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INFLUENCIA DE UN TRATAMIENTO ISOTÉRMICO EN LA
INFLUENCIA DE UN TRATAMIENTO ISOTÉRMICO EN LA RESISTENCIA AL DESGASTE SEGÚN NORMA ASTM G-65 EN UN ACERO AISI-SAE 1045 JHON FREDY MALAVER PINTO YURANI MARLEN UBAQUE CASTILLO UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA TECNOLOGÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C 2016 INFLUENCIA DE UN TRATAMIENTO ISOTÉRMICO EN LA RESISTENCIA AL DESGASTE SEGÚN NORMA ASTM G-65 EN UN ACERO AISI-SAE 104 JHON FREDY MALAVER PINTO YURANI MARLEN UBAQUE CASTILLO Proyecto de grado para optar por el Título de Tecnólogo Mecánico Carlos Arturo Bohorquez Ingeniero Mecánico UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA TECNOLOGÍA MECÁNICA BOGOTÁ D.C 2016 Este proyecto de grado es dedicado a todas aquellas personas que nos apoyaron tanto de forma directa como indirecta, las cuales de manera conjunta cuan grupo de engranes en un motor, siempre nos impulsaron para culminar con éxito este proceso de formación. AGRADECIMIENTOS Los autores de este proyecto agradecemos, Al ingeniero Carlos Arturo Bohorquez ya que como tutor siempre estuvo presente para solucionar inquietudes y para ayudarnos en el desarrollo de la investigación. A todos los miembros de los laboratorios de mecánica de la Universidad Distrital Francisco José de Caldas por su ayuda, disposición de servicio y conocimientos que fueron indispensables en el desarrollo de este proyecto. TABLA DE CONTENIDO 1. Resumen……………………………………………………………………..…………7 2. Introducción……………………………………………………………….……………8 3. Objetivos………………………………………………………………….…………..10 3.1 Objetivo general….....…………………………………………….…….............10 3.2 Objetivos específicos……………………………………………….................10 4. Antecedentes……………………………………………………………...…………..11 5. Marco teórico……………………………………………………..............................13 5.1 Tratamientos térmicos…………………………………………………………..13 5.1.1 Temple…………………………………………………………….………14 5.1.1.1 Influencia de la composición……………………………………14 5.1.1.2 Influencia del tamaño de grano………………………………..14 5.1.1.3 Influencia del medio de enfriamiento……………………….…15 5.1.2 Revenido……………………………………………………………...…..16 5.1.2.1 Modificación de las características mecánicas…………….…16 5.1.2.2 Fragilidad del revenido (fragilidad Krupp)…………………….16 5.1.2.3 Influencia del tiempo de revenido…………………………….. 17 5.2 Acero AISI SAE 1045…………………………………………………………..17 5.3 Desgaste abrasivo………………………………………………………………18 5.4 Aceros Dual Phase…………………………………………………………..….19 5.5 Diagramas temperatura tiempo transformación………………………………20 5.5.1 Diagrama TTT para transformaciones isotérmicas.....…………..…..20 6. Metodología……..………………………………………………………………….…22 7. Explicación del esquema diagrama de flujo…………………………………….…25 8. Resultados y Discusiones……………………………………………………….…...31 9. Ensayo de desgaste astm-G65……………………………………………….……..35 10. Conclusiones…………………………………………………………………….…..37 11. Bibliografía……………………………………………………………………….......38 LISTA DE FIGURAS PAG Figura 1. Diagrama TTT en un acero con diferentes tamaños de grano…………………………………………………………………….….14 Figura 2. Tipos de desgaste abrasivo a) De dos cuerpos b) de tres cuerpos...…..18 Figura 3. Diagrama Tiempo Temperatura y Transformación……………………….19 Figura 4. Diagrama Tiempo, Temperatura y Transformación para aceros eutectoides ……………………………………………………………………………….20 Figura 5. Dimensión de las probetas según norma ASTM G-65…………………. .25 Figura 6. Diagrama tratamiento térmico……………………………………………… 25 Figura 7. Pulidora semiautomática, laboratorio de metalográfica Universidad Distrital…………………………………………………………………………………….26 Figura 8. SEM FEI Quanta 200, máquina de microscopia óptica de barrido, Universidad Nacional …………………………………………………………………...27 Figura 9. Muestra de arena deshidratada recubierta con oro………………………27 Figura 10. SEM realizado a la arena con la cual se llevó a cabo el proceso de abrasión sobre el material utilizado en el presente proyecto. ………………..…29 Figura 11. Microestructuras obtenidas del acero AISI SAE 1045 luego de temple a 740ºC y revenido para a. 4horas, b. 6 horas c. 8horas a 500XX, y d.4horas, e. 6 horas, f. 8 horas para 1000XX……………………………..30 Figura 12. SEM realizado al Acero AISI SAE 1045 templado a 740ºC y revenido para a. 4horas……………………………………………………………….31 Figura 13. Fracción volumétrica acero AISI SAE 1045 sometido a tratamiento térmico de temple desde temperaturas intercríticas y diferentes tiempos de revenido a 550C………………………………………………………………………...32 Figura 14. Análisis mediante microscopia electrónica de barrido de la arena empleada en el ensayo de desgaste abrasivo según la norma ASTM G-65……...34 LISTA DE TABLAS PAG Tabla 1. Designación nominal………………………………………………………….17 Tabla 2. Composición química nominal………………………………………………17 Tabla 3. Propiedades mecánicas……………………………………………………..17 Tabla 4. Tratamientos térmicos……………………………………………………….18 Tabla 5. Composición química acero AISI SAE 1045………………………………25 Tabla 6. Temperaturas calculadas para el Acero AISI SAE 1045………………….25 Tabla 7. Comparación de la fracción volumétrica de acuerdo a las imágenes figura 13…………………………………………………………………………………………26 Tabla 8. Comparación de los valores de dureza para los tratamientos con temple y con tiempos diferentes de revenido ………………………………………………….34 Tabla 9. Comparación de la pérdida de Masa de acuerdo a la norma ASTM-G65…………………………………………………………………….36 RESUMEN