instituto politcnico nacional - Instituto Politécnico Nacional

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL
ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA
UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO
CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN
PROCESO DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER
SOMETIDO A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS
QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:
INGENIERO MECÁNICO
PRESENTA:
MIGUEL ÁNGEL CIRIACO MARIANO
DIRECTOR: M. EN C. SALVADOR RUBÉN AYALA RODRÍGUEZ
México, D.F.
JUNIO 2008
CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
A UN PROCESO DE DESGASTE
TESIS DE LICENCIATURA
“CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
A UN PROCESO DE DESGASTE”
CAPÍTULO I “ACEROS INOXIDABLES”
ANTECEDENTES GENERALES
1
1.0 Aceros inoxidables
1.1 usos del acero inoxidable
1.2 Diagramas de fase
1.3 Diagrama Hierro Carbono
1.4 Tipos de aceros inoxidables
1.4.1 Aceros inoxidables martensíticos
1.4.2 Aceros inoxidables austeníticos
1.4.3 Acero inoxidable ferrítico
1.5 Características de las familias de aceros inoxidables
1.5.1 Martensíticos
1.5.2 Ferríticos
1.5.3 Austeníticos
1.5.4 Dúplex austenítico-ferrítico
1.5.5 Endurecibles por precipitación de matriz martensítica,
semiaustenítica o austenítica
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CAPÍTULO II “ACEROS ALEADOS Y ELEMENTOS DE ALEACIÓN”
2.0 Aceros aleados y elementos de aleación
2.1 Aceros aleados
2.1.1 Clasificación de los aceros aleados
2.1.2 Beneficios de usar aceros aleados
2.2 Elementos de aleación
2.2.1 Influencias directas de los elementos de aleación
2.2.2 Aleaciones de acero inoxidable que se comercializan
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CAPÍTULO III “PRECIPITACIÓN DE CARBUROS”
3.0 Precipitación de carburos
3.1 Aceros inoxidables resistentes a la corrosión
3.2 Clasificación de los procesos de corrosión
3.2.1 Formas más comunes de corrosión localizada
3.2.1.1 Corrosión por picado
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I
CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
A UN PROCESO DE DESGASTE
TESIS DE LICENCIATURA
3.2.1.2 Corrosión por rendijas
3.2.1.3 Corrosión Ínter granular
3.2.1.4 Corrosión bajo tensión
3.2.1.5 Corrosión galvánica
3.2.1.6 Corrosión por contacto
3.3 desgaste
3.3.1 Tipos de desgaste
3.3.1.1 Desgaste por abrasión
3.3.1.2 Desgaste por adhesión
3.3.1.3 Desgaste por erosión
3.3.1.4 Desgaste micro oscilatorio
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CAPÍTULO IV “TRATAMIENTOS TÉRMICOS”
4.0 Tratamientos térmicos
4.1 Cementación
4.2 Límites de temperatura
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CAPÍTULO V “DESARROLLO EXPERIMENTAL Y ANÁLISIS DE RESULTADOS”
5.0 Resultados y análisis de las diferentes probetas que fueron sometidas
al proceso de cementación sólida, acero austenítico 316 grado quirúrgico
50
5.1 Desarrollo experimental
5.1.1 Equipo empleado
5.1.2 Metodología experimental
5.2 Resultados y sus análisis
5.2.1 Resultados de la prueba metalográfica
5.2.2 Resultados de la prueba de dureza
5.2.3 Resultados de la prueba de desgaste abrasivo
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CONCLUSIONES
TRABAJOS A FUTURO
REFERENCIAS
ANEXOS
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II
CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
A UN PROCESO DE DESGASTE
TESIS DE LICENCIATURA
Índice de Figuras.
Figura 1.1
Figura 1.2
Figura 1.3
Figura 2.1
Figura 3.1
Figura 3.2
Figura 3.3
Figura 3.4
Figura 3.5
Figura 3.6
Figura 3.7
Figura 3.8
Figura 3.9
Figura 3.10
Figura 3.11
Figura 3.12
Figura 3.13
Figura 3.14
Figura 3.15
Figura 5.1
Figura 5.2
Figura 5.3
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58
Índice de tablas.
Tabla 1
Tabla 1.1
Tabla 3.1
Tabla 3.2
Tabla 3.3
Tabla 5.1
Tabla 5.2
Tabla 5.2.1
Tabla 5.2.2
Tabla 5.2.3
Tabla 5.2.4
Tabla 5.2.4.1
Tabla 5.2.4.2
Tabla 5.2.4.3
Tabla 5.2.4.4
Tabla 5.2.4.5
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III
CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
A UN PROCESO DE DESGASTE
TESIS DE LICENCIATURA
RESUMEN.
El presente trabajo presenta el estudio de las propiedades metalúrgicas y mecánicas
del acero inoxidable 316L, donde las probetas de este acero fueron sometidos a un
proceso de cementación en diferentes tiempos para determinar las diferentes
durezas que adquieren en función del tiempo de cementado, para posteriormente
determinar las diferentes resistencias que tienen durante las diferentes pruebas de
desgaste abrasivo a las que son sometidas, en donde se observa la interrelación
entre la microestructura y las propiedades mecánicas del recubrimiento.
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IV
CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
A UN PROCESO DE DESGASTE
TESIS DE LICENCIATURA
JUSTIFICACIÓN.
La cementación es utilizada en las industrias donde se requiere mayor dureza y
están sometidas a un proceso de desgaste ya que en estas industrias la sustitución
de piezas importantes de las máquinas resulta ser demasiado costosas. Este método
resulta ser de bajo costo para extender la vida útil de los componentes Más costosos,
los beneficios incluyen el reemplazar menos partes, reducción del tiempo fuera de
servicio, la habilidad de hacer partes de un metal menos caro y la reducción de
costos globales.
La mayoría de estos tratamientos se hace como parte de un mantenimiento o
reparaciones de funcionamiento y se aplican generalmente para aquellas áreas
donde se encuentra la exposición máxima a condiciones de uso severo, tales como
fricción de metal con metal, abrasión, impacto, corrosión, alta temperatura.
Las aleaciones que poseen este material son particularmente importantes y críticas
de los usos que se destinan entre otras aplicaciones, en una planta cementera, en
donde existe un desgaste sumamente abrasivo por el cemento, enfatizando que la
selección adecuada de un recubrimiento impacta en un servicio prolongado de los
componentes y con esto se transforma en beneficios financieros para las diferentes
industrias.
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V
Dedicatorias.
A quienes me han dado lo más valioso que un ser puede recibir: La vida, amor,
apoyo. A quienes sin escatimar esfuerzos han dedicado gran parte de su
existencia, a quienes la ilusión de su vida ha sido verme realizado como
profesionista.
A Dios y a la Virgen de Guadalupe:
Por darme salud y permitirme obtener todo lo que he logrado para poder llegar
hasta esta etapa de mi vida.
A mi mamá (María Florentina):
Por darme la vida, por brindarme incondicionalmente su apoyo en los momentos
más difíciles, por perdonar mis errores sin importar lo graves que estos fueron,
por enseñarme a seguir adelante, a amar y perdonar y por que gracias a ella
pude llegar a la meta de mi formación profesional.
A mi papá (Fermín):
El que a pesar de su carácter supo brindarme amor y apoyo, por creer en mí, por
enseñarme que el orgullo y el amor a la vida nos ayudan a salir de los momentos
más difíciles que se nos presentan y que por él pude formarme como
profesionista.
A mis hermanos (Fermín, José, Felipe, Ramón):
Que sin esperar nada a cambio me han brindado todo su apoyo y amor, por el
ejemplo de tener coraje y orgullo para que sin importar cuantas adversidades se
nos presenten en la vida estas nunca nos podrán vencer siempre estaremos
juntos para apoyarnos.
A mis suegros (Gilberto y Alberta):
Por todo el apoyo y cariño que me han dado durante el tiempo que he vivido con
ellos y por ayudarme ha lograr mi meta.
A mi esposa (Mayra “Maya”):
Por todo el apoyo, amor que me ha brindado y por darme el mejor de los
regalos a mi “hijo”.
A mi hijo (Vladimir):
Por quererme mucho y por ser uno de los principales motivos para seguir
adelante.
A mis primos (Sergio, Ana):
Por el amor y por todo el apoyo que me han brindado.
A mi compadre (Ramón):
De manera especial al que a pesar de ser el menor de los hermanos con los
consejos que me ha brindado en los momentos difíciles de mi vida me han
ayudado ha seguir adelante y por todo el amor de hermano que me
ha brindado.
De manera muy especial a mi sobrino (Fermín).
Que a su corta edad se convirtió en el ángel de la guarda de la familia y que
desde halla arriba ha cuidado y guiado mis pasos.
Gracias por todo lo que me han brindado, por que ni con todo el oro del mundo
lograría compensarlos, significan mucho para mí y son parte fundamental en
cada paso de mi vida.
Por todo esto a Dios y a ustedes Gracias
Con cariño y admiración.
Miguel Ángel Ciriaco Mariano.
Agradecimientos.
Al Instituto Politécnico Nacional:
Por todo lo que nos ha ofrecido para nuestra superación sin duda siempre estará
en nuestra mente y haré todo lo posible por dejar muy en alto el nombre del
Instituto Politécnico Nacional.
A la ESIME. Unidad profesional Azcapotzalco:
Por brindarme la oportunidad de obtener el grado de Ingeniería Mecánica a
través de la enseñanza impartida en sus instalaciones.
Al M. En C. Salvador Rubén Ayala Rodríguez:
Por su dirección y apoyo brindado para la realización de este trabajo, por su
paciencia y no escatimar tiempo y esfuerzo al darme apoyo incondicional.
Al M. En C. Martín Darío Castillo Sánchez:
Por todo el apoyo brindado en las pruebas de desgaste abrasivo realizadas en
este trabajo.
Al Doctor Manuel Vite:
Por facilitarnos la máquina de desgaste abrasivo.
Al profesor Octavio:
Por apoyarnos en las pruebas de durezas en este trabajo.
Al comité de revisión y jurado:
Gracias por las contribuciones a este trabajo de tesis.
CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
ANTECEDENTES GENERALES.
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 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 Woods y Clark fabricaron aceros con 5% de cromo que
tenían también mayor resistencia a la corrosión que los hierros ordinarios de esa
época.
Posteriormente en 1892 Hadfield, en Sheffield, estudió las propiedades de ciertos
aceros aleados con cromo y dio a conocer en sus escritos que el cromo mejoraba
sensiblemente la resistencia a la corrosión. En 1904-1910, Guillet y Portevin, en
Francia, realizaron numerosos estudios sobre aceros aleados con cromo y níquel,
determinando micro estructuras 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 metalúrgico 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. Los doctores Strauss y Maurer, de Alemania,
en 1912 patentaron dos grupos de aceros inoxidables al cromo-níquel de bajo
contenido de carbono; uno de éstos, con la denominación 18-8, ha sido utilizado
desde entonces en numerosas aplicaciones.
Las propiedades y composiciones de los aceros inoxidables se mantuvieron en
secreto por los países beligerantes mientras duró la primera guerra mundial.
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. 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.
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CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
Los diferentes tipos de grados que existen en la actualidad para identificar a los
aceros:
Grado L:
Significa que es un acero inoxidable con un nivel de carbono inferior al 0.03%. Estos
grados se utilizan, por ejemplo, cuando en un austenítico se requiere soldadura para
fabricar el componente que debe resistir a la corrosión, puesto que un porcentaje
mayor de carbono podría traer inconvenientes de precipitación de carburos de cromo
a las altas temperaturas de soldadura, lo cual favorece la corrosión ínter granular.
Grado N:
Significa que es un acero inoxidable al cual se le ha incrementado su resistencia
mecánica y su resistencia a la corrosión por picado por adición de nitrógeno, que
endurece por solución sólida en los grados austeníticos. El nitrógeno, además,
retarda las fases fragilizantes como la fase sigma. En los grados ferríticos es tan
perjudicial como el carbono.
Grado S:
Estos grados se utilizan, por ejemplo cuando se requiere una resistencia mecánica
considerable pero no se puede endurecer por adición de carbono por el peligro de la
precipitación de carburos de cromo a altas temperaturas.
Uno de los usos mas notables en la actualidad del acero es el del grado quirúrgico
que es el nombre que se le da al acero utilizado para los diversos implementos que
se emplean en las operaciones quirúrgicas (tales como bisturí, pinzas, etc.),
denominados instrumental quirúrgico.
