3 de Octubre de 2012

INFORME N° 7: TRATAMIENTOS TERMIQUIMICOS. CEMENTACION

Oscar Leonardo Sanabria González --- Cód: 2090615Johan Steven Estévez --- Cód: 2090613

Universidad Industrial De Santander, Facultad De Ingenierías FisicoquímicasIngeniería Metalúrgica y Ciencia De Los Materiales

Bucaramanga, Santander, ColombiaI Periodo Académico 2012

1. INTRODUCCION

Muchas partes de maquinaria, necesitan superficies muy duras, resistentes al desgaste y a la penetración con el núcleo central muy tenaz para poder soportar los choques a que está sometida. Los procedimientos para conseguir estas características son la cementación, la cianuración, la carbonitruración, la nitruración, la sulfurización, el temple local, el depósito por soldadura y el cromado duro.La cementación consiste en aumentar el contenido de carbono en la superficie de las piezas de acero de bajo contenido de carbono, rodeándolas de un medio carburante y manteniendo todo el conjunto, durante cierto tiempo a elevada temperatura, luego se templan y revienen las piezas quedando con gran dureza superficial, 60 Rc; se pueden emplear cementantes sólidos, líquidos y gaseosos. La cantidad y distribución del carbono absorbido por las piezas depende de la composición del acero, de la naturaleza del medio carburante, de la temperatura y del tiempo de cementación. Se utilizan diversos medios carburantes como carbón vegetal, huesos calcinados, cuero o coque mezclados con carbonatos de bario, de calcio o de sodio.Una de las mezclas carburantes comprobadas está compuesta por 50% de carbón vegetal, 30% de coque, con tamaño de grano de 3 a 6 mm de diámetro y un 20% de carbonato de bario en polvo.1

2. OBJETIVOS

2.1 Objetivo general

Obtención y medición de una capa superficial de alta dureza y resistencia al desgaste por carburación en medio sólido en probetas de acero de bajo contenido de carbono.

2.2 Objetivos específicos

Observar el efecto de la de la capa cemententada en la microestructura final de la pieza.

Comprender la importancia de este tratamiento superficial, para la aplicación en la industria.

1 Valencia, tecnología del tratamiento térmico de los metales. Ed, Universidad de Antioquia, Medellín, 2009.

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3. MARCO TEORICO2

La cementación es un tratamiento que consiste en aumentar el contenido de carbono en una capa superficial de una pieza de acero, rodeándola con un carburante y calentándola a una temperatura de difusión, modificando su composición y posteriormente sometiéndola a un revenido, dejando la pieza con alta dureza superficial y buena tenacidad en el núcleo.El objetivo de la cementación es evitar la dureza excesiva del temple, dejando un núcleo tenaz y resistente a la fatiga, y así evitar la fragilidad en la pieza, pero sin sacrificar la dureza y resistencia al desgaste de la superficie debido al mayor contenido de carbono. Como se ilustra en la figura 1, la superficie de la pieza adquiere una alta dureza mientras que su núcleo no pierde sus cualidades de tenacidad y resistencia a la fatiga.

Figura: Representación gráfica de un componente cementado

La cementación se aplica a aceros aleados y sin aleación, de bajo carbono, generalmente de 0.08 a 0.25% de C y excepcionalmente se cementan también aceros hasta de 0.4% de C. Consiste en recubrir las partes a cementar de una materia rica en carbono, llamada cementante, y someterla durante varias horas a altas temperatura de 900 °C, aunque puede oscilar entre 850 °C y 1000 °C. C. En estas condiciones es cuando tiene mayor capacidad de disolución el carbono, que irá penetrando en la superficie que recubre a razón de 0,1 a 0,2 milímetros por hora de tratamiento. Una vez absorbido por la capa periférica del acero, comienza el proceso de difusión del carbono hacia el interior de la pieza (el espesor de la capa cementada depende de la temperatura y del tiempo que dure la operación). La pieza así obtenida se le da el tratamiento térmico correspondiente y un posterior revenido, para alivianar las tensiones internas, y así, cada una de las dos zonas de la pieza, adquirirá las cualidades que corresponden a su porcentaje de carbono. En la figura 2 se muestran las condiciones iniciales del acero y sus propiedades después de realizada la cementación.Figura 2. Efectos de la cementación en una pieza de acero con un contenido de carbono menor al 0,25

Dependiendo de los tratamientos térmicos realizados después de adición de carbono, se pueden clasificar los diferentes tipos de cementación que se realizan para adquirir mayor o menor dureza

2 Astrubal Valencia, tecnología del tratamiento térmico de los metales. Ed, Universidad de Antioquia, Medellín, 2009

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TIPOS DE CEMENTACIÓN Existen diferentes tipos de cementación que varían según el estado del cementante y por lo tanto, su forma de realizar también varía. Estos tipos cementación son mediante sólidos, líquidos y gases.

