el punto de vistafísico, el estudio de la fatiga por contacto consiste fundamentalmente en evaluar laconcentración de tensiones, determinante en los procesos de nacimiento ypropagación de las grietas de fatiga.

Basándose en la teoría de las dislocaciones, pueden elaborarse algunosmecanismos del nacimiento de las grietas. Estos mecanismos fueron concebidosinicialmente para los fenómenos de fatiga volumétrica, pero pueden en algunamedida ser utilizados en el análisis de los fenómenos que ocurren cerca dela superficie. Las formas fundamentales de nacimiento de las grietas son lassiguientes:

a) Acumulación de dislocaciones en los planos de deslizamiento contra lasfronteras de los granos.

b) Empalme de dos dislocaciones, con la formación de grietas a lo largo delplano de división.

c) Formación de grietas en las fronteras.Otro mecanismo de nacimiento de grietas su superficiales se basa en lainfluencia de las inclusiones. Las grietas pueden originarse a partir de defectostales como inclusiones de óxidos, dominantes en metales blandos como el cobre,por otro lado, en los aceros utilizados en la lubricación de rodamientos y ruedasdentadas siempre están presentes inclusiones de carburos, que posibilitan launión de las dislocaciones y el surgimiento de grietas subsuperficiales.

3.8- DESGASTE ABRASIVO.

El término desgaste abrasivo se entiende generalmente como el daño asuperficies deslizantes por la acción de partículas sólidas presentes en lazona de rozamiento. De acuerdo con éste, el desgaste abrasivo incluye eldesgaste producido por las part ículas que se desprenden durante e lproceso de rozamiento. Estas partículas son generalmente muy duras ypueden moverse libremente en la zona de rozamiento o trasladarse en lazona de rozamiento por uno de los elementos del par, actuando comomicroasperezas.



Las partículas pueden tener diferentes procedimientos tales comominerales provenientes del exterior y que caen en la zona de rozamiento ytambién del desgaste de elementos de trabajo y que interactúandirectamente con la masa del abrasivo. La acción mecánica de estaspartículas en el material desgastado depende en forma importante de laforma de las partículas, su grado de fijación, la relación entre laspropiedades mecánicas del material desgastado y de las partículas y de lascargas.

Bajo este principio el propio desgaste abrasivo puede ser de diferentestipos en su mecanismo: elástico, por fatiga o de microcorte. En el caso delmecanismo de desgaste por fatiga, no sólo el límite de fluencia o la durezason aspectos esenciales.

La idea básica para este criterio es que si los esfuerzos y deformacionesno alcan zan el valor crít ico, entonces una sola acción del abrasivo noes suficiente para causar daño.

El volumen de material desgastado después de un ciclo (un evento) estarádirectamente relacionada al arca de contacto. Es evidente, que la vida delabrasivo incluirá criterios tales como el coeficiente de fricción, los valoreslímites del esfuerzo (deformaciones) y las características de fatiga del material.En el caso de las partículas abrasivas presentes en el proceso, hay quetener en cuenta factores como el radio medio de los ángulos agudos enlas partículas que actúan como microasperezas R, la dureza de lapartícula y su relación con la dureza del material.El fenómeno del desprendimiento de partículas tiene lugar por el contactofisco directo de dos superficies, de las cuales una es mucho más dura quela otra.

Las irregularidades de la superficie dura se introducen en la superficie másblanda mediante el deslizamiento plástico del metal blando, alrededor de lasirregularidades duras. En presencia de un movimiento tangencial, la superficie durase deslizara, formando surcos en la superficie blanda y produciendo eldesprendimiento de material de esta. Este proceso es comparable al de "microcorte",como ha sido observado en la superficie de distintos materiales en el microscopioelectrónico.

El proceso de desgaste abrasivo está muy difundido en la industria. Sin duda, másdel 50% de los casos de desgaste se lleva a cabo por mecanismos abrasivos. Noobstante, debido a las diferentes formas en que el mismo aparece, en la práctica seles diferencia en varios tipos.

En primer lugar, se acostumbra a hablar del desgaste de "dos cuerpos" y de "tres



cuerpos" (figura 3.3). Por ejemplo, el desgaste de “dos cuerpos” ocurrefrecuentemente durante el transporte de minerales triturados, y el caso de los trescuerpos durante el procesamiento de minerales, o al penetrar partículas de este enlos cojinetes.En segundo lugar, diferenciaremos los siguientes tipos de desgaste abrasivo:

a) Por mortajado (dientes de las palas de las excavadoras, sufrideras de losmolinos de martillos y otros).

b) Por machacamiento (bolas de los molinos y otros).c) Por erosión (paletas de los agitadores, toberas de los equipos de aspersión de

arena y otros).

La investigación del mecanismo de desgaste abrasivo en el laboratorio se efectúasometiendo las probetas a un chorro abrasivo. Un gran trabajo en este sentidodesarrollaron Jrushov, Wellinger y Uetz y Richardson. Los resultados de lasinvestigaciones desarrolladas pueden ser resumidos de la siguiente forma:

En un régimen dado de desgaste, el volumen de metal desgastado V creceproporcionalmente a la carga N y la trayectoria de fricción L, o sea:

V ~ NL

Cualquier reducción en el valor de V estará condicionada a una disminución delgrano del abrasivo o un fortalecimiento de la superficie. Para comparar el desgasteabrasivo de diferentes materiales, se emplean los siguientes criterios cuantitativos:

a) El desgaste volumétrico Vw.b) La resistencia al desgaste,

E= 1 / Vm

Fig. 3.3. a) Desgaste entre ''dos cuerpos"; b) desgaste entre "tres cuerpos".

c) La resistencia relativa al desgaste:



E (probeta)

E (patrón)

Está establecido que, en dependencia de la relación entre la dureza del abrasivo Hay la dureza del metal Hm, pueden tener lugar tres regímenes diferentes de desgasteabrasivo (Figura 3.4):

1- Régimen de desgaste débil, si Ha < Hm;2- Régimen de transición, si Ha ≈Hm;3- Régimen de desgaste severo, si Ha > Hm.

Para disminuir el desgaste debido a un proceso abrasivo, la dureza del materialdebe ser mayor que la del abrasivo. La condición Hm ≈1,3 Ha puede tomarse comocriterio de la pequeña intensidad del desgaste abrasivo. Incrementar la dureza delmaterial con respecto al abrasivo en más de 1,3 veces no es conveniente, porque elaumento de la resistencia al desgaste es insignificante.

Para esclarecer las variables determinantes en el tercer régimen del desgasteabrasivo (figura 3.4), fueron experimentados diferentes materiales.

Fig. 3.4 Regímenes de desgaste abrasivo. Dureza del abrasivo Ha contra el tiempo el cual es deuna hora.

3.9- DESGASTE EROSIVO.

Ew=



La erosión o desgaste producido por una corriente de partículas abrasivas esun tipo de desgaste muy común.Se observa en toberas de motores, en turbinas de gas, en tubos de escape yotros.

En el análisis de este desgaste, las teorías más modernas han sido desarrolladaspor Bitter. El considera el desgaste como la suma de dos tipos de daño, eldeformacional y el de corte. La teoría de Bitter se basa en la capacidad delmaterial de absorber energía del exterior y almacenarla en forma de energía interna.El postula la existencia de una densidad límite de energía interna por encima de lacual el material es dañado.De acuerdo con Bitter, no se experimenta desgaste si el impacto entre las partículasy el material da lugar a una interacción elástica.

Fig. 3.5 Desgaste por Erosión.

3.10- DESGASTE POR OXIDACIÓN.

El desgaste por oxidación se observa en un par deslizante sujeto a la acción de airede la atmósfera ó contenidos de oxigeno en un lubricante donde el oxido formadoen la superficie experimenta desgaste. (Fig. 3.6)

Fig. 3.6 Desgaste por oxidación.



