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MEJORAMIENTO DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE DE UN HIERRO

BLANCO DE ALTO CROMO MEDIANTE UN TRATAMIENTO TÉRMICO

OMAR FERNANDO BRAGA GÓMEZ

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

BOGOTÁ, ENERO DE 2007

2

MEJORAMIENTO DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE DE UN HIERRO

BLANCO DE ALTO CROMO MEDIANTE UN TRATAMIENTO TÉRMICO

OMAR FERNANDO BRAGA GÓMEZ

Proyecto de grado para optar al título de Ingeniero Mecánico

WILSON HORMAZA, Dr. Ing.

Profesor Asesor

LUIS MIGUEL MÉNDEZ, Ms. Ing.

Co-Asesor

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

FACULTAD DE INGENIERÍA

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA

BOGOTÁ, ENERO DE 2007

3

DEDICATORIA

A mis padres que con su dedicación y apoyo contribuyeron a darle feliz término a

mi carrera profesional.

4

AGRADECIMIENTOS

El autor expresa sus más sinceros agradecimientos a las personas que con sus

aportes contribuyeron a la realización exitosa de este trabajo de grado.

• Wilson Hormaza, Ph.D, Profesor asistente, Departamento de Ingeniería

Mecánica, Universidad de los Andes.

• Luis miguel Méndez, Ms Ing., Profesor Asistente, Departamento de Ingeniería

Mecánica y Mecatrónica, Universidad Nacional.

• Iván Morales, Ing. Mecánico, universidad de los Andes.

• Mauricio Sierra, Ing. Mecánico, Profesor y estudiante de Maestría, Unidad de

Materiales y Procesos, Laboratorio de Fundición, Universidad de Nacional.

5

TABLA DE CONTENIDO 1. INTRODUCCION ............................................................................................................. 10

2. OBJETIVOS..................................................................................................................... 12

2.1 OBJETIVO GENERAL.................................................................................................. 12

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS......................................................................................... 12

3. MARCO TEÓRICO........................................................................................................... 13

3.1 HIERRO BLANCO DE ALTO CROMO........................................................................... 13

3.2 MICROESTRUCTURAS............................................................................................... 15

3.2.1 Morfologías de la matriz.......................................................................................... 15 3.2.1.1 Morfología austenítica......................................................................................... 15 3.2.1.2 Morfología ferrítica............................................................................................. 17 3.2.1.3 Morfología martensítica....................................................................................... 18 3.2 Morfología de los carburos........................................................................................ 19

3.3 TRATAMIENTOS TERMICOS....................................................................................... 21

3.4 CURVA DE TRANSFORMACIÓN-TIEMPO-TEMPERATURA (TTT)................................ 22

3.5 MEDIOS DE ENFRIAMIENTO...................................................................................... 23

3.6 RESULTADOS OBTENIDOS POR EL ESTUDIANTE IVÁN MORALES........................... 24

4. METODOLOGÍA............................................................................................................... 25

4.1 OBTENCIÓN DE LAS PROBETAS................................................................................ 25

4.2 FUNDICIÓN EN MOLDE PERMANENTE DE GRAFITO................................................. 27

4.3 FUNDICIÓN EN MOLDE DE ARENA............................................................................ 27

4.5 MICROSCOPIA ÓPTICA.............................................................................................. 28

4.6 MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO............................................................. 28

4.6 ENSAYO DE DUREZA................................................................................................. 29

4.7 ENSAYO DE DESGASTE............................................................................................. 30

4.4 DISEÑO DE LOS TRATAMIENTOS TERMICOS............................................................ 31

5. RESULTADOS OBTENIDOS............................................................................................ 32

5.1 ANÁLISIS METALOGRÁFICO...................................................................................... 32

5.1.1 Introducción........................................................................................................... 32 5.1.2 Micrografías del material antes de los tratamientos térmicos. ..................................... 33 5.1.2.1 Micrografías antes del tratamiento térmico. Probetas fundidas en molde de grafito. 34 5.1.2.2 Micrografías antes del tratamiento térmico. Probetas fundidas en molde de arena.. 34 5.1.3 Micrografías del material después de realizados los tratamientos térmicos. ............... 35 5.1.3.1 Micrografías del tratamiento térmico 1.................................................................. 35 5.1.3.2 Micrografías del tratamiento térmico 2.................................................................. 37 5.1.3.3 Micrografías del tratamiento térmico 3.................................................................. 39

6

5.1.3.5 Micrografías del tratamiento térmico 5.................................................................. 43 5.1.3.6 Micrografías del tratamiento térmico 6.................................................................. 44

5.2 RESULTADOS DEL ENSAYO DE DUREZA.................................................................. 46

5.3 RESULTADOS DEL ENSAYO DE DESGASTE.............................................................. 46

5.3.1 Resultados del ensayo de desgaste del tratamiento térmico 1.................................. 49 5.3.2 Resultados del ensayo de desgaste del tratamiento térmico 2.................................. 49 5.3.3 Resultados del ensayo de desgaste del tratamiento térmico 3.................................. 49 5.3.4 Resultados del ensayo de desgaste del tratamiento térmico 4................................... 50 5.3.5 Resultados del ensayo de desgaste del tratamiento térmico 5................................... 50 5.3.6 Resultados del ensayo de desgaste del tratamiento térmico 6.................................. 50

6. ANÁLISIS Y DISCUCIÓN DE RESULTADOS.................................................................... 51 7. CONCLUSIONES............................................................................................................. 54

8. REFERENCIA BIBLIOGRAFICA....................................................................................... 56

7

LISTA DE FIGURAS

Fig. 1.1. Bolas de hierro de alto cromo, 20% Cr, 2% Mo, 1% Cu, usadas en

un pulverizador, las cuales fueron tratadas térmicamente para optimizar su

dureza.................................................................................................................................10

Fig. 3.1. Morfología de la austenita en un hierro blanco de alto cromo. ................16

Fig. 3.2. Morfología de la ferrita en un acero de bajo carbono................................17 Fig. 3.3. Morfologías de la martensita…….…………………………………………………18

Fig. 3.4. Curva Transformación-Tiempo-Temperatura para Fe - 2.87 %C -

25.5 %Cr - 1.22 %Mo. ………………………………………..…..…………………………….23

Fig. 4.1. Fundición y rectificado de las probetas…………….……………….……..…26

Fig. 4.2. Máquina para ensayos de desgaste, Universidad de los Andes. …….……….…31 Fig. 5.1. Corte de la muestra para análisis metalográfico y muestra

embebida en el material polimérico….…………………………………………………….…33

Fig. 5.2 y 5.3. Micrografias probeta colada en molde de grafito sin ataque..........34

Fig. 5.4 y 5.5. Micrografias probeta colada en molde de arena sin ataque..........34

Fig. 5.6, 5.7, 5.8 y 5.9. Micrografia optica tratamiento térmico 1 (100X,

200X, 500X, 1000X) .........................................................................................................35

Fig. 5.10, 5.11, 5.12 y 5.13. Microscopía electrónica tratamiento térmico 1

(800X, 2500X, 5000X, 8000X)........................................................................................36


200X, 500X, 1000X) .........................................................................................................37


(800X, 2500X, 5000X, 8000X)........................................................................................38


200X, 500X, 1000X) .........................................................................................................39


(200X, 4000X, 8000X, 16000X) .....................................................................................40

8


200X, 500X, 1000X) .........................................................................................................41


(200X, 800X, 5000X, 8000X)..........................................................................................42


200X, 500X, 1000X) .......................................................¡Error! Marcador no definido.


