Universidad Tecnológica Nacional – Facultad Regional Villa María CyTAL 2014 – VI Jornadas de Ciencia y Tecnología para alumnos CONSTRUCCIÓN DE UN APARATO PARA DETERMINAR LA TEMPLABILIDAD POR EL MÉTODO JOMINY Antonella Barrera, Karen Basualdo, Adrián Cinturión, Rubén Gastaldi Tutor: Dr. Ing. Eldo José Lucioni Departamento de Ingeniería Mecánica – Laboratorio de Metalurgia y Materiales Facultad Regional Villa María – Universidad Tecnológica Nacional Avda. Universidad 450 – (5900) Villa María (Córdoba) Resumen El templado es un tratamiento térmico consistente en el rápido enfriamiento de la pieza para obtener determinadas propiedades de los materiales, especialmente para incrementar la dureza. La templabilidad es la capacidad de una aleación para transformarse en martensita durante un determinado temple. Un acero aleado de alta templabilidad es aquel que endurece, o forma martensita, no sólo en la superficie sino también en su interior. Por lo tanto, la templabilidad es una medida de la profundidad a la cual una aleación específica puede endurecerse. Para determinar la templabilidad se emplean dos ensayos típicos: Jominy y Grossman (curvas U). El primero es el más utilizado y mide cuantitativamente el endurecimiento de los aceros. Se reseñan las actividades realizadas para la Construcción de un aparato para determinar la templabilidad por el método Jominy de acuerdo a lo establecido por el Método ASTM A-255 [1], por el Método SAE J406b [2] y por la Norma IRAM-IAS U 500-123 [3]. Palabras clave: Tratamiento térmico. Templado. Templabilidad. Ensayo Jominy. ASTM A 255. SAE J406b. IRAM-IAS U 500-123. 1. INTRODUCCIÓN El ensayo de Jominy fue descrito por primera vez por V.V.E. Jominy en su trabajo: "A Hardenability Test for Carburizing Steel" (publicado en 1938) por la ASM. Como su nombre lo indica, fue originalmente pensado para aceros de carburización y luego su uso se extendió a otros aceros. Para realizar dicho ensayo es necesario disponer de un aparato normalizado según lo Figura 1 - Curva y Bandas de templabilidad establecido en la Norma IRAM-IAS U 500-123. En este trabajo se reseñan las actividades realizadas durante la investigación, diseño y construcción de un aparato para determinar la templabilidad por el método Jominy. Por otro lado, disponer de este aparato contribuirá con las actividades encaradas por el Departamento de Mecánica (UTN FRVM) tendientes al equipamiento del Laboratorio de Materiales a fin de fortalecer la capacidad de realizar una amplia gama de ensayos de caracterización de materiales. 2. MARCO TEÓRICO 2.1 Templado y Templabilidad El Temple es un tratamiento térmico cuyo objetivo es aumentar la dureza y la resistencia mecánica del material, transformando toda la masa en austenita por acción de un calentamiento inicial y, posteriormente, mediante un enfriamiento brusco generar la conversión en martensita que es el constituyente duro típico de los aceros templados [4]. Debe diferenciarse la templabilidad de la capacidad de temple. La templabilidad es la aptitud del acero para dejarse penetrar por el temple. La capacidad de temple hace referencia a la capacidad de un acero para adquirir mayor o menor dureza mediante el temple. Entonces, la templabilidad indica solo la facilidad de penetración del temple y no a las características obtenidas por la aplicación de dicho tratamiento térmico. Figura 2 – Disposición de la probeta y de la tobera de proyección. [5] Figura 3 – Detalle de chorro y temperaturas de la probeta. [6] Figura 4 – Dimensiones generales y puntos de medición. [7] La templabilidad depende de la composición química, del tamaño de grano austenítico y de la estructura antes del temple. Existen varios métodos para la determinación de la templabilidad; entre ellos, el examen de las fracturas de