UNIVERSIDAD NACIONAL DE TRUJILLO
FACULTAD DE INGENIERIA
ESCUELA DE INGENIERIA METALÚRGICA
“Influencia de la temperatura y el tiempo de carburización
en la dureza, resistencia al impacto y desgaste, en el Acero
AISI 3215 para piñones”
AUTOR(ES):
JARA VALDEZ, Segundo Sergio
PURIZAGA HARO, Jimy Ismael
ASESOR:
Mg. Martín Taboada Neira
TRUJILLO - PERU
2007
PROYECTO DE INVESTIGACION
I. GENERALIDADES:
1. TITULO
“Influencia de la temperatura y el tiempo de carburización en la
dureza, resistencia al impacto y desgaste, en el Acero AISI 3215 para
piñones”
2. PERSONAL INVESTIGADOR
JARA VALDEZ, Segundo Sergio
PURIZAGA HARO, Jimy Ismael
3. TIPO DE INVESTIGACION
3.1.Por su naturaleza: Aplicada
3.2.Por su forma: Experimental
4. REGIMEN DE INVESTIGACION
Orientada
5. LOCALIDAD E INSTITUCION DONDE SE DESARROLLARA EL
PROYECTO
Localidad de Trujillo – Departamento de la Libertad
Universidad Nacional de Trujillo
Departamento de Ingeniería Minas, Metalúrgica y Materiales.
Escuela de Ingeniería Metalúrgica
Laboratorio de Metalurgia Física y Materiales.
6. DURACION DEL PROYECTO Y HORAS SEMANALES DEDICADAS:
6 meses x 8 horas semanales
7. CRONOGRAMA Y EJECUCION DEL PROYECTO
ETAPAS
FECHA
DE
INICIO
FECHA
DE
TERMINO
DEDICACION
SEMANAL(hr)
Actividades
preliminares 04-07-06 18-07-06 08
Recolección de
datos 19-07-06 19-09-06 08
Análisis de
datos 20-09-06 20-11-06 08
elaboración de
informe 21-11-06 4-01-07 08
8. RECURSOS DISPONIBLES
8.1. Personal:
02 Investigadores
01 Asesor
01 Técnico en Maquinarias y Herramientas
01 Laboratorista
8.2. Bienes:
Materiales
Acero AISI 3215
Reactivo de metalografía.
Resina.
Lijas.
Solución de cobalto.
Algodón.
Solución de peróxido de hidrógeno.
Alcohol.
Nital.
Moldes plásticos.
Sales.
Equipos
Horno eléctrico tipo mufla.
Tanque de aceite.
Durómetro HPQ 250.
Microscopio Metalográfico NEOPHOT 21.
Balanza analítica DENVER.
Equipo de desbaste y pulido.
Esmeril de desbaste.
8.3. Servicios:
Servicio por concepto de maquinado.
Servicio por concepto de impresión.
Pasajes, viáticos y correo.
Internet de la UNT.
Biblioteca de la UNT.
Hemeroteca de la UNT.
8.4. Locales:
Locales
Pabellón de Ingeniería Metalúrgica.
Biblioteca de Ingeniería de la UNT
Laboratorios
Laboratorio de Metalurgia Física y Materiales de la Escuela de
Ingeniería Metalúrgica.
Laboratorio de Maquinas Herramientas de la Escuela de Ingeniería
Mecánica.
9. PRESUPUESTO
Presupuesto Analítico de Recursos Disponibles
CODIGO
NOMBRE DEL
RECURSO CANTIDAD
COSTO
($)
5.3.11.30 Horno eléctrico tipo
mufla 01 5500.00
5.3.11.30 Durómetro HPQ 21
01 5500.00
5.3.11.30 Microscopio
metalográfico
NEOPHOT 21
01 8400.00
5.3.11.30 Maquina universal
AMSLER 01 7500.00
5.3.11.30 Equipo de corte y
mecanizado 01 6600.00
5.3.11.30 Equipo de
encapsulado, desbaste
y pulido
01 600.00
5.3.11.51 Computadora Pentium
IV 01 1000.00
5.3.11.51 Impresora Epson LX-
810 01 200.00
Sub Total 35300.00
Presupuesto Analítico de Recursos no Disponibles
CODIGO
NOMBRE DEL
RECURSO CANTIDAD
COSTO
(S/.)