Los continuos desarrollos de la industria automotriz han impulsado la búsqueda de nuevos materiales, en consecuencia los avances en las características mecánicas y de resistencia al desgaste en los aceros empleados, buscan disminuir entre muchos aspectos el consumo de combustible sin afectar la seguridad de los pasajeros. Los aceros doble fase (DP) son reconocidos por propiedades de alto esfuerzo y buena deformación. Sus características están directamente relacionadas con las fracciones volumétricas de los microconstituyentes. Varias referencias sugieren que la alta dureza de la martensita no garantiza una buena resistencia a la abrasión, comportamiento ocasionado por la fragilidad de esta fase. El objetivo de este trabajo fue analizar la influencia de la microestructura: martensita-ferrita, martensita-ferrita-bainita en resistencia a la abrasión del acero AISI SAE 1045. Para obtener la microestructura se realizaron tratamientos a temperaturas intercríticas de 740ºC, 750ºC y 760ºC, luego procesos isotérmicos a temperaturas de 550ºC con diferentes tiempos de sostenimiento, realizando pruebas de microscopia óptica y SEM se establecieron las fracciones de ferrita y martensita; la resistencia al desgaste abrasivo del acero seleccionado fue obtenida usando la norma ASTM-G65; relacionando la resistencia al desgaste con la microestructura se encontró una pérdida volumétrica de masa mayor aproximada al 15% respecto al material sin tratamiento. PALABRAS CLAVE: Doble Fase, Martensita, Bainita, Ferrita, abrasión INTRODUCCION En su búsqueda por desempeñarse de forma óptima en una industria tan importante como lo es la automotriz, las compañías acereras están introduciendo con rapidez nuevos aceros avanzados de alta resistencia (AHSS, Advanced High Strehght Steels), para utilizarlos en las carrocerías de los autos1. Esto con el fin de abarcar y suplir requerimientos en la misma, la cual se expande de forma acelerada alrededor del mundo y se ve expuesta a los diferentes avances tecnológicos a los que se ve enfrentado el mercado en la actualidad, la disminución de costos de producción, el incremento de la oferta y la demanda, las exigencias de los usuarios y un aspecto importante como es la implementación de políticas ambientales que deben cumplir las organizaciones.2 Dentro de la familia de aceros AHSS (Advanced High Strehght Steels), se encuentran los aceros doble fase, que gracias a sus propiedades de alto esfuerzo, buena conformabilidad y bajo costo así como alto endurecimiento por deformación, lo cual implica una alta habilidad de absorción de energía, los aceros doble fase se convierten en los aceros de mayor uso en la industria automovilística. De acuerdo con este tipo de aceros y como respuesta a las necesidades y exigencias de las compañías automotrices relacionadas con la disminución de peso en la estructura del automóvil, el aumento de la resistencia en él y la reducción del consumo de combustible, sin obviar la seguridad del usuario; se pretende mediante un proceso térmico generar una transformación en la microestructura del acero, específicamente del AISI SAE 1045, al cual se le pretenden mejorar sus propiedades mecánicas mediante la generación de en su microestructura, proporcionando características apropiadas para la fabricación de automóviles con materiales sino iguales, con propiedades y características muy cercanas a las de los aceros doble fase.3 Teniendo en cuenta que actualmente los estudios acerca de materiales doble fase se han incrementado por su gran aplicabilidad en una de las industrias de mayor consumo a nivel mundial se ha decidido realizar un estudio de estos materiales para lograr una obtención de los mismos basada en un tratamiento térmico a un acero AISI SAE 1045, el cual se denomina como un acero de ingeniería de aplicación universal, debido a sus propiedades y características de resistencia mecánica y tenacidad, es empleado para piezas de tamaño pequeño que en su funcionamiento deben ser templadas. La forma más común de obtener los aceros doble fase es por laminado en frio, seguido de un recocido intercrítico y continuando con una línea de recocido continúo. El termino intercritico, se refiere se refiere al campo de dos fases de austenita y ferrita en el diagrama Fe-C. La 1 2 ASM, Methals Handbook 4, ASM, 2003 A. Akhbarizadeh, «Effects of cryogenic treatment on wear behavior of D6 tool steel,» Materials and Design, vol. 30 , p. 3259–3264, 2009 obtención del punto intercritico de un material se logra al llevar el acero a un rango de temperaturas A1 y A3; la fase de austenita se transformara en martensita luego del temple y con una velocidad de enfriamiento suficiente se llega a una estructura con una fase suave de ferrita con partículas duras incrustadas de martensita. El austemplado, es un tratamiento isotérmico que consiste en calentar el acero a una temperatura ligeramente superior a la crítica, seguido de un enfriamiento rápido en baño de sales y manteniendo un tiempo suficiente hasta que la austenita se convierta en bainita seguido de un enfriado a temperatura ambiente.