analisis superficial de muestras laminadas de acero

analisis superficial de muestras laminadas de acero

ANALISIS SUPERFICIAL DE MUESTRAS LAMINADAS DE ACERO
N. GARZA MONTES DE OCA1, M. P. GUERRERO MATA1, R. COLÁS1, M. H. STAIA2, C.
LIZCANO3 Y R. VIRAMONTES3
1
Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Universidad Autónoma de Nuevo León, A.P.
149 F, 66451 San Nicolás de los Garza, N.L., México.
2
3
CENMACOR, Facultad de Ingeniería, Universidad Central de Venezuela, Caracas,
Venezuela.
División Tecnología, Hylsa, S.A. de C.V., Munich 101, 66450 San Nicolás de los Garza,
N.L., México.
RESUMEN
El cambio en la rugosidad superficial de muestras de aceros de bajo carbono laminados en
caliente y en frío se analizó por medio de dos técnicas diferentes: microscopía de fuerza
atómica e interferometría óptica. Los valores de rugosidad se relacionaron con las fuerzas y
velocidades de laminación en frío para evaluar su dependencia. Se encontró que ambos
métodos de medición presentan la misma tendencia, aunque con diferente magnitud, lo que
se atribuye tanto al área de inspección, como a la resolución y precisión de cada equipo. Se
concluye que las mediciones obtenidas por ambas técnicas no son excluyentes, sino que
cada método proporciona información adecuada y complementaria para este tipo de
estudios.
Palabras clave: Rugosidad, superficie, acero, laminación.
SURFACE ANALYSIS OF ROLLED STEEL SAMPLES
ABSTRACT
Changes in the average surface roughness of hot and cold rolled low carbon steel strips
were analyzed by two different techniques: atomic force microscopy and optical
interferometry. The values of roughness were related with rolling speed and force to
evaluate their relationship. It was found that both methods show the same trend, but with a
different magnitude, a feature that is attributed to both the area being measured and the
resolution and precision of the different techniques. It is concluded that either method yields
useful advantages in this type of study.
Keywords: Roughness, surface, steel, rolling.
Recibido: Septiembre 2004
Recibido en forma final revisado: Abril de 2005
INTRODUCCIÓN
El proceso de laminación en frío permite obtener productos de acero con la mejor
combinación de propiedades mecánicas, calidad dimensional y acabado superficial, siendo
éste último uno de los parámetros más importantes, dado que una cinta admisible por sus
propiedades o calidad dimensional, puede ser degradada a una segunda categoría al no
cumplir las demandas de calidad superficial. Una serie de aspectos intervienen en la
calificación del acabado superficial de la cinta laminada en frío, entre ellos, la rugosidad es
considerada como crítica en partes expuestas a la vista. Se considera que la rugosidad
depende de las condiciones de deformación, sobre todo si la cinta entra en contacto con las
herramientas de trabajo (cilindros o rodillos), lo que no es deseable. Una de las funciones
de las crestas y valles, con las que se caracteriza a la rugosidad, es la de atrapar y
mantener dentro de la mordida a los lubricantes usados en el proceso de laminación y, de
esa forma, afectar las condiciones de fricción (Roberts, 1978; Gjønnes, 1996; R. Ahmed y
Sutcliffe, 2000).
La rugosidad de diversos materiales puede ser analizada por medio de técnicas basadas en
el contacto entre un palpador y la superficie, o por medio de técnicas que emplean diversos
efectos ópticos, como son los patrones de interferometría (Pei y Williams, 1980; Schey,
1983; Hutchings, 1992; Poon y Bhushan, 1995; Gjønnes, 1996; Ahmed y Sutcliffe, 2000;
Ginsburg y Ballas, 2000). Los dispositivos que permiten determinar la rugosidad con mayor
resolución están basados en el efecto túnel, ocasionado por la diferencia de potencial que se
genera cuando dos cuerpos se encuentran a distancias del orden de pocos nanómetros
(Binnig y coautores, 1982; Binnig y coautores, 1986; Exner, 1996, Poon y Bhushan, 1995;
Plouraboué y Boehm, 1999; Ma y coautores, 2002).
