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DETERMINACION DE PARAMETROS OPTIMOS DEL PROCESO DE TEMPLE Y REVENIDO DEL ACERO SAE 6150 COMO ALTERNATIVA PARA LA

MANUFACTURA DE RESORTES

L. C. Pantoja, O. Misas, A. Bacca, H. E. Jaramillo, N. A. de Sánchez

Grupo Ciencia e Ingeniería de Materiales

Centro de Excelencia en Nuevos Materiales

Universidad Autónoma de Occidente, Cali Colombia

[email protected]

Calle 25 # 115-85

RESUMEN

En el presente trabajo se muestran resultados obtenidos del estudio de propiedades

mecánicas del acero SAE 6150. Los resultados se compararon con las propiedades

mecánicas del acero SAE 5160 utilizado en la fabricación de resortes. La

comparación permitió analizar la viabilidad de sustituir el acero 5160 por el acero

6150 en la fabricación de resortes. La caracterización de los aceros se realizó

mediante diferentes ensayos mecánicos como Jominy, tracción, dureza Rockwell C y

tenacidad. Se analizó la microestructura de los aceros utilizando el analizador de

imágenes. Los aceros se caracterizaron en dos estados, laminado en caliente y con

tratamiento térmico de bonificado. Los resultados de los ensayos mostraron que el

acero SAE 6150 presenta mayor templabilidad y dureza más alta que el acero 5160

para probetas hasta de 40 mm. de diámetro. Los valores del modulo de elasticidad,

el esfuerzo ultimo y la tenacidad fueron similares para los aceros.

Palabras claves: Rockwell C, propiedades mecánicas, ensayo Jominy,

microestructura, resortes.

1. INTRODUCCION Existe un alto nivel de competencia en el sector de la manufactura de resortes,

situación que conduce a la búsqueda del mejoramiento continuo para ser más

competitivos en el mercado.

17º CBECIMat - Congresso Brasileiro de Engenharia e Ciência dos Materiais, 15 a 19 de Novembro de 2006, Foz do Iguaçu, PR, Brasil.

7321

2

Actualmente el sector mencionado, presenta un cambio en el mercado gracias a los

nuevos diseños que paulatinamente están reemplazando los clásicos resortes, que

se fabrican con aceros entre 5.4 mm y 20 mm de diámetro en su mayoría. En este

rango de dimensiones, es posible obtener las propiedades mecánicas y estructurales

con el acero SAE 5160. Sin embargo, en algunas situaciones que cambian las

condiciones del producto, como un calibre mayor que involucra el grado de

templabilidad del acero, es necesario desarrollar alternativas que ofrezcan la calidad

necesaria y es aquí donde se decide aplicar el método conocido como “Materiales

de ingeniería de partes similares”1 para seleccionar el acero SAE 6150 que

teóricamente tiene propiedades mecánicas similares al SAE 5160, pero con un

elemento adicional como el vanadio le permite obtener mayor profundidad en el

temple.

2. DETALLES EXPERIMENTALES En la elaboración de las probetas para los diferentes ensayos se tuvo en cuenta la

norma NTC 2 para ensayo de tracción para materiales metálicos, método de ensayo

a temperatura ambiente; la norma NTC 19 para ensayo de dureza, ensayo Rockwell

A-B-C-D-E-F-G-H-K, la norma NTC 20-1 para ensayo de impacto Charpy entalla en

V y la norma SAE J406 Methods of Determining Hardenability of Steels, May 1998.

3. RESULTADOS 3.1 ENSAYO JOMINY

Para la realización del ensayo Jominy se utilizaron dos probetas una de cada acero,

se obtuvieron las curvas de templabilidad dureza versus distancia a partir del borde

de la probeta. Se analizó el comportamiento de cada una de las curvas y se realizó

un análisis comparativo de los resultados con la curva teórica basada en la

composición química y el tamaño de grano para la construcción y la banda de

1 Kern Roy F. “Steel Selection: A Guide for Improving Performance and Profits”. 1 ed. New York; Ed. John Wiley & Sons, 1979, 445p.