La presencia de óxidos en los productos del desgaste fue establecida para eldeslizamiento en seco, y para el deslizamiento con lubricante En el deslizamiento,aun en los aceros inoxidables, el producto del desgaste son óxidos. Esto resulta delhecho de que en condiciones convencionales una capa protectora que se forme delos óxidos de los componentes del acero se forma en la superficie, como es el casodel óxido de cromo, el cual previene la migración de átomos de hierro dentro de lassuperficies. Bajo condiciones de deslizamiento cuando la película se destruyecontinuamente la acción protectora es inefectiva.

Es esencial tener en cuenta que bajo condiciones convencionales la velocidad deoxidación puede diferir significativamente de aquella que se obtiene en condicionesde deslizamiento. Es conocido que las superficies de los metales preparadasfrescas (recientemente) son más activas y la acción mecánica puede cambiar deforma importante la barrera de activación, lo cual afecta la velocidad de oxidacióny aun la composición química de los óxidos. Kostetski atribuyó el incremento enla actividad de un metal a la formación de una textura en la capa, lo que conlleva unincremento de la densidad de dislocaciones y vacancias.

Uhlig, uno de los primeros en estudiar el desgaste por oxidación, considero dosmodelos del mismo durante el deslizamiento.

1- La capa de oxido se forma durante el tiempo en que las asperezas no entran encontacto con las asperezas del otro cuerpo.

2- La misma cantidad de oxido se forma en cada contacto después del cual,cuando la película alcanza un espesor critico, la capa se rompe, localizándosela ruptura en la frontera metal-oxido.

Un proceso de desgaste corrosivo puede dividirse en tres etapas: I) la difusión deoxigeno hacia la superficie del metal. 2) el incremento de la película de oxigeno,y 3) La ruptura de la película de oxido durante el deslizamiento.El tiempo requerido para la rotura de la capa de oxido depende de so resistencia deadhesión a la base y de los esfuerzos actantes.

3.11- DESGASTE CORROSIVO-MECÁNICO.

El desgaste corrosivo-mecánico tiene lugar en condiciones de acción delmedio ambiente e interacción dinámica entre los tres elementos. Si las dossuperficies reaccionan activamente con el medio ambiente, su fricción en estemedio conlleva la formación ininterrumpida y el desprendimiento de los productosde la reacción. Las superficies pierden material, que pasa a estar contenido en losproductos de la reacción.



Fig. 3.7 En esta conexión existe desgaste corrosivo mecánico si no se lubrica o no es elcorrecto lubricante.

Las diferencias entre los mecanismos de desgaste por fatiga superficial, abrasión yadhesión de una parte y el desgaste corrosivo-mecánico de otra, son lassiguientes:Los primeros tres mecanismos pueden, en describirse simplificadamente, como lainteracción entre dos cuerpos sólidos I y 2, que conlleva directamente a laformación de productos de desgaste de los cuerpos I y 2.En el caso del desgaste corrosivo-mecánico, interactúan tres elementos: los cuerpossólidos I y 2 y el medio ambiente 3. Estas interacciones pueden considerarse comoun proceso cíclico por etapas:

1. En una primera etapa las superficies 1 y 2 reaccionan con el medio ambiente 3.En este proceso se forman productos de reacción de las sustancias 1 y 3 ytambién 2 y 3, en las superficies de los cuerpos I y 2.

2. Se produce el desprendimiento de los productos de la reacción, provocandocomo resultado la formación de grietas y del desgaste abrasivo por lainteracción de contacto de los cuerpos 1 y 2. Luego de lo anterior, aparecenzonas "nuevas", en las superficies I y 2 y comienza de nuevo la primera etapa.

Además de los procesos de deformación y adhesión, en los procesos de desgastecorrosivo-mecánico intervienen procesos químicos como resultado de los cualesocurre la formación de productos de la reacción. En estos fenómenos intervienen laenergía de fricción. Debido a la activación calórica y mecánica, en las irregularidadessuperficiales tienen lugar los siguientes cambios:

a) La actividad química aumenta debido al incremento de temperatura en lasirregularidades, como resultado de lo cual se acelera la formación de capassuperficiales.

b) Las propiedades mecánicas en las capas superficiales en las irregularidadesvarían, frecuentemente estas capas experimentan una fractura frágil.



Partiendo de la suposición de que las capas superficiales (formadas por la fricciónde los materiales y la reacción química con el medio) se desgarren una vezalcanzado cierto espesor critico, Quinn propuso la hipótesis del desgaste poroxidación de los aceros.

3.12- DESGASTE POR FROTAMIENTO.

Los diferentes mecanismos de desgaste, actúan en forma simultánea. El proceso deadhesión y las reacciones tribomecanicas conllevan la variación de las propiedadesde las superficies. Como resultado, se forman productos de desgaste o se producetraslado de material de un cuerpo a otro. Los procesos se activan por la energíamecánica y calórica, transmitida o disipada en las irregularidades superficiales yen el volumen de material. Todos estos procesos permiten la formación de productosdel desgaste, qué originan fatiga superficial y desgaste abrasivo.Una forma bien conocida de desgaste, que aglutina las cuatro formas básicasanteriormente analizadas, lo es la corrosión por frotamiento. Esta forma tienelugar, cuando dos cuerpos en contacto, experimentan, uno con respecto al otro,movimientos relativos de oscilación, cuya amplitud es menor de 100 µm. En laindustria, la corrosión por fricción es posible en sistemas mecánicos como son lasuniones ensambladas con cierre de forma, las uniones árbol-cubo, lasempaquetaduras y sellos estáticos, los rodamientos, embragues y otros. Comoconsecuencia de la corrosión por frotamiento, en la superficie de los elementosaparecen grietas de fatiga y se generan productos de desgaste. Resultado de esto,es posible una disminución de la resistencia a la fatiga de 3...4 veces.

El proceso de la corrosión por fricción consta de varias etapas, a saber:

1- En la primera etapa actúan una deformación por contacto variable, lo queprovoca el surgimiento y propagación de grietas superficiales, así comotambién la eliminación de las impurezas superficiales, y la formación ydestrucción de enlaces adhesivos.

2- En la segunda etapa se forman productos de desgaste, ya como resultado defatiga superficial, a coma resultado de procesos de adhesión - deformación.Estos procesos se acompañan por la oxidación de los productos de desgaste.

3- En la tercera etapa los productos de desgaste formados ejercen una acciónabrasiva. Esto, a su vez permite la repetición de los procesos de la primeraetapa, y así sucesivamente.

El desgaste en la corrosión por frotamiento, que tiene lugar en presencia devibraciones, es un claro ejemplo de la coexistencia de los diferentes mecanismosbásicos de desgaste, descritos anteriormente.

En diversas investigaciones se ha evidenciado que en condiciones de deslizamientoy rodadura también se presentan con frecuencia varios tipos de desgaste.Consideremos, por ejemplo, un sistema tribomecánico simple de dos elementos 1 y



2 deslizándose mutuamente en un medio gaseoso químicamente activo 3. En lasuperficie de separación tienen lugar por lo general los siguientes procesos:

1- Formación de capas superficiales por medio de absorción o reaccionestriboquimicas de las superficies de deslizamiento I y 2 con el medio gaseoso3.

2- Transferencia adhesiva de material y productos de la reacción, del cuerpo I al2 y del cuerpo 2 al 1.

3- Formación de productos de desgaste de la masa del material, provenientesdel material transferido adhesivamente entre los cuerpos I y 2. Debido ala fatiga superficial y la abrasión.

Los cambios que ocurren en los elementos materiales del sistema tribotecnicomediante la acción simultánea de los mecanismos de desgaste fueroninvestigados sistemáticamente por Molgaard. En sus investigaciones, esteespecialista identificó 13 productos de diferentes, además de los dos materialessólidos originales y del medio gaseoso:

- Elementos deformados del material.- Material deformado transferido.- Material transferido de regreso.- Productos de reacción.- Productos de reacción transferidos.- Productos de desgaste del material.- Productos de desgaste de los productos de la reacción.