El análisis de superficie realizado en muestras de láminas procesadas por laminación en frío
indican que la rugosidad del material cambia conforme el material se procesa (Gjønnes,
1996; Plouraboué y Boehm, 1999; Ahmed y Sutcliffe, 2000; Ma y coautores, 2002). Sin
embargo, los resultados que se reportan parecen ser contradictorios pues, en algunos
casos, se reporta el incremento en rugosidad (Ma y coautores, 2002), en tanto que en otros
casos se reporta la reducción de este parámetro (Gjønnes, 1996; Ahmed y Sutcliffe, 2000).
El objetivo de este trabajo es la cuantificación de la rugosidad en muestras de diversos
aceros de bajo carbono sometidos al proceso de laminación en frío en equipos reversibles.
Las muestras que se estudiaron incluyen tanto al material proveniente del proceso en
caliente, como al producto de varias reducciones en espesor.
PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
El análisis de las superficies se llevó a cabo en trozos de láminas tomadas directamente del
proceso de laminación en frío en estaciones reversibles del tipo cuatro y agrupado, dado que
este tipo de instalaciones permite la acumulación de las diversas reducciones o pasos tanto
al inicio como al final de la bobina producida. La información relativa al proceso de
laminación (velocidades, reducciones, cargas, etc.) fue recopilada en forma automática para
su posterior análisis. Se incluyó en el estudio la toma de muestras del material proveniente
de laminación en caliente, llamado banda, para poder establecer el punto de partida del
proceso. En las Tablas I y II se presentan, respectivamente, la composición química de los
aceros seleccionados y la información relativa a su procesamiento en frío.
Tabla I. Composición química (% en peso) de los aceros estudiados.
Acero
A
B
C
D
E
C
0.063
0.052
0.063
0.052
0.066
Mn
0.162
0.250
0.171
0.556
0.821
P
0.006
0.009
0.011
0.010
0.007
S
0.004
0.008
0.001
0.007
0.006
Si
0.022
0.014
0.015
0.606
0.002
Nb
0.03
Tabla II. Parámetros del procesamiento en frío de los aceros estudiados.
Acero
A
B
C
D
E
Ancho
(m)
1.008
0.995
0.959
1.099
0.927
Banda
(mm)
2.03
2.29
2.03
2.54
4.83
Calibre
(mm)
0.58
0.34
0.24
0.85
1.56
Ra
(µm)
1.55
1.35
1.51
1.63
1.64
Número
de pasos
4
7
7
4
11
Tipo de
estación
Cuatro
Cuatro
Cuatro
Agrupado
Agrupado
Las muestras para el análisis de superficie se lavaron en agua con un detergente de uso
común y se colocaron en un baño de ultrasonido con acetona por un periodo de cuatro
minutos para remover por completo los aceites y lubricantes de laminación. En el presente
estudio se emplearon dos técnicas diferentes: la microscopía de fuerza atómica (MFA) y la
interferometría óptica (IO). La MFA es una derivación del principio de tunelamiento y fue
específicamente desarrollada para analizar la superficie de materiales no conductores
eléctricos (Binnig y coautores, 1982, Binnig y coautores, 1986, Exner, 1996)
La MFA se uso en el modo de contacto, en el cual una aguja de tungsteno (palpador) se
coloca en el extremo de una viga altamente flexible colocada en cantiliver y la aguja oscila a
una cierta frecuencia (1 Hz) para mantener una fuerza constante sobre la superficie (12
nN). De esta forma, la variación en altura se registra por medio de un haz láser enfocado a
la punta de la aguja. El área de barrido estudiada fue de 100 µm2 (10·10 µm).