200X, 500X, 1000X) .........................................................................................................44


(200X, 800X, 5000X, 8000X)..........................................................................................45

Fig. 50. Indentaciónes tomadas en sobre la probeta P1-A.....................................46

Fig. 51. Huellas producidas sobre las probetas después del ensayo de

desgaste.............................................................................................................................48

Fig. 52. Agrietamiento sufrido por la probeta P2-C del tratamiento térmico 2.....48

9

LISTA DE TABLAS

Tabla 3.1. Morfologías de los carburos.........................................................................14

Tabla 3.2. Morfologías de los carburos ……………..….………………………..….20

Tabla 3.3. Resultados del ensayo de desgaste de las probetas coladas

en molde de grafito…..….………………………………..……………..…………..….24

Tabla 3.4. Resultados del ensayo de desgaste de las probetas coladas

en molde de arena…..….………………………………..……………..…….……..….25

Tabla 4.1. Composición química deseada (fundición 3)……………..…………..….25

Tabla 4.2. Composición química de las probetas)……………....………..……..….26

Tabla 4.3. Diferencia porcentual entre la composición química de la aleación

deseada y la composición química de las probetas)…………………….…..…..….27

Tabla 4.4. Características del ensayo de Dureza Brinell)……….…………...….….29

Tabla 4.5. Procedimiento B norma ASTM G 65-04……………...……………….….30

Tabla 4.6. Tamaño para tamices (U.S) del ensayo de arena AFS 50/70

(especificación E11) ……………...……………………………………………...….….30

Tabla 4.7. Tratamientos térmicos. Temperatura y tiempo de

austenitización, y medio de enfriamiento. …………………….……….…….……….31

Tabla 5.1. Denominación de microestructuras…………………….……..…….…….33

Tabla 5.2. Resultados ensayo de dureza Brinell…………………..….………..…….46

Tabla 5.3. Resumen de los resultados del ensayo de desgaste………...…..…….47

Tabla 5.4. Resultado del ensayo de desgaste del tratamiento térmico 1………...50






10

INTRODUCCION

Este trabajo pretende evidenciar el comportamiento al desgaste de un hierro

blanco de alto cromo sometido a diferentes tratamientos térmicos.

Los materiales con una buena resistencia al desgaste son muy utilizados en la

industria minera, cementera y en industrias que durante su proceso productivo

manejan elementos abrasivos. Por tal razón, es fundamental que los materiales de

las partes mecánicas de la maquinaria que están sometidos a este tipo de trabajo,

tengan una buena resistencia al desgaste. Mejorando esta propiedad, se le da a la

industria la posibilidad de desarrollar procesos más productivos, dado que la vida

útil de la maquinaria es mayor.

Fig. 1.1. Bolas de hierro de alto cromo, 20% Cr, 2% Mo, 1% Cu, usadas en un

pulverizador, las cuales fueron tratadas térmicamente para optimizar su dureza.1

El hierro blanco de alto cromo fue descubierto por el ingeniero metalúrgico

Frederick Becket, en los laboratorios de investigación Cataratas del Niágara de la

1 Tomada de: Iron Casting Engineering Handbook, Technical editor George M. Goodrich, AFS, (2004).

11

compañía Electro Metalúrgica, alrededor de 19151. A partir de ese momento se ha

venido mejorando la producción de este material debido a los desarrollos

tecnológicos en la industria de la fundición. Actualmente, este material cuenta con

grandes perspectivas de crecimiento en diferentes aplicaciones de la industria.

De acuerdo a los requerimientos de la industria, se pueden modificar las

propiedades de un material mediante un tratamiento térmico. En el caso del hierro

blanco de alto cromo, su resistencia al desgaste puede variar dependiendo del

tratamiento térmico que se haya diseñado. Por lo general, al aumentar la dureza

de un material este se vuelve más frágil. Si aumentamos la ductilidad, es menos

resistente. En algunos casos, se requiere maximizar la resistencia al desgaste,

como en las bombas que manejan fluidos abrasivos. Por otro lado, el material

requiere de cierta tenacidad en trabajos donde es sometido a cargas repetitivas,

como los molinos de la industria cementera.

Al tener el hierro blanco una buena resistencia al desgaste y una buena

tenacidad, este es un material adecuado para trabajos abrasivos con ventajas

sobre otros materiales usados, como los hierros Ni-Hard. Por esta razón, en la

academia y la industria, ha venido tomando fuerza la investigación y el uso del

hierro blanco.

En Colombia es casi nula la investigación que se ha desarrollado sobre hierro

blanco. Se encontró en el catalogo virtual de la Universidad de Antioquia,

referenciada la tesis Tratamiento subcrítico de una fundición blanca con alto

contenido de cromo, realizada por Mónica Isabel Vélez Franco (1998). Dadas las

1 Laird, G., Gundlach, R., Röhrig, K., Abrasion-Resistant Cast Iron Handbook, AFS transaction, (2000).

12

grandes perspectivas de este material, es importante darle un mayor impulso a su

investigación y uso.

2. OBJETIVOS

2.1 OBJETIVO GENERAL

El hierro blanco de alto cromo es un material cuya propiedad mecánica más

sobresaliente es su resistencia al desgaste. El objetivo general de este proyecto

de grado es mejorar dicha propiedad mecánica mediante un tratamiento térmico

diseñado para una aleación desarrollada por el estudiante Iván Morales en su

proyecto de grado, realizado el primer semestre de 2007, el cual consistió en la

elaboración de una nueva aleación de hierro blanco de alto cromo.

2.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

• Realizar la fundición y colada del material en diferentes tipos de moldes para

la obtención de probetas.

• Diseñar y realizar los tratamientos térmicos para mejorar la resistencia al

desgaste de las probetas.

• Caracterización del material después de los tratamientos térmicos mediante

análisis de composición química, análisis metalográfico y ensayo de dureza.

• Realizar el ensayo de desgaste a las probetas para evaluar el resultado de los

tratamientos térmicos, según la norma ASTM G 65-04.

13

3. MARCO TEÓRICO

3.1 HIERRO BLANCO DE ALTO CROMO

Se tiene noticia del uso de hierro blanco desde la antigüedad. De acuerdo a

excavaciones arqueológicas realizadas, en china fue usado en agricultura (400

a.C)1. Sin embargo, estuvo mucho tiempo sin tener presencia en el mercado de

materiales, hasta que, en un descubrimiento por accidente, el manufacturero de

herramientas de agricultura Robert Ransome, dejo caer cierta cantidad de material

de una fundición sobre el piso frio. Al limpiar, se dio cuenta de que este material

era blanco. Tras cierta experimentación, descubrió que este era más duro que el

hierro gris1.

