CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 416 EN UN

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA
MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO.
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO AL DESGASTE DE UN
ACERO INOXIDABLE AISI 416 NITRURIZADO PARA
APLICACIÓN EN OBTURADORES DE VÁLVULAS.
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO
PRESENTA:
JESÚS SÁNCHEZ AGUILAR
ASESORES:
M. en C. SALVADOR RUBÉN AYALA RODRÍGUEZ
M. en C. MARTÍN DARIO CASTILLO SÁNCHEZ
LA TÉCNICA AL SERVICIO DE LA PATRIA
MÉXICO DF 2010
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO AL DESGASTE DE UN ACERO INOXIDABLE
AISI 416 NITRURADO PARA APLICACIÓN EN OBTURADORES DE VÁLVULAS
Dedicatorias.
A Dios.
Por la fe que tengo en que hay una ser que respalda en cada momento de mi
vida y me deja continuar luchando para obtener mis objetivos, estando en las
buenas y en las malas.
A mis padres.
En especial a mi mamá que siempre ha estado en los momentos más adversos
motivándome y cuidando de mí, que sin ella nunca había podio lograr este gran
momento de mi vida. Jamás te decepcionare y siempre contaras con migo en
todos los momentos que tú me necesites.
A mis hermanos.
A mis cinco hermanas y mi hermano que siempre compartimos momentos de
esperanza y felicidad. Desde pequeños pasamos por momentos muy difíciles
pero la vida nos ha recompensado con grandes satisfacciones y espero
siempre mantener una relación de hermanos con ustedes.
A mis asesores.
A los M. en C. Salvador Rubén Ayala Rodríguez y Martín Dario Castillo
Sánchez que compartieron su tiempo y su valiosa experiencia en este trabajo,
esperando que esto se para una ayuda a mi formación profesional.
A mis revisores.
Al Dr. Carlos Adolfo Hernández Carreón y el Ing. Antonio Serrano Aponte por
su valiosas consejos y observaciones para la mejora de este trabajo.
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2
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO AL DESGASTE DE UN ACERO INOXIDABLE
AISI 416 NITRURADO PARA APLICACIÓN EN OBTURADORES DE VÁLVULAS
ÍNDICE
Objetivo
Resumen
Justificación
8
9
10
Capítulo I. Antecedentes de los aceros inoxidables.
1.1 Antecedentes del acero
1.2 Principios de los aceros inoxidables
1.3 Diagramas de fase
1.3.1 Diagrama hierro-carbono.
1.3.2 Diagrama Shaeffler
1.4 Estructura de los metales
1.5 Clasificación de los aceros
1.5.1 Formación de películas pasivas.
1.6 Elementos de aleación.
1.6.1 Aceros al cromo.
1.6.2 Aceros al cromo-níquel
1.6.3 Aceros al manganeso
1.6.4 Aceros al silicio
1.6.5 Aceros al molibdeno
1.6.6 Aceros al tungsteno
1.6.7 Aluminio
1.7 Tipos de aceros inoxidables
1.5.1 Aceros inoxidables Martensíticos
1.5.2 Aceros inoxidables Ferríticos
1.5.3 Aceros inoxidables Austeníticos
12
13
14
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28
29
29
29
30
30
32
33
Capítulo II. Válvulas tipo compuerta.
2.1 Introducción a las válvulas
2.2 Clasificación de las válvulas
2.2.1 Clasificación basada sobre el movimiento mecánico
2.2.2 Clasificación basada sobre el tamaño
2.2.3 Clasificación en los rangos de presión y temperatura
2.3 Partes principales de las válvulas
2.4 Aplicaciones de las válvulas
2.5 Válvulas de compuerta
2.5.1 Tipos de obturadores
2.5.2 Conducto de la válvula de compuerta
2.5.3 Expansión térmica
36
36
36
37
37
38
44
46
47
49
49
Capítulo III. Aspectos tribológicos.
3.1 Tribología
3.1.1 Desgaste
53
53
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3
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO AL DESGASTE DE UN ACERO INOXIDABLE
AISI 416 NITRURADO PARA APLICACIÓN EN OBTURADORES DE VÁLVULAS
3.1.2 Factores que determinan el desgaste
3.2 Tipos de desgaste
3.2.1 Desgaste por abrasión
3.2.2 Desgaste por adhesión
3.2.3 Desgaste micro oscilatorio
3.2.4 Coeficiente de fricción
Capítulo IV. Tratamientos Térmicos.
4.1 Tratamientos térmicos
4.1.1 Recocido
4.1.2 Normalizado
4.1.3 Temple
4.1.4 Revenido
4.2 Tratamientos termoquímicos
4.3 Nitruración
4.3.1 Precipitación y características de los nitruros
4.3.2 Descarburación
4.3.3 Elementos favorables para la nitruración
4.3.4 Tipos de nitruración
4.3.5 Proceso para la nitruración
4.3.6 Ventajas de la nitruración
Capítulo V. Desarrollo experimental y análisis de resultados.
5.1 Desarrollo experimental
5.1.1 Tratamiento termoquímico de las probetas
5.1.2 Estudio metalográfico de las probetas
5.1.3 Ensayo de dureza de las probetas
5.2 Preparación para las pruebas de desgaste
5.2.1 Resultados en la prueba de desgaste en nitruración
5.2.2 Resultados en la prueba de desgaste en cementación
5.3.3 Comparación de los resultados en los procesos
5.4 Análisis económico
Capítulo VI. Conclusiones.
6.1 Conclusiones
Bibliografía
Anexos
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56
56
58
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61
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ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1.1
Tabla 1.2
Tabla 4.1
Conducta de los diversos elementos en los aceros
Clasificación de los aceros inoxidables
Composiciones y características mecánicas de distintos
aceros de nitruración
Tabla 5.1 Muestra la composición de los elementos de la probeta
de 1hr
Tabla 5.2 Muestra la composición de los elementos en la probeta
de 2 hrs
Tabla 5.3 Muestra la composición de los elementos en la probeta
.
de 3 hrs
Tabla 5.4 Durezas promedio de la probeta sin nitruración
Tabla 5.5 Durezas promedio de la probeta a 1 hora de nitruración
Tabla 5.6 Durezas promedio de la probeta a 2 horas de nitruración
Tabla 5.7 Durezas promedio de la probeta a 3 horas de nitruración
Tabla 5.8 Valores promedio de dureza
Tabla 5.9 Masa perdida en (gr.) con respecto a la distancia (m) en
la probeta sin tratamiento de nitruración
Tabla 5.10 Masa perdida en (gr.) con respecto a la distancia (m) en
probeta de 1 hora de nitruración
Tabla 5.11 Masa perdida en (gr.) con respecto a la distancia (m) en
la probeta de 2 horas de nitruración
Tabla 5.12 Masa perdida en (gr.) con respecto a la distancia (m) en
la probeta de 3 horas de nitruración
Tabla 5.13 Comparación de las masas perdidas de la probeta sin
tratamiento y tres con nitruración
Tabla 5.14 Comparación de las tasas de desgaste de la probeta sin
tratamiento y tres con nitruración
Tabla 5.15 Comparación de las resistencias al desgaste de la probeta
sin tratamiento y tres con nitruración
Tabla 5.16 Masa perdida en (gr.) con respecto a la distancia (m) sin
sin tratamiento de cementación
Tabla 5.17 Masa perdida en (gr.) con respecto a la distancia (m) en la
probeta de 1 hora de cementación
Tabla 5.18 Masa perdida en (gr.) con respecto a la distancia (m) en la
probeta de 2 horas de cementación
Tabla 5.19 Masa perdida en (gr.) con respecto a la distancia (m) en la
probeta 3 horas de cementación
Tabla 5.20 Comparación de las masas perdidas de la probeta sin
tratamiento y tres con cementación
Tabla 5.21 Comparación de las tasas de desgaste de la probeta sin
tratamiento y tres con cementación
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26
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ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO AL DESGASTE DE UN ACERO INOXIDABLE
AISI 416 NITRURADO PARA APLICACIÓN EN OBTURADORES DE VÁLVULAS
Tabla 5.22 Comparación de las resistencias al desgaste de la probeta
de la probeta sin tratamiento y tres con cementación
104
Tabla 5.23 Comparación de las de las durezas N vs. C
105
Tabla 5.24 Comparación de las masas perdidas de las probetas sin
tratamiento, tres probetas de nitruración y tres de
cementación
106
Tabla 5.25 Comparación de las tasas de desgaste de las probetas
sin tratamiento, tres probetas de nitruración y tres
de cementación
107
Tabla 5.26 Comparación de las resistencias al desgate de las probetas
sin tratamiento, tres probetas de nitruración y tres
de cementación
108
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1.1
Figura 1.2
Figura 1.3
Figura 1.4
Figura 1.5
Figura 1.6
Figura 1.7
Figura 1.8
Figura 1.9
Figura 1.10
Figura 1.11
Figura 1.12
Figura 1.13
Figura 1.14
Figura 1.15
Figura 2.1
Figura 2.2
Figura 2.3
Figura 2.4
Figura 2.5
Figura 2.6
Figura 3.1
IPN-ESIME-UPA
Esquema de un alto horno
Curva de enfriamiento del hierro puro
Diagrama hierro- carbono (fases críticas y puntos de
transformación)
Representación esquemática del diagrama de Shaeffler
Estructura cúbica centrada en el cuerpo (BBC)
Estructura cúbica centrada en las caras (FCC)
Agrupación Hexagonal completa
Microestructura de la perlita, X2500
Microestructura de la austenita, X500
Microestructura de la ferrita, X100
Microestructura de la martensita.
Formación de la película pasiva en los aceros
Inoxidables
Aplicaciones de los aceros inoxidables martensíticos
Aplicaciones de los aceros inoxidables ferríticos
Aplicaciones de los aceros inoxidables auteníticos
Vista general de una válvula tipo compuerta
Válvula de compuerta de vástago corredizo para
operación de 4140 kPa
Válvula de compuerta de vástago no corredizo para
operación de 4140 kPa
El disco seccionado, un tipo de dispositivo de alivio
Válvula de compuerta de cuña deslizante.
Expansión por presión causada por la presión filtrada
hacia el bonete
Comportamiento funcional típico de la tasa de desgaste
12
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18
19
19
20
20
21
22
22
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ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO AL DESGASTE DE UN ACERO INOXIDABLE
AISI 416 NITRURADO PARA APLICACIÓN EN OBTURADORES DE VÁLVULAS
Figura 3.2
Figura 3.3
Figura 4.1
Figura 4.2
Figura 4.3
Figura 4.4
Figura 4.5
Figura 5.1
Figura 5.2
Figura 5.3
Figura 5.4
Figura 5.5
Figura 5.6
Figura 5.7
Figura 5.8
Figura 5.9
Figura 5.10
Figura 5.11
Figura 5.12
Figura 5.13
Figura 5.14
Figura 5.15
Figura 5.16
Figura 5.17
Figura 5.18
Figura 5.19
Figura 5.20
IPN-ESIME-UPA
de los metales en función del tiempo
55
Desgaste por abrasión (rayadas y surcos)
58
Desgaste por adhesión (rayas y rotura de piezas)
61
Representación esquemática del recocido, normalizado
y temple de un acero
65
Capa blanca “braunita” y capa de difusión de un acero
de 0.15% de C
70
Composición de las capas nitruradas en función de la
temperatura de nitruración
71
Gráficas de durezas obtenidas en aceros nitrurados vs.
cementados con respecto a su profundidad de difusión
79
Gráficas de durezas obtenidas en aceros nitrurados vs.
cementados con respecto a la temperatura de difusión
79
Torno usado para maquinado de piezas
81
Canastillas donde se colocan las piezas para nitruración
82
Termómetro de control del termopar de la mufla
83
Horno de nitruración de baño de sales
83
Probetas expuestas al baño de sales de cianuro de sodio 84
Piezas (cigüeñales y engranes) después del tratamiento
Térmico
84
Micrografía del espesor de la probeta X100 a 1hr. de
nitruración del MEB
85
Espectro químico de los elementos de la probeta a
1hr. de nitruración
85
Micrografía frontal de la probeta X400 a 1hr. de nitruración
del MEB
85
Micrografía del espesor de la probeta X100 a 2hrs. de
nitruración del MEB
86
Espectro químico de los elementos de la probeta a
2hrs. de nitruración
86
Micrografía frontal de la probeta X400 a 2hrs. de nitruración
del MEB
86
Micrografía del espesor de la probeta X400 a 3 hrs.de
nitruración del MEB
87
Espectro químico de los elementos de la probeta a 3 hrs.
de nitruración
87
Micrografía frontal de la probeta x400 a 3 hrs de nitruración
del MEB
87
Pantalla del durómetro digital Vickers
88
Vista frontal del durómetro con una probeta a ensayar
88
Huella originada por el ensayo
89
Dureza obtenida por el ensayo
89
Vista de otra probeta a ensayar
89
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ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO AL DESGASTE DE UN ACERO INOXIDABLE
AISI 416 NITRURADO PARA APLICACIÓN EN OBTURADORES DE VÁLVULAS
Figura 5.21
Figura 5.22
Figura 5.23
Figura 5.24
Figura 5.25
Figura 5.26
Figura 5.27
Figura 5.28
Figura 5.29
Figura 5.30
Figura 5.31
Figura 5.32
Figura 5.33
Figura 5.34
Figura 5.35
Figura 5.36
.
Figura 5.37
Figura 5.38
IPN-ESIME-UPA
Comportamiento de la dureza obtenida por el tiempo
de nitruración
91
Contenedor de arena de la máquina tribológica
92
Báscula
92
Tacómetro análogo
93
Probeta en ensayo de abrasión
93
Probetas sometidas al desgaste del acero AISI 416 a 1, 2 y
3 horas de nitruración
93
Báscula digital
95
Máquina tribológica
95
Representación gráfica de la comparación de las tres
probetas de 1,2 y 3 horas de nitruración con la pérdida
de masa en la prueba de desgaste
98
Representación gráfica de la comparación de las tres
probetas de 1,2 y 3 de nitruración en la tasa de desgaste
abrasivo, g/Kg (1) con la distancia
99
Representación gráfica de la comparación de las tres
probetas de 1,2 y 3 horas de nitruración en su resistencia
al desgaste abrasivo, kg/g (2) con la distancia
100
Representación gráfica de la comparación de las tres
probetas de 1,2 y 3 horas de cementación con la pérdida de
masa en la prueba de desgaste
103
Representación gráfica de la comparación de las tres
probetas de 1,2 y 3 horas de cementación en la tasa de
desgaste
104
Representación gráfica de la comparación de las tres
probetas de 1,2 y 3 horas de cementación en la resistencia
al desgaste
105
Representación gráfica de la comparación de las durezas
superficiales de la nitruración vs. cementación
106
Representación gráfica de la comparación de las masas
perdidas en Kg. de las probetas de 1,2 y 3 de nitruración
y cementación
108
Representación gráfica de la comparación de las tasas de
desagaste de las probetas de 1,2 y 3 de nitruración y
cementación
109
Representación gráfica de la comparación de las
resistencias al desagaste de las probetas de 1,2 y 3 de
nitruración y cementación
110
8
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO AL DESGASTE DE UN ACERO INOXIDABLE
AISI 416 NITRURADO PARA APLICACIÓN EN OBTURADORES DE VÁLVULAS
RESUMEN.
En el presente trabajo se analiza la historia, la conformación de los elementos
de aleación y las propiedades del acero inoxidable AISI 416 también se hace
hincapié en las fases y en las microestructuras que se forman en este acero
debido a los cambios de temperatura y la relación que guardan con respecto al
diagrama de Shaeffler. Se realizó el tratamiento de nitrurado, posteriormente se
caracterizó la superficie mediante el microscopía óptica y electrónica, se midió
la dureza y se realizaron pruebas de desgaste abrasivo en seco. Se observó
que la dureza superficial y la resistencia al desgaste aumentan
considerablemente al compararlas con un acero sin nitruración y con un acero
del mismo tipo que fue cementado.
IPN-ESIME-UPA
9
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO AL DESGASTE DE UN ACERO INOXIDABLE
AISI 416 NITRURADO PARA APLICACIÓN EN OBTURADORES DE VÁLVULAS
INTRODUCCIÓN.
Mejorar las propiedades de resistencia al desgaste superficial del acero
inoxidable AISI 416, que va a estar expuesto a un ambiente abrasivo y que por
medio de la nitruración se aumenta su dureza superficial y que sirva de
aplicación en los obturadores de válvula de compuerta para una mayor vida útil
y reducir el mantenimiento.
Esto debido a la diversidad de variables y a las múltiples interacciones que
intervienen en el proceso, para que se pueda comprender este fenómeno, y
ayudar al desarrollo de nuevas formas de reducir el efecto del fenómeno de
desgaste. La capa pasiva que forman los aceros inoxidables es una propiedad
que le ayuda a soportar condiciones de trabajo muy diversas desde en el medio
ambiente que es muy corrosivo, como en situaciones de aplicación: elementos
de máquinas, tuberías, válvulas, etc.
Los movimientos relativos que se generen entre dos elementos mecánicos que
se encuentren en contacto o expuestos a un material abrasivo, con el cual
tengan que interactuar, el desgaste se presenta en la forma de
desprendimiento de material, reducción de las medidas base hasta el caso de
tener un juego excesivo y llegar hasta la total inhabilitación de las piezas
(obturadores), llevando a detener la marcha de la máquina o el proceso del
cual se esté dependiendo esta pieza de acero inoxidable AISI 416.
Las propiedades que posee este acero no resultan ser suficientes, entonces
con los tratamientos termoquímicos, que su función es añadir dureza
superficial, incrementando la vida útil de las piezas de acero inoxidable y
ayudando a los procesos en los que emplean este tipo de aceros inoxidables.
En este caso es la nitruración en el cual el acero AISI 416, es sometido a este
tratamiento para determinar qué tipo de características de este acero son
mejoradas para resistir al desgaste. Tomando en cuenta su comparación con la
cementación, para determinar cómo se comporta en cada tratamiento el acero
inoxidable AISI 416, estableciendo una selección adecuada para la aplicación
en la industria.
IPN-ESIME-UPA
10
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO AL DESGASTE DE UN ACERO INOXIDABLE
AISI 416 NITRURADO PARA APLICACIÓN EN OBTURADORES DE VÁLVULAS
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11
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO AL DESGASTE DE UN ACERO INOXIDABLE
AISI 416 NITRURADO PARA APLICACIÓN EN OBTURADORES DE VÁLVULAS
1.1 Antecedentes del acero.
Aunque no se tienen datos precisos de la fecha en la que se descubrió la
técnica de fundir mineral de hierro para producir un metal susceptible de ser
utilizado, los primeros utensilios de este metal descubiertos por los arqueólogos
en Egipto datan del año 3000 a. C. También se sabe que antes de esa época
se empleaban adornos de hierro.
El acero era conocido en la antigüedad, y quizá pudo haber sido producido por
el método de boomery el cual consiste en la fundición de hierro y sus óxidos
en una chimenea de piedra u otros materiales naturales resistentes al calor, y
en el cual se sopla aire para que su producto, una masa porosa de hierro
(bloom) contuviese carbón.
El hierro para uso industrial fue descubierto hacia el año 1500 a. C.Las
características conferidas por la templabilidad no consta que fueran conocidas
hasta la Edad Media, y hasta el año 1740 no se produjo lo que hoy día
denominamos acero.
Los métodos antiguos para la fabricación del acero consistían en obtener hierro
dulce en el horno, con carbón vegetal y tiro de aire. Una posterior expulsión de
las escorias por martilleo y carburación del hierro dulce para cementarlo. Luego
se perfeccionó la cementación fundiendo el acero cementado en crisoles.
Actualmente, el proceso de fabricación del acero, se completa mediante la
llamada Metalurgia Secundaria. En esta etapa, se otorgan al acero líquido las
propiedades químicas, temperatura, contenido de gases, nivel de inclusiones e
impurezas deseadas. La unidad más común de Metalurgia Secundaria es el
Horno Cuchara Fig.1.1. El acero aquí producido está listo para ser
posteriormente colado, en forma convencional o en colada continua.
Las propiedades físicas de los aceros y su comportamiento a distintas
temperaturas dependen sobre todo de la cantidad del carbono y su distribución.
Antes del tratamiento térmico, la mayoría de los aceros son una mezcla de tres
sustancias, ferrita, perlita y cementita. La ferrita, blanda y dúctil, es hierro con
pequeñas cantidades de carbono y otros elementos de disolución. La cementita
es un compuesto de hierro con el 7% de carbono aproximadamente, es de gran
dureza y muy quebradiza. La perlita es una mezcla de ferrita y cementita, con
una composición específica y una estructura características, sus propiedades
físicas son intermedias entre los dos componentes. La resistencia y la dureza
de un acero que no ha sido tratado térmicamente dependen de las
proporciones de estos tres ingredientes. Cuanto mayor es el contenido en
carbono en un acero, menor es la cantidad de ferrita y mayor la de perlita;
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ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO AL DESGASTE DE UN ACERO INOXIDABLE
AISI 416 NITRURADO PARA APLICACIÓN EN OBTURADORES DE VÁLVULAS
cuando el acero tiene un 0.8% de Carbono, está compuesto de perlita. El acero
con cantidades de carbono aún mayores es una mezcla de perlita y cementita.
1.1 Esquema de un alto horno. [1]
1.2 Principios de los aceros inoxidables.
Los primeros trabajos realizados para la fabricación de los Hierros y aceros
inoxidables datan del siglo XIX. Ya en aquellos días se sabía que el Hierro
aleado con ciertos metales, como el Cobre y el Níquel resistía mejor a la
oxidación que el Hierro ordinario. En 1865 ya se hacían, aunque en cantidades
muy limitadas, aceros con 25 y 35% de Níquel que resistían muy bien la acción
de la humedad del aire y, en general, del medio ambiente; pero se trataba de
fabricaciones en muy pequeña escala que nunca se continuaron. En esa época
no se llegó a estudiar ni a conocer bien esta clase de aceros. En 1872 se
fabricaron aceros con 5% de Cromo que tenían también mayor resistencia a la
corrosión que los hierros ordinarios de esa época. Posteriormente en 1892 se
estudió las propiedades de ciertos aceros aleados con cromo y se dio a
conocer en un escrito que el cromo mejoraba sensiblemente la resistencia a la
corrosión. En 1904-1910 se continuaron los estudios, en Francia, realizándose
numerosos estudios sobre aceros aleados con cromo y níquel, determinando
microestructuras y tratamientos de muchos de ellos. Llegaron a fabricar aceros
muy similares a los típicos aceros inoxidables que se usan en la actualidad,
pero hasta entonces nunca le dieron especial atención a la inoxidabilidad.
El desarrollo original de lo que son actualmente los aceros inoxidables
aconteció en los albores de la primera guerra mundial. En forma independiente
y casi simultánea, en Inglaterra y en Alemania se descubrieron los aceros
inoxidables tal como los conocemos ahora. El metalurgista inglés Harry Brearly
investigando cómo mejorar una aleación para proteger los cilindros de los
cañones, encontró que agregando cromo a los aceros de bajo carbono, obtenía
aceros resistentes a las manchas (stainless) o resistentes a la oxidación.
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ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO AL DESGASTE DE UN ACERO INOXIDABLE
AISI 416 NITRURADO PARA APLICACIÓN EN OBTURADORES DE VÁLVULAS
Posteriormente, a partir de las pocas aleaciones experimentadas en 1920 y de
un limitado número de grados comercialmente disponibles en 1930, la familia
de los aceros inoxidables ha crecido en forma impresionante. Dentro de la
siderurgia, la historia de los aceros inoxidables es bastante corta, de hecho
están en la etapa de introducción. En la actualidad se cuenta con un gran
número de tipos y grados de acero inoxidable en diversas presentaciones, y
con una gran variedad de acabados, dimensiones, tratamientos, etc.
Los aceros inoxidables son aleaciones a base de Hierro, Cromo, Carbono y
otros elementos, principalmente Níquel, Molibdeno, Manganeso, Silicio, etc. Se
considera a los aceros inoxidables como aquellas aleaciones ferrosas que
contienen Cromo en una proporción mínima del 12%. Entre los elementos de
aleación, dos se destacan: el Cromo, elemento presente en todos los aceros
inoxidables por su papel en la resistencia a la corrosión y el níquel por la
memoria en las propiedades mecánicas.
La propiedad más característica de estas aleaciones es la de resistir muy bien
la corrosión; esto se debe a la propiedad de pasivarse en un ambiente
suficientemente oxidante (por ejemplo aire) por medio de la formación de una
película superficial de Óxido de Cromo. En estas condiciones se habla de acero
inoxidable en estado pasivo.
1.3 Diagramas de fase.
En el diagrama de equilibrio, o de fases, Fe-C se representa las
transformaciones que sufren los aceros al carbono con la temperatura
admitiendo que el calentamiento o el enfriamiento de la mezcla se realizan muy
lentamente de modo que los procesos de difusión (homogenización) tienen
tiempo para completarse. Dicho diagrama se obtiene experimentalmente
identificando los puntos críticos temperaturas a las que se producen las
sucesivas transformaciones por métodos diversos.
El Hierro es un metal alotrópico lo que significa que puede presentarse en
diversas variedades de estructuras cristalinas, dependiendo el que adopte una
u otra temperatura a que se encuentre su curva de enfriamiento es la
presentada en la Fig. 1.2.
IPN-ESIME-UPA
14
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO AL DESGASTE DE UN ACERO INOXIDABLE
AISI 416 NITRURADO PARA APLICACIÓN EN OBTURADORES DE VÁLVULAS
Figura 1.2. Curva de enfriamiento del hierro puro.[2]
Al solidificar a 1537ºC lo hace la forma δ (delta), que pertenece a la red cúbica
de cuerpo centrado. Cuando desciende la temperatura a 1401ºC tiene lugar un
cambio de fase reagrupándose los átomos y dando origen a la variedad ɤ
(gamma), la cual es de red cubica de caras centradas y no magnéticas. Al
proseguir el enfriamiento del metal se presenta un nuevo cambio de fase a
907ºC, pasando la estructura del Hierro α (alfa), que pertenece a la red cubica
de cuerpo centrado y también es no magnética. Finalmente, a 767ºC aparece
un cambio en las propiedades magnéticas del Hierro α, el cual pasa de de no
magnético a magnético, sin que la estructura cristalina sufra ninguna
modificación.
1.3.1 Diagrama hierro-carbono.
La adición de elementos de aleación al hierro influye en las temperaturas a que
se producen las transformaciones alotrópicas. Entre estos elementos, el más
importante es el Carbono, el cual al alearse con el Hierro lo hace según al
diagrama de equilibrio.
El procedimiento para trazar el diagrama hierro-carbono es la obtención de las
curvas de enfriamiento y de calentamiento. Las curvas de enfriamiento quedan
definidas por una serie de valores de temperatura en función del tiempo, lo que
da lugar a un conjunto de puntos denominados Ar. Las curvas de calentamiento
vienen definidas, a su vez, por una serie de puntos denominados Ac.