El Acero Quirúrgico es una variación del acero que comúnmente se compone de una
aleación de cromo (12–20%), molibdeno (0,2–3%) y, en ocasiones, níquel (8–12%),
el cromo le da a este metal su resistencia al desgaste y corrosión. El níquel de da un
acabado suave y pulido. El molibdeno le da mayor dureza y ayuda a mantener a
agudeza del filo, la palabra 'quirúrgico' se refiere a que este tipo de acero es un buen
elemento para la fabricación de instrumental quirúrgico, ya que es fácil de limpiar,
esterilizar, fuerte y resistente a la corrosión. La aleación de níquel, cromo y
molibdeno también se utiliza para implantes ortopédicos como una ayuda para la
regeneración de los huesos, como parte estructural de las válvulas artificiales de
corazón y otros implantes. Una complicación potencial es la reacción sistémica al
níquel.
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CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
Tabla (1). Clasificación de los aceros según la norma une-36010.
Serie
Grupo
Serie 1
Grupo 1
Acero al carbono.
Grupos 2 y 3
Acero aleado de gran resistencia.
Grupo 4
Acero aleado de gran elasticidad.
Grupo 5 y 6
Aceros para cementación.
Grupo 7
Aceros para nitruración.
Grupo 1
Aceros de fácil mecanización.
Grupo 2
Aceros para soldadura.
Grupo 3
Aceros magnéticos.
Grupo 4
Aceros de dilatación térmica.
Grupo 5
Aceros resistentes a la fluencia.
Grupo 1
Aceros inoxidables.
Grupos 2 y 3
Aceros resistentes al calor.
Grupo 1
Acero al carbono para herramientas.
Grupos 2, 3 y 4
Acero aleado para herramientas.
Grupo 5
Aceros rápidos.
Grupo 1
Aceros para moldeo.
Grupo 3
Aceros de baja radiación.
Grupo 4
Aceros para moldeo inoxidables.
Serie 2
Serie 3
Serie 5
Serie 8
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Denominación
Descripción
Son aceros al carbono y por tanto no
aleados. Cuanto más carbono tienen sus
respectivos grupos son más duros y menos
soldables, pero también son más resistentes
a los choques. Son aceros aptos para
tratamientos térmicos que aumentan su
resistencia, tenacidad y dureza. Son los
aceros que cubren las necesidades
generales de la Ingeniería de construcción
tanto industrial como civil y comunicaciones.
Son aceros a los que se incorporan
elementos aleantes que mejoran las
propiedades necesarias que se exigen las
piezas que se van a fabricar con ellos como,
por ejemplo, tornillería, tubos y perfiles en los
grupos 1 y 2. Núcleos de transformadores y
motores en los aceros del grupo 3, piezas de
unión de materiales férricos con no férricos
sometidos a temperatura en el grupo 4,
piezas instaladas en instalaciones químicas y
refinerías sometidas a altas temperaturas los
del grupo 5.
Estos aceros están basados en la adición de
cantidades considerables de cromo y níquel a
los que se suman otros elementos para otras
propiedades
más
específicas.
Son
resistentes a ambientes húmedos, a agentes
químicos y a altas temperaturas. Sus
aplicaciones más importantes son para la
fabricación de depósitos de agua, cámaras
frigoríficas industriales, material clínico e
instrumentos
quirúrgicos,
pequeños
electrodomésticos, material doméstico como
cuberterías, cuchillería, etc.
Son aceros aleados con tratamientos
térmicos que les dan características muy
particulares de dureza, tenacidad y
resistencia al desgaste y a la deformación por
calor. Los aceros del grupo 1 de esta serie se
utilizan para construir maquinaria de trabajos
ligeros en general, desde la carpintería y la
agrícola (aperos). Los grupos 2,3 y 4 se
utilizan
para
construir
máquinas
y
herramientas más pesadas. El grupo 5 se
utiliza para construir herramientas de corte.
Son aceros adecuados para moldear piezas
por vertido en moldes de arena, por lo que
requieren cierto contenido mínimo de
carbono que les dé estabilidad. Se utilizan
para el moldeo de piezas geométricas
complicadas,
con
características
muy
variadas, que posteriormente son acabadas
en procesos de mecanizado.
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CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
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DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
1.0 ACEROS INOXIDABLES.
Hay una gran variedad de aceros inoxidables, pero todos tienen como característica
común el tener menos de un 11,5% de Cromo, (Cr). Los aceros inoxidables se usan
por su resistencia a la corrosión, su resistencia a la oxidación y su aspecto
agradable.
Hay 5 grupos de aceros inoxidables, trataremos en mayor profundidad sólo los tres
primeros:
•
Ferríticos: 12 a 30 % Cr y bajo C.
•
Martensíticos: 12 a 17 % Cr, 0.1 a 1 % C.
•
Austeníticos: 17 a 25 % Cr y 8 a 20 % Ni.
•
Aleaciones dúplex: 23 a 30 % Cr, 2.5 a 7 % Ni, adiciones de Ti y Mo.
•
Aleaciones endurecibles por precipitación, pueden tener base austenita o
martensita, con adiciones de Cu, Ti, Al, Mo, Nb ó N.
Como todos los tipos de aceros, el acero inoxidable no es un metal simple sino una
aleación. Lo que tienen en común todos los aceros es que el principal componente
(elemento que forma la aleación) es el hierro, al que se añade una pequeña cantidad
de carbono. El acero inoxidable fue inventado a principios del siglo XX cuando se
descubrió que una pequeña cantidad de cromo (habitualmente un mínimo de 11%)
añadido al acero común, le daba un aspecto brillante y lo hacía altamente resistente
a la suciedad y a la oxidación.
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CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
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A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
Esta resistencia a la oxidación, denominada «resistencia a la corrosión», es lo que
hace al acero inoxidable diferente de otros tipos de acero.
El acero inoxidable es un material sólido y no un revestimiento especial aplicado al
acero común para darle características “inoxidables”. Aceros comunes, e incluso
otros metales, son a menudo cubiertos o “bañados” con metales blancos como el
cromo, níquel o zinc para proteger sus superficies o darles otras características
superficiales. Mientras que estos baños tienen sus propias ventajas y son muy
utilizados, el peligro radica en que la capa puede ser dañada o deteriorarse de algún
modo, lo que anularía su efecto protector. La apariencia del acero inoxidable puede,
variar y dependerá en la manera que esté fabricado y en su acabado superficial.
La forma original del acero inoxidable todavía es muy utilizada, los ingenieros tienen
ahora muchas opciones en cuanto a los diferentes tipos. Están clasificados en
diferentes “familias” metalúrgicas.
Cada tipo de acero inoxidable tiene sus características mecánicas y físicas y será
fabricado de acuerdo con la normativa nacional o internacional establecida.
Su resistencia a la corrosión es lo que da al acero inoxidable su nombre. Sin
embargo, justo después de su descubrimiento se apreció que el material tenía otras
muchas valiosas propiedades que lo hacen idóneo para una amplia gama de usos
diversos. Las posibles aplicaciones del acero inoxidable son casi ilimitadas
1.1 Usos del acero inoxidable.
Los aceros inoxidables se utilizan principalmente en los siguientes mercados:
Electrodomésticos: grandes electrodomésticos y pequeños aparatos para el hogar.
Automoción: especialmente tubos de escape.
Construcción: edificios y mobiliario urbano (fachadas y material).
Industria: alimentación, productos químicos y petróleo.
En la industria médica:
Su resistencia a la corrosión, sus propiedades higiénicas y sus propiedades estéticas
hacen del acero inoxidable un material muy atractivo para satisfacer diversos tipos de
demandas, como lo es la industria médica.
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CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
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A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
En el hogar:
Cubertería y menaje, fregaderos, sartenes y baterías de cocina, hornos,
equipamiento de jardín y mobiliario.
En la ciudad:
Paradas de autobús, cabinas telefónicas y resto de mobiliario urbano, fachadas de
edificios, ascensores y escaleras, vagones de metro e infraestructuras de las
estaciones.
En la industria:
Equipamiento para la fabricación de productos alimentarios y farmacéuticos, plantas
para el tratamiento de aguas potables y residuales, plantas químicas y
petroquímicas, componentes para la automoción y aeronáutica, depósitos de
combustible y productos químicos.
Su resistencia a la corrosión, sus propiedades higiénicas y sus propiedades estéticas
hacen del acero inoxidable un material muy atractivo para satisfacer diversos tipos de
demandas, como lo es la industria médica.
Acero inoxidable en la industria médica.
Existe una diversidad de composiciones químicas para el acero inoxidable, las cuales
le otorgan cualidades particulares y deseadas; desde el grado de implante médico,
hasta la facilitación de manufactura de instrumentos quirúrgicos.
Entre los aceros empleados en la industria médica se encuentran comúnmente los
siguientes:
•
•
•
•
•
•
17-4
304
316
316L
455
589
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CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
Muchos de éstos pueden ser sometidos a un tratamiento térmico con el fin de
modificar sus cualidades físicas. Por ejemplo, el acero inoxidable 17-4 puede ser
tratado al calor, por una duración determinada, con el fin de lograr cierto grado de
dureza y así, hacer que el objeto funcione adecuadamente por más largo tiempo. Es
importante que las condiciones sean controladas, desde la temperatura y tiempo de
horneado, hasta la limpieza de la atmósfera del horno y del acero en sí. La dureza
del acero inoxidable puede ser medida en la escala vickers, Brinell, Rockwell u otras.
1.2 Diagramas de fase.
Figura (1.1). Muestra secciones verticales del diagrama Fe-Cr-Ni para diferentes (%) fijos de Cr.
A temperaturas menores de 500°C. los diagramas binarios presentan incertidumbres,
que ciertamente se trasladaban al diagrama ternario Fe-Cr-Ni.
En la Figura 1.1 se muestra un corte horizontal de un típico diagrama ternario a
650°C. Los porcentajes (%) de cada elemento se representan en las aristas del
triángulo exterior, correspondiendo el 100% de cada elemento a cada uno de los
vértices. Fracciones intermedias de un elemento se leen según líneas paralelas a la
arista opuesta al vértice del respectivo elemento.
Se debe notar que los bordes entre regiones de diferentes fases son superficies, por
tanto la isoterma a 650°C indica los cortes de este plano horizontal a dichas
superficies. La temperatura se gráfica en un eje perpendicular al papel.
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CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
A la vez, es útil la información que se desprende de cortes verticales, paralelos a una
de las aristas, de estos diagramas. Estos cortes indican las fases presentes a
diferentes temperaturas para un porcentaje, (%), fijo de uno de los elementos.
Diagrama Cr-Ni.
Figura (1.2). Diagrama Cr. - Ni.
El diagrama Cr-Ni se muestra en la Figura 1.2 En lo que respecta a los aceros
inoxidables, una de las características más destacables es el gran campo de fase así
por ejemplo, se puede disolver hasta 50 % de Cr en Ni (FCC) a 1350°C.
1.3 Diagrama hierro - carbono.
Diagramas de aleaciones más conocido y utilizado del Hierro y el carbono. También
conocido como diagrama hierro, hierro, carbono (HHC). Con este diagrama se
pueden obtener las temperaturas de cambio de sus estructuras cristalinas; también
se pueden conocer las temperaturas a las que se da el cambio de fase de un hierro.
En función a la cantidad de carbón que contiene el metal se puede estimar la
temperatura a la que se derretirá y a la que se volverá pastoso.
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CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
Las aleaciones hierro-carbono pertenecen al tipo de aleaciones que forman una
composición química.
El carbono se puede encontrar en las aleaciones hierro-carbono, tanto en estado
ligado (Fe3C), como en estado libre (C, es decir, grafito), por eso, el diagrama
comprende dos sistemas:
Fe-Fe3C (metal estable); este sistema está representado en el diagrama con
líneas llenas gruesas y comprende aceros y fundiciones blancas, o sea, las
aleaciones con el carbono ligado, sin carbono libre (grafito);
Fe-C (estable); en el diagrama se representa con líneas punteadas; este sistema
expone el esquema de formación de las estructuras en las fundiciones grises y
atruchadas donde el carbono se encuentra total o parcialmente en estado libre
(grafito).
Figura (1.3). Diagrama hierro - carbono
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CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
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TESIS DE LICENCIATURA
Líneas críticas de transformación:
A1 = Línea crítica inferior de transformación que se encuentra a una temperatura de
723 0 C .