Cementación mediante sólidosPara la cementación en medio sólido, las piezas limpias y libres de óxidos se colocan en la mezcla de cementación, dentro de cajas de chapas de acero soldadas y selladas. Como se muestra en la figura 4 estas cajas son introducidas al horno de cementación, y se mantienen ahí durante varias horas a una temperatura entre 900 ºC y 950 ºC  aproximadamente, hasta obtener la profundidad de la capa de difusión deseada. Como mezcla de cementación se puede utilizar la de 70 % a 80 % de carbón vegetal finalmente pulverizado, con un 20 % a 30 % de alguno de los siguientes carbonatos: carbonato de bario (BaCO3), carbonato de sodio (Na2CO3) o carbonato de potasio (K2CO3) que actúan como catalizador y que contribuyen al desprendimiento del carbono en estado elemental, necesario para la cementación. Para sellar la tapa de la caja de cementación puede utilizarse una masilla hecha con arena de fundición mezclada con silicato de sodio (vidrio soluble).

Figura. Proceso de cementación mediante sólidos

Los equipos utilizados para la cementación sólida son cajas donde se cementa con mezcla cementante que rodea a la pieza en un recipiente cerrado, el cual se calienta a la temperatura adecuada durante el tiempo requerido y luego se enfría con lentitud. Este equipo no se presta para alta producción, siendo sus principales ventajas su economía, eficiencia y la no necesidad de una atmósfera preparada. En realidad, el agente cementante son los gases, que ésta pasta rodea al material que desprende cuando se calienta en el horno.

Cementación mediante líquidos 

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Para la cementación en medio líquido, las piezas se introducen en un baño de sales fundidas a 950 °C aproximadamente, constituidas por una sal base generalmente cloruro o carbonato de sodio, con adición de una sal aportadora de carbono, cianuro de sodio o de potasio y de una sal activante,

cloruro de bario, mezclados en porcentajes adecuados, según los resultados que se deseen obtener. La presencia de nitrógeno en los cianuros provoca también la formación de productos de reacción (nitruros) de elevada dureza pero limitados a una finísima capa exterior. Cementación mediante gasesLa cementación gaseosa necesita de un equipo especial, más complicado y se aplica a la producción en masa de piezas cementadas. Esta cementación tiene ventajas considerables con respecto a la cementación en medio sólido y líquido, el proceso es dos o tres veces más rápido, la tecnología es menos perjudicial para la  salud, y las propiedades del núcleo sin cementar resultan mejores debido al menor crecimiento del grano. El proceso se realiza en hornos especiales (véase figura 5), en cuyo interior se inyecta como gas cementante algún hidrocarburo saturado tales como metano, butano, propano y otros. Al calentar a unos 900 ºC y 1000 ºC aproximadamente, se desprende el carbono elemental que cementa el acero.

4. EQUIPO

Cinco probetas cilíndricas de acero Horno eléctrico: Mufla Equipo para realización de temple Equipo de protección personal Durómetro: Escala Rockwell C. Microscopio metalográfico. Desbastadoras: lijas 80, 120, 180, 240, 320, 400 y 600. Pulidoras: Paño verde y blanco Pulimento sílice β de 15 µm y sílice ƴ de 0,1 – 0,3 µm. Reactivos químicos: Nital. Secadora industrial. Alcohol y algodón. Pinzas

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5. PROCEDIMIENTO

6.7.