La obtención de este diagrama sugiere la clasificación de la aleación en Hierro,
acero y fundición. El hierro corresponde a la ferrita, la disolución sólida del
hierro α y pequeñas cantidades de carbono: 0.025% a 723°C y 0.008% a la
temperatura ambiente. Si la aleación contiene un porcentaje en Carbono de
hasta 2% de Hierro se denomina acero, si contienen mayor porcentaje en
carbono se llaman fundiciones, estas tienen un punto de fusión más bajo que
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los aceros y presenta mayor colabilidad (facilidad de reproducir los relieves
superficiales, una vez solidificadas, del recipiente que las contiene en estado
líquido), por esta razón la fundiciones se conforman por modelo.
En este diagrama Fig. 1.3 vemos lo siguiente, en el diagrama aparecen tres
líneas horizontales, las cuales indican reacciones isotérmicas. Considerando la
parte del diagrama situada en el ángulo superior izquierdo de la figura, se le
denomina región delta. En ella existe una horizontal correspondiente a la
temperatura de 1493ºC como la línea de una reacción peritética.
La máxima solubilidad del carbono en el hierro δ (de red cúbica de cuerpo
centrado) es de 0.10% de C, mientras que el Fe γ (de red cúbica de caras
centradas) disuelve el Carbono en una proporción mucho mayor la influencia
que ejerce el carbono en la transformación alotrópica δ↔γ. Cuando se adiciona
carbono al Hierro, la temperatura de transformación alotrópica pasa de 1401ºC
a 1493ºC para un contenido de carbono de 0.10%.
La siguiente línea horizontal CD a la cual corresponde la temperatura de
1129ºC. Esta temperatura es de solidificación del eutéctico y la reacción en la
que en ella se desarrolla es: Líquido↔γ+Fe3C mezcla eutéctica.
La mezcla eutéctica, por lo general, no se observa con el microscopio, ya que a
la temperatura ambiente la fase γ no es estable y experimenta otra
transformación durante el enfriamiento.
La última línea horizontal, HK, se presenta a los 722ºC. Esta línea corresponde
a una temperatura de formación del eutectoide, y al alcanzarse en un
enfriamiento lento la fase γ debe de desaparecer. La reacción es la siguiente:
γ↔α+Fe3C.
En función del contenido de carbono el diagrama Hierro-Carbono se divide en
dos partes: una que comprende las aleaciones con menos del 2% de carbono y
se llaman aceros y otra por las aleaciones con más de 2% de Carbono, se
llaman fundiciones. A la vez la región de los aceros se subdivide en otras dos:
una formada por los aceros cuyo contenido en Carbono es inferior al
correspondiente a la composición eutectoide (0.8% de C), los cuales se llaman
aceros hipoeutectoides, y la otra compuesta por los aceros cuyo contenido se
encuentra entre 0.8 y 2% de carbono y se conoce como hipereutectoides.
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Figura 1.3 Diagrama hierro-carbono (fases críticas y puntos de transformación).[2]
1.3.2 Diagrama shaeffler.
Como los aceros inoxidables dependen del porcentaje de Cromo, que tiene que
ser superior a al 12%, de su composición, el aumento de este porcentaje y la
combinación del níquel y el carbono determina la naturaleza y la proporción de
las fases presentes y en consecuencia define el tipo de acero inoxidable.
Además del Cromo, el elemento base de los aceros inoxidables y refractarios,
pueden intervenir otros: Molibdeno, Manganeso, Aluminio, Titanio, Novio,
Cobre, Vanadio, Cobalto Nitrógeno etc., que según las cantidades que se
encuentren en los aceros, adquieren distintas estructuras. En la Fig.1.4 un
diagrama que indica las estructuras en función de las equivalencias de los
diferentes elementos alfágenos y gammágenos. Este diagrama fue trazado por
Shaeffler que indicó las siguientes equivalencias:
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Equivalente del níquel: Ni + 30C+0.5Mn
Equivalente del cromo: Cr + Mo +1.5Si + 0.5Nb
Estas equivalencias indican que la acción gammágena del carbono es 30 veces
más potente que la del níquel y que la acción alfágena del silicio es una vez y
media más fuerte que la del cromo. Deben de hacerse ciertas reservas sobre la
acción del manganeso e indicar además, que los investigadores están todos de
acuerdo sobre el valor exacto de los coeficientes de equivalencia, aunque las
diferencias encontradas intervienen solamente en el caso de los aceros cuya
composición es próxima a los límites entre las fases
Figura 1.4 Representación esquemática del diagrama Shaeffler.[3]
1.4 Estructura de los metales.
En el estado sólido, los átomos causan cierta permanencia de posiciones que
da lugar a la formación de cristales. Sin embargo, los átomos no permanecen
fijos en sus posiciones sino que oscilan alrededor de ellas, estableciéndose un
equilibrio dinámico. Al agruparse los átomos ordenadamente en el espacio
podemos considerar que determinan una red tridimensional llamada red
espacial, obtenida al unir todos los átomos entre sí mediante rectas imaginarias
y que el cristal está constituido por una serie de celdas iguales de simetría igual
a la del cristal.
Red cúbica de cuerpo centrado. Si los átomos se representan por esferas el
átomo central toca a los que ocupan las vértices del cubo, pero estos no se
tocan entre sí. Hasta los 911°C, el hierro ordinario, cristaliza en el sistema
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cúbico centrado en el cuerpo (BCC) Fig.1.5, recibe la denominación de Hierro α
o ferrita. Es un material dúctil y maleable responsable de la buena forjabilidad
de las aleaciones con bajo contenido en carbono y es ferromagnético hasta los
770 °C en donde pierde dicha cualidad. La ferrita puede disolver muy pequeñas
cantidades de carbono. Algunos de los metales que cristalizan en la red B.C.C.
son el Cromo, Tungsteno, Hierro δ, Molibdeno, Vanadio y Sodio.
Figura 1.5 Estructura cúbica centrada en el cuerpo (BCC). [2]
Red cúbica de caras centradas. En esta configuración los átomos pueden
considerarse como situados uno en cada vértice del cubo y otro en cada cara,
no existiendo ninguno en el centro del cubo. Los átomos de cada cara son
tangentes a los situados en los vértices de dicha cara. Entre 911 y 1400°C
cristaliza en el sistema cúbico centrado en las caras (FCC) Fig.1.6, y recibe la
denominación de hierro γ o austenita. Dada su forma cristalina tiene los huecos
más grandes en red, pudiendo así acomodar los átomos de carbono con
distorsión no tan pronunciada como el caso del hierro alfa. Algunos de los
metales que cristalizan en el F.C.C. son: Aluminio, Níquel, Cobre, Oro, Plata,
Plomo y Platino.
Figura 1.6 Estructura cúbica centrada en las caras (FCC). [2]
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Agrupación hexagonal compacta. En este tipo de red los átomos se hallan
distribuidos en los vértices de un prisma hexagonal y en el centro de las bases
del mismo, existiendo además otros tres átomos que se sitúan en los centros
de los prismas triangulares alternativos en el que puede descomponerse el
prisma hexagonal. En esta estructura cristalina Fig.1.7, se pueden considerar
un número infinito de planos, pero la mayoría de ellos son solamente
construcciones geométricas y no tienen ninguna importancia práctica.
Figura 1.7 Agrupación hexagonal compacta.
La perlita. Recibe este nombre la mezcla eutectoide compuesta por 0.80% de
C, que se forma en el enfriamiento lento a 722ºC. La mezcla está formada por
una serie de láminas paralelas de muy pequeño espesor de ferrita y cementita.
En la microestructura se observa un fondo ó matriz blanca de ferrita, la cual
forma la mayor parte de la mezcla eutectoide, conteniendo láminas delgadas
de cementita Fig. 1.8. La perlita en los aceros tiene tanta importancia que
incluso estos se clasifican según la proporción de perlita que contiene en:
aceros hipoeutectoides, aceros eutectoides y aceros hipereutectoides. Las
propiedades mecánicas del acero (dureza, resistencia a la tracción, elongación)
varían considerablemente según el porcentaje de eutectoide.
Figura 1.8 Microestructura de la perlita, X 2500. [2]
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Austenita. El Hierro γ (de red cúbica de caras centradas) disuelve Carbono,
siendo la solubilidad máxima de este en aquel de un 2.0% a 1120ºC, y la
solución sólida intersticial se denomina austenita. El valor medio de las
propiedades es: resistencia a la tracción ,105kg/mm2; alargamiento 10% en 2
pulgadas, dureza de 40 Rockwell. En temperatura ambiente esta estructura no
es normalmente estable, en ciertas condiciones puede presentarse, como la
microestructura de la Fig.1.9. A veces se encuentra junto a la martensita en los
aceros a temperatura ambiente como resultado de enfriar muy rápidamente los
aceros de alto contenido de carbono de muy alta aleación: este es el caso del
acero inoxidable con 18% en Cromo y 8% en Níquel.
Figura 1.9 Microestructura de la austenita, X 500.
Ferrita. Es el hierro alfa α, la cual es una solución sólida intersticial formada por
pequeñas cantidades de carbono disueltas en hierro α (de red cubica de
cuerpo centrado). La solubilidad máxima que presenta es de 722ºC, y es de
0,025% de carbono, a temperatura ambiente el Hierro sólo llega a disolver
solamente 0,008% de C, esta estructura es la más blanda. El valor medio de
sus propiedades es: resistencia a la tracción 28kg/mm2; alargamiento 40% en
2 pulgadas y dureza de 20 Rockwell C. Es decir, hierro casi puro que puede
contener en disolución pequeñas cantidades de Carbono, Silicio, Fósforo y
otras impurezas. En los aceros aleados la ferrita suele contener Níquel,
Manganeso, Cobre, Silicio, Aluminio, etc., en solución sólida sustitucional. Al
microscopio aparece como granos monofásicos con límites de grano menos
rectos que la antenita Fig.10. El motivo es que la ferrita se ha formado en una
transformación en estado sólido. El la observación microscópica de la ferrita no
suelen observarse bandas de deslizamiento.
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Figura 1.10 Microestructura de la ferrita, X 100. [2]
Martensita. Cuando el enfriamiento se realiza a velocidades bajas o
moderadas, los átomos de carbono pueden salir, por difusión, de la estructura
de la austenita, reagrupándose los átomos de Hierro según la estructura de
cuerpo centrado. Esta transformación del Fe γ y en el Fe α se realiza por un
proceso de nucleación y crecimiento, y es función del tiempo. Si la velocidad de
enfriamiento aumenta el Carbono no tiene tiempo suficiente para emigrar por
difusión, de la solución, y aunque los átomos de Hierro se desplazan
ligeramente, no pueden llegar a alcanzar la estructura de cuerpo centrado,
porque parte del carbono queda retenido en la solución. La estructura
resultante, denominada martensita, es una solución sólida sobresaturada de
carbono retenido en una estructura tetragonal de cuerpo centrado. La celdilla
fundamental tiene dos lados iguales, y el tercero, que es un poco mayor a
causa del carbono retenido, guarda con los otros una relación c/a que aumenta
con el contenido de carbono, alcanzando un valor máximo de 1.08, esta
distorsión tan grande de la estructura cristalina es la causa principal de la
elevada dureza de la martensita. Como la celdilla fundamental de la martensita
es menos compacta que la de la austenita, la transformación de esá en aquella
va acompañada de un aumento de volumen, el cual crea una serie de
tensiones internas localizadas que dan lugar a la deformación plástica de la
matriz.
Figura 1.11 Microestructrura de la martensita. [3]
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Después del enfriamiento brusco (temple), la martensita observada en el
microscopio aparece en forma de agujas blancas o estructura acircular, la cual
a veces, se describe como un montón de paja. En la mayor parte de los aceros,
la estructura martensítica aparece en forma difusa sin resolver Fig. 1.11.
1.5 Clasificación de los aceros.
Los diferentes tipos de aceros se agrupan en cinco clases principales: aceros al
carbono, aceros aleados, aceros de baja aleación ultra resistente, aceros
inoxidables y aceros de herramientas.
1) Aceros al carbono: Más del 90% de todos los aceros al Carbono. Estos
aceros contienen diversas cantidades de Carbono y menos del 1,65% de
Manganeso, el 0,6% de Silicio y el 0,6% de Cobre. Entre los productos
fabricados con aceros al carbono figuran máquinas, carrocerías de automóvil,
la mayor parte de las estructuras de construcción de acero, cascos buques y
horquillas.
2) Aceros aleados: Se da el nombre de aceros aleados a los aceros cuyas
propiedades características son debidas a la presencia de algún otro elemento,
además del Carbono. Aunque todos los aceros ordinarios al carbono contienen
pequeñas cantidades de manganeso (hasta un 0.90% aproximadamente) y el
silicio (hasta un 0.30% aproximadamente), no se consideran como aceros
aleados, ya que la función principal de estos dos elementos es actuar como
desoxidantes, combinándose con el oxígeno y el azufre reduciendo los efectos
perjudiciales de los elementos.
3) Aceros de baja aleación ultra resistentes: Esta familia es la más reciente
de cinco grandes clases de acero. Los aceros de baja aleación son más
baratos que los aceros aleados convencionales ya que contienen cantidades
menores de los costosos elementos de aleación. Sin embargo reciben un
tratamiento especial que les da una resistencia mucho mayor que la del acero
al Carbono. Por ejemplo, los vagones de mercancías fabricados con aceros de
baja aleación pueden transportar cargas más grandes porque sus paredes son
más delgadas que lo que sería en cada caso de emplear acero al Carbono.
Además, como los vagones de acero de baja aleación pesan menos, las cargas
pueden ser más pesadas.
4) Aceros inoxidables: Los aceros inoxidables contienen Cromo, Níquel y
otros elementos de aleación, que los mantienen brillantes y resistente a la
herrumbre y oxidación a pesar de la acción de la humedad o de ácidos o gases
corrosivos. Algunos aceros inoxidables son muy duros; otros son muy
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resistentes y mantienen esa resistencia durante largos periodos a temperaturas
extremas.
5) Aceros de herramientas: Estos se utilizan para fabricar muchos tipos de
herramientas y cabezales de corte y modelado de máquinas empleadas en
diversas operaciones de fabricación. Contiene Tungsteno, Molibdeno y otros
elementos de aleación, que les proporciona mayor dureza y durabilidad.
1.5.1 Formación de Películas Pasivas.
La propiedad más característica de estas aceros inoxidables es la de resistir
muy bien la corrosión; esto se debe a la propiedad de pasivarse en un
ambiente suficientemente oxidante (por ejemplo aire) por medio de la formación
de una película superficial de Óxido de Cromo. En estas condiciones se habla
de acero inoxidable en estado pasivo.
Las películas pasivas son extraordinariamente finas (en los aceros inoxidables
son películas de un espesor aproximado de 30 a 50 angstrom, siendo el
angstrom la diezmillonésima parte de un milímetro). En los aceros inoxidables,
la película pasiva Fig.1.12, se forma por óxidos e hidróxidos de hierro y cromo
(un oxi-hidróxido) y se puede formar de manera espontánea en presencia del
oxígeno y del agua (de la humedad del aire, por ejemplo).
Figura 1.12 Formación de la película pasiva en los aceros inoxidables. [1]
La película pasiva de los aceros inoxidables es muy fina y muy adherente. Los
aceros inoxidables forman y conservan películas pasivas en una gran variedad
de medios, lo que explica la elevada resistencia a la corrosión de estos
materiales y la gran cantidad de alternativas que hay para la utilización de los
mismos.
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1.6 Elementos de aleación.
Con la adición de elementos de aleación al acero se pretende conseguir la
obtención de diversas finalidades, destacando entre ellas, por su importancia,
las siguientes:
1. Un aumento de la templabilidad.
2. Mejora la resistencia a temperatura ordinaria.
3. Mejora las propiedades físicas a cualquier temperatura ordinaria.
4. Conseguir una tenacidad elevada en un mínimo de dureza o resistencia.
5. Aumentar la resistencia al desgaste.
6. Aumentar la resistencia a la corrosión.
7. Mejorar las propiedades magnéticas.
Los elementos de aleación pueden clasificarse de acuerdo con la tenacidad
que tengan a disolverse en la ferrita o formar carburos, en los dos grandes
grupos siguientes:
Grupo 1. Elementos que se disuelven en la ferrita.
Grupo 2. Elementos que se combinan con el carbono para formar carburos
simples o complejos.
Teóricamente todos los elementos son probablemente solubles, en mayor o
menor grado, en la ferrita, pero algunos de ellos tienen una tendencia mucho
mayor a disolverse que a formar carburos. Por ejemplo el Níquel, el Aluminio, el
Silicio, el Cobre y el Cobalto, se caracterizan por encontrarse siempre disueltos
en la ferrita. En cambio, los elementos como el Manganeso, Cromo, Molibdeno,
Vanadio tienen tendencia a formar carburos, pero cuando se encuentran en
aceros de muy bajo contenido de carbono, se comportan como los del 2do.
grupo y se disuelven en la ferrita. Por lo tanto la tendencia para formar carburos
se pone de manifiesto, en la Tabla 1.1 se indican las formas en las que pueden
presentarse los diferentes elementos en los aceros.
Todos los elementos de aleación, al disolverse en la ferrita, aumentan su
dureza y resistencia, de acuerdo con los principios que rigen el aumento de la
dureza de las soluciones sólidas. La influencia de los elementos aleados en la
dureza es pequeña, y explica la mínima contribución de la resistencia de la
ferrita a la resistencia total del acero.
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Tabla 1.1 Conducta de los diversos elementos en los aceros. [2]
Elemento de
aleación
Grupo 1 disuelto
en ferrita
Grupo 2 combinados
en forma de carburos
Níquel
Ni
Silicio
Si
Aluminio
Al
Cobre
Cu
Manganeso
Mn
Mn
Cromo
Cr
Cr
Tungsteno
W
W
Molibdeno
Mo
Mo
Vanadio
V
V
Titanio
Ti
Ti
Cuando un acero, además de Hierro y Carbono, contiene un tercer elemento, el
diagrama hierro carbono queda modificado y no nos sirve para representar las
condiciones teóricas de equilibrio de la aleación. La presencia de elementos de
los elementos de aleación en el acero afectará a la situación de los puntos
críticos, al contenido de carbono del acero eutectoide y a la situación de los
campos correspondientes a los hierros alfa y gamma del diagrama clásico
hierro-carbono. El Níquel y el Manganeso tienden a bajar los puntos críticos de
transformación del calentamiento, en tanto que el Molibdeno, Aluminio, Silicio,
Tungsteno y Vanadio tienden a elevar las temperaturas. Esta variación de las
temperaturas críticas, originada por la presencia de elementos de aleación,
tiene gran importancia en el tratamiento térmico de los aceros aleados, ya que
aumenta o disminuye la temperatura de temple más adecuada en relación con
la correspondiente a los aceros ordinarios al carbono.
La presencia de los elementos de aleación afecta también la posición del punto
eutectoide, el cual se desplaza con relación a la posición normal que tiene en el
diagrama Hierro-Carbono. Todos los elementos de aleación hacen descender
el contenido en Carbono del acero eutectoide, el Níquel y el Manganeso
tienden además a bajar la temperatura eutectoide.
1.6.1 Aceros al Cromo.
El Cromo es un elemento de aleación más barato que el níquel y muestra una
fuerte tendencia a formar carburos de Cromo (Cr7C3, Cr4C) y carburos
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complejos [(FeCr)3C], los cuales presentan una dureza elevada y ofrecen una
buena resistencia al desgaste. En cantidades inferiores al 13%
aproximadamente, se disuelve en Hierro γ, y presentando una solubilidad
limitada en la ferrita (hierro α). En los aceros bajos en Carbono tiende a
disolverse, aumentando la resistencia y tenacidad de la ferrita. Cuando el
Cromo se encuentra en cantidades superiores al 5% mejoran notablemente las
propiedades en cliente y la resistencia de la corrosión de los aceros.
Los aceros al Cromo bajos en carbono se utilizan normalmente para la
cementación, ya que la presencia de Cromo aumenta la resistencia al desgaste
de la capa dura y la tenacidad del núcleo. Los aceros al Cromo con un
contenido medio de carbono se templan en aceite y se utilizan en la fabricación
de muelles, pernos, espárragos y ejes. Los aceros altos en carbono (1%) y
altos en Cromo (1.5%) se caracterizan por su elevada dureza y resistencia al
desgaste, utilizándose en la fabricación de rodamientos a bolas y rodillos y en
la construcción de quebrantadoras. Dentro de los aceros al Cromo, los que
contienen 1% de Carbono y de 2 a 4% de Cromo presentan unas propiedades
magnéticas excelentes, por lo que se utilizan en la construcción de
electroimanes.
1.6.2 Aceros al Cromo-Níquel.
En este tipo de aceros la proporción entre el contenido de Níquel y el Cromo es
aproximadamente de 2.5 partes de Níquel al 1 del Cromo. La adición de más
de un elemento de aleación al acero normal suele conferir a éste algunas
propiedades características de cada uno de ellos. El efecto del Níquel que da
lugar al aumento de la tenacidad y de la ductibilidad se combina con el efecto
del cromo, consistente en una mejora de la templabilidad y de la resistencia al
desgaste. El efecto combinado de dos o más elementos de aleación sobre la
templabilidad es normalmente mayor que la suma de los efectos debidos a
cada uno de ellos por separado.
Los aceros al Cromo-Níquel con bajos porcentajes de carbono se emplean
para la cementación. El Cromo presenta resistencia al desgaste a la capa dura,
en tanto que ambos elementos mejoran la tenacidad en el núcleo. Los aceros
con 1.5% de Níquel y 0.60% de Cromo se utilizan para la fabricación de
tornillos sin fin, muñones de pie de biela, etc. En los aceros dedicados a la
fabricación de piezas sometidas a trabajos muy duros, tales como los
engranajes y levas de aviación, el contenido de Níquel aumenta a 3.5% y del
Cromo 1.5%. Los aceros al cromo níquel con contenidos medios se emplean
para la industria automovilística, en la fabricación de bielas y ejes de motores.
1.6.3 Aceros al Manganeso.
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El Manganeso, uno de los elementos de aleación más baratos, aparece
prácticamente en todos los aceros, debido a que se añade como desoxidante.
Únicamente cuando el contenido en Manganeso de un acero es superior al 1%,
se puede clasificar dicho acero como aleado. El Manganeso influye
notablemente en la resistencia y dureza de los aceros, aunque en menor grado
que el Carbono, siendo más acentuada su influencia moderada sobre la
templabilidad. Igual que ocurre con el Níquel, el Manganeso hace descender la
temperaturas críticas y disminuye el contenido de Carbono del acero
eutectoide.
Los aceros al manganeso de grano fino poseen una extraordinaria tenacidad y
resistencia, utilizándose con mucha frecuencia en la fabricación de engranajes,
ejes y tubos de fusil. Los aceros al Manganeso con cantidades moderadas de
vanadio, se utilizan en las grandes piezas de forja que tienen que enfriarse al
aire. Después de normalizados, estos aceros quedan con unas características
análogas a la de los aceros ordinarios al carbono templados y revenidos.
Empleando el Manganeso en porcentajes superiores, aproximadamente al
10%, el acero, después de un enfriamiento lento, queda en estado austeníticos.
Entre estos aceros, el 12% de Manganeso se caracteriza por la gran
resistencia, ductilidad y excelente resistencia al desgaste que presenta
después del tratamiento térmico adecuado, se emplea para la fabricación de
piezas de trabajos duros, como excavadoras, dragas, máquinas
quebrantadoras y trituradoradas, y cruzamientos de vías que convine que
tengan gran resistencia a la abrasión y al desgaste. Cuando esta aleación de
enfría directamente de la temperatura de 950°C, aproximadamente la
estructura está formada por grandes partículas de carburo frágiles que rodean
a los granos de ausentita.
1.6.4 Aceros al Silicio.
Este elemento aparecen todos los aceros, lo mismo que el Manganeso, porque
constituye un desoxidante barato. Únicamente cuando el contenido de Silicio
de un acero es superior al 0.60%, se puede clasificar dicho acero como aleado.
El Silicio al igual que el níquel, no es un formador de carburos, sino que se
disuelve en la ferrita, aumentando la resistencia de la tenacidad. El silicio
cuando se encuentra en porcentajes variables del 1 a 2% da lugar a un tipo de
acero conocido como acero naval, que es un acero de construcción que se
utiliza en los casos en que se quiere un punto de fluencia elevado. El acero al
Silicio con un contenido en Carbono inferior al 0.1% y con uno de 3%
aproximadamente el Silicio, se caracteriza por sus excelentes propiedades
magnéticas, por lo que se utiliza en los inducidos y polos de la maquinaria
eléctrica.
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Cuando se adicionan las cantidades adecuadas de Silicio y Manganeso se
obtiene una resistencia sumamente elevada, junto con una buena ductilidad y
tenacidad. En los aceros Mangano-Siliciosos son muy utilizados en la
fabricación de muelles, cinceles y punzones.
1.6.5 Aceros al Molibdeno.
El Molibdeno es un elemento de aleación relativamente caro, que presenta una
solubilidad limitada en los Hierros α y γ, tiene una fuerte tendencia a formar
carburos. Este elemento ejerce una gran influencia en la templabilidad, y como
el Cromo, aumenta la resistencia y la dureza de los aceros en caliente. El
Molibdeno se emplea con mucha frecuencia en combinación con el Níquel o el
Cromo o con ambos simultáneamente. En el cementado aumenta la resistencia
al desgaste de la capa dura y la tenacidad del núcleo. Los aceros al CromoNíquel-Molibdeno, con un contenido medio de Carbono, presenta una
templabilidad muy elevada y es muy utilizado en la industria aeronáutica en la
estructura de las alas, fuselaje y tren de aterrizaje.
1.6.6 Aceros al Tungsteno.
El Tungsteno influye en la templabilidad, tiene una gran tendencia a formar
carburos y retarda el ablandamiento de la martensita por revenido. El efecto del
Tungsteno sobre el acero es similar al del Molibdeno aunque se requieren
cantidades mayores, ya que aproximadamente de 2 a 3% de Tungsteno
equivale a 1% de Molibdeno. Como el Tungsteno es relativamente caro y se
necesitan grandes cantidades para conseguir un efecto apreciable, no se utiliza
corrientemente en la fabricación de aceros.
1.6.7 Aluminio.
El Aluminio se emplea como elemento de aleación en los aceros de nitruración,
que suelen contener 1% aproximadamente de aluminio. También se usa en
algunos aceros resistentes al calor. El Aluminio es un elemento desoxidante
muy enérgico y es frecuente añadir 300 gr. por tonelada de acero para
desoxidarlo y afinar el grano. En general los acero aleados de calidad
contienen aluminio en porcentajes pequeñísimos de 0,001 a 0,008% de Al.
Influencias directas de los elementos de aleación.
La tendencia que tienen ciertos elementos a disolver la ferrita o formar
soluciones sólidas con el Hierro alfa y la tendencia que en cambio tiene
otros a formar carburos.
La influencia de los elementos de aleación en los diagramas de equilibrio
de los aceros.
La influencia de los elementos aleados sobre la templabilidad.
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La influencia que tienen en retardar el ablandamiento que se producen
en el revenido
Mejoras en la resistencia a la corrosión, resistencia al calo, resistencia a
la abrasión, etc.
1.7 Tipos de aceros inoxidables.
Este tipo de aceros se utiliza en aquellos casos en que se necesita resistencia
a la corrosión y también el efecto de temperaturas elevadas. Para identificarlos
se utiliza un sistema numérico de tres cifras, Tabla 1.2, de las cuales las dos
últimas no tienen ningún significado especial, y la primera indica el grupo al que
pertenece en la forma siguiente:
Tabla 1.2 Clasificación de los aceros inoxidables. [2]
Designación de la
serie
Grupos
2xx
Cromo-níquel-magnético; no templable,
austenítico, no magnético.