Posteriormente se desarrolla el hierro blanco de baja aleación y luego el hierro

blanco de alta aleación. Debido a la gran cantidad de variantes que se pueden

obtener de hierros blancos, es importante controlar adecuadamente la

composición, el proceso de fundición, diseño del molde, el medio de enfriamiento

(aire, flujo de are, aceite, agua y salmuera), la tasa de enfriamiento y el tratamiento

térmico, para obtener las propiedades deseadas.

Las propiedades dependen de la morfología y microestructuras del material. En el

caso del hierro blanco, la microestructura está conformada por una variedad de

fases en la matriz: ferrítica, perlítica, bainítica, austenítica, martensítica o una

combinación de las anteriores; así como de carburos embebidos en dicha matriz.

“Sus propiedades mecánicas y de desgaste son derivadas de una microestructura

14

controlada de la matriz y al mismo tiempo, una fina distribución de carburos

M7C3”.1

Para tener una organización y un panorama general de los hierros blancos de alto

cromo, estos se pueden clasificar de acuerdo al porcentaje de cromo en la

aleación, como lo hace la American Society for Testing and Materials (ASTM);

clasificación que se puede apreciar en la Tabla 3.1.

Tabla 3.1. Clasif icación ASTM A 532 para hierros blancos2

Elementos de

aleación % C %Cr %Mo %Mn %Si %Ni

Dureza

Brinell,HB

Alto-Cr ASTM

A532-llA 2.4-2.8 12 0.5-1.0 0.5-1.5 1.0 máx. 0.5 máx. 400-700

Alto-Cr ASTM

A532-llB 2.4-2.8 15 1.0-3.0 0.5-1.5 1.0 máx. 0.5 máx. 400-701

Alto-Cr ASTM

A532-llC 2.8-3.6 15 2.3-3.5 0.5-1.5 1.0 máx. 0.5 máx. 400-702

Alto-Cr ASTM

A532-llD 2.0-2.6 20 1.5 máx. 0.5-1.5 1.0 máx. 1.5 máx. 400-703

Alto-Cr ASTM

A532-llE 2.6-3.2 20 1.0-2.0 0.5-1.5 1.0 máx. 1.5 máx. 400-704

Alto-Cr ASTM

A532-lllA 2.3-3.0 25 1.5 máx. 0.5-1.5 1.0 máx. 1.5 máx. 400-705

1 Laird, G., Gundlach, R., Röhrig, K., Abrasion-Resistant Cast Iron Handbook, AFS transaction, (2000). 2 Tomado de: Laird, G., Gundlach, R., Röhrig, K., Abrasion-Resistant Cast Iron Handbook, AFS transaction, (2000).

15

3.2 MICROESTRUCTURAS

La microestructura del hierro blanco consiste en una matriz metálica con carburos

(material cerámico resultante de la unión de Hierro, Cromo, molibdeno y otros

más, con el carbono) embebidos en ella. La matriz metálica puede tomar alguna

de las siguientes fases: austenítica, ferrítica, martensítica, perlítica (organización

laminar de microconstituyentes: ferrita y cementita (carburos Fe3C)), o por lo

general, una mezcla de estas.

3.2.1 Morfologías de la matriz

3.2.1.1 Morfología austenítica

Es la primera fase que se obtiene durante el enfriamiento en el proceso de

fundición. Las dendritas se forman y solidifican de acuerdo al gradiente de

temperatura presente en el molde, es decir, menor temperatura en la superficie y

mayor temperatura en el centro del molde.1

Después de la solidificación, la austenita forma una estructura cristalina del tipo

cúbica de cara centrada (Face-Centered Cubic, FCC). En los espacios

intersticiales octaédricos se acomodan los átomos del carbono y nitrógeno,

adecuados, ya que su tamaño es cercano al tamaño del espacio intersticial. En el

espacio intersticial se puede acomodar átomos de tamaños aproximados a 0.52

angstroms (Å). Como el átomo de carbono tiene un radio de 0.77 Å, puede

introducirse en los espacios intersticiales con cierta solubilidad, dependiendo de la

temperatura y de elementos de aleación como el cromo (Cr), manganeso (Mn),

1 Tomado y modificado de: Laird, G., Gundlach, R., Röhrig, K., Abrasion-Resistant Cast Iron Handbook, AFS transaction, (2000).

16

níquel (Ni), y molibdeno (Mo). De acuerdo a lo anterior, el contenido de carbono

puede variar desde un máximo de 2.11 % hasta un mínimo de 0.3% (en peso).

Fig. 2.1. Morfología de la austenita en un hierro blanco de alto cromo.1

Debido al alto porcentaje de elementos de aleación presentes en los hierros

blancos de alto cromo (altos contenidos de carbono, Ni, Mn y Cr), la austenita se

hace más estable, y durante el proceso de enfriamiento se puede presentar en el

material sólido, cierta cantidad de austenita retenida o metaestable, que no se ha

transformado en martensita.

La dureza de la austenita retenida varía dependiendo de los elementos de

aleación, principalmente del carbono. En aceros de baja aleación puede alcanzar

durezas del orden de 250 a 350 DPH (Diamond-Pyramidal Hardness, llamada

también dureza Vickers) y en altas aleaciones (alto contenido de carbono, cromo)

del orden de 300 a 600 DPH.

La austenita en los hierros de baja aleación (ejemplo: ASTM A532-lD, hierro

Ni-Hard) es fácilmente atacada por ácidos, como el ácido nítrico (HNO3 , oxidante)

y el ácido clorhídrico (HCL, reductor). Lo contrario sucede con la austenita en

1 Tomado y modificado de: American Society for Metals, ASM Metals Handbook, Vol. 9, 9 Ed., Metallography and Microstructure, ASM International, (1985).

Matriz austenítica

17

hierros blancos de alta aleación (ejemplo: ASTM A532-lllA), que es resistente a

ácidos como los anteriormente mencionados.

3.2.1.2 Morfología ferrítica.

La estructura cristalina de la ferrita es del tipo cúbica de cuerpo centrado (Body-

Centered Cubic, BCC). La solubilidad del carbono en la ferrita depende de la

temperatura. En el sistema hierro-carbono, la solubilidad del carbono en la ferrita

tiene un máximo de 1.8% (en peso), a 1496 ºC; mientras que a temperatura

ambiente está alrededor de 0.00005% (en peso). La razón de esta baja solubilidad

a temperatura ambiente, se debe al poco espacio intersticial que tiene la celda

cristalina para que átomos como el carbono ó de tamaño similar se introduzcan

allí. Este es aproximadamente 1/3 del espacio de la estructura FCC.

Fig. 3.2. Morfología de la ferrita en un acero de bajo carbono. (0.013%C en peso).1

Dado que el cromo tiene una estructura FCC, este desplaza y substituye átomos

de hierro dentro de la celda cristalina, ampliando las fronteras de la ferrita dándole

mayor estabilidad y promoviendo su formación.


Ferrita

18

La ferrita es una fase suave. Aunque puede ser mejorada por la adición de cromo.

Su dureza varía entre 215 y 270 DPH.

La ferrita con porcentajes de cromo superiores a 11%, se comporta químicamente

de manera similar a la austenita, es decir, es resistente a la corrosión.