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3

templabilidad del acero establecida por la SAE -Society of Automotive Engineers

como se muestra en las figuras 1a y 1b.

Se encontró para ambos aceros, según las curvas de templabilidad definidas por la

SAE, que el comportamiento de las curvas experimentales y teórica se encuentran

dentro de los límites establecidos para los dos aceros.

La dureza Rockwell C, después del tratamiento térmico de temple pero antes del

tratamiento de revenido, debe ser entre 57 y 62 Rockwell C. Los valores obtenidos

dentro de este rango se presentaron en el acero SAE 5160 hasta 12 mm de

profundidad en la probeta uno y hasta 11,11 mm en la probeta dos por lo tanto se

confirmó que el temple se obtiene para calibres hasta de 22 mm.

La probeta uno del acero SAE 6150, presentó profundidad de temple de 19.05 mm y

la probeta 2 de 17.46 mm, se puede obtener un temple optimo en calibres hasta de

34.92 a 38.10 mm.

4 8 12 16 20 24 28 32 36 4025

30

35

40

45

50

55

60

65

70

Probeta 1Probeta 2

Teorica

Max

Max

Due

za [R

ockw

ell C

]

Distancia [mm]

Acero SAE 6150

4 8 12 16 20 24 28 32 36 4025

30

35

40

45

50

55

60

65

70

TeoricaProbeta 2

Probeta 1

Min

Max

Dur

eza

(Roc

kwel

l C]

Distancia [mm]

Acero SAE 5160

a. Acero SAE 6150 b. Acero SAE 5160

Figura 1. Curvas de templabilidad mediante el ensayo Jominy

3.2 Análisis Metalográfico

Se realizó análisis metalográfico de los aceros SAE 6150 y SAE 5160 en estado de

suministro, se utilizaron cuatro (4) probetas de cada acero para determinar las fases

presentes. Se observaron las fases ferrita y perlita característica de estos aceros, en

las figuras 2a y 2b se muestran las microestructuras de los aceros analizados. Se


7323

4

determinó el tamaño de grano de acuerdo a la norma ASTM-E 452 y para ambos

aceros fue de 8 ASTM.


Figura 2. Micrografías de los aceros analizados en estado de suministro la superficie se atacó con

nital al 2% (20X)

Sobre la superficie de las probetas se midió y se determinó el nivel de la

descarburación. Se observó en la probeta 3 del acero SAE 5160 niveles de

descarburación tipo 3 con profundidad máxima de 0,20 mm; mientras que el acero

SAE 6150 no presentó niveles de descarburación. Se encontró que la dureza

promedio para el acero SAE 5160 fue de 31 mientras para el acero SAE 6150 fue

de 33. Los resultados anteriores se resumen en la tabla 1.

Tabla 1. Resultados de tamaño de grano dureza y descarburación de los aceros en estudio.

SAE 6150 SAE 5160

Descarburación Descarburación

Probeta

Tamaño de grano

ASTM

Dureza HRC Tipo

Tamaño de grano

ASTM

Dureza HRC Tipo Prof.

(mm)

1 8 33 0 8 32 2 0,10

2 8 34 0 8 30 2 0,15

3 8 32 0 7-8 31 3 0,20

4 8 33 0 8 32 3 0,18

2 E45-05 Standard Test Methods for Determining the Inclusion Content of Steel


7324

5

Posteriormente se realizó el proceso de Tratamiento Térmico de bonificado a las

cuatro (4) probetas de acero SAE 5160, utilizando un horno estacionario de cámara;

bajo parámetros establecidos que se consignan en la tabla 2. Tabla 2. Parámetros utilizados en el proceso de tratamiento térmico de temple.