3xx
Cromo-níquel; no templable, martensítico,
magnético.
4xx
Cromo; templable, martensítico, magnético
5xx
Cromo; bajo en cromo, resistencia a la
temperatura.
El comportamiento de los aceros inoxidables, después del tratamiento térmico,
dependen de su composición.
1.7.1 Aceros inoxidables martensíticos.
Los aceros inoxidables martensíticos son aceros al cromo (11.5%-18%) que
contienen pequeñas cantidades de otros elementos de aleación. Entre los
aceros pertenecientes a este grupo podemos indicar los tipos 403,410, 416,
420,440A, 501 y 502, siendo los más utilizados los 410 y 416. Este tipo de
aceros son magnéticos, pueden trabajarse en frío sin ninguna dificultad, sobre
todo los de bajo contenido de carbono, son de fácil mecanización y presentan
buena tenacidad Los contenidos de carbono pueden variar entre un mínimo de
0.1% hasta un máximo de un 1.2%.
Características de los Martensíticos.
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Los aceros inoxidables martensíticos tienen la característica común de ser
magnéticos y endurecibles por tratamiento térmico, presentando cuando
templados una microestructura acicular (en forma de agujas). Los aceros
inoxidables martensíticos son susceptibles de elevar sus características
mecánicas de resistencia y dureza mediante un tratamiento térmico de temple.
Según la cantidad de C y Cr en la aleación se pueden obtener, mediante el
calentamiento a temperaturas superiores a la de austenización estructuras
completamente austeníticas o estructuras austeníticas más carburos. Se
entiende, pues, que habrá en todo acero templado estructuras formadas por
martensita, o bien, por martensita más carburos.
En cuanto a las características físicas principales de estos aceros observamos
que, en general, el peso específico se distingue poco del de los aceros
comunes al carbono junto con el módulo de elasticidad, el coeficiente de
dilatación lineal y calor específico. La resistividad específica es, por el contrario,
mucho más elevada; por otra parte, la conductividad térmica resulta inferior. El
intervalo de temperatura de fusión es generalmente más elevado que el de los
aceros comunes al carbono o aleados. La permeabilidad magnética los clasifica
entre los materiales ferromagnéticos.
Las características mecánicas a temperaturas inferiores a la ambiente señalan
una brusca reducción de la tenacidad. Por ello cuanto estos aceros se emplean
a temperaturas bajas es preciso que hayan sufrido un tratamiento de
bonificación. La brusca reducción de la tenacidad viene acompañada por una
disminución del alargamiento y de la estricción, mientras que, por el contrario,
aumentan notablemente los valores de carga de rotura, del límite elástico y de
la dureza. El límite de elasticidad de los aceros martensíticos con alto
contenido de carbono puede variar de aproximadamente 500 MPa una vez
recocidos cerca de los 1.900 MPa cuando este mas endurecido (apagado y
templado). Los rangos de dureza correspondiente, según la dureza Brinell,
varían de 230 a 600, aproximadamente.
Aplicaciones de los aceros inoxidables martensíticos.
Las aplicaciones de esta familia de aceros es: la cuchillería, accesorios para
bombas, válvulas para los motores, navajas para afeitar, equipos para la
industria petrolífera y alimenticia, tuercas tornillos, muelles, etc. Los aceros con
cromo de 16% se emplean ejes y hélices marinos, palas de turbinas de vapor.
En la industria química Fig. 1.13, se emplea el AISI 416 en estado bonificado,
cuando sea necesaria una buena resistencia mecánica; para piezas de bombas
y compresores, para tubos destinados a intercambiadores de calor que operen
a elevadas presiones y también en el proceso de producción del polietileno.
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Otras aplicaciones de los aceros inoxidables martensíticos son en la industria
aeronáutica AISI 420, o en la industria naval (AISI 431 para ejes portahélices).
Figura 1.13 Aplicaciones de los aceros inoxidables martensíticos. [13]
1.7.2 Aceros inoxidables Ferríticos.
Los aceros inoxidables ferríticos también son magnéticos, contienen solamente
cromo y tienen una estructura metalografía formada básicamente de ferrita. A
pesar de tener una menor cantidad de carbono que los martensíticos, se tornan
parcialmente austeníticos a altas temperaturas y consecuentemente precipitan
martensita durante el enfriamiento. Puede decirse que son parcialmente
endurecibles por tratamiento térmico. Estos son fabricados 12% y 18% de
Cromo, con el Carbono controlado con un bajo porcentaje. Estos aceros
prácticamente no se endurecen por tratamientos térmicos.
Características de los Ferríticos.
Estos aceros son ferro-magnéticos y pueden endurecerse moderadamente por
trabajo en frío y se distinguen porque son atraídos por un imán.
Los aceros ferríticos pueden ser forjados, y trabajados en caliente algo más
fáciles que los martensíticos y pueden ser enfriados al aire después de
trabajarlos en caliente sin peligro de que se agrieten.
Los aceros inoxidables ferríticos contienen de un modo general una aleación de
Cromo superior a la de los martensíticos. Este aumento en la cantidad de
cromo mejora la resistencia a la corrosión en diversos medios, pero sacrifica en
parte otras propiedades, como la resistencia al impacto.
Aplicaciones de los aceros inoxidables ferríticos.
El más utilizado de los aceros inoxidables ferríticos es el Tipo 430, que
contiene 16% a 18% de Cromo y un máximo de 0.12% de Carbono. Entre sus,
aplicaciones Fig. 1.14, se puede mencionar: cubiertos, vajillas, cocinas, piletas,
monedas, revestimientos, mostradores frigoríficos.
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Figura 1.14 Aplicaciones de los aceros inoxidables ferríticos. [13]
1.7.3 Aceros inoxidables Austeníticos.
Los aceros inoxidables austeníticos son fabricados, con de un 16% a un 21%
de Cromo y con un 6% a un 26% de Níquel, y el contenido de carbono se
encuentra presente como elemento residual y tiene una estructura básicamente
de austenita.
Estos aceros no pueden endurecerse por tratamiento térmico. Estos aceros
tienen considerablemente mejor resistencia a la corrosión de los aceros
martensíticos y ferríticos y se caracterizan por su excelente resistencia
mecánica y resistencia a la oxidación a elevadas temperaturas.
Características de los Austeníticos.
Estos aceros en estado de recocido no son ferro-magnéticos pero llegan a
hacerlo parcialmente magnéticos después de trabajarse en frío. Los aceros
austeníticos pueden ser forjados y trabajados, y pueden ser enfriados al aire
después de trabajarlos en caliente sin peligro de que se agrieten.
Para la maquinabilidad de los aceros austeníticos generalmente se requieren
cortes más gruesos y velocidades más bajas en los empleados en los aceros
martensíticos y ferríticos. Otra característica de estos aceros es la corrosión
intragranular después de prolongados calentamientos dentro de los intervalos
de temperatura de 400°a 900 °C.
Aplicaciones de los aceros inoxidables austeníticos.
Los inoxidables austeníticos son utilizados en aplicaciones a temperatura
ambiente, en altas temperaturas (hasta 900 ºC) y en bajísimas temperaturas
(condiciones criogénicas), todo lo contrario con lo que sucede de los ferríticos
y martensíticos con un conjunto de alternativas que es difícil que sean
conseguidas con otros materiales. Con la transformación en frío conseguimos
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mejorar la carga de rotura y el límite elástico pero se vuelven ligeramente
magnéticos al transformarse parte de la austenita en martensita En la Fig. 1.14
muestra la aplicación de los aceros inoxidables austeníticos como son:
La maleabilidad de estos aceros es muy garande, por eso se emplean en
embutición
Figura 1.14 Aplicaciones de los aceros inoxidables auteníticos. [13]
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2.1 Introducción.
Las válvulas son una parte esencial de cualquier sistema de tuberías que
transmite líquidos, gases, vapores, lodos y mezclas de líquido, fases de gases
de varios tipos de flujo. Comenzando con primitivas formas para detener,
permitir o desviar el flujo del agua de una fuente a través de poco o profundos
canales, tales como cuñas hechas de madera o piedra, se trababan entre los
bordes del canal del agua, el hombre ha desarrollado diferentes simples o
sofisticadas formas de diseños de válvulas. Diferentes tipos de válvulas como
son: de compuerta, globo, retroceso, bola, tapón, mariposa, diafragma,
estricción, presión de alivio y válvulas de control. Cada tipo de estas válvulas
tiene muchas categorías y diseños, cada una ofrece diferentes características y
capacidades de funcionamiento. Algunas válvulas son automáticas mientras
otras son operadas manualmente o tienen actuadores que son controlados por
motores eléctricos, son neumáticos o hidráulicos, o una combinación para
operar la válvula. Las válvulas son manufacturadas con metales o no metales.
Las válvulas son usadas en sistemas de tubería industrial, transportación y
distribución de las líneas de tubería, construyendo servicios de tuberías,
servicios domésticos y la irrigación de los sistemas de tuberías. Los sistemas
de tubería industrial, comercial, residencial, y otro tipo de aplicaciones llevan
los liquidaos vitales de la moderna civilización, como arterias y venas. Y las
válvulas en esos sistemas de tubería cumplen la función de permitir, detener,
regular y controlar el flujo, cumpliendo con los objetivos del sistema. Cuando la
presión del fluido sobrepasa la presión del rango límite, las válvulas liberan esta
sobre presión para salvaguardar la integridad del sistema de tubería ó un
componente. Las válvulas ayudan a mantener o romper un vacío. Las válvulas
también asisten a mantener la presión o la temperatura del medio del fluido
dentro del rango deseado o limite. Para poder seleccionar la válvula adecuada
para una aplicación particular, el usuario debe de evaluar las características de
la válvula, incluyendo características de diseño, materiales de construcción y
aplicación, en una requerimientos de una aplicación específica: características
del fluido, requerimientos del proceso de diseño, criterios de diseño de tubería
y factores económicos.
2.2 Clasificación de las válvulas.
Lo siguiente son algunas de las comúnmente clasificaciones de uso de las
válvulas:
2.2.1 Clasificación basada sobre el movimiento mecánico.
Basado sobre el movimiento mecánico o cíclico del elemento de obstrucción,
las válvulas son clasificadas como sigue:
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Movimiento lineal de la válvula: las válvulas en que su elemento de
obstrucción, como la válvula de compuerta, globo, diafragma y válvulas de
restricción de levante, se mueven en línea resta para permitir, detener o
estrangular el fluido.
Movimiento rotatorio de la válvula: cuando el elemento de obstrucción de
desplaza en una trayectoria de forma angular o circular, como la válvula de
mariposa, bola, excéntrica, o válvulas de restricción de giro, las válvulas son
llamadas válvulas de movimiento rotatorio.
Válvulas de un cuarto de giro: algunas válvulas de movimiento de giro
requieren aproximadamente un cuarto de giro, de 0 a 90°, el movimiento del
vástago de completamente va desde
posición completamente abierto a
completamente cerrado, y viceversa
2.2.2 Clasificación basada en el tamaño de la válvula.
Tamaño de la válvula. El tamaño de la válvula es indicado por el tamaño
nominal de la tubería (NPS), que es igual al tamaño del extremo de la conexión
de la válvula o el tamaño borde del extremo. En el sistema métrico, el tamaño
de la válvula es designado por el diámetro nominal (DN) de la conexión de la
tubería o de los extremos de los bordes. Cuando la válvula es instalada con
reductores en cada extremo, el tamaño de la válvula será igual al tamaño del
extremo del reductor de conexión añadido a la válvula. El tamaño de la válvula
no es necesariamente igual al tamaño del diámetro interior de la válvula. Es
normal en la industria categorizar las válvulas, basadas sobre el tamaño, en
dos clasificaciones: chica y grande.
Válvulas chicas: NPS 2 (DN 50) y más pequeñas válvulas son llamadas
válvulas pequeñas. En otras veces NPS 2½ (DN 65) y más pequeñas son
referidas como válvulas pequeñas. Como tal, la clasificación del tamaño puede
variar y, por lo tanto, eso no debe ser considerado una clasificación práctica
industrial.
Válvulas grandes. NPS 2½ (DN 65) y más grandes, son clasificadas como
válvulas de mayor tamaño. Como se ha indicado, NPS 2½ (DN 65) las válvulas
pueden ser consideradas como válvulas pequeñas, dependiendo sobre los
criterios usados en la clasificación de las válvulas pequeñas.
2.2.3 Clasificación en los rangos de presión y temperatura.
Clase de rangos. Los rangos de presión-temperatura de las válvulas son
designados por una clase de números. Basados en los materiales de
construcción, rangos de presión-temperatura para cada clase son tabuladas
para dar un máximo permisible de presión de trabajo, expresado como un
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cálculo de presión, en la temperatura mostrada. La temperatura muestra un
rango de presión correspondiente. Equipos como sistemas de tubería o una
porción de la misma, una bomba, tanque, intercambiador de calor, recipiente de
presión, válvulas, etc., son considerados componentes.
La norma ASME B16.34 de válvulas de extremos, de bridas, roscadas y
soldadas es una de la más amplia norma usada en válvulas. Esta define tres
tipos de clase de válvulas estándar, especial y limitada, esta norma cubre las
clases 150, 300, 400, 600, 900, 1500, 2500 y 4500 válvulas. La norma también
permite válvulas sean clasificadas como intermedias de quien los rangos de
temperatura podrían estar dentro de las válvulas de clase especial y estándar.
Rango de presión de trabajo en frío (CWP). Este rango representa la máxima
presión de trabajo permisible en la temperatura ambiente, para que la válvula
sea clasificada en servicio normal. Alunas veces es clasificado como un rango
en frío. El rango de trabajo de la válvula es de -29 a 38°C. las válvulas
designadas con CWP son puestas en aplicaciones en el que el fluido es
mantenido a temperatura ambiente, como son los sistemas de conducción de
aceite, agua y gas .
Rangos de servicio general. Las válvulas de rangos de servicio general
podrían ser consideradas el equivalente de las de CWP. Algunos fabricantes de
válvulas asignan dos rangos: para servicio en caso de incendios y de uso
general, para rangos de presión de 1210 kPa, podría tener un rango de servicio
de hasta de 2760 kPa a la temperatura ambiente. Esto significa que esta
válvula puede ser usada para un sistema contra incendios, teniendo un máximo
permisible de presión de trabajo de 1210 kPa o menos, mientras pude ser
usada en otros servicios y ser sujeta al máximo permisible de 2760 kPa. Uno
debe de clasificar el servicio de acuerdo al código de construcción, como
requerimiento. Si el servicio no cae dentro del código de jurisdicción, un
prudente juicio del ingeniero podría ser seguido en la selección de la válvula.
Rango presión de trabajo de vapor (SWP). El rango de presión de vapor
tiene por objeto definir la máxima presión de trabajo correspondiente a la
temperatura del vapor. Una válvula asignada en un rango establecido no debe
ser usada en presiones de servicio de vapor y temperaturas que excedan el
rango.
2.3 Partes principales de las válvulas.
El cuerpo de las válvulas el bonete o cubierta, el obturador y tornillería de unión
bonete cuerpo son clasificados como partes retenedores de presión de la
válvula.
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Cuerpo. El cuerpo de la válvula aloja las partes internas de la válvula y
suministra un pasaje para el flujo del fluido Fig. 2.1. El cuerpo de la válvula
puede ser fundido, forjado, fabricado o hecho por una combinación fundido,
forjado o fabricado. Los cuerpos de las válvulas pueden ser y están hechos de
una variedad de metales y aleaciones. También pueden ser hechos de no
metales, pero, pero estos deben de estar dentro de un rango de presión limites.
Los extremos de las válvulas son diseñados con el objeto de conectar la
válvula con la tubería o la boquilla de la equipo por diferentes tipos de
conexiones, como son filete para soldadura, roscado, tornillos, con pegamento
de solvente, junta mecánica ó por empalme.
Bonete o cubierta. El bonete o la cubierta es ensamblada al cuerpo de la
válvula para completar toda la parte exterior de la válvula. En el caso de las
válvulas de compuerta, globo y diafragma, contienen una abertura para el paso
del vástago por la válvula. Las partes superiores de funcionamiento de la
válvula como son bonete, vástago y mecanismos de operación. El bonete es la
base de soporte de los elementos superiores de trabajo.
El bonete de la válvula es sujetado al cuerpo por diferentes tipos de uniones:
tornillería, juntas de sellos de presión, remaches, roscado, soladura, juntas de
unión y sellos de abrazadera. Algunas válvulas tienen un diseño sin bonete, en
el que la el cuerpo y el bonete están combinados en uno sólo. Esto es también
conocido bonete integrado.
El bonete diseñado para atornillarse es comúnmente usado en materiales
fundidos ó de hierro dúctil, acero forjado y aleaciones, que son clasificadas
NPS 2½ (DN 65) y más grandes, clases de 600 y abajo. Válvulas con un diseño
de presión del sello del bonete son usualmente fabricadas en la clase 600 y
con clasificaciones de rangos más altos y son consideradas de estrecho goteo.
Válvulas con el bonete sujeto por tornillos son también producidas los rangos
de 900 ó más altas. El usuario necesita considerar el potencial de las
consecuencias en el goteo del tipo de flujo a través de la junta del cuerpo del
bonete y tomar las medidas necesarias para prevenir o contener el goteo.
Tornillería del bonete ó cubierta. La tornillería incluye tornillos, tuercas y
rondanas. La tornillería para ser usada debe estar hecha de materiales
aceptables de acuerdo con el código aplicable, especificaciones, o regulación
gubernamental.
Obturador. El obturador es la parte que permite, estrangula, o detiene el flujo,
dependiendo de su posición. En caso de tapón ó bola de la válvula, el disco es
llamado tapón ó bola. El obturador de la válvula puede ser fundido, forjado o
fabricado. El obturador es sellado contra los sellos fijos de la válvula, cuando la
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válvula está en posición de cerrado. El obturador pude ser movido de los sellos
de la válvula por el movimiento del vástago, con la excepción de las válvulas de
retroceso y alivio de seguridad, en donde el disco es movido de los sellos por el
flujo del fluido ó la presión.
Algunas veces los usuarios no consideran que el disco de la válvula sea un
regulador o contenedor de presión. La razón es cuando la válvula está en
posición abierta el obturador no actúa cono regulador o contenedor de presión.
Pero cuando la misma válvula es cerrada el obturador actúa con esas
funciones.
Figura 2.1 Vista general de una válvula tipo compuerta. [10]
Repuestos de la válvula. Las removibles o reemplazables partes internas de
las válvulas que entran en contacto con el tipo de flujo, son denominados
repuestos de la válvula. Estos partes incluyen sellos de las válvulas,
obturadores, bujes, espaciadores, guías, baleros y resortes internos. El cuerpo
de la válvula. El bonete, la empaquetadura, etc., que también entra en contacto
con el tipo de flujo no son considerados repuestos de la válvula.
Estos elementos podrían ser construidos de diferentes clases de materiales
porque las diferentes propiedades tienen que resistir diferentes fuerzas y
condiciones. Baleros y empaques de las uniones no experimentan las mismas
fuerzas y condiciones como lo hacen el disco y los sellos. Las propiedades del
tipo del fluido, composición química, presión, temperatura, rangos de flujo,
velocidad y viscosidad son de las consideraciones importantes en la selección
de un adecuado repuesto de materiales. Estos repuestos podrían o no del
mismo material como el de la válvula o el bonete.
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Partes de retención sin presión. El vástago, empaquetadura, tornillería,
cojinetes, volante y actuadores son algunos de los elementos que no actúan
con presión.
Asientos de la válvula. Una válvula podría tener de uno a más asientos en el
caso de la válvula de globo o la válvula de giro de retroceso, hay regularmente
un asiento, que forma un sello con el disco para detener el flujo. En el caso de
la válvula de compuerta, hay dos asientos uno corriente arriba y otro corriente
abajo. La compuerta ó obturador tiene dos superficies de asentamiento que
entran en contacto con los asientos de la válvula para formar un sello para
detener el flujo. Válvulas con multiderivaciones como la de tapón o la de bola
podrían tener muchos asientos dependiendo del número de derivaciones en el
tapón o la bola.
El índice de goteo es directamente proporcional a la efectividad del sellado
entre el obstructor de la válvula y sus asientos. La estandarización de válvulas
MSS SP 61, API 598, y la ASME B16.34 específica índices aceptables de
goteo. Un usuario podría especificar más o menos índices de goteos
restrictivos para satisfacer los requerimientos de las aplicaciones.
Los fabricantes de válvulas han desarrollado numerosos diseños de
combinaciones de asientos de válvulas integrando asientos de elastómeros y
metales, que son efectivos en lograr reducir las fugas, que no son
completamente logradas con asientos de metal.
Los asientos de las válvulas pudrían ser integralmente, remplazados, o
renovados. Las válvulas de menor tamaño son generalmente suministradas
con asientos de válvula roscados, soldados y forjados. Las válvulas de mayor
tamaño podrán tener algunos de los asientos de estos diseños, nombrados
para válvulas de mayor tamaño, asientos íntegramente fundidos o forjados con
el cuerpo de la válvula y endurecidos por tratamientos térmicos o revestidos
con un material duro como el Stellite. El Stellite es un nombre comercial de la
compañía Deloro. Hay otros metales que pueden ser utilizados para endurecer
las superficies de los asientos.
Prevención de la picadura. Para poder prevenir o minimizar la picadura del
obstructor de la válvula y los asientos, es una práctica muy común de la
industria mantener una dureza superficial entre las superficies de sellado de
los asientos fijos de la válvula y las superficies de sellado de los asientos del
obstructor. Los asientos fijos de la válvula son endurecidos ligeramente más
que de los asientos del obturador. Cuando ambos los asientos de las válvulas y
obstructor son endurecidos por el uso del Stellite, la válvula es denominada
completamente Stellitizada. Cuando sólo los asientos son endurecidos por el
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uso de Stellite, la válvula es denominada media Stellitizada. Los tratamientos
térmicos son otro método de endurecimiento.
Vástago de la válvula. El vástago de la válvula imparte el movimiento
requerido hacia el obturador, tapón o de la bola para abrir o cerrar la válvula.
Ésta es conectada hacia el volante de la válvula, actuador ó la palanca en uno
de los extremos y el obturador en el otro extremo. En las válvulas de compuerta
o globo, el movimiento lineal del obturador es necesario para abrir o cerrar la
válvula, mientras que en las de tapón, bola y mariposa, el obturador es girado
para abrir o cerrar la válvula. Con la excepción de las válvulas de retroceso
que no tienen vástago.
Vástago corredizo con tornillo y horquilla exteriores. Las partes exteriores
del vástago son roscadas mientras que la porción interior de la válvula es
pulida. Las roscas del vástago son aisladas del medio del flujo por el embalaje
del vástago. Dos diferentes estilos de diseño están disponibles: uno teniendo
fijado el volante al vástago entonces ambos se desplazan contiguos, y el otro
teniendo un mango roscado que causa que el vástago se desplace a través del
volante. El vástago corredizo con el tornillo y la horquilla exteriores es un
diseño común para NPS 2 (DN 50) y válvulas más grandes. Algunas normas
como la ASME B31.1. requieren que el tornillo y la horquilla sean exteriores
diseñado para usarse en NPS 3 (DN 80) y válvulas más grandes con presiones
de arriba 4140 kPa, las Figs. 2.1y 2.2.
Fig. 2.1 Válvula de compuerta de vástago
corredizo para operación de 4140 kPa .
Fig. 2.2 Válvula de compuerta de vástago
no corredizo para operación de 4140 kPa. [9]
Vástago corredizo con tornillo interno. La parte roscada del vástago está
dentro del cuerpo de la válvula, y el embalaje del vástago está a lo largo de la
parte pulida que está expuesta al medio ambiente. En este caso las roscas del
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vástago están en contacto con el medio del fluido. Cuando es girada, el
vástago y el volante se desplazan contiguos, para abrir la válvula. Éste diseño
es comúnmente usado en válvulas de compuerta y globo de baja presión y
menor tamaño.
Vástago no corredizo con tornillo interno. En la parte roscada del vástago
está dentro de la válvula y no es corredizo. El obturador de la válvula se
desplaza a lo largo del vástago como una tuerca, cuando el vástago es girado.
Las roscas del vástago son expuestas al medio del flujo y, como tal, son
sujetas a su impacto. Por lo tanto, éste diseño es usado, donde el espacio es
limitado para permitir un movimiento lineal del vástago, y el medio del flujo no
causa erosión, corrosión y desgaste y rotura del material.
Vástago deslizante. Éste vástago no rota o gira. El vástago de desplaza
entrando y saliendo de la válvula cerrándola y abriéndola. El diseño es usado
en válvulas de palanca operadas manualmente para una función rápida. Es
también usada en el control de válvulas que son operadas por cilindros
hidráulicos o neumáticos.
Vástago rotatorio. Éste es comúnmente usado en diseños de válvulas de
bola, tapón y mariposa. Un movimiento de un cuarto de vuelta del vástago abre
o cierra la válvula.
Embalaje del vástago. El embalaje del vástago actúa de una o ambas
maneras siguientes dependiendo de la aplicación:
1.- Prevenir goteo del medio del flujo hacia el medio ambiente.
2.- Prevenir la entrada del aire exterior a la válvula en aplicaciones de vacío.
El embalaje es contenido en una parte denominada la brida prensa empaques.
Los sellos son empacados y comprimidos por una tuerca ajustadora o por un
mamelón atornillado. La compresión debe ser adecuada para lograr un correcto
sellado. Algunas veces esto requiere una inspección regular y un ajustamiento
de los sellos, si se requiere detener el goteo. Si esto no detiene el goteo, los
sellos o los empaques deben de ser remplazados. Rondanas de presión son
usadas para mantener la carga viva, o la compresión requerida de los sellos
para lograr un efectivo sello contra el goteo.
Protector del vástago. En el caso del roscado y horquilla exteriores, válvulas
de compuerta y de globo, una porción del roscado del vástago de la válvula
está expuesta al medio ambiente, cuando la válvula está en posición abierta.
La suciedad y otras sustancias transportadas por aire podrían ser depositadas
sobre la porción expuesta roscada y afectar la operación de pulido o acortar la
vida útil de los cojinetes.
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Horquilla. La horquilla es también llamado opresor allen. Éste conecta el cuerpo
de la válvula con el bonete, con el mecanismo actuador. En algunos casos,
suministra soporte para los tornillos opresores. En muchas válvulas, la horquilla
y el bonete están diseñados en una pieza de construcción. La parte superior de
los espárragos y las tuercas, todo pasa a través del vástago de la válvula.
Para válvulas actuadas por diferentes medios de energía, los brazos de la
horquilla son de una construcción más dura para suministrar soporte al
actuador. La horquilla usualmente tiene aberturas o ventanas para permitir el
acceso hacia la brida prensa empaques, los tornillos de ojo, tuercas tornillo de
ojo, juntas, etc. Estructuralmente, una horquilla debe ser suficientemente
resistente para soportar fuerzas, momentos y desarrollo del torque por el
actuador.