probetas templadas, las curvas U de Grossman y el ensayo Jominy. El análisis cualitativo de las curvas Jominy permite conocer la mayor o menor templabilidad de un acero a partir de la pendiente de las mismas (Figura 1). Estas curvas se suelen presentar en gráficos que indican bandas de templabilidad; así, un acero puede caracterizarse indicando las curvas de máxima y mínima templabilidad. La importancia de la templabilidad y de las bandas de templabilidad reside en que existe una tendencia a adoptar la especificación de dichas bandas para la caracterización de un acero antes que las tradicionales determinaciones de análisis de composición química. Esto es porque la composición por sí sola no da idea de las características funcionales del acero. 2.2 El ensayo de templabilidad Jominy El ensayo de templabilidad Jominy consiste en templar una muestra estándar de acero con un chorro de agua de caudal y temperatura constante. La temperatura de la probeta se eleva y se proyecta el chorro de agua sobre uno de los extremos de la probeta (Figura 2, 3 y 4). Ese extremo de la probeta se enfriará rápidamente, sufriendo el temple y será más duro que el otro extremo. Luego se mide la dureza de la probeta cada 1,5 mm a lo largo y se traza la curva de templabilidad. La currva de temp plabilidad assegura que ssi la dureza disminuye d rápidamentte conforme nos ale ejamos del extremo e tem mplado, el ac cero tendrá una templab bilidad baja, mientras que q los aceros cuya as curvas son casi horizontales s serán de e alta tem mplabilidad, es decir, susceptibles s s de endurec cerse rápido o cuando suffren temple. La pru ueba Jominy y es un ensayo estánda ar que mide cuantitativam c mente el en ndurecimiento de los aceros. a Fue adoptado a p por la American Socciety for Testing and Materials co omo Método o ASTM A-2 255 y por la a Society off Automotive A Engineers como Méto odo SAE J4 406b. En la Argentina A la a norma emp pleada es la IRAM-IAS U 500-123. Para realizar r esta prueba se debe d tener e en cuenta la estandarizac e ción de la probeta p de ensayo e y del dispositivo de d temple, con el fin de garantizzar la repettitividad del ensayo e (Figuras 6 y 8). Figura 5 – Puntos de medición ny La currva de Jomin ny tiene un uso u muy imp portante con curv va de templa abilidad. [7] el e tratamien nto de piez zas reales. Los puntoss reales de ubicación del d compone ente o piezza adquieren n la misma dureza d que se indica en n la curva de e Jominy con n la misma velocidad v de e enfriamientto equivalente. b) a a) c c) e b) Tobera a de proyeccción de agua a c) Dimensiones de la Figura 6 - a) Dispositivvo de temple probe eta. [3] 3. DESARROLLO 3.1 Diseño básico La norma indica los parámetros básicos que debe cumplir el aparato (Figuras 6. a y b) quedando a decisión del diseñador el resto de los componentes. 3.2 Construcción En la figura 7 se muestra parte del proceso de construcción y, en la figura 10, una vista general del aparato. c) a) b) d) f) Figura 7 – Proceso de construcción El recipiente de recolección de agua se construyó seccionando un cilindro de gas (garrafa). El dispositivo de fijación y centrado se elaboró a partir de una planchuela de acero 1045; luego se perforó al diámetro adecuado para dar alojamiento a la probeta. La tubería de suministro de agua requirió un cuidado especial a fin de darle la curvatura necesaria sin producir aplastamientos que pudieran influir en una alteración del flujo de agua. El recipiente para calentamiento de la probeta se construyó de acero suave con las dimensiones requeridas. (Figura 8) El recipiente de almacenamiento agua es un tambor de plástico de 40 litros; en su parte inferior tiene una llave de paso plástica para regular el caudal. En la figura 9 se muestra el esquema de conexión a fin de