MEJORAMIENTO DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE DE UN HIERRO
BLANCO DE ALTO CROMO MEDIANTE UN TRATAMIENTO TÉRMICO
OMAR FERNANDO BRAGA GÓMEZ
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ, ENERO DE 2007
2
MEJORAMIENTO DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE DE UN HIERRO
BLANCO DE ALTO CROMO MEDIANTE UN TRATAMIENTO TÉRMICO
OMAR FERNANDO BRAGA GÓMEZ
Proyecto de grado para optar al título de Ingeniero Mecánico
WILSON HORMAZA, Dr. Ing.
Profesor Asesor
LUIS MIGUEL MÉNDEZ, Ms. Ing.
Co-Asesor
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA
BOGOTÁ, ENERO DE 2007
3
DEDICATORIA
A mis padres que con su dedicación y apoyo contribuyeron a darle feliz término a
mi carrera profesional.
4
AGRADECIMIENTOS
El autor expresa sus más sinceros agradecimientos a las personas que con sus
aportes contribuyeron a la realización exitosa de este trabajo de grado.
• Wilson Hormaza, Ph.D, Profesor asistente, Departamento de Ingeniería
Mecánica, Universidad de los Andes.
• Luis miguel Méndez, Ms Ing., Profesor Asistente, Departamento de Ingeniería
Mecánica y Mecatrónica, Universidad Nacional.
• Iván Morales, Ing. Mecánico, universidad de los Andes.
• Mauricio Sierra, Ing. Mecánico, Profesor y estudiante de Maestría, Unidad de
Materiales y Procesos, Laboratorio de Fundición, Universidad de Nacional.
5
TABLA DE CONTENIDO 1. INTRODUCCION ............................................................................................................. 10
2. OBJETIVOS..................................................................................................................... 12
2.1 OBJETIVO GENERAL.................................................................................................. 12
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS......................................................................................... 12
3. MARCO TEÓRICO........................................................................................................... 13
3.1 HIERRO BLANCO DE ALTO CROMO........................................................................... 13
3.2 MICROESTRUCTURAS............................................................................................... 15
3.2.1 Morfologías de la matriz.......................................................................................... 15 3.2.1.1 Morfología austenítica......................................................................................... 15 3.2.1.2 Morfología ferrítica............................................................................................. 17 3.2.1.3 Morfología martensítica....................................................................................... 18 3.2 Morfología de los carburos........................................................................................ 19
3.3 TRATAMIENTOS TERMICOS....................................................................................... 21
3.4 CURVA DE TRANSFORMACIÓN-TIEMPO-TEMPERATURA (TTT)................................ 22
3.5 MEDIOS DE ENFRIAMIENTO...................................................................................... 23
3.6 RESULTADOS OBTENIDOS POR EL ESTUDIANTE IVÁN MORALES........................... 24
4. METODOLOGÍA............................................................................................................... 25
4.1 OBTENCIÓN DE LAS PROBETAS................................................................................ 25
4.2 FUNDICIÓN EN MOLDE PERMANENTE DE GRAFITO................................................. 27
4.3 FUNDICIÓN EN MOLDE DE ARENA............................................................................ 27
4.5 MICROSCOPIA ÓPTICA.............................................................................................. 28
4.6 MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO............................................................. 28
4.6 ENSAYO DE DUREZA................................................................................................. 29
4.7 ENSAYO DE DESGASTE............................................................................................. 30
4.4 DISEÑO DE LOS TRATAMIENTOS TERMICOS............................................................ 31
5. RESULTADOS OBTENIDOS............................................................................................ 32
5.1 ANÁLISIS METALOGRÁFICO...................................................................................... 32
5.1.1 Introducción........................................................................................................... 32 5.1.2 Micrografías del material antes de los tratamientos térmicos. ..................................... 33 5.1.2.1 Micrografías antes del tratamiento térmico. Probetas fundidas en molde de grafito. 34 5.1.2.2 Micrografías antes del tratamiento térmico. Probetas fundidas en molde de arena.. 34 5.1.3 Micrografías del material después de realizados los tratamientos térmicos. ............... 35 5.1.3.1 Micrografías del tratamiento térmico 1.................................................................. 35 5.1.3.2 Micrografías del tratamiento térmico 2.................................................................. 37 5.1.3.3 Micrografías del tratamiento térmico 3.................................................................. 39
6
5.1.3.5 Micrografías del tratamiento térmico 5.................................................................. 43 5.1.3.6 Micrografías del tratamiento térmico 6.................................................................. 44
5.2 RESULTADOS DEL ENSAYO DE DUREZA.................................................................. 46
5.3 RESULTADOS DEL ENSAYO DE DESGASTE.............................................................. 46
5.3.1 Resultados del ensayo de desgaste del tratamiento térmico 1.................................. 49 5.3.2 Resultados del ensayo de desgaste del tratamiento térmico 2.................................. 49 5.3.3 Resultados del ensayo de desgaste del tratamiento térmico 3.................................. 49 5.3.4 Resultados del ensayo de desgaste del tratamiento térmico 4................................... 50 5.3.5 Resultados del ensayo de desgaste del tratamiento térmico 5................................... 50 5.3.6 Resultados del ensayo de desgaste del tratamiento térmico 6.................................. 50
6. ANÁLISIS Y DISCUCIÓN DE RESULTADOS.................................................................... 51 7. CONCLUSIONES............................................................................................................. 54
8. REFERENCIA BIBLIOGRAFICA....................................................................................... 56
7
LISTA DE FIGURAS
Fig. 1.1. Bolas de hierro de alto cromo, 20% Cr, 2% Mo, 1% Cu, usadas en
un pulverizador, las cuales fueron tratadas térmicamente para optimizar su
dureza.................................................................................................................................10
Fig. 3.1. Morfología de la austenita en un hierro blanco de alto cromo. ................16
Fig. 3.2. Morfología de la ferrita en un acero de bajo carbono................................17 Fig. 3.3. Morfologías de la martensita…….…………………………………………………18
Fig. 3.4. Curva Transformación-Tiempo-Temperatura para Fe - 2.87 %C -
25.5 %Cr - 1.22 %Mo. ………………………………………..…..…………………………….23
Fig. 4.1. Fundición y rectificado de las probetas…………….……………….……..…26
Fig. 4.2. Máquina para ensayos de desgaste, Universidad de los Andes. …….……….…31 Fig. 5.1. Corte de la muestra para análisis metalográfico y muestra
embebida en el material polimérico….…………………………………………………….…33
Fig. 5.2 y 5.3. Micrografias probeta colada en molde de grafito sin ataque..........34
Fig. 5.4 y 5.5. Micrografias probeta colada en molde de arena sin ataque..........34
Fig. 5.6, 5.7, 5.8 y 5.9. Micrografia optica tratamiento térmico 1 (100X,
200X, 500X, 1000X) .........................................................................................................35
Fig. 5.10, 5.11, 5.12 y 5.13. Microscopía electrónica tratamiento térmico 1
(800X, 2500X, 5000X, 8000X)........................................................................................36
Fig. 5.14, 5.15, 5.16 y 5.17. Micrografia optica tratamiento térmico 2 (100X,
200X, 500X, 1000X) .........................................................................................................37
Fig. 5.18, 5.19, 5.20 y 5.21. Microscopía electrónica tratamiento térmico 2
(800X, 2500X, 5000X, 8000X)........................................................................................38
Fig. 5.22, 5.23, 5.24 y 5.25. Micrografia optica tratamiento térmico 3 (100X,
200X, 500X, 1000X) .........................................................................................................39
Fig. 5.26, 5.27, 5.28 y 5.29. Microscopía electrónica tratamiento térmico 3
(200X, 4000X, 8000X, 16000X) .....................................................................................40
8
Fig. 5.30, 5.31, 5.32 y 5.33. Micrografia optica tratamiento térmico 4 (100X,
200X, 500X, 1000X) .........................................................................................................41
Fig. 5.34, 5.35, 5.36 y 5.37. Microscopía electrónica tratamiento térmico 4
(200X, 800X, 5000X, 8000X)..........................................................................................42
Fig. 5.38, 5.39, 5.40 y 5.41. Micrografia optica tratamiento térmico 5 (100X,
200X, 500X, 1000X) .......................................................¡Error! Marcador no definido.