Tuerca de la horquilla. Una tuerca roscada interna se agarra en la parte
superior del puente por donde el vástago atraviesa. En las válvulas de
compuerta y diagrama, la tuerca de la horquilla es girada y el vástago se
desplaza de arriba para abajo dependiendo sobre la dirección de rotación de
latuerca. En el cado de las válvulas de globo, la tuerca se le fija y el vástago se
le gira a través de ella. Usualmente la tuerca de la horquilla está hecha de un
material más suave que la del vástago para las válvulas que requieren un
esfuerzo medio de trabajo. Válvulas que requieren un esfuerzo más grande
para abrir y cerrar con suministradas con tornillos de manguito anticongelante
para reducir la fricción entre el vástago endurecido y su tuerca.
Materiales. Los cuerpos de las válvulas, obstructores y los bonetes podrían ser
hechos forjados, fundidos o fabricados de una combinación de materiales
recubiertos u otros. Los vástagos son usualmente producidos de una barra
estándar. Los vástagos pueden ser tratados térmicamente para suministrar una
dureza necesaria. Materiales tubulares son también usados para hacer partes
de válvulas. Los materiales del cuerpo y los repuestos podrían ser de
materiales completamente diferentes. Por ejemplo, el cuerpo de la válvula
puede ser de acero inoxidable y los repuestos de bronce. Algunas veces, los
obturadores pueden ser electro-recubiertos o tratados térmicamente para
suministrar protección contra la corrosión y desgaste.
2.4 Aplicaciones de las válvulas.
Válvulas de cierre (aislamiento). Como su nombre lo indica, las válvulas de
cierre son usadas para detener el flujo o aislar una porción del sistema hasta
que se logre reducir el flujo de la válvula. El requerimiento básico de diseño de
las válvulas de cierre es ofrecer una mínima resistencia al fluido en la posición
totalmente abierta y mostrar características de de un cierre ajustado cuando
está completamente cerrada. Las válvulas de compuerta, globo, bola,
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mariposa, tapón o diafragma satisfacen los requerimientos mencionados
variando los grados y, por lo tanto, el servicio es ampliamente usado en cierres.
El tipo real de válvula seleccionada es distada por algunos parámetros, como
son:
1.- Caída de presión.
2.- Sellado del goteo.
3.- Propiedades del fluido.
4.- Sistema de goteo.
5.- Costo inicial.
6.- Mantenimiento.
Válvulas reguladoras. Las válvulas reguladoras son usadas en sistemas de
tuberías, para regular el flujo del fluido. Si el efecto deseado es controlar el
flujo, presión o temperatura, el trabajo es llevado a cabo incrementando o
disminuyendo el flujo a través de la válvula en respuesta de una señal de
presión flujo o temperatura del controlador.
El requerimiento primario de una válvula control-flujo es que de manera
previsible la regulación del flujo con respecto a su posición abierta y transmitir
la caída de presión sin daños considerables. Válvulas especialmente diseñadas
de globo, mariposa, bola, tapón o diafragma son capaces de satisfacer estos
requerimientos en la variación de grados.
Prevención del flujo de retorno. Las válvulas son generalmente usadas para
la prevención de contra-flujo. Las válvulas son auto-actuadas y la válvula de
compuerta es mantenida abierta por el la corriente del flujo. La válvula de
compuerta es rápidamente cerrada por el contra-flujo.
Dispositivos presión-alivio. Los dispositivos presión alivio son usados para
proteger la tubería ó el equipo de ser sometidos a presiones que exceden su
diseño. Generalmente los asientos de alivio de las válvulas son logrados por un
resorte opresor, que ejerce que ejerce una fuerza sobre el obturador de la
válvula, presionando éste contra el asiento de la válvula. Cuando la fuerza
ejercida por el fluido sobre el obturador de la válvula excede la fuerza del
resorte, la válvula automáticamente abre para liberar el exceso de presión.
Otros diseños incorporan una válvula piloto, que usa el sistema de presión para
controlar el movimiento del obturador. Otro tipo de dispositivo de presión-alivio,
pero no es una válvula, es un disco seccionado Fig. 2.3, el disco seccionado es
diseñado para desprenderse a determinada presión. Un disco de este tipo no
puede ser reajustado y, por lo tanto, debe ser reemplazado, una vez haya
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realizado su función de liberación. Los discos seccionados tienen la ventaja de
tener un ajustado goteo hasta la presión de rotura y de ser capaces de liberar
grandes cantidades de fluido.
Figura 2.3 El disco seccionado, un tipo de dispositivo de alivio. [9]
2.5 Válvulas de compuerta.
Las válvulas de compuerta están primordialmente para servir como válvulas de
aislamiento. En servicio estás válvulas están ya sea, completamente cerradas o
abiertas. Cuando están completamente abiertas, el fluido o el flujo de gas
pasan a través de la válvula en línea recta con muy poca resistencia. Las
válvulas de compuerta no deben de usarse en la regulación o la estrangulación
del flujo porque un control preciso no es posible. Además la alta velocidad del
flujo en la válvula parcialmente abierta podría causar erosión del obturador y de
las superficies de los asientos. La vibración podría también resultar en
golpeteos de la válvula parcialmente abierta. Una excepción son las válvulas de
compuerta especialmente diseñadas que son usadas en la estrangulación a
velocidades bajas; por ejemplo, la válvula de compuerta de guillotina para el
concentrado de pulpa.
Ventajas de la válvula de compuerta.
1.- Tienen buenas características de cierre.
2.- Son bidireccionales.
3. La pérdida de presión a través de la válvula es mínima.
Desventajas de las válvulas de compuerta.
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Las siguientes son algunas de las desventajas de las válvulas de compuerta
que deben de ser consideradas cuando se selecciona una válvula de
compuerta para una aplicación:
1.- Las válvulas de compuerta no son de rápida apertura o cierre. El
desplazamiento completo de apertura o cierre del vástago en la válvula de
compuerta requiere muchas vueltas de su volante o de un actuador.
2.- Las válvulas de compuerta requieren mucho espacio envuelto para la
instalación, operación y mantenimiento.
3.- El movimiento lento del obturador cerca de la posición completamente
cerrada resulta velocidades altas del fluido, causando de partículas de las
superficies de los asientos, parecido como a desprendimiento de partículas.
También puede causar picadura de las partes deslizantes.
4.- Algunos diseños de las válvulas de compuerta son propensas a la
aplicación de la temperatura y presión, dependiendo la aplicación.
5.- En sistemas con fluctuaciones de alta temperatura, las válvulas de
compuerta podrían tener un excesivo goteo por los asientos debido a los
cambios en la relación angular entre el obturador y los asientos causados por
las cargas de las tuberías en los extremos de la válvula.
6.- La reparación o el maquinado de los asientos en el lugar es difícil.
Construcción de la válvula de compuerta.
Las válvulas de compuerta consisten básicamente de tres componentes:
cuerpo, bonete y vástago. El cuerpo es generalmente conectado a la tubería
por medios de conexión: bridas, roscada y soldadura. El bonete, contiene las
partes móviles, es unido al cuerpo, generalmente con tornillos, para permitir
limpieza y mantenimiento. Los accesorios de la válvula consisten en el vástago,
obturador y de los anillos de empaque.
Dos tipos básicos de válvulas de compuerta son fabricados de un obturador y
de doble obturador, y hay algunas variaciones dentro de cada uno de estos
tipos. El tercer tipo de válvula de compuerta, llamada válvula de conducto.
2.5.1 Tipos de obturadores.
Hay cuatro tipos de obturadores: sólido, hueco, partido y flexible. El obturador
sólido es una pieza unitaria sólida. Está no se pude compensar por cambios en
al alineamiento del sellado debido a las cargas de la tubería ó las fluctuaciones
térmicas. Como tal es muy susceptible al goteo, excepto para NPS 2 (DN 50) y
menor tamaño. Los obturadores sólidos no son generalmente recomendados
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para usarse en aplicaciones teniendo temperaturas que exceden los 121ºC.
Los obturadores sólidos son considerados los más económicos. Casi todas las
de menor tamaño, NPS 2 (DN 50) y más pequeñas, válvulas de compuerta son
de obturador sólido. Válvulas de obturador sólido son usadas generalmente
usadas en aplicaciones de temperaturas y presiones de moderadas a bajas. Es
común usar hierro colado o dúctil en las válvulas de obturador sólido en líneas
de frías o agua a temperatura ambiente.
Un hueco en el obturador es una variación del sólido con la excepción de que
el agujero está en el centro. El desplazamiento del hueco es a lo largo del
vástago, cuando el vástago roscado es girado, de este modo abre y cierra el
puerto de la válvula.
El obturador flexible es también una pieza de construcción como el obturador
sólido, pero las zonas detrás de las superficies de los asientos están
ahuecados para proveer flexibilidad. Ésta construcción compensada para los
cambios en la alineación en el asiento para mejorar el sellado mientras la
fuerza mantenida del obturador sólido en el centro. Éste diseño ofrece mejor
resistencia al goteo y mejora su aplicación en situaciones con potencial de
variaciones térmicas.
La cuña deslizante consiste de dos piezas de construcción que se asienta entre
los asientos afilados en el cuerpo de la válvula. Los asientos de las dos piezas
del obturador partido se colocan contra los asientos de la válvula, a medida que
el vástago es movido hacia abajo, y los asientos del obturador se mudan de los
asientos de la válvula cuando el vástago es jalado hacia arriba.
En al obturador ya sea del tipo sólido ó el partido es usado. En las válvulas de
vástago corredizo. El sistema de roscas está fuera de un contacto directo con
el fluido ó el gas. El sistema de vástago no corredizo es preferido donde el
espacio es limitado y donde el paso del fluido a través de la válvula no corroerá
o erosionara las roscas ó dejará depósitos sobre las roscas. También el
sistema del vástago no corredizo es preferido para servicios ligeros. Cuando la
válvula es cerrada, el obturador es metido a presión en ambos lados contra los
asientos de la válvula. En las válvulas de cuña deslizante Fig. 2.4, las dos
piezas del obturador están asentadas entre los asientos del cuerpo. Este tipo
es preferido donde los asientos del cuerpo podrían estar deformados debido a
la presión de la tubería.
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Figura 2.4 Válvula de compuerta de cuña deslizante. [9]
En la válvula de vástago corredizo, la parte superior del vástago es roscada y la
tuerca es ensamblada firmemente al volante y sujetada en la horquilla por los
tornillos de ojo. A medida que el volante es girado, el volante, el vástago se
mueve de arriba para abajo. En la válvula de vástago no corredizo, el extremo
de debajo del vástago es roscado y atornillado dentro del disco, el movimiento
vertical del vástago siendo contenido por un opresor. La válvula de vástago
corrediza requiere más cantidad de espacio cuando es abierta. Sin embargo es
preferida porque la posición del vástago, a la vez si la válvula está abierta o
cerrada. Las válvulas con vástago no corredizo son algunas veces
suministradas con un indicador con este propósito.
Válvula de doble obturador. En las válvulas de doble disco con asientos
paralelos. Los discos son forzados contra los asientos de la válvula por un
sistema de cuña, a medida que el vástago es apretado. Algunas válvulas de
doble disco paralelo emplean un diseño que depende principalmente que la
presión del fluido se ejerza en contra de uno de los lados ó las otras por sus
ajustes. La mayor ventaja de este tipo es que el obturador no puede ser metida
dentro del cuerpo, una acción que podría hacer difícil abrir la válvula. Esto es
particularmente importante donde motores son usados para abrir ó cerrar la
válvula.
A diferencia de la cuña en las válvulas de compuerta, que sólo está en contacto
con los sellos cuando la válvula está casi cerrada, cada obturador en las
válvulas de asientos paralelos se desliza en contra de los asientos mientras la
válvula está siendo abierta ó cerrada. Consecuentemente, estos componentes
deben estar hechos de metales, que no se pican ó rompen cuando el contacto
de deslizamiento es uno contra otro. La válvula de compuerta de doble
obturador esta frecuentemente favorecida por la alta temperatura del uso del
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vástago porque es menos probable que se atore en la posición cerrada como
resultado de los cambios de temperatura.
2.5.2 Conducto de la válvula de compuerta.
Es también referido como un deslizamiento de válvula o deslizamiento paralelo.
Las caras del obturador están siempre en contacto con los asientos del cuerpo.
Como las válvulas de doble disco y de obturador de asientos paralelos, los
asientos de la parte superior, dependen de la dirección del flujo. El diámetro
interior del conducto de la válvula de compuerta es igual al diámetro interior de
la conexión de la tubería. Éstas válvulas son usadas en líneas de tubería donde
suciedades corren a través de ellas, la típica aplicación de las válvulas de
conducto incluyen agua de ríos sucios con sólidos suspendidos ó agua con
sedimentos ó deshechos.
Éste tipo de válvulas requiere mucho espacio destinado debido a sus
proporciones más grandes del obturador para alojar ambos en el banco y las
dos mitades del ensamble del disco. La válvula es cerrada por el movimiento
de la mitad del banco hacia abajo del bloque de los puertos de la válvula. Las
válvulas de conducto con sellos de teflón pueden ser usados para temperaturas
intermedias y bajas hasta 232°C. Válvulas con sellos de metal pueden ser
usados para temperaturas 538°C.
2.5.3 Expansión térmica.
La expansión térmica sucede cuando una válvula se aprieta al cierre cuando
una alta temperatura esta en operación. Más tarde cuando el sistema es
desconectado y permitido enfriarse, una contracción térmica de los asientos de
la válvula moverse hacia dentro más que la contracción de la cuña. Esta puede
expandir la cuña y los asientos ajustados suficiente para no permitir que la
cuña se desasiente o mueva cuando el volante o la válvula del actuador se
activada para abrir la válvula.
Válvulas de compuerta con asientos paralelos son las más adecuadas para
aplicaciones teniendo potencial expansión térmica.
Expansión por presión.
Algunas veces en aplicaciones por alta temperatura, el medio del flujo, como
por ejemplo el agua o vapor, está atrapado en la superficie del bonete de la
válvula cuando la válvula es cerrada por un sistema de apagado. Las válvulas
que no permiten este líquido atrapado o el condensado volver a entrar de la
tubería ya sea corriente arriba o abajo pueden experimentar excesiva presión
en la cavidad del bonete, y puede impedir que la válvula de apertura, causando
daños en las partes de la válvula Fig. 2.5.
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Figura 2.5 Expansión por presión causada por la flujo filtrada hacia el bonete. [9]
La expansión por presión se puede evitar si el goteo pasa por la corriente de
abajo y es adecuada para impedir sobre-presurización de la cavidad del
bonete. Las siguientes opciones ofrecen soluciones a éste problema:
1.- Barrenar un pequeño agujero sobre el lado de la corriente arriba del
obturador.
2.- Instalar una pequeña válvula manual de cierre entre el cuello del bonete y el
extremo superior de la válvula.
3.- Instalar una válvula de alivio en el bonete.
4.- Válvulas Edward ofrecen una nueva válvula llamada ACEVE para solucionar
éste problema.
Aplicaciones típicas de las válvulas de compuerta.
En válvulas de compuerta con extremo de bisel para soldar su aplicación típica
es aire, gas, alimentación de agua, vapor, aceite lubricante, etc. Válvulas con
extremo roscado pueden ser usadas en aire, gases ó sistemas de líquidos.
Involucrado por goteo las conexiones de roscado pueden ser rellenadas con un
sello de soladura ó usar sellos en la conexión roscada apropiada. En sistemas
de bajas temperaturas y presiones como sistemas contra incendios, sistemas
de distribución de agua válvulas con brida son comúnmente usadas.
Clasificación de los materiales.
El material utilizado en la fabricación de las válvulas es de extrema importancia,
ya que estas manejan todo tipo de fluidos, desde aire más puro hasta
componentes químicos muy corrosivos con rangos de presión y temperatura
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bastante críticos. Así podemos considerar que de acuerdo a la temperatura que
se va a operar un fluido y según éste se corrosivo y erosivo, los materiales
utilizados en las válvulas se clasifican de la siguiente manera.
a) Para altas temperaturas.
b) Para bajas temperaturas
c) Para fluidos corrosivos y erosivos.
Los rangos de presión-temperatura para las partes que están sometidas a
presión han sido establecidos por las normas ANSI Especificación B 6.3. Otros
materiales pueden ser utilizados, pero están generalmente de acuerdo a los
que se designan en la sección V!!! de recipientes sujetos a presión del Código
ASME:
Los materiales recomendados para requerimientos físicos y químicos
específicos están en la norma ASTM.
También se puede hacer otra clasificación de materiales, de acuerdo a las
partes más importantes con que está fabricada la válvula, y son:
1.- Materiales para cuerpo, bonete, obturador y anillos.
2.- Materiales para los interiores como asientos del sello de los obturadores,
anillos, vástagos, bujes guía y materiales para la caja de empaques.
3.- Materiales de la tornillería de la unión cuerpo y bonete.
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3.1 Tribología.
El concepto de tribología fue usado por primera vez en un informe elaborado
por la comisión del ministerio de educación y ciencia de la Gran Bretaña del 9
de marzo de 1966. las raíces etimológicas provienen de las palabras griegas
“tribo”, fricción y “logos”, estudio. Y es la rama de la mecánica que estudia las
superficies friccionantes con movimiento relativo entre ellas.
La tribología comprende los procesos de fricción, desgaste y lubricación de los
cuerpos en contacto. Por esa razón la tribología comenzó a reconocerse como
una fuente de un gran potencial para economizar recursos financieros, materias
primas y materiales energéticos.
En la industria de la construcción de maquinaría se estima que, entre el
desgaste y la fatiga se produce el 95% de las causas de la salida del servicio
de elementos de máquinas, no considerando, aquí aquellos que están
desgastados continúan trabajando y son causa de pérdida de eficiencia en
mecanismos y máquinas.
La fricción es el objetivo fundamental de estudio de la tribología. El problema
fundamental reside en la fricción que depende de un sin número de procesos
complejos en la superficie de contacto.
3.1.1 Desgaste.
El desgaste es un proceso en el cual las capas superficiales de un sólido se
rompen como resultado de la acción mecánica de otro cuerpo o medio si la
acción mecánica aparece en aparece en forma de fuerza de fricción, entonces
el proceso se le llama desgaste por fricción.
El desgaste el acto de ruptura se localiza en un pequeño volumen del material,
el cual es removido en la zona de rozamiento en forma de partículas de
desgaste. La magnitud de este es usualmente valorada por la disminución de
dimensiones del cuerpo en una dirección perpendicular a la superficie de
deslizamiento (desgaste lineal).
El desgaste tiene lugar en las partes de la superficie donde hay una fuerte
interacción entre los cuerpos de rozamiento, o sea en los enlaces de las
asperezas, que si se suman dan lugar al área de contacto entre los dos
cuerpos.
Cuando un cuerpo se desplaza relativamente el otro en una cantidad igual al
diámetro promedio de los puntos de contacto, en los enlaces de fricción
existentes se ven perturbados: se forma un nuevo número igual de enlaces y
se experimenta un ciclo completo de carga en cualquier punto de la superficie
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donde existen enlaces de fricción. Desde este punto de vista el desplazamiento
de una cantidad igual al diámetro medio del punto de contacto puede ser
considerado como el acto elemental de interacción. Se asume que el volumen
del material removido de la superficie como partículas de desgaste es
proporcional al área real de contacto.
El cálculo de la velocidad de desgaste se reduce a establecer una relación
entre la intensidad del desgaste de las propiedades físico mecánicas de los
materiales, las condiciones de carga y las características microgeométricas de
la superficie deslizante. Es evidente que la relación entre estas cantidades
dependerá del mecanismo específico del daño superficial. La velocidad del
desgaste será siempre la misma.
En el deslizamiento, la distribución de esfuerzos y deformación de la capa
superficial del material se forma bajo la acción de fuerzas tanto normales como
tangenciales. El proceso por daño por fatiga de la superficie de deslizamiento,
en contraste con el volumétrico o fatiga de contacto, es llamado fatiga por
fricción.
Con una velocidad regulada y baja no se excluye el efecto de la temperatura.
Se continua con los ensayos apareció un daño en la superficie de
deslizamiento, lo que fue acompañado por el deslizamiento de partículas de
desgaste y entonces se observó una correspondencia de tiempo entre la
remoción de partículas de desgaste y la profundidad de penetración de la
probeta y la fuerza de fricción permitió que estas cantidades fueran usadas
como indicadores del número de ciclos que conlleva al desprendimiento de
estas partículas.
Los factores que afectan la velocidad del desgaste pueden ser divididos en
cuatro grupos:
Externos a las condiciones de rozamiento.
Propiedades mecánicas del material desgastado
Características microgeométricas de la superficie que genera desgaste.
Característica de fricción.
3.1.2 Factores que determinan el desgaste.
Para explicar la dinámica del desgaste existe un modelo cualitativo que basa
en la curva típica del desgaste Fig. 3.1, de metales en función del tiempo la
cual se divide en tres zonas de acuerdo al gráfico siguiente:
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Figura 3.1 Comportamiento funcional típico de la tasa de desgaste en metales en
función del tiempo. [8]
Este comportamiento es dado por las tres zonas que comprenden el área
debajo de la curva las cuales muestran las características siguientes:
Zona I (Periodo de Asentamiento): Sucede cuando dos superficies se ponen
en contacto por primera vez en un movimiento relativo. En este periodo se
producen los picos más altos de la rugosidad de las superficies en contacto,
generando altas presiones y deformaciones con el tiempo el área de contacto
aumenta, así la velocidad de desgaste aumenta.
Zona II (Periodo de desgaste normal): Estado estacionario constante en su
movimiento, que se caracteriza porque la pérdida de desgaste en unidad de
tiempo, permanece constante.
Zona III (Periodo de desgaste catastrófico): Se generan grandes cargas
dinámicas, aumenta la temperatura, el nivel del ruido y de las vibraciones. El
sistema va directo a la rotura.
Este gráfico de dividió en segmentos donde cada una se supone una forma
funcional distinta, sin en cambio, los puntos marcados con una flecha y son
los que más información adoptan. Estos puntos señalan donde el sistema
cambia de dinámica, y varía completamente su comportamiento, lo que puede
apreciarse en las características en las que se presentan en cada periodo. El
conocer los puntos en donde varía la curva de desgaste resolvería el
problema del problema del tiempo de la vida útil de una pieza o sistema
sometida a condiciones de desgaste. Para cada prueba tribológica no se
puede conseguir un gráfico permanente como el del gráfico, aun en el caso de
materiales idénticos. Si la prueba trabaja en otro régimen, con otros
parámetros operacionales, o en otro entorno, la intensidad de desgaste varía
sustancialmente, esto nos da una idea de cuan sensible es una prueba, con
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respecto a sus condiciones de aplicación y esto hace que falle una probabilidad
de pronóstico.
En la tasa de desgaste se intervienen dos funciones muy importantes las
cuales son:
F (m): que representa la distribución de masa de cada cuerpo.
G (m): que es la masa que pierden los cuerpos, que es decir la formación de
partículas de desgaste.
Y de estas funciones son determinadas por las dos tipos de variables que son:
Variables asociadas con los cuerpos: rugosidad, dureza, coeficiente de fricción,
tipo de material, carga, velocidad de desplazamiento, etc.
Variables asociadas al entorno: temperatura, humedad relativa, contaminantes,
lubricación, etc.
3.2 Tipos de desgaste.
El desgaste por lo general es una forma física (en lugar de química) de la
degradación del material. Específicamente el desgaste puede definirse como la
remoción del material superficial resultado del trabajo mecánico. La cantidad de
desgaste no necesita ser grande para ser relativamente devastadora. Aunque
el estudio sistemático del desgaste se ha confinado a las últimas décadas,
varios aspectos claves de este fenómeno están ahora bien caracterizados.
Ahora se presentan las distintas formas de desgaste a continuación.
3.2.1 Desgaste por abrasión.
Se llama abrasión al desgaste producido por partículas duras que penetran en
una superficie; ocasionando deformación plástica y/o arrancando virutas. Se
considera que este tipo de desgaste puede tomar dos formas extremas: una en
la cual la deformación plástica es lo más importante y la otra, en la cual la
fractura, con deformaciones plásticas limitadas es lo que predomina.
Estas partículas son muy duras y pueden moverse libremente en la zona de
rozamiento por uno de los elementos que interactúan, actuando como micro
asperezas. Las partículas pueden tener muchos procedimientos tales como
minerales provenientes del exterior ya que caen en la zona de rozamiento y
también del desgaste de elementos de trabajo que interactúan directamente
con la masa del abrasivo. La acción mecánica de estas partículas en el material
desgastado depende de forma importante de las formas de las partículas, su
grado de fijación, la relación entre las propiedades mecánicas del material
desgastado, de las partículas y de las cargas.
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El fenómeno de desprendimiento de partículas tiene lugar por el contacto físico
directo de dos superficies, de las cuales una es mucho más dura que la otra.
Las irregularidades de la superficie de la superficie dura se introducen en la
superficie más blanda, mediante el deslizamiento plástico del metal blando
alrededor de las irregularidades duras en presencia del movimiento tangencial,
la superficie dura se deslizará, formando surcos en la superficie blanda y
produciendo el desprendimiento del material de ésta.
El desgaste abrasivo tiene más del 50% de los casos de desgaste se lleva a
cabo por mecanismos abrasivos, de estos tenemos diferentes ejemplos
desgaste entre dos cuerpos que ocurre durante el trasporte de minerales
triturados, y el caso de tres cuerpos durante el procesamiento de minerales, o
al entrar estos dentro de los cojinetes. En la Fig. 3.2 la flecha desgastada por la
acción de un material abrasivo y el desprendimiento de virutas en la superficie
reduce las dimensiones originales y acorta la vida de la flecha.
En los metales la resistencia a la abrasión aumenta con la dureza;
observándose que para los aceros este parámetro resulta ser menor que para
metales puros de la misma dureza. Es de advertir que esta propiedad en el
material desgastado es más indicativa que la resistencia a la abrasión que la
dureza original.
El contenido de carburos es un factor importante en la reducción de la abrasión
en aceros; siendo los carburos de vanadio y niobio más efectivos que los de
cromo y tungsteno. Por otra parte el contenido de carbono hace disminuir la
abrasión en los aceros y que distintas microestructuras presentan diferentes
resistencias al desgaste. Se observa que la martensita presenta la mejor
resistencia a la abrasión, entre las tres microestructuras que se comparan; pero
también se han obtenido buenos resultados con refinamientos de perlita y esto
se atribuye a una alta tasa de endurecimiento por deformación.
A fin de obtener un aumento apreciable en la resistencia a la abrasión la dureza
superficial debe hacerse mayor que 1/2 de la dureza Vickers del abrasivo. No
es recomendable, por otra parte, aumentar la dureza de la superficie por
encima de 1.3 veces la dureza del abrasivo, ya que esto podría resultar
contraproducente.
En general, para metales ferrosos las mejores resistencias al desgaste se
obtienen en matrices martensíticas, con carburos secundarios uniformemente
distribuidos. Cuando la dureza de los carburos es aumentada mediante
aleación, la resistencia al desgaste también aumenta, pero hay que tener en
cuenta la dureza de las partículas abrasivas.
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En relación a las partículas abrasivas: tamaños reducidos, formas
redondeadas, disminución de las velocidades y de las cargas de impacto, son
todos factores que hacen disminuir la abrasión.
En resumen los factores más importantes que hacen disminuir la abrasión son
los siguientes:
Aumentos de dureza.