La complejidad de los procesos de desgaste dificulta tanto las investigaciones uno lasolución de los problemas de ingeniería. Tanto en uno como en otro caso esnecesario recurrir con frecuencia a enfoques empíricos a falta de los, analíticoscorrespondientes. Para darle a este enfoque determinada orientación en labúsqueda de los resultados, es necesario tomar en cuenta todos los datos yparámetros posibles relativos a la forma de desgaste en cuestión, incluyendo losfenómenos de contacto y fricción que le acompañan.

Compresores de refrigeración. Corte de metales. Aviación. Termonucleares. Transformadores y otros dispositivos eléctricos. Sistemas de intercambio calórico. Tratamientos térmicos. Instrumentos. Protección temporal de metales (conservación de piezas y partes de equipos y

otras estructuras).

Esta reseña indica que los temas desarrollados en este apartado, constituyen una



introducción básica en el estudio de los lubricantes y la lubricación, así como laimportancia vital de esta rama, estrechamente vinculada a las de fricción y desgaste,en el campo de la tribología.

3.13- ENSAYOS DE DESGASTE.

3.13.1- Resistencia al desgaste de los metales.

El desgaste de los elementos de maquinas, elementos metálicos de construcción yotros, depende de las condiciones de fricción y las propiedades del material de lapieza. Se distinguen varios tipos de desgaste: abrasivo, cavitativo, de fatiga porcontacto y otros.

El desgaste mecánico se refleja como resultado de la interacción de los pares defricción. Las fuerzas de fricción surgen durante el agarre de las irregularidades enlas superficies móviles. Como resultado, ocurre la reducción de los salientesmicroscópicos y su posterior disminución. También se debe diferenciar el estadofrágil y dúctil de las sustancias. En estado frágil el trabajo de las fuerzas de fricciónse utiliza para el corte y la trituración de las partículas. En estado dúctil se añadetambién el trabajo de deformación plástica de las partículas cortadas.

Durante el desgaste siempre ocurre la oxidación de las partículas las cortadas, queinfluye notablemente en los resultados del desgaste. Se distinguen el primero ysegundo género en dependencia del tipo de fricción.

El desgaste de primer genero (frotamiento) va acompañado por un corte departículas de metal y las pérdidas de masa. El desgaste de segundo género(deformación local) se refleja en la variación de la forma y las dimensiones de lapieza metálica. Ambos fenómenos aparecen simultáneamente durante el desgaste.

Durante la fricción de los elementos en contacto se distinguen los siguientestipos de desgaste:

- Mecánico. Caracterizado fundamentalmente por fenómenos mecánicos(desgaste abrasivo, desgaste producto de la deformación plástica y desgasteproducto de la fractura por fatiga en la capa superficial durante la fricción porrodadura).

- Mecánico - molecular. Caracterizado por la aparición de fuerzasmoleculares (desgaste, acompañado de un agarrotamiento oadherencia de los metales).

- Mecánico - corrosivo. Caracterizado por la aparición de las interaccionesquímicas de los metales con el medio o el lubricante (desgaste oxidante).

A cada tipo de desgaste le corresponde un determinado desarrollo del proceso y sus



regularidades. En dependencia del tipo de desgaste se toman medidas concretaspara su prevención.

Durante la fricción metal-metal se debe diferenciar el "desgaste seco" y el"desgaste lubricado". Durante el proceso seco el desgaste se determina por laspropiedades de frotamiento de las superficies metálicas; durante el desgaste conlubricante, además de todo esto, también, por las propiedades del mismo lubricante.

Durante el desgaste abrasivo de la fricción del metal con cuerpos abrasivos (el terreno,arena, esmeril y otros) el proceso de corte de metal con partículas duras juega un rolimportante.

De este modo, el desgaste es producto de la rotura mecánica de las irregularidadesde agarre, o la presión variable del lubricante, la separación en capa: de laspelículas de óxidos, que se forman durante la fricción, y la rotura mecánica de lasirregularidades, que se funden producto de la elevada temperatura.

Como resultado del desgaste varían las dimensiones de las piezas, aumentan lasholguras entre las superficies de fricci6n, aparecen vibraciones y golpes en lasmaquinas y mecanismos.

Además, las superficies de fricción durante el trabajo de las piezas pueden no solodesgastarse, sino también deteriorarse de un modo inadmisible. Por ejemplo, en lacapa superficial del acero producto del desprendimiento de calor durante la fricciónson posibles transformaciones estructurales, que conducen a una brusca variaciónde las propiedades iníciales del material o a la formación de grietas; cuando lacantidad de lubricante del cojinete no es suficiente es posible el derretido delmaterial del cojinete y en relación con esto el deterioro del eje.En el proceso de desgaste de las superficies de fricción se distinguen tres periodos(figura 3.8): etapa de asentamiento I, desgaste estable II y desgaste acelerado III,provocado por las variaciones de holgura en las piezas de fricción.

3.13.2- Métodos de ensayos al desgaste.

Los ensayos al desgaste pueden realizarse en condiciones de explotación demaquinas y en condiciones de laboratorio. Los ensayos de las piezas en la mismamáquina en condiciones de explotación son la verificación más segura de que escorrecta la selección del material o los métodos de su elaboración, conforme a unadeterminada pieza de la maquina. Este método se utiliza con frecuencia, pero tienedificultades prácticas (duración de los ensayos, necesidad de desarmar la máquinapara determinar el desgaste de la pieza, dificultad para una determinación exacta dela magnitud del desgaste y otros).



I. Etapa de asentamiento, II. Desgaste estable, III desgaste acelerado

Fig. 3.8 Dependencia de la magnitud del desgaste de la pieza de laduración del trabajo. Desgaste contra tiempo.

En este caso la magnitud de los ensayos al desgaste se determine por la variaciónde las propiedades de la maquina (por ejemplo, la reducción de la precisión de lapieza elaborada), por los criterios o rasgos indirectos (por ejemplo, el aumento dela fuga entre el embolo y el cilindro) y directamente por la variación de lasdimensiones de la masa de las piezas.La determinación del desgaste de las piezas mediante la medición de estas conayuda de herramientas micrométricas antes y después de los ensayos ha obtenido lamayor difusión. Para determinar el desgaste de las piezas de maquina se utilizan lossiguientes métodos:

1- Método de bases artificiales (de muescas cortadas) pare determinar el desgastelocal. El ensayo consiste en que sobre la superficie de fricción de la pieza con unacuchilla de diamante se hace una cavidad de una forma geométrica determinada(figura 3.9).

De acuerdo al grado de desgaste de la superficie esta distancia va a reducirse,pero su variación va a ser igual al desgaste lineal de la superficie en un lugardado.

Por este método con ayuda de un equipamiento especial, puede determinarse conexactitud la magnitud del desgaste en la superficie de las piezas o las muestras,edemas la superficie debe estar elaborada.



Fig. 3.9 Esquema para determinar el desgaste por el métodode las bases artificiales.

2- Método para determinar el hierro en el aceite. Consiste en que en una serie decasos se puede determinar el desgaste por la cantidad de hierro que cae en formade productos del desgaste, en el aceite de lubricación y lo contamina.La cantidad de hierro en este caso se determine por el análisis químico de laceniza después de combustionar la muestra de aceite. La ventaja de estemétodo es la posibilidad de valorar el desgaste sin desarmar el mecanismo o lamaquina, y el efecto es, la determinaci6n del desgaste total en coda la superficiede fricción de varias piezas y la imposibilidad de determinar la distribución de lamagnitud del desgaste en la superficie de la pieza.

3- Método radiactivo. Consiste en que al material de la pieza se le transmiteradioactividad (introduciendo isotopos radiactivos de algunos elementos en laaleación durante la fundición, rellenando la cavidad del cuerpo de la pieza con unalambre de un material, que contiene isotopo radiactivo; la radiación de la piezaen un reactor atómico), y entonces los productos del desgaste, que caen enel aceite, también serán radiactivos. Por la intensidad de la radiación de estosen la muestra de aceite podemos hacer una valoración sobre la cantidad desustancia radiactiva, que cae en el aceite después de un determinado periodo detiempo, y sobre la velocidad de desgaste de la pieza.