Fig. 5.42, 5.43, 5.44 y 5.45. Micrografia optica tratamiento térmico 6 (100X,
200X, 500X, 1000X) .........................................................................................................44
Fig. 5.46, 5.47, 5.48 y 5.49. Microscopía electrónica tratamiento térmico 6
(200X, 800X, 5000X, 8000X)..........................................................................................45
Fig. 50. Indentaciónes tomadas en sobre la probeta P1-A.....................................46
Fig. 51. Huellas producidas sobre las probetas después del ensayo de
desgaste.............................................................................................................................48
Fig. 52. Agrietamiento sufrido por la probeta P2-C del tratamiento térmico 2.....48
9
LISTA DE TABLAS
Tabla 3.1. Morfologías de los carburos.........................................................................14
Tabla 3.2. Morfologías de los carburos ……………..….………………………..….20
Tabla 3.3. Resultados del ensayo de desgaste de las probetas coladas
en molde de grafito…..….………………………………..……………..…………..….24
Tabla 3.4. Resultados del ensayo de desgaste de las probetas coladas
en molde de arena…..….………………………………..……………..…….……..….25
Tabla 4.1. Composición química deseada (fundición 3)……………..…………..….25
Tabla 4.2. Composición química de las probetas)……………....………..……..….26
Tabla 4.3. Diferencia porcentual entre la composición química de la aleación
deseada y la composición química de las probetas)…………………….…..…..….27
Tabla 4.4. Características del ensayo de Dureza Brinell)……….…………...….….29
Tabla 4.5. Procedimiento B norma ASTM G 65-04……………...……………….….30
Tabla 4.6. Tamaño para tamices (U.S) del ensayo de arena AFS 50/70
(especificación E11) ……………...……………………………………………...….….30
Tabla 4.7. Tratamientos térmicos. Temperatura y tiempo de
austenitización, y medio de enfriamiento. …………………….……….…….……….31
Tabla 5.1. Denominación de microestructuras…………………….……..…….…….33
Tabla 5.2. Resultados ensayo de dureza Brinell…………………..….………..…….46
Tabla 5.3. Resumen de los resultados del ensayo de desgaste………...…..…….47
Tabla 5.4. Resultado del ensayo de desgaste del tratamiento térmico 1………...50
Tabla 5.5. Resultado del ensayo de desgaste del tratamiento térmico 2………...50
Tabla 5.6. Resultado del ensayo de desgaste del tratamiento térmico 3………...50
Tabla 5.7. Resultado del ensayo de desgaste del tratamiento térmico 4………...51
Tabla 5.8. Resultado del ensayo de desgaste del tratamiento térmico 5………...51
Tabla 5.9. Resultado del ensayo de desgaste del tratamiento térmico 6………...51
10
INTRODUCCION
Este trabajo pretende evidenciar el comportamiento al desgaste de un hierro
blanco de alto cromo sometido a diferentes tratamientos térmicos.
Los materiales con una buena resistencia al desgaste son muy utilizados en la
industria minera, cementera y en industrias que durante su proceso productivo
manejan elementos abrasivos. Por tal razón, es fundamental que los materiales de
las partes mecánicas de la maquinaria que están sometidos a este tipo de trabajo,
tengan una buena resistencia al desgaste. Mejorando esta propiedad, se le da a la
industria la posibilidad de desarrollar procesos más productivos, dado que la vida
útil de la maquinaria es mayor.
Fig. 1.1. Bolas de hierro de alto cromo, 20% Cr, 2% Mo, 1% Cu, usadas en un
pulverizador, las cuales fueron tratadas térmicamente para optimizar su dureza.1
El hierro blanco de alto cromo fue descubierto por el ingeniero metalúrgico
Frederick Becket, en los laboratorios de investigación Cataratas del Niágara de la
1 Tomada de: Iron Casting Engineering Handbook, Technical editor George M. Goodrich, AFS, (2004).
11
compañía Electro Metalúrgica, alrededor de 19151. A partir de ese momento se ha
venido mejorando la producción de este material debido a los desarrollos
tecnológicos en la industria de la fundición. Actualmente, este material cuenta con
grandes perspectivas de crecimiento en diferentes aplicaciones de la industria.
De acuerdo a los requerimientos de la industria, se pueden modificar las
propiedades de un material mediante un tratamiento térmico. En el caso del hierro
blanco de alto cromo, su resistencia al desgaste puede variar dependiendo del
tratamiento térmico que se haya diseñado. Por lo general, al aumentar la dureza
de un material este se vuelve más frágil. Si aumentamos la ductilidad, es menos
resistente. En algunos casos, se requiere maximizar la resistencia al desgaste,
como en las bombas que manejan fluidos abrasivos. Por otro lado, el material
requiere de cierta tenacidad en trabajos donde es sometido a cargas repetitivas,
como los molinos de la industria cementera.
Al tener el hierro blanco una buena resistencia al desgaste y una buena
tenacidad, este es un material adecuado para trabajos abrasivos con ventajas
sobre otros materiales usados, como los hierros Ni-Hard. Por esta razón, en la
academia y la industria, ha venido tomando fuerza la investigación y el uso del
hierro blanco.
En Colombia es casi nula la investigación que se ha desarrollado sobre hierro
blanco. Se encontró en el catalogo virtual de la Universidad de Antioquia,
referenciada la tesis Tratamiento subcrítico de una fundición blanca con alto
contenido de cromo, realizada por Mónica Isabel Vélez Franco (1998). Dadas las
1 Laird, G., Gundlach, R., Röhrig, K., Abrasion-Resistant Cast Iron Handbook, AFS transaction, (2000).
12
grandes perspectivas de este material, es importante darle un mayor impulso a su
investigación y uso.
2. OBJETIVOS
2.1 OBJETIVO GENERAL
El hierro blanco de alto cromo es un material cuya propiedad mecánica más
sobresaliente es su resistencia al desgaste. El objetivo general de este proyecto
de grado es mejorar dicha propiedad mecánica mediante un tratamiento térmico
diseñado para una aleación desarrollada por el estudiante Iván Morales en su
proyecto de grado, realizado el primer semestre de 2007, el cual consistió en la
elaboración de una nueva aleación de hierro blanco de alto cromo.
2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
• Realizar la fundición y colada del material en diferentes tipos de moldes para
la obtención de probetas.
• Diseñar y realizar los tratamientos térmicos para mejorar la resistencia al
desgaste de las probetas.
• Caracterización del material después de los tratamientos térmicos mediante
análisis de composición química, análisis metalográfico y ensayo de dureza.
• Realizar el ensayo de desgaste a las probetas para evaluar el resultado de los
tratamientos térmicos, según la norma ASTM G 65-04.
13
3. MARCO TEÓRICO
3.1 HIERRO BLANCO DE ALTO CROMO
Se tiene noticia del uso de hierro blanco desde la antigüedad. De acuerdo a
excavaciones arqueológicas realizadas, en china fue usado en agricultura (400
a.C)1. Sin embargo, estuvo mucho tiempo sin tener presencia en el mercado de
materiales, hasta que, en un descubrimiento por accidente, el manufacturero de
herramientas de agricultura Robert Ransome, dejo caer cierta cantidad de material
de una fundición sobre el piso frio. Al limpiar, se dio cuenta de que este material
era blanco. Tras cierta experimentación, descubrió que este era más duro que el
hierro gris1.
Posteriormente se desarrolla el hierro blanco de baja aleación y luego el hierro
blanco de alta aleación. Debido a la gran cantidad de variantes que se pueden
obtener de hierros blancos, es importante controlar adecuadamente la
composición, el proceso de fundición, diseño del molde, el medio de enfriamiento
(aire, flujo de are, aceite, agua y salmuera), la tasa de enfriamiento y el tratamiento
térmico, para obtener las propiedades deseadas.