Aumentos del contenido de carbono y de carburos duros.
Control de la relación entre la dureza de la superficie y del abrasivo.
Disminución del tamaño de las partículas abrasivas.
Formas de partículas redondeadas.
Disminución de velocidades.
Disminución de cargas.
En conclusión para disminuir el desgaste abrasivo, la dureza del material debe
ser mayor que la del abrasivo con la condición Hm=1,3Ha con criterio de la
pequeña intensidad del desgaste abrasivo. El incrementar la dureza del
material con respecto al abrasivo en más de 1.3 veces no es conveniente,
porque el aumento de la resistencia al desgaste es insignificante.
Figura 3.2 Desgaste por abrasión (rayadas y surcos). [13]
3.2.2 Desgaste por adhesión.
Formación de "proa" característica de desgaste adhesivo. El desgaste
adhesivo, también llamado desgaste por fricción o desgaste deslizante, es una
forma de deterioro que se presenta entre dos superficies en contacto
deslizante.
Toma lugar típicamente en cojinetes de deslizamiento, chumaceras, bocinas,
bujes, motores de combustión interna, compresores reciprocantés, bielas,
tornillos de potencia, matrices, estoperos, engranajes, guías en general, etc.
Según la teoría adhesiva del desgaste deslizante, bajo la acción de las cargas
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normales aplicadas los topes de las asperezas de las dos superficies sufren
fluencia plástica y soldadura en frío.
Al producirse el movimiento, las uniones soldadas se rompen por cizalladura,
tomando lugar la separación en el interior del cuerpo de menor dureza. De esta
manera, la superficie más dura se cubre de una película transferida del material
de la contracara, a la vez que se desprenden partículas en el proceso. Se cree
que otros mecanismos, como abrasión y fatiga superficial son responsables por
el desprendimiento de partículas de la película transferida. Sin embargo,
existen otras teorías que tratan de explicar de maneras diferentes esta forma
de desgaste y la formación y remoción de las partículas.
Particularmente en este tipo de desgaste es que se ha detectado más
claramente la existencia de los llamados regímenes de Desgaste Suave y
Desgaste Severo.
El primero de ellos está caracterizado por velocidades de desgaste moderadas,
estabilización de la fuerza de roce y la temperatura, y producción de partículas
de desgaste de tamaño reducido, con la apariencia de óxidos oscuros.
Por su parte, en el régimen de desgaste severo se presentan velocidades de
desgaste de 4 a 100 veces mayores y los desechos incluyen partículas
sensiblemente más grandes, algunas de ellas con brillo metálico. Además se
han observado transiciones bruscas de la velocidad de desgaste con la Fuerza
normal y con la velocidad de deslizamiento.
Generalmente los aumentos de dureza hacen disminuir la velocidad de
desgaste, siempre que otros factores permanezcan constantes. A durezas
relativamente bajas, las reducciones de la tasa de desgaste con la dureza son
de magnitud bastante mayor que a durezas altas. Sin embargo, debido a la
existencia de las transiciones es posible que para una misma carga, a dos
durezas diferentes se presenten distintos regímenes de desgaste y así los
aumentos de dureza pueden hacer aumentar la velocidad de desgaste.
De tal manera que para garantizar una mejora sustancial se necesitan
aumentos de dureza relativamente grandes (por ejemplo, más de cinco puntos
de dureza Rockwell. Por otra parte, los incrementos de dureza reducen el
rango de cargas correspondiente al desgaste severo, hasta hacerlo
desaparecer.
Generalmente el desgaste aumenta con la temperatura, debido a incrementos
en la ductilidad de las asperezas y del crecimiento resultante de las juntas
metálicas. Sin embargo, se han encontrado temperaturas de transición, por
encima de las cuales se producen notables reducciones en la velocidad de
desgaste. Este fenómeno ha sido asociado a la formación de óxidos con muy
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buenas propiedades lubricantes; aunque es de advertir que la oxidación puede
tener efectos opuestos, ya que una alta tasa de oxidación puede convertirse en
un problema de desgaste mayor. Es interesante destacar que la rugosidad
también puede tener efectos contrapuestos.
Una rugosidad alta generalmente produce mucho desgaste; mientras que una
rugosidad moderada le confiere a la superficie capacidad de retener
lubricantes, por otra parte, una rugosidad excesivamente baja puede favorecer
los fenómenos adhesivos y conducir a un desgaste acelerado.
Por último, es necesario señalar que debido a que en el desgaste de tipo
deslizante se presentan situaciones donde la abrasión es importante, la mayor
parte de las recomendaciones de la sección anterior son válidas para este tipo
de desgaste. Se considera a la erosión como una forma de abrasión producida
por esfuerzos de contacto relativamente bajo, debido al impacto de partículas
sobre una superficie.
Esta, a consecuencia del proceso, generalmente presenta una apariencia
granular fina, similar a la de las fracturas frágiles. El desgaste de tipo erosivo se
presenta, por ejemplo, en equipos y líneas de bombeo para fluidos con sólidos
en suspensión, boquillas de equipos para granallado por arena (sand-blasting),
etc.
La velocidad de desgaste por erosión aumenta con la velocidad de las
partículas y si los ángulos de impacto son pequeños predomina el corte
abrasivo; siendo la dureza superficial un factor crítico. Si por el contrario, los
ángulos de impacto son grandes el desgaste es debido principalmente a
deformación y fractura.
Un material blando puede ser más adecuado para resistir la erosión que un
material duro. Por ejemplo, el caucho natural ó sintético produce buenos
resultados debido a su bajo módulo elástico, lo que le permite grandes
deformaciones y una buena distribución de la carga.
En la Fig. 3.3 se observa el desgaste adhesivo de una flecha por la interacción
de otro elemento en un movimiento periférico de la superficie de la flecha lo
que desprende partículas sólo en la zona de contacto.
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Figura 3.3 Desgaste por adhesión (rayas y rotura de piezas). [13]
3.2.3 Degaste Micro-oscilatorio.
Esta forma de deterioro se caracteriza por la pérdida de material de superficies
en contacto, bajo la acción de una carga y de movimiento deslizante de
amplitud muy pequeña aproximadamente de 130 µm. Desgaste Microoscilatorio ("Fretting").
Normalmente la apariencia de la superficie es rojiza-marrón (ladrillo) o gris, con
presencia de partículas oxidadas. El desgaste micro-oscilatorio conduce
eventualmente a fallas por fatiga y se produce en uniones atornilladas, piezas
ajustadas por calado, contactos eléctricos, etc. Diversas teorías que tratan de
explicar esta forma de desgaste, se basan en fenómenos de adhesión,
abrasión y/ó corrosión.
Los factores más importantes que influyen en el desgaste micro-oscilatorio son:
El aumento de la amplitud del movimiento conduce a otros tipos de
desgaste y permite la introducción de lubricantes durante el
funcionamiento.
El aumento de la frecuencia de la oscilación hace disminuir el desgaste y
se cree que ello tiene relación con factores químicos. Por lo general
este tipo de desgaste aumenta con el número de ciclos de
funcionamiento.
La carga normal hace variar el desgaste micro- oscilatorio de manera
impredecible.
Disminuciones de la carga normal producen reducción de la
amortiguación de las vibraciones y esto ocasiona mayor desgaste.
Aumentos de la carga normal reducen las vibraciones, pero aumentan el
área de contacto y a su vez el desgaste.
No obstante lo antes expuesto, en general, los aumentos de la Carga
normal hacen aumentar este tipo de desgaste.
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La temperatura ambiental también tiene un efecto diverso, aunque más
consistente. A temperaturas muy bajas (- 150 °C) se ha detectado el mayor
deterioro y se ha observado que a medida que la temperatura aumenta hasta
cero grados centígrados, el desgaste micro-oscilatorio disminuye
gradualmente. Con aumentos de temperatura hasta 50 °C, el daño superficial
disminuye apreciablemente y por encima de 70 °C comienza de nuevo a
aumentar este tipo de desgaste.
Humedades relativas entre 0 y 50 % reducen el desgaste para la mayoría de
los metales. Por encima de 50 %, parejas acero-acero presentan aumentos en
la velocidad de desgaste, mientras que la combinación acero-cromo se
comporta de mejor manera con decrementos en las velocidades de desgaste.
Los lubricantes sólidos son la mejor opción para este tipo de aplicación; siendo
el Bisulfuro de Molibdeno (MoS2) el de mejores resultados.
3.2.4 Coeficiente de fricción.
El coeficiente de fricción la resistencia al deslizarse. No es directamente
medida, pero es determinada medidas de fuerza de fricción o fuerza de
contacto. El coeficiente de fricción es influido por el contacto de materiales,
superficies y cualquier lubricante entre el contacto de dos superficies, pero es
independiente de la carga, la velocidad y la forma.
Cuando un abrasivo o materiales de desgaste no están presentes, altos
coeficientes de fricción resultan del corte de pequeñas partículas de las limites
de de contacto, como por ejemplo metales similares libres de la superficie de
contaminación son frotadas juntas.
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4.1 Tratamientos térmicos.
Es el proceso en el que el acero, en estado sólido, es sometido a uno o varios
ciclos de calentamiento y enfriamiento y variar alguna de las propiedades en la
forma deseada. Los tratamientos térmicos más importantes suponen la
transformación y la descomposición de la austenita, dependiendo de las
propiedades físicas y mecánicas finales de cualquier acero, de la naturaleza de
los constituyentes que se formen en la transformación.
El primer paso en el tratamiento térmico de un acero consiste en conseguir su
austenización, calentándolo a una temperatura igual o superior a la crítica. En
la mayoría de los casos es muy importante, la velocidad de calentamiento
hasta la temperatura deseada es inferior a la de los demás factores que
intervienen en el ciclo de tratamiento térmico. Sin embargo, el calentamiento de
los materiales sometidos a las fuertes tensiones internas, creadas en la
deformación en frío del material debe de llevarse acabo, más lentamente que el
de los materiales libres de tensiones para que no se deformen.
Los tratamientos térmicos tienen por objeto mejorar las propiedades y las
características de los aceros, y consisten en calentar y mantener las piezas o
herramientas de acero a temperaturas adecuadas, durante un cierto tiempo y
luego enfriar en condiciones convenientes. De esta forma se modifica la
estructura microscópica de los aceros, se verifican transformaciones físicas y
también hay veces que hay cambios en la composición del metal.
El tiempo y la temperatura son los factores principales y hay que ponerlos
siempre primero, de acuerdo con la composición del acero, la forma y el
tamaño de las piezas y las características que se desean obtener.
Los tratamientos térmicos más usados son: El recocido, temple normalizado,
revenido cementación, nitruración, temple en baño de sales, temple en baño de
plomo. Estos aceros para alcanzar las mejores características de
inoxidabilidad, deben de emplearse siempre tratados térmicamente mediante
un tratamiento adecuado a las características mecánicas requeridas.
En la Fig. 4.1, muestran los comportamientos de los tratamientos temple,
normalizado y recocido, al comenzar los tres llevan la misma forma de
calentamiento, después el tiempo de permanencia es opcional para los
requerimientos de funcionamiento de las piezas a tratar, luego la forma de
enfriamiento es distinta en la del temple muestra que es casi instantánea
produciendo un efecto de endurecimiento, el normalizado en el tiempo de
enfriamiento se lleva más lentamente y en el del recocido todavía más lento
con lo que el efecto de este tratamiento es de liberador de esfuerzos y
ablandamiento de los aceros.
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Figura 4.1 Representación esquemática del recocido, normalizado y temple de un
acero. [8]
4.1.1 RECOCIDO.
Con este nombre se conocen varios tratamientos cuyo objetivo principal es de
ablandar el acero; otras veces se desea regenerar la estructura o eliminar
tensiones internas. Consiste en calentamientos o temperaturas adecuadas,
seguidos generalmente de enfriamientos lentos. Las diferentes clases de
recocidos que se emplean en la industria se pueden clasificar en tres grupos:
Recocido con austenización completa, recocidos suscriticos y recocidos con
austenización completa.
Recocidos de austenización completa o de regeneración: En este caso el
calentamiento se hace a una temperatura ligeramente más elevada que la
crítica superior y luego el material se enfría muy lentamente. Sirve para
ablandar el acero y regenerar la estructura.
Recocidos sub-críticos: El calentamiento se hace por debajo de la
temperatura crítica inferior, no teniendo tanta importancia en el caso anterior la
velocidad de enfriamiento, pudiendo incluso enfriarse el acero al aire sin que se
endurezca. Por medio de este tratamiento se eliminan tensiones del material y
se aumenta su ductilidad.
Se pueden distinguir tres clases de recocidos sub-críticos:
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Recocido de ablandamiento: Su principal objetivo es ablandar el acero por
procedimiento rápido y económico. Con este tratamiento no se suelen obtener
las menores durezas, pero en muchos casos las que se consiguen son las
suficientes para mecanizar perfectamente los materiales. El proceso consiste
en calentar el acero hasta la temperatura, que siendo inferior a la crítica Ac1,
se lo más elevada posible y enfriar luego al aire. Las durezas que se obtienen
en ciertos aceros de herramientas y de construcción de alta aleación, después
de este tratamiento, suelen ser demasiado elevadas para el mecanizado.
Recocido contra acritud: Se efectúa a temperaturas de 550° a 600°C, y tiene
por objeto el aumentar la ductilidad de los aceros de poco contenido en
carbono (menos del 0.04%) estirados en frío. Con el calentamiento a esta
temperatura, se elimina la cristalización alargada de la ferrita, apareciendo
nuevos cristales poliédricos más dúctiles que los primitivos, que permiten
estirar o laminar nuevamente el material sin dificultad. El enfriamiento se suele
hacer al aire.
Recocido suscritico globular: En ocasiones para obtener aceros al carbono y
de baja aleación una estructura globular de una baja dureza.
Consiste en calentamientos prolongados a temperaturas intermedias entre la
crítica superior y la inferior, seguidos siempre de enfriamientos lentos. El fin
que se persigue con estos recocidos es obtener la menor dureza posible y una
estructura microscópica favorable para el mecanizado.
Para ablandar los aceros inoxidables martensíticos se utiliza el recocido subcrítico a 650°C, aproximadamente con enfriamiento al aire, y el recocido de
regeneración entre 700 y 900° C, según el acero; con enfriamiento muy lento,
inferior a 20° C/h, hasta 550° C.
4.1.2 Normalizado.
Este tratamiento consiste en un calentamiento a temperatura ligeramente más
elevada que la crítica superior, seguida de un enfriamiento en aire tranquilo. De
esta forma, se deja el acero con una estructura y propiedades que se
consideran como normales y características de su composición. Se suelen
utilizar para piezas que han sufrido trabajos en caliente, trabajos en frío,
enfriamientos irregulares y sobrecalentamientos, también sirve para eliminar el
efecto de un tratamiento anterior defectuoso. Por medio del normalizado se
eliminan las tensiones internas y se uniformiza el tamaño de grano del acero.
Se emplea casi exclusivamente para los aceros de la construcción al carbono o
de baja aleación.
4.1.3 Temple.
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El temple tiene por objeto endurecer y aumentar la resistencia a los aceros.
Para ello, se calienta en general el acero a una temperatura ligeramente más
elevada que la crítica superior y se enfría más o menos rápidamente según (la
composición y el tamaño de la pieza) en un medio conveniente, agua, aceite,
etc.
Temperatura de temple.
Para conseguir un temple eficaz en los aceros inoxidables martensíticos es
necesario calentarlos a unos 900°C, o sea, 200° más aproximadamente, que
los aceros al carbono, y no necesitan en cambio, ser enfriados rápidamente. El
tiempo de calentamiento para la transmisión de calor en los aceros inoxidables
es mucho más lenta que en los aceros al carbono, y por lo tanto para alcanzar
una determinada temperatura en su núcleo hace falta, aproximadamente, el
50% más de tiempo.
4.1.4 Revenido.
Es un tratamiento que se les da a las piezas de aceros que han sido
previamente templadas. Con este tratamiento que consiste un calentamiento a
temperatura inferior a la crítica Ac1, se disminuye la dureza y la resistencia de
los aceros templados, se eliminan las tensiones creadas en el temple, y se
mejora la tenacidad quedando además el acero con la resistencia y dureza
deseada.
Temperatura de revenido.
En los aceros al carbono la dureza obtenida en el temple puede variarse
progresivamente aumentando la temperatura del revenido.
En los aceros inoxidables martensíticos no ocurre así; al revenir en
temperaturas crecientes, se ve que hasta sobrepasar los 550°C la dureza no
disminuye sensiblemente, lo cual quiere decir que estos aceros mantienen la
dureza en caliente, siendo esto una ventaja para muchas aplicaciones. La
temperatura de revenido suele estar comprendía entre 550 y 750°C.
4.2 Tratamientos termoquímicos.
Tratamientos en los que hay un cambio de composición: En esta clase de
tratamientos además de considerar el tiempo y la temperatura como factores
fundamentales, hay que también tener en cuenta el medio o atmósfera que
envuelve el metal durante el calentamiento y enfriamiento. Estos tratamientos
se suelen utilizar para obtener piezas que deben de obtener gran dureza
superficial para resistir el desgaste y buena tenacidad en el núcleo. Los
tratamientos pertenecientes este grupo son:
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Cementación: Por medio de este tratamiento se modifica la composición de
las piezas, aumentando el contenido de carbono y nitrógeno en la zona
superficial, quedando luego en esa zona periférica obteniéndose después por
medio de temples y revenidos una gran dureza superficial. Las temperaturas de
difusión son entre 780-930 °C las penetraciones que pueden lograr van desde
0.025 mm. Hasta los 3 mm. aunque la mayoría de las aplicaciones se emplea
una profundidad de 0.025 a 1.5mm. Se puede realizar en hornos de sales ó en
atmósfera controlada.
Los aceros para la cementación AISI 8620,4320 especiales para engranes y
piñones. Aceros 1018, 1045, etc., partes simples que permiten la deformación,
como rodillos, flechas, engranes, partes troqueladas, etc.
Cianuración: Es un tratamiento parecido a la cementación, en el que el acero
absorbe el carbono y el nitrógeno en la zona superficial, quedando luego en la
zona periférica muy dura después de un temple final.
Sulfinización: Es un tratamiento que se da en los aceros a 565°C en baños
de sales de composición especial y mejora extraordinariamente la resistencia al
desgaste. Esa mejora se consigue por la incorporación de azufre a la
superficie de las piezas de acero sin que con ello se aumente mucho la dureza.
4.3 Nitruración.
La nitruración es un proceso que permite el endurecimiento superficial del
acero sin necesidad de un tratamiento térmico siguiente. Consiste en someter
al acero, calentándolo a unos 500°C, a la acción de una corriente de amoniaco
que se disocia parcialmente, lo que da lugar a la formación y penetración de
una capa de nitruro de gran dureza y buena adherencia. Como no se requiere
un tratamiento térmico posterior, el acero se somete a la operación de
nitruración, después de sufrir el tratamiento térmico completo que ha de llevar
al núcleo a la posesión de la característica deseadas, y dado que la nitruración
se efectúa a 500°C aproximadamente, el tratamiento previo deberá de ser el
temple con un revenido superior a los 500°C, a fin de que no sea alterada
después la condición del acero en la posición de la nitruración. En general se
usan revenidos entre los 600 y 650°C, que proporcionan al acero muy alta
tenacidad. Debido a la ausencia del enfriamiento brusco después de la
nitruración, no existe el problema de la distorsión, como sucede con la
cementación. Por ello las piezas para ser nitruradas pueden dejarse después
del temple y revenido a las dimensiones casi definitivas, un simple pulimento
posterior a la nitruración, puede bastar para su terminación. Es conveniente
que antes de nitrurar de sometan las piezas durante dos a seis horas, según
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sus dimensiones, a un tratamiento de estabilización a 550°C a fin de eliminar
las tensiones de mecanizado.
En la nitruración la capa endurecida tiene mayor dureza que en la cementación,
pero su resistencia es menor, por lo que no será adecuado su empleo en
piezas sometidas a choques. Su aplicación más interesante y apropiada es
para piezas que requieren elevada resistencia y se hallan sometidas a
rozamientos muy fuertes. La dureza en la capa nitrurada se conserva en
caliente más que la de la cementada y es más estable a los efectos de
revenido, cuando las piezas trabajan a temperatura superior a la del ambiente.
De ahí que la fabricación de cilindros de motor de explosión tenga una gran
aplicación el empleo de aceros nitrurados.
En la elección del acero para nitrurar deben de tenerse no solo encuentra las
características de dureza superficial y resistencia al núcleo, sino las
condiciones de trabajo de las piezas a fabricar. Las capas nitruradas de gran
dureza suelen ser más frágiles que las de dureza media y por ello existe un
mayor peligro de descascaramiento en piezas sometidas a choques o
esfuerzos localizados, por lo que conviene en tales casos sacrificar algo de
dureza a la seguridad de conservación de la capa nitrurada.
4.3.1 Precipitación y características de los nitruros.
La acción endurecedora que el nitrógeno ejerce sobre el hierro y los aceros, fue
descubierta por Fermy hacia el año 1861. Cuando experimentaba la acción del
amoníaco sobre piezas de acero calentadas a elevadas temperaturas. En
1905, el francés Hjalmar Braune anunció que en sus trabajos había descubierto
la existencia de un eutectoide formado por hierro y nitruro de fierro Fe 4N, las
capas frágiles de los aceros nitrurados, que era parecido a la perlita. A este
eutectoide se le llamo Braunita Fig.4.2. Después se descubrió que el problema
de la fragilidad de la capa exterior de las piezas nitruradas podía ser resuelto
con el empleo de una temperatura de nitruración relativamente baja
aproximadamente a 500°C. Si se realiza el proceso a temperaturas muy
próximas, no aparece la braunita en la capa superficial, como cuando ocurre el
tratamiento en temperaturas más elevadas.
Con ayuda del microscopio la capa periférica de las capas nitruradas, se ve
que, en general, está formada por dos capas de aspecto diferente: una exterior
blanca muy delgada y muy frágil, cuyo espesor suele variar de 0,05 a 0,005
mm, y otra de mayor espesor, oscura que es la verdaderamente importante.
Esta última capa está formada por nitruros de elementos aleados, aparece
también el nitruro de hierro. La capa exterior blanca, es muy perjudicial y su
aparición debe de evitarse, la capa interna formada por los nitruros de
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Aluminio, Cromo y Molibdeno. Generalmente la capa exterior blanca queda
eliminada cuando a las piezas se les da un ligero rectificado.
Figura 4.2 Capa blanca “Braunita” y capa de difusión en un acero de 0.15% de C. [7]
Es muy difícil el estudio metalográfico de las piezas de aceros nitrurados a
temperatura de 500°C, porque son de tamaño submicroscópico los nitruros que
se forman en este proceso.
Los aceros al carbono nitrurados a temperaturas elevadas más de las
recomendadas, se observa de la existencia de los nitruros, uno Fe2N que
contiene 11.3% de nitrógeno, y otro Fe4N, que contiene 5.8%. También tiene
un eutectoide con un 2.35% de nitrógeno constituido por hierro alfa y braunita.
La braunita se forma cuando el nitrurado se realiza arriba de 590°C haciendo
muy frágiles las piezas. Cuando se estudia el proceso se la nitruración se hace
uso del diagrama del equilibrio hierro-nitrógeno Fig. 4.3, las temperaturas de
nitruración que habitualmente son usadas, para que el nitrógeno, si disuelve
dentro del acero una cantidad mayor del 0.1%, se forma lo que se conoce
como; nirato γ, teniendo la formula química Fe4N. Si el porcentaje de nitrógeno
excede el 6%, el γ, el nitrato comienza a cambiar en nitruro ε. Por debajo de
los 500°C, se forma el nitruro ζ. El nitruro de esta fase es de alrededor del 11%
del contenido de nitrógeno y su fórmula química es Fe 2N.
La cantidad de elementos aleantes Al,Cr y Mo son usados como formadores de
nitruros. El nitrógeno junto con el carbón forma carbonitruros. La cantidad de
carbonitruros puede ser incrementada por una simultánea combinación de
nitrógeno y el carbón del acero. Básicamente todos los aceros pueden ser
nitrurados. La alta dureza superficial que es obtenida después de la nitruración
es debida a la formación y dispersión final de los nitruros y carbonitruros que
distorsionan la red cristalina ferrítica.
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Figura 4.3 Composición de las capas nitruradas en función de la temperatura de
nitruración. [7]
El mecanismo de nitruración difiere mucho en la cementación. Este último
tratamiento se emplea temperaturas elevadas para facilitar la solubilidad del
carbono en la austenita, en cambio la nitruración se efectúa a temperaturas
más bajas donde el porcentaje de nitrógeno que se puede disolver en el acero
es muy pequeño. No se emplean temperaturas más elevadas, porque aunque
de esa forma la penetración del nitrógeno sería más fácil, pero se obtendrían
capas muy frágiles sin utilidad práctica industrial.
En los aceros ordinarios al carbono, la difusión del nitrógeno hacia el interior se
efectúa con más facilidad que los aceros aleados. A pesar de ello, solo en los
aceros aleados se producen capas superficiales de gran dureza y bien,
adheridos, debido a que los elementos aleados favorecen la formación de
nitruros de aluminio, cromo, molibdeno, etc., en las capas periféricas.
Esto supone que la gran dureza de la capa nitrurada es debida a que los
nitrógenos o nitruros que se forman en el proceso originan una fuerte
deformación de la red cristalina del acero situado en la zona periférica de las
piezas, que es la causa directa del aumento de la dureza.
También se sugirió que el endurecimiento de los aceros cromo-aluminio es
debido a la formación de nitruros de aleación, lo cual por ser insolubles en la
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matriz de ferrita son precipitados inmediatamente después de su formación que
ocasionan en la retícula cristalina en la que ocasiona endurecimiento. Es
probable que el hierro actúe de portador, formándose primero el nitruro de
hierro que es soluble ene el hierro alfa (ferrita), el cual en estado de solución
reacciona con los elementos aleados que también se encuentran disueltos en
el hierro alfa. De esa manera se forman los nitruros aleados que, por ser
insolubles en el hierro alfa, se precipitan inmediatamente, quedando en forma
de partículas submicroscópicas muy dispersas que deforman la red y aumentan
la dureza del acero.
4.3.2 Descarburación.
La presencia de la ferrita en la superficie de las piezas nitruradas impide que la
nitruración se haga en buenas condiciones, ya que las capas nitruradas de los
aceros de ferrita saltan y quedan frágiles. La descarburación o la presencia de
ferrita puede ser debida a diferentes causas, la más frecuente es la
descarburación de la piezas o barras durante la forja, laminación, durante el
tratamiento o recocidos preliminares. Otra causa de presencia de ferrita puede
ser el temple imperfecto del material antes de la nitruración, en el que no ha
llegado en la austenización completa o también puede ser debida a la
descarburación en el calentamiento del temple.
Cuando los aceros inoxidables se hallan a temperaturas comprendidas entre
450 y 900ºC durante cierto tiempo o se enfrían lentamente en dicho intervalo
de temperaturas, se origina en ellos una precipitación, fundamentalmente de
“carburos de hierro y cromo”. Esta precipitación es más intensa en el intervalo
de los 600 a los 850ºC.