Parámetro Valor

Set Point Horno de tratamiento térmico (°C) 950

Tiempo de permanencia en el horno (min) 40

Temperatura del aceite (°C) 32,6

Tiempo de inmersión (min) 8,90

Temperatura del horno de revenido (°C) 465

Tiempo de proceso de revenido (h) 2 ½

Las probetas se calentaron a temperatura de austenización se mantuvieron durante

13 minutos a esta temperatura; se retiraron del horno e inmediatamente se

sumergieron en aceite Fenso 42 durante 8.90 min., Posteriormente se efectuó el

tratamiento térmico de revenido. Las temperaturas determinadas en las probetas

durante el proceso de tratamiento térmico de temple se resumen en la tabla 3.

Tabla 3. Temperaturas de las probetas SAE 5160 durante el proceso de temple.

Probeta T salida horno (°C)

T entrada aceite (°C)

T después de la inmersión (°C)

1 876 846 88

2 863 833 78

3 882 852 63

4 862 832 84

Se realizó análisis metalográfico a cuatro (4) probetas de acero SAE 5160 tratadas

térmicamente; en la figura 3b se observan las fases presentes. Sobre la superficie

de las muestras se encontró niveles de descarburación. Desde el borde de la

probeta hasta 9 mm de profundidad, la fase predominante fue martensita revenida; a

mayor profundidad hasta 12.5 mm; se observó la presencia de otras fases como

perlita y austerita retenida.


7325

6

El tamaño de grano medido varió desde 7 hasta 8 ASTM. Se determinó que la

dureza promedio en el borde de la probeta fue de 44 Rockwell C y en el centro 41,5

Rockwell C como se detalla en la Tabla 4.

Tabla 4. Resultados de tamaño de grano, dureza y decarburación en el acero SAE 5160 con tratamiento térmico de bonificado.

Probeta

Tamaño de grano ASTM

Decarburación Dureza borde (HRC)

Dureza núcleo (HRC)

1 7 0,15 44 41

2 8 0,21 45 42

3 8 0,12 43 41

4 7-8 0,20 44 42

Martensta revenida


Figura 3. Micrografía de la estructura metalográfica de la superficie de los aceros con tratamiento de bonificado, ( Nital al 2% a 50X)

Para determinar las condiciones optimas de tratamiento térmico de bonificado del

acero SAE 6150 se realizaron ensayos a diferentes temperaturas, basadas en las

especificaciones de los catálogos de los aceros3. Finalmente con las condiciones

encontradas se realizó el tratamiento térmico de bonificado a cuatro (4) probetas de

acero SAE 6150 de 30 mm de espesor. Las probetas se calentaron hasta

temperatura de austenización durante 15 minutos, se retiraron del horno, se

sumergieron en aceite Fenso 42. A continuación se efectuó el tratamiento térmico

de revenido y transformación a la fase martensita revenida. Las temperaturas de las

probetas, que se obtuvieron durante el proceso térmico se encuentran en la Tabla 6,

3 Sidelpa S.A.; [Sitio en Internet]; Disponible en http://www.sidelpa.com/acero_6150.htm; Acceso el 5 de septiembre de 2005.


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7

los parámetros utilizados en el proceso en la Tabla 5 y los resultados de la

metalografía se observan en la figura 3a.

Tabla 5. Parámetros establecidos para el tratamiento térmico del acero SAE 6150

Característica Valor

Set Point Horno de tratamiento térmico 950°C

Tiempo de permanencia en el horno 45 minutos

Temperatura del aceite 32,6°C

Tiempo de inmersión 5 minutos

Temperatura del horno de revenido 455 °C

Tiempo de proceso de revenido 2 ½ horas

Tabla 6. Condiciones de las probetas de acero SAE 6150 durante el proceso de temple

Probeta T salida Horno (°C)

T entrada aceite (°C)

T después de la inmersión (°C)

1 890 860 96

2 870 840 87

3 880 850 86

4 865 835 79

Se realizó análisis metalográfico a las cuatro (4) probetas de acero SAE 6150; la

microestructura encontrada fue la fase martensita revenida y resultados adicionales

se encuentran en las figuras 4a y 4b.

a. Acero SAE 6150 Interior de la probeta. b. Acero SAE 6150 superfice de la probeta.