5.3.11.30 Acero AISI H11 Global 910.00
5.3.11.30 Resina Global 105.00
5.3.11.30 Solución de Cobalto Global 35.00
5.3.11.30 Solución de peróxido de
hidrógeno Global 35.00
5.3.11.30 Lijas, Disco de corte Global 245.00
5.3.11.30 Alcohol y algodón Global 105.00
5.3.11.30 Aceite Global 350.00
5.3.11.30 Resistencia eléctrica Global 490.00
5.3.11.30 Libros, copias Global 175.00
5.3.11.30 Corte y maquinado Global 700.00
5.3.11.39 Impresión y fotocopiado Global 70.00
5.3.11.36 Fotocopias Global 175.00
5.3.11.36 Servicio de computo Global 350.00
5.3.11.20 Movilidad Global 175.00
Sub Total 3920.00
10.FINANCIAMIENTO
Autofinanciamiento de los recursos no disponibles
II. PLAN DE INVESTIGACIÓN:
1. Antecedentes y Justificación del Problema
1.1. Realidad Problemática
En el país el sector automotriz, metal – mecánico, especialmente
el automotriz en esta década se ha incrementado considerablemente por el
reemplazo de piezas como cigüeñales, engranajes, árbol de transmisión,
pines, émbolos, etc.; esto se hace constante debido a las fallas las cuales
generan fugas de divisas ya que estas piezas son generalmente
importadas.
En este caso se tratarán sobre el desgates y fractura de piñones
en la caja de cambios de un motor. Los factores que influyen en este
problema son: la humedad, temperatura, fabricación, falta de
mantenimiento, tipo de acero del engrane.
Los piñones se encuentran expuestos a fricción, a esfuerzos
produciendo calentamiento, también expuestos al impacto produciendo
grietas, otro punto sería el mantenimiento al no engrasar y ajustar
adecuadamente, otra causa sería por el conductor y los problemas de
tránsito que traen como consecuencia el cambio de velocidad; todos estos
factores en suma generan el desgate y fractura de los piñones.
Este problema central trae como consecuencia directas los
accidentes de tránsito, importación de piñones, cambio constante de
piñones (2 veces al año) y piezas de la caja de cambios del motor, la
producción a gran escala de piñones sin previo conocimiento técnico; estas
consecuencias directas generan como efecto final: riesgos a la vida y
afecten a la economía del individuo.
Una posible solución, sería el empleo de aceros que resistan
mejor la fatiga y desgaste, es decir, que tengan mejores propiedades
mecánicas. Otra posible solución, sería aplicar el proceso de carburización
para mejorar la resistencia al desgaste aumentando la dureza y la
tenacidad.
1.2. Antecedentes
El desgaste se puede definir como el deterioro no intencional
resultante del empleo o del ambiente; puede considerarse esencialmente
como un fenómeno de superficie. El desgaste es una de las influencias más
destructivas a que están expuestos los metales, y la importancia de la
resistencia al desgaste no necesita ampliarse. (Avner, 1988, p.563).
Avner (1988) al referirse a los factores que influyen en el desgaste
dice: “La lubricación es un factor de contribución importante para la
resistencia al desgaste, sobre todo en desgaste adhesivo” (p.565).
El impacto es un factor en el desgaste, ya que la carga aplicada
repentinamente puede producir flujo plástico y un cambio en forma. Un
diseño adecuado debe proporcionar una resistencia a la cadencia
compresiva en la superficie, superior al esfuerzo compresivo producido por
las cargas aplicadas con impacto y suficiente soporte, de manera que no
ocurra flujo subsuperficial. (Avner, S. Op.cit. p. 566).
La falla por fatiga se incluye en un estudio de desgaste, ya que es
una deterioración gradual debida al uso. Un diseño adecuado para eliminar
las concentraciones de esfuerzos en muescas y ángulos agudos
incrementará la resistencia a la fatiga. Como las fallas por fatiga se deben
siempre a esfuerzos tensiles, un esfuerzo residual compresivo en la
superficie proporcionará protección adicional. Esto puede llevarse a cabo
por endurecimiento superficial como carburización y por picamiento con un
chorro de perdigones. (Avner, S. Op.cit. p.566).