A3 = línea crítica superior de transformación que se desplaza de 910- 723 0 C esta
línea Generalmente se toma de referencia para establecer las temperaturas de
temple de Los aceros al carbono más 30 a 50 0 C .
ACM = línea crítica de transformación inferior que se desplaza de 723 a 1145 0 C .
1.4 Tipos de aceros inoxidables.
Los aceros inoxidables que contienen solamente cromo se llaman ferríticos, ya que
tienen una estructura metalográfica formada básicamente por ferrita. Son magnéticos
y se distinguen porque son atraídos por un imán. Con porcentajes de carbono
inferiores al 0.1%C, estos aceros no son endurecibles por tratamiento térmico. En
cambio, aceros entre 0.1% y 1% en C sí son templables y se llaman aceros
inoxidables "martensíticos", por tener martensita en su estructura metalográfica.
Éstos también son magnéticos.
Los aceros inoxidables que contienen más de un 7% de níquel se llaman
austeníticos, ya que tienen una estructura formada básicamente por austenita a
temperatura ambiente (la austenita es un elemento "gammágeno" que estabiliza el
campo de la austenita). No son magnéticos.
Los aceros inoxidables austeníticos se pueden endurecer por deformación, pasando
su estructura metalográfica a contener martensita. Se convierten en parcialmente
magnéticos, lo que en algunos casos dificulta el trabajo en los artefactos eléctricos.
1.4.1 Aceros inoxidables martensíticos.
Son la primera rama de los aceros inoxidables, llamados simplemente al Cromo y
fueron los primeros desarrollados industrialmente (aplicados en cuchillería). Tienen
un contenido de Carbono relativamente alto de 0.2 a 1.2% y de Cromo de 12 a 18%.
Los tipos más comunes son el AISI 410, 420 y 431.
Propiedades básicas:
•
Elevada dureza (se puede incrementar por tratamiento térmico).
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DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
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TESIS DE LICENCIATURA
•
Gran facilidad de maquinado, resistencia a la corrosión moderada.
Principales aplicaciones:
•
Ejes, flechas, instrumental quirúrgico y cuchillería.
Todos los aceros inoxidables martensíticos pueden ser templados y revenidos y la
dureza alcanzada dependerá del contenido de carbono de la aleación. En aceros de
bajo carbono la dureza máxima es de 45 HRC y en los aceros de alto contenido de
carbono la dureza puede alcanzar valores próximos a 60 HRC. Al igual que los
aceros al carbono, estas aleaciones son susceptibles a la fragilidad de revenido
cuando son tratados térmicamente después del temple en el rango de 450 a 540° C.
El contenido de Cr. les da gran templabilidad, esto permite que puedan ser
templados al aire, aún en secciones grandes.
El más usado de los aceros inoxidables martensíticos es el 410, (su composición
típica es: 11.5 a 13.5 %Cr y 0.15 %C como máximo).
Esta tendencia a la fragilidad se reduce agregando pequeñas cantidades de Nb, el
que afecta la nucleación de Cr23C6 y además produce refinación del grano.
La resistencia a la corrosión de los aceros inoxidables martensíticos es relativamente
pobre en comparación con los austeníticos y ferríticos. La mayoría de los aceros
inoxidables martensíticos contienen sólo el mínimo requerido de Cr (12%) para su
pasividad en ambientes húmedos, ya que si se añadiera más Cr se promovería la
formación de ferrita a expensas de la austenita, la cual es necesaria para la
formación de la martensita. Sólo cantidades limitadas de otros aleantes, como Ni,
Pueden ser adicionadas esto debido a que la transformación de austenita a
martensita se ve inhibida.
1.4.2 Aceros inoxidables austeníticos.
Los aceros inoxidables austeníticos son esencialmente aleaciones ternarias de Fe,
Cr y Ni, que contienen de un 16 hasta un 25% de Cr y de un 7 a un 20% de Ni, estas
aleaciones son llamadas austeníticas debido a que su estructura permanece
austenítica, a temperatura ambiente. La mayor parte de estos aceros contienen de
un 0,06 a 0,1 % de C. Cabe señalar que algo del Ni de esta aleación puede ser
reemplazado por Mn. sin alterar la estructura austenítica del acero.
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Tabla (1.1). Aceros Inoxidables Austeníticos.
Tipo
302
304
310
316
304L
316L
% Cr.
17-19
18-20
24-26
16-18
18-20
16-18
% Ni.
8-10
8-10
19-22
10-14
8-10
10-14
% C.
0.15
0.08
0.25
0.08
0.03
0.03
% Mn.
2.0
2.0
2.0
2.0
2.0
2.0
% Mo.
2.3
2-3
Los aceros inoxidables que contienen más de un 7% de níquel se llaman
“austeníticos”, ya que tienen una estructura metalográfica en estado recocido,
formada básicamente por austenita y de aquí adquieren el nombre. El contenido de
Cromo varía de 16 a 28%, el de Níquel de 3.5 a 22% y el de Molibdeno 1.5 a 6%. No
son magnéticos en estado recocido y, por tanto, no son atraídos por un imán.
Los aceros inoxidables austeníticos se pueden endurecer por deformación, pasando
su estructura metalográfica a contener “martensita”, se convierten en parcialmente
magnéticos, lo que en algunos casos dificulta el trabajo en los artefactos eléctricos.
A todos los aceros inoxidables se les puede añadir un pequeño porcentaje de
molibdeno, para mejorar su resistencia a la corrosión por cloruros.
El molibdeno es introducido como elemento de aleación en los aceros inoxidables
precisamente para disminuir la corrosión, la presencia de molibdeno permite la
formación de una capa pasiva más resistente.
Este tipo de acero inoxidable son los más utilizados.
Propiedades básicas:
•
•
•
•
•
•
Excelente resistencia a la corrosión.
Excelente factor de higiene -limpieza.
Fáciles de transformar.
Excelente soldabilidad.
No se endurecen por tratamiento térmico.
Se pueden utilizar tanto a temperaturas criogénicas como a elevadas
temperaturas.
Tienen gran aplicación en las industrias químicas, farmacéuticas, de alcohol,
aeronáutica, naval, uso en arquitectura, alimenticia, y de transporte. Es también
utilizado en cubiertos, vajillas, piletas, revestimientos de ascensores y en un sin
número de aplicaciones.
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Los aceros inoxidables que llevan molibdeno son de gran utilización en las industrias
químicas, de alcohol, petroquímicas, de papel y celulosa, en la industria petrolífera,
industrias textil y farmacéutica.
Las zonas térmicamente afectadas por operaciones de soldado son particularmente
sensibles a la corrosión, ya que durante el ciclo térmico de soldado parte del material
es mantenido en la franja crítica de temperaturas.
La consideración de este fenómeno llevó al desarrollo de los inoxidables austeníticos
extra bajo carbono, en los cuales el tenor de carbono es controlado en un máximo de
0,03%, quedando así extremadamente reducido la posibilidad de sensibilización.
La utilización de estabilizadores tiene también la finalidad de evitar el problema de la
sensibilización. El titanio, adicionado como elemento de aleación, inhibe la formación
de carburo de cromo debido al hecho de tener una afinidad mayor por el carbono que
aquella que tiene el cromo. Así, se precipita carburo de titanio y el cromo permanece
en solución sólida. Con la misma finalidad puede ser utilizado el niobio.
Tanto el titanio como el niobio son estabilizadores del carbono y los aceros
inoxidables así obtenidos, son conocidos como aceros inoxidables estabilizados. Se
utilizan para aplicaciones en equipos que operan entre 400 y 900 ºC, los aceros
inoxidables estabilizados son los más recomendados, ya que conservan mejores
propiedades mecánicas en esas temperaturas que los aceros de extra bajo carbono;
notoriamente la resistencia al creep.
En el inoxidable (20Cr-25Ni-4,5Mo-1,5Cu), la adición de elementos de aleación
busca mejorar no sólo la resistencia al picado sino también la resistencia a la
corrosión en medios ácidos reductores. El elevado tenor de níquel mejora también el
comportamiento frente a la corrosión bajo tensión.
En los casos en que se pretende una buena resistencia mecánica y no existe gran
preocupación por la corrosión ínter granular, los aceros inoxidables, con tenores de
carbono en el rango de 0,04/0,10%, son recomendados. La precipitación de una fina
red de carburos de cromo, tan perjudicial bajo el punto de vista de la corrosión, se
torna benéfica cuando lo que interesa son las propiedades mecánicas.
Aumentos considerables en los tenores de cromo y níquel permiten elevar la
temperatura de formación de cascarilla (escamado) de los aceros inoxidables
austeníticos. El inoxidable es recomendado para trabajo al aire libre, a temperaturas
inferiores a 925 ºC en servicios continuos. En las mismas condiciones, el inoxidable,
con cromo 24/26% y níquel 19/22%, resiste temperaturas de hasta 1150 ºC. Es un
material clasificado como acero inoxidable refractario.
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Grandes aumentos de níquel, llevan a las aleaciones Ni-Cr-Fe, donde el elemento
con mayor presencia en el material ya no es el hierro sino el níquel, Estos materiales
no son conocidos como aceros inoxidables sino como aleaciones a base de níquel y
presentan excelente resistencia a la corrosión en diversos medios a altas
temperaturas. El elevado tenor de níquel da también garantía de una buena
resistencia a la corrosión bajo tensión.
1.4.3 Acero inoxidable ferrítico.
Acero inoxidable ferrítico son los llamados aceros inoxidables al cromo (11.5% a 23%
Cr) con bajo contenido de carbono (0.20% máximo). Presentan buena resistencia a
la corrosión y resistencia mecánica, se endurecen por trabajo en frío y son
magnéticos.
Se llaman ferríticos, porque tienen una estructura metalográfica formada
básicamente por ferrita. En este caso se llaman aceros inoxidables "martensíticos",
por tener martensita en su estructura metalográfica.
Aunque los aceros inoxidables ferríticos presentan una buena resistencia a la
corrosión, algunas características limitan la utilización de los mismos en
determinadas aplicaciones.
La estampabilidad es buena, aunque insuficiente en aplicaciones que requieren
estampado profundo. La soldabilidad es apenas discreta. Es el acero inoxidable más
barato.
Principales aplicaciones:
•
•
•
Electrodomésticos (cocinas, heladeras, etc.).
Mostradores frigoríficos.
Industria automovilística.
1.5 Características de las familias de aceros inoxidables.
1.5.1 Martensíticos.
•
•
Son endurecibles por temple + revenido, para conseguir alta resistencia
mecánica y buena ductilidad y tenacidad. Tensiones de rotura hasta 1900
MPa.
Tienen una aceptable resistencia a la corrosión. Es indicado para aplicaciones
que requieren no solo resistencia a la corrosión sino resistencia mecánica,
dureza y resistencia al desgaste.
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TESIS DE LICENCIATURA
•
•
•
•
•
Debido a los aleantes, el acero es templable desde fase austenítica (forma
martensita en el enfriamiento) en aire o aceite.
Con tratamientos de recocido se obtienen estructuras de ferrita y carburos
esferoizados.
Su temperatura límite de trabajo es de 475 °C puesto que se produce un
fenómeno de fragilización por precipitación de fase alfa prima.
La baja conductividad térmica de estos aceros requiere precalentar lo
suficiente previo a la austenización para evitar distorsiones y fisuras de temple
Son magnéticos.
1.5.2 Ferríticos.
•
•
•
•
Son magnéticos y no endurecibles por tratamiento térmico. Su microestructura
es siempre ferrítica.
Son de relativamente baja resistencia mecánica (YS=240 - 380 MPa,
UTS=415 - 585 MPa) y tienen baja tenacidad y soldabilidad.
Bajo costo, buena resistencia a la corrosión bajo tensión y aceptable
resistencia a la corrosión general.
Se los utiliza en aplicaciones arquitectónicas, automotrices, utensilios de
cocina, etc.
1.5.3 Austeníticos.
•
•
•
•
Contienen elementos como Mo, Ti, Nb, Cu, que le confieren resistencia
a formas particulares de corrosión. No son magnéticos y tienen
coeficiente de expansión térmica 50% mayor que el de los
martensíticos y ferríticos.
Su estructura es austenítica a temperatura ambiente. No son
endurecibles por tratamiento térmico (formación de martensita) pero
endurecen por deformación. Su soldabilidad es excelente.
Son los más resistentes a la corrosión en virtud de su más alto
contenido de cromo y níquel. Son resistentes a altas temperaturas
(resistencia a la corrosión y resistencia al creep). Tienen una excelente
ductilidad y tenacidad que los hace especialmente aptos para
aplicaciones en temperaturas sub cero. Tienen aproximadamente
200MPa de YS y 500MPa de UTS.