[3] Actualmente existe una gran cantidad de información teórica que describe este modelo, pero muy pocas investigaciones se han enfocado a dar un modelo real que transforme un acero común en un acero con mejores propiedades a través de un tratamiento térmico. Es por esto que el presente proyecto se centra en el análisis de un tratamiento isotérmico, al realizar un templado en agua, luego de alcanzar temperaturas intercríticas; el tratamiento isotérmico busca alcanzar una fase microestructural, de tal manera que se transforme la fase inicial después de un tiempo específico y analizar los resultados basados en diferentes pruebas que mostraran el comportamiento del material en cuanto a la resistencia al desgaste y su dureza. 3 .ibid p. 3265 3. OBJETIVOS 3.1 OBJETIVO GENERAL Establecer la influencia de un tratamiento isotérmico en la resistencia al desgaste según norma ASTM G-65 en un acero AISI-SAE 1045 3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS Realizar un Diseño experimental para establecer el número de probetas las cuales representara el fenómeno estudiado. Determinar la secuencia de temperaturas y tiempos para el tratamiento térmico. Realizar las pruebas de resistencia al desgaste y análisis metalográfico a cada una de las muestras que permitirán establecer la influencia de los tratamientos en la microestructura. Analizar microestructuralmente los resultados obtenidos en el material luego de llevar a cabo el tratamiento térmico. 4. ANTECEDENTES Los aceros a lo largo del tiempo se han caracterizado por ser uno de los materiales más importantes para la industrial, especialmente en requerimientos de resistencia y dureza, estos se han implementado desde la producción de armamento, hasta la producción de partes para una industria tan importante como lo es la automotriz, la cual se expande de forma acelerada por todo el mundo y se ve expuesta a los diferentes avances a los cuales se enfrenta el mercado en la actualidad, la disminución de costos de producción, el incremento de la oferta y la demanda. Con base en lo anterior se tienen el acero SAE 1045, el cual se denomina como un acero de ingeniería de aplicación universal, debido a sus propiedades y características de resistencia mecánica y tenacidad, es empleado para piezas de tamaño pequeño que en su funcionamiento deben ser templadas; en la industria automotriz se usa principalmente en piñones, cuñas, ejes, tornillos, partes de maquinaria, entre otras. Es evidente la necesidad de conocer el comportamiento y seguir los procesos a los que son sometidos estos materiales. La importancia del desgaste abrasivo en cualquier tipo de material dependerá del tamaño de las partículas abrasivas, la forma y la dureza, la magnitud de la tensión impuesta por la partícula, y la frecuencia del contacto de las partículas abrasivas. La norma ASTM G-65 (Método de prueba estándar para medir la abrasión utilizando el aparato de la arena / rueda de goma en seco) habla de lo importante que es para un material llevar a cabo la prueba de desgaste abrasivo ya que debido a este tipo de estudio es que se predicen problemas en este. El término abrasión se comenzó a emplear en geología para indicar el desgaste o destrucción de la superficie terrestre por parte de agentes erosivos, esta explicación es directa y fácilmente aplicable a la abrasión que por medio de trabajos mecánicos es generada en los materiales, más exactamente en el acero. Debido a cargas externas en donde se retiran pequeñas partículas de material, el cual se ve afectado después de estar expuesto a ellas durante algún tiempo. En muchos proyectos realizados por estudiantes de diferentes universidades se busca determinar desde la resistencia a la fatiga del acero AISI SAE 1045 mediante tratamientos térmicos como el revenido, hasta la tenacidad en este mismo material sometiendo a las probetas no solo a tratamientos térmicos sino adicionalmente exponiéndolos a ensayos de tensión y flexión. También se encontraron proyectos en los que se busca evaluar la resistencia a la abrasión pero con procesos muy diferentes al que se lleva a cabo en el presente proyecto, las diferencias fundamentales yacen en que el proceso usual para buscar incrementar la resistencia a la abrasión en este tipo de aceros, está acompañado por un tratamiento de temple en aceite, disminuyendo la velocidad de enfriamiento en el material, aparte de esto, el proceso suele llegar solamente hasta este punto. Es importante aclarar que las temperaturas utilizadas en el presente proyecto son totalmente diferentes a las encontradas en los textos base, como por ejemplo el profesor Carlos Arturo Bohórquez* muestra en uno de sus artículos sobre tratamientos térmicos el cual se titula “influencia del tratamiento térmico desde temperaturas intercríticas en las propiedades mecánicas del acero SAE 1045” en donde el lleva a cabo una búsqueda de diferentes propiedades mecánicas en el material, por medio de un tratamiento de temple en agua4, pero el proceso solamente llega hasta ese punto -como ya se había mencionado anteriormente-. Es en este punto donde el proyecto que se expone a continuación, cobra vital importancia ya que se buscan nuevas propiedades micro estructurales en el material, después del temple. En los estudios más recientes se han obtenido incrementos en diferentes propiedades mecánicas como lo es la dureza, y además se ha estudiado la microestructura del material y lo importante que son las fases encontradas como lo son: la martensita, la perlita y la ferrita que actúan directamente en esta clase de incrementos, todo esto enfrentando el material a variados tratamientos térmicos con temperaturas intercríticas que se encuentran entre 680°C y 790°C.5 4 BOHORQUEZ, C. A. Influencia del tratamiento térmico desde temperaturas intercríticas de las propiedades mecánicas Del acero AISI SAE 1045. Asociación Argentina de mecánica computacional. Vol. XXXI, Pag. 3579 5 SHACKELFORD, James F. Introduction a la ciencia de materiales para ingenieros. Tratamiento termico, Diagramas TTT. Alfredo Güemes, Nuria Martin. Califonia. United States. 