El estudio por IO se basa en el principio de interferencia que existe cuando un haz de luz se
hace incidir sobre las superficies de la muestra a estudiar y sobre la de un patrón de
referencia, lo que genera un patrón de franjas que se detecta por medio de un arreglo de
fotodiodos enlazados a un microprocesador (Hutchings, 1992). Este tipo de medición es de
no contacto y el área de inspección fue de alrededor de 1.5 mm2 (1,073·1,431 µm) con una
la tasa de barrido de 100 µm/seg.
La rugosidad se puede expresar de diferentes maneras (Schey, 1983; Hutchings, 1992), por
lo que en este trabajo se tomó como medida la desviación media aritmética de las alturas
de la superficie a lo largo de una línea de perfil:
donde las alturas están dadas como y(x), Ra es la medida de la rugosidad promedia y L es
distancia a lo largo de la cual se realiza la medición.
El análisis de rugosidad se complementó con el estudio de las muestras recopiladas por
medio de microscopía óptica y de la ejecución de ensayos de microdureza Vickers aplicando
una carga de 500 g por 15 segundos.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
En la Fig. 1 se presentan las imágenes obtenidas por medio de MFA de una serie de
muestras del acero identificado como B en las Tablas I y II y que representan la evolución
desde la condición de laminación en caliente, Fig. 1a, hasta el paso final, Fig. 1d. Estas
imágenes ponen en evidencia la alta definición de la técnica, aunque ésta se obtenga a
costa de limitar el área de observación. En la Fig. 2 se muestran las imágenes de IO de los
especímenes de la figura previa y, es de hacer notar la mayor área de observación, aunque
con menor definición. Las reducciones acumuladas en el material de las Figs. 1 y 2 es de 0,
28, 69 y 82% para la banda, primer, cuarto y sexto pases; las reducciones individuales
impartidas en los pases primero, cuarto y sexto fueron de 28, 23 y 22%.
En las Figs. 3 a 6 se grafican, respectivamente, los datos de rugosidad (Ra) en función del
espesor de la muestra, la dureza del material, la reducción acumulada en cada una de las
muestras y la velocidad de laminación. En las Figs. 3 y 4 se señalan los datos
correspondientes al material proveniente de laminación en caliente dentro de elipses
identificadas por Bd, en tanto que los correspondientes a las Figs. 5 y 6 se grafican a una
velocidad igual a cero. Es interesante observar como los valores de Ra calculados a partir de
las mediciones por AFM son un orden de magnitud inferior a los arrojados por IO, Fig. 7.
La información presentada en los cuatro gráficos anteriores indica una misma tendencia, la
reducción de Ra de acuerdo a la reducción que se acumula en el material, reduciendo su
espesor. Conviene mencionar la práctica industrial de incrementar la velocidad de
laminación a medida que disminuye el espesor de la cinta para no afectar la productividad.
Por otro lado, la acumulación de la deformación implica el endurecimiento del material
(Roberts, 1978; Ginsburg y Ballas, 2000). La tendencia a reducir la rugosidad del material a
medida que el espesor del material decrece (Fig. 3) o la deformación se acumula (Fig. 5)
coincide con resultados reportados con anterioridad por otros autores (Gjønnes, 1996;
Ahmed y Sutcliffe, 2000) quienes atribuyen este fenómeno al aplastamiento de las crestas
durante un régimen de lubricación hidrodinámico, condiciones que se presentan en el caso
de las muestras de este estudio, ya que no se detecta una dependencia entre la rugosidad
del acero y la de los rodillos de trabajo usados en el proceso, ni fue posible apreciar
manchas térmicas sobre la superficie de la lámina (Roberts, 1978; Ginsburg y Ballas, 2000).
Más aún, el trabajo en que se reporta el incremento de la rugosidad durante el laminado se
llevó a cabo en un equipo experimental de laminación (Ma y coautores, 2002), en el que,
probablemente, no es posible asegurar condiciones de lubricación hidrodinámicas durante la
reducción en frío.
Los datos presentados en la Fig. 7 podrían indicar que las técnicas de análisis (AFM e IO)
miden diferentes parámetros. Sin embargo, los valores de rugosidad reportados por ambos
métodos reflejan la variación en altura de crestas y valles a lo largo de una línea de perfil.