mantener constante la presión en la boca de la tobera de proyección, lo que asegura la altura especificada del chorro de agua. Figura 8 – Recipiente de acero suave para el calentamiento de la probeta. [3] Figura 9 – Sistema de alimentación de agua. [7] El disco interpuesto entre el extremo de la probeta y el chorro evita un enfriamiento prematuro de la probeta mientras la misma está siendo introducida en el aparato. De esta manera, una vez dispuesta la probeta en su posición, el disco se mueve lateralmente y el chorro impacta de manera homogénea en la probeta. Figura 11 – Extracción de la probeta de la mufla. Figura 10 – Vista general del aparato. 3.3 Validación La validación del aparato consistió en verificar que sus dimensiones fueran correctas y que la tobera proyectara el chorro de agua a la altura especificada. Los resultados de dichas verificaciones fueron exitosos. Se emplearon como datos adicionales de validación los exigidos por la norma IRAM-IAS U 500-123:1978 [6] donde el límite no mojado por las proyecciones de agua se encuentra a 60 mm por debajo de la tobera y formando un radio de 105 mm. Las probetas fueron calentadas en una mufla ME 320, y templadas en agua. Para la medición de la dureza se empleó un durómetro H3 A1. Si bien n no era un objetivo de e este trabajo, se templa aron tres probetas de diferentes d acceros para efectua ar una comp paración de datos d con lo os que se me encionan en la bibliograffía técnica. Los re esultados ob btenidos se muestran en n la Figura 12 y se verificó que su comportamiento fue f el esperable para dichos materiales. 4. CON NCLUSIONE ES La detterminación de la templabilidad en los aceros es un requiisito de sing gular importa ancia ya y que es un u indicador técnico de e la funcionalidad del acero, a lo qu ue permite asegurar a qu ue su ento será el comportami c e adecuado o para el empleo e al qu ue se lo desstine. Siguie endo las esspecificacion nes de la norma IRA AM-IAS U 500-123:2 2003, se un aparato Jominy para la construyó c determinació d ón de la templabilida t ad de los aceros. a Se validó v su funcionam miento y, adicionalme a ente, se pro ocedió a verificar v el comportami c ento de tres aceros te emplables, resultados exitosos obteniendo o e tan nto para la validación v como para la a verificación n. El apa arato estará á disponible e para su uso en el Laboratorrio de Matteriales y Metalurgia de la Facu ultad Regio onal “Villa María” y contribuirá c a la formación de los alumnos a de ingeniería mecánica. m Figura 12 – Curvas de e templabilid dad de probe etas AGRADECI A IMIENTO de vvalidación. Al A Ing. Edua ardo Cerrutti (UTN-FRVM M) por el apo oyo prestado durante la a construcció ón del aparato. REFERENC CIAS [1] ASTM. Standard S AS STM A255. Standard S Te est Methods s for Determ mining Harde enability of S Steel. 2010. 2 [2] SAE. Sta andard SAE J406b. Meth hods of Dete ermining Hardenability o of Steels. 2009. [3] IRAM-IAS. Norma IR RAM-IAS U 500-123 (NM M 159). Ace ero. Ensayo de templabiilidad por temple extremmo (e ensayo Jominy). 2da Ed d. IRAM, Bue enos Aires, 2003. 2 [4] Tratamie entos térmico os. Escuela Colombiana a de Ingenierría. 2da Edicción. 2008. [5] http://lapalma88.filess.wordpress.com/2011/10/4-tratamie entos-termicos.pdf [6] http://2marias.tumblrr.com/post/14505261337 7/el-temple [7] Bhaskar Chandra, B.; Chutani, A.; A Gulia, A.;; Chandan, S.; S Chandan n, H. A revie ew on jominyy test and determiination of efffect of alloyiing elementss on hardena ability of ste eel using Jom miny end qu uench test. International Journal of Advancces in Engineering & Technology. V Vol. 1,Issue 3. 3 2011. [8] IRAM-IA AS. Norma IRAM-IAS U 500-123 3. Método de d determin nación de la templabiilidad mediante m el ensayo Jom miny. IRAM, Buenos Aire es, 1978.