2011. p. 349. Sexta edicion. 5. MARCO TEORICO El análisis de materiales se emplea para aplicaciones de prueba y mejora de materiales, para la detección y evaluación de defectos en la industria del metal, para análisis de fallas y para la investigación básica de la resistencia de materiales. 5.1 TRATAMIENTOS TERMICOS Un tratamiento térmico es un procedimiento que se lleva a cabo con el propósito de mejorar o alcanzar propiedades y características en los materiales a partir del alcance de la microestructura deseada. Cada procedimiento consiste en calentar y mantener la pieza o herramientas a temperaturas adecuadas, durante un cierto tiempo y enfriarlas luego en condiciones convenientes, por tanto, en un tratamiento térmico es importante la relación entre la temperatura, el tiempo y la velocidad de enfriamiento. De esta forma se modifica la microestructura de los aceros por medio de transformaciones de fase de estado sólido 6. Dependiendo del tipo de tratamiento, las piezas pueden o no variar su composición química. El tiempo y la temperatura son los factores más importantes y que hay que fijarlos siempre de antemano, de acuerdo con la composición del acero, la forma y las propiedades que se desean obtener. 5.1.1 TEMPLE Cuando se calienta una pieza de acero a una temperatura más elevada que la temperatura critica superior y luego se enfría rápidamente, la velocidad de enfriamiento de cada uno de sus puntos es la que regula el fenómeno del temple. Los factores que intervienen en el temple del acero se clasifican en dos grupos; en el primero se encuentran los componentes de un material a nivel de constitución y tamaño de grano, así como también la composición química del material; y el segundo, aquellos factores que determinan la velocidad de enfriamiento en diferentes puntos de la pieza, siendo los más importantes: la forma y las dimensiones así como su estado superficial, la conductividad térmica del acero y el medio de enfriamiento. 7 5.1.1.1 Influencia de la composición 6 CALLISTER, William D. Materials, Science and Engineering. Influence of high temperature deformation and double tempering on the microstructure of a H21 tool steel. Wiley John. New York. United States. 2011. p. 93, 94. 7 J. Apraiz, Tratamientos térmicos de los aceros, Madrid , 1949, p. 151 Conociendo el diagrama TTT de un acero, se puede determinar su velocidad crítica de temple, ya que es precisamente la correspondiente a la línea de enfriamiento Tangente a la primera curva que sobresale en el diagrama cuando dicha curva presenta más de un bucle, la velocidad critica de temple queda determinada por la curva de enfriamiento más rápido. Para conseguir un temple perfecto y una estructura totalmente martensitica, la velocidad de enfriamiento del acero deberá ser superior a la tangente citada. Como se explicara más abajo, las curvas del diagrama pueden variar, dependiendo de la composición química del material, lo que hará desplazar los tiempos de enfriamiento hacia la derecha. 8 5.1.1.2 Influencia del tamaño de grano. Así como la composición del material, el tamaño de grano modifica la curva del diagrama TTT, y de aquí, las velocidades criticas de temple de los aceros de grano grueso son menores que las velocidades de los aceros de grano fino. Figura 1. Diagrama TTT en un acero con diferentes tamaños de grano En la figura 1 se muestra la comparación de un mismo acero para tamaños de grano diferentes donde los especímenes se calentaron a temperaturas variando entre 842 y 1083 ºC y las curvas muestran que a temperaturas más altas el tamaño de grano se vuelve más grueso, mientras que a temperaturas más bajas el tamaño de grano tiende a ser más fino. 9 8 Ibid, P. 151-152 9 Ibid, p.152-154 5.1.1.2 Influencia del medio de enfriamiento. Dentro del temple encontramos distintos medios de enfriamiento, que varían desde Enfriar el material en agua salada con un alto porcentaje de agitación, que da como resultado altas velocidades de disminución de temperatura, y dejando enfriar en el horno que da como resultado un tratamiento térmico adicional, llamado recocido donde la velocidad de enfriamiento es muy baja. Cuando se tienen enfriamientos en aceites, al aire o en sales, se consiguen velocidades de enfriamiento intermedias donde se elige en cada caso de acuerdo a la aplicación y al acabado que se requiera para cada material.10 5.1.2 REVENIDO Después del temple un acero queda demasiado duro y a su vez demasiado frágil y esto repercute en el medio donde será aplicado. Estos inconvenientes se corrigen por medio de un revenido, que consiste en calentar el acero a una temperatura inferior a la crítica y enfriándolo de nuevo generalmente a temperatura ambiente o en agua o aceite según la composición del material. El objetivo del revenido no radica en eliminar los efectos del temple, sino modificarlos de tal manera que disminuya la dureza