En 1983, Lajtin se refiere acerca de los aceros a mejorar (para
construcción de maquinaria) diciendo:
Los aceros a mejorar deben tener un alto límite de fluencia,
pequeña sensibilidad a las concentraciones de tensiones, y en las
piezas que trabajan en condiciones de múltiple aplicación de las
cargas, un alto límite de fatiga y suficiente margen de ductilidad.
Además, los aceros a mejorar deben tener alta capacidad de
calcinación y pequeña sensibilidad a la fragilidad de revenido. Los
aceros al carbono mejorados de las marcas 35, 40, 45 se
emplean para las piezas que tienen secciones relativamente
pequeñas o que trabajan en condiciones de cargas pequeñas, en
particular, para ejes, bielas, casquillos, discos de fricción,
embragues, tuercas y otras. (p.312).
En 1970, Tweelde (citado por Rodríguez y Ponce, 2002), se refirió
sobre el ensayo de impacto diciendo: “La resistencia al impacto en entalla o
resilencia es la capacidad del acero para resistir a la carga por choque en
presencia de una irregularidad superficial, como una entalla o muesca que
produce condiciones de tensión multiaxial. La situación generalmente se
examina en condiciones de tensión por tracción que existen en la parte de
tracción de una vida de flexión” (p.41).
1.3. Marco Teórico
1.3.1. Acero
Son aleaciones de hierro y carbono en diferentes
proporciones y pueden llegar a alcanzar 2.11% en peso de carbono
sino contienen además otros elementos de aleación que aminoren
este contenido máximo de carbono.
Los aceros contienen cantidades apreciables de carbono,
silicio y manganeso, que son los tres elementos fundamentales en
los aceros ordinarios; además siempre contienen también pequeños
porcentajes de impurezas como fósforo, azufre, oxígeno, etc. (Pero -
Sanz, 2004 p.20).
1.3.2. Aceros Aleados
Se define como acero aleado a aquel cuyas propiedades
características se deben a algún elemento diferente del carbono.
Aunque todos los aceros al carbono contienen moderadas
cantidades de manganeso (hasta del 0.90%) y silicio (hasta del
0.30%) no se consideran aleados, porque la función principal del
manganeso y del silicio es actuar como desoxidadores. Ellos se
combinan con el oxígeno y con el azufre, para reducir el efecto
nocivo de dichos elementos.
Los elementos de aleación se añaden a los aceros para
muchos propósitos, entre los cuales los más importantes son:
1. Aumentar la templabilidad
2. Mejorar la resistencia a temperaturas comunes
3. Mejorar las propiedades mecánicas tanto a altas como a
bajas temperaturas
4. Mejorar la tenacidad a cualquier dureza o resistencia
mínima
5. Aumentar la resistencia al desgaste
6. Aumentar la resistencia a la corrosión, y
7. Mejorar las propiedades magnéticas. (Avner, 1988,
p.348).
1.3.3. Aceros al Cromo – Níquel (serie 3XXX)
En estos aceros, la razón de níquel a cromo es de
aproximadamente 2 ½ partes de níquel por una parte de cromo. Una
combinación de los elementos de aleación generalmente presenta
algunas de las propiedades características de cada uno. El efecto del
níquel de aumentar la tenacidad y la ductilidad se combina con el
efecto del cromo de mejorar la templabilidad y la resistencia al
desgaste. Es importante recordar que el efecto combinado de dos o
más elementos de aleación sobre la profundidad y distribución de la
dureza suele ser mayor que la suma de los efectos de los mismos
elementos de aleación utilizados por separado.
Los aceros aleados al cromo – níquel de bajo contenido de
carbono se carburizan.
El cromo proporciona la resistencia al desgaste de la
superficie endurecida, mientras que ambos elementos de aleación
mejoran la tenacidad de la porción interna. Con 1.5% de níquel y
0.60% de cromo (serie 31XX) se utilizan para formar engranes
helicoidales, pernos para pistón, etc. Para aplicaciones de trabajo
pesado, como engranes para avión, flechas y levas, el contenido de
cromo 1.5% (serie 33XX). Los aceros al cromo – níquel de contenido
medio de carbono se utilizan en la manufactura de bielas
automotrices y flechas de transmisión. (Avner, 1988, p.357).