Las propiedades dependen de la morfología y microestructuras del material. En el
caso del hierro blanco, la microestructura está conformada por una variedad de
fases en la matriz: ferrítica, perlítica, bainítica, austenítica, martensítica o una
combinación de las anteriores; así como de carburos embebidos en dicha matriz.
“Sus propiedades mecánicas y de desgaste son derivadas de una microestructura
14
controlada de la matriz y al mismo tiempo, una fina distribución de carburos
M7C3”.1
Para tener una organización y un panorama general de los hierros blancos de alto
cromo, estos se pueden clasificar de acuerdo al porcentaje de cromo en la
aleación, como lo hace la American Society for Testing and Materials (ASTM);
clasificación que se puede apreciar en la Tabla 3.1.
Tabla 3.1. Clasif icación ASTM A 532 para hierros blancos2
Elementos de
aleación % C %Cr %Mo %Mn %Si %Ni
Dureza
Brinell,HB
Alto-Cr ASTM
A532-llA 2.4-2.8 12 0.5-1.0 0.5-1.5 1.0 máx. 0.5 máx. 400-700
Alto-Cr ASTM
A532-llB 2.4-2.8 15 1.0-3.0 0.5-1.5 1.0 máx. 0.5 máx. 400-701
Alto-Cr ASTM
A532-llC 2.8-3.6 15 2.3-3.5 0.5-1.5 1.0 máx. 0.5 máx. 400-702
Alto-Cr ASTM
A532-llD 2.0-2.6 20 1.5 máx. 0.5-1.5 1.0 máx. 1.5 máx. 400-703
Alto-Cr ASTM
A532-llE 2.6-3.2 20 1.0-2.0 0.5-1.5 1.0 máx. 1.5 máx. 400-704
Alto-Cr ASTM
A532-lllA 2.3-3.0 25 1.5 máx. 0.5-1.5 1.0 máx. 1.5 máx. 400-705
1 Laird, G., Gundlach, R., Röhrig, K., Abrasion-Resistant Cast Iron Handbook, AFS transaction, (2000). 2 Tomado de: Laird, G., Gundlach, R., Röhrig, K., Abrasion-Resistant Cast Iron Handbook, AFS transaction, (2000).
15
3.2 MICROESTRUCTURAS
La microestructura del hierro blanco consiste en una matriz metálica con carburos
(material cerámico resultante de la unión de Hierro, Cromo, molibdeno y otros
más, con el carbono) embebidos en ella. La matriz metálica puede tomar alguna
de las siguientes fases: austenítica, ferrítica, martensítica, perlítica (organización
laminar de microconstituyentes: ferrita y cementita (carburos Fe3C)), o por lo
general, una mezcla de estas.
3.2.1 Morfologías de la matriz
3.2.1.1 Morfología austenítica
Es la primera fase que se obtiene durante el enfriamiento en el proceso de
fundición. Las dendritas se forman y solidifican de acuerdo al gradiente de
temperatura presente en el molde, es decir, menor temperatura en la superficie y
mayor temperatura en el centro del molde.1
Después de la solidificación, la austenita forma una estructura cristalina del tipo
cúbica de cara centrada (Face-Centered Cubic, FCC). En los espacios
intersticiales octaédricos se acomodan los átomos del carbono y nitrógeno,
adecuados, ya que su tamaño es cercano al tamaño del espacio intersticial. En el
espacio intersticial se puede acomodar átomos de tamaños aproximados a 0.52
angstroms (Å). Como el átomo de carbono tiene un radio de 0.77 Å, puede
introducirse en los espacios intersticiales con cierta solubilidad, dependiendo de la
temperatura y de elementos de aleación como el cromo (Cr), manganeso (Mn),
1 Tomado y modificado de: Laird, G., Gundlach, R., Röhrig, K., Abrasion-Resistant Cast Iron Handbook, AFS transaction, (2000).
16
níquel (Ni), y molibdeno (Mo). De acuerdo a lo anterior, el contenido de carbono
puede variar desde un máximo de 2.11 % hasta un mínimo de 0.3% (en peso).
Fig. 2.1. Morfología de la austenita en un hierro blanco de alto cromo.1
Debido al alto porcentaje de elementos de aleación presentes en los hierros
blancos de alto cromo (altos contenidos de carbono, Ni, Mn y Cr), la austenita se
hace más estable, y durante el proceso de enfriamiento se puede presentar en el
material sólido, cierta cantidad de austenita retenida o metaestable, que no se ha
transformado en martensita.
La dureza de la austenita retenida varía dependiendo de los elementos de
aleación, principalmente del carbono. En aceros de baja aleación puede alcanzar
durezas del orden de 250 a 350 DPH (Diamond-Pyramidal Hardness, llamada
también dureza Vickers) y en altas aleaciones (alto contenido de carbono, cromo)
del orden de 300 a 600 DPH.
La austenita en los hierros de baja aleación (ejemplo: ASTM A532-lD, hierro
Ni-Hard) es fácilmente atacada por ácidos, como el ácido nítrico (HNO3 , oxidante)
y el ácido clorhídrico (HCL, reductor). Lo contrario sucede con la austenita en
1 Tomado y modificado de: American Society for Metals, ASM Metals Handbook, Vol. 9, 9 Ed., Metallography and Microstructure, ASM International, (1985).
Matriz austenítica
17
hierros blancos de alta aleación (ejemplo: ASTM A532-lllA), que es resistente a
ácidos como los anteriormente mencionados.
3.2.1.2 Morfología ferrítica.
La estructura cristalina de la ferrita es del tipo cúbica de cuerpo centrado (Body-
Centered Cubic, BCC). La solubilidad del carbono en la ferrita depende de la
temperatura. En el sistema hierro-carbono, la solubilidad del carbono en la ferrita
tiene un máximo de 1.8% (en peso), a 1496 ºC; mientras que a temperatura
ambiente está alrededor de 0.00005% (en peso). La razón de esta baja solubilidad
a temperatura ambiente, se debe al poco espacio intersticial que tiene la celda
cristalina para que átomos como el carbono ó de tamaño similar se introduzcan
allí. Este es aproximadamente 1/3 del espacio de la estructura FCC.
Fig. 3.2. Morfología de la ferrita en un acero de bajo carbono. (0.013%C en peso).1
Dado que el cromo tiene una estructura FCC, este desplaza y substituye átomos
de hierro dentro de la celda cristalina, ampliando las fronteras de la ferrita dándole
mayor estabilidad y promoviendo su formación.
1 Tomado y modificado de: American Society for Metals, ASM Metals Handbook, Vol. 9, 9 Ed., Metallography and Microstructure, ASM International, (1985).
Ferrita
18
La ferrita es una fase suave. Aunque puede ser mejorada por la adición de cromo.
Su dureza varía entre 215 y 270 DPH.
La ferrita con porcentajes de cromo superiores a 11%, se comporta químicamente
de manera similar a la austenita, es decir, es resistente a la corrosión.
3.2.1.3 Morfología martensítica.
Siendo la matriz austenítica, puede obtenerse martensita a partir de esta, con la
adecuada tasa de enfriamiento. Al darse esta transformación, la estructura
cristalina sufre un cambio en su organización, pasa de una estructura FCC a una
tetragonal de cuerpo centrado (body-centered tetragonal, BCT). La característica
más importante es que este es un proceso no difusivo, ya que, debido al
enfriamiento demasiado rápido, los átomos de carbono no tienen el tiempo
suficiente para desplazarse por la estructura cristalina del material, lo que genera
una nueva estructura distorsionada BCT.
Fig. 3.3. Morfologías de la martensita: placas (lath) y agujas (plate), en un acero de medio
carbono (0.57 %C en peso).1
1 Tomado y modificado de: American Society for Metals, ASM Metals Handbook, Vol. 9, 9 Ed., Metallography and Microstructure, ASM International, (1985).