y a su vez aumente la tenacidad, eliminando las tensiones internas que tienen los aceros templados.11 5.1.2. Modificación de las características mecánicas. Teniendo en cuenta que después de templado un acero está constituido por cristales de martensita, en ese estado es muy resistente pero tiene muy poca ductilidad y tenacidad. Si el acero templado se calienta de nuevo a temperaturas comprendidas entre una temperatura ambiente y aproximadamente 700ºC y luego se enfría al aire, la resistencia a la tracción disminuye progresivamente a medida que se eleva la temperatura del revenido, a su vez aumenta la ductilidad y la tenacidad. La resistencia al choque o resiliencia es generalmente muy baja cuando se hace a temperaturas inferiores a 450, aumenta cuando el revenido se efectúa a temperaturas más elevadas.12 10 Ibid, p. 156-160 11 Ibid, p. 223 12 Ibid, p. 224-226 5.1.2.2 Fragilidad del revenido (fragilidad Krupp) El fenómeno conocido como fragilidad que se presenta en el revenido de los aceros se le conoce como fragilidad Krupp, y se presenta cuando luego del temple el acero permanece durante bastante tiempo en una zona de temperaturas comprendidas entre 450ºC y 550ºC, este fenómeno que es conocido como una anormalidad no va acompañado de cambios de dureza, volumen o de propiedades magnéticas, ni se observan tampoco modificaciones en la estructura por lo que la única forma de conocerse es con un ensayo por choque. Cuando el revenido se hace a temperaturas superiores a temperaturas entre 450550ºC y la permanencia a estas temperaturas es bastante prolongada, la fragilidad se presenta siempre en los aceros sensibles a este fenómeno, independientemente de la velocidad de enfriamiento. La adición de molibdeno en porcentajes de 0.15 a 0.5% es el remedio más eficaz para evitar la fragilidad. 13 5.1.2.3 Influencia del tiempo en el revenido Cuando un acero permanece en una temperatura de revenido, tiene una alta influencia sobre la dureza que se obtiene después de este tratamiento. Generalmente el revenido se realiza de media hora a tres horas. Durante los primeros minutos del revenido, el ablandamiento es acelerado y se prolonga a una velocidad más lenta a medida que transcurre el tiempo. 5.2 ACERO AISI SAE 1045 Es un acero de medio carbono con forjabilidad en caliente y buena maquinabilidad, presenta una buena soldabilidad aunque es mejor evitar fracturas alrededor de la zona soldada, tomando precauciones. Responde fácilmente a tratamientos térmicos de temple y revenido, como acabado de laminado en caliente puede presentar defectos de laminación entre los cuales pueden estar: grietas, translapes y oxidación. En cuanto a su aplicación o aplicaciones es mucha la versatilidad que maneja, ya que está destinado a la elaboración de partes de transmisión y aplicación de partes mecánicas como pernos, impulsores, rotulas, tornillos entre otros. Además con grandes aplicaciones en la manufactura de partes de maquinaria automotriz. 13 Ibid, p. 239-241 Tabla 1. Designación nominal Tabla 2. Composición química nominal Tabla 3. Propiedades mecánicas Tabla 4. Tratamientos térmicos Las anteriores tablas hacen un resumen de los elementos y su porcentaje en la composición al acero 1045 como también de algunas de sus propiedades mecánicas y sus tratamientos térmicos más comunes.14 5.3 DESGASTE ABRASIVO: De acuerdo a la norma ASTM G40-92, el desgaste abrasivo se define como la pérdida de masa resultante de la interacción entre partículas o asperezas que son forzadas contra una superficie y se mueven a lo largo de ella. Existen dos tipos de desgaste abrasivo: desgaste abrasivo de dos cuerpos o a tres cuerpos. El desgaste abrasivo a dos cuerpos es el causado por rugosidades duras que pertenecen a una de las superficies en contactos, mientras que la abrasión a tres cuerpos, el desgaste es provocado por partículas duras sueltas entre las 14 H. Ford, «Tubos y barras huecas,» Industria San Nicolas, 2009. [En línea]. Available: http://www.tubosybarrashuecas.com/aceros-al-carbon-aisi-1045 . [Último acceso: 23 8 2015]. superficies que se encuentran en movimiento relativo como se muestra en la figura 2.15 a. b. Figura 2. Tipos de desgaste abrasivo a) de dos cuerpos b) de tres cuerpos 5.4 ACEROS DOBLE FASE Los aceros doble fase se diferencian a los demás tipos de aceros por un gran equilibrio entre resistencia y capacidad de deformación. Este equilibrio es obtenido gracias a la microestructura, que consiste en una fase dura (martensita o bainita) dispersa en una matriz ferrítica dúctil. La capacidad de consolidación inducida por la deformación de estos aceros es considerable. Esta propiedad les aporta no sólo buenas características para la distribución de las deformaciones que favorece en su funcionamiento ideal, sino también unas características en piezas muy superiores a las del metal sin conformar. Este es el caso del límite elástico, entre otras propiedades. Después del tratamiento de cocción de la pintura de las piezas (también llamado proceso Bake Hardening BH)16, el límite elástico de las calidades doble fase aumenta aún más. Estos aceros laminados en frío son especialmente adecuados para la fabricación de piezas estructurales y de seguridad para el automóvil, como llantas, refuerzos y elementos de fijación entre muchos otros. Esto debido a su gran capacidad de absorción de la energía y a su buena resistencia a la fatiga. 