Figura 4. Micrografías de los aceros a 15 mm del borde de la probeta (Nital al 2% a 50X).


7327

8

El tamaño de grano fue de 8 ASTM. Se midió la dureza Rockwell C de las probetas

en la superficie encontrándose un promedio de 44.5 Rockwell C y en el centro 44.25

Rockwell C. Los resultados de los análisis se registran en la Tabla 7.

Tabla 7. Resultados del tamaño de grano, decarburación y Dureza

Descarburación Probeta

Tamaño de grano

ASTM Tipo Prof. (mm)

Dureza Borde (HRC)

Dureza Núcleo (HRC)

1 8 - 0 45 44

2 8 3 0,09 45 45

3 8 3 0,07 44 44

4 8 - 0 44 44

3.3 Ensayo de tensión

3.3.1.1 Ensayo de tracción en estado de suministro. Se realizó ensayo de

tensión, utilizando la maquina UTS, a tres probetas de cada acero, en estado de

suministro, con la finalidad de comparar las propiedades mecánicas que poseen

estos materiales. Los resultados obtenidos para el Acero SAE 5160 se detallan en la

Tabla 8 y en las curvas de esfuerzo deformación figuras 5a y 5b. Tabla 8. Resultados de ensayos de tracción de los aceros en estado de suministro

Acero SAE 6150 Acero SAE 5160 Característica

1 2 3 Prom. 1 2 3 Prom.

Modulo Elasticidad (GPa) 196 188 229 204 193 202 211 202

Esfuerzo Fluencia (MPa) 600 720 580 636.6 725 522 557 601.3

Esfuerzo Ultimo (MPa) 1005 1050 1007 1020 1117 1030 1008 1051.6


7328

9


Figura 5. Diagrama Esfuerzo – Deformación unitaria para los aceros en estado de suministro.

3.3.1.2 Ensayo de tensión al acero con tratamiento térmico de bonificado. Se realizó el ensayo de tensión a tres probetas de cada acero, con tratamiento

térmico de bonificado, los resultados se detalla en la tabla 9 y en las curvas esfuerzo

deformación de las figuras 6a y 6b. Tabla 9. Resultados de ensayos de tracción de los aceros con tratamiento térmico de bonificado

Acero SAE 6150 Acero SAE 5160 Característica

No. 1 No. 2 No. 3 Prom. No. 1 No. 2 No. 3 Prom.

Modulo elasticidad (GPa) 199 215 219 211 200 218 223 213.6

Esfuerzo Fluencia (MPa) 1200 1110 1200 1170 1130 1130 1200 1153

Esfuerzo ultimo (MPa) 1340 1250 1400 1333.3 1340 1300 1330 1323.3


Figura 6. Diagrama Esfuerzo-Deformación unitaria de los aceros con tratamiento térmico de bonificado


7329

10

3.4 Ensayo Charpy. Se elaboraron tres probetas de cada acero en estado de

suministro y con tratamiento térmico de bonificado para realizarles el ensayo de

Impacto – Charpy, los resultados obtenidos para los aceros SAE 6150 y SAE 5160

en estado de suministro se detallan en la Tabla 10.

Tabla 10. Resultados del ensayo de impacto de los aceros en estado de suministro.

SAE 6150 SAE 5160 Probeta

Resiliencia (Kgm/cm2)

Dureza (HRC)


Dureza (HRC)

1 1.875 32 1.250 30

2 1.500 30 1.250 32

3 1.500 30 1.000 30

Luego se realizó el ensayo Charpy a los aceros SAE 6150 y SAE 5160 con

tratamiento térmico de bonificado y los resultados obtenidos se consignan en la

Tabla 11. Tabla 11. Resultados ensayo de impacto sobre los aceros con tratamiento térmico de bonificado.