3.2.1.3 Morfología martensítica.

Siendo la matriz austenítica, puede obtenerse martensita a partir de esta, con la

adecuada tasa de enfriamiento. Al darse esta transformación, la estructura

cristalina sufre un cambio en su organización, pasa de una estructura FCC a una

tetragonal de cuerpo centrado (body-centered tetragonal, BCT). La característica

más importante es que este es un proceso no difusivo, ya que, debido al

enfriamiento demasiado rápido, los átomos de carbono no tienen el tiempo

suficiente para desplazarse por la estructura cristalina del material, lo que genera

una nueva estructura distorsionada BCT.

Fig. 3.3. Morfologías de la martensita: placas (lath) y agujas (plate), en un acero de medio

carbono (0.57 %C en peso).1


(Agujas)

( Placas)

19

Durante la transformación de una estructura FCC a una BCT, el carbono presente

distorsiona la estructura original. Entre mayor sea el contenido de carbono mayor

es la distorsión de la red cristalina. Igualmente, se presenta un cambio

volumétrico, de más o menos 4.3%; sin embargo, este disminuye con el aumento

del contenido de carbono. La comprensión de esta expansión volumétrica es de

gran importancia ya que está relacionada con los problemas de agrietamiento que

se pueden presentar durante el enfriamiento.1

Por lo general, un material que tiene durezas elevadas tiene una mejor resistencia

al desgaste. A causa de la distorsión generada en la estructura cristalina durante

la transformación martensítica, la dureza se ve incrementa considerablemente, y

por lo tanto, la resistencia al desgaste de esta morfología. A mayor contenido de

carbono, mayor es la distorsión de la estructura cristalina y por lo tanto, la dureza

de la martensita.

La morfología martensítica se puede describir típicamente como placas o agujas.

Como regla general, los hierros blancos de alto cromo tienden a formar martensita

del tipo placas.

La martensita es un microestructura que es débil al ataque de ácidos, como el

ácido nítrico (HNO3).

3.2 Morfología de los carburos

En la Tabla 2 se presentan las características más importantes los carburos

presentes en los hierros blancos.

1 Laird, G., Gundlach, R., Röhrig, K., Abrasion-Resistant Cast Iron Handbook, AFS transaction, (2000).

20

Tabla 3.2. Morfologías de los carburos

Tipo de Carburo

Mayores elementos de aleación (%peso) % C Estructura

Cristalina Morfología Dureza (HV)

M3C

Mayoría Fe. Tiene una gran solubilidad de Mn. Cr puede ser disuelto en los carburos M3C con porcentajes mayores a 17% Cr. Mo, V y otros átomos metálicos tienen poca solubilidad.

6.7-6.9 Ortorrómbica Placas (plate)

800-1100

M7C3

Mayoritariamente Cr, el porcentaje de Cr debe estar entre 24 y 50 %. Puede contener porcentajes (<7%) y de V (<30). Mn tiene igual solubilidad que en los carburos M3C.

8.6-8.9 FCC

compleja (tipo D84)

Barra y espadas

(rod y blade)

1000-1800

M23 C6

Mayoritariamente Cr, valores mínimos de 60%. Con los otros elementos se asume un comportamiento similar a M7C3 y M3C. W<10%, Mo< 1o%, V<10%

5.3-5.7 ortorrómbica Barra (rod) 1000

Mo2 C

En hierros con gran porcentaje de Mo, este carburo aparece en las fronteras de grano de la austenita. La presencia de otros elementos en este carburo no ha sido reportada. Se asume un carburo puro.

5.9 FCC

compleja (tipo B1)

Espadas (blade)

1500-1800

21

MC(VC)

El carburo de vanadio es uno de los menos entendidos. Es eutéctico y aparece en con aleaciones mayores a 4,5%. En cantidades menores, se reparte entre la familia de carburos MxCy y la matriz.

17-20 FCC

compleja (tipo B1)

Barra (rod) 2000-3000

NbC

Carburo de niobio tiene poca solubilidad de otros elementos en su estructura cristalina

11 FCC

compleja (tipo B1)

Coral o pétalo

(coral or petal)

2000-2500

TiC Es un carburo puro y no se mezcla con otros elementos

20 FCC

compleja (tipo B1)

Trozo de bloque (blocky chunks)

2000-3100

3.3 TRATAMIENTOS TERMICOS

Para mejorar la resistencia al desgaste de las probetas, la microestructura que se

desea obtener está constituida por carburos primarios, carburos secundarios finos

y una matriz martensítica.

El tratamiento térmico es un proceso importante para mejorar propiedades

deseadas en los materiales. En el caso del hierro blanco de alto cromo, los

tratamientos térmicos buscan mejorar su resistencia al desgaste, manipulando la

microestructura, mediante cambios bruscos en la temperatura. Gracias a la

cantidad de elementos de aleación, este es un material con una elevada

templabilidad, es decir, tiene la facilidad de formar martensita durante su

enfriamiento. Sin embargo, se debe tener en cuenta que dependiendo de la tasa

de enfriamiento puede quedar cierta cantidad de austenita retenida, fase no

22

deseada en cantidades superiores al 20 %; porcentaje por encima del cual, afecta

negativamente las propiedades mecánicas del material.

Un tratamiento térmico típico de un hierro blanco, consiste en elevar la

temperatura del material, 950-1010 ºC para hierros blancos clase ll (12-20% Cr.) y

1010-1090 ºC para hierros blancos clase lll (23-28%Cr.)1. Mantener esa

temperatura por el tiempo necesario para desestabilizar la austenita (depende de

la temperatura), para luego someterlo a un temple o enfriamiento rápido. Si es

necesario, el material puede someterse a un tratamiento adicional después del

enfriamiento, para aliviar esfuerzos producidos por el cambio brusco en la

estructura cristalina (darle mayor tenacidad) o precipitar fases de interés.

3.4 CURVA DE TRANSFORMACIÓN-TIEMPO-TEMPERATURA (TTT)

La curva de transformación-tiempo-temperatura (TTT) es una herramienta

importante dentro de los tratamientos térmicos. Es una gráfica (obtenida

experimentalmente), en la cual se relaciona la temperatura, el tiempo y la

microestructura que se obtiene, dependiendo de la relación entre las dos primeras

variables, es decir la tasa de enfriamiento.

Gracias a la curva de transformación-tiempo-temperatura, podemos apreciar el

tipo de microestructura que se espera obtener, después del tratamiento térmico al

que ha sido sometido el material.

La tasa de enfriamiento depende del medio de enfriamiento en el cual se haga el

temple del material. Para el caso de los tres medios de enfriamiento (salmuera,

flujo de aire y aire) ilustrados en la figura 3.4, la microestructura esperada es 1 Laird, G., Gundlach, R., Röhrig, K., Abrasion-Resistant Cast Iron Handbook, AFS transaction, (2000).

23

carburos primarios o eutécticos, carburos secundarios, Martensita y posiblemente

austenita retenida.

Fig. 3.4. Curva Transformación-Tiempo-Temperatura para Fe - 2.87 %C - 25.5 %Cr -

1.22 %Mo. 1

3.5 MEDIOS DE ENFRIAMIENTO

Los medios de enfriamiento son una parte importante dentro de los tratamientos

térmicos, pues cumplen una labor fundamental al absorber el calor de la pieza que

será templada.