15 u. t. d. pereira. [En línea]. Available: http://www.utp.edu.co/~dhmesa/pdfs/desgaste.pdf. [Último acceso: 16 Enero 2016]. 16 Compañía Serviaceros Especiales. Ficha técnica SAE 1045. 5.5 DIAGRAMAS TEMPERATURA TIEMPO Y TRANSFORMACION (TTT) Figura 3. Diagrama Tiempo Temperatura y Transformación [1]. Este diagrama fue llamado Diagrama TTT (temperatura-tiempo-transformación), aunque comúnmente se le conoce como Curvas TTT. Se puede obtener un diagrama diferente por cada composición de la aleación. El diagrama TTT representa el proceso de transformación del acero a lo largo del tiempo de transformación y en función de la temperatura.17 Es de acuerdo a este diagrama que se pueden obtener diferentes tipos de fase luego de exponer al material a un tratamiento térmico utilizando temperaturas interpreticas, se debe tener en cuenta que las transformaciones generadas y estudiadas con este diagrama, se dan mediante enfriamientos y calentamientos muy lentos. 5.5.1 DIAGRAMAS TTT PARA TRASFORMACIONES ISOTERMICAS El diagrama TTT más simple es el del acero eutectoide ya que no tiene constituyentes proeutectoides dentro de la microestructura, al contrario de estos, 17 Ibid. los aceros hipoeutectoides, agregan una línea adicional que muestra el inicio de la transformación con formación de ferrita proeutectoide. 18 De la misma manera la línea adicional indica el inicio de la precipitación de la cementita proeutectoide. La figura 3 muestra el diagrama TTT para un acero al carbono con 0.4% por debajo de 550ºC la curva de inicio de formación de ferrita se confunde con el inicio de transformación bainitica, y a estas temperaturas no se produce ferrita proeutectoide, sino solamente bainita. Como la ferrita, la perlita y la bainita superior nuclean en los bordes de grano de la austenita, el número de núcleos de estos constituyentes que se forman por segundo en una muestra, es proporcional al tamaño de grano. Asi, en un acero de grano fino, la transformación tomara menos tiempo que en un acero de grano grueso. De esta manera un tamaño de grano más fino desplaza las curvas del diagrama TTT hacia la izquierda, es decir transformaciones de tiempo menor. Figura 4. Diagrama Tiempo, Temperatura y Transformación para aceros eutectoides. 18 J. Apraiz, Tratamientos térmicos de los aceros, Madrid , 1949, p. 140 6 METODOLOGÍA 7. EXPLICACION DEL ESQUEMA DIAGRAMA DE FLUJO 1. Se adquiere el material con proveedores autorizados y con un registro de control de composición del producto y los porcentajes que permitan hallar las temperaturas necesarias y se asegure la confianza de la compra del acero AISI/SAE1045. 2. Espectrometría: mediante la evaporización de una muestra y el análisis de chispa que forma los átomos que se desprenden en el proceso son excitados y emiten haz de luz. Este haz de luz es recibido por un detector óptico fotosensible trasforma la luz en señales electrónicas y reconoce las cargas y por ende la composición. C Si Cu Mn Ni Cr P S V 0.457 0.229 0.026 0.782 0.021 0.048 0.004 0.002 0.002 Tabla 5. Composición química acero AISI SAE 1045 3. Se obtienen las temperaturas intercríticas de acuerdo con los valores encontrados en la composición química de acuerdo con la espectrometría, esto se logra solucionando las siguientes ecuaciones: 𝐴𝐶1 (°𝐶) = 723 − 7,08𝑀𝑛 + 37,7𝑆𝑖 + 18,1𝐶𝑟 + 44,5𝑀𝑜 + 9,95𝑁𝑖 + 50,1𝑉 +21,7𝐴𝑙 + 3,18𝑊 + 297𝑆 − 830𝑁 − 11,5𝐶𝑆𝑖 −14,0𝑀𝑛𝑆𝑖 − 3,10𝑆𝑖𝐶𝑟 − 57,9𝐶𝑀𝑜 −15,5𝑀𝑛𝑀𝑜 − 5,28𝐶𝑁𝑖 − 6,0𝑀𝑛𝑁𝑖 + 6,77𝑆𝐼𝑁𝑖 − 0,80𝐶𝑟𝑁𝑖 − 27,4𝐶𝑉 + 30,8𝑀𝑜𝑉 −0,84𝐶𝑟2 − 3,46𝑀𝑜2 − 0,46𝑁𝑖2 − 28𝑉 (1) 𝐴3 (°𝐶) = 912 − 203√[%𝐶]+ 15,2[%𝑁𝑖] + 44,7[%𝑆𝑖] +104[%𝑉] +31,5[%𝑀𝑜] + 13,1[%𝑊] − 30[%𝑀𝑛] − 11[%𝐶𝑟] −20[%𝐶𝑢]+ 700[%𝑃] + 400[%𝐴𝑙]+ 120[%𝐴𝑠] + 400[%𝑇𝑖] (2) Las temperaturas calculadas en las ecuaciones (1) y (2), se prestan en la Tabla 6. 𝑨𝟑 𝑨𝟏 787°C 717°C Tabla 6. Temperaturas calculadas para el Acero AISI SAE 1045 4. La preparación de las probetas se hizo de acuerdo a la norma ASTM G-65, la cual dice que las dimensiones de las probetas deben ser de 76.2mm x 25.4mm x 12.5mm como se muestra en la figura 1. Figura 5. Dimensión de las probetas según norma ASTM G-65 5. Calculando estas temperaturas se escogieron tres intermedias y se calentaron diferentes probetas a 740ºC, 750ºC y 760ºC, estabilizando una hora y templando en agua, a su vez para cada una de estas temperaturas se calentó el material nuevamente a 550ºC y se realizó un tratamiento isotérmico comprendido en tiempos de cuatro, seis, y ocho horas, enfriando a temperatura ambiente como se muestra en la figura 5. Figura 6. Diagrama tratamiento térmico 6. Con la muestra de la probeta se realiza la metalografía, primero se lija y se brilla la probeta primero con cinco diferentes tipos de lijas y después con un equipo para brillar probetas METKON FORCIPOL 2v la maquina se muestra en la figura 5, se realiza el ataque químico con la composición, seguido se revisa en el microscopio inversor la estructura del mismo que exista martensita, la cual es producida por el temple y obtenga las dos fases (martensita y ferrita). Figura 7. Pulidora semiautomática, laboratorio de metalográfica Universidad Distrital. 7. Después de llevar a cabo la preparación de la muestra, se evalúa la microestructura del material mediante un durómetro, eso con el fin de conocer si los tratamientos térmicos generaron un cambio significativo para lo buscado en el proyecto. 