En la Fig. 8 se presentan como ejemplo dos líneas registradas en una misma muestra,
correspondiente al primer pase del acero A, a lo largo de la dirección de laminación. Se
puede apreciar que ambas líneas exhiben una geometría autosimilar (Plouraboué y Boehm,
1999), por lo que la diferencia en rugosidad puede ser atribuida a la región en que la
medición se lleva a cabo. De esta forma, es muy factible que las mediciones por AFM se
hayan hecho sobre las crestas y valles que se aprecian en la Fig. 2 y, consecuentemente, el
valor de Ra es menor.
Se puede considerar que las mediciones de rugosidad por medio de IO reflejan las
condiciones mecánicas del paso de laminación, en tanto que las de AFM son el resultado de
las características intrínsecas del material y, en consecuencia, la información que es posible
extraer de ambas técnicas no es excluyente, sino complementaria.
CONCLUSIONES
El análisis de las superficies de muestras de acero de bajo carbono laminadas en caliente y
en frío permite suponer que la reducción en rugosidad del material durante el proceso en
frío se debe a las condiciones de lubricación hidrodinámica presentes en el sistema.
No se encontró una dependencia entre la rugosidad del material deformado en frío y el tipo
de acero, su dureza, o la rugosidad original de los rodillos de trabajo Sólo se aprecia una
ligera dependencia con respecto a la reducción acumulada en el material.
Se puede suponer que las mediciones obtenidas por medio de IO reflejan las condiciones
mecánicas del contacto, en tanto que las de MFA son el resultado de las características
físicas de la superficie, por lo que es posible concluir que ambas técnicas no son excluyentes
sino complementarias.
AGRADECIMIENTOS
Los autores agradecen al Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el
Desarrollo (CYTED) a través de la RED VIIIK-RIACER, por el apoyo otorgado para la
realización del presente trabajo. NFGMO agradece el apoyo otorgado por el Consejo
Nacional de Ciencia y Tecnología, CONACYT, México, para la realización de sus estudios de
postgrado.
REFERENCIAS
1. AHMED, R. Y M.P.F. SUTCLIFFE. Wear, 244, 60 (2000).
[ Links ]
2. BINNIG, G., H. ROHRER, C. GERBER. Y E. WEIBEL. Phys. Rev. Lett., 49, 546
(1982).
[ Links ]
3. BINNIG, G., C.F. QUATE, C. GERBER. Phys. Rev. Lett., 56, 930 (1986).
[ Links ]
4. EXNER, H.E., Physical Metallurgy, 4a Ed., R.W. Cahn y P. Haasen (eds.), Elsevier,
Amsterdam, 1996, 943.
[ Links ]
5. GINZBURG, V. Y R. BALLAS, Flat Rolling Fundamentals, Marcel Decker, New York,
2000.
[ Links ]
6. GJØNNES, L., Metall. Mater. Trans. A, 27A, 2338 (1996).
[ Links ]
7. HUTCHINGS, I.M., Tribology, Friction and Wear of Engineering Materials, ButterwothHeinemann, Londres, 1992.
[ Links ]
8. MA, B., A.K. TIEU, C. LU. Y Z. JIANG. J. Mat. Proc. Techn., 125-126, 657
(2002).
[ Links ]
9. PEI,T. Y W.R.D, WILLIAMS. Int. Conf. Steel Rolling: Science Techn. Flat Rolled Products,
vol. 2, ISIJ, Tokio, 1980, 85.
[ Links ]
10. PLOURABOUÉ F. Y M. BOEHM. Tribology Int., 32, 45 (1999).
11. POON, C.Y. Y B. BHUSHAN. Wear, 190, 76 (1995).
[ Links ]
[ Links ]
12. ROBERTS, W.L., Cold Rolling of Steel, M. Dekker, New York, 1978.
[ Links ]
13. SCHEY, J.A., Tribology Metalworking: Friction Lubrication and Wear, ASM Int., Materials
Park, 1983.
[ Links ]