6. DATOS

Tipo de acero Long Capa Cementada [μm]

E6 1026,71

F6 1442,826FT 1970,486EB 938,97

6EBT 2075,42

6.1 Tabla 1. Tabla de datos obtenida en la Práctica. Longitud de capa cementada para cada acero

5

Partimos de 5 probetas

Probeta 1. 6E Cementada 5h a 900°C,

polvo

Probeta 2. F6 Calentada a 900°C y enfriada al aire

Probeta 3. 6FT calentada a 900°C, se enfria al aire, calentada

a 780°C y templada

Probeta 4. 6EB Cementada polvo x 6h a1000°C enfriada

lentamente

Probeta 5. 6BT Cementada en agua a

790°C

Observar al microscopio y analizar la microestructura

Estas probetas estaban previamiente cementadas

Por medio del microscopio determinar la longitud de la capa cementada

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7. ANALISIS DE RESULTADOS

a. Análisis metalográfico

7.1 Probeta 1. 6E Cementada 5h a 900°C, polvo. A medida que observamos de la superficie de la probeta hacia el centro, pudimos notar el cambio de estructura que presentaba, siendo la estructura de la superficie mas dura. Para esta probeta analizamos en la superficie un acero hipereutectoide ya que pudimos apreciar una estructura de perlita rodeada por cementita, estimamos un porcentaje de carbono alrededor de 0,85% ya que estos bordes de cementita estaban apenas en formación y la cementita no estaba rodeando plenamente a la perlita. Como observamos en la micrografía b, la cual pertenece al centro de la probeta, apreciamos perlita en una matriz ferritica, microestructura a la cual pertenecen los aceros hipoeutectoides. Long capa= 1026,71μm

3 4

a. b.

7.2. Probeta 2. F6 Calentada a 900°C y enfriada al aire. A medida que observamos de la superficie de la probeta hacia el centro, pudimos notar el cambio de estructura que presentaba, siendo la estructura de la superficie mas dura. Para esta probeta analizamos en la superficie un acero eutectoide ya que pudimos apreciar una estructura de perlita pura, estimamos un porcentaje de Carbono alrededor de 0,8% debido a esta perlita. Como observamos en la micrografía d, la cual pertenece al centro de la probeta, apreciamos perlita en una matriz ferritica, apreciamos una gran cantidad de ferrita, microestructura a la cual pertenecen los aceros hipoeutectoides. Long capa= 1442,82μm

3 a. probeta de 6E. tomada a 50X. para observar la interfaz de la capa cementada4 b. probeta de acero 6E tomada a 500X. centro de la probeta.

6

Ferrita

Capa cementada de acero hipereutectoide (perlita +

cementita)

Perlita

Interfaz

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5 6

c. d.

7.3 Probeta 3. 6FT calentada a 900°C, se enfriada al aire, calentada a 780°C y templada (enfriada en agua). A medida que observamos de la superficie de la probeta hacia el centro, pudimos notar el cambio de estructura que presentaba, siendo la estructura de la superficie más dura. Para esta probeta analizamos en la superficie una estructura martensitica (figura f), característica posterior a un tratamiento térmico de temple. Por su estructura no se puede calcular el tamaño de grano por lo cual es difícil identificar el % de carbono. Como observamos en la micrografía g y h, las cuales pertenecen al centro de la probeta, apreciamos agujas de martensita en una matriz ferritica. Long capa= 1970,48μm

7 8 e f

5 c. probeta de F6. tomada a 50X. para observar la interfaz de la capa cementada6 d. probeta de acero F6 tomada a 500X. centro de la probeta.7 e. probeta de F6T. tomada a 50X. para observar la interfaz de la capa cementada8 f. probeta de acero F6T tomada a 1500X. Capa cementada

7

Perlita en una matriz ferritica

Martensita

Capa cementada de un acero eutectoide

(Perlita)

Interfaz

Capa cementada de Martensita

Interfaz

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9 10

g. h.

7.4 Probeta 4. 6EB Cementada por polvo por 6 horas a1000°C enfriada lentamente. A medida que observamos de la superficie de la probeta hacia el centro, pudimos notar el cambio de estructura que presentaba, siendo la estructura de la superficie más dura. Para esta probeta analizamos en la superficie un acero hipereutectoide ya que pudimos apreciar una estructura de perlita rodeada por cementita, estimamos un porcentaje de carbono alrededor de [0,9-1,0%] ya que estos bordes de cementita (en forma de agujas) estaban apenas en formación y la cementita no estaba rodeando plenamente a la perlita. (figura h). Como observamos en la micrografía k, la cual pertenece al centro de la probeta, apreciamos perlita en una matriz ferritica, microestructura a la cual pertenecen los aceros hipoeutectoides. Long capa= 938,97μm

11 12

i. j.