1.3.4. Tratamiento Térmico del Acero
Se comprende por tratamiento térmico al cambio de
estructura y, por lo tanto, el cambio de las propiedades de la
aleación, que se consigue mediante el calentamiento hasta una
determinada temperatura, exponiendo la aleación a esta temperatura
durante cierto tiempo y el enfriamiento ulterior a una velocidad
determinada.
Existen varios tipos de tratamiento térmico:
b. Recocido
c. Normalizado
d. Templado
e. Revenido
f. Bainitizado,
que en forma distinta cambian la estructura y las propiedades del
acero y que se recomiendan en dependencia de las exigencias
planteadas a los semiproductos (piezas fundidas, forjadas,
laminadas, etc.) y a los artículos preparados.
El tratamiento térmico del acero es una operación muy
importante en el ciclo tecnológico de preparación de muchas piezas.
Solamente con ayuda del tratamiento térmico se pueden
obtener altas propiedades mecánicas del acero que garantizan un
trabajo normal de los elementos moderados de las máquinas y
herramientas. (Lajtin, 1983, p.233).
1.3.5. Tratamiento Químico – Térmico del Acero
Se denomina tratamiento químico térmico a la saturación
superficial del acero con tal o cual elemento (por ejemplo con
carbono, nitrógeno, aluminio, cromo y otros) por difusión desde el
medio ambiente efectuada a alta temperatura.
El tratamiento químico térmico consta de tres procesos
elementales:
1° Procesos que transcurren en el medio ambiente y que
conducen a la separación del elemento difundidor en estado
elemental; a estos procesos pertenecen, por ejemplo, la disociación
del amoníaco con la separación de nitrógeno elemental por la
reacción 2NH3 2N + 3H2 y del monóxido carbónico con la
separación de carbono elemental por la reacción: 2CO CO2 + C y
otros;
2° Contacto de los átomos del elemento difundidor con la
superficie de la pieza de acero y la formación de enlaces químicos
con los átomos del metal básico (adsorción);
3° Difusión, es decir, penetración del elemento saturador
en las profundidades del metal. La velocidad de difusión al penetrar
los átomos difundidores en la red cristalina del hierro no es igual y
depende del tipo de solución formada. (Lajtin, 1983, p.277).
Hay cinco métodos de tratamiento químico – térmico o
tratamiento térmico superficial:
1. Carburización,
2. Nitruración,
3. Cianuración o Carbonitruración,
4. Endurecimiento por flama, y
5. Endurecimiento por inducción.
Los tres primeros métodos cambian la composición
química: la carburización por la adición de carbono, la nitruración por
la adición de nitrógeno y la cianuración por la adición de carbono y
de nitrógeno. Los dos últimos no cambian la composición química del
acero y son esencialmente métodos de endurecimiento poco
profundo.
En los métodos de endurecimiento por flama y por
inducción, el acero debe ser capaza de endurecerse; por tanto, el
contenido de carbono debe ser como del 0.30% o mayor. (Avner,
1988, p.317).
1.3.6. Difusión
Fenómeno que consiste en la migración de átomos de un
sitio de la red cristalina a otra.
También puede ser definida como el movimiento de átomos
en un material. Los átomos se mueven de manera ordenada,
tendiendo a eliminar las diferencias de concentrar y producir una
composición homogénea en el material.
La difusión interviene en el tratamiento térmico de metales
en la manufactura de cerámicos, en la solidificación de materiales, en
la fabricación de transistores y celdas solares, y aún en la
conductividad eléctrica de muchos materiales cerámicos. (Askeland,
1985, p.77).
Existen dos tipos de difusión: La de vacancias o
sustitucional e intersticial.
1. Difusión Sustitucional o de Vacancias: Migración de
átomos en la red cristalina desde una posición a otra si hay presente
suficiente energía de activación, proporcionada esta por la vibración
térmica de los átomos. (Smith, 2004, p.98).
Las vacantes en los metales son defectos en equilibrio y
están presentes para facilitar la difusión sustitucional de átomos.
Para que se de la difusión sustitucional se debe cumplir
las reglas de Hume – Rothery (Shackelford, 1995, p.130).
a. La diferencia de porcentaje entre átomos de soluto y
solvente no debe exceder el 15%.
b. Tener la misma estructura cristalina.
c. Similar electronegatividad.
d. La misma valencia.