La ventaja de este método consiste en que los datos obtenidos sobre el desgasteestán relacionados con todas las piezas en contacto, desde las cuales losproductos del desgaste caen en el aceite (como en el caso del método de "hierroen el aceite"), sino solamente con una pieza estudiada. La sensibilidad delmétodo radiactivo es muy elevada y la observación de la marcha del desgaste omonitoreo de la marcha del proceso pueden realizarse ininterrumpidamente.

Entre los defectos del método radiactivo tenemos la necesidad de fabricación o



elaboración especial de piezas, necesidad de utilizar equipos especiales y tomar lasmedidas pertinentes para proteger al personal del efecto de radiación.

Los ensayos al desgaste pueden también realizarse en condiciones de laboratorio;en este caso es necesario reproducir las mismas particularidades de lasprincipales condiciones en La superficie de fricción, las cuales se observan durantela explotación de La pieza y garantizan para un mismo material semejante procesode desgaste.

El mas difundido es el desgaste abrasivo. La esencia del método consiste en que seproduce la fricción de las muestras a ensayar y el patrón sobre La superficie con laspartículas abrasivas fijadas a 6stas (papel abrasivo) con una carga estática y Laausencia del calentamiento; los resultados obtenidos se comparan.

En calidad de material para las muestras patrón se toman:

Para el ensayo de metales con una dureza menor de 1500 HV, aluminiotécnico puro en estado recocido.

Para el ensayo de metales con una dureza de 1500 HV o más, hierrotécnico puro en estado recocido.

EI tipo de papel abrasivo se selecciona del siguiente modo: Parar establecer la relación de la resistencia relativa al desgaste con sus

propiedades físicas, La dureza de las partículas abrasivas debe superar ladureza del material en no menos de1, 6 veces.

Parar determinar la resistencia relativa al desgaste del material a ensayardurante la acción de arena de cuarzo se toma un papel esmeril de siliciopara el rectificado con una granulometría del material abrasivo No, 6.

La dureza de los granos abrasivos, así como de los elementos estructurales de losmateriales de ensayo, se determina por el método de ensayo a la microdureza conpenetración de una pirámide de diamante.

Para medir el desgaste lineal se utilizan micrómetros con un valor de división de0,01 mm; para medir el desgaste gravimétrico (en peso) con balanzas analíticas convalor de división de 0.1 mg.Para evitar los errores sistemáticos todas las mediciones se realizan con unos o losmismos medios de medición.

Durante la preparación de la superficie de las muestras a ensayar y de los patronespara los ensayos, es necesario tomar medidas de precaución, para que no ocurranvariaciones estructurales y transformaciones fisicoquímicas en el metal productodel calentamiento durante el maquinado.

El desgaste de las muestras a ensayar y el patrón debe ser obtenido en iguales



condiciones; las muestras deben recorrer una misma trayectoria de fricción en loslímites de toda la serie de ensayos. La velocidad de fricción de las muestras en elpapel abrasivo debe ser tal, que el calentamiento del material en el proceso deensayos no influya en sus propiedades.

Los ensayos se realizan bajo el efecto de una carga estática de 93,69 kipá (9,55kgf/cm2) partiendo del cálculo de 2,9 N (0,3 kgf) en la muestra con un diámetro de2,0 mm.En caso de necesidad se admite realizar los ensayos con otras cargas, pero nomayores que las críticas. El error relativo de La carga no debe superar ± 1%.

El desgaste de las muestras a ensayar y el patrón se realizan una sola vez. Losexperimentos se realizan en dos láminas de papel abrasivo en el siguiente orden: enla primera mitad de una lámina se ensaya la muestra patr6n, en la segunda lamuestra a ensayar; en la otra lámina el orden de los ensayos debe ser inverso.

3.13.3-Equipamientos para los ensayos de desgaste.

Para los ensayos de desgaste se emplean máquinas de diferentes construcciones. Lasmáquinas de laboratorio para los ensayos de desgaste pueden dividirse en los siguientesgrupos:

1- Las máquinas que reproducen un determinado tipo de desgaste.2- Las máquinas que reproducen una determinada combinación dada de las condiciones

de fricción.3- Las máquinas de uso universal MI, UMT-1.4- Las máquinas SMC-2 para los ensayos en condiciones de fricción locales.

Como resultado de los ensayos se determina la resistencia relativa al desgaste (en relacióncon el material patrón) de los diferentes metales durante el tipo de desgaste abrasivo.

La seguridad de los resultados de los ensayos en estas máquinas depende de en qué gradode exactitud las condiciones de ensayo se corresponden con las de explotación.

Entre las máquinas de tipo universal tenemos la máquina para el desgaste tipo MI (figura3.10). En esta máquina se pueden realizar ensayos a la fricción por deslizamiento, fricción porrodamiento, fricción por deslizamiento tanto en aceite como sin éste.

La máquina universal UTM-I (fig. 3.11) está destinada para los ensayos de metales yplásticos a la fricción y al desgaste en un amplio rango de cargas y velocidades dedeslizamiento en diferentes esquemas de ensayos, que corresponden a los bloques de fricciónmás difundidos ("disco-bulón", "aro-aro", "eje-buje" con movimiento de rodadura regresivo)



Fig. 3.10 Máquina universal para los ensayos a la fricción y el desgaste.

Fig. 3.11 Máquina universal UMT-1.

La frecuencia de rotación del disco se regula suavemente con ayuda del accionamiento deltiristor. La instalación de control-registro está situada en un pupitre independiente. La máquinatiene elevados índices metrológicos para la medición del momento de fricción .

Para los ensayos se emplean las muestras.

- "disco-bulón" el disco con un diámetro de 320 y un espesor de 10 mm; el bulón con undiámetro de 5 y 10 mm, y un largo de 20 mm.-"aro-aro" -el diámetro exterior 28 mm, e l interior 16 mm y el espesor 15 mm.-"eje-buje" -eje (diámetro de fricción de 35 a 40 mm, diámetro interior 25 mm, longitud 30 mm),buje (diámetro de fricción de 35 a 40 mm, diámetro exterior 50 mm, longitud 10, 15 Y 20 mm)

Las máquinas universales se emplean tanto para investigar el fenómeno de desgaste, como paravalorar el comportamiento de los materiales confor me a determinadas condiciones para su



explotación. En una serie de casos es conveniente utilizar máquinas para los ensayos encondiciones particulares de fricción .Para el ensayo de los materiales a la resistencia al desgaste durante la fricción con las partículasabrasivas suavemente fijadas o sueltas, se utilizan instalaciones especiales

Fig. 3.12 Esquema de la instalación para los ensayos de materiales a la resistencia al desgaste durante lafricción sobre partículas abrasivas suavemente fijadas o sueltas .



CAPÍTULO 4

DESARROLLOEXPERIMENTAL.



En este capítulo se explicaran los pasos a seguir, que se realizaron así como losresultados que se obtuvieron en cada una de las distintas pruebas al acero AISI 416en un proceso de cementación liquida.

El equipo empleado para obtener y analizar las probetas de estudio, abarca desdelas máquinas e instrumentos que se utilizaron en el maquinado, pasando por lapreparación para la observación metalográfica y terminando con las utilizadas parapruebas mecánicas, las cuales se describen a continuación.

4.1- PREPARACIÓN DE LAS PROBETAS.

1) Se consigue la barra de acero 416 en bruto en aceros palmers de México s.a.con las especificaciones requeridas.

La barra contiene especificaciones dadas por PALMEXICO (Ver anexo 2)

2) La barra fue cortadas transversalmente con la sierra cortadora de discoabrasivo marca Bühler a la medida de 1 cm de espesor con un disco depiedra para corte, para de este modo obtener las probetas.(fig. 4.2)

Fig. 4.1 cortadora de disco. Fig. 4.2 Corte de la barra.