9 g. probeta de acero F6T tomada a 200X. Centro10 h. probeta de acero F6T tomada a 1500X. Centro11 i. probeta de 6EB. tomada a 50X. para observar la interfaz de la capa cementada12 j. probeta de acero 6EB tomada a 1500X. Capa cementada

8

Cementita

Perlita

Ferrita

Martensita

Capa cementada de acero hipereutectoide (perlita +

cementita)

interfaz

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13

7.5 Probeta 5. 6BT Cementada en agua a 790°C. Podemos apreciar en la capa cementada martensita y granos de cementita fina. Es posible distinguir en el centro de la probeta presencia de una microestructura de granos equiaxiales de ferrita y martensita acicular fina. Long capa= 2075,42

14 15

l. m.

13 k. probeta de acero 6EB tomada a 1500X. Centro14 l. probeta de 6EBT. tomada a 50X. para observar la interfaz de la capa15 m. probeta de acero 6EBT tomada a 1500X. Capa cementada

9

Cementita

Interfaz

Martensita

Capa cementada

Ferrita

Perlita

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16 17

n. o.

b. Análisis de longitud de la capa cementada

7.7 Grafica 1. Longitud de la capa cementada para cada material analizad.

E6 F6 6FT 6EB 6EBT0

500

1000

1500

2000

2500

Material analizado

Long

Cap

a Ce

nten

da [μ

m]

8. CONCLUSIONES

Analizando las diferentes microestructuras obtenidas en el tratamiento térmico de cementación el cual se realizado a cinco probetas con un mismo contenido de acero (con

16 n. probeta de acero 6EBT tomada a 200X. Centro de la probeta17 o. probeta de acero 6EBT tomada a 1500X. Centro de la probeta

10

Martensita

Ferrita

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0.17% de C), se concluyo que existen variables de las cuales depende este tratamiento, como: tiempo y temperatura de sostenimiento de cementación, velocidad de enfriamiento. El tratamiento térmico posterior a la cementación tendrá influencia en el incremento de porcentaje de carbono inducido por cementación y podrá formar un tipo de microestructura dada.

El cambio en el porcentaje de carbono en la interface de la capa cementada, provoca que allí, se refleje un cambio microestructural de un acero hipoeutectoide a uno hipereutectoide (aparentemente), en donde se precipita cementita proeutectoide alrededor de los bordes de perlita fina (esto en la parte más cercana de la interface a la superficie) debido al efecto de un mayor tiempo de temperatura y tiempo de permanencia durante el cementado.

La capa cementada debe ser homogénea alrededor de toda la probeta con el fin de proporcionar la resistencia requerida en toda la superficie de la pieza trabajada. Esto depende en esencia de cómo era acomodada la pieza dentro del horno, principalmente.

El tratamiento térmico posterior al cementado reacondiciona la microestructura inicial, según sea la aplicación posterior. Así, generalmente se busca templar desde temperatura Ac1 y Ac3 para obtener martensita y ferrita en el centro de la probeta y solo martensita al exterior. Esto con el fin de darle buena resistencia al desgaste.18

Este tratamiento consiste en suministrar carbono a la superficie del acero para que se difunda al interior de la pieza. Su principal ventaja se presenta al utilizar aceros de bajo carbono que al tener un núcleo blando y superficie dura puede convertirse en una herramienta tenaz, esto obedece al alto contenido de carbono, pero se logra mediante el temple.

La cementación es un tratamiento termoquímico que se realiza al acero de bajo carbono (menos del 0.25%) que no está templado con el objetivo de enriquecer en carbono (mas del 0.8 %) la capa superficial

9. REFERENCIAS

Valencia, tecnología del tratamiento térmico de los metales. Ed, Universidad de Antioquia, Medellín, 2009.

D. Askeland, Ciencia e Ingeniería de los Materiales, México, Internacional Thomson Editores, 1999.

CALLISTER JR, WILLIAM D.”INTRODUCCION A LA CIENCIA E INGENIERIA DE LOS MATERIALES “. Editorial Reverté S.A. Volumen 2. Barcelona, España. Junio 2007.

APRAIZ BARREIRO, JOSÉ. “TRATAMIENTOS TERMICOS DE LOS ACEROS”. Editorial Dossat 2000. Volumen 10. Madrid, España.1953.

http://webpagues.ull.es/users/mhdezm/Transparencias/TRATAMIENTOS-TERMICOS.pdf.

18 D. Askeland, Ciencia e Ingeniería de los Materiales, México, Internacional Thomson Editores, 1999.

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Apuntes de clase de Tratamientos térmicas de la profesora Sandra Garcia.

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