La selección del medio de enfriamiento depende de la templabilidad de la

aleación, el espesor de la sección, la forma de la pieza y la tasa de enfriamiento

necesaria para obtener la microestructura deseada. Los medios de enfriamiento

pueden ser gaseosos o líquidos. Los medios gaseosos suelen ser gases inertes

1 Tomada y modificada de: Atlas of time-temperature diagrams for Irons and Steels, edited by George F. Vander Voort, ASM International, (1991).

Salmuera

Flujo de aire

Aire

24

como: helio, argón o nitrógeno. Los medios líquidos más comunes son: aceite con

aditivos, agua, solución acuosa polimérica y agua con sal (salmuera).1

En la Fig. 3.4 se observan líneas que representan diferentes medios de

enfriamiento. El medio más severo es la salmuera, con tasas de enfriamiento

aproximadas de 45 ºC/s; en el flujo de aire la tasa de enfriamiento es de

aproximadamente 0.16 ºC/s y en el aire sin flujo la tasa de enfriamiento es mucho

menor.

3.6 RESULTADOS OBTENIDOS POR EL ESTUDIANTE IVÁN MORALES

A continuación se presentan los resultados del ensayo de desgaste y dureza

obtenidos por el estudiante Iván Morales en su trabaja de grado, en probetas

fundidas sin tratamiento térmico.

Tabla 3.3. Resultados del ensayo de desgaste de las probetas coladas en molde

de grafito

Probeta (colada en molde grafito) 3A1 3A2 3A3 3A4

Promedio Desviación estándar

Densidad (gr/cm3) 7,4 7,4 7,4 7,4

Masa inicial (gr) 114,5213 200,1497 193,4449 174,7582 Masa final (gr) 114,4225 200,0109 193,3054 174,6422

Masa perdida (gr) 0,0988 0,1388 0,1395 0,1160 0,1233 0,0196 Volumen perdido

(mm3) 13,3514 18,7568 18,8514 15,6757 16,6588 2,6530

Dureza (HB) 556 516 529 496 524 25

1 Tomado de: American Society for Metals, ASM Metals Handbook, Vol. 4, 10 Ed., Heat Treating, ASM international, (1991).

25

Tabla 3.4. Resultados del ensayo de desgaste de las probetas coladas en molde

de arena

Probeta (colada en molde arena) 3G1 3G2 3G3 3G4


Densidad (gr/cm3) 7,4 7,4 7,4 7,4 Masa inicial (gr) 153,1239 152,3237 151,8256 152,9358 Masa final (gr) 152,5797 151,6616 151,4403 152,3826

Masa perdida (gr) 0,5442 0,6621 0,3853 0,5532 0,5362 0,1140 Volumen perdido

(mm3) 73,5405 89,4730 52,0676 74,7568 72,4595 15,4028

Dureza (HB) 628 643 619 616 627 12

4. METODOLOGÍA

4.1 OBTENCIÓN DE LAS PROBETAS

En la tesis del estudiante Iván morales: Evaluación y Caracterización de la

Respuesta a Desgaste de dos Aleaciones de Hierro Fundido Blanco, (2007), ya se

hizo el desarrollo teórico y práctico necesario para obtener las probetas con la

composición deseada. Se seleccionó la fundición 3 como material para los

tratamientos térmicos, cuya composición se especifica en la tabla 4.1. Según la

clasificación de la ASTM, es un hierro blanco de alto cromo clase IIIA (tabla 1).

Tabla 4.1. Composición química deseada (% en peso) (fundición 3)

%Fe %C %Mn %Si %Ni %Cr %Mo %Cu %P %S 64,9 2,32 1,36 1,24 1,05 25,95 2,08 1,06 0,02 0,02

Para obtener las probetas, se siguió el mismo procedimiento desarrollado en la

tesis mencionada, el cual se resume a continuación: con el balance de cargas

26

terminado, se procedió a realizar la fundición del material en el horno de inducción

eléctrica (Indutherm), ubicado en el laboratorio de fundición de la Universidad

Nacional, con capacidad para 6 kilos aproximadamente. Se inicia la carga del

horno con el acero AISI 1020; separadamente se adicionan los demás elementos

de la aleación, ferroaleaciones y cobre, en el siguiente orden: 1. Ferromolibdeno.

2. Ferroníquel. 3. cobre. 4. Ferrocromo. 5. Ferromanganeso. Por último, se hace

la colada del material fundido en el molde de grafito y en los moldes de arena,

previamente elaborados.

a. probetas fundida en molde de grafito b. Caras rectificadas

Fig. 4.1. Fundición y rectificado de las probetas.

En total se obtuvieron 18 probetas, 12 probetas coladas en molde de grafito y 6

probetas coladas en moldes de arena.

Tabla 4.2. Composición química de las probetas (% en peso) %Fe %C %Mn %Si %Ni %Cr %Mo %Cu %P %S %w % V 60,36 1,69 0,38 1,36 1,04 23,41 1,79 0,8 0,02 0,015 0,04 0,04

Debido a la naturaleza no homogénea en la composición química de las

ferroaleaciones, se presenta una diferencia entre la composición química de la

aleación deseada y de las probetas obtenidas en la fundición.

Superficie rectificada

27

Tabla 4.3. Diferencia porcentual entre la composición química de la aleación

deseada y la composición química de las probetas Composición química

%Fe %C %Mn %Si %Ni %Cr %Mo %Cu %P %S

Diferencia (%) porcentual 7,00 27,16 72,06 9,68 0,95 9,79 13,94 24,53 9,52 34,78

4.2 FUNDICIÓN EN MOLDE PERMANENTE DE GRAFITO

Una de las ventajas del molde permanente de grafito, es que permite realizar

muchas coladas del material que se está fundiendo, sin necesidad de cambiarlo.

La transferencia de calor desde la pieza hacia el exterior, es mayor en estos

moldes que en los moldes de arena. El enfriamiento de la pieza es más rápido, por

lo tanto, la microestructura es más fina, que la microestructura resultante de

moldes con tasas de enfriamiento más lentas, como los moldes en arena.

4.3 FUNDICIÓN EN MOLDE DE ARENA

Los moldes de arena son los más empleados en la industria de la fundición, ya

que se pueden elaborar la cantidad de moldes necesarios, para obtener las piezas

fundidas en una colada. Igualmente, el costo de la elaboración de los moldes es

mucho menor.

La transferencia de calor a través del molde de arena es más menor que en el

molde de grafito. La tasa de enfriamiento de la pieza colada depende del espesor

de las paredes del molde de arena; la naturaleza poco conductora de calor de la

28

arena y otros factores adicionales, hacen que el proceso de enfriamiento de las

piezas coladas en estos moldes sea más lento.

4.5 MICROSCOPIA ÓPTICA

Es común en el estudio de materiales el uso de microscopios ópticos para

observar su microestructura, fases, microconstituyentes, inclusiones, tamaño y

forma de los granos, etc. Este procedimiento es de gran importancia, ya que, las

propiedades mecánicas y físicas del material están ligadas a las características

microscópicas del material.