(Agujas)
( Placas)
19
Durante la transformación de una estructura FCC a una BCT, el carbono presente
distorsiona la estructura original. Entre mayor sea el contenido de carbono mayor
es la distorsión de la red cristalina. Igualmente, se presenta un cambio
volumétrico, de más o menos 4.3%; sin embargo, este disminuye con el aumento
del contenido de carbono. La comprensión de esta expansión volumétrica es de
gran importancia ya que está relacionada con los problemas de agrietamiento que
se pueden presentar durante el enfriamiento.1
Por lo general, un material que tiene durezas elevadas tiene una mejor resistencia
al desgaste. A causa de la distorsión generada en la estructura cristalina durante
la transformación martensítica, la dureza se ve incrementa considerablemente, y
por lo tanto, la resistencia al desgaste de esta morfología. A mayor contenido de
carbono, mayor es la distorsión de la estructura cristalina y por lo tanto, la dureza
de la martensita.
La morfología martensítica se puede describir típicamente como placas o agujas.
Como regla general, los hierros blancos de alto cromo tienden a formar martensita
del tipo placas.
La martensita es un microestructura que es débil al ataque de ácidos, como el
ácido nítrico (HNO3).
3.2 Morfología de los carburos
En la Tabla 2 se presentan las características más importantes los carburos
presentes en los hierros blancos.
1 Laird, G., Gundlach, R., Röhrig, K., Abrasion-Resistant Cast Iron Handbook, AFS transaction, (2000).
20
Tabla 3.2. Morfologías de los carburos
Tipo de Carburo
Mayores elementos de aleación (%peso) % C Estructura
Cristalina Morfología Dureza (HV)
M3C
Mayoría Fe. Tiene una gran solubilidad de Mn. Cr puede ser disuelto en los carburos M3C con porcentajes mayores a 17% Cr. Mo, V y otros átomos metálicos tienen poca solubilidad.
6.7-6.9 Ortorrómbica Placas (plate)
800-1100
M7C3
Mayoritariamente Cr, el porcentaje de Cr debe estar entre 24 y 50 %. Puede contener porcentajes (<7%) y de V (<30). Mn tiene igual solubilidad que en los carburos M3C.
8.6-8.9 FCC
compleja (tipo D84)
Barra y espadas
(rod y blade)
1000-1800
M23 C6
Mayoritariamente Cr, valores mínimos de 60%. Con los otros elementos se asume un comportamiento similar a M7C3 y M3C. W<10%, Mo< 1o%, V<10%
5.3-5.7 ortorrómbica Barra (rod) 1000
Mo2 C
En hierros con gran porcentaje de Mo, este carburo aparece en las fronteras de grano de la austenita. La presencia de otros elementos en este carburo no ha sido reportada. Se asume un carburo puro.
5.9 FCC
compleja (tipo B1)
Espadas (blade)
1500-1800
21
MC(VC)
El carburo de vanadio es uno de los menos entendidos. Es eutéctico y aparece en con aleaciones mayores a 4,5%. En cantidades menores, se reparte entre la familia de carburos MxCy y la matriz.
17-20 FCC
compleja (tipo B1)
Barra (rod) 2000-3000
NbC
Carburo de niobio tiene poca solubilidad de otros elementos en su estructura cristalina
11 FCC
compleja (tipo B1)
Coral o pétalo
(coral or petal)
2000-2500
TiC Es un carburo puro y no se mezcla con otros elementos
20 FCC
compleja (tipo B1)
Trozo de bloque (blocky chunks)
2000-3100
3.3 TRATAMIENTOS TERMICOS
Para mejorar la resistencia al desgaste de las probetas, la microestructura que se
desea obtener está constituida por carburos primarios, carburos secundarios finos
y una matriz martensítica.
El tratamiento térmico es un proceso importante para mejorar propiedades
deseadas en los materiales. En el caso del hierro blanco de alto cromo, los
tratamientos térmicos buscan mejorar su resistencia al desgaste, manipulando la
microestructura, mediante cambios bruscos en la temperatura. Gracias a la
cantidad de elementos de aleación, este es un material con una elevada
templabilidad, es decir, tiene la facilidad de formar martensita durante su
enfriamiento. Sin embargo, se debe tener en cuenta que dependiendo de la tasa
de enfriamiento puede quedar cierta cantidad de austenita retenida, fase no
22
deseada en cantidades superiores al 20 %; porcentaje por encima del cual, afecta
negativamente las propiedades mecánicas del material.
Un tratamiento térmico típico de un hierro blanco, consiste en elevar la
temperatura del material, 950-1010 ºC para hierros blancos clase ll (12-20% Cr.) y
1010-1090 ºC para hierros blancos clase lll (23-28%Cr.)1. Mantener esa
temperatura por el tiempo necesario para desestabilizar la austenita (depende de
la temperatura), para luego someterlo a un temple o enfriamiento rápido. Si es
necesario, el material puede someterse a un tratamiento adicional después del
enfriamiento, para aliviar esfuerzos producidos por el cambio brusco en la
estructura cristalina (darle mayor tenacidad) o precipitar fases de interés.
3.4 CURVA DE TRANSFORMACIÓN-TIEMPO-TEMPERATURA (TTT)
La curva de transformación-tiempo-temperatura (TTT) es una herramienta
importante dentro de los tratamientos térmicos. Es una gráfica (obtenida
experimentalmente), en la cual se relaciona la temperatura, el tiempo y la
microestructura que se obtiene, dependiendo de la relación entre las dos primeras
variables, es decir la tasa de enfriamiento.
Gracias a la curva de transformación-tiempo-temperatura, podemos apreciar el
tipo de microestructura que se espera obtener, después del tratamiento térmico al
que ha sido sometido el material.
La tasa de enfriamiento depende del medio de enfriamiento en el cual se haga el
temple del material. Para el caso de los tres medios de enfriamiento (salmuera,
flujo de aire y aire) ilustrados en la figura 3.4, la microestructura esperada es 1 Laird, G., Gundlach, R., Röhrig, K., Abrasion-Resistant Cast Iron Handbook, AFS transaction, (2000).
23
carburos primarios o eutécticos, carburos secundarios, Martensita y posiblemente
austenita retenida.
Fig. 3.4. Curva Transformación-Tiempo-Temperatura para Fe - 2.87 %C - 25.5 %Cr -
1.22 %Mo. 1
3.5 MEDIOS DE ENFRIAMIENTO
Los medios de enfriamiento son una parte importante dentro de los tratamientos
térmicos, pues cumplen una labor fundamental al absorber el calor de la pieza que
será templada.
La selección del medio de enfriamiento depende de la templabilidad de la
aleación, el espesor de la sección, la forma de la pieza y la tasa de enfriamiento
necesaria para obtener la microestructura deseada. Los medios de enfriamiento
pueden ser gaseosos o líquidos. Los medios gaseosos suelen ser gases inertes
1 Tomada y modificada de: Atlas of time-temperature diagrams for Irons and Steels, edited by George F. Vander Voort, ASM International, (1991).
Salmuera
Flujo de aire
Aire
24
como: helio, argón o nitrógeno. Los medios líquidos más comunes son: aceite con
aditivos, agua, solución acuosa polimérica y agua con sal (salmuera).1
En la Fig. 3.4 se observan líneas que representan diferentes medios de
enfriamiento. El medio más severo es la salmuera, con tasas de enfriamiento
aproximadas de 45 ºC/s; en el flujo de aire la tasa de enfriamiento es de
aproximadamente 0.16 ºC/s y en el aire sin flujo la tasa de enfriamiento es mucho
menor.
3.6 RESULTADOS OBTENIDOS POR EL ESTUDIANTE IVÁN MORALES
A continuación se presentan los resultados del ensayo de desgaste y dureza
obtenidos por el estudiante Iván Morales en su trabaja de grado, en probetas
fundidas sin tratamiento térmico.