3) Las probetas son maquinadas por ambas caras para tener una superficietotalmente plana con un ángulo de 90 grados y rebajadas a 8 mm de espesor:Para esto se utilizo un torno marca OLYMPIC-140, Modelo OL SAIMCA-BAIN.



Fig. 4.3 Torno usado para maquinado de piezas.

Para el maquinado fue necesario hacer un dispositivo de sujeción diseñadoespecialmente para el espesor así como la longitud requerida para las probetaspuesto que las mordazas no alcanzan a sujetar la pieza y por consiguiente no sepuede centrar.

4) Después se les da a las probetas un acabado para eliminar asperezas debidasal corte se utilizo una lijadora de rodillos con lija de 80 para dar una superficiemás uniforme de la misma marca brindadas por el laboratorio de ciencia de losmateriales de ESIME UA

Fig. 4.4 Lijadora metalografica de banda.

5) Seguida con un lijado a mano con lija de 180, luego 240, 320, 600, 1000,1500, para terminar con una lija 2000 para dar un acabado superficial a espejosiendo muy cuidadosos de no tener ralladuras o defectos en la superficie.

Fig. 4.5 Probetas con acabado a espejo.



6) Obtención de los testigos para el cementado de las probetas

Fig. 4.6 obtencion de los testigos.

4.2-TRATAMIENTO TÉRMICO DE LAS PROBETAS.

a) Las probetas son marcadas por un costado de las mismas para poderidentificarlas unas de las otras con segueta se marcan con una dos y treslíneas las mismas que representan 1, 2 y 3 horas de cementadorespectivamente.

b) Las probetas son enrolladas con alambre para poder ser sujetadas y con estopoder ser llevados al tratamiento.

Fig. 4.7 Marcas de 1,2 y 3 horas.

Calderas y crisoles

Fig.4.8 Calderas utilizadas.



Fig.4.9 Controlador e indicador detemperatura.

c) Se llevan a un precalentamiento dentro de unos crisoles que han sidocalentados a una temperatura aproximada de 100 °C para evitar fracturasfuturas en las probetas (evitar impacto o choque térmico).

Fig.4.10 Precalentado. Fig.4.11 Crisoles para precalentado.

d) Las piezas se introducen en un baño de sales fundidas a 930°C constituidaspor una sal base generalmente cloruro o carbonato de sodio, con adición deuna sal aportadora de carbono, cianuro de sodio o de potasio y de una salactivante, cloruro de bario, mezclados en porcentajes adecuados, según losresultados que se deseen obtener. La presencia de nitrógeno en los cianurosprovoca también la formación de productos de reacción (nitruros) de elevadadureza pero limitados a una finísima capa exterior.

Fig.4.12 Mezcla introducida en la caldera.



e) Se dejan adentro las probetas durante un tiempo de 1,2 y3 horas según lamarca que se les dio.

f) Después de cementar las piezas se pasa al proceso de temple.

g) Inmediatamente después se da un revenido a 180°C por dos horas.

h) Al terminar con el tratamiento de las piezas se vuelve a dar un acabado de lasuperficie con una lija de 1500 a 2000 solo para quitar la imperfección de lasuperficie, lo quemado originado por el tratamiento teniendo mucho cuidadode no penetrar la capa superficial cementada dejándola nuevamente con unacabado a espejo.

4.3-PRUEBAS DE DUREZA.

Durómetro Vickers Modelo ABK-C1.Durómetro para Rocwell C

Fig. 4.13 Durómetro Vickers. Fig. 4.14 Durómetro.

-Realizamos las pruebas de dureza tanto en una maquina de dureza vickers comoRocwell.

La carátula de la máquina de dureza Rocwell lleva dos grupos de números uno encolor rojo y otro en color negro. Los cuales difieren por 30 números (grados dedureza). La carátula fue diseñada de esta manera para acomodar las escalas B y Clas cuales fueron las primeras normalizadas y son las más extensamente cumplidas.



L a escala B es para ensayar materiales con dureza intermedia el rango de trabajo esde 0 a 100 (de trabajo) utilizando herramientas de bola.

En nuestro caso utilizamos la escala C que es comúnmente la más usada paramateriales más duros que B 100. Los materiales más duros son de aproximadamenteRC70, los cuales son sometidos a tratamientos de temple. El rango útil es de RC20hacia arriba.

Fig. 4.15 Pesos de Rockwell. Fig. 4.16 Carátula de Rockwell.

Para obtener la dureza Vickers fue un tanto más sencillo ya que la lectura es digitalprimeramente calibramos la maquina que las durezas sin material nos den cero en elindicador colocamos la probeta en el lugar que será penetrado observamos que elrevólver este de el lado del penetrador y presionamos el botón de start el penetradoren automático empieza a bajar y de igual forma sube a su posición inicial.

Sin mover la probeta que ya fue penetrada giramos el revólver a su modo demicroscopio y observando la huella que dejo el penetrador colocamos paralelamentelas líneas como se muestran en la figura 4.17 en las aristas del diamante enseguidadamos guardar giramos las líneas y repetimos la acción dejando las líneas sobre latangente de las aristas del diamante damos guardar nuevamente y obtenemos elresultado inmediato en la carátula.



Fig. 4.17 Huella de penetrador. Fig. 4.18 Revolver de durómetro.

4.4- PRUEBAS DE DESGASTE.

Máquina tribología de desgaste abrasivo de 200 revoluciones por minuto, con undiámetro de la rueda de 23 cm. Con un contrapeso de 500 gramos y un brazo depalanca de 6 Kg.

Brindada para la realización de las pruebas requeridas por SEPI. ESIME.ZACATENCO.

Fig. 4.19 Maquina de desgaste abrasivo.

Estas pruebas se realizaron en base a la norma ASTM G65-94 (ANEXO 8).

Se realizaron las pruebas en una maquina tribología de abrasión seca con lassiguientes especificaciones



Una fuerza aplicada de 44.1 N con una carga aplicada de 500 g. Un chorro de arenade 80 micras de 300 a 400 gramos por minuto.

Para la realización de esta prueba se tubo que hacer un dispositivo de sujeción demadera para poder adaptar la probeta cilíndrica a la maquina que funciona paraprobetas rectangulares.

Lo primero que se realiza es el ajuste de la maquina el motor se regula para que larueda gire a 200 RPM con la ayuda de un tacómetro digital y con el regulador develocidad el cual es muy sensible y se requiere de paciencia para regularla.

Enseguida se coloca un contrapeso en un extremo al brazo de palanca de 2 Kg.Para darle una fuerza de presión de la pieza con la rueda abrasiva de 500 g.Ajustándola con otro contrapeso puesto del otro lado del brazo de palanca.

El contenedor superior es llenado con arena silica de 10 micras la cual se deja caeren un chorro de 300 a 400 g por minuto calibramos la caída de arena con unaválvula tomamos el tiempo durante un minuto y enseguida lo pesamos así sabemoscuánto hay que abrir la válvula y tener la cantidad de arena necesaria que pase porminuto la arena se desempeña como medio abrasivo y obtener mejores resultados.

Antes de colocar la probeta en la maquina se debe limpiar perfectamente con alcoholy algodón ya que esta no debe de tener ninguna sustancia que pudiera afectar elpeso de la misma ya que la balanza tiene una lectura de hasta 0.0001 g.

Se toma el peso de cada una de las tres probetas y se anota en tablas.

Para realizar la prueba debemos tomar la distancia recorrida por la rueda para tomaruna base de 500 m y hacer un parámetro de comparación y para calcular el tiempoque debe girar la rueda para que nos de los 500 m realizamos los siguientescálculos:

D rueda abrasiva = 23 cm.