Para observar la microestructura antes y después de los tratamientos térmicos se

empleó un microscopio óptico Leitz- metallux II, ubicado en el laboratorio de

microscopia de la Universidad de los Andes.

4.6 MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDO

La microscopia electrónica de barrido (SEM, Scanning Electron Microscopy) es

una herramienta fundamental y versátil en el estudio de materiales.

La microscopia electrónica ofrece imágenes que usualmente son fáciles de

interpretar y revela claramente, tanto fotos de superficies pulidas y atacadas, como

de superficies rústicas. El microanálisis con rayos X de energía dispersiva (EDX)

caracteriza cualitativa y cuantitativamente la composición química del material,

con una típica resolución lateral de micrómetros y una típica resolución de

profundidad de unas pocas decimas micrómetros. Debido a su relativa facilidad de

manejo, la microscopía electrónica de barrido ha encontrado un amplio rango de

29

aplicaciones en investigación y desarrollo de materiales, análisis de falla y control

de calidad.1

Para este procedimiento se utilizó el microscopio electrónico (Fei Quanta 200),

ubicado en el laboratorio de Geociencias de la Universidad Nacional.

4.6 ENSAYO DE DUREZA

El ensayo de dureza Brinell (Hardness Brinell HB) es el más adecuado y confiable

para medir la dureza en este tipo de material que otros tipos de ensayo (Dureza

rockwell). Como la microestructura del hierro blanco está compuesta de una matriz

con carburos de elevadas durezas, el indentador de bola del ensayo de dureza

Brinell, gracias a su mayor tamaño, produce la huella sobre un área que incluye la

matriz y los carburos, dando una medida más confiable de la dureza del material.

El ensayo de dureza Brinell esta estandarizado según la norma ASTM E-11

(Standard Test Method for Brinell Hardness of Metallic Materials). Las

características del ensayo realizado en los laboratorios de la universidad de los

Andes, se pueden apreciar en la tabla 8.

Tabla 4.4. Características del ensayo de Dureza Brinell (HB)

Carga (kgf) Indentador de bola de acero

3000 Φ=10 mm.

1Tomado y modificado de: American Society for Metals, ASM Metals Handbook, Vol. 9, 9 Ed., Metallography and Microstructure, ASM International, (1985).

30

4.7 ENSAYO DE DESGASTE

El ensayo de desgaste abrasivo a tres cuerpos, nos permite medir

cuantitativamente la perdida de material de las probetas sometidas a un medio

abrasivo . El ensayo de desgaste esta estandarizado según la norma ASTM G 65-

04 (Measuring Abrasion Using the Dry Sand-Rubber Wheel). Siguiendo el

procedimiento B de la norma (ver tabla 4.5), se busca medir la resistencia al

desgaste abrasivo de las probetas después de los tratamientos térmicos. La

arena empleada en la prueba, esta especificada, por el ensayo AFS 50/70 (ver

tabla 4.6). La Universidad de los Andes cuenta con una maquina de desgaste

calibrada, que fue usada para realizar este procedimiento (fig. 4.2).

Tabla 4.5. Procedimiento B norma ASTM G 65-04

Características del ensayo

Carga (N) Número de revoluciones Flujo de arena (gr/min) 130 2000 350

Tabla 4.6. Tamaño para tamices (U.S) del ensayo de arena AFS 50/70

(especificación E11)1

Tamaño tamiz U.S Tamaño abertura % retenido en el tamiz 40 425 µm (0,0165 in.) no 50 425 µm (0,0165 in.) 5 máx. 70 425 µm (0,0165 in.) 95 mín.

100 425 µm (0,0165 in.) no pasan

1 Tomada de: Laird, G., Gundlach, R., Röhrig, K., Abrasion-Resistant Cast Iron Handbook, AFS

transaction, (2000).

31

a. Vista general. b. Vista específica del sistema principal.

Fig. 4.2. Máquina para ensayos de desgaste, Universidad de los Andes.

4.4 DISEÑO DE LOS TRATAMIENTOS TERMICOS

Se busca someter las probetas a un tratamiento térmico con medios de

enfriamiento drásticos (salmuera a bajas temperaturas) y medios de enfriamiento

menos drásticos, como aire con flujo y aire sin flujo.

Se diseñaron diversos tratamientos térmicos, sus características se pueden

apreciarse en la tabla 4.7.

Tabla 4.7. Tratamientos térmicos. Temperatura y tiempo de austenitización, y

medio de enfriamiento.

Tratamiento térmico (TT)

Temperatura de austenitización (ºC)

Tiempo de austenitización (hr) Medio de enfriamiento

1 1010 2,5 Flujo aire seco, temperatura=

20ºC, presión = 413.69 kPa

2 1010 2,5 Salmuera, temperatura = -1 ºC

3 1010 2,5 Salmuera, temperatura = -1 ºC

4 980 3,5 Salmuera, temperatura = -0,5 ºC

5 980 3,5 Aire, temperatura = 20 ºC

6 980 3,5 Salmuera, temperatura = -0,5 ºC

Boquilla de salida de La arena

Sistema de sujeción

Disco

32

De estos tratamientos térmicos la microestructura que se espera obtener es de

carburos primarios, carburos secundarios, Martensita y muy posiblemente

austenita retenida.

5. RESULTADOS OBTENIDOS

A continuación se presentan los resultados de los ensayos realizados con el fin de

caracterizar el material y las propiedades obtenidas después de los tratamientos

térmicos.

5.1 ANÁLISIS METALOGRÁFICO

5.1.1 Introducción

Para observar la microestructura de las probetas en el microscopio óptico y el

microscopio electrónico de barrido, se realizó en el laboratorio de metalografías de

la universidad de los Andes, el procedimiento metalográfico siguiente en:

• Corte de muestras de las probetas antes y después del tratamiento térmico

(se uso una cortadora Bühler-delta abrasimet con sistema de refrigeración).

(figura 9. a)

• El embebido de las muestras en un material polimérico, para facilitar su

manipulación. (figura 9. b)

• El pulido con papel abrasivo y un paño con alúmina. Se hizo el pulido de las

muestras con lijas en el siguiente orden: 100, 240, 400, 600 y 1200. Luego

en el paño con alúmina de 0.3 µm y por último en el paño con alúmina de

0.05 µm.

33

• El ataque químico para revelar la microestructura. Las muestras fueron

atacadas con el reactivo Villela (5 ml HCL+1 gr acido pícrico+100 ml de

etanol)

• Toma de imágenes (micrografías) en el microscopio óptico Leitz- metallux

II.

a. Corte de las muestras b. Muestra embebida

Fig. 5.1. Corte de la muestra para análisis metalográfico y muestra embebida en el

mater ial polimérico.

Se adoptó la siguiente denominación para facilitar el análisis de las

microestructuras:

Tabla 5.1. Denominación de microestructuras

Matriz austenítica MA Austenita retenida AR Martensita M Carburos primarios-eutécticos CP Carburos secundarios CS

5.1.2 Micrografías del material antes de los tratamientos térmicos.

Se tomó una muestra de una probeta colada en molde de grafito y otra de una

muestra colada en molde de arena. No es necesario analizar muestras

Corte de las muestras

Probeta

Muestras

Material polimérico

34

adicionales, ya que todas las probetas deben tener la misma microestructura del

proceso de fundición

5.1.2.1 Micrografías antes del tratamiento térmico. Probetas fundidas en

molde de grafito.