Tabla 3.3. Resultados del ensayo de desgaste de las probetas coladas en molde
de grafito
Probeta (colada en molde grafito) 3A1 3A2 3A3 3A4
Promedio Desviación estándar
Densidad (gr/cm3) 7,4 7,4 7,4 7,4
Masa inicial (gr) 114,5213 200,1497 193,4449 174,7582 Masa final (gr) 114,4225 200,0109 193,3054 174,6422
Masa perdida (gr) 0,0988 0,1388 0,1395 0,1160 0,1233 0,0196 Volumen perdido
(mm3) 13,3514 18,7568 18,8514 15,6757 16,6588 2,6530
Dureza (HB) 556 516 529 496 524 25
1 Tomado de: American Society for Metals, ASM Metals Handbook, Vol. 4, 10 Ed., Heat Treating, ASM international, (1991).
25
Tabla 3.4. Resultados del ensayo de desgaste de las probetas coladas en molde
de arena
Probeta (colada en molde arena) 3G1 3G2 3G3 3G4
Promedio Desviación estándar
Densidad (gr/cm3) 7,4 7,4 7,4 7,4 Masa inicial (gr) 153,1239 152,3237 151,8256 152,9358 Masa final (gr) 152,5797 151,6616 151,4403 152,3826
Masa perdida (gr) 0,5442 0,6621 0,3853 0,5532 0,5362 0,1140 Volumen perdido
(mm3) 73,5405 89,4730 52,0676 74,7568 72,4595 15,4028
Dureza (HB) 628 643 619 616 627 12
4. METODOLOGÍA
4.1 OBTENCIÓN DE LAS PROBETAS
En la tesis del estudiante Iván morales: Evaluación y Caracterización de la
Respuesta a Desgaste de dos Aleaciones de Hierro Fundido Blanco, (2007), ya se
hizo el desarrollo teórico y práctico necesario para obtener las probetas con la
composición deseada. Se seleccionó la fundición 3 como material para los
tratamientos térmicos, cuya composición se especifica en la tabla 4.1. Según la
clasificación de la ASTM, es un hierro blanco de alto cromo clase IIIA (tabla 1).
Tabla 4.1. Composición química deseada (% en peso) (fundición 3)
%Fe %C %Mn %Si %Ni %Cr %Mo %Cu %P %S 64,9 2,32 1,36 1,24 1,05 25,95 2,08 1,06 0,02 0,02
Para obtener las probetas, se siguió el mismo procedimiento desarrollado en la
tesis mencionada, el cual se resume a continuación: con el balance de cargas
26
terminado, se procedió a realizar la fundición del material en el horno de inducción
eléctrica (Indutherm), ubicado en el laboratorio de fundición de la Universidad
Nacional, con capacidad para 6 kilos aproximadamente. Se inicia la carga del
horno con el acero AISI 1020; separadamente se adicionan los demás elementos
de la aleación, ferroaleaciones y cobre, en el siguiente orden: 1. Ferromolibdeno.
2. Ferroníquel. 3. cobre. 4. Ferrocromo. 5. Ferromanganeso. Por último, se hace
la colada del material fundido en el molde de grafito y en los moldes de arena,
previamente elaborados.
a. probetas fundida en molde de grafito b. Caras rectificadas
Fig. 4.1. Fundición y rectificado de las probetas.
En total se obtuvieron 18 probetas, 12 probetas coladas en molde de grafito y 6
probetas coladas en moldes de arena.
Tabla 4.2. Composición química de las probetas (% en peso) %Fe %C %Mn %Si %Ni %Cr %Mo %Cu %P %S %w % V 60,36 1,69 0,38 1,36 1,04 23,41 1,79 0,8 0,02 0,015 0,04 0,04
Debido a la naturaleza no homogénea en la composición química de las
ferroaleaciones, se presenta una diferencia entre la composición química de la
aleación deseada y de las probetas obtenidas en la fundición.
Superficie rectificada
27
Tabla 4.3. Diferencia porcentual entre la composición química de la aleación
deseada y la composición química de las probetas Composición química
%Fe %C %Mn %Si %Ni %Cr %Mo %Cu %P %S
Diferencia (%) porcentual 7,00 27,16 72,06 9,68 0,95 9,79 13,94 24,53 9,52 34,78
4.2 FUNDICIÓN EN MOLDE PERMANENTE DE GRAFITO
Una de las ventajas del molde permanente de grafito, es que permite realizar
muchas coladas del material que se está fundiendo, sin necesidad de cambiarlo.
La transferencia de calor desde la pieza hacia el exterior, es mayor en estos
moldes que en los moldes de arena. El enfriamiento de la pieza es más rápido, por
lo tanto, la microestructura es más fina, que la microestructura resultante de
moldes con tasas de enfriamiento más lentas, como los moldes en arena.
4.3 FUNDICIÓN EN MOLDE DE ARENA
Los moldes de arena son los más empleados en la industria de la fundición, ya
que se pueden elaborar la cantidad de moldes necesarios, para obtener las piezas
fundidas en una colada. Igualmente, el costo de la elaboración de los moldes es
mucho menor.
La transferencia de calor a través del molde de arena es más menor que en el
molde de grafito. La tasa de enfriamiento de la pieza colada depende del espesor
de las paredes del molde de arena; la naturaleza poco conductora de calor de la
28
arena y otros factores adicionales, hacen que el proceso de enfriamiento de las
piezas coladas en estos moldes sea más lento.
4.5 MICROSCOPIA ÓPTICA
Es común en el estudio de materiales el uso de microscopios ópticos para
observar su microestructura, fases, microconstituyentes, inclusiones, tamaño y
forma de los granos, etc. Este procedimiento es de gran importancia, ya que, las
propiedades mecánicas y físicas del material están ligadas a las características
microscópicas del material.
Para observar la microestructura antes y después de los tratamientos térmicos se
empleó un microscopio óptico Leitz- metallux II, ubicado en el laboratorio de
microscopia de la Universidad de los Andes.
4.6 MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO
La microscopia electrónica de barrido (SEM, Scanning Electron Microscopy) es
una herramienta fundamental y versátil en el estudio de materiales.
La microscopia electrónica ofrece imágenes que usualmente son fáciles de
interpretar y revela claramente, tanto fotos de superficies pulidas y atacadas, como
de superficies rústicas. El microanálisis con rayos X de energía dispersiva (EDX)
caracteriza cualitativa y cuantitativamente la composición química del material,
con una típica resolución lateral de micrómetros y una típica resolución de
profundidad de unas pocas decimas micrómetros. Debido a su relativa facilidad de
manejo, la microscopía electrónica de barrido ha encontrado un amplio rango de
29
aplicaciones en investigación y desarrollo de materiales, análisis de falla y control
de calidad.1
Para este procedimiento se utilizó el microscopio electrónico (Fei Quanta 200),
ubicado en el laboratorio de Geociencias de la Universidad Nacional.
4.6 ENSAYO DE DUREZA
El ensayo de dureza Brinell (Hardness Brinell HB) es el más adecuado y confiable
para medir la dureza en este tipo de material que otros tipos de ensayo (Dureza
rockwell). Como la microestructura del hierro blanco está compuesta de una matriz
con carburos de elevadas durezas, el indentador de bola del ensayo de dureza
Brinell, gracias a su mayor tamaño, produce la huella sobre un área que incluye la
matriz y los carburos, dando una medida más confiable de la dureza del material.
El ensayo de dureza Brinell esta estandarizado según la norma ASTM E-11
(Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials). Las
características del ensayo realizado en los laboratorios de la universidad de los
Andes, se pueden apreciar en la tabla 8.
Tabla 4.4. Características del ensayo de Dureza Brinell (HB)
Carga (kgf) Indentador de bola de acero
3000 Φ=10 mm.
1Tomado y modificado de: American Society for Metals, ASM Metals Handbook, Vol. 9, 9 Ed., Metallography and Microstructure, ASM International, (1985).
30
4.7 ENSAYO DE DESGASTE
El ensayo de desgaste abrasivo a tres cuerpos, nos permite medir
cuantitativamente la perdida de material de las probetas sometidas a un medio
abrasivo . El ensayo de desgaste esta estandarizado según la norma ASTM G 65-
04 (Measuring Abrasion Using the Dry Sand-Rubber Wheel). Siguiendo el
procedimiento B de la norma (ver tabla 4.5), se busca medir la resistencia al
desgaste abrasivo de las probetas después de los tratamientos térmicos. La
arena empleada en la prueba, esta especificada, por el ensayo AFS 50/70 (ver
tabla 4.6). La Universidad de los Andes cuenta con una maquina de desgaste
calibrada, que fue usada para realizar este procedimiento (fig. 4.2).