Haciendo la conversión a metros:



0.722568 m de perímetro de la rueda abrasiva

Para cada 500 m calculamos el No de vueltas que debe de dar la rueda

Si tenemos calibrada la máquina para que de 200 vueltas por minuto calculamos eltiempo necesario para que de 692 vueltas

3.46 de minutos

Para que la rueda haya avanzado 500 m. Se requiere que haya trascurrido 3 minutoscon 46 segundos

Ahora con todo preparado se hace funcionar la máquina durante 3 minutos con 46segundos una vez transcurrido este tiempo se para la maquina y se vuelve a limpiarla pieza perfectamente y se vuelve a pesar y así se hace sucesivamente con cadauna de las probetas hasta llegar a los 3000 m y con esto llegamos a los siguientesresultados.

Fig. 4.20. Maquina de desgaste abrasivo.



Fig. 4.21 desgaste en la pieza. Fig. 4.22 Balanza.

Fig. 4.23 Huella de desgaste.

4.5- ANÁLISIS METALOGRAFICO.

Microscopio óptico Marca OLYMPUS, Modelo PMG-3.Marca Joel Modelo JSM-6300 SCANING brindada por ESIQUIE unidad profesionalzacatenco

Fig. 4.24 Microscopio metalografico.



CAPÍTULO 5

RESULTADOSY

ANÁLISIS.



5.1- RESULTADOS DE LAS METALOGRAFÍAS.

En esta metalografía se observa el acero 416 sin haber recibido el cementado, esdecir en estado puro, únicamente se observan pequeñas cantidades de carbono enforma de agujas.

Fig. 5.1 Acero inoxidable AISI 416 sin cementar.

A continuación se medirá la capa cementada de las probetas cementadas a 1, 2 y 3horas.Se tomaran 4 medidas del espesor de la capa cementada y se obtendrá unpromedio, para cada una de las probetas.



Estas metalografías corresponden al cementado del acero inoxidable 416 a una horade tratamiento, en el cual se observa la penetración de carbono en su superficie

Fig. 5.2 Cementado 1 hora 500 aumentos.



Tabla 5.1 Medición de la capa cementada a 1 hora de tratamiento.

Medición Medida μm1 24.752 10.6253 7.54 21.625

Promedio 16.125



Estas metalografías corresponden al cementado del acero inoxidable 416 a doshoras de tratamiento, en el cual se observa la penetración de carbono en susuperficie.

Fig. 5.5 Cementado 2 horas 500 aumentos.



Tabla 5.2 Medición de la capa cementada a 2 horas de tratamiento.

Medición Medida μm1 252 203 22.254 9.375

Promedio 19.15625



Estas metalografías corresponden al cementado del acero inoxidable 416 a treshoras de tratamiento, en el cual se observa la penetración de carbono en susuperficie.



Tabla 5.3 Medición de la capa cementada a 3 horas de tratamiento.

Medición Medida μm1 252 22.253 204 22.75

Promedio 22.5

El espesor de la capa cementada a 3 horas es la más gruesa.



Microfotografías de la matriz martensítica.

Una vez que se llevo a cabo el tratamiento térmico igual enfriado en agua, seanalizaron en el microscopio para observar la superficie encontrándose las siguientesobservaciones.

Fig. 5.10 Formación de Carburos de Cromo en AI 416 (partículas blancas) en capa cementadaen matriz martensítica 100X, 1 hora.

Fig. 5.11 Formación de Carburos de Cromo en AI 416 (Partículas blancas) en capa cementadaen matriz martensítica, 100X, 2 horas.

Fig. 5.12 Estructura martensítica, y carburos de cromo dispersos 416, 100X con 3 horas.



5.2- RESULTADOS DE LAS PRUEBAS DE DUREZA.

Se realizaron 5 pruebas de dureza en la probeta sin cementar en estado de recocidopara de este modo poder obtener un promedio.

TABLA 5.4. Durezas de la probeta sin cementar.

No. prueba D1 huella D2 huella HVN HRcN1 38.4 38.2 246.3 21.62 37.0 36.7 273.1 26.13 39.4 36.3 258.8 23.84 39.7 36.4 256.1 23.35 39.7 38.6 241.9 20.7

De igual manera se realizaron 5 pruebas de dureza a cada probeta con 1, 2 y 3 horasde cementación.

TABLA 5.5. Durezas de la probeta con una hora de tratamiento.

TABLA 5.6 Durezas de la probeta con 2 horas de tratamiento.

TABLA 5.7. Durezas de la probeta con 3 horas de tratamiento.

No. Prueba D1 huella D2 huella HVN HRcN1 25.8 26.1 550.7 52.42 27.8 26.1 510.6 49.83 26.1 26.1 544.4 52.04 27.2 26.3 518.3 50.35 25.9 23.8 600.5 55.3





Se obtiene el promedio de la dureza de las probetas sin cementar, así como de lascementadas en 1, 2 y 3 horas.

TABLA 5.8. Promedio de durezas de las probetas.

Cementado HRcN HVN0 horas 23.1 255.241 hora 52.32 565.422 horas 51.54 538.543 horas 51.96 544.9

Fig. 5.13. Grafica de los promedios de dureza Rockwell con respecto al tiempo de cementado.

Fig. 5.14 Grafica de los promedios de dureza Vickers con respecto al tiempo de cementado.



En las graficas se puede apreciar que no hay gran cambio en las durezas de laspiezas cementadas a 1, 2 y 3 horas, y se nota la gran diferencia con la pieza que noestá cementada.La dureza de la pieza disminuye debido a que la concentración de austeníta retenidaprovoca que la capa cementada sea más blanda.Se llega a la conclusión que no es necesario cementarlo durante 3 horas pero debidoa que se busca un mayor tiempo de vida en cuanto resistencia al desgaste y conbase en el espesor de la capa cementada se recomiendo a 3 horas.

5.3- RESULTADOS DE LAS PRUEBAS DE DESGASTE.

Estas pruebas se realizaron en base a la norma ASTM G65 (ANEXO 8).

TABLA 5.9 PESO PERDIDO (g) CON RESPECTO ALA DISTANCIA (m) PROBETAS SINCEMENTAR.

Distancia Peso 1 ( g ) Peso 2 ( g ) Peso 3 ( g ) Peso medio ( g )0 m 85.5900 85.5901 85.5900 85.5900

500 m 85.3828 85.3827 85.3828 85.38271000 m 85.1794 85.1793 85.1794 85.17931500 m 84.9824 84.9816 84.9817 84.98192000 m 84.8083 84.8081 84.8080 84.80812500 m 84.6664 84.6663 84.6673 84.66663000 m 84.5323 84.5317 84.5315 84.5318

Fig. 5.15 Grafica del peso perdido respecto a la distancia recorrida en probeta sin cementar.



TABLA 5.10 PESOPERDIDO (gr) CON RESPECTO ALA DISTANCIA (m) PROBETAS CON 1HORA DE CEMENTACION.


500 m 81.4749 81.4788 81.4745 81.47601000 m 81.4322 81.4323 81.4324 81.43231500 m 81.3726 81.3727 81.3726 81.37262000 m 81.3051 81.3052 81.3055 81.30522500 m 81.2286 81.2305 81.2304 81.22983000 m 81.1368 81.1366 81.1368 81.1367

Fig. 5.16 Grafica del peso perdido respecto a la distancia recorrida en probeta 1 hora decementado

TABLA 5.11 PESO PERDIDO (gr.) CON RESPECTO ALA DISTANCIA (m) PROBETAS CON 2HORAS DE CEMENTACION.


500 m 81.1127 81.1124 81.1123 81.11241000 m 81.0693 81.0694 81.0691 81.06921500 m 81.0194 81.0193 81.0191 81.01922000 m 80.9594 80.9595 80.9593 80.95942500 m 80.8973 80.8974 80.8975 80.89743000 m 80.8329 80.8326 80.8325 80.8326



Fig. 5.17 Grafica del peso perdido respecto a la distancia recorrida en probeta 2 horas decementado.

TABLA 5.12 PESO PERDIDO (gr.) CON RESPECTO ALA DISTANCIA (m) PROBETAS CON 3HORAS DE CEMENTACION.