2. Difusión Intersticial: Migración de átomos intersticiales
en una red de átomos matriz. Para el mecanismo intersticial sea
operativo el tamaño de los átomos que se difunden deben ser
relativamente pequeños comparados con los átomos de la matriz.
Los átomos pequeños considerados para la difusión son oxígeno,
hidrógeno, nitrógeno y carbono. (Smith, 2004, p.99).
La difusión intersticial tiene lugar cuando los átomos se
trasladan de un intersticio a otro contiguo, sin desplazar
permanentemente a ninguno de los átomos de la matriz de la red
cristalina.
1.3.7. Difusión de Carbono en el Acero
También llamado “carburización o cementación”, consiste
en el movimiento de átomos de carbono hacia la zona central del
acero. Los factores más importantes de este proceso son la
temperatura y el tiempo.
El mecanismo de difusión de carbono en el hierro es de tipo
intersticial, aquí el átomo de carbono ocupa los intersticios, estos
átomos se mueven de una posición intersticial a otra debido a saltos
producidos por las vibraciones térmicas. La solución sólida por
difusión intersticial, como la que forma el carbono disuelto en la
matriz de hierro, ocurre sólo si el átomo de soluto tiene diámetro
menor que el del solvente.
La difusión en estado estacionario (Primera Ley de Fick),
se considera debido a que el gradiente de concentración es
constante con el tiempo, esto significa que con el tiempo no existen
cambios en la concentración de átomos de soluto en estos planos.
(Smith, 2004, p.100).
La Primera Ley de Fick determina el flujo neto de átomos,
la cual se define como el número de átomos que pasa a través de un
plano de área unitaria por unidad de tiempo, esto representa la
velocidad a la cual lo átomos se difunden en un material. (Askeland,
1985, p.80)
El flujo o corriente de átomos puede representarse por la
siguiente ecuación:
donde:
J: Flujo o corriente de átomos
D: Coeficiente de difusión o difusividad
Gradiente de concentración
La ecuación primera de Fick, utiliza signo negativo porque
la difusión tiene lugar de altas a bajas concentraciones, es decir, es
un gradiente de concentración negativo. (Smith, 2004, p.100).
Las unidades en el sistema internacional para esta
ecuación son:
A continuación definiremos todas las variables de la
ecuación de Fick:
Gradiente de Concentración: Indica como varia la
composición del material con la distancia, es la diferencia de
concentración a lo largo de la distancia . (Askeland, 1985, p.81).
Coeficiente de Difusión: Medida de la velocidad de
difusión en sólidos. (Smith, 2004, p.100).
El efecto de la temperatura en el coeficiente de difusión
viene dado por la siguiente ecuación:
Esta es la ecuación de Arrhenius y aquí se muestra la
dependencia de la velocidad de difusión con la temperatura.
Donde:
D: Coeficiente de difusión (m2/s)
D0: Factor de frecuencia de los átomos que se difunden
(constante) (m2/s)
Q: Energía de activación de las especies en difusión (J/mol
ó cal/mol).
R: Constante molar de los gases (8.314 J/mol.°K ó 1.987
cal/mol.°K)
T: Temperatura (°K)
El coeficiente de difusión o difusividad depende de muchas
variables, las más importantes son las siguientes:
El tipo de mecanismo de difusión, intersticial o
sustitucional.
La temperatura indica la cantidad de carbono que se
difunde en el acero mediante el proceso de difusión.
El tipo de estructura cristalina a la red matriz.
El tipo de imperfecciones cristalinas.
La concentración de las especies que se difunden.
La difusión en estado no estacionario o transitorio
(Segunda Ley de Fick), describe a la difusión en forma dinámica o no
estable de los átomos, esto significa que el flujo y gradiente de
concentración varían con el tiempo. La difusión en estado transitorio
se expresa como: (Smith, 2004, p.101).
en la ecuación como D es independiente de la concentración esto
nos conduce a una simplificación de la ecuación anterior:
donde:
C: Concentración de la superficie que se difunde, a una distancia x
de la superficie.
t: Tiempo expresado en segundos
Una solución particular de la ecuación diferencial de la
Segunda Ley de Fick es la siguiente:
donde:
Cs: Concentración de los átomos que se difunden en la superficie del
material.