Por lo general, estos carburos se precipitan en las uniones de grano
disminuyendo la cohesión de los mismos y haciendo que las zonas contiguas
queden empobrecidas de cromo, con lo que pierden su carácter de inoxidables
en esas zonas y, por consiguiente, su resistencia a la corrosión. De esta
manera en ciertos medios corrosivos se puede producir un ataque
intergranular, cuya intensidad dependerá a la temperatura a la que ha estado
expuesto y al tiempo transcurrido, así como la composición química y el
tratamiento previo realizado en el acero.
Los mejores resultados se obtienen cuando la nitruración se hace sobre la
martensita revenida; en cambio, con estructuras mixtas de ferrita y perlita o
perlita y sorbita, etc., queda la capa exterior frágil.
4.3.3 Elementos favorables para la nitruración.
Para la fabricación de piezas nitruradas se emplean aceros con porcentajes
entre 0.02% y 0.06% de C, aleados con Aluminio, Cromo, Molibdeno, Vanadio.
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El contenido en carbono en estos aceros, no influye en la dureza, ni en la
profundidad de la capa nitrurada, utilizándose diversos porcentajes de acuerdo
con las características mecánicas que se quieren obtener en el núcleo.
Hay que evitar las descarburaciones superficiales, porque en las zonas en las
que la zona de carbono es muy baja, se forman capas de nitruros de hierro que
son muy frágiles y pueden ocasionar el descascarillamiento de las capas
superficiales.
De los varios elementos aleados que se emplean, el Aluminio es el más
importante cuando se quieren conseguir las máximas durezas, pero debe ir
siempre acompañado de otros elementos aleados para evitar que las capas
nitruradas resulten demasiado frágiles.
El Molibdeno aumenta la dureza de la capa exterior, mejora la tenacidad del
núcleo y evita la fragilidad que suelen presentar los aceros sin molibdeno al
permanecer durante mucho tiempo a temperaturas próximas a 500°C.
El Cromo aumenta la profundidad de la capa dura además la influencia del
aluminio y el molibdeno.
El Vanadio influye decisivamente en la profundidad de la nitruración,
aumentando el espesor de capas duras.
Los grupos de los aceros más utilizados en la actualidad son:
Aceros Cromo-Aluminio-Molibdeno. Con 0.80 a 1.20% de Aluminio, 0.90 a
1.60% de cromo y 0.20% de molibdeno. Con estos aceros se consiguen la
máxima dureza superficial, que suele oscilar entre 1000 y 1100 Vickers.
Aceros altos en Cromo con Molibdeno y Vanadio. Aunque con estos aceros
sólo se consigue durezas comprendidas entre los 800 y 850 Vickers, estas
durezas son todavía extraordinarias y las capas nitruradas son mucho más
tenaces que la de los aceros al aluminio. El contenido de cromo es de 3%, el
Molibdeno de 0.40 a 1% y de Vanadio 0 a 0.25%. Este elevado porcentaje de
cromo aumenta ligeramente la profundidad de la capa nitrurada.
Cromo-Molibdeno-Vanadio. Se obtienen durezas de 750 Vickers. El
contenido de cromo es de 2% el molibdeno de m 0.25% y el vanadio de
0.15%. La tenacidad de la capa nitrurada es mayor que la de los casos
anteriores.
Aceros Cromo-Molibdeno. Que son de dureza de 650 Vickers, tienen la capa
nitrurada más tenaz que las anteriores. Su contenido en cromo es de 1% y de
molibdeno de 1,20%. Estos elementos aleados modifican el diagrama hierro
nitrógeno, es posible emplear con todos estos aceros temperaturas de
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nitruración más elevadas que las correspondientes a los aceros al carbono, si
peligro que aparezca braunita en la capa periférica.
La temperatura eutectoide se eleva en algunos aceros aleados hasta 650°C,
también se nitruran los aceros austeníticos, cromo níquel, para válvulas y los
aceros inoxidables altos al cromo, para mejorar su resistencia al rozamiento.
Tabla 4.1 Composiciones y características mecánicas de distintos aceros de nitruración.
[8]
Composiciones
Corazón
Templado
Y
revenido a
650°
2
R=kg/mm
C
Si
Mn
Ni
Cr
Al
Mo
V
Periferia
de
dureza
1
2
3
4
5
6
0,50
0,35
0,65
-
1,60
1,10
0,20
-
1,100
126
0,40
0,35
0,65
-
1,60
1,10
0,20
-
1,100
98
0,30
0,35
0,65
-
1,60
1,10
0,20
-
1,100
91
0,20
0,35
0,65
-
1,60
1,10
0,20
-
1,100
76
0,40
0,30
0,50
0,30
3,00
-
1,00
0,25
850
133
0,30
0,30
0,45,
0,50
3,00
-
0,40
-
850
100
7
0,20
0,30
0,45
0,50
3,00
-
0,40
-
850
79
Cromo
molibdeno
y vanadio
8
9
10
0,35
0,30
0,50
-
3,00
-
0,25
0,15
750
98
0,25
0,30
0,50
-
3,00
-
0,25
0,15
750
94
0,18
0,30
0,50
-
3,00
-
0,25
0,15
750
83
Cromomolibdeno
11
0,30
0,30
0,50
0,60
0,60
-
0,25
-
650
92
TIPO DE
ACEROS
Cromoaluminiomolibdeno
Alto en
cromo
con
molibdeno
y vanadio
No.
En la Tabla 4.1, se tabulan las clases de aceros más usados en el tratamiento
de la nitruración, con lo que se presentan el porcentaje de sus elementos
aleantes, la dureza que alcanzan después de la nitruración y que resistencia a
la tensión alcanza después de después de ser templado y revenido.
4.3.4 Formas de nitruración.
A continuación se describen los principales procedimientos utilizados, a nivel
industria, para la nitruración del acero.
Nitruración en baño de sales. En la nitruración en el baño de sales fundidas
del Nitrógeno es aportado por una mezcla de Cianatos y Cianuros de Sodio y
Potasio, de composición de sales de Sodio con un porcentaje de 60 a 70%( de
peso) del total de la mezcla consiste en 96.5%NaCN, 2.5%Na2CO3 y
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0.5%NaCNO. Las de sales de potasio tienen un 30% a 40% (de peso) de la
mezcla consiste en 96% KCN, 0.6% K2CO3, 0.75% KCNO y 0.5% KCl.
El Nitrógeno atómico formado, muy activo, así como el Monóxido de Carbono,
permite que el Hierro y los elementos aleantes puedan carbonitrurarse
superficialmente. En el equilibrio ha de mantenerse constante la relación
Cianuro/Cianato del baño: entre 21 y 26% de Cianuro y 14 – 18% de Cianato.
La temperatura de trabajo es de 510 - 580°C y el tiempo del proceso depende
de la profundidad de la capa y del tipo de acero. La nitruración líquida es hecha
por debajo del rango de temperatura de transformación de los aceros tratados.
Nitruración iónica. La nitruración iónica se realiza dentro de un reactor, donde
se introduce el Nitrógeno a una presión de unos 3 torr. Se aplica una diferencia
de potencial de unas centenas de volts entre el ánodo, que generalmente está
constituido por las paredes metálicas refrigeradas del reactor, y el cátodo está
formado por las piezas a tratar, unidas a un soporte metálico. En estas
condiciones se produce una descarga luminosa anormal debida a los iones
formados. Estos iones se aceleran mediante el intenso campo eléctrico
creando en las proximidades de las piezas, las cuales se bombardean de un
modo uniforme con energía de varios watts. La temperatura que alcanza en las
piezas, que depende de la diferencia de potencial aplicada, es del orden de 450
- 570°C.
4.3.5 Proceso para la nitruración.
El tratamiento térmico de los aceros inoxidables martensíticos depende del
contenido de carbono. La principal diferencia es que los aceros inoxidables
tiene un alto contenido de aleaciones causa que la transformación sea muy
lenta, y la dureza sea muy alta, la máxima dureza es producida por un
enfriamiento por aire. Estos aceros son muy sensibles a las variaciones que los
aceros al carbono y los de baja aleación. La conductividad térmica de los
aceros inoxidables más baja que otro tipo de aceros, ya que estos tienen una
condición en un rango más elevado produce grietas o descascarillamiento.
Para evitar estos problemas el precalentado en este tipo de aceros es
recomendado.
La cantidad de operaciones importantes son la preparación inicial es el
calentamiento del baño de sales, y el envejecimiento de las sales fundidas
(cuando es requerido), el análisis y el mantenimiento de la composición del
baño de sales. Los aceros aleados requieren un previo calentamiento esto
consiste en que la pieza eleve su temperatura por debajo del baño de sales.
Para comenzar el baño la sal comercial es derretida debajo de los 537 a 593ºC,
durante el periodo de derretimiento, un protector debe cubrir el crisol para evitar
derrames o salpicaduras. Es primordial que las sales estén secas antes de ser
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colocadas en el crisol la presencia de humedad contenida puede resultar en
una explosión cuando la mezcla es calentada
Para el envejecimiento del baño de sales debe ser mantenida a una
temperatura de 565 a 593ºC por lo menos 12hr, y ninguna pieza deberá de ser
colocada durante el tratamiento de envejecimiento. El envejecimiento
disminuye la cantidad de cianuros y aumenta la cantidad cianatos, está última
aporta el nitrógeno al proceso. Un alto contenido de cianatos (hasta un 25%)
dará buenos resultados, pero este contenido no debe de excederse de este
porcentaje.
Los hornos de baños de sales pueden ser calentados usados en la nitruración
pueden ser calentados por gas, diesel o arco eléctrico. Generalmente el mismo
horno puede ser usado por otros tratamientos con sólo cambiar la sal. Una
variedad de materiales son usados en los crisoles tubos de protección de
termocople, y estos materiales dependen del tipo de sal usada en el proceso.
Protección contra la nitruración. Cuando se quieren conservar blandas ciertas
superficies de una pieza que va a ser nitrurada, se protegen esas partes con
una película de estaño. Si es posible se sumergen las partes que se quieren
conservar blandas en un baño de aleación compuesto de 60% de Plomo y 40%
de estaño, fundida a 400ºC aproximadamente. Cuando se ve que está bien
adherida la capa protectora, se sacan las piezas del baño y se les quita todo el
estaño sobrante, conviene que no quede ningún exceso de estaño, porque
como el punto de fusión de esta aleación es bastante inferior a la temperatura
de nitruración, cualquier partícula que haya quedado sobrante en la pieza
goteará o se deslizara sobre las superficies que deben de endurecerse y
aparecerán luego zonas blandas.
También se pueden proteger las superficies que deben de quedar blandas,
recubriéndolas con un pintura preparada en la siguiente forma:
5 partes de polvo muy fino de estaño
2 partes de polvo muy fino de plomo y
5 partes de óxido de cromo verde
Los elementos se mezclan y almacenan en seco y se preparan pequeñas
proporciones de pintura, diluyéndola en el momento de emplearla. Es
conveniente, que en el momento de ser aplicada, las superficies estén
calientes, para que se seque la pintura rápidamente, también se debe de
efectuar la nitruración inmediatamente, porque existe el peligro de que con el
contacto de la atmósfera se humedezca y origine corrosiones en las superficies
de las piezas.
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Para proteger el baño de sales de la contaminación y obtener una satisfactoria
nitruración antes, las piezas deben ser minuciosamente limpiadas y sus
superficies libres de óxido, ya sea con una sustancias limpiadoras, Después de
terminada la protección de las superficies que han de quedar blandas, deben
de limpiarse y desengrasarse cuidadosamente, lavándolas con gasolina o con
baños de sosa cáustica o bien con tricloroetileno. Después debe de efectuarse
un lavado con agua hirviendo para quitar las trazas de sosa o gasolina. Lugo
hay que sacar las pizas antes de colocarlas en el recipiente de nitruración.
Las piezas que han sido estañadas, para evitar la nitruración de ciertas
superficies deben de colocarse en la parte inferior de la caja, y en forma tal que
si el estaño gotea durante la nitruración no caiga sobre alguna superficie que
se quiera endurecer.
Aumento de volumen. Durante la nitruración de las piezas siempre experimenta
un ligero aumento de volumen cuya importancia depende de las formas de las
piezas, de la temperatura y la duración del tratamiento. Para eliminar dentro de
lo posible ese aumento de volumen, conviene que la estructura de las piezas
que van a ser nitruradas sea sorbítica, sin nada de ferrita libre, debiendo
evitarse también cualquier descarburación superficial, pues además de dar
lugar a capas nitruradas frágiles, originan dilataciones anormales en las piezas.
En las piezas macizas, con capas nitruradas de 0,7 mm de espesor son
normales después de la nitruración aumentos de diámetro de 0,05mm. Las
piezas huecas, las variaciones de volumen dependen del espesor de las
paredes. Cuando las piezas son de forma complicada el mejor método de
conocer o prever las dilataciones que experimentan, es nitrurar una de sus
piezas y medir las dilataciones que aparecen.
Las precauciones de que deben seguirse en el proceso son las siguientes:
1.- El personal que manipule las sales debe tener instrucciones de cuidado en
agarrar las sales venenosas.
2.- Todos los contenedores deben de ser claramente marcados indicando su
contenido.
3.- El personal debe ser proporcionado con los servicios para lavar las manos
cuidadosamente, para prevenir contaminación con las sales de cianuro.
4.- Protecciones, guantes, delantales y protección para los ojos deben ser
usados por el personal.
5.- Las piezas deben de ser precalentadas para remover cualquier humedad
que pueda estar presenta, antes de ser introducida en el baño de sales.
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6.- Una apropiada ventilación de los hornos y lavar los hornos al aire libre es
recomendable para proveer seguridad contra gases y salpicaduras,
minimizando la corrosión de la zona de trabajo.
7.- Las sales no deben de entrar en contacto con las sales fundidas. El
contacto resultará en una explosión.
4.3.6 Ventajas de la nitruración.
Las propiedades más notables de las piezas nitruradas son las cinco
siguientes:
1a Gran dureza: Después de la nitruración, se consiguen durezas elevadísimas
que no se obtienen por otros procedimientos de endurecimiento superficial. Las
piezas nitruradas pueden quedar con durezas comprendidas entre los 1,100 a
650 Vickers, según la composición del acero Figs. 4.4 y 4.5. Cuando interesa
que la capa dura sea de gran tenacidad, conviene utilizar aceros, que después
de la nitruración queden con durezas relativamente bajas (650 a 850 Vickers),
porque las capas nitruradas de máxima dureza tienen menor tenacidad.
2a Gran resistencia a .la corrosión: los aceros después de nitruración, resisten
mejor a la acción corrosiva del agua dulce, agua salada, vapor o atmósferas
húmedas que los aceros ordinarios, y por esto que este proceso es muy
utilizado para las piezas que deben de sufrir la acción de ciertos agentes
corrosivos. Su resistencia al ataque por metales o aleaciones fundidas de
aluminio, cobre, etc., es también mucho mayor de los aceros ordinarios. En el
caso de que interese la máxima resistencia a la corrosión, no debe de
rectificarse las piezas después de nitruradas.
3a Ausencia de deformaciones. Como el tratamiento de nitruración, no es
necesario de enfriar las piezas rápidamente, desde alta temperatura, en agua o
aceite, se evitan los graves inconvenientes de los enfriamientos rápidos, que
pueden dar origen a deformaciones importantes.
4ª Endurecimiento exclusivo de determinadas superficies de las piezas:
Durante la nitruración se pueden proteger perfectamente las superficies de las
piezas que no desea endurecer, aunque sean de formas complicadas e
irregulares, dejando libres para nitrurar exclusivamente las zonas que deben de
quedar duras.
5ª Retención de durezas a temperaturas elevadas. Las capas nitruradas
conservan gran dureza hasta los 500°C, especialmente cuando la duración de
calentamiento es muy prolongada. Las piezas nitruradas mantienen a
temperaturas elevadas durezas superiores a las que se consiguen con otros
procedimientos de endurecimiento de la capa periférica, como la cementación,
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temple superficial, etc., ya que la capa dura, obtenida por estos métodos,
pierde dureza muy rápidamente a partir de los 200°C. Esta propiedad es muy
interesante para órganos de máquinas en los que pueden presentarse
sobrecalentamientos accidentales, por falta de lubricación. En este caso, si el
metal está cementado, al disminuir la dureza de una pieza, puede agarrotarse
el mecanismo, y en cambio no ocurriría nada si el acero esta nitrurado
.
Figuras 4.4 y 4.5 Gráficas de durezas obtenidas en aceros nitrurados vs. cementado con
respecto a su profundidad y temperatura de difusión. [8]
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5.1 Desarrollo experimental.
Los aceros inoxidables son empleados generalmente como materiales de
ingeniería debido a la resistencia a la corrosión. No obstante en algunas
aplicaciones presentan problemas por su baja resistencia al desgaste y limitado
comportamiento tribológico. Debido a esa situación, existe interés en mejorar
esas propiedades de superficie mediante tratamientos termoquímicos.
En esta unidad se explicarán cada uno de los pasos que se llevaron a cabo en
la realización del desarrollo experimental, así como los resultados, las graficas
del acero martensítico sometido a nitruración líquida. Como también se
compara el mismo acero pero sometido a cementación líquida.
Maquinado de las probetas.
Se consiguío la barra de acero AISI 416 en bruto en los aceros Palmer de
México S.A. con las especificaciones requeridas.
Las probetas son cortadas transversalmente con la cierra cortadora a la medida
de 1 cm. de espesor con un disco de carburo de tungsteno. Las probetas se
maquinaron por ambas caras para tener una superficie uniforme con un ángulo
de 90° y 8 mm de espesor. Para esto se utilizó un torno de la marca: Torno
universal Marca OLYMPIC-140, Modelo OL SAIMCA-BAIN Fig.5.1
Figura 5.1 Torno usado para maquinado de piezas.
5.1.1 Tratamiento termoquímico de las probetas.
El tratamiento termoquímico se realizó en las instalaciones de la planta
denominada “Inducciones Térmicas”, mediante los pasos que siguen para la
nitruración de las probetas:
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1.- Se comenzó por realizar una hoja la que se le llama “orden del material”
donde se lleva un control de las piezas que serán nitrurizadas, lo cual tiene las
especificaciones del material, como por ejemplo: el nombre del cliente, la fecha
de entrada a la planta, el acero del cual está constituido en este caso el acero
416 AISI, el tipo de tratamiento al cual va a ser sometido en este caso
nitrurado, para que con posterioridad no haya equivocaciones a la hora de que
los técnicos lleven el control de su programa de tiempos en los precalentados o
los procesos que se les realice a las piezas.
2.- Se preparan las piezas para poder ser introducidas en el baño de sales los
cual tienen que ser sujetas de alambres o canastillas Fig. 5.2, lo para mejor
aprovechamiento el que la mayoría de las piezas sean introducidas a la vez y
se aproveche la carga.
Figura 5.2 Canastillas donde se colocan las piezas para nitruración. [14]
3.- Se procede a llevar las piezas a un horno de precalentamiento denominado
“Hornos de caja de muflas”, lo cual es calentado con gas natural. La función
principal de estos hornos es el de precalentar los materiales que van hacer
tratados para que de la temperatura que se encuentran la cual es del medio
ambiente se vayan teniendo un precalentamiento moderado. Si el horno o
mufla se encuentra con determinada temperatura se puede utilizar esa
temperatura lo cual es determinada con uno termopar que se encuentra en la
parte interna de la mufla y es mandada la temperatura a los termómetros que
están en la parte del control lo cual tiene dos agujas la que determina la
temperatura a la que debe de llegar de color azul y otra roja que va avanzando
de acuerdo con el aumento de la temperatura de la mufla Fig. 5.3. Por ser un
tratamiento de nitruración la temperatura que tiene que alcanzar es de 300°C lo
cual lleva un tiempo de 3 hrs. aproximadamente.
IPN-ESIME-UPA
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ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO AL DESGASTE DE UN ACERO INOXIDABLE
AISI 416 NITRURADO PARA APLICACIÓN EN OBTURADORES DE VÁLVULAS
Figura 5.3 Termómetro de control del termopar de la mufla. [14]
4.- Cuando las piezas alcanzan esa temperatura de los 300°C son llevadas al
horno de sales de nitrógeno Fig. 5.4, las cuales son llevadas y colocadas con
mucho cuidado ya que poseen una temperatura muy elevada y pueden causar
serios daños si no se manejan con cuidado. Se sumergen en la solución salina
y se dejan el tiempo respectivo de cada probeta para llevar a cabo las pruebas
de desgaste en función del tiempo de nitruración. Este baño de sales puede
alcanzar una temperatura promedio de 560°C, lo cual es la razón de que
primero se tienen que llevar las piezas a la temperatura de 300°C para que no
sufra un choque térmico o una deformación física de la muestra.
Figura 5.4 Horno de nitruración de baño de sales. [14]
5.- Las piezas que son sometidas a nitruración son sacadas del baño de sales
y son llevadas al exterior Fig. 5.5, para que así se enfríen conforme el paso de
la temperatura del medio ambiente ya que este tratamiento no necesita ser
enfriado de ninguna otra forma, ya que posee gran dureza superficial.
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84
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO AL DESGASTE DE UN ACERO INOXIDABLE
AISI 416 NITRURADO PARA APLICACIÓN EN OBTURADORES DE VÁLVULAS
Figura 5.5 Probetas expuestas al baño de sales de cianuro de sodio. [14]
6.- Después de enfriadas las piezas de pasan por una lavadora con agua de
presión para retirarle todos los residuos que hayan sobrado y queden en
perfectas condiciones para ser pasadas al departamento de control de calidad
para determinar las durezas por diferentes métodos y diferentes pruebas que
sean necesarias. En las piezas nitruradas se pueden encontrar cigüeñales y
engranes enfriados a la intemperie Fig. 5.6.
Figura 5.6 Piezas (cigüeñales y engranes) después del tratamiento térmico. [14]
5.1.2 Estudio metalográfico de las probetas.
Una vez tratadas termoquímicamente las piezas de acero AISI 416, se pasaron
las probetas al microscopio de electrónico de barrido obteniendo los siguientes
resultados: (Difractogramas: perfil y frontal, composición química básica de los
elementos y espectro químico).
Características del microscopio electrónico de barrido (MEB), JEOL, JSM 5800LV. EDAX OXFORD link eXL, descripción; Microscopio electrónico de barrido
con sonda para microanálisis por energía dispersa.
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ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO AL DESGASTE DE UN ACERO INOXIDABLE
AISI 416 NITRURADO PARA APLICACIÓN EN OBTURADORES DE VÁLVULAS
Estudio metalográfico de la probeta a 1 hora de nitruración.
Figura 5.7 Micrografía del espesor de la
probeta X100 a 1hr de nitruración del
MEB [cortesía del ININ].
Figura 5.8 Espectro químico de los elementos
de la probeta a 1hr de nitruración
[cortesía del ININ].
Determina que el espesor de la capa de nitrurada es de 4.6 micras en la
Fig.5.7, después de 1 hora de nitruración. En la Fig. 5.8, se presenta el
espectro de electrones secundarios obtenido del MEB, donde se observa la
presencia de los elementos aleantes del acero AISI 416 y la presencia de
nitrógeno en la formación de la superficie de la probeta.
Elementos
C
N
Si
S
Cr
Mn
Fe
Mo
P
Figura 5.9 Micrografía frontal de la probeta
X400 a 1 hr de nitruración del MEB.
Cantidad en %
0.45637
2.29762
1.00236
1.22451
12.55894
1.22471
80.42173
0.74582
0.06794
Tabla 5.1 Composición química de la
probeta de acero AISI 416 a 1hr.
Fig. 5.9, en la microestructura superficial se observan las formaciones típicas
de martensita la cual conforman agujas en su red cristalina con algunos
precipitados. En la Tabla 5.1 se presenta el análisis químico del acero AISI 416
se observa la presencia de nitrógeno característico de las capas nitruradas.
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86
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO AL DESGASTE DE UN ACERO INOXIDABLE
AISI 416 NITRURADO PARA APLICACIÓN EN OBTURADORES DE VÁLVULAS
Estudio metalográfico de la probeta a 2 horas de nitruración.
Figura 5.10 Micrografía del espesor de
la probeta X100 a 2 hr de nitruración
del MEB [cortesía del ININ].
Figura 5.11 Espectro químico de los elementos
de la probeta a 2hr de nitruración
[cortesía del ININ].
Determina que el espesor de la capa nitrurada es de 6.8 micras Fig. 5.10
después de 2 horas de nitruración. En la Fig. 5.11, se presenta el espectro
químico de electrones secundarios obtenido en el MEB, donde el porcentaje de
nitrógeno aumentó en la formación en la superficie de la probeta.
Elementos
C
N
Si
S
Cr
Mn
Fe
Mo
P
Figura 5.12 Micrografía frontal de la probeta
x400 a 2hr de nitruración del MEB.
Cantidad en %
0.56218
5.75635
1.07895
0.85679
12.23567
1.24618
77.5517
0.64762
0.06456
Tabla 5.2 Composición química del acero
AISI 416 de la probeta a 2 hr.
Fig. 5.2, en la microestructura superficial de la parte frontal de la probeta
observando la formación de martensita con los precipitados en la superficie de
la probeta. En la Tabla 5.2 se presenta el análisis químico del acero AISI 416,
observando un claro aumento del porcentaje de nitrógeno y el carbono se
observa la posibilidad del aumento de carburos.
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87
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO AL DESGASTE DE UN ACERO INOXIDABLE
AISI 416 NITRURADO PARA APLICACIÓN EN OBTURADORES DE VÁLVULAS
Estudio metalográfico de la probeta a 3 horas de nitruración.
Figura 5.13 Micrografía del espesor de
la probeta X400 a 3 hr de nitruración
del MEB.
Figura 5.14 Espectro químico de los elementos
de la probeta a 3 hr de nitruración.
Determina que el espesor de la capa nitrurada es de 7.3 micras Fig. 5.13
después de 3 horas de nitruración. En la Fig. 5.14 se presenta el espectro
químico de electrones secundarios obtenido en el MEB, se observa el aumento
del nitrógeno, la presencia de mayor contenido de carbono con la posibilidad
del aumento de carburos y la presencia de los elementos aleantes.
Elementos
C
N
Si
S
Cr
Mn
Fe
Mo
P
Figura 5.15 Micrografía frontal de la probeta
x400 a 3hr de nitruración.
Cantidad en %
0.58763
6.98499
1.35803
1.12483
13.95292
1.23674
73.93634
0.74289
0.07563
Tabla 5.3 Composición química del acero
AISI 416 de la probeta 3hr.
Fig.5.15, en la microestructura superficial se observa nitruración en la parte
frontal, se observan las agujas de la martensita gruesa y con mayor formación
de precipitados en la superficie. La Tabla 5.3, se muestra el análisis químico
del acero AISI 416 donde el aumento en el contenido de nitrógeno fue poco por
la precipitación de los elementos aleantes y el estrechamiento de las zonas
intersticiales.
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88
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO AL DESGASTE DE UN ACERO INOXIDABLE
AISI 416 NITRURADO PARA APLICACIÓN EN OBTURADORES DE VÁLVULAS
5.1.3 Ensayo de dureza de las probetas.
Se utilizó un durómetro Vickers de las siguientes características:
Modelo: Microhardness tester LM700.
Serie: No. FMX 0.400
Date: 9-2004
Carga: 100 gf. Tiempo: 10s.