En servicios a temperaturas mayores a 600 °C durante tiempos
prolongados, pueden precipitar fases fragilizantes (sigma, chi). La
sensibilización por encima de 400 °C genera corrosión ínter granular.
Los aceros inoxidables austeníticos son los más ampliamente utilizados porque son
los más resistentes a la corrosión.
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Resisten a la mayoría de los ácidos oxidantes, muchas soluciones de esterilización
para uso hospitalario y un amplio rango de productos orgánicos e inorgánicos,
Tienen excelente ductilidad y tenacidad, que los hace aptos para aplicaciones sub
cero, tienen una relativamente buena resistencia mecánica.
1.5.4 Dúplex austenítico - ferrítico.
•
•
•
Presentan una micro estructura de granos de ferrita y de austenita.
Tienen buena resistencia mecánica, hasta 700 MPa, (mayor que la de los
ferríticos o austeníticos), excelente resistencia a la corrosión bajo tensión y
muy buena ductilidad y tenacidad.
Muy buena resistencia a la corrosión generalizada y localizada. Presentan un
límite de temperaturas de trabajo de 380 °C.
Ventajas:
•
•
•
•
La principal ventaja de los aceros inoxidables dúplex sobre las otras familias
de aceros inoxidables es que tienen una mayor resistencia mecánica (hasta
700MPa). Además poseen excelente resistencia a la corrosión bajo tensión y
muy buena ductilidad y tenacidad, junto con una buena soldabilidad.
Poseen también muy buena resistencia a la corrosión generalizada y
localizada, y medios que contengan CO2.
Estos aceros presentan un límite de temperaturas de trabajo entre 280 - 380
°C, puesto que por encima de este rango de temperaturas pueden precipitar
fases fragilizantes (fases chi, alfa prima, sigma).
Algunos grados de aceros inoxidables (sobre todo de los super austeníticos)
compiten con las superaleaciones, pero con la ventaja de un costo mucho más
accesible.
1.5.5 Endurecibles por precipitación de matriz martensítica, semiaustenítica o
austenítica:
•
•
Fueron desarrollados para proveer alta resistencia a la corrosión con
alta resistencia mecánica y tenacidad. Son muy utilizados en la
industria aeroespacial. Se obtienen UTS superiores a 2000 MPa.
Los precipitados endurecedores son diferentes según sea el tipo de
acero: pueden ser carburos, intermetálicos (Ni-Al o Ni-Ti), o Cu
metálico.
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2.0 ACEROS ALEADOS Y ELEMENTADOS DE ALEACIÓN.
2.1 Aceros aleados.
Se da el nombre de aceros aleados a los aceros que además de los cinco elementos:
carbono, silicio, manganeso, fósforo y azufre, también contienen cantidades
relativamente importantes de otros elementos como molibdeno, cromo, níquel, etc.,
que sirven para mejorar algunas de sus características fundamentales. También
pueden considerarse aceros aleados, a los aceros con mayor proporción que los
porcentajes normales de los aceros al carbono de los cuatro elementos diferente del
carbono que antes hemos citado y cuyos limites superiores suelen ser los siguientes:
Si = 0,50%, Mn. = 0,90%, P = 0,10%, S = 0,10%.
Los aceros aleados no sólo poseen propiedades físicas más convenientes, sino que
también permiten una mayor amplitud en el proceso de tratamiento térmico.
2.1.1 Clasificación de los aceros aleados.
Figura (2.1). Clasificación de los aceros aleados.
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2.1.2 Beneficios de usar aceros aleados.
•
•
•
•
•
•
•
Piezas de gran espesor con elevadas resistencias en su interior
Grandes durezas con tenacidad
Mantener una resistencia elevada a grandes temperaturas
Aceros inoxidables
Aceros resistente a la acción de agentes corrosivos
Herramientas que realicen trabajos muy forzados y que no pierdan dureza al
calentarse
Esto nos muestra que la influencia que ejercen los elementos de aleación en
los aceros es muy variada, lo cual nos permite obtener ciertas características
que no se pueden obtener con los aceros ordinarios al carbono
2.2 Elementos de aleación.
Los elementos de aleación más frecuentes que se utilizan para la fabricación de
aceros aleados son: níquel, manganeso, cromo, vanadio, wolframio, molibdeno,
cobalto, silicio, cobre, titanio, zirconio, plomo, selenio, niobio, aluminio y boro.
Cromo:
La adición del elemento cromo origina la formación de diversos carburos de cromo
que son muy duros; sin embargo, el acero resultante es más dúctil que un acero de
la misma dureza producido simplemente al incrementar su contenido de carbono. La
adición de cromo amplía el intervalo crítico de temperatura.
Es uno de los elementos especiales más empleados para la fabricación de aceros
aleados, usándose indistintamente en los aceros de construcción, en los de
herramientas, en los inoxidables y en los de resistencia en caliente. Se emplea en
cantidades diversas desde 0,3 a 30% de Cr según los casos, y sirve para aumentar
la dureza y la resistencia a la tracción de los aceros, mejora la templabilidad, impide
las deformaciones en el temple, aumenta la resistencia al desgaste, la inoxibilidad,
etc.
Níquel:
La adición de níquel al acero amplía el nivel crítico de temperatura, no forma
carburos u óxidos. Esto aumenta la resistencia sin disminuir la ductilidad. El cromo se
utiliza con frecuencia junto con el níquel para obtener la tenacidad y ductilidad
proporcionadas por el níquel, y la resistencia al desgaste y la dureza que aporta el
cromo.
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Desde que se empezó a usar el níquel en los aceros, se vio que este elemento
mejora las propiedades de los aceros. El empleo de aceros con níquel es sobre todo
interesante para la construcción de piezas de maquinas y motores de alta calidad.
Una de las ventajas más importantes que reporta el empleo del níquel, es evitar el
crecimiento del grano en tratamientos térmicos, lo que sirve para conseguir siempre
con ellos gran tenacidad.
Los aceros al níquel sometidos a temperaturas demasiado elevadas, quedan
después del temple y revenido con muy buena tenacidad. El níquel, hace descender
los puntos críticos y por ello los tratamientos térmicos pueden hacerse a
temperaturas ligeramente mas bajas que las correspondientes a los aceros
ordinarios. Experimentalmente se observa que con los aceros aleados con níquel se
obtiene para una misma dureza, un límite de elasticidad ligeramente más elevado y
mayores alargamientos y resistencias que con aceros al carbono. También es muy
interesante señalar que para la misma dureza su resistencia a la fatiga es un 30%
superior a la de los aceros de baja aleación.
Entre todos los elementos aleados, el níquel, que cristaliza como austenita en cubos
de caras centradas, es el único que forma con el hierro una serie continua de
soluciones sólidas. El níquel hace descender la temperatura de transformación
gamma-alfa y, por lo tanto, tiende a estabilizar a bajas temperaturas la fase
austenítica de caras centradas. Las aleaciones con más de 30% de níquel son
austeníticas a la temperatura ambiente, y poseen ciertas propiedades magnéticas.
El níquel es un elemento de extraordinaria importancia en la fabricación de aceros
inoxidables y resistentes a altas temperaturas. La aleación hierro-níquel con menos
de 0,10% de carbono y 36% de níquel tiene una dilatación muy baja, casi nula, entre
0°C y 100°C y recibe el nombre de invar.
Aceros al níquel más utilizados:
- Aceros al de níquel: 2,3% - 5% de Ni, 0,1-0,25% de C (para cementación) y con
0,25-0,4% de C (para piezas de gran resistencia).
- Aceros cromo-níquel y aceros cromo níquel molibdeno: con porcentajes variables
de C (0,1-0,22%) se emplean para cementación y con 0,25-0,4% de C se emplean
para piezas de gran resistencia. En estos aceros los porcentajes de cromo-níquel
suelen tener una relación aproximada de 1% Cr y 3% Ni.
- Aceros de media aleación níquel-molibdeno y níquel manganeso: 0,25- 0,4% de C
para piezas de gran resistencia y con 0,1-0,25% para piezas cementadas, Ni de 12%, Mn 1-1,5%, Molibdeno 0,15-0,4%.
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- Aceros inoxidables y resistentes al calor cromo-níquel: con 8-25% de Ni
- Otros aceros de menor importancia son los aceros cromo-níquel para estampación
en caliente, algunos de los aceros al níquel para herramientas, y otros de uso poco
frecuente.
Manganeso:
El manganeso aparece prácticamente en todos los aceros, debido, principalmente, a
que se añade como elemento de adición para neutralizar la perniciosa influencia del
azufre y del oxigeno, que siempre suelen contener los aceros cuando se encuentran
en estado líquido en los hornos durante el proceso de fabricación. El manganeso
actúa también como desoxidante y evita, en parte, que en la solidificación del acero
se desprendan gases que den lugar a la formación de porosidades perjudiciales en el
material.
Este se suele usar también como elemento de aleación. Al aumentar de 0,6 a 1,6%
aproximadamente el porcentaje de manganeso en los aceros, se aumenta
ligeramente su resistencia, se mejora su templabilidad, siendo interesante destacar
que el manganeso es un elemento de aleación relativamente barato.
Silicio:
Este elemento aparece en todos los aceros, al igual que el manganeso, se añade
intencionalmente durante el proceso de fabricación. Es un desoxidante más enérgico
que el manganeso y se emplea como elemento desoxidante complementario del
manganeso con objeto de evitar que aparezcan en el acero poros y defectos
internos.
Las adicione de silicio se hacen durante la fabricación, suelen ser relativamente
pequeñas y variables (0,2- 0,35% de Si).
Una clase de acero para muelles muy empleadas contiene cantidades de silicio de
1,5 a 2,25% de Si. En los aceros, el silicio sirve para aumentar ligeramente la
templabilidad y elevar sensiblemente el límite elástico y la resistencia a la fatiga de
los aceros sin reducir su tenacidad.
Se emplean aceros de 1 a 4,5% de Si para la fabricación de chapa magnética.
Molibdeno:
El molibdeno forma carburos y también se disuelve en ferrita hasta cierto punto, de
modo que intensifica su dureza y la tenacidad.
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El molibdeno abate sustancialmente el punto de transformación. Debido a este
abatimiento, el molibdeno es de lo más eficaz para impartir propiedades deseables
de templabilidad en aceite o en aire. Exceptuando al carbono, es el que tiene el
mayor efecto endurecedor y un alto grado de tenacidad.
Este elemento mejora la resistencia a la tracción, la templabilidad, la resistencia al
<<creep>> de los aceros. Añadiendo pequeñas cantidades a los aceros cromo-níquel
, se disminuye o elimina la fragilidad Krupp que se presenta cuando estos aceros son
revenidos en la zona de los 450°C a 550°C.
También aumenta la resistencia de los aceros en caliente y reemplaza al wolframio
en la fabricación de aceros rápidos, pudiendo emplear para las mismas aplicaciones
aproximadamente una parte de molibdeno por cada dos de wolframio.
Vanadio:
Es un fuerte desoxidante y promueve un tamaño fino de grano, también acrecienta la
tenacidad del acero.
El acero al vanadio es muy difícil de suavizar por revenido, por lo que se utiliza
ampliamente en aceros para herramientas.
Tungsteno (wólfram):
Este elemento se emplea mucho en aceros para herramientas, por que la
herramienta mantendrá su dureza aún cuando estuviera candente o al rojo. Produce
una estructura densa y fina, impartiendo tenacidad y dureza.
Empleándose en especial en los aceros rápidos, aceros para herramientas de corte,
y aceros para trabajos en calientes. Sirve para aumentar la dureza a elevadas
temperaturas y evitan que se desafilen o ablanden las herramientas, aunque lleguen
a calentarse a 500° ó 600°C. También se usa para la fabricación de aceros para
imanes.
Cobalto;
El cobalto se emplea casi exclusivamente en los aceros rápidos de más alta calidad.
Este elemento, al ser incorporado a los aceros, se combina con la ferrita,
aumentando su dureza y resistencia. En los aceros de alto porcentaje de carbono
reduce la templabilidad. En los aceros al wolframio endurece la ferrita con lo que
facilita el mantenimiento de la dureza y de la aptitud de corte de las herramientas a
elevada temperatura.
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TESIS DE LICENCIATURA
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 300gr 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.
Titanio:
Se suelen añadir pequeñas cantidades de titanio a algunos aceros muy especiales
para desoxidar y afinar el grano.