C0: Concentración uniforme inicial de los átomos en el material.
Cx: Concentración de átomos que se difunden a una profundidad x de
la superficie después de un tiempo t.
fer: Función error Gauss.
D: Coeficiente de difusión.
La solución de la Segunda Ley de Fick permite calcular la
concentración de muestras cercanas a la superficie del material
como una función del tiempo y la distancia, siempre y cuando el
coeficiente de difusión D, permanezca constante y las
concentraciones de átomos difundidos en la superficie Cs dentro del
material C0 permanezcan sin cambios. (Askeland, 1985, p.86).
También es importante mencionar que se puede predecir la
profundidad de penetración o el espesor de capa tratada (x); en
función del tiempo a la temperatura de operación, usando la siguiente
relación:
1.3.8. Cementación
Procedimiento termoquímico más antiguo de saturación de
la superficie de los aceros con carbono y se aplica para obtener
dureza y resistencia alta al desgaste de la capa superficial,
conservando al mismo tiempo el núcleo blando y tenaz. (Malishev,
1983, p.126).
El objetivo de la cementación es crear una capa superficial
rica en carbono, y de una elevada dureza, sobre la pieza de acero de
bajo carbono. Los aceros de cementación contienen normalmente
0.25% de carbono como máximo. (Valencia, 1992, p.345).
El proceso se hace calentando hasta el rango de
temperatura austenítico, manteniendo el acero en contacto con el
ambiente cementante para permitir que el carbono se difunda hasta
una profundidad satisfactoria, con enfriamiento lento y tratamiento
térmico posterior. (Valencia, 1992, p.345).
El contenido de carbono disminuye desde la superficie
hacia el centro. Se obtiene así después del temple, una dureza
superficial muy elevada, mientras que la zona central que contiene
bajo carbono inicial se endurece poco y permanece tenaz. (Valencia,
1992, p.345).
La cementación comprende dos operaciones sucesivas
distintas que son:
La carburación enriquece la capa superficial en carbono
(cementita) y a su vez este proceso se compone de dos fenómenos
simultáneos, el primero que es independiente del tipo de cementante,
es la transferencia de los átomos de carbono del cementante a la
superficie de la pieza, esta transferencia son resultados de
reacciones químicas. (Valencia, 1992, p.345 - 346).
En el proceso de carburación usando coque se dan las
siguientes reacciones, en medio sólido:
Formación de CO: El carbón a elevada temperatura, en
contacto con el oxígeno del aire que hay en el interior de la caja,
entre los espacios que deja la matriz cementante, según la siguiente
reacción: (Apraiz, 1997, p.329).
Descomposición del CO: Al contacto con la superficie de la
pieza se descompone en carbón naciente y dióxido de carbono
producto de la elevada temperatura. (Apraiz, 1997, p.329).
Descomposición de BaCO3: Los carbonatos y en especial
el carbonato bárico que son mezclados con el carbón vegetal,
aceleran la formación de carbono naciente, el carbonato de bario
también es conocido como activador debido a que aporta CO2.
(Apraiz, 1997, p.329 - 330).
El segundo fenómeno es la migración de átomos de
carbono de la superficie al interior del material, proceso de difusión
formando austenita saturada debido a la elevada temperatura.
(Apraiz, 1997, p.329).
Los resultados de la cementación dependen de los
siguientes factores:
- Composición del acero
- Composición del medio carburante (carburizador)
- Régimen de cementación: temperatura de calentamiento
y tiempo de permanencia.
- Carácter del tratamiento térmico después de la
cementación. (Malishev, 1983, p.126).
La capa cementada es la zona que después de la
cementación queda con un contenido de carbono superior a la del
acero y recibe el nombre de capa dura la zona superficial después
que del último tratamiento queda con una dureza superior a 58 – 60
Rockwell – C y cuyo porcentaje de carbono es superior a 0.5 – 0.8%
de carbono. (Apraiz, 1997, p.326).
1.3.9. Desgaste
Se define como el deterioro no intencional resultante del
empleo o del ambiente; puede considerarse esencialmente como un
fenómeno de superficie.
El desgaste es una de las influencias más destructivas a
que están expuestos los metales.