Tabla 4.5. Procedimiento B norma ASTM G 65-04
Características del ensayo
Carga (N) Número de revoluciones Flujo de arena (gr/min) 130 2000 350
Tabla 4.6. Tamaño para tamices (U.S) del ensayo de arena AFS 50/70
(especificación E11)1
Tamaño tamiz U.S Tamaño abertura % retenido en el tamiz 40 425 µm (0,0165 in.) no 50 425 µm (0,0165 in.) 5 máx. 70 425 µm (0,0165 in.) 95 mín.
100 425 µm (0,0165 in.) no pasan
1 Tomada de: Laird, G., Gundlach, R., Röhrig, K., Abrasion-Resistant Cast Iron Handbook, AFS
transaction, (2000).
31
a. Vista general. b. Vista específica del sistema principal.
Fig. 4.2. Máquina para ensayos de desgaste, Universidad de los Andes.
4.4 DISEÑO DE LOS TRATAMIENTOS TERMICOS
Se busca someter las probetas a un tratamiento térmico con medios de
enfriamiento drásticos (salmuera a bajas temperaturas) y medios de enfriamiento
menos drásticos, como aire con flujo y aire sin flujo.
Se diseñaron diversos tratamientos térmicos, sus características se pueden
apreciarse en la tabla 4.7.
Tabla 4.7. Tratamientos térmicos. Temperatura y tiempo de austenitización, y
medio de enfriamiento.
Tratamiento térmico (TT)
Temperatura de austenitización (ºC)
Tiempo de austenitización (hr) Medio de enfriamiento
1 1010 2,5 Flujo aire seco, temperatura=
20ºC, presión = 413.69 kPa
2 1010 2,5 Salmuera, temperatura = -1 ºC
3 1010 2,5 Salmuera, temperatura = -1 ºC
4 980 3,5 Salmuera, temperatura = -0,5 ºC
5 980 3,5 Aire, temperatura = 20 ºC
6 980 3,5 Salmuera, temperatura = -0,5 ºC
Boquilla de salida de La arena
Sistema de sujeción
Disco
32
De estos tratamientos térmicos la microestructura que se espera obtener es de
carburos primarios, carburos secundarios, Martensita y muy posiblemente
austenita retenida.
5. RESULTADOS OBTENIDOS
A continuación se presentan los resultados de los ensayos realizados con el fin de
caracterizar el material y las propiedades obtenidas después de los tratamientos
térmicos.
5.1 ANÁLISIS METALOGRÁFICO
5.1.1 Introducción
Para observar la microestructura de las probetas en el microscopio óptico y el
microscopio electrónico de barrido, se realizó en el laboratorio de metalografías de
la universidad de los Andes, el procedimiento metalográfico siguiente en:
• Corte de muestras de las probetas antes y después del tratamiento térmico
(se uso una cortadora Bühler-delta abrasimet con sistema de refrigeración).
(figura 9. a)
• El embebido de las muestras en un material polimérico, para facilitar su
manipulación. (figura 9. b)
• El pulido con papel abrasivo y un paño con alúmina. Se hizo el pulido de las
muestras con lijas en el siguiente orden: 100, 240, 400, 600 y 1200. Luego
en el paño con alúmina de 0.3 µm y por último en el paño con alúmina de
0.05 µm.
33
• El ataque químico para revelar la microestructura. Las muestras fueron
atacadas con el reactivo Villela (5 ml HCL+1 gr acido pícrico+100 ml de
etanol)
• Toma de imágenes (micrografías) en el microscopio óptico Leitz- metallux
II.
a. Corte de las muestras b. Muestra embebida
Fig. 5.1. Corte de la muestra para análisis metalográfico y muestra embebida en el
mater ial polimérico.
Se adoptó la siguiente denominación para facilitar el análisis de las
microestructuras:
Tabla 5.1. Denominación de microestructuras
Matriz austenítica MA Austenita retenida AR Martensita M Carburos primarios-eutécticos CP Carburos secundarios CS
5.1.2 Micrografías del material antes de los tratamientos térmicos.
Se tomó una muestra de una probeta colada en molde de grafito y otra de una
muestra colada en molde de arena. No es necesario analizar muestras
Corte de las muestras
Probeta
Muestras
Material polimérico
34
adicionales, ya que todas las probetas deben tener la misma microestructura del
proceso de fundición
5.1.2.1 Micrografías antes del tratamiento térmico. Probetas fundidas en
molde de grafito.
Fig. 5.2. Inclusiones en el material. 200X.
Fig. 5.3. Dendritas finas. 100X.
5.1.2.2 Micrografías antes del tratamiento térmico. Probetas fundidas en
molde de arena.
Fig. 5.4. Inclusiones en el material. 200X.
Fig. 5.5. Dendritas gruesas. 100X.
Inclusión
Inclusiones
Dendritas finas
Dendritas gruesas
35
5.1.3 Micrografías del material después de realizados los tratamientos térmicos.
5.1.3.1 Micrografías del tratamiento térmico 1.
Temperatura de austenitización (ºC)
Tiempo de austenitización (hr) M.E.
1010 2,5 flujo de aire
Micrografías ópticas
Fig. 5.6. Matriz austenítica con carburos primarios. 100X.
Fig. 5.7. Matriz austenítica con carburos primarios. 200X.
Fig. 5.8. Matriz austenítica con carburos primarios. 500X.
Fig. 5.9. Matriz austenítica con carburos primarios. 1000X.
CP MA
MA CP
36
Microscopia electrónica
Fig. 5.10. Matriz austenítica con carburos primarios. 800X.
Fig. 5.11. Matriz austenítica con carburos primarios. 2500X.
Fig. 5.12. Matriz austenítica con carburos primarios. 5000X.
Fig. 5.13. Matriz austenítica con carburos primarios. Las cavidades son la ausencia de los carburos dentro de la matriz. 8000X.
CP
MA
CP MA
37
5.1.3.2 Micrografías del tratamiento térmico 2.
Temperatura de austenitización (ºC) Tiempo de austenitización (hr) M.E. 1010 2,5 salmuera
Micrografías ópticas
Fig. 5.14. Matriz austenítica con carburos primarios. 100X.
Fig. 5.15. Matriz austenítica con carburos primarios. 200X.
Fig. 5.16. Matriz austenítica con carburos primarios. Cierta parte de la matriz es borrosa por estar desenfocada. 500X.
Fig. 5.17. Matriz austenítica con carburos primarios. Cierta parte de la matriz es borrosa por estar desenfocada. 1000X.
CP MA CP
MA
38
Microscopía electrónica
Fig. 5.18. Matriz austenítica con carburos primarios. 800X.
Fig. 5.19. Matriz austenítica con carburos primarios. 2500X.
Fig. 5.20. Matriz austenítica con carburos primarios. 5000X.
Fig. 5.21. Matriz austenítica con carburos primarios. 8000X.
CP MA
CP
MA
39
5.1.3.3 Micrografías del tratamiento térmico 3.
Temperatura de austenitización (ºC) Tiempo de austenitización (hr) M.E. 1010 2,5 salmuera
Micrografías ópticas
Fig. 5.22. Se observa la estructura dendrítica del material. 100X.
Fig. 5.23. Se observa la estructura dendrítica del material. 200X.
Fig. 5.24. Austenita retenida y carburos primarios 500X.
Fig. 5.25. Austenita retenida, carburos primarios y secundarios. 1000X.
CP AR
AR CP
CS
40
Microscopía electrónica
Fig. 5.26. Micrografía a 1600X. Fig. 5.27. Carburos primarios y secundarios.
4000X.
Fig. 5.28. Carburos primarios y secundarios, y de martensita. 16000X.
Fig. 5.29. Carburos primarios y secundarios, y martensita. 16000X.
5.1.3.4 Micrografías del tratamiento térmico 4.
CP
CS
M CP
CS
M
41
Temperatura de austenitización (ºC) Tiempo de austenitización (hr) M.E.
980 3.5 salmuera
Micrografías ópticas
Fig. 5.30. Austenita retenida. 100X. Fig. 5.31. Igual que la micrografía anterior Se
observa austenita retenida. 200X.