500 m 78.0432 78.0431 78.0430 78.04311000 m 78.0031 78.0033 78.0035 78.00331500 m 77.9614 77.9614 77.9613 77.96132000 m 77.9172 77.9170 77.9169 77.91702500 m 77.8638 77.8637 77.8635 77.86363000 m 77.8066 77.8067 77.8067 77.8066

Fig. 5.18 Grafica del peso perdido respecto a la distancia recorrida en probeta 3 horas decementado.



TABLA 5.13 PERDIDA DE MATERIAL PROMEDIO.

Tiempo de tratamiento Peso perdido durante 3000m (g)0 horas 1.05821 hora 0.39642 horas 0.35043 horas 0.3026

Fig. 5.19 Grafica No.7 Perdida de material total de cada probeta sometida a la prueba dedesgaste.

Respecto a la grafica de desgaste se puede apreciar que a mayor tiempo decementado es mayor la resistencia que ofrece al desgaste por consiguiente teniendouna menor perdida de material, aunque tienen durezas aproximadas y con tendenciaa menor resistencia a mayor tiempo de cementado.

Para la prueba de desgaste es más recomendable a 3 horas.



CONCLUSIONES.

La dureza de la pieza disminuye debido a que a mayor tiempo de cementación haymayor cantidad de austeníta retenida sin transformar por la cantidad de carbono, serecomienda que se den dos revenidos para transformarla a martensíta.

De acuerdo a las pruebas de dureza, se llega a la conclusión que no es necesariocementarlo durante 3 horas, en las graficas se puede apreciar que no hay grancambio en las durezas de las piezas cementadas a 1, 2 y 3 horas, y es obvia la grandiferencia con la pieza que no está cementada, pero debido a que se busca unmayor tiempo de vida en cuanto resistencia al desgaste se cementara a 3 horas.

En la grafica de desgaste se puede apreciar que a mayor tiempo de cementado esmayor la resistencia que ofrece al desgaste por consiguiente teniendo una menorperdida de material.

Para la prueba de desgaste es más recomendable a 3 horas.

Bajo estos resultados es más conveniente el resultado a 3 horas y no más de 6debido a que para la cementación liquida es de una hora hasta 6 horas detratamiento, aunque se deje más tiempo no aumenta la capa cementada.



BIBLIOGRAFÍA.

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- Pero-Sanz, J. Materiales metálicos. Solidificación, diagramas,transformaciones. 1988. Ed. Dossat. Pp. 29-38

- Pascua, J. Técnica y práctica del tratamiento térmico de los metales férreos.Ed. Blume, Madrid 1970. Pp. 37-40, 41-56, 146-148, 149-156,

- Avner, S. Introducción a la Metalurgia Física, Ed. Mc Graw-Hill. Segundaedición, México, 1988. pp. 563-578.

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- Apraiz, J. Tratamiento térmico de los aceros. Ed. Limusa novena edición.España. pp. 69-104, 114-120, 191-210, 241-274, 327-331, 338-342.

- Schey, J. Procesos de Manufactura. Ed. Mc Graw Hill, tercera edición, 2002.pp. 176-182.

- Molera, P. Tratamientos térmicos de los metales. Ed. Marcombo. pp. 58-72,17-20, 49-53.

- ASTM G 65-00, Standard Test Method for Measuring Abrasion Using the DrySand/ Rubber Wheel Apparatus.



ANEXOS.



Anexo 1.

Diagrama hierro carbono.



Anexo 2.

TABLA CON CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS MÁS IMPORTANTES DEL ACERO 416

PALMEXICO 416

AISI, ASTM, NMX. 416UNS S41600

Análisis químico según Norma Nacional NMX B-83 (% en peso):

C Si máx. Mn máx. P máx. S míx. Cr Mo máx.0.15 1.00 1.25 0.060 0.15 12.00-14.00 0.60

Tipo: Martensítico con alto contenido de azufre...

Formas y Acabados: Barra redonda, cuadrada, solera y hexagonal; placa y piezas forjadas.

Características:

Buena resistencia a 760º C (1400º F) en servicio intermitente y a 675º C (1250º F) enservicio continúo. No se recomienda soldar; en caso necesario, utilizar electrodostipo 410 de bajo Hidrógeno; precalentar a 204-315º C (400-600º F) y después desoldar, hacer un relevado de esfuerzos a 650-675º C (1200-1250º F). Buenamaquinabilidad: 85 % a 90% del acero 1212; utilizar velocidades de 110 a 140 pies /min.

Aplicaciones: Se emplea en flechas para bombas, flechas de motor, piezas para lavadoras, pernos,tuercas, tornillos, birlos, remaches y cuchillería.

ADAI (Asociación del Acero Inoxidable)



Anexo 3.

Tratamientos Térmicos recomendados (valores en ° C):

FORJADORECOCIDO DUREZA BRINELL

BARRAS RECOCIDAS(1)TEMPERATURA MEDIO DE ENF.

1150-1235 No forjar abajode 930°C Enfriar al aire.Piezas grandes en horno

690-780 enfriar al aire o en horno 155

Temple y propiedades mecánicas a diferentes temperaturas de revenido:

TEMPLADO

TEMP. DERevenido

°C

RESISTENCIA A LATRACCIÓN

LÍMITE DEFLUENCIA

ALARGAMIENTOEN 2" %

REDUCCIÓN DE ÁREA

%

DUREZAHRBMPa (kgf/m

m2) [ Ksi ] MPa (kgf/mm2) [ Ksi ]

950-1010Enfriar alaire o en

aceite

204 1310 ( 134 ) [ 190 ] 1000 ( 102 ) [ 145 ] 12 45 390315 1241 ( 127 ) [ 180 ] 965 ( 98 ) [ 140 ] 13 45 375426* 1344 ( 137 ) [ 195 ] 1034 ( 105 ) [ 150 ] 13 50 390538* 1000 ( 102 ) [ 145 ] 793 ( 81 ) [ 115 ] 15 50 300648 758 ( 77 ) [ 110 ] 586 ( 60 ) [ 85 ] 18 55 225760 621 ( 63 ) [ 90 ] 414 ( 42 ) [ 60 ] 25 60 180

Notas: *No se recomienda el revenido dentro de la gama de 399 a 565°C, ya que éste tratamientodisminuirá las propiedades de impacto y resistencia a la corrosiónFuente: "Manual del Acero Inoxidable" Serie No 1 "Selección de los Aceros Inoxidables". Tabla 13.Publicación de NIDI (Nickel Development Institute



Anexo 4.

COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL ACERO 416 MARTENSITICO

designación UNSNo.

ASTMespecificación

Composición de Wt %

C Mn P S Si Cr Ni Mo N

416 S41600 A 473 0.15MAX

1.25MAX

0.06 0.15MIN

1.00 12.00-14.00

. .

.0.60MAX

.

.

.

.

.

.

Anexo 5.

EQUIVALENCIAS APROXIMADAS DE ACEROS INOXIDABLES MARTENSITICOS

SAEAISI

ANTIGUAI.H.A.

SIDENOR GSB ACERO BÖHLER THYSSENAUBERT

YDUVAL

SCHMIDT &CLEMENSROVALMA

410 F 311 410 INOX – 0 N 100REMANIT

4006 IRRUBIGO 4006

420 F 312 420 INOX – 1 N 540 REMANIT4021

IRRUBIGO 4021

420 420 INOX – 4021 N 320 IRRUBIGO 4021

420 420 INOX – 1.30INOX – 1.40

IRRUBIGO 4021

416 416INOX – 1.46

INOX – 1 MOVAREMANIT

4005 IRRUBIGO 4005

431 F 313 431INOX – 0 FM

INOX – 3 EXTRA N 350REMANIT

4057 R.P.X. IRRUBIGO 4057

440A REMANIT4109

440BREMANIT

4112

440CREMANIT

4125 XDBD



Anexo 6.