8. Para poder realizar un estudio más detallado del material utilizado, luego de haberlo expuesto a las temperaturas mencionadas anteriormente, dentro de la mufla, el paso a seguir fue hacer una prueba de microscopia electrónica de barrido SEM sobre algunas de las probetas escogidas, por su forma y facilidad, y la diferencia tanto de temperaturas como de tiempos a las cuales se expusieron estas. La prueba fue realizada en un equipo FEI Quanta 200, con la cual se tomaron fotos con una magnificación máxima de 24000 aumentos y con una distancia del detector a la pieza de aprox. 11.4 mm. Figura 8. SEM FEI Quanta 200, máquina de microscopia óptica de barrido, Universidad Nacional Además de tomarle las fotos al material, también se tomaron fotos a este mismo aumento a la arena con la cual se trabajó en el proceso de abrasión, para tomar estas fotos la arena fue recubierta con oro y puesta sobre fibra de carbono, lo que facilito la toma de las mismas. Figura 9. Muestra de arena deshidratada recubierta con oro. 9. Se lleva a cabo la prueba de abrasión, para esta se siguieron los pasos establecidos por la norma ASTM G-65 en la cual se dan los parámetros para un acero de carbono medio y se establece el procedimiento B, el cual nos da a conocer las revoluciones del disco, el tiempo, y carga adecuadas para este material. Cada probeta fue pesada con un tiempo menor a diez minutos antes y después de la prueba, lo cual nos da la seguridad necesaria para calcular la perdida de volumen. El proceso de desgaste abrasivo consiste en retirar una pequeña cantidad de masa en la probeta para comprobar y comparar la resistencia al desgaste en el acero al cual se le expuso al tratamiento térmico y de la misma forma al acero sin tratamiento. Es de vital importancia aclarar que el modelo experimental se llevó a cabo con un número de probetas 𝟑𝟑 y con ello se promediaron los resultados obtenidos. El procedimiento consiste en ajustar las probetas dentro de la máquina de abrasión en la mordaza que le permite a la misma tener contacto directo con el disco, el cual gira a 169 rev/min de acuerdo con la norma ASTM G65 y de forma constante este va rozando y eliminando material. Es importante especificar que el ensayo se realizó con un baño decidido de arena sobre el material, lo cual genera un desgaste con mayor calidad. ANGULO DEL GRANO Figura 10. SEM realizado a la arena con la cual se llevó a cabo el proceso de abrasión sobre el material utilizado en el presente proyecto. El ángulo promediado es de 60°C ya que se hizo una medición del ángulo de cada esquina del grano y se concluyó este valor luego de sumar los tres ángulos obtenidos y dividirlos en el número de esquinas. 8. RESULTADOS Y DISCUCIONES En la figura 7 se observan algunas de las imágenes tomadas microscópicamente del acero AISI SAE 1045, en donde se denotan las prolongaciones de martensita a lo largo del grano luego de llevar al material a las temperaturas intercríticas por 1 hora y posteriormente sosteniéndolas en una temperatura constante de 550°C durante 4,6 y 8 horas. El material que fue expuesto isotérmicamente en un mayor tiempo de tratamiento obtiene características importantes en su fase microestructural, ya que aunque se mantiene la martensita, se empieza a ganar en mayor cantidad perlita hasta el punto de empezar a dividirse en pequeños granos, esto provocado por el aumento de tiempo en el proceso. Todas las imágenes fueron tomadas a 500 y 1000 aumentos para tener mayor claridad al momento de analizarlas. a. b. d. e. c. f. Figura 11. Microestructuras obtenidas del acero AISI SAE 1045 luego de temple a 740ºC y revenido para a. 4horas, b. 6 horas c. 8horas a 500XX, y d.4horas, e. 6 horas, f. 8 horas para 1000XX. a. d. b. e. c. f. Figura 12. SEM realizado al Acero AISI SAE 1045 templado a 740ºC y revenido para a. 4horas, b. 6 horas c. 8 horas todas a una magnificación de 24000 acercamientos. Las imágenes d. 4 horas e. 6 horas f. 8 horas a continuación mostradas son del acero expuesto a un proceso de temple de 760°C y también están a una magnificación de 24000 acercamientos. El anterior es un análisis más detallado del material en su parte microestructural, con base en él se precisaron de forma más definida, algunas de las fases que se obtuvieron en este (perlita, martensita revenida). Para determinar la cantidad de cada fase encontrada en el material, se realizó una prueba de fracción volumétrica, en la cual se comprobó que para temperaturas intercríticas menores, la transformación de martensita en perlita se da en menor grado. a. d. g. b. c. e. f. h. i. Figura 13. Fracción volumétrica acero AISI SAE 1045 sometido a tratamiento térmico de temple desde temperaturas intercríticas y diferentes tiempos de revenido a 550C. Temple 740 8h revenido Temple 740 6h revenido Temple 740 4h revenido Temple 750 8h revenido Temple 750 6h revenido Temple 750 4h revenido Temple 760 8h revenido Temple 760 6h revenido Temple 760 4h revenido 0,000 20,000 40,000 60,000 80,000 100,000 120,000 Temple 760 Temple 760 Temple 760 Temple 750 Temple 750 Temple 750 Temple 740 Temple 740 Temple 740 4h 6h 8h 4h 6h 8h 4h 6h 8h revenido revenido revenido revenido revenido revenido revenido revenido revenido martensita 64,192 37,401 23,537 38,364 43,592 54,796 44,738 51,930 50,509 ferrita 35,808 62,599 76,463 61,636 martensita 56,408 