Fig. 5.2. Inclusiones en el material. 200X.

Fig. 5.3. Dendritas finas. 100X.

5.1.2.2 Micrografías antes del tratamiento térmico. Probetas fundidas en

molde de arena.

Fig. 5.4. Inclusiones en el material. 200X.

Fig. 5.5. Dendritas gruesas. 100X.

Inclusión

Inclusiones

Dendritas finas

Dendritas gruesas

35

5.1.3 Micrografías del material después de realizados los tratamientos térmicos.

5.1.3.1 Micrografías del tratamiento térmico 1.

Temperatura de austenitización (ºC)

Tiempo de austenitización (hr) M.E.

1010 2,5 flujo de aire

Micrografías ópticas

Fig. 5.6. Matriz austenítica con carburos primarios. 100X.




CP MA

MA CP

36

Microscopia electrónica




Fig. 5.13. Matriz austenítica con carburos primarios. Las cavidades son la ausencia de los carburos dentro de la matriz. 8000X.

CP

MA

CP MA

37


Temperatura de austenitización (ºC) Tiempo de austenitización (hr) M.E. 1010 2,5 salmuera




Fig. 5.16. Matriz austenítica con carburos primarios. Cierta parte de la matriz es borrosa por estar desenfocada. 500X.

Fig. 5.17. Matriz austenítica con carburos primarios. Cierta parte de la matriz es borrosa por estar desenfocada. 1000X.

CP MA CP

MA

38

Microscopía electrónica





CP MA

CP

MA

39




Fig. 5.22. Se observa la estructura dendrítica del material. 100X.

Fig. 5.23. Se observa la estructura dendrítica del material. 200X.

Fig. 5.24. Austenita retenida y carburos primarios 500X.

Fig. 5.25. Austenita retenida, carburos primarios y secundarios. 1000X.

CP AR

AR CP

CS

40


Fig. 5.26. Micrografía a 1600X. Fig. 5.27. Carburos primarios y secundarios.

4000X.

Fig. 5.28. Carburos primarios y secundarios, y de martensita. 16000X.

Fig. 5.29. Carburos primarios y secundarios, y martensita. 16000X.


CP

CS

M CP

CS

M

41

Temperatura de austenitización (ºC) Tiempo de austenitización (hr) M.E.

980 3.5 salmuera


Fig. 5.30. Austenita retenida. 100X. Fig. 5.31. Igual que la micrografía anterior Se

observa austenita retenida. 200X.



CP

CS AR

AR AR

CP

CS AR

42


Fig. 5.34. Micrografía a 200X. Fig. 5.35. Se observan defectos en el material

(porosidad). 800X.

Fig. 5.36. Se observa austenita retenida, carburos primarios y secundarios, y martensita. 5000X.

Fig. 5.37. Se observa austenita retenida, carburos primarios y secundarios, y martensita. 8000X.

CP

CS

M

CP

CS

M

cavidad

AR AR cavidad

43


Temperatura de austenitización (ºC) Tiempo de austenitización (hr) M.E. 980 3,5 aire


Fig. 5.38. Estructura dendrítica del material. 100X.

Fig. 5.39. Estructura dendrítica del material. 200X.

Fig. 5.40. Se observa austenita retenida, carburos primarios y secundarios. 500X.

Fig. 5.41. Se observa austenita retenida, carburos primarios y secundarios. Muy posiblemente haya presencia de martensita cerca a los carburos primarios. 1000X.

CP

CS

AR AR

CP

CS

44




Fig. 5.42. Se observa matriz austenítica con carburos primarios. 100X.




CP

MA

MA

CP

MA

45


Fig. 5.46. Micrografía a 200X. Fig. 5.47. Se observa la matriz austenítica.

800X.

Fig. 5.48. Se observa la matriz austenítica, carburos primarios y secundarios, y martensita. 5000X.

Fig. 5.49. Se observa la matriz austenítica, carburos primarios y secundarios, y martensita. 8000X.

CP

CS

M

CP

CS MA

M

MA

46

5.2 RESULTADOS DEL ENSAYO DE DUREZA

En la tabla 12 se presentan los resultados del ensayo de dureza Brinell. Se

tomaron tres indentaciones sobre una probeta de cada tratamiento térmico.

Tabla 5.2. Resultados ensayo de dureza Brinell (HB)

Dureza Brinell HB Indentaciones Tratamiento térmico a b c

Promedio Desviación Estándar

1 578 555 601 578 23.00 2 363 331 321 338 21.94 3 401 444 444 430 24.83 4 388 375 401 388 13.00

5 555 578 578 570 13.28 6 601 578 578 586 13.28

Fig. 5.50. Indentaciónes tomadas en sobre la probeta P1-A del tratamiento

térmico 1.

5.3 RESULTADOS DEL ENSAYO DE DESGASTE

En la Tabla 13 se resumen los resultados del ensayo de desgaste y dureza

realizado a las probetas de los diferentes tratamientos térmicos.

Indentaciones

47

Para calcular el volumen perdido se usó la siguiente ecuación:

Ecuación 1)

Donde:

Tabla 5.3. Resumen de los resultados del ensayo de desgaste

Tratamiento térmico

Volumen perdido ( mm3)

Masa perdida

(gr)

Dureza Brinell

HB

Medio de enfriamiento /Temperatura de

austenitización ºC

Molde de la colada

1 10,4212 0,0771 578 Flujo aire / 1010 Grafito

2 12,0360 0,0891 338 Salmuera / 1010 Grafito

3 9,8559 0,0729 430 Salmuera / 1010 Arena

4 10,9955 0,0814 388 Salmuera / 980 Arena

5 10,5405 0,0780 570 Aire / 980 Grafito

6 10,6577 0,0789 586 Salmuera / 980 Grafito

48

Fig. 5.51. Huellas producidas sobre las probetas después del ensayo de desgaste.

Huellas sobre las probetas del tratamiento térmico 4.

Debido al fuerte choque térmico que sufrieron durante su enfriamiento en

salmuera, las probetas de los tratamientos térmicos 2, 3 y 4, , presentan

agrietamiento en diversas partes de su estructura.

Fig. 5.52. Agrietamiento sufrido por la probeta P2-C del tratamiento térmico 2.

Agrietamiento

Huella de desgaste

Huella de desgaste Huella de desgaste

49

A continuación se presentan en detalle los cálculos del ensayo de desgaste para

cada tratamiento térmico.