El desplazamiento y la separación de las partículas
mecánicas de una superficie mecánica puede producirse por
contacto con:
a. Otro metal (desgaste adhesivo metálico)
b. Un abrasivo metálico o uno no metálico (abrasión), o
c. Líquidos o gases en movimiento (erosión). La erosión
se acompaña generalmente por alguna forma de corrosión.
El mecanismo de desgaste, el desgaste adhesivo también
llamado rayado, erosión, prendimiento y ludimiento de las superficies,
pequeñísimas salientes producen fricción por interferencia mecánica,
con movimiento relativo de las superficies en contacto que
incrementan la resistencia para movimiento ulterior.
En el desgaste abrasivo ocurre cuando partículas duras se
deslizan o ruedan bajo presión a través de una superficie, o cuando
una superficie dura se frota a través de otra. (Avner, 1988, pp.563,
564, 565).
1.3.10. Dureza
Se denomina dureza la capacidad de los metales de resistir
a la penetración en ellos de una sustancia más dura. (Malishev,
1983, p.57).
También se llama dureza las propiedades del material de
ejercer resistencia a la deformación plástica (raramente a la rotura
frágil) durante la indentación. Existe una relación determinada entre
la dureza del material y su límite de fluencia o su resistencia. (Lajtin,
1983, p.88).
Los ensayos de dureza tienen carácter estático, son fáciles
de efectuar y se realizan con rapidez, sin deteriorar la pieza que se
ensaya. En la práctica industrial tienen una gran aplicación diversos
métodos de medir la dureza. (Malishev, 1983, p.57).
Los ensayos de dureza más aplicables son:
- Ensayo de dureza en aparatos tipo Brinell (dureza
Brinell).
- Ensayo de dureza en aparatos tipo Rockwell (dureza
Rockwell).
- Ensayo de dureza en aparatos tipo Vickers (dureza
Vickers).
1.3.11. Resistencia al Impacto
Las pruebas dinámicas de flexión por impacto revelan la
tendencia del metal a la rotura frágil. Durante el ensayo al impacto la
rotura puede ser frágil o dúctil. La rotura frágil tiene lugar por
desprendimiento y no va acompañada de deformación plástica
notable; la fractura en este caso es cristalina brillante.
En el caso de la rotura dúctil la fractura es fibrosa, de color
mate gris; la rotura va precedida de una deformación plástica
considerable.
Los ensayos al impacto son los más rígidos y conducen a
la rotura frágil. En las fábricas, los ensayos al impacto generalmente
se realizan a temperaturas ambiente, considerando, que las
condiciones de ensayo no son menos rígidas que las condiciones de
explotación.
1.4. Justificación del Problema
En nuestro país el sector automotriz, metal – mecánico,
especialmente el automotriz se ha incrementado considerablemente por el
reemplazo de piezas como piñones, engranajes, cigüeñales, etc.; esto se
hace constante debido a las fallas las cuales generan fugas de divisas ya
que estas piezas son generalmente importadas. Es por eso que se
considera este problema como proyecto de investigación.
2. Problema
¿En qué medida influyen la temperatura y el tiempo de
carburización en la dureza, resistencia al impacto y desgaste, en el Acero
AISI 3215 para piñones en la caja de cambios de un motor DIESEL en la
UNT?
3. Hipótesis
Al aumentar la temperatura y el tiempo de carburización, entonces
incrementará la dureza superficial del acero y se incrementará la
resistencia al impacto y desgaste.
4. Importancia
La importancia de esta investigación es que se su solución es el
empleo de aceros que resistan mejor la fatiga y desgaste (mejores
propiedades mecánicas) y aplicar el proceso de carburización a dichos
aceros para mejorar la resistencia al desgaste aumentando la dureza y la
tenacidad. Esta solución es importante porque evita el cambio constante
de piñones en la caja de cambios de un motor, permite el ahorro
económico del individuo y pérdidas humanas.
5. Objetivos
5.1. Objetivo General
Determinar los efectos de la temperatura y el tiempo en el
proceso de carburización de un Acero AISI 3215, con la finalidad de
incrementar la resistencia al desgaste de un piñón.
5.2. Objetivos Específicos
Aumentar la vida útil de la pieza.
Determinar el mejor valor de la temperatura para obtener la
mejor dureza superficial.