El titanio tiene gran tendencia a formar carburos y a combinarse con el nitrógeno. En
los aceros inoxidables cromo-níquel, actúa como estabilizador de los carburos y evita
la corrosión ínter cristalina.
Cobre:
El cobre se suele emplear para mejorar la resistencia a la corrosión de ciertos aceros
de 0,15 a 0,30% de carbono, que se usan para grandes construcciones metálicas. Se
suelen emplear contenidos de cobre variables de 0,4 a 0,5 %.
Boro:
El boro es un elemento de aleación que a comenzado a ser empleado recientemente.
Experimentalmente se ha visto que cantidades pequeñísimas de boro del orden
0,001 a 0,006%, mejoran notablemente la templabilidad, siendo en este aspecto el
mas efectivo de los elementos aleados y el de mayor poder templante de todos. Su
eficacia para mejorar la templabilidad es extraordinaria, y para 0,40% de carbono
puede decirse que su efecto es, aproximadamente, unas 50 veces mayor que el del
molibdeno, unas 75 veces mayor que el cromo, unas 150 veces mayor que el
manganeso y unas 400 veces mayor que el níquel
La utilización de este elemento se comprende que es de un interés extraordinario,
pero su empleo, que tiene sobre todo eficacia en los aceros de0,30 a 0,50% de
carbono, presenta bastantes dificultades.
La solubilidad del boro en el hierro es de 0,15% a 1174° y de 0,06% a la temperatura
ambiente.
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TESIS DE LICENCIATURA
Durante los procesos de fabricación su incorporación al baño metálico es difícil, ya
que por ser un desoxidante enérgico es un elemento que se oxida fácilmente y tiene
también gran avidez con el nitrógeno que contiene el acero.
2.2.1 Influencias directas de los elementos de aleación.
•
•
•
•
•
La tendencia que tienen ciertos elementos a disolver 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.
La influencia que tienen en retardar el ablandamiento que se produce en el
revenido.
Mejoras en la resistencia a la corrosión, resistencia al calor, resistencia a la
abrasión, etc.
2.2.2 Aleaciones de acero inoxidable que se comercializan.
•
Acero inoxidable extra suave:
Contienen un 13% de Cr y un 0,15% de C. Se utiliza en la fabricación de:
elementos de máquinas, alabes de turbinas, válvulas, etc. Tiene una resistencia
mecánica de 80 kg/mm²., y una dureza de 175-205 HB.
•
Acero inoxidable 16Cr-2Ni:
Tienen de 0,20% de C, 16% de Cr y 2% de Ni; resistencia mecánica de 95
kg/mm². Una dureza de 275-300 HB. Se suelda con dificultad, y se utiliza para la
construcción de alabes de turbinas, ejes de bombas, utensilios de cocina,
cuchillería, etc.
•
Acero inoxidable al cromo níquel 18-8:
Tienen un 0,18 de C, un 18% de Cr y un 8% de Ni Tiene una resistencia
mecánica de 60 kg/mm². y una dureza de 175-200Hb, Es un acero inoxidable muy
utilizado porque resiste bien el calor hasta 400 ºC.
•
Acero inoxidable al Cr- Mn:
Tiene un 0,14% de C, un 11% de Cr y un 18% de Mn. Alcanza una resistencia
mecánica de 65 kg/mm². y una dureza de 175-200HB. Es soldable y resiste bien
altas temperaturas. Es amagnético. Se utiliza en colectores de escape.
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3.0 PRECIPITACIÓN DE CARBUROS.
En aceros al carbono se han identificado tres tipos de carburos que difieren en
composición química y estructura cristalina.
En revenidos entre 100 y 200°C, en aceros sobre 0,2%C, se produce precipitación de
“carburo e”, (composición Fe2-3C, con una estructura cristalina HCP), el cual es meta
estable y se disuelve a altas temperaturas. Los carburos e se caracterizan por ser
finos y muy pequeños, por lo cual es necesario mucho aumento para observarlos,
además precipitan según ciertos planos cristalográficos específicos, Figura 3.1 (a).
Es importante destacar el hecho que en aceros de bajo carbono, menos de 0,2% de
C, estos carburos no precipitan.
Para revenidos entre 250 y 700°C, precipita cementita, (composición Fe3C y
estructura cristalina ortorrómbica), Figura 3.1 (b). En un comienzo y con revenidos a
menores temperaturas, 200 a 300ºC, la cementita aparece en forma de agujas, en
cambio, para revenidos a mayores temperaturas, entre 400 y 700°C, las partículas de
cementita crecen por coalescencia y toman forma esférica. Si el tiempo de revenido
se prolonga mucho los carburos crecen demasiado y se pierde completamente la
dureza del temple, se obtiene de esta forma una matriz de ferrita con partículas
gruesas de cementita, llamada esferoidita, Figura 3.1 (c).
Existe un tercer tipo de carburo, denominado carburo Hägg (Fe5C2, y estructura
cristalina monoclínica), éste precipita en algunos aceros de alto carbono revenidos
entre 200 y 300ºC, es metal estable y de composición intermedia entre el carburo e y
la cementita.
Figura (3.1). Precipitación de carburos.
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Al calentar sobre 900°C y luego enfriar a temperatura ambiente un acero inoxidable
comercial que contiene C y N, se produce una severa fragilización y pérdida de
resistencia a la corrosión, causada por la precipitación de carburos y nitruros ricos en
CR. En los bordes de grano, como por ejemplo (Cr,Fe)7C3 y/o (Cr,Fe)23C6. Estos
carburos y nitruros disminuyen fuertemente el contenido de Cr. En las regiones
vecinas a los bordes de granos, quedando estas regiones desprotegidas respecto de
la corrosión. Los defectos de este tipo pueden presentarse durante la soldadura o en
tratamientos térmicos a alta temperatura. Este problema se puede resolver bajando
los contenidos de C y N a niveles de 0,002 %C y 0,0095 %N, también es posible
remediarlo agregando Ti o Nb, estos son fuertes formadores de carburos y evitan la
formación de carburos de Cr, previniéndose así las zonas desprotegidas.
La resistencia a la corrosión aumenta con un mayor contenido de Cr de 16 a 28%,
por otra parte la adición de un 2% de Mo. Mejora la resistencia a la corrosión por
pitting, lo que es muy deseable ya que este tipo de corrosión es muy dañina,
atacando localmente y en forma rápida.
3.1 Aceros inoxidables resistentes a la corrosión.
Aleaciones a base de hierro y que contienen por lo menos 12% de cromo se
denominan aceros inoxidables. Las características más importantes de estos metales
es su resistencia a muchas condiciones corrosivas. Los cuatro tipos disponibles son
los aceros al cromo ferríticos, los aceros al cromo-níquel austeníticos y los aceros
inoxidables martensíticos y templables por precipitación.
Los aceros al cromo ferríticos tienen su resistencia a la corrosión depende del
contenido de dicho elemento. Los aceros de muy alto carbono presentan buena
templabilidad, tanto que en los de bajo carbono desaparece.
Con muy altos contenidos de cromo la dureza se hace tan intensa que debe
prestarse cuidadosa atención a las condiciones de servicio. Puesto que el cromo es
costoso, el diseñador deberá de elegir el contenido de cromo mínimo compatible con
las condiciones corrosivas.
Los aceros inoxidables al cromo-níquel retienen la estructura austenítica, por lo que
son susceptibles de tratamiento térmico. Su resistencia mecánica puede mejorar
notablemente por el trabajo en frío, sólo así serán magnéticos.
Todos los aceros al cromo-níquel retienen la estructura austenítica, por lo que no son
susceptibles de tratamiento térmico. Su resistencia mecánica puede mejorar
notablemente por el trabajo en frío.
Los aceros inoxidables o resistentes a la corrosión, adquieren esta propiedad a
través de la formación de una capa superficial invisible y muy adherente de un óxido
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CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
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muy rico en cromo, llamada película de pasivación, que se forma y recompone
espontáneamente en la presencia de oxígeno.
Esta capa es continua, adherente, no porosa, insoluble, y autorreconstituible en la
presencia de oxígeno cuando es deteriorada.
La pasividad se forma bajo un rango de condiciones dependiendo de las
características del ambiente circundante, pero la presencia de oxígeno es
fundamental en todos los casos.
En general, la resistencia a la corrosión de un acero inoxidable es máxima cuando la
superficie del acero está lo suficientemente aireada o expuesta y libre de cualquier
tipo de depósitos.
Cuando el contenido de cromo se eleva a 17 - 20%, típico de los aceros inoxidables
austeníticos; o entre 26- 29% de cromo, típico de los más recientes desarrollados
superferríticos, la estabilidad de la capa de pasivación aumenta notoriamente.
3.2 Clasificación de los procesos de corrosión.
Tabla (3.1). Clasificación de los procesos de corrosión.
SEGUN LA FORMA
UNIFORME
LOCALIZADA
Por placas
Disolución uniforme de la
superficie
Por grietas
Por picado
Ínter granular
Fisurante
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3.2.1 Formas más comunes de corrosión localizada.
Tabla (3.2). Formas más comunes de corrosión localizada.
FACTORES QUE PRODUCEN O FAVORECEN LA
CORROSIÓN LOCALIZADA
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Esfuerzo
Erosión
Cavitación
Frotamiento
Disolución selectiva
Celdas de concentración (aireación
diferencial, diferencias de ph.)
Celdas galvánica
Presencia de microorganismos
Daño por hidrógeno
Las formas más comunes de corrosión localizada que pueden sufrir los aceros
inoxidables son:
3.2.1.1 Corrosión por picado.
Es una forma de ataque corrosivo que produce hoyos o pequeños agujeros en un
metal. Esta forma de corrosión es muy destructiva para las estructuras de ingeniería
si causa la perforación del metal.
Figura (3.2). Corrosión por picado.
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TESIS DE LICENCIATURA
La picadura es a menudo difícil de detectar porque los pequeños agujeros causados
por la picadura pueden cubrirse con los productos de la corrosión. Asimismo, el
número y profundidad de los agujeros puede variar enormemente y por eso el daño
producido por picadura puede ser difícil de evaluar. En consecuencia, la picadura,
dada su naturaleza localizada, puede a menudo localizar fallos repentinos e
inesperados, razón por la cual se considera a este tipo de corrosión como el más
peligroso.
La picadura generalmente requiere de un período de iniciación, pero una vez que
comienza, los agujeros crecen a gran velocidad. La mayoría de los agujeros crecen
en la dirección de la gravedad y en las superficies más bajas de los equipos de
ingeniería.
Los aceros inoxidables austeníticos tienen especial resistencia a la corrosión por
picado, esta característica se la confieren elementos como Mo., Nb., Ti., Cu. y N.
3.2.1.2 Corrosión íntergranular.
Figura (3.3). Corrosión intergranular.
La corrosión ínter granular del acero austenítico puede ser controlada de las
siguientes formas:
1. Utilizando un tratamiento de calentamiento a alta temperatura después de soldar,
seguido de un enfriamiento con agua. Así los carburos serán redisueltos y podrán
volver a formar la solución sólida.
2. Añadiendo aleantes tales como el niobio y titanio que tienen mayor afinidad por el
carburo que el cromo.
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3. Bajando el contenido de carbono por debajo del 0.03 % (Acero 304L "L"del inglés
"Low" bajo contenido en carbono).
3.2.1.3 Corrosión por rendijas.
Es una forma de corrosión localizada asociada con espacios confinados o rendijas
formadas por ciertas configuraciones geométricas. Es también llamada corrosión por
aireación diferencial. Las regiones con diferentes concentraciones de oxígeno se
comportan como una cúpula de corrosión. Las zonas de baja concentración se dan
dentro de la rendija y actúan como ánodos donde el metal se oxida. Dentro de la
rendija aumenta la concentración de iones positivos y si hay presencia de
halogenuros en el medio (Cl., por ejemplo) estos migran hacia la rendija formándose
FeCl. Dentro de la misma. Luego por hidrólisis se genera un exceso de iones
hidrógeno acelerándose notablemente la velocidad de corrosión.