Acero SAE 6150 Acero SAE 5160 Probeta


Dureza (HRC)


Dureza (HRC)

1 2,500 44 3,250 43

2 2,750 44 3,375 43

3 3,125 43 3,750 43

En los resultados, obtenidos en los ensayos en el laboratorio; el mayor valor fue 3,75

Kgm/cm2 para el acero SAE 5160 y 3,125 Kgm/cm2 para el acero SAE 6150, estos

resultados son similares para ambos aceros.

4. CONCLUSIONES

1. Se encontraron las fases ferrita y perlita para ambos aceros el SAE 6150 y

5160, en estado de suministro. La dureza mostró aumento entre 1 y 2 HRC en

el acero SAE 6150.


7330

11

2. En el acero SAE 6150 se observó la fase martensita revenida en toda la

sección transversal de las probetas después del tratamiento termico de

bonificado y presentó dureza promedio de 44 Rockwell C.

3. Las curvas de templabilidad mostraron un comportamiento similar, en ambos

aceros, sin embargo en la región entre 12,5 mm hasta 20 mm la dureza se

mantuvo en valores promedio de 57 Rockwell C para el acero SAE 6150;

mientras que este valor para el acero SAE 5160 se mantuvo hasta 12,7 mm,

mostrando que tiene mayor templabilidad el acero 6150 propuesto como

alternativa para la fabricación de resortes con calibres o diámetros mayores a

20 mm.

4. El mejoramiento de las propiedades mecánicas del acero SAE 6150 después

del tratamiento térmico de bonificado para calibres mayores a 20 mm es

notorio para los resortes, ya que su calidad depende del tratamiento térmico

en toda la sección transversal.

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

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Madrid: Dossat, 2000.

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Production Systems, 1994.

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Materials Park, 2004.

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Castillo, 1966.

5. INSTITUTO COLOMBIANO DE NORMAS TECNICAS. Normas Colombianas

para ensayo de tracción para materiales metálicos: método de ensayo a

temperatura ambiente. Tercera Actualización. Santafé de Bogotá D.C.:

ICONTEC, 1995. 32 p.


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12


para ensayo de dureza: Ensayo de Rockwell – Escalas A-B-C-D-E-F-G-H-K.

Primera Actualización. Santafé de Bogotá, D.C.: ICONTEC, 1994. 12 p.


para Ensayo de impacto Charpy: Entalla en V. Primera Actualización. Santafé

de Bogotá, D.C.: ICONTEC, 1996. 15 p.

8. LATJIN, M. Metalografía y Tratamiento Térmico de los Metales. 2 ed. Moscú:

Mir, 1977. 440 p.

9. Sánchez G., Sarmiento M., Castro G.E., Webster Gg. Modelización de

Tensiones Residuales en el Tratamiento Térmico de Aceros de Resortes.

Buenos aires: Dow Chemical Co., Tarrytown.

10. La importancia en la selección de materiales Pereira: Universidad

Tecnológica de Pereira, http://www.utp.edu.co/php/revistas/ScientiaEtTechni

ca/docsFTP/162249 17 5.180.pdf. (Consultado 08 de agosto de 2005).

11. SOCIETY AUTOMOTIVE ENGINEERS. International Standards to Methods of

Determining Hardenability of Steels. First Actualization. Ohio: SAE, 1998. 15

p.

ABSTRACT

In this work are results obtained from the study of steel SAE 6150 mechanical

properties. The results were compared with the steel SAE 5160 mechanical

properties, actually used in the manufacture of springs. The comparison allowed to

analyze the viability to replace steel SAE 5160 by the SAE 6150 in the productive

process. The steel characterization was made by means of mechanical tests like

Jominy, Traction, hardness Rockwell C and Tenacity. The steel microstructure was

analyzed using the images analyzer. The steel were analyzed in two states, hot

rolled and whit heat treatment. The tests results, showed that the steel SAE 6150 has

greater hardenability and hardness higher than steel SAE 5160. The diameter tubes

test until of 40 mm. The values of I modulus of elasticity, yield point, ultimate

strenghth and the tenacity was similar for two steel.


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Documents

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