6. Diseño de Contrastación
6.1. Material de estudio:
Acero AISI 3215
Es un acero especial de cementación aleado al Cromo – Níquel.
Adquiere excelente dureza superficial en el temple de cementación.
Insuperable tenacidad en el núcleo.
Mayormente se aplica en partes de maquinarias y repuestos de
grandes dimensiones, de las cuales exige muy alta dureza superficial,
tenacidad y resistencia extraordinaria en el núcleo, ideal para la
fabricación de piñones, cigüeñales, ejes de cajas.
Su composición química es:
C 0.17%
Cr 1.5%
Ni 1.6%
Si 0.30%
Mn 0.50%
Características Mecánicas:
CARACTERÍSTICAS MECÁNICAS
EN EL NÚCLEO DE LA PIEZA CEMENTADA
DUREZA ROCKEWELL EN
LA SUPERFI
CIE Rc
DIÁMETROmín.
LIMITE DE
FLUENCIA N/mm2
RESISTENCIA A LA
TRACCIÓN N/mm2
ALARGAMIENTO (L=5d) mín. %
CONTRACCIÓN % mín.
RESILIENCIA SEGÚN
DVM kg.m/cm2
(vál. de guía)
10
30
68
700
650
550
1000 – 1300
900 – 1200
800 – 1100
8
9
10
35
40
40
-
10
-
59a62
6.2. Métodos y técnicas:
6.2.1. Diseño experimental:
Variable Independiente: Temperatura y tiempo de
carburización
Variable Dependiente: Dureza, desgaste y resistencia al
impacto.
6.2.2. Procedimiento experimental
Preparar las muestras a cementar: limpiarlas con gasolina
la grasa y contaminantes; colocarlas en la caja de
cementación con su respectiva mezcla carburante (80% de
Carbón vegetal + 20% BaCO3), tapándolas y enmasillando.
Introducir las cajas al horno.
Poner en funcionamiento el horno eléctrico tipo mufla
verificando el sistema de control automático de
temperatura.
Controlar la temperatura de cementación y el tiempo
necesario de calentamiento que estarán dentro del horno.
Sacar la caja del horno, e inmediatamente proceder al
temple directo de las muestras, sumergiéndolas en agua.
A este tratamiento térmico de temple directo, en grupos de
4 serán colocadas todas las muestras.
Luego de templadas las probetas serán preparadas para
someterlas al ensayo de dureza, en la capa cementada.
Luego del templado directo se realizará un tratamiento
térmico de revenido a la temperatura de 200 ºC, durante un
tiempo de 45 minutos.
7. Referencias Bibliográficas
ACEROS BÖHLER DEL PERU S.A. (1995) “Manual de Aceros
Especiales”.
APRAIZ, J. (1997). “Tratamiento Térmico de los Aceros”. 9ª Edición.
Madrid: Editoriales LIMUSA y CIE – DOSSAT 2000.
ASKELAND, D. (1985). “La Ciencia e Ingeniería de los Materiales”.
México: Editorial Ibero – Americana.
AVNER, S. (1988). “Introducción a la Metalurgia Física”. México:
Editorial Reverte.
LAJTIN, Y. (1983). “Metalografía y Tratamiento Térmico de los
Metales”. 3a Edición. Moscú: Editorial MIR.
LIÑAN, C. y VALVERDE, E. (1999). “Influencia de la Temperatura y
Tiempo de Carburización Sólida sobre las propiedades
mecánicas de Resistencia al Impacto Tracción, Dureza
Superficial en el Acero AISI 3215”.
MALISHEV, A, et al. (1983). “Tecnología de los Metales”. 6a Edición.
Moscú: Editorial MIR.
PERO, J. y SANZ, E. (2004). “Aceros”. 1ª Edición. Madrid: Editoriales
Dossat 2000.
SHACKECLFORD, J. “Ciencia de los Materiales para Ingeniería”. 3ª
Edición. Editorial Prentice Hall.
SMITH, W. (2004). “Ciencia e Ingeniería de los Materiales”. 3a
Edición. Madrid: Mc Graw Hill.
VALENCIA, A. (1992). “Tecnología del Tratamiento Térmico de los
Metales”. Editorial Universidad de Antioquia Colombia.
BÖLHER UDDEHOLM Australia. http://www.bnan.com.avll
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