Fig. 5.32. Austenita retenida, carburos primarios y secundarios. 500X.
Fig. 5.33. Austenita retenida, carburos primarios y secundarios. 1000X.
CP
CS AR
AR AR
CP
CS AR
42
Microscopía electrónica
Fig. 5.34. Micrografía a 200X. Fig. 5.35. Se observan defectos en el material
(porosidad). 800X.
Fig. 5.36. Se observa austenita retenida, carburos primarios y secundarios, y martensita. 5000X.
Fig. 5.37. Se observa austenita retenida, carburos primarios y secundarios, y martensita. 8000X.
CP
CS
M
CP
CS
M
cavidad
AR AR cavidad
43
5.1.3.5 Micrografías del tratamiento térmico 5.
Temperatura de austenitización (ºC) Tiempo de austenitización (hr) M.E. 980 3,5 aire
Micrografías ópticas
Fig. 5.38. Estructura dendrítica del material. 100X.
Fig. 5.39. Estructura dendrítica del material. 200X.
Fig. 5.40. Se observa austenita retenida, carburos primarios y secundarios. 500X.
Fig. 5.41. Se observa austenita retenida, carburos primarios y secundarios. Muy posiblemente haya presencia de martensita cerca a los carburos primarios. 1000X.
CP
CS
AR AR
CP
CS
44
5.1.3.6 Micrografías del tratamiento térmico 6.
Temperatura de austenitización (ºC) Tiempo de austenitización (hr) M.E. 1010 2,5 salmuera
Micrografías ópticas
Fig. 5.42. Se observa matriz austenítica con carburos primarios. 100X.
Fig. 5.43. Se observa matriz austenítica con carburos primarios. 200X.
Fig. 5.44. Se observa matriz austenítica con carburos primarios. 500X.
Fig. 5.45. Se observa matriz austenítica con carburos primarios. 1000X.
CP
MA
MA
CP
MA
45
Microscopía electrónica
Fig. 5.46. Micrografía a 200X. Fig. 5.47. Se observa la matriz austenítica.
800X.
Fig. 5.48. Se observa la matriz austenítica, carburos primarios y secundarios, y martensita. 5000X.
Fig. 5.49. Se observa la matriz austenítica, carburos primarios y secundarios, y martensita. 8000X.
CP
CS
M
CP
CS MA
M
MA
46
5.2 RESULTADOS DEL ENSAYO DE DUREZA
En la tabla 12 se presentan los resultados del ensayo de dureza Brinell. Se
tomaron tres indentaciones sobre una probeta de cada tratamiento térmico.
Tabla 5.2. Resultados ensayo de dureza Brinell (HB)
Dureza Brinell HB Indentaciones Tratamiento térmico a b c
Promedio Desviación Estándar
1 578 555 601 578 23.00 2 363 331 321 338 21.94 3 401 444 444 430 24.83 4 388 375 401 388 13.00
5 555 578 578 570 13.28 6 601 578 578 586 13.28
Fig. 5.50. Indentaciónes tomadas en sobre la probeta P1-A del tratamiento
térmico 1.
5.3 RESULTADOS DEL ENSAYO DE DESGASTE
En la Tabla 13 se resumen los resultados del ensayo de desgaste y dureza
realizado a las probetas de los diferentes tratamientos térmicos.
Indentaciones
47
Para calcular el volumen perdido se usó la siguiente ecuación:
Ecuación 1)
Donde:
Tabla 5.3. Resumen de los resultados del ensayo de desgaste
Tratamiento térmico
Volumen perdido ( mm3)
Masa perdida
(gr)
Dureza Brinell
HB
Medio de enfriamiento /Temperatura de
austenitización ºC
Molde de la colada
1 10,4212 0,0771 578 Flujo aire / 1010 Grafito
2 12,0360 0,0891 338 Salmuera / 1010 Grafito
3 9,8559 0,0729 430 Salmuera / 1010 Arena
4 10,9955 0,0814 388 Salmuera / 980 Arena
5 10,5405 0,0780 570 Aire / 980 Grafito
6 10,6577 0,0789 586 Salmuera / 980 Grafito
48
Fig. 5.51. Huellas producidas sobre las probetas después del ensayo de desgaste.
Huellas sobre las probetas del tratamiento térmico 4.
Debido al fuerte choque térmico que sufrieron durante su enfriamiento en
salmuera, las probetas de los tratamientos térmicos 2, 3 y 4, , presentan
agrietamiento en diversas partes de su estructura.
Fig. 5.52. Agrietamiento sufrido por la probeta P2-C del tratamiento térmico 2.
Agrietamiento
Huella de desgaste
Huella de desgaste Huella de desgaste
49
A continuación se presentan en detalle los cálculos del ensayo de desgaste para
cada tratamiento térmico.
5.3.1 Resultados del ensayo de desgaste del tratamiento térmico 1.
Tabla 5.4. Resultado del ensayo de desgaste del tratamiento térmico 1
Probeta (molde grafito) P1-A P1-B P1-C
Promedio Desviación estándar
Masa inicial (g) 101,6923 123,9232 123,6967 Masa final (g) 101,5296 123,8433 123,6266 Masa perdida (g) 0,0814 0,0799 0,0701 0,0771 0,0061197 Volumen perdido (mm3) 10,7039 10,5132 9,2237 10,1469 0,8052248
5.3.2 Resultados del ensayo de desgaste del tratamiento térmico 2.
Tabla 5.5. Resultado del ensayo de desgaste del tratamiento térmico 2
Probeta (molde grafito)
P2-A P2-B P2-C Promedio Desviación
estándar
Masa inicial 109,9925 122,1248 118,9645 Masa final 109,9096 122,033 118,872 Masa perdida (g) 0,0829 0,0918 0,0925 0,0891 0,0053519
Volumen perdido (mm3) 10,9079 12,0789 12,1711 11,7193 0,7042035
5.3.3 Resultados del ensayo de desgaste del tratamiento térmico 3.
Tabla 5.6. Resultado del ensayo de desgaste del tratamiento térmico 3
Probeta (molde arena) P3-A P3-B P3-C
Promedio Desviación estándar
Masa inicial 106,5684 168,5014 158,3813
Masa final 106,4936 168,4322 158,3065 Masa perdida (g) 0,0748 0,0692 0,0748 0,0729 0,0032332 Volumen perdido (mm3) 9,8421 9,1053 9,8421 9,5965 0,425416
50
5.3.4 Resultados del ensayo de desgaste del tratamiento térmico 4.
Tabla 5.7. Resultado del ensayo de desgaste del tratamiento térmico 4
Probeta (molde arena) P4-A P4-B P4-C
Promedio Desviación estándar
Masa inicial 134,3285 156,9038 157,209 Masa final 134,2469 156,8245 157,1258 Masa perdida (g) 0,0816 0,0793 0,0832 0,0814 0,0019604 Volumen perdido (mm3) 10,7368 10,4342 10,9474 10,7061 0,2579529
5.3.5 Resultados del ensayo de desgaste del tratamiento térmico 5.
Tabla 5.8. Resultado del ensayo de desgaste del tratamiento térmico 5
Probeta (molde grafito)
P5-A P5-B P5-C Promedio Desviación
estándar
Masa inicial 116,6109 124,3069 135,6641 Masa final 116,5336 124,2281 135,5862 Masa perdida (g) 0,0773 0,0788 0,0779 0,0780 0,000755
Volumen perdido (mm3) 10,1711 10,3684 10,2500 10,2632 0,0993399
5.3.6 Resultados del ensayo de desgaste del tratamiento térmico 6.
Tabla 5.9. Resultado del ensayo de desgaste del tratamiento térmico 6
Probeta (molde grafito) P6-A P6-B P6-C
Promedio Desviación estándar
Masa inicial 118,8524 136,1529 129,4168 Masa final 118,7728 136,0717 129,341
Masa perdida (g) 0,0796 0,0812 0,0758 0,0789 0,0027737 Volumen perdido (mm3) 10,4737 10,6842 9,9737 10,3772 0,3649587
51
6. ANÁLISIS Y DISCUCIÓN DE RESULTADOS
La diferencia entre la composición química de las probetas y la composición
química de la aleación que se deseaba obtener, es causada por la no
homogeneidad de la composición química de las ferroaleaciones usadas durante
el proceso de fundición. La mayor diferencia se presenta en los contenidos de
carbono (27.16 %), manganeso (72.06) y cobre. De estos tres elementos, el
carbono es el que mayor influencia tiene en la microestructura y las propiedades
de interés, el manganeso está relacionado con la inhibición de perlita y el cobre
con la templabilidad del material. La resistencia al desgaste se ve afectada por la
dureza de la martensita obtenida después del tratamiento térmico y esta depende
del contenido de carbono. A mayor contenido de carbono mayor es la dureza
esperada. Las durezas del material fundido por el estudiante Iván morales son
mayores, que las probetas de este trabajo, por la variación en el contenido de
carbono.