Para realizar las pruebas se tomo como referencia la norma NMXB-118:
1.- Se comenzó por encender la durómetro, ya que la lectura es digital, sin la
probeta para que se muestre en cero la en el indicador. Fig. 5.16
Figura 5.16 Pantalla del durómetro digital Vickers. [16]
2.- Se coloca la probeta en la base del tornillo del durómetro en donde se
acerca a una cierta distancia para que el identador pueda alcanzarla Fig. 5.17.
Entonces se le colocan las referencias en la pantalla del durómetro lo cual es la
carga que es de 100 gf. y nos da un tiempo ya determinado por la máquina de
10 seg. Se le presiona el botón de “start” y comienza a bajar el identador para
comenzar a realizar la primera prueba y mostrar los resultados en la pantalla.
Figura 5.17 Vista frontal del durómetro con una probeta a ensayar. [16]
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89
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3.- Sin mover la probeta que fue penetrada se gira el revólver, en su modo de
microscopio, y observando la huella que dejó el penetrador se ajusta las líneas
por medio del micrómetro que posee en un costado (Fig. 5.18), para medir las
aristas del rombo que dejó la marca del penetrador, el durómetro mide
reconociendo la distancia a la cual se encuentran las líneas de la tangente de
las aristas del rombo y en la pantalla de muestra la longitud correspondiente
(Fig. 5.19).
Figuras 5.18 y 5.19 Huella originada por el ensayo y dureza obtenida. [16]
4.- Se le presiona en la pantalla el botón “reset”, para colocar otra pieza con el
tornillo se le separa una distancia y retirar la probeta y se procede a realizar
otras pruebas de dureza en este caso en la misma cara donde se realizó para
determinar un promedio de dureza en la superficie de la probeta de la capa de
nitruración (Fig. 5.20).
Figura 5.20 Vista de otra probeta a ensayar. [16]
Con estas pruebas se toman tres pruebas de cada una de las probetas
empezando con la probeta que está sin nitruración para determinar su dureza,
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90
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luego la de 1 hora y así sucesivamente para poder graficar los resultados en
cada tiempo de nitruración y comparar resultados los cuales son los siguientes:
Tabla 5.4 Dureza de la probeta sin Nitruración.
No. De prueba
1
2
3
D1 huella µm
38,4
39,4
39,7
D2 huella µm
38,2
39,4
36,4
Dureza Hv.
246.3
258.8
256.1
Carga aplicada=100g.
En la Tabla 5.4 se presentan diámetros de las huellas y valores promedio de la
dureza de la probeta sin nitruración, que fue sometida a tres ensayos en la
parte superior de la superficie de la probeta.
Tabla 5.5 Dureza de la probeta a 1 hora de Nitruración.
No. De prueba
1
2
3
D1 huella en µm
15.91
17.23
17.18
D2 huella µm
15.91
17.23
17.18
Dureza Hv.
823.9
761.7
776.2
Carga aplicada=100g.
En la Tabla 5.5 se presentan los valores promedio de la dureza y diámetros de
las huellas de la probeta a 1 hora de nitruración, sometida a tres ensayos en la
parte superior de la probeta, encontrando ligeras variaciones entre las durezas
de su superficie, pero si aumentando la dureza a más de 700 puntos en el
acero inoxidable con el tratamiento de la nitruración.
Tabla 5.6 Dureza de la probeta a 2 horas de Nitruración.
No. De prueba
1
2
3
D1 huella µm
16.04
15.59
17.30
D2 huella µm
16.04
15.59
17.30
Dureza Hv.
800.5
874.8
753.8
Carga aplicada=100g.
En la Tabla 5.6 se presentan los valores promedio de la dureza y diámetros de
las huellas de la probeta a 2 horas de nitruración, es sometida al prueba tres
veces, encontrando durezas más altas que en la probeta de 1 hora de
nitruración, determinando que la permanencia de una hora más en el baño de
sales ayuda al aumento de dureza.
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91
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Tabla 5.7 Dureza de la probeta a 3 horas de Nitruración.
No. De prueba
1
2
3
D1 huella µm
17.45
13.32
13.83
D2 huella µm
17.45
13.32
13.83
Dureza Hv.
816.7
875.2
854.9
Carga aplicada=100g.
En la Tabla 5.7 se presentan los valores promedio de la dureza y diámetros de
las huellas de la probeta a 3 horas de nitruración, encontrándose con durezas
un poco más altas que la de 1 y 2 horas de permanencia de baños de sales.
Tabla 5.8 Valores promedio de dureza
Tiempo de Nitruración.
Sin nitruración
1 h.
2 h.
3 h.
Dureza promedio en Hv.
253.7
787.3
809.7
848.9
En la Tabla 5.8, se realiza la comparación de las durezas promedio de la
probeta sin tratamiento y tres con distinto tiempo de permanencia lo que refleja
que hay aumento de dureza drástica hasta 2 hr , pero en 3 hr si la hubo pero no
significantemente.
Dureza (Hv)
Gráfica de la dureza
900
850
800
750
700
650
600
550
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
Sin
1 hr
2 hr
3 hr
Tiempo de nitruraciòn
Figura 5.21 Comportamiento de la dureza obtenida por el tiempo de nitruración.
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5.2 Preparación para las pruebas de desgaste.
Las pruebas se efectúan conforme a la norma ASTM G65-94 Prueba Estándar
del Método por Medición de Abrasión Usando Arena Seca y Rueda de Goma
en una máquina con las especificaciones de esta norma de desgaste abrasivo
en E.S.I.M.E Zacatenco, condición seca, la cual es muestra en la Fig. 5.22.
Una fuerza aplicada de 44.1 N con una carga aplicada de 500 g. Un chorro de
arena de 100 micras promedio con un gasto 300 a 400 gramos por minuto.
Para poder obtener el gasto de la arena se hizo pasar arena por la máquina
hasta obtener el peso requerido y se tomó el tiempo en el cual se obtenía ese
peso. La báscula de la Fig. 5.23, es con la que se pesó la arena.
Figuras 5.22 y 5.23 Contenedor y báscula para determinar el flujo de arena. [17]
Lo primero que se realiza es encender la máquina, que cuenta con un variador
de velocidad en su motor, que hace que girar la rueda de neopreno a diferentes
velocidades angulares; lo que se necesita es una velocidad de 200 R.P.M., un
tacómetro análogo( Fig. 5.24).
Se hizo un dispositivo (Fig. 5.25), de madera para poder colocar la probeta en
sentido de giro de la rueda de neopreno y el flujo de arena. Esto le da una
correcta alineación, y por consiguiente se tendrá una huella de desgaste en
forma rectangular. Es allí donde se someterá al desgaste y obtener las pruebas
de desgaste.
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Figuras 5.24 y 5.25 Tacómetro análogo y probeta en ensayo de abrasión. [17]
En seguida se coloca un contrapeso en un extremo al brazo de palanca de 2
Kg. para darle una fuerza de presión de la pieza con la rueda abrasiva de 500
g., ajustándola con otro contrapeso puesto del otro lado del brazo de palanca .
El contenedor superior es llenado con arena sílice de 100 micras la cual se
deja caer en un chorro de 300 a 400 g por minuto calibramos la caída de
arena con una válvula tomamos el tiempo durante un minuto y enseguida lo
pesamos así sabemos cuánto hay que abrir la válvula y tener la cantidad de
arena necesaria que pase por minuto la arena se desempeña como medio
abrasivo y obtener mejores resultados.
Antes de colocar las probetas (Fig. 5.26), en la máquina se debe limpiar
perfectamente con alcohol y algodón ya que esta no debe de tener ninguna
sustancia que pudiera afectar el peso de la misma, ya que la balanza tiene una
lectura de hasta 0.0001 g. Se comienza el proceso de dejar abrir la válvula del
contenedor y dejar caer el flujo de arena sobre la probeta y la rueda, con las
adecuadas revoluciones. Con el contrapeso en el extremo de la palanca
multiplica la fuerza de empuje de la probeta, que esta fija con el adaptador de
madera y seda inicio al proceso de desgaste determinando el tiempo con un
cronómetro hasta obtener la relación de 3 minutos con 27 segundos que
corresponde a 500 m de distancia recorrida de la rueda.
Figura 5.26 Probetas sometidas al desgaste del acero AISI 416; a 1,2 y 3 de nitruración.
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Los cálculos que se efectuaron para determinar estos parámetros, son
determinados de acuerdo a la máquina, midiendo el diámetro de la rueda para
determinar la distancia, para obtener 500m y el tiempo correspondiente a esa
distancia, que es lo que va determinar la prueba y que efectos tiene sobre cada
una de las probetas.
Diámetro de la rueda:
D rueda abrasiva:
23 cm.
Fórmula:
Sustitución:
P
23 3.1416
72 .2568 cm.
Realizando la conversión a metros:
100 cm
72.2568 cm
1m
0.722568 m de perímetro de la rueda abrasiva
Para cada 500 m calculamos el No de vueltas que debe de dar la rueda
Si tenemos calibrada la máquina para que dé 200 vueltas por minuto, calcula el
tiempo necesario para que dé 692 vueltas
200 vueltas
692 vueltas
1 minuto
3.45 de minuto
Para que la rueda avance 500 m se requiere que transcurran 3 minutos con 27
segundos. Ahora todo preparado se hace funcionar la máquina durante 3
minutos con 27 segundos. Una vez transcurrido este tiempo, se para la
máquina y se vuelve a limpiar la pieza perfectamente con alcohol, y se vuelve a
pesar y así se hace sucesivamente con cada una de las probetas hasta llegar a
los 3000 m.
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Figuras 5.27 y 5.28 Báscula digital y máquina tribológica. [17]
La báscula que se utilizó para pesar las probetas (Fig. 5.27) tiene una
resolución de 0.0001de gr. es práctica para pesar cantidades muy pequeñas en
la variación de la pérdida de peso. La máquina de desgaste abrasivo en seco
(Fig. 5.28) está basada de acuerdo a la Norma ASTM G65 la cual nos
determina la resistencia de los materiales metálicos al desgaste abrasivo por
medio de arena seca y rueda de goma. La prueba produce datos en el rango
de resistencia de al desgaste bajo especificas condiciones. Esta prueba de
abrasión resulta ser reportada como la pérdida de volumen pero en nuestro
caso la determinamos como masa. Materiales con alta resistencia a la abrasión
tendrán una baja pérdida de masa.
5.2.1 Resultados de la prueba de desgaste en nitruración.
Tabla 5.9 Masa perdida en (gr) con respecto a la distancia (m) en la probeta sin
nitruración.
distancia
0m
500m
1000m
1500m
2000m
2500m
3000m
Masa perdida en la probeta sin nitruración.
peso 1 (g)
peso 2 (g)
peso 3 (g)
peso medio (g)
83.4503
83.4538
83.4508
83.4516
83.2361
83.2363
83.2358
83.2361
83.0211
83.0214
83.0209
83.0211
82.9452
82.9448
82.9457
82.9452
82.7858
82.7851
82.7863
82.7857
82.5345
82.5340
82.5342
82.5342
82.3431
82.3425
82.3428
82.3428
Peso perdido=Winicial - Wfinal=83.4516-82.3428=1.1088gr.
En la Tabla 5.9 se tabulan los valores obtenidos en una probeta de acero AISI
416 sin tratamiento de nitruración, teniendo una pérdida de masa de 1.1088gr.
a lo largo de 3000m.
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Tabla 5.10 Masa perdida en (gr) con respecto a la distancia (m) en la probeta de 1 hora de
nitruración.
distancia
0m
500m
1000m
1500m
2000m
2500m
3000m
Masa perdida en la probeta en 1hr nitruración.
peso 1 (g)
peso 2 (g)
peso 3 (g)
peso medio (g)
70.6013
70.6010
70.6014
70.6012
70.5943
70.5950
70.5952
70.5948
70.5911
70.5914
70.5909
70.5911
70.5885
70.5887
70.5901
70.5891
70.5831
70.5838
70.5845
70.5838
70.5767
70.5772
70.5779
70.5773
70.5741
70.5730
70.5728
70.5733
Peso perdido=Winicial – Wfinal=70,6012-70.5733=0.0279gr.
En la Tabla 5.10 se tabulan los valores obtenidos en una probeta de acero AISI
416 con tratamiento de 1hr. de nitruración, disminuyendo la pérdida de masa a
0.0248gr, con lo que la nitruración ayuda a que la probeta pueda resistir mejor
la prueba de resistencia al desgaste.
Tabla 5.11 Masa perdida en (gr) con respecto a la distancia (m) en la probeta de 2 horas
de nitruración.
Distancia
0m
500m
1000m
1500m
2000m
2500m
3000m
Masa perdida en la probeta a 2 hr de nitruración.
peso 1 (g)
peso 2 (g)
peso 3 (g)
peso medio (g)
75.4029
75.4036
75.4029
75.4031
75.3978
75.3981
75.3972
75.3977
75.3948
75.3944
75.3946
75.3946
75.3923
75.3924
75.3933
75.3926
75.3879
75.3877
75.3882
75.3879
75.3830
75.3845
75.3847
75.3841
75.3782
75.3779
75.3788
75.3783
Peso perdido=Winicial – Wfinal=75.4031 – 75.3783=0.0248
En la Tabla 5.11 se tabulan los valores obtenidos en la probeta de acero AISI
416 con tratamiento de 2 hr de nitruración, obteniendo la pérdida de masa a
0.0229gr., con lo que la nitruración ayuda a que la probeta resista más el
desgaste abrasivo. El tiempo de 2hrs. de nitruración permite que el acero
pierda menos masa, ya que la pérdida de masa en la probeta de 1hr es mayor.
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Tabla 5.12 Masa perdida en (gr) con respecto a la distancia (m) en la probeta de 3 horas
de nitruración.
Masa perdida en la probeta a 3 hr de nitruración.
peso 1 (g)
peso 2 (g)
peso 3 (g)
peso medio (g)
69.7736
69.7724
69.7703
69.7712
69.7680
69.7676
69.7690
69.7682
69.7659
79.7668
69.7658
69.7662
69.7637
69.7644
69.7638
69.7639
69.7594
69.7591
69.7596
69.7594
69.7542
69.7543
69.7547
69.7544
69.7495
69.7485
69.7496
69.7492
Distancia
0m
500m
1000m
1500m
2000m
2500m
3000m
Peso perdido=Winicial – W final=69.7712-69.7492=0.0229gr.
En la Tabla 5.12 se tabulan los valores obtenidos en la probeta de acero AISI
416 con tratamiento de 3 hr de nitruración, obteniendo la pérdida de masa a
0.0279 gr, con lo que la permanencia a 3 hr ayuda a que la pérdida de masa
sea menor.
Tabla 5.13 Comparación de las masas perdidas de la probeta sin tratamiento y tres con
nitruración.
Masa pedida en Kg. del ensayo de abrasión del acero AISI 416 nitrurizado.
Tiempo de
nitruración
S/T
1h
2h
3h
Masa
Inicial
-3
83.451×10
-3
70.601×10
-3
75.403×10
-3
69.772×10
500m
-4
2.2×10
-6
6.4×10
-6
5.4×10
-6
3.9×10
1000m
-4
4.31×10
-5
1.01×10
-6
8.50×10
-6
5.93×10
1500m
-4
5.06×10
-5
1.21×10
-5
1.04×10
-6
8.03×10
2000m
-4
6.65×10
-5
1.74×10
-5
1.52×10
-5
1.27×10
2500m
-4
9.17×10
-5
2.39×10
-5
1.9×10
-5
1.83×10
3000m
-3
1.11×10
-5
2.79×10
-5
2.48×10
-5
2.29×10
En la Tabla 5.13 se tabulan los datos de las probetas nitruradas, a partir de las
diferencias que existen entre la masa inicial de cada una de las probetas
menos la masa, después de haber sido sometidas a la prueba de de desgaste
abrasivo en cada 500 m de distancia de recorrido. Con esta tabla se comparan
las masas para determinar cual tiempo 1, 2 y 3 hr de permanencia en el baño
de sales es más efectivo al momento de la nitruración este acero y que efecto
tiene el dejarlo esos tiempos. La probeta sin nitruración también es comparada,
determinando que al paso de la prueba pierde gran cantidad de masa. Y que la
pérdida de masa de las tres probetas es consecutiva.
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Gráficas de la masa perdida en nitruración.
3,00E-05
Masa perdida en kg.
2,50E-05
2,00E-05
1,50E-05
1 N hora
1,00E-05
2 N horas
5,00E-06
3 N horas
0,00E+00
500m
1000m
1500m
2000m
2500m
3000m
Distancia
Figura 5.29 Representación gráfica de la comparación de las tres probetas de 1,2 y 3
horas de nitruración con la pérdida promedio de masa en la prueba de
desgaste.
En la (Fig. 5.29) se observan los comportamientos que tienen cada una de las
probetas con respecto a la pérdida de masa, con lo que la probeta de 3 hr
pierde menor masa con respecto de las otras, después sigue la de 2 hr y al
último la de de 1 hr, entonces que la permanencia en el baño de sales es de 2
hr alcanza una buena dureza y en 3 hr no aumenta significativamente, así es
como lo confirma las gráficas comparativas.
Tabla 5.14 Comparación de las tasas de desgaste de la probeta sin tratamiento y tres con
nitruración.
Tasa de desgaste abrasivo (nitruración)
No. De
probeta
1
2
3
4
Tiempo
de
nitrurizado
S/T
1h
2h
3h
500m
1000m
1500m
2000m
2500m
3000m
2.6363
0.0906
0.0716
0.0559
5.1647
0.1431
0.1127
0.0845
6.0634
0.1714
0.1379
0.1151
7.9687
0.2465
0.2016
0.1820
10.9884 13.3012
0.3385 0.3399
0.2623 0.3289
0.2519 0.3283
(1)Tasa de desgaste=masa perdida (g)/masa inicial (kg.)
En la Tabla 5.14 se tabulan las tasas de desgaste de las cuatro probetas,
mostrando gran diferencia la probeta sin tratamiento, ya que su tasa de
desgaste se eleva demasiado comparada con las del tratamiento. La probetas
con nitruración las tasas tienen poca diferencia en su parámetros de desgaste,
pero la de 1hr presenta mayor tasa de desgaste seguida de la de 1hr y al final
la de 2 hr Con esto se muestra que la probeta de 3 hr es la de menor pérdida
de masa al efecto del degaste abrasivo.
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99
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Desgaste abrasivo(g/kg)
Gráficas de la tasa de desgaste.
0,425
0,400
0,375
0,350
0,325
0,300
0,275
0,250
0,225
0,200
0,175
0,150
0,125
0,100
0,075
0,050
0,025
0,000
1 hora
2 horas
3 horas
500m
1000m
1500m
2000m
2500m
3000m
Distancia
Figura 5.30 Representación gráfica de la comparación de las tres probetas de 1,2 y 3 de
(1)
nitruración en la tasa de desgaste abrasivo, g/Kg con la distancia.
En la (Fig. 5.30) se comparan los comportamientos que tienen las probetas con
nitruración, observa que la de 1hr tiene mayor tasa de desgaste, con respecto a
las 2 hr y 3hr.
Tabla 5.15 Comparación de las resistencias al desgaste de la probeta sin tratamiento y
tres con nitruración.
Resistencia al desgaste abrasivo (nitruración).
Tiempo
No. De
de
500m
1000m 1500m 2000m 2500m
probeta
nitrurado
1
S/T
0.3793 0.1936 0.1649 0.1254 0.0910
2
1h
11.0317 6.9881 5.8343 4.0567 2.9520
3
2h
13.9636 8.8709 7.2503 4.9607 3.8167
4
3h
17.8901 11.7786 8.6881 5.4945 3.9685
3000m
0.0752
2.9420
3.0404
3.0487
(2) Resistencia al desgaste=1/Tasa de desgaste.
En la Tabla 5.15 se tabulan las resistencias al desgaste de las cuatro probetas,
muestra que la probeta sin nitruración tiene una baja resistencia al desgaste,
pero al ser nitruradas la resistencia aumenta. La de 3 hr fue la que más
aumento la resistencia al desgaste le sigue la de 2 y 1 hr con lo que se tiene
que después de los 2500 m la 2 y 3 hr, la diferencia de resistencia al desgate
no es tan marcada.
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AISI 416 NITRURADO PARA APLICACIÓN EN OBTURADORES DE VÁLVULAS
R=1/Tasa de desgaste
Gráficas de la resistencia al desgaste
20,000
18,750
17,500
16,250
15,000
13,750
12,500
11,250
10,000
8,750
7,500
6,250
5,000
3,750
2,500
1,250
0,000
1 hora
2 horas
3 horas
500m
1000m
1500m
2000m
2500m
3000m
Distancia
Figura 5.31 Representación gráfica de la comparación de las tres probetas de 1,2 y
(2)
3 horas de nitruración en su resistencia al desgaste abrasivo, kg/g con
la distancia.
En la (Fig. 5.31) se comparan los comportamientos de las probetas con
nitruración, se observándose que la probeta de 3 hr de nitruración tiene la
mayor resistencia al desgaste seguida de tiempos de 2 y 1 hr de tratamiento.
Con lo que la resistencia al desgate a partir de las 2 hrs en la nitruración resulta
tener buenos efectos para el acero AISI 416.
5.2.1 Resultados de la prueba de desgaste en cementación.
Tabla 5.16 Masa perdida en (gr.) con respecto a la distancia (m) en la probeta sin
cementación.[18]
Distancia
0m
500m
1000m
1500m
2000m
2500m
3000m
Masa perdida en la probeta sin cementación.
peso 1 (g)
peso 2 (g)
peso 3 (g)
peso medio (g)
85.5900
85.5901
85.5900
85.5900
85.3828
85.3827
85.3828
85.3827
85.1794
85.1793
85.1794
85.1793
84.9824
84.9816
84.9817
84.9819
84.8083
84.8081
84.8080
84.8081
84.6664
84.6663
84.6673
84.6655
84.5323
84.5317
84.5315
84.5318
Peso perdido=Winicial - Wfinal=85.5900 – 84.5318=1.0582gr.
En la Tabla 5.16 se tabulan los datos obtenidos de la prueba al degaste de
abrasivo a una probeta de acero AISI 416 para determinar su pérdida de masa
que es de 1.0582 al ser sometida a esta prueba.
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101
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AISI 416 NITRURADO PARA APLICACIÓN EN OBTURADORES DE VÁLVULAS
Tabla 5.17 Masa perdida en (gr) con respecto a la distancia (m) en la probeta de 1 hora de
cementación. [18]
Distancia
0m
500m
1000m
1500m
2000m
2500m
3000m
Masa perdida en la probeta a 1hr de cementación.
peso 1 (g)
peso 2 (g)
peso 3 (g)
peso medio (g)
81.5330
81.5328
81.5335
81.5331
81.4749
81.4788
81.4745
81.4760
81.4322
81.4323
81.4324
81.4323
81.3726
81.3727
81.3726
81.3726
81.3051
81.3052
81.3055
81.3052
81.2286
81.2305
81.2304
81.2298
81.1368
81.1366
81.1368
81.1367
Peso perdido=Winicial - Wfinal=81.5331 – 81.1367=0.3964gr.
En la Tabla 5.17 se tabulan los datos obtenidos en la prueba de desgaste de la
probeta a 1hr de cementación, determinando que hay una mejora con éste
proceso, ya que pierde menos masa que es de 0.3964 gr al paso del de la
prueba de desgaste abrasivo, comparado con la probeta sin tratamiento de
cementación.
Tabla 5.18 Masa perdida en (gr) con respecto a la distancia (m) en la probeta de 2 horas
de cementación. [18]
distancia
0m
500m
1000m
1500m
2000m
2500m
3000m
Masa perdida en la probeta a 2 hr de cementación.
peso 1 (g)
peso 2 (g)
peso 3 (g)
peso medio (g)
81.1830
81.1832
81.1828
81.1830
81.1127
81.1124
81.1123
81.1124
81.0693
81.0694
810691
81.0692
81.0194
81.0191
81.0191
81.0192
80.9594
80.9593
80.9593
80.9594
80.8973
80.8975
80.8975
80.8974
80.8329
80.8325
80.8325
80.8326
Peso perdido=81.1830-80.8326=0.3504gr.
En la Tabla 5.18 se tabulan los datos obtenidos en la prueba de desgaste de la
probeta a 2 hr de cementación, determinando que hay una mejora con éste
proceso al perder menos masa que es de 0.3504 gr al paso de la prueba de
desgate abrasivo, comparado con la probeta de 1hr de cementación.
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AISI 416 NITRURADO PARA APLICACIÓN EN OBTURADORES DE VÁLVULAS
Tabla 5.19 Masa perdida en (gr.) con respecto a la distancia (m) en la probeta de 3 horas
de cementación. [18]
distancia
0m
500m
1000m
1500m
2000m
2500m
3000m
Masa perdida en la probeta a 3hrs. de cementación.
peso 1 (g)
peso 2 (g)
peso 3 (g)
peso medio (g)
78.1094
78.1090
781092
78.1092
78.0432
78,0431
78.0430
78.0431
78.0031
78.0033
78.0035
78.0033
77.9614
77.9614
77.9613
77.9613
77.9172
77.9170
77.9169
77.9170
77.8638
77.8637
77.8635
77.8636
77.8066
77.8067
77.8067
77.8066
Peso perdido=78.1092-77.8066=0.3026gr.
En la Tabla 5.19 se tabulan los datos obtenidos en la prueba de desgaste de la
probeta a 3 hr de cementación, determinando que hay una mejora con éste
proceso, ya que al permanecer mayor tiempo la pérdida de masa que es de
0.3026 se reduce en la probeta, entonces en este proceso sí ayuda el tiempo
de permanencia al acero AISI 416.
Tabla 5.20 Comparación de las masas perdidas de la probeta sin tratamiento y tres con
cementación. [18]
Masa perdida en kg. del ensayo de abrasión del acero AISI 416 cementado
Tiempo de
cementado
S/T
1h
2h
3h
Peso
inicial
-3
85.590×10
-3
81.533×10
-3
81.183×10
-3
78.109×10
500m
-4
2.1×10
-5
5.71×10
-5
7.06×10
-5
6.61×10
1000m
-4
4.11×10
-4
1.01×10
-4
1.14×10
-4
1.06×10
1500m
-4
6.08×10
-4
1.61×10
-4
1.64×10
-4
1.48×10
2000m
-4
7.82×10
-4
2.28×10
-4
2.24×10
-4
1.92×10
2500m
-4
9.23×10
-4
3.03×10
-4
2.86×10
-4
2.46×10
3000m
-3
1.06×10
-4
3.96×10
-4
3.51×10
-4
3.03×10
En la Tabla 5.20 se tabulan los datos de las probetas cementadas, de las
diferencias que existen entre la masa inicial de cada una de las probetas
menos la masa después de haber sido sometidas a la prueba de desgaste
abrasivo en cada 500 m en distancia de recorrido. Con esta tabla se comparan
las masas para determinar cual tiempo 1, 2 y 3 hr de permanencia en el baño
de sales es más efectivo al momento de la cementar una pieza con éste acero.
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Gráficas de la masa perdida en cementación
Masa perdida en Kg.