45,204 55,262 48,070 49,491 ferrita Tabla 7. Comparación de la fracción volumétrica de acuerdo a las imágenes figura 13 450 DUREZA EN VICKERS 400 350 300 250 200 150 100 50 0 TEMPLE 740 TEMPLE 750 TEMPLE 760 TEMPLE 360 386 357 REVENIDO 4h 174 176 180 REVENIDO 6h 173 188 156 REVENIDO 8h 169 184 169 Tabla 8: Comparación de los valores de dureza para los tratamientos con temple y con tiempos diferentes de revenido En la figura mostrada anteriormente es evidente la variación de dureza entre el acero luego de haber pasado por el temple y el acero con el revenido, esto puede ser provocado por la gran cantidad de martensita que se conforma en la microestructura del material luego de calentar la probeta y enfriarla en agua a altas velocidades. La martensita a su vez genera y contribuye en la dureza del material, por ello los resultados obtenidos en la tabla anterior. Es importante analizar que la dureza del material que fue expuesto al proceso completo de temple y revenido no varía de forma significativa en cuanto a las temperaturas intercríticas utilizadas en el tratamiento, pero sin embargo luego de obtener un promedio en cuanto a los tiempos utilizados en el proceso, se evidencio que las probetas con menor tiempo de temple, en este caso las que estuvieron 4 horas dentro de la mufla presentaron un aumento aprox. Del 5% de dureza a diferencia de las probetas que fueron expuestas a 6 y 8 horas respectivamente. Está a simple vista no es una variación que tenga mayor importancia, pero puedo tener influencia al momento de hacer el estudio de la resistencia al desgaste, la cual si puede presentar un intervalo de cambio mayor. 9. ENSAYO DE DESGASTE ASTM-G65 El ensayo de desgaste abrasivo es un paso importante en el presente proyecto, ya que con este se llevó a cabo el análisis de la resistencia al desgaste que tiene el acero AISI SAE 1045 después de exponerlo al tratamiento térmico, haciendo una comparación con el mismo sin tratar y tabulando los resultados posteriormente. Se empleó arena de sílice 40 60 según la recomendación de la norma ASTM G65. La muestra según la fig. (10), presenta en general una morfología redondeada y un tamaño de partícula similar. perdida de masa en mm^3 Figura 14. Análisis mediante microscopia electrónica de barrido de la arena empleada en el ensayo de desgaste abrasivo según la norma ASTM G-65. 160 140 120 100 80 60 40 20 0 TEMPLE 740 TEMPLE 750 TEMPLE 760 SIN TRATAMIENTO 114,143583 114,637865 115,819568 REVENIDO 4h 129,720457 125,857687 121,639136 REVENIDO 6h 127,547649 125,387548 119,669632 REVENIDO 8h 137,789072 116,429479 131,20711 Tabla 9. Comparación de la pérdida de Masa de acuerdo a la norma ASTM-G65. Se observa como el material templado a 740 °C y revenido a 8 horas es el que presenta la mayor cantidad de pérdida de masa, de acuerdo con el tratamiento térmico se define que la pérdida de masa en comparación con el material sin tratamiento es 11.2% mayor, lo cual sugiere que la resistencia al desgaste en el material con tratamiento térmico disminuye luego del revenido, esto es directamente proporcional a la dureza que presenta el material, la cual es mayor luego del temple pero disminuye también después del revenido. El material expuesto a las tres temperaturas 740°C, 750°C y 760°C revenido entre 4 y 6 horas presento un rango de pérdida de masa en promedio del 6.4% en comparación al material sin tratamiento, eso evidentemente no es un cambio significativo, pero sin embargo es un dato a tener en cuenta para procesos de estudio posteriores en materiales que le aporten a la industria. 10. CONCLUSIONES Al realizar pruebas con diferentes temperaturas de temple, 740 °C, 750°C y 760°C, cada una de ellas a diferentes tiempos (4, 6 y 8 horas) y luego un tratamiento isotérmico durante 60 min a 550°C se obtuvo una variación de dureza, la cual se ve directamente asociada con los tiempos usados en el temple, sin intervenir demasiado las temperaturas usadas, las probetas con 4 horas de temple, tuvieron un aumento significativo en la dureza sobre el material calentado durante 8 horas. Después de llevar a cabo todo el tratamiento térmico sobre el acero ya mencionado y luego de comparar este con el acero sin tratar, se encontró que el acero con el tratamiento presenta una mayor resistencia al desgaste, esto es directamente proporcional al aumento exponencial de martensita revenida en la estructura, la cual es una fase microestructural muy dura. De acuerdo con las imágenes obtenidas después de hacer la prueba de Microscopia Óptica de Barrido SEM, se puede analizar con mayor exactitud la microestructura del material en donde de forma clara se observan tanto el aumento de perlita en las probetas con mayor tiempo en el tratamiento isotérmico como las prolongaciones de martensita a lo largo del grano luego de llevar al material a las temperaturas utilizadas para el temple durante 1 hora y posteriormente sosteniéndolas en una temperatura constante de 550°C durante 4,6 y 8 horas 11. BIBLIOGRAFIA [1] J. F. SHACKELFORD, Introducción a la ciencia de materiales para ingenieros. Tratamiento térmico, California : sexta, 2011. [2] ASM, Methals Handbook 4, ASM, 2003. [3] A. Akhbarizadeh, «Effects of cryogenic treatment on wear behavior of D6 tool steel,» Materials and Design, vol. 30 , p. 3259–3264, 2009. [4] C. 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