3.2.1.4 Corrosión bajo tensión.
Este tipo de corrosión es muy perjudicial, ya que en un lapso extremadamente corto
se puede producir la falla de una pieza. La rotura por corrosión por esfuerzo (stress corrosión cracking SCC) de metales se refiere a la rotura causada por el efecto
combinado de esfuerzos de tensión y un entorno corrosivo específico actuando sobre
el metal. Durante la SCC el ataque que recibe la superficie del metal es
generalmente muy pequeño mientras que las grietas aparecen perfectamente
localizadas y se propagan a lo largo de la superficie del metal. Los esfuerzos que
causan la SCC pueden ser residuales o aplicados. Las altas tensiones residuales
capaces de provocar SCC pueden ser en consecuencia, por ejemplo, de tensiones
térmicas introducidas por velocidades desiguales de enfriamiento, de un diseño
mecánico defectuoso para esfuerzos, de transformaciones de fase durante el
tratamiento térmico, el trabajo en frío o la soldadura.
Sólo ciertas combinaciones de aleaciones y ambientes son susceptibles de SCC. Por
ejemplo, los aceros inoxidables sufren deterioro en medios como cloruro de etilo con
agua (a temperaturas superiores a la ambiente), en agua de mar y otros medios que
no contienen cantidades apreciables de cloruros, como soluciones de soda cáustica,
agua que contiene ácido sulfhídrico, productos formados en las refinerías a partir de
H2S, agua a temperaturas elevadas, como así también en vapor de agua.
3.2.1.5 Corrosión galvánica.
La corrosión Galvánica es una de las más comunes que se pueden encontrar. Es
una forma de corrosión acelerada que puede ocurrir cuando metales distintos (con
distinto par redox) se unen eléctricamente en presencia de un electrolito (por
ejemplo, una solución conductiva).
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CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
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A UN PROCESO DE DESGASTE.
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Figura (3.4). Corrosión galvánica.
El ataque galvánico puede ser uniforme o localizado en la unión entre aleaciones,
dependiendo de las condiciones. La corrosión galvánica puede ser particularmente
severa cuando las películas protectoras de corrosión no se forman o son eliminadas
por erosión.
Esta forma de corrosión es la que producen las Celdas Galvánicas. Sucede que
cuando la reacción de oxidación del ánodo se va produciendo se van desprendiendo
electrones de la superficie del metal que actúa como el polo negativo de la pila (el
ánodo) y así se va produciendo el desprendimiento paulatino de material desde la
superficie del metal. Este caso ilustra la corrosión en una de sus formas más simples.
Quizá la problemática mayor sobre corrosión esté en que al ser este caso bastante
común se presente en variadas formas y muy seguido. Por ejemplo, la corrosión de
tuberías subterráneas se puede producir por la formación de una pila galvánica en la
cual una torre de alta tensión interactúa con grafito solidificado y soterrado, con un
terreno que actúe de alguna forma como solución conductiva.
3.2.1.6 Corrosión por contacto.
Una diminuta partícula de acero al carbono o hierro, una escama de óxido, cobre u
otra sustancia extraña cualquiera incrustada en el acero inoxidable puede ser
suficiente para destruir la pasividad en el punto de contacto. El ataque empieza al
formarse una celda galvánica con la partícula de material extraño como ánodo.
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TESIS DE LICENCIATURA
La acción de picado puede proseguir después de haber sido eliminada la partícula
extraña por haberse constituido una celda activa - pasiva entre la diminuta superficie
anódica atacada y la extensa área catódica circundante.
Tabla (3.3). Resumen esquemático de varios tipos de corrosión.
QUIMICA
SEGUN EL MEDIO
ELECTROQUÍMICA
En electrolitos
En interfases metal/gas
Existe un medio conductor de acuerdo
al ambiente donde se desarrolla puede
ser.
a) atmosférica
b) en suelos
c) en soluciones electrolíticas
3.3 Desgaste.
El desgaste se puede definir al desgaste como el desprendimiento de partículas de la
superficie de un cuerpo y/ó el desplazamiento de material de zonas en contacto,
hacia zonas libres de carga.
El desgaste es una falla inevitable dondequiera que hayan cuerpos en contacto bajo
carga, con movimiento relativo. Normalmente, el desgaste no ocasiona fallas
violentas, pero trae como consecuencias:
•
•
•
•
Reducción de la eficiencia de operación.
Pérdidas de potencia por fricción.
Incremento del consumo de lubricantes.
y eventualmente conduce al reemplazo de componentes desgastados y a la
obsolescencia de las máquinas en su conjunto.
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A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
3.3.1 Tipos de desgaste.
3.3.1.1 Desgaste por abrasión.
Se llama abrasión al desgaste producido por partículas duras que penetran en una
superficie; ocasionando deformación plástica y/ó arrancando virutas. Se considera
que este tipo de desgaste puede tomar dos formas extremas: una en la cual la
deformación plástica es lo mas importante (Fig. 3.5) y la otra, en la cual la fractura,
con deformaciones plásticas limitadas es lo que predomina (Fig. 3.6).
Figura (3.5) abrasión deformante.
Figura (3.6) abrasión cortante.
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 (Fig. 3.7).
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CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
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A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
Es de advertir que esta propiedad en el material desgastado es más indicativa de la
resistencia a la abrasión que la dureza original (Fig. 3.8).
El contenido de carburos es un factor importante en la reducción de la abrasión en
aceros; siendo los carburos de vanadio y niobio mas efectivos que los de cromo y
tungsteno (Fig. 3.9).
Por otra parte, se observa en la Figura (3.10) que el contenido de carbono hace
disminuir la abrasión en los aceros y que distintas microestructuras presentan
diferentes resistencias al desgaste. De acuerdo al gráfico, 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.
Si se requiere una matriz mas tenaz, para condiciones de impactos fuertes, es mas
recomendable una estructura austenítica inestable, la cual tender a endurecerse por
Deformación o sufrir transformación de fase, o bien ser sometida a ambos procesos
durante el trabajo de abrasión.
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CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
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.
3.3.1.2 Desgaste por adhesión.
Formación de "proa" característica de desgaste adhesivo.
El desgaste adhesivo, también llamado desgaste por fricción ó desgaste deslizante,
es una forma de deterioro que se presenta entre dos superficies en contacto
deslizante (Fig. 3.11).
Figura (3.11). Desgaste por adhesión.
Toma lugar típicamente en cojinetes de deslizamiento, chumaceras, bocinas, bujes,
motores de combustión interna, compresores reciprocantes, bielas, tornillos de
potencia, matrices, estoperas, engranajes, guías en general, etc.
Según la teoría adhesiva del desgaste deslizante, bajo la acción de las cargas
normales aplicadas los topes de las asperezas de las dos superficies sufren fluencia
plástica y soldadura en frío.
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CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
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 mas 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 (Figs. 3.12 y 3.13).
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.
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CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
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
C). Por otra parte, los incrementos de dureza reducen el rango de cargas
correspondiente al desgaste severo, hasta hacerlo desaparecer. Es de advertir que
aumentos excesivos de dureza eventualmente conducir n a tenacidad insuficiente y a
fallas por fragilidad.
En relación al efecto de la microestructura, es de citar que la American Society for
Metals sugiere el uso, para cojinetes de deslizamiento, de las estructuras siguientes:
•
•
•
Matrices blandas, con partículas discretas duras.
Matrices duras, con "lagunas" discretas de fases blandas.
Fases duras y blandas intercaladas.
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 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.
3.3.1.3 Desgaste por erosión.
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
(Fig. 3.14).
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CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
Figura (3.14). Desgaste por Erosión
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.
Parece existir una buena correlación entre la resistencia a la erosión y el módulo de
resiliencia (R) de un material:
Donde:
Sy: resistencia a la fluencia y
E: modulo elástico de Young.
Este parámetro representa la cantidad de energía que puede ser absorbida por un
cuerpo antes de que ocurra deformación plástica ó fractura, por impacto.
ESIME-UPA -IPN-2008
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CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
Soluciones a problemas de erosión:
•
•
•
Modificar ángulos de ataque.
Reducir velocidades.
Escoger materiales de mejor calidad ó modificar sus superficies.
Además, puesto que la erosión se considera como una forma de abrasión, las
recomendaciones para el control del desgaste abrasivo tienen, en general, validez
para el desgaste erosivo.
3.3.1.4 Desgaste 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 (130 µm = 5 mpulg., por ej.) (Fig. 3.15).
Figura (3.15). Desgaste Micro-oscilatorio ("Fretting")
Normalmente la apariencia de la superficie es rojiza-marrón (ladrillo) ó 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.
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41
CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
•
•
•
•
•
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.
La temperatura ambiental también tiene un efecto diverso, aunque mas 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.
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42
CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
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43
CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
4.0 TRATAMIENTOS TÉRMICOS.
Un proceso de tratamiento térmico adecuado permite aumentar significativamente las
propiedades mecánicas de dureza, tenacidad y resistencia mecánica del acero. Los
tratamientos térmicos cambian la micro estructura del material, con lo que las
propiedades macroscópicas del acero también son alteradas.
Los tratamientos térmicos que pueden aplicarse al acero son:
•
•
•
•
•
•
•
Temple.
Cementación.
Nitruración.
Revenido.
Recocido.
Cianuración.
Normalizado.
Entre los factores que afectan a los procesos de tratamiento térmico del acero se
encuentran la temperatura y el tiempo durante el que se expone a dichas condiciones
al material. Otro factor determinante es la forma en la que el acero vuelve a la
temperatura ambiente. El enfriamiento del proceso puede incluir su inmersión en
aceite o el uso del aire como refrigerante.
El método del tratamiento térmico, incluyendo su enfriamiento, influye en que el
acero tome sus propiedades comerciales.
Según ese método, en algunos sistemas de clasificación, se le asigna un prefijo
indicativo del tipo. Por ejemplo, el acero O-1, o A2, A6 (o S7) donde la letra "O" es
indicativo del uso de aceite (del inglés: oil quenched), y "A" es la inicial de aire; el
prefijo "S" es indicativo que el acero ha sido tratado y considerado resistente al
golpeo.
Los aceros martensíticos son endurecibles por temple y posterior revenido para
conseguir alta resistencia mecánica (temple) y buena ductilidad y tenacidad
(revenido).
El temple es un enfriamiento brusco (en agua o aceite) que se realiza con el objeto
de endurecer el acero por precipitación de martensita; el templado ofrece una muy
buena resistencia mecánica pero muy poca tenacidad, por lo cual se hace necesario
realizar, luego del templado, otro tratamiento térmico, denominado revenido.
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44
CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
Que nos permite obtener martensita revenida que tiene algo menos de resistencia
mecánica que la martensita propiamente dicha.
Pero es mucho menos frágil que ésta, confiriéndole al material una interesante
combinación de resistencia mecánica, ductilidad y tenacidad.
Los aceros inoxidables austeníticos, los ferríticos y los dúplex no son endurecibles
por tratamiento térmico, pero se los puede endurecer por deformación plástica en
frío. Al hacer esto aumenta la resistencia mecánica del material pero diminuye su
tenacidad y ductilidad, problema que se resuelve mediante un recocido parcial.
Otros tratamientos aplicables son el martempering, el austempering, normalizado,
homogeneizado, alivio de tensiones, recocido de esferoidización y otros.
Una alternativa adicional la constituyen los aceros inoxidables endurecidos por
precipitación. Estos aceros logran sus propiedades por un tratamiento de envejecido
a temperaturas más bajas. Permiten mecanizar una pieza en su condición recocida y
obtener la dureza por el posterior tratamiento térmico a temperaturas entre 400 y 500
°C, evitándose distorsiones y oxidación.
4.1 Cementación.
La cementación es un tratamiento termoquímico en el que se aporta carbono a la
superficie de una pieza de acero mediante difusión, modificando su composición,
impregnado la superficie y sometiéndola a continuación a un tratamiento térmico.
El templado y revenido proporcionan dureza a la pieza, pero también fragilidad. Por
el contrario, si no se templa el material no tendrá la dureza suficiente y se
desgastará. Para conservar las mejores cualidades de los dos casos se utiliza la
cementación.
La cementación tiene por objeto endurecer la superficie de una pieza sin la
modificación del núcleo, dando lugar así a una pieza formada por dos materiales.
La del núcleo de acero con bajo índice de carbono, tenaz y resistente a la fatiga, y la
parte de la superficie, de acero con mayor concentración de carbono, más dura,
resistente al desgaste y a las deformaciones, siendo todo ello una única pieza
compacta.
La cementación consiste en recubrir las partes a cementar de una materia rica en
carbono, llamada cementante, y someterla durante varias horas a altas temperatura
(1000°C). En estas condiciones, el carbono irá penetrando en la superficie que
recubre a razón de 0,1 a 0,2 mm. Por hora de tratamiento.