DISTINTOS TIPOS DE ACEROS INOXIDABLES

AISI UNS %C %Mn %Si %Cr %Ni %P %S Otros

ACEROS INOXIDABLES FERRÍTICOS

405 S40500 0,08 1 1 13 -- 0,04 0,03 0,2 Al

430 S43000 0,12 1 1 17 -- 0,04 0,03 --

434 S43000 0,12 1,25 1 17 -- 0,04 0,03 1,0 Mn

446 S44600 0,2 1,5 1 25 -- 0,04 0,03 0,25 N

18SR 0,004 0,3 1 18 -- -- -- 2,0 Al,0,4 Ti

Al29-4

2

S44800 0,01 0,3 0,2 29 2,2 0,025 0,02 3,8 Mo

ACEROS INOXIDABLES AUSTENÍTICOS

303 S30300 0,15 2 1 18 9 0,2 >0,15 0,06Mo

304 S30400 0,08 2 1 19 9,2 0,045 0,03 --

316 S31600 0,08 2 1 17 12 0,045 0,03 2,0Mo

317 S31700 0,08 2 1 19 13 0,045 0,03 3,5Mo

321 S32100 0,08 2 1 19 14 0,045 0,03 Ti=5xC min

347 S34700 0,08 2 1 18 11 0,045 0,03 Cb+Ta=10xCmin

20Mo6

0,03 1 0,8 24 35 0,03 0,03 5,7Mo,3Cu

254Smo

S31254 0,03 1 0,8 20 18 0,03 0,01 6,2Mo9,7Cu0,2N

ACEROS INOXIDABLES MARTENSÍTICOS

403 S40300 0,15 1 0,5 12,2 0,04 0,03

410 S41000 0,15 1 1 12,2 0,04 0,03

416 S41600 0,15 1,25 1 13 -- 0,04 0,03 0,6Mo

431 S43100 0,2 1 1 16 1,9 0,04 0,03 -

440A S44002 0,67 1 1 17 -- 0,04 0,03 0,75Mo



Anexo 7.

DUREZAS DE ALGUNOS MATERIALES ABRASIVOS.MINERAL KNOOP VICKERS

Talco 20Carbón 35Yeso 40 36Calcita 130 140Flourita 175 190Apatita 335 540Vidrio 455 500Feldespato 550 600-750Magnetita 575Ortosa 620Pedernal 820 950Cuarzo 840 900-1280Topacio 1330 1430Granate 1360Esmeril 1400Corindón 2020 1800Carburo de silicio 2585 2600

DUREZAS DE SEGUNDAS FASES.MATERIAL O FASE KNOOP VICKERS

Ferrita 235 700-200Perlita sin alear 250-320Perlita aleada 300-460Austenita, 12 % Mn 305 170-230Austenita, baja aleación 250-350Austenita, alto Cont. Cr. 300-600Martensita 500-800Cementita 1025 840-1100Carburo de Cr;(Fe,Cr)7C3 1735 1200-1600Carburo de Mo; Mo2C 1800 1500Carburo de W; WC 1800 2400Carburo de V; VC 2660 2800Carburo de Ti; TiC. 2470 3200Carburo de B; B4C 2800 3700



Anexo 8.

ASTM G 65Método de prueba estándar para medir la resistencia a la abrasión Uso de la arena seca/ ruedas de goma.Este método de ensayo se refiere a los procedimientos de laboratorio para determinar laresistencia de los materiales metálicos a rayar la abrasión por medio de la arena seca / ruedasde goma de prueba. Es la intención de este método de ensayo para producir datos quereproducible rango de materiales en su resistencia a la abrasión arañazos en virtud de unconjunto específico de condiciones.Los resultados de las pruebas de resistencia a la abrasión se reportan como pérdida devolumen en milímetros cúbicos para el procedimiento de ensayo especificado. Materiales demayor resistencia a la abrasión tendrá una menor pérdida de volumen.Este método de prueba abarca cuatro procedimientos recomendados que son apropiados paradeterminados grados de desgaste resistencia o espesores de los materiales de ensayo.Procedimiento A-1 Esta es una prueba relativamente grave que tendrá la misma categoría quelos materiales metálicos en una gran pérdida de volumen de baja escala a la extremaresistencia a la abrasión. Es particularmente útil en el ranking de los materiales a medio yextrema resistencia a la abrasión.Procedimiento B 2-A corto plazo, la variación de Procedimiento A. Puede ser usado para muyabrasivo resistente materiales, pero es particularmente útil en el ranking de mediano y bajoabrasivo materiales resistentes.Procedimiento B debe utilizarse cuando el volumen de pérdida de valores por unprocedimiento superior a 100 mm3.Procedimiento C-3 a corto plazo una variación de Procedimiento para el uso en delgadascapas.Procedimiento D- Esta es una carga más ligera variación de Procedimiento A, que esparticularmente útil en el ranking de materiales de baja resistencia a la abrasión. También seutiliza en la clasificación de materiales de un tipo genérico o específico de materiales queserían muy estrechos en el volumen de las tasas de pérdida desarrollado por procedimiento A.Procedimiento E-A corto plazo, la variación de Procedimiento B que es útil en la clasificaciónde los materiales con media o baja resistencia a la abrasión. (Ref. ASTM)

Muestra la geometría: 1 "x 3" x 0,12 a 0,5 "Abrasivos: materiales de caucho por ejemplo, apeticiónVelocidad de alimentación: 300... 600 gr / min.La fuerza de contacto: 20 ... 130 ... 250 NVelocidad de rotación: 1000 ... 6000 U min -1Distancia equivalente: 718 ... 4309 m, secadoy otrosLlantas: (St37, CK45, GG25, X155)



GLOSARIO.

Aleación. Material metálico que se obtiene mediante combinaciones químicas dedistintos elementos (como el acero que se hace con hierro y carbono), lasaleaciones tienen mejores propiedades que los metales puros.Cavitación. Este es un tipo de destrucción de la masa metal dentro de un liquido, esdecir, por la formación de cavidades provocadas por gotas de liquido, llenas de gas,vapor o una mezcla de estas (burbujas en cavitación).Corrosión intergranular. Corrosión en los límites de grano debida a que lasegregación.Falla por fatiga. Falla de un material debida a la carga y descarga repetida.Ferromagneico. Material que desarrolla una magnetización espontanea como el Fe,Co, Ni.Vacancia. Átomo o ion que falta en un sitio cristalográfico normal.Diagrama de fases binario. Diagrama de fases para un sistema de doscomponentes.Austenita retenida. La que no se transforma en martensita durante el templado.Grietas de temple. Grietas que se forman en la superficie de un acero durante eltemplado, debido a los esfuerzos residuales de tensión producidos por el cambio devolumen que acompaña el cambio de austenita en martensita.Templabilidad. La facilidad con la que un acero puede ser templado para formarmartensita, acero con alta templabilidad forma martensita incluso en un enfriamientolento.Resiliencia. Capacidad de ciertos materiales de recobrar su forma original despuésde ser sometidos a algún proceso de presión deformadora.Acero hipoeutectoide. Son los aceros que según el diagrama hierro carbono tienenun contenido en carbono inferior al correspondiente a la composición eutectoide(0,89 % de C). El acero hipoeutectoide está formado por una mezcla de ferrita másperlita.Acero hiperutectoide. Son aquellos aceros que en su composición y de acuerdocon el diagrama hierro carbono tienen un porcentaje de carbono entre el 0,89% y el1.76%. Su constituyente principal es la cementita (Carburo de hierro (Fe3C)). Es unmaterial duro y de difícil mecanización.

El producto microestructural de la aleación hierro-carbono de composición eutectoidees la perlita. La perlita y la cementita proeutectoide constituyen losmicroconstituyentes de los aceros hipereutectoides con un contenido en carbonosuperior al de la composición del eutectoide que es de 0,89% hasta el límite del1.76% donde el producto de la aleación hierro-carbono pasa a denominarse fundición

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