5,00E-04
4,00E-04
3,00E-04
1 C hora
2,00E-04
2 C horas
1,00E-04
3 C horas
0,00E+00
500m
1000m
1500m
2000m
2500m
3000m
Distancia
Figura 5.32 Representación gráfica de la comparación de las tres probetas de 1,2 y
3 horas de cementación con la pérdida de peso en la prueba de desgaste. [18]
En la Fig. 5.32 se observan los comportamientos que tienen cada una de las
probetas con respecto a la perdida de masa, en los 1500 m las probetas
permanecen con el mismo comportamiento, después de esa distancia las
probetas comienzan a separarse con la de 1hr con mayor perdida de masa
seguida de 2 y 3 hr en cementación.
Tabla 5.21 Comparación de las tasas de desgaste de la probeta sin tratamiento y tres con
cementación. [18]
No. De
probeta
1
2
3
4
Tasa de desgaste abrasivo (cementación).
Tiempo de
500m 1000m 1500m 2000m 2500m 3000m
cementado
S/T
2.4185 4.8019 7.1036 9.1366 10.7839 12.3846
1h
0.7003 1.2331 1.9685 2.7952 3.7199 4.8618
2h
0.8696 1.4018 2.0177 2.7543 3.5179 4.3161
3h
0.8463 1.3494 1.8897 2.4607 3.1443 3.8741
(1)Tasa de desgaste=masa perdida (g)/masa inicial (kg.)
En la Tabla 5.21 se tabulan los datos que se obtienen de la tasa de desgaste
de cada una de las probetas. La probeta sin cementar tiene la tasa de desgaste
más alta, en las probetas cementadas ésta tasa se reduce, en primeros 1500 m
las tasas de desgaste se comportan muy variadas, por ejemplo las de 2 hr es la
tasa de desgaste más alta, y en los 2000 m las tasas de desgaste vuelven a
variar con lo que la de1hr es de mayor tasa de desgaste y la de 3 hr es de
menor tasa de desgaste.
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Desgaste abrasivo (g/kg)
Gráficas de la tasa de desgaste en cementación.
5,250
4,725
4,200
3,675
3,150
2,625
2,100
1,575
1,050
0,525
0,000
1 hora
2 horas
3 horas
500m
1000m
1500m
2000m
2500m
3000m
Distancia
Figura 5.33 Representación gráfica de la comparación de las tres probetas de 1,2 y
3 horas de cementación en la tasa de desgaste. [18]
En la (Fig. 5.33) se observa el comportamiento que tienen las probetas
cementadas en la tasa de desgaste. Las probetas en los primeros 1500 m las
tres probetas tienen una tasa de desgaste parecida, pero pasando esa
distancia las probetas comienzan a variar, donde la de 1hr es de mayor tasa y
comienza a reducir en las 2 y 3 hr respectivamente
Tabla 5.22 Comparación de las resistencias al de desgaste de la probeta sin tratamiento
y tres con cementación. [18]
Resistencia al desgaste abrasivo (cementación).
No. De
Tiempo de
500m 1000m 1500m 2000m 2500m
probeta cementación
1
S/T
0.4135 0.2083 0.1408 0.1095 0.0927
2
1h
1.4279 0.8109 0.5080 0.3578 0.2688
3
2h
1.1499 0.7134 0.4956 0.3631 0.2843
4
3h
1.1816 0.7411 0.5292 0.4064 0.3180
3000m
0.0807
0.2057
0.2317
0.2581
(2) Resistencia al desgaste=1/Tasa de desgaste.
En la Tabla 5.22 se tabulan los datos de la resistencia al desgaste de las
probetas cementadas, la probeta sin tratamiento presenta una menor
resistencia al degaste. En las probetas con cementación esta resistencia al
desgaste aumenta, los primeros 1500m. las resistencias al desgaste varían,
pero en los 2000m la de 3 hr es la que tiene la mayor resistencia al desgaste y
en la 2 y 1hr está resistencia disminuye.
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R=1/Tasa de desgaste
Gráficas de la resistencia al desgaste en cementación.
1,500
1,400
1,300
1,200
1,100
1,000
0,900
0,800
0,700
0,600
0,500
0,400
0,300
0,200
0,100
0,000
1 hora
2 horas
3 horas
500m
1000m
1500m
2000m
2500m
3000m
Distancia
Figura 5.34 Representación gráfica de la comparación de las tres probetas de 1, 2 y
3 horas de cementación en la resistencia al desgaste. [18]
En la (Fig. 5.34) se observa el comportamiento que tienen las probetas
cementadas en la resistencia al desgaste, en los primeros 1000 m las
resistencias al desgaste tienen variación, la de 1hr presenta una mejor
resistencia al desgaste pero no tan alejada de la de 2 y 3 hr de cementación.
Pero después de los 1500m la de 3 hr tiene mejor resistencia al desgaste, pero
la variación entre las de 2 y 3 hr no es muy alejada.
5.3 Comparación de los resultados de los procesos.
Tabla 5.23 Comparación de las durezas N vs. C.
Tiempo
0
1 hr
2 hr
3 hr
En escala Vickers
Dureza nitruración (Hv).
Dureza cementación (Hv).
253.7
275.8
787.3
565.4
809.7
538.5
848.9
544.9
Nota: Las durezas de la cementación fueron previamente tomadas en otro ensayo. [18]
En la Tabla 5.23 se tabulan los datos de las durezas de las durezas promedio
de nitruración y cementación para ser comparadas. Se observa que la
cementación alcanza sólo valores alrededor de 500 puntos de dureza Vickers,
y que la nitruración tiene alrededor de los 800 puntos de dureza Vickers. Por lo
consiguiente la nitruración es el tratamiento más adecuado para alcanzar
mayores durezas en el acero AISI 416.
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Dureza (Hv)
Gráficas de la dureza superficial N vs. C
900
850
800
750
700
650
600
550
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
Nitrurizado
Carburizado
Sin
1 hr
2 hr
3 hr
Tiempo de tratamiento
Figura 5.35 Representación gráfica de la comparación de las durezas superficiales
en nitruración vs. Cementación.
En la Fig. 5.35 muestra el comportamiento que tienen las durezas de las
probetas nitruradas y cementadas para ser comparadas. Se observa que la
nitruración es mayor en dureza pasando los 800 puntos de dureza Vickers, con
lo que la cementación sólo pasa los 500 puntos de dureza Vickers. La
diferencia entre las durezas permanece constante con casi 200 puntos de
dureza Vickers, acentuando así que la nitruración es el tratamiento
termoquímico con mayor endurecimiento para el acero AISI 416.
Tabla 5.24 Comparación de las masas perdidas de las dos probetas sin tratamiento, tres
probetas de nitruración y tres de cementación.
Masas perdidas en kg de N vs. C.
Tiempo
Tipo
Peso
inicial
S/TN
83.451×10
-3
2.2×10
-4
4.31×10
S/TC
85.590×10
-3
2.1×10
-4
4.11×10
N
70.601×10
-3
6.4×10
-6
1.01×10
C
81.533×10
-3
5.71×10
N
75.403×10
-3
5.4×10
C
81.183×10
-3
7.06×10
N
69.772×10
-3
3.9×10
C
78.109×10
-3
6.61×10
1 hr
2 hr
3 hr
IPN-ESIME-UPA
500m
1000m
-5
-6
-5
-6
-5
1500m
-4
5.06×10
-4
6.08×10
-5
1.21×10
-4
1.61×10
-6
1.04×10
-4
1.64×10
-6
8.03×10
-4
1.48×10
1.01×10
8.50×10
1.14×10
5.93×10
1.06×10
2000m
-4
6.65×10
-4
7.82×10
-5
1.74×10
-4
2.28×10
-5
1.52×10
-4
2.24×10
-6
1.27×10
-4
1.92×10
2500m
3000m
-4
9.17×10
-4
1.11×10
-4
9.23×10
-4
1.06×10
-5
2.39×10
-5
2.4×10
-4
3.03×10
-4
3.96×10
-5
1.9×10
-4
2.86×10
-4
3.51×10
-5
1.83×10
-5
2.29×10
-4
2.46×10
-4
3.03×10
-5
-3
-3
-5
-4
-5
2.48×10
-4
-5
-4
107
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AISI 416 NITRURADO PARA APLICACIÓN EN OBTURADORES DE VÁLVULAS
En la Tabla 5.24 se tabulan los datos de las masas perdidas en cada una de
las probetas. En las probetas de sin tratamiento se presenta una similar pérdida
de masa. En la cementación de las probetas de 1, 2 y 3 hr de cementación
presentan mayor pérdida de masa contara las de nitruración. Se determina que
la nitruración reduce la pérdida de masa en el acero AISI 416.
Gráficas de la masa perdida N vs. C
Masa perdida en kg.
5,00E-04
1N hora
1C hora
2 N horas
2C horas
3 N horas
3C horas
4,00E-04
3,00E-04
2,00E-04
1,00E-04
0,00E+00
500m
1000m
1500m
2000m
2500m
3000m
Distancia
Figura 5.36 Representación gráfica de la comparación de los masas perdidas en Kg. de
las probetas de 1,2 ,3 de nitruración y cementación.
En la (Fig. 5.36) se comparan los comportamientos de las probetas de
nitruración contra las de cementación. Determinando que las probetas
cementadas pierden más masa en la prueba de desgaste abrasivo que las
nitruradas.
Tabla 5.25 Comparación de las tasas de desgaste de las dos probetas sin tratamiento,
las tres de nitruración y tres con cementación.
Tiempo
Comparación de la tasa de desgaste entre N vs. C
Tipo de
500m
1000m
1500m
2000m
2500m
tratamiento
S/TN
2.6363
5.1647
6.0634
7.9687
10.9884
3000m
13.3012
S/TC
2.4185
48019
7.1036
9.1366
10.7839
12.3846
N
0.0906
0.1431
0.1714
0.2465
0.3385
0.3399
C
0.7003
1.2331
1.9685
2.7952
3.7199
4.8618
N
0.0716
0.1127
0.1379
0.2016
0.2519
0.3228
C
0.8696
1.4018
2.0177
2.7543
3.5179
4.3161
N
0.0559
0.0845
0.1151
0.1820
0.2519
0.3283
C
0.8464
1.3494
1.8897
2.4607
3.1443
3.8741
1hrs.
2hrs.
3hrs.
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108
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO AL DESGASTE DE UN ACERO INOXIDABLE
AISI 416 NITRURADO PARA APLICACIÓN EN OBTURADORES DE VÁLVULAS
En la Tabla 5.25 se tabulan los datos de la tasa de desgaste de las probetas de
nitruración y cementación para ser comparadas. En las tres probetas de
nitruración se observa mucha menor tasa de desgaste que en las de la
nitruración, en las piezas de acero AISI 416 nitruradas tienen menor tasa de
desgaste que las cementadas.
Desgaste abrasivo (g/kg).
Gráfica tasa de desgaste N vs. C.
5,200
4,875
4,550
4,225
3,900
3,575
3,250
2,925
2,600
2,275
1,950
1,625
1,300
0,975
0,650
0,325
0,000
1 N hora
1 C hora
2 N horas
2 C horas
3 N horas
3 C horas
500m
1000m
1500m
2000m
2500m
3000m
Distancia
Figura 5.37 Representación gráfica de la comparación de las tasas de desgaste de
las probetas de 1,2 y 3 de nitruración y cementación.
En la (Fig. 5.36) se compara el comportamiento que tienen las probetas
nitruradas frente a las cementadas. Observando que las probetas nitruradas
tienen casi unas nueve veces menor tasa de desgate que las cementadas con
lo que la nitruración ayuda mejor en acero AISI 416.
Tabla 5.26 Comparación de las tasas de desgaste de las probetas sin tratamiento, tres
con nitruración y tres con cementación.
Tiempo
Comparación de la resistencia del desgaste entre N vs. C
Tipo de
500m
1000m
1500m
2000m
2500m
tratamiento
S/TN
0.3793
0.1936
0.1649
0.1254
0.0910
S/TC
N
1 hr
C
N
2 hr
C
N
3 hr
C
IPN-ESIME-UPA
3000m
0.0752
0.4135
0.2083
0.1408
0.1095
0.0927
0.0807
11.0317
6.9881
5.8343
4.0567
2.9520
2.9420
1.4279
0.8109
0.5080
0.3578
0.2688
0.2057
13.9636
8.8709
7.2503
4.9607
3.9685
3.0404
1.1499
0.7134
0.4956
0.3631
0.2843
0.2317
17.8901
11.7786
8.6881
5.4945
3.9685
3.0487
1.1816
0.7411
0.5292
0.4064
0.3180
0.2581
109
ESTUDIO DEL COMPORTAMIENTO AL DESGASTE DE UN ACERO INOXIDABLE
AISI 416 NITRURADO PARA APLICACIÓN EN OBTURADORES DE VÁLVULAS
En la Tabla 5.26 se comparan los datos de resistencia al desgaste de las
probetas nitruradas y cementadas. Lo que se establece que las probetas
cementadas tiene una muy baja resistencia al degaste comparada con la
nitruradas, ya que los valores están muy por encima. La nitruración muestra
una mayor resistencia al desgaste en el acero AISI 416.
R=1/Tasa de desgaste
Gráfica de resistencia al desgaste N vs. C
20,000
18,750
17,500
16,250
15,000
13,750
12,500
11,250
10,000
8,750
7,500
6,250
5,000
3,750
2,500
1,250
0,000
1 hora N
1 hora C
2 horas N
2 horas C
3 horas N
3 horas C
500m
1000m
1500m
2000m
2500m
3000m
Distancia
Figura 5.38 Representación gráfica de la comparación de las resistencias al desgaste
de las probetas de 1,2 y 3 de nitruración y cementación.
En la (Fig. 5.38) se compara el comportamiento que tienen las probetas
nitruradas contra las cementadas. Observando que la nitruración tiene un a
mejor resistencia al desgaste en la prueba de desgaste abrasivo en el acero
AISI 416.
5.4 Análisis económico.
Los siguientes puntos son aplicados para una selección adecuada de una
válvula para cualquier aplicación. Estos puntos tratan de cubrir todas las
características físicas, capacidades y limitaciones de diferentes tipos de
válvulas y cuál sería la más aceptable en la aplicación deseada. La persona
que va hacer uso de una válvula tiene que evaluar completamente los pros y
los contras del uso particular de cualquier válvula y llegar a la decisión más
adecuada, tomando dentro la consideración la vida útil esperada y los cotos
involucrados.
Identificar las características de la aplicación.
1.- Identificar el sistema y sus modalidades de aplicación: en sistemas de
alimentación, operación normal, condiciones de accidente, en espera, de corte,
etc.
2.- Identificar el tipo de flujo y sus propiedades, el índice de duración del fluido,
el diseño de presión del sistema y el diseño de temperatura.
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AISI 416 NITRURADO PARA APLICACIÓN EN OBTURADORES DE VÁLVULAS
3.- Establecer la caída de presión a través de la válvula que puede ser crítica
sobre el funcionamiento de todo el sistema.
Seleccionar el tipo de válvula requerida
1.- En referencia con varios tipos de sistemas de operación, se determinan las
funciones que la válvula tiene que realizar.
2.- Basados sobre las funciones de la válvula, el tipo de válvula puede ser
seleccionada. La válvula necesaria puede ser una de aislamiento o de paro.
¿Cuáles son las opciones disponibles?
3.- Si el flujo tiene que ser regulado y controlado basado en la variación de la
presión, temperatura, nivel del fluido, o si las limitaciones del diseño de los
compontes o del equipo.
Selección de los materiales.
1.- El tipo de flujo y sus características ayudaran en la selección del cuerpo de
la válvula y los materiales de los componentes. Las características del tipo de
flujo incluyen: líquido, gaseoso, vapor, viscosidad, la limpieza del fluido, fluido
sucio, impurezas suspendidas, presión y temperatura durante los diferentes
modos de operación del sistema. Pueden ser utilizados materiales, nometálicos, acero inoxidable o altas aleaciones. Acordemente, los materiales
deben ser seleccionados teniendo en mente las limitaciones y disponibilidad de
la manufactura del tipo y tamaño de la válvula.
2.- El índice de flujo distara los requerimientos para el coeficiente flujo-válvula.
3.- Otros materiales de las válvulas más que la de retención de presión deben
ser adecuadas para soportar todas las condiciones de carga y contribuir en el
desempeño de la válvula en sus funciones correspondientes.
Con esto considero los factores que intervienen en la vida útil de la válvula,
además el precio de nitruración que no da la Empresa Inducciones Térmicas es
de $29.90 pesos x kg. más IVA o bien $300 pesos por cargo mínimo si es de
menos de 10 kg. más IVA. Entonces la selección es una válvula de compuerta
Clase 150 con un diámetro nominal de 6 pulgadas y un peso aproximado de
101kg. Dejando un peso del obturador de 7.5 kg, lo que da un costo de $224.25
pesos, los que si tengo en cuenta los mantenimientos previos, la desinstalación
de la válvula debida a la problemas con el obturador el costo es de este
tratamiento termoquímico no afecta en la el valor de operación de la válvula.
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AISI 416 NITRURADO PARA APLICACIÓN EN OBTURADORES DE VÁLVULAS
6.1 Conclusiones.
En el análisis metalográfico se determina que las capas en las probetas fueron
aumentando con respecto al tiempo por ejemplo: en 1 hora comienza la
difusión del nitrógeno, en la de 2 horas la difusión alcanza mayor profundidad y
en la de 3 la profundidad de difusión del nitrógeno hacia la probeta se mantiene
casi constante pero con un aumento de capa mucho menor.
Se encontró evidencia experimental que indica que el aumento de la dureza es
proporcional al tiempo de nitruración, después de 3 hr de nitruración alcanza
una dureza de 849 Vickers casi 50 Vickers más que 1 hr de nitruración y una
dureza mucho mayor que en la probeta sin nitruración. Esto demuestra que el
proceso de nitrurizado aumento la dureza de la capa superficial de acero AISI
416.
Por otra parte se encontró que la tasa de desgaste es proporcional al tiempo
de nitruración. En el caso de la probeta a 1hr de nitruración, presenta mayor
tasa de desgate, seguida de 2 y 3 hr con la menor tasa de desgaste. La
resistencia al desgaste que presenta la probeta de 3 hr es la que aumenta el
efecto de reducir el efecto de desprendimiento de partículas.
El someter las probetas a este tipo de ensayo basado en la norma AISI G69-94
refleja cómo el acero aplicado a obturadores de válvulas se comportará bajo
condiciones de trabajo, ya que la probeta sin tratamiento termoquímico tiene
menor resistencia al desgaste, y la nitruración mejora estas cualidades, por lo
cual un obturador con estas características tiene un mayor tiempo de vida útil.
En la comparación de los procesos de nitruración contra cementación se
observa que la nitruración alcanza valores mayores de dureza que en
cementación. Se encontró evidencia experimental de que las probetas con
nitruración pierden menos masa que las cementadas. La tasa de desgaste en
probetas nitrurizadas es menor que en las cementadas, y con esto incrementa
en probetas la resistencia al desgaste.
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Bibliografía.
[1] Bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen2
[2] Sidney H. Avner; Introducción a la metalurgia física; Editorial Mc Graw-Hill;
Madrid 1966.
[3] Adrian Inchaurza Zabala; Aceros inoxidables y aceros resistentes al calor;
Editorial Limusa.
[4] American Society Metals; Volume 2; Hand Book,Heat Treating, cleaning and
Finishing; Editorial Mc Graw Hill; 8th Edition.
[5] American Society Metals; Volume 7; Atlas of Microstructures of industrial
Alloys; Editorial Mc Graw Hill; 8th Edition.
[6] American Society Metals; Volume 10; Failure Analysis and Prevention;
Editorial Mc Graw Hill; 8th Edition.
[7] Karl-Erik Thelning Bofors; Steel and its heat treatment; Butterworths London.
[8] José Apariz Barreiro, Tratamientos Térmicos de los Aceros; Editorial Limusa
Noriega Editores; 9ª Edición.
[9] Mohinder L. Nayyar, Piping Handbook, Editorial Mc Graw-Hill, 7a Edición.
[10] Universal de Válvulas S.A. de C.V. Linea de Fabricación “UNIVAL”
No.4412
[10] NMX-B-118-1996 Determinación de la dureza Vickers en materiales
metálicos.
[12] ASTM G-65-94 Standard, Measuring Abrasion.
[13] Fotografías tomadas de internet para usos ilustrativos.
[14] Cortesía Inducciones Térmicas S.A de C.V.
[15] Cortesía Instituto de Investigaciones Nucleares (ININ)
[16] Fotografías tomadas en ESIME Zacatenco del microdurómetro.
[17] Fotografías tomadas en ESIME Zacatenco de la máquina tribológica,
balanza y báscula.
[18] Autor: José A. Pérez Sánchez. Tesis de Licenciatura: Caracterización de
un acero inoxidable 416 martensítico, sometido a pruebas de desgaste en un
proceso de cementación líquida. I.P.N. ESIME AZCAPOTZALCO. Fecha: Junio
2009.
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AISI 416 NITRURADO PARA APLICACIÓN EN OBTURADORES DE VÁLVULAS
ANEXO I. [3]
Tablas con las características más importantes del acero AISI 416 martensítico.
Composición Química del acero AISI 416 Martensítico.
C
Si
Mn
P
S
Cr
Mo
0.08
1.00
1.25
0.060
0.15
12.00
0.75
0.15máx.
máx.
máx.
máx.
min.
14.00
Máx.
La adición de azufre le mejora grandemente la aptitud para el mecanizado, sin
deteriorar excesivamente su resistencia a la corrosión.
Con el temple adquiere buenas características mecánicas, por su elevado
contenido de azufre presenta cierta fragilidad en caliente y más dificultades en
la soldadura.
Se recomienda precalentar la soladura precalentar las piezas antes de la
soldadura y un tratamiento, entre 700 y 750ºC con enfriamiento en aire,
después de realizada.
Transformaciones en caliente.
De 1225 a 950ºC con enfriamiento lento.
Tratamientos térmicos.
Se consigue una dureza muy baja calentando el acero entre 770 y 870ºC y
enfiandolo lentamente en el horno hasta 600ºC. Para su mejor mecanización
se recomienda un tratamiento posterior entre 700 y 780ºC con enfriamiento en
aire.
Temple: de 950 a 1000ºC con enfriamiento en aceite.
Revenido: superior a 600ºC con enfriamiento en aire. La temperatura del
revenido dependerá de las características mecánicas que pretendamos
obtener.
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Características mecánicas a temperatura ambiente
Tratamiento
Resistencia a la
2
tracción (Rm) N/mm
2
(kgf/mm )
Recocido de
770 a 870 ºC
440-640
Temple y
revenido
640-835
Límite elástico del
0.2% (Rp) min.
2
2
N/mm (kgf/mm )
Alargamiento
(A)%
min
Dureza
245(25)
22
212 HB
máx
440(45)
12
185245
(45-65)
(65-85)
ANEXO II. [2]
En las normas AISI los números van precedidos de una letra que indica el
medio de fabricación utilizado en la obtención del acero. Las normas SAE
utilizan el mismo sistema de designación a base de cuatro dígitos, aunque no
se utiliza ningún prefijo literal.
Los números fundamentales de las series de cuatro dígitos corresponden a los
cuatro dígitos correspondientes a los distintos tipos de aceros al carbono y
aleados son:
10xx Aceros al carbono obtenidos en horno Martín Siemens y en convertidor
Bessemer ácido.
11xx Aceros al carbono, altos en azufre y bajos en fósforo, obtenidos en el
horno Martín Siemens y en un convertidor Bessemer de ácido.
12xx Aceros al carbono, altos en azufre y en fósforo, obtenidos en horno
Martin Siemens.
13xx Manganeso, 1.60 a 1.90%
23xx Níquel, 3.50%
25xx Níquel, 5%
31xx Níquel, 1.25%; cromo 0.60%
32xx Níquel, 1.75%; cromo 1.00%
33xx Níquel, 3,50%; cromo 1.50%
40xx Molibdeno, 0.25%
41xx Cromo, 1.00%; molibdeno 0.20%
43xx Cromo-Níquel-Molibdeno
46xx Níquel, 1.75%; Molibdeno, 0.25%
48xx Níquel, 3.50%; Molibdeno, 0.25%
51xx Cromo, 0.80%
52xx Cromo, 1.50%
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61xx Cromo-Vanadio
86xx Níquel, 0.55%; cromo 0.50%; molibdeno, 0.20%
87xx Níquel, 0.55%; cromo, 0.50%, molibdeno, 0.25%
92xx Manganeso, 0.80%; silicio, 2.00%
93xx Níquel, 3.25%; Cromo 1.20%; molibdeno, 0.12%
98xx Níquel, 1.00%; Cromo, 0.80%; molibdeno; 0.25%
ANEXO III. [2]
Diagramas tensiones alargamientos de un acero dúctil y de un acero frágil.
Composición de los aceros inoxidables trabajados
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ANEXO IV. [14]
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ANEXO V [14]
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ANEXO VI. [10]
Válvula Tipo Compuerta.
No es una válvula reguladora, además no debe de utilizarse en los ciclos de
operación frecuente. La operación de la válvula con el disco parcialmente
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abierto significará vibración de la válvula y por consiguiente un rápido desgaste
del obturador y de los sellos.
Tabla de consideraciones para la selección de la válula.
Al seleccionar una válvula, deberán de tomarse en cuanta los factores que se muestran en la
siguiente tabla.
FACTOR
VARIANTES
CONSIDERACIONES
I Tipo de servicio
Obturar o permitir el flujo
Regular el flujo
Cambiar dirección del flujo.
Evitar retroceso del flujo.
Grado de hermeticidad.
Caída de presión.
Tipo de regulación deseada.
Velocidad de corriente.
Dirección de flujo.
II Naturaleza del fluido
Aceite, vapores de aceite,
gas, agua, Vapor de agua,
compuestos
químicos,
Acción
corrosiva,
acción
erosiva, peligro de fugas
(toxidad, inflamación, etc.)
densidad
contaminación,
contornos productos, etc.
productos alimenticios, etc.
III Temperatura de fluido
Máxima
Mínima
Bajo cero
Efecto de temperatura sobre
los
materiales
(cuerpo,
guarniciones,
empaques
lubricantes, etc.).
IV Presión del fluido
Máxima
Vacío
Resistencia de los materiales.
Efecto de la temperatura
sobre la presión de trabajo.
Posibilidad de golpe de
ariete,
V Tamaño de la válvula
Paso completo.
Paso completo y continuado.
Paso restringido.
Venturí
Gasto.
Caída de presión.
Paso de herramientas.
Distancia entre extremos.
VI Conexión a la tubería
Bridas para realzada.
Bridas junto tipo anillo.
Roscada.
Caja para soldar.
Hermeticidad de la conexión.
Presión de trabajo.
Permanencia de línea.
Tiempo de instalación.
Tamaño de la válvula.
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ANEXO VII [12]
ASTM -G65-94.
Prueba del Método Estándar para la Medición de la Abrasión Usando Arena
Seca/Rueda de Goma
Parámetros para pruebas de desgaste abrasivo en condición seca.
Velocidad de disco
186 a 194 R.P.M.
Número de ciclos totales
7777 ciclos.
Pérdida de masa en probetas cada
1555 ciclos.
Distancia total deslizada
5586 m.
Dureza del neopreno (ASTM D-2240
pruebas de dureza de plásticos)
A 60.
Fuerza aplicada entre la probeta y el 20…130…250 N
disco
Tamaño de grano de arena sílica
50/70 (230/270 µm).
Dureza del abrasivo.
1,250 HV
Flujo de arena sílica
0.350 kg/min.
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