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45
CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
La pieza así obtenida se le da el tratamiento térmico correspondiente, temple y
revenido, y cada una de las dos zonas de la pieza, adquirirá las cualidades que
corresponden a su porcentaje de carbono. En ocasiones se dan dos temples, uno
homogéneo a toda la pieza y un segundo temple que endurece la parte exterior.
La cementación encuentra aplicación en todas aquellas piezas que tengan que
poseer gran resistencia al choque y tenacidad junto con una gran resistencia al
desgaste, como es el caso de los piñones, levas, ejes, etc.
Características de la cementación:
•
•
•
•
•
•
Endurece la superficie.
No le afecta al corazón de la pieza.
Aumenta el carbono de la superficie.
Su temperatura de calentamiento es alrededor de los 900 ºC.
Se rocía la superficie con polvos de cementar ( Productos cementantes).
El enfriamiento es lento y se hace necesario un tratamiento térmico posterior.
Aceros de cementación:
Son apropiados para cementación los aceros de baja contenido de carbono, que
conserven la tenacidad en el núcleo. El cromo acelera la velocidad de penetración
del carbono. Los aceros al cromo níquel tienen buenas cualidades mecánicas y
responden muy bien a este proceso. Una concentración de níquel por encima del 5%
retarda el proceso de cementación.
Tipos de aceros para cementación:
•
Aceros para cementación al carbono:
Cementación 900º-950º, primer temple 880º-910º en agua o aceite, segundo
temple 740º-770º en agua. Revenido 200º máx.
Aplicaciones:
Piezas poco cargadas y de espesor reducido, de poca responsabilidad y escasa
tenacidad en el núcleo.
•
Aceros para cementación al Cr-Ni de 125kgf/mm2:
Tiene en su composición un 1% de Cr y un 4,15% de Ni. Cementación 850º-900º,
primer temple 900º-830º en aceite, segundo temple 740º-780º en aceite.
Revenido 200º máx.
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CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
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A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
Aplicaciones:
Piezas de gran resistencia en el núcleo y buena tenacidad. Elementos de máquinas y
motores. Engranajes, levas etc.
•
Aceros para cementación al Cr-Mo de 95 kgf./mm2:
Tiene en su composición un 1,15% de Cr y un 0,20% de Mo. Cementación 890º940º; primer temple 870º-900º en aceite, segundo temple 790º-820º en aceite.
Revenido 200º máx.
Aplicaciones:
Piezas para automóviles y maquinaria de gran dureza superficial y núcleo resistente.
Piezas que sufran gran desgaste y transmitan esfuerzos elevados. Engranajes,
levas, etc.
•
Aceros para cementación al Cr-Ni-Mo de 135 kgf./mm2:
Tiene en su composición un 0,65% de Cr, 4% de Ni y 0,25% de Mo.
Cementación 880º-930º; primer temple 830º-860º aire o aceite; segundo temple
740º-770º aceite. Revenido 200º máx.
Aplicaciones:
Piezas de grandes dimensiones de alta resistencia y dureza superficial.
4.2 Límites de temperatura.
Se denominan aceros y aleaciones termo resistente a aquellos materiales aptos para
solicitaciones mecánicas en servicios a temperaturas mayores a los 500 ° C y que
además poseen resistencia a la formación de cascarilla. Estas aleaciones se
emplean, al igual que los aceros inoxidables endurecibles por precipitación, cuando
los requerimientos de resistencia al creep. y a la oxidación/corrosión son los más
exigentes: industria aeroespacial, turbinas de gas, reactores nucleares, etc.
La mayoría de estos aceros se ubican dentro de las siguientes categorías:
•
•
•
•
Aceros al Carbono (hasta 370 °C bajo carga continua, y algunos soportan
hasta 540 °C).
Aceros al Carbono - Molibdeno (C - Mo) (entre 440 y 540 °C).
Aceros al Carbono - Cromo - Molibdeno (C - Cr - Mo) (entre 540 y 650 °C).
Aceros inoxidables ferríticos (hasta 700 °C).
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CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
•
•
•
Aceros inoxidables martensíticos (hasta aprox. 500 °C).
Aceros inoxidable austeníticos (hasta 1200 °C según el tipo de acero).
Superaleaciones base Fe - Ni, base Ni y base Co. (hasta aprox. 590 °C).
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48
CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
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CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
5.0 RESULTADOS Y ANÁLISIS DE LAS DIFERENTES PROBETAS QUE FUERON
SOMETIDAS AL PROCESO DE CEMENTACIÓN SÓLIDA, ACERO INOXIDABLE
316L.
En el presente capítulo se desarrolla la experimentación y los resultados de las
pruebas realizadas, incluyendo el análisis metalográfico del acero inoxidable 316L
grado quirúrgico que fue sometido a un proceso de cementación sólida, así como los
resultados del ensayo de desgaste, dureza y las conclusiones de esta investigación.
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50
CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
5.1 Desarrollo experimental.
5.1.1 Equipo empleado.
El equipo empleado para obtener y analizar las probetas de estudio, abarca desde
las máquinas e instrumentos que se utilizaron en el maquinado, pasando por la
preparación para observación metalográfica y terminando con las utilizadas para
pruebas mecánicas, las cuales se describen a continuación.
a. Maquinado.
Torno universal Marca OLYMPIC-140, Modelo OL SAIMCA-BAIN.
b. Dureza de Material.
Durómetro vickers Marca MITUTOYO, Modelo ABK-C1. [Anexo VII figura 4].
c. Tratamiento Térmico.
[Anexo VII figura 6].
d. Análisis metalográfico.
Cortadora de disco abrasivo, Desbastadora de banda, todas de marca Buehler.
[Anexo VII figura 1,2].
Microscopio óptico Marca OLYMPUS, Modelo PMG-3. [Anexo VII figura 3].
Marca Joel Modelo JSM-6300 SCANING (INGENIERÍA METALÚRGICA ESIQIE
IPN).
e. Ensayo de Abrasión.
Máquina de ensaye de Abrasión: de 200 revoluciones por minuto, con un diámetro de
la rueda de 23 cm. Con un contrapeso de 500gramos y un brazo de palanca de 6
Kg.
EN SEPI. ESIME. ZACATENCO. [Anexo VII figuras 11].
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CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
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A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
f. Material Empleado.
A continuación se muestra el análisis químico del acero recomendado para cementar
de acuerdo a la norma AISI o SAE. Los análisis químicos fueron proporcionados por
el fabricante ACEROS FORTUNA.
Tabla (5.1). Análisis químico del acero base austenítico 316L.
COMPOSICIONES QUIMICAS (%)
ACERO INOXIDABLE 316L
0.030
1.00
0.040
0.030
16 ~ 18
11.0 ~ 14.0
2.0 ~ 3.0
Carbono
Silicio
Fósforo
Sulfuro
Cromo
Níquel
Molibdeno
5.1.2 Metodología experimental.
I.- Los ensayos que se realizan tendrán las siguientes características.
Temperatura de cementación: 920° C. [Anexo VII figuras 3].
Medio de temple: Agua a 24°C.
Tabla (5.2). Parámetros de control, para realizar el proceso de investigación.
ENSAYO No.
TIPO DE ACERO
1
2
3
316L
316L
316L
TIEMPO DE
CEMENTACIÓN (horas)
1
2
3
II.- Se fabrican 6 probetas del acero para realizar los ensayos, con las siguientes
dimensiones: 40 mm. De diámetro y 8 mm. De espesor. [Anexo VII figura 9].
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CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
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A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
III.- Al mismo tiempo se fabrican 3 testigos, para colocarlos en los procesos de
cementación y medir posteriormente el espesor de la capa cementada en función del
tiempo y temperatura. [Anexo VII figura 10].
IV.- Se preparan 500 gramos de mezcla cementante que está compuesta de carbón
vegetal pulverizado y 10 % de carbonato de sodio (NaCO3) como catalizador, está
mezcla se denominada CARÓN. [Anexo VII figura 7].
V.- Se vierte la mezcla denominada Carón a la caja de acero inoxidable, colocando
una cama de 1.5 cm. de espesor, posteriormente se coloca una pieza de acero 316
y se cubre nuevamente con el agente cementante, se introducen los testigos del
acero correspondiente.
VIII.- Se colocan las piezas a cementar en el agente cementante a 900 0 C y
posteriormente se empieza a cronometrar el tiempo de cementación, está operación
se realiza para los 3 ensayos. [Anexo VII figura 8].
IX.- Transcurrido el tiempo de cementación se sacan las probetas y se dejan enfriar.
X.- A continuación se limpian las probetas y se marcan para evitar confusión, así
mismo los testigos se preparan para análisis metalográfico.
XI.- Se toman y registran las durezas de las probetas cementadas. [Anexo VII figuras
4 y 5].
XII.- Se realizan pruebas metalográficas a las diferentes probetas [Anexo VII
figuras.].
XIII.- Se realizan las pruebas de desgaste a las diferentes probetas [Anexo VII figuras
11, 12 y 13].
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5.2 RESULTADOS Y SU ANÁLISIS.
5.2.1 Prueba de dureza.
5.2.2 Resultados de la prueba de dureza.
Tabla (5.2.2). Dureza del material sin cementar.
Acero inoxidable 316L sin cementar
Dureza
Hv.
200
A continuación se muestra en la tabla (5.2.3) las durezas obtenidas con el
tratamiento de cementación para cada una de las probetas.
Tabla (5.2.3). Durezas de las probetas cementadas.
No. de probeta
Acero inoxidable 316L
tiempo de cementado
1
2
3
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1 horas
2 horas
3 horas
Dureza
Hv.
738
861
877
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Comparación de durezas
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
Dureza
Probeta sin
cementar
1 hora de
cementado
2 horas de
cementado
3 horas de
cementado
Figura (5.1). Comparación de durezas.
Como se puede apreciar en la figura (5.1) para todos los caso la aplicación del
tratamiento de cementación aumenta la dureza del material.
5.2.3 Resultados de la prueba de desgaste abrasivo.
Tabla (5.2.4) Masa perdida en el ensaye de abrasión.
Acero inoxidable 316L sin cementar
0m.
500m.
1000m.
1500m.
2000m.
2500m.
3000m.
85.5900
85.3827
85.1793
84.9819
84.8081
84.6666
84.5318
En la tabla (5.2.4) observamos que conforme vamos aplicando mayor distancia de
abrasión va en aumento la masa perdida del material.
Tabla (5.2.4.1).Tasa de desgaste abrasivo, g/kg
(1)
.
Acero inoxidable 316L sin cementar
500m.
1000m.
1500m.
2000m.
2500m.
3000m.
987.6364
989.2113
990.8645
992.8951
995.2015
997.5779
Tasa de desgaste = masa perdida (g) / masa inicial (kg.)
En la tabla (5.2.4.1) muestra como la tasa de desgaste de la probeta sin cementar va
en aumento en proporción al la distancia deslizada.
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55
CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
Tabla (5.2.4.2). Resistencia al desgaste abrasivo, g/kg
(2)
.
Acero inoxidable 316L sin cementar
500m.
1000m.
1500m.
2000m.
2500m.
3000m.
0.00100040
0.00100042
0.00100050
0.00100056
0.0010059
0.00100061
Resistencia al desgaste = 1 / Tasa de desgaste.
En la tabla (5.2.4.2) muestra las diferentes resistencias al desgaste de la probeta sin
cementar de acuerdo a las diferentes distancias de abrasión.
Tabla (5.2.4.3). Masa perdida en el ensaye de abrasión.
Peso neto en kilogramos acero inoxidable 316L (cementado)
desgaste
en gramos
a cada
desgaste
en gramos
a cada
desgaste
en gramos
a cada
desgaste
en gramos
a cada
desgaste
en gramos
a cada
Desgaste
en gramos
a cada
No.
De
probet
a
Tiempo de
cementado
Peso inicial
Kg.
500m.
1000m.
1500m.
2000m.
2500m.
3000m.
1
1 hora
0.0775719
77.5158
77.4531
77.4199
77.3702
77.3194
77.2793
2
2 horas
0.0776620
77.6183
77.5627
77.5256
77.4686
77.4454
77.4084
3
3 horas
0.0778210
77.7706
77.7244
77.6747
77.6302
77.5884
77.5381
En la tabla (5.2.4.3) se muestran las diferentes pérdidas de masa en proporción a la
distancia deslizada de las probetas cementadas en comparación con el peso inicial.
Tabla (5.2.4.4). Tasa de desgaste abrasivo, g/kg
(1)
.
Acero inoxidable 316L (cementado)
No. De
probeta
Tiempo de
cementado
500 m.