En las micrografías de microscopia electrónica de los tratamientos térmicos 1 y 2,
templados en salmuera, se observan cavidades por la ausencia de carburos y
otras morfologías, debido probablemente, al ataque químico excesivo realizado a
las muestras.
El resultado incoherente de los ensayos de dureza de los tratamientos térmicos 2,
3 y 4, templados en salmuera, pueden ser explicados por el agrietamiento que
presentaron las probetas por el choque térmico y la aplicación de la alta carga
(3000 kgf) durante el ensayo. La huella de la indentación, a partir de la cual se
obtiene el valor de dureza, es mayor a causa del efecto negativo de las grietas
sobre la resistencia del material. En los tratamientos térmicos 1,5 y 6 el resultado
de la medición de la dureza está dentro de los valores esperados (600 HB).
52
El agrietamiento que presentaron las probetas templadas en salmuera, no tienen
incidencia relevante en los resultados del ensayo de desgaste, porque la presión
sobre la superficie del material es muy pequeña (se aplica una carga de 130 N en
el brazo). Adicionalmente, se tomó precaución para que las huellas del ensayo de
desgaste no se hicieran sobre las grietas.
En las micrografías de las probetas antes de los tratamientos térmicos, se
evidencia la naturaleza dendrítica de la fundición realizada. Las probetas coladas
en moldes de grafito tienen dendritas finas, mientras que las probetas coladas en
moldes de arena, tienen dendritas de mayor tamaño. La diferencia en el tamaño
de las dendritas se debe a la diferencia en la tasa de enfriamiento entre los dos
moldes, siendo mayor la tasa de enfriamiento en el molde de grafito.
En el tratamiento térmico 3 (probetas coladas en molde de arena, austenitizadas a
1010 ºC y templadas en salmuera) se obtuvieron los mejores resultados en el
ensayo de desgaste. La microestructura después del tratamiento térmico está
constituida por carburos primarios y secundarios, martensita y austenita retenida.
Muy posiblemente se hayan precipitado otros carburos, como el Mo2C, dentro de
la austenita primaria después del tratamiento térmico. La presencia abundante de
carburos secundarios se debe al tamaño mayor de las dendritas primarias y al
contenido de elementos de aleación como el cromo y molibdeno, que precipitan
durante el proceso de austenitización. La martensita se forma cerca de los
carburos primarios durante el proceso de temple y es inevitable la presencia de
austenita retenida en el material.
El tratamiento térmico 1 (probetas coladas en molde de grafito, austenitizadas a
1010 ºC y enfriadas con flujo de aire) fue el segundo con mejores resultados. La
microestructura después del tratamiento térmico posiblemente este constituida por
53
una matriz austenítica con carburos primarios y la formación de martensita cerca
de estos carburos.
Las probetas del tratamiento térmico 2 (probetas coladas en molde de grafito,
austenitizadas a 1010 ºC y templadas en salmuera) fueron las que perdieron
mayor volumen durante el ensayo de desgaste. Muy posiblemente la velocidad de
enfriamiento demasiado drástica, ayudo a que la cantidad de austenita retenida
fuera demasiada alta después del temple, disminuyendo la resistencia al desgaste
del material.
En el tratamiento térmico 4 (probetas coladas en molde de arena, austenitizadas a
980 ºC y templadas en salmuera) la microestructura está formada por carburos
primarios y secundarios, martensita y austenita retenida. El resultado del ensayo
de desgaste de estas probetas a pesar de tener carburos y martensita, puede ser
explicado por la cantidad de austenita retenida presente en el material. Como se
puede apreciar en las micrografías.
En el tratamiento térmico 5 (probetas coladas en molde de grafito, austenitizadas a
980 ºC y enfriadas al aire) se obtuvo en el ensayo de desgaste, un resultado muy
cercano al resultado del tratamiento térmico 1, también enfriado al aire. La
microestructura obtenida son carburos primarios y secundarios, austenita retenida
y muy posiblemente martensita, no observable en las micrografías ópticas.
En el tratamiento térmico 6 (probetas coladas en molde de grafito, austenitizadas a
980 ºC y templadas en salmuera) se obtuvo un resultado muy cercano a al
resultado de los tratamiento térmico 1 y 5. La microestructura obtenida después
del tratamiento es una matriz austenítica con carburos primarios y secundarios, y
la formación de martensita cerca de los carburos secundarios. En las micrografías
es observable que el material fue atacado demasiado tiempo.
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Comparando los resultados del ensayo de desgaste de los tratamientos térmicos 3
y 4 (colados en molde de arena, austenitizados a 1010 y 980 ºC, y templados en
salmuera), y las micrografías, es evidente que es mayor la cantidad de austenita
retenida en el tratamiento térmico 4. Al tener una temperatura de austenitización
menor, la desestabilización de la austenita se reduce, igual que la precipitación de
carburos secundarios, disminuyendo la resistencia al desgaste del material.
Las coladas en moldes de grafito que mejores resultados arrojaron en el ensayo
de desgaste, fueron las enfriadas con flujo de aire (tratamiento térmico 1) y las
enfriadas al aire (tratamiento térmico 5), por encima de las probetas templadas en
salmuera (tratamientos térmicos 2 y 6). La tasa de enfriamiento drástica de la
salmuera permite la formación de martensita, sin embargo, aumenta la cantidad de
austenita retenida, disminuyendo las propiedades del material.
7. CONCLUSIONES
• Los tratamientos térmicos realizados mejoraron la resistencia al desgaste
de las probetas. Al comparar los resultados del volumen perdido del material
colado en molde de grafito y molde de arena del trabajo del estudiante Iván
morales, con el volumen perdido en el tratamiento térmico 3 de este trabajo, la
diferencia es de 6.8032 mm3 y 65.6036 mm3, respecto al material colado en
molde de grafito y molde de arena, respectivamente. Lo que muestra una mejor
resistencia al desgaste de las probetas a las que se les realizó el tratamiento
térmico.
55
• El tratamiento térmico 3 es el que mayor resistencia al desgaste alcanzó
después del tratamiento térmico: austenitización a 1010 ºC, desestabilización de
la austenita por un tiempo de 3.5 horas y temple en salmuera a - 0.1 ºC.
• En los resultados del ensayo de desgaste de los demás tratamientos
térmicos se obtuvieron valores aceptables, cercanos a los resultados del
tratamiento térmico 3. Es necesario evaluar otras propiedades mecánicas, como la
tenacidad y la resistencia la corrosión, para poder determinar de una manera más
adecuada el campo de aplicación de esta aleación y los tratamientos térmicos
realizados en este trabajo.
• Los resultados del ensayo de dureza de los tratamientos térmicos 1,5 y 6,
están cerca de lo esperado, que es de 600 HB para hierros blancos de esta
composición química. El resultado del ensayo de dureza de los demás
tratamientos térmicos no son confiables, a causa del agrietamiento que sufrieron
por el choque térmico durante el temple en salmuera.
• La austenita es estable a altas temperaturas, sin embargo, elementos de
aleación como el carbono, cromo, manganeso y níquel, la hacen estable a
temperatura ambiente. Por esta razón, en la microestructura de todos los
tratamientos térmicos se presentó austenita retenida.
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8. REFERENCIA BIBLIOGRAFICA
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