1000m.
1500m.
2000m.
2500m.
3000m.
1
2
3
4
0 hrs.
1 hora
2 horas
3 horas
987.6364
996.2280
996.7345
996.3647
989.2113
996.7449
997.2109
997.0110
990.8645
997.3998
997.5097
997.5482
992.8951
998.0405
998.2436
998.1200
995.2015
998.4685
998.7213
998.7586
997.5779
999.2768
999.4373
999.3523
Tasa de desgaste = masa perdida (g) / masa inicial (kg.)
Como podemos observar en la tabla (5.2.4.4) las comparaciones de la tasa de
desgaste de las probetas van en aumento conforme vamos aumentando la distancia
de deslizamiento.
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CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
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TESIS DE LICENCIATURA
Tabla (5.2.4.5). Resistencia al desgaste abrasivo, g/kg
(2)
.
Acero inoxidable 316L (cementado)
No. De
probeta
Tiempo de
cementado
500 m.
1000m.
1500m.
2000m.
2500m.
3000m.
1
2
3
4
0 hrs.
1 hora
2 horas
3 horas
0.00100061
0.00100378
0.00100327
0.00100364
0.00100059
0.00100326
0.00100279
0.00100299
0.00100056
0.00100260
0.00100249
0.00100245
0.00100050
0.00100196
0.00100175
0.00100188
0.00100042
0.00100153
0.00100128
0.00100124
0.00100040
0.00100148
0.00100126
0.00100120
Resistencia al desgaste = 1 / Tasa de desgaste
En la tabla (5.2.4.5) tenemos las comparaciones de la resistencia al desgaste de las
diferentes probetas cementadas en función de la distancia deslizada.
tasa de desgaste g/kg.
Comparación de a tasa de desgaste contra distancia de
deslizamiento de la probeta sin cementar y de las cementadas
1002
1000
998
996
994
992
990
988
986
984
982
980
probeta sin cementar
probeta con 1 hora de
cementado
probeta con 2 horas de
cementado
probeta con 3 horas de
cementado
500 m.
1000m.
1500m.
2000m.
2500m.
3000m.
distancia deslizada en metros
Figura (5.2). Tasa de desgaste contra distancia deslizada.
En la figura (5.2) se muestran las comparaciones de las diferentes tasas de desgaste
de la probeta sin cementar y de las cementadas en función a la distancia deslizada.
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57
CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
resistencia al desgaste, kg./g.
Resistencia al desgaste contra distancia deslizada
0.001005
0.001004
probeta sin cementar
0.001003
0.001002
probeta con 1 hora de
cementado
0.001001
probeta con 2 horas de
cementado
0.001
probeta con 3 horas de
cementado
0.000999
0.000998
500 m.
1000m.
1500m.
2000m.
2500m.
3000m.
distancia deslizada en metros
Figura (5.3) Resistencia al desgaste contra distancia deslizada.
En la figura 5.3 podemos observar las comparaciones de las resistencias al desgaste
que tienen las diferentes probetas.
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CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
CONCLUSIONES.
Los aceros inoxidables 316L bajos en carbono para cementar, es recomendable
templarlos en agua, para obtener máxima dureza en la capa cementada, en este tipo
de acero, si los tiempos de austenización son prolongados a temperatura máxima
hay crecimiento de grano, lo cual no es recomendable porque fragiliza el material, la
temperatura y tiempo deben establecerse de acuerdo al fabricante o proveedor del
acero, el alto contenido de carbono en la superficie provoca después del temple
austenita retenida, debe eliminarse para evitar durezas heterogéneas superficiales.
El acero inoxidable 316L cementado, desarrolla mejores propiedades, por la
presencia de elementos de aleación, como el cromo, níquel y molibdeno, ya que el
cromo y molibdeno aumentan la templabilidad del acero, regulan el tamaño de grano
y son formadores de carburos muy estables, mientras que el níquel se disuelve en la
ferrita aumentando la tenacidad del núcleo. Estos aceros después del temple se
pueden utilizar en trabajos más específicos, como la fabricación de cigüeñales,
bielas, pernos, en donde puedan soportar trabajos de fatiga, abrasión, impacto, etc.
En el desgaste abrasivo con arena, se presenta una de las manifestaciones más
críticas a las que se pueden exponer dos materiales en contacto superficial. Ya que
se puede producir una deformación plástica severa por las partículas o asperezas
duras que penetran las superficies en contacto durante el deslizamiento, provocando
ralladuras, surcos, etc., que son concentradores de esfuerzos y puedan ocasionar la
fractura de la pieza.
En este caso se pudo determinar que entre mayor fue el tiempo de cementación de
las probetas del acero inoxidable 316L mayor fue su dureza que adquirió y por lo
tanto se obtuvo mayor resistencia al desgaste en las pruebas de desgaste abrasivo.
Finalmente, éste trabajo es una respuesta a la investigación que se da a los
procesos de difusión en el estado sólido de los materiales ferrosos, y entender como
los elementos de aleación estabilizan las propiedades de los aceros y así, avanzar
en el desarrollo de la investigación de la protección contra el desgaste de los
materiales.
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CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
TRABAJOS FUTUROS.
Evaluar por medio del ensayo de tensión, la resistencia que presenta el espesor de la
capa cementada en los aceros para cementar.
Por medio del ensayo al impacto, evaluar la resistencia que opone el espesor de la
capa cementada en el acero inoxidable 316L templados en agua.
Realizar un análisis metalográfico de las diferentes micro estructuras que se forman
en la capa cementada, determinando análisis químicos.
Realizar estudios de desgaste erosivo o abrasión severa en aceros cementados.
El estudio de las propiedades de cementado, adicionando otro elemento que aporte
alta dureza.
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CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
REFERENCIAS.
1.- Malishev, Nicolaiev, Shuvalov. Tecnología de los Metales.
Editorial Limusa.
2.- Adrián Inchaurza Zabala. Aceros Inoxidables y Aceros Resistentes al Calor.
Editorial Limusa.
3.- CRC. Press Taylor and Francis Group. Steel Heat Treatment “Metallurgy and
Technologies”. Second Edition.
Edited Totten.
4.- Manual de Metalografía y Tratamientos Térmico de los Metales
5.- Vanblack, Lawrence, H. Materiales para Ingeniería
Editorial Cecsa.
6.- Flinn, Richard A. Materiales de Ingeniería y sus Aplicaciones. Tercera edición
Editorial Mc. Graw Hill.
7.- Askeland Donald R., ET. AL. Ciencia e Ingeniería de los Materiales
Editorial Thomson.
8.- West, john M. Corrosión y Oxidación.
Editorial Limusa.
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CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
9.- Doyle, Lawrence E. Materiales y Procesos de Manufactura para Ingenieros
Editorial Prentice.
10.- William F. Smith. Fundamentos de los Materiales. 2da Edición
Editorial Mc. Graw Hill.
11.- James F. Shackel Ford. Ciencia de los Materiales para Ingenieros.
Tercera Edición.
Editorial Prentice Hall.
12.- Rolando Bastida Ferra. Apuntes de Propiedades de los Materiales II.
Publicaciones Tres Guerras.
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CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
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CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
ANEXO I.
Metals Handbook American Society for metals. Vol. 7
Atlas of Microstructures of Industrial Alloys 8a edition.
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CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
ANEXO II.
PROPIEDADES FÍSICAS, ELÉCTRICAS Y MECÁNICAS DEL ACERO INOXIDABLE 316L.
CLASIFICACION AISI
PROPIEDADES FISICAS
Punto de Fusión -
ºF
ºC
Densidad - lb. / Pulg. 3 (b)
Calor específico - Btu/lb./ºF (32-212 ºF)
316L
2500-2550
1370-1400
0.29
0.12
Conductividad Térmica - Btu/pie2 /pie / ºF/ hora
212 ºF
932 ºF
9.4
12.4
Coeficiente de la Expansión Térmica
68 - 212 º F
8.8
68 - temperatura indicada º F
PROPIEDADES ELECTRICAS
10.6 ( 1700 )
1.02
Permeabilidad Magnética ( a 200H reconocido )
68 ºF (Temp. bajo techo )
1200 ºF
RESISTENCIA AL CALOR
74.0
116.0
Temperatura máxima de operación - º F
servicio interrumpido ( e )
servicio continuo
TEMPERATURAS (de trabajo y para tratamiento)
Forjar - al empezar
- al terminar
Recorrer entre ( 1 )
PROPIEDADES MECANICAS (f )
Estructura ( g )
1600
1700
2200
1700
1975 - 2150
A
Fuerza de tensión - 1b/ pulg. 2 / min. (h)
30,000
Tensión de rotura - 1b/ pulg. 2 / min.
Elongación - % en 2 pulg. / min.
Reducción de área - % - min.
75,000
40.0
50.0
Módulo de elasticidad en tensión - lb. / Pulg. 2 / x 10 6
Dureza Brinell
Rockwell
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29.0
200 máx.
8.95 máx.
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A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
ANEXO III.
COMPOSICIONES QUÍMICAS Y APLICACIONES DEL ACERO INOXIDABLE 316 Y 316L SEGÚN
NORMA AISI.
COMPOSICIONES
QUIMICAS (%)
Carbono
Silicio
Fósforo
Sulfuro
Cromo
Níquel
Molibdeno
ACERO 316
ACERO 316L
0.080
1.00
0.040
0.030
16 ~ 18
11.0 ~ 14.0
2.0 ~ 3.0
0.030
1.00
0.040
0.030
16 ~ 18
13.0 ~ 16.0
2.0 ~ 3.0
APLICACIONES
Pulpa para papel, industrias
textiles, fertilizantes,
y otras industrias químicas que
usan ácido sulfúrico,
ANEXO IV.
COMPATIBILIDAD METALÚRGICA.
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CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
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A UN PROCESO DE DESGASTE.
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ANEXO V.
DUREZAS DE ALGUNOS MATERIALES ABRASIVOS.
MINERAL
Talco
Carbón
Yeso
Calcita
Flourita
Apatita
Vidrio
Feldespato
Magnetita
Ortosa
Pedernal
Cuarzo
Topacio
Granate
Esmeril
Corindón
Carburo de silicio
KNOOP
20
35
40
130
175
335
455
550
575
620
820
840
1330
1360
1400
2020
2585
VICKERS
36
140
190
540
500
600-750
950
900-1280
1430
1800
2600
DUREZAS DE SEGUNDAS FASES.
MATERIAL O FASE
KNOOP
VICKERS
Ferrita
Perlita sin alear
Perlita aleada
Austenita, 12 % Mn
Austenita, baja aleación
Austenita, alto Cont. Cr.
Martensita
Cementita
Carburo de Cr;(Fe,Cr)7C3
Carburo de Mo; Mo2C
Carburo de W; WC
Carburo de V; VC
Carburo de Ti; TiC.
Carburo de B; B4C
235
700-200
250-320
300-460
170-230
250-350
300-600
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305
500-800
1025
1735
1800
1800
2660
2470
2800
840-1100
1200-1600
1500
2400
2800
3200
3700
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ANEXO VI
COEFICIENTES DE DESGASTE TÍPICOS.
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A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
ANEXO VII.
EQUIPO UTILIZADO EN EL DESARROLLO EXPERIMENTAL
Figura 1. Cortadora metalográfica de disco.
Figura 2. Desbastador de banda Marca Buehler.
Figura 3. Microscopio óptico Marca
OLYMPUS, Modelo PMG-3.
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CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
Prueba de dureza.
Figura 4. Prueba de dureza.
Figura 5. Huella del penetrador de dureza Vickers.
Cementado de las probetas.
Figura 6. Se Precalientan las
Probetas a cementar
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CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
Figura 7. Mezcla de CARÓN formada por carbón vegetal y carbonato de sodio.
Figura 8. Se colocan las Probetas a Cementar
En la mezcla de Cianuro de Sodio a una temperatura
0
de 900 C .
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CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
Prueba de desgaste.
Figura 9. Probetas que se utilizan en la prueba de desgaste
Dimensiones: 40mm. De diámetro, 8 mm. De espesor.
Figura 10. Testigos Acero Inoxidable 316L.
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CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO
DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO
A UN PROCESO DE DESGASTE.
TESIS DE LICENCIATURA
Figura 11. Maquina de desgaste abrasivo de 200 Rev. Por minuto.
Figura 12. Prueba de desgaste en las probetas cementadas.
Figura 13. Balanza Scientech Capacidad
Máxima 310 gramos.
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