5.3.1 Resultados del ensayo de desgaste del tratamiento térmico 1.

Tabla 5.4. Resultado del ensayo de desgaste del tratamiento térmico 1

Probeta (molde grafito) P1-A P1-B P1-C


Masa inicial (g) 101,6923 123,9232 123,6967 Masa final (g) 101,5296 123,8433 123,6266 Masa perdida (g) 0,0814 0,0799 0,0701 0,0771 0,0061197 Volumen perdido (mm3) 10,7039 10,5132 9,2237 10,1469 0,8052248



Probeta (molde grafito)

P2-A P2-B P2-C Promedio Desviación

estándar

Masa inicial 109,9925 122,1248 118,9645 Masa final 109,9096 122,033 118,872 Masa perdida (g) 0,0829 0,0918 0,0925 0,0891 0,0053519

Volumen perdido (mm3) 10,9079 12,0789 12,1711 11,7193 0,7042035



Probeta (molde arena) P3-A P3-B P3-C


Masa inicial 106,5684 168,5014 158,3813

Masa final 106,4936 168,4322 158,3065 Masa perdida (g) 0,0748 0,0692 0,0748 0,0729 0,0032332 Volumen perdido (mm3) 9,8421 9,1053 9,8421 9,5965 0,425416

50



Probeta (molde arena) P4-A P4-B P4-C


Masa inicial 134,3285 156,9038 157,209 Masa final 134,2469 156,8245 157,1258 Masa perdida (g) 0,0816 0,0793 0,0832 0,0814 0,0019604 Volumen perdido (mm3) 10,7368 10,4342 10,9474 10,7061 0,2579529



Probeta (molde grafito)

P5-A P5-B P5-C Promedio Desviación

estándar

Masa inicial 116,6109 124,3069 135,6641 Masa final 116,5336 124,2281 135,5862 Masa perdida (g) 0,0773 0,0788 0,0779 0,0780 0,000755

Volumen perdido (mm3) 10,1711 10,3684 10,2500 10,2632 0,0993399



Probeta (molde grafito) P6-A P6-B P6-C


Masa inicial 118,8524 136,1529 129,4168 Masa final 118,7728 136,0717 129,341

Masa perdida (g) 0,0796 0,0812 0,0758 0,0789 0,0027737 Volumen perdido (mm3) 10,4737 10,6842 9,9737 10,3772 0,3649587

51

6. ANÁLISIS Y DISCUCIÓN DE RESULTADOS

La diferencia entre la composición química de las probetas y la composición

química de la aleación que se deseaba obtener, es causada por la no

homogeneidad de la composición química de las ferroaleaciones usadas durante

el proceso de fundición. La mayor diferencia se presenta en los contenidos de

carbono (27.16 %), manganeso (72.06) y cobre. De estos tres elementos, el

carbono es el que mayor influencia tiene en la microestructura y las propiedades

de interés, el manganeso está relacionado con la inhibición de perlita y el cobre

con la templabilidad del material. La resistencia al desgaste se ve afectada por la

dureza de la martensita obtenida después del tratamiento térmico y esta depende

del contenido de carbono. A mayor contenido de carbono mayor es la dureza

esperada. Las durezas del material fundido por el estudiante Iván morales son

mayores, que las probetas de este trabajo, por la variación en el contenido de

carbono.

En las micrografías de microscopia electrónica de los tratamientos térmicos 1 y 2,

templados en salmuera, se observan cavidades por la ausencia de carburos y

otras morfologías, debido probablemente, al ataque químico excesivo realizado a

las muestras.

El resultado incoherente de los ensayos de dureza de los tratamientos térmicos 2,

3 y 4, templados en salmuera, pueden ser explicados por el agrietamiento que

presentaron las probetas por el choque térmico y la aplicación de la alta carga

(3000 kgf) durante el ensayo. La huella de la indentación, a partir de la cual se

obtiene el valor de dureza, es mayor a causa del efecto negativo de las grietas

sobre la resistencia del material. En los tratamientos térmicos 1,5 y 6 el resultado

de la medición de la dureza está dentro de los valores esperados (600 HB).

52

El agrietamiento que presentaron las probetas templadas en salmuera, no tienen

incidencia relevante en los resultados del ensayo de desgaste, porque la presión

sobre la superficie del material es muy pequeña (se aplica una carga de 130 N en

el brazo). Adicionalmente, se tomó precaución para que las huellas del ensayo de

desgaste no se hicieran sobre las grietas.

En las micrografías de las probetas antes de los tratamientos térmicos, se

evidencia la naturaleza dendrítica de la fundición realizada. Las probetas coladas

en moldes de grafito tienen dendritas finas, mientras que las probetas coladas en

moldes de arena, tienen dendritas de mayor tamaño. La diferencia en el tamaño

de las dendritas se debe a la diferencia en la tasa de enfriamiento entre los dos

moldes, siendo mayor la tasa de enfriamiento en el molde de grafito.

En el tratamiento térmico 3 (probetas coladas en molde de arena, austenitizadas a

1010 ºC y templadas en salmuera) se obtuvieron los mejores resultados en el

ensayo de desgaste. La microestructura después del tratamiento térmico está

constituida por carburos primarios y secundarios, martensita y austenita retenida.

Muy posiblemente se hayan precipitado otros carburos, como el Mo2C, dentro de

la austenita primaria después del tratamiento térmico. La presencia abundante de

carburos secundarios se debe al tamaño mayor de las dendritas primarias y al

contenido de elementos de aleación como el cromo y molibdeno, que precipitan

durante el proceso de austenitización. La martensita se forma cerca de los

carburos primarios durante el proceso de temple y es inevitable la presencia de

austenita retenida en el material.

El tratamiento térmico 1 (probetas coladas en molde de grafito, austenitizadas a

1010 ºC y enfriadas con flujo de aire) fue el segundo con mejores resultados. La

microestructura después del tratamiento térmico posiblemente este constituida por

53

una matriz austenítica con carburos primarios y la formación de martensita cerca

de estos carburos.

Las probetas del tratamiento térmico 2 (probetas coladas en molde de grafito,

austenitizadas a 1010 ºC y templadas en salmuera) fueron las que perdieron

mayor volumen durante el ensayo de desgaste. Muy posiblemente la velocidad de

enfriamiento demasiado drástica, ayudo a que la cantidad de austenita retenida

fuera demasiada alta después del temple, disminuyendo la resistencia al desgaste

del material.

En el tratamiento térmico 4 (probetas coladas en molde de arena, austenitizadas a

980 ºC y templadas en salmuera) la microestructura está formada por carburos

primarios y secundarios, martensita y austenita retenida. El resultado del ensayo

de desgaste de estas probetas a pesar de tener carburos y martensita, puede ser

explicado por la cantidad de austenita retenida presente en el material. Como se

puede apreciar en las micrografías.

En el tratamiento térmico 5 (probetas coladas en molde de grafito, austenitizadas a

980 ºC y enfriadas al aire) se obtuvo en el ensayo de desgaste, un resultado muy

cercano al resultado del tratamiento térmico 1, también enfriado al aire. La

microestructura obtenida son carburos primarios y secundarios, austenita retenida

y muy posiblemente martensita, no observable en las micrografías ópticas.

En el tratamiento térmico 6 (probetas coladas en molde de grafito, austenitizadas a

980 ºC y templadas en salmuera) se obtuvo un resultado muy cercano a al

resultado de los tratamiento térmico 1 y 5. La microestructura obtenida después

del tratamiento es una matriz austenítica con carburos primarios y secundarios, y

la formación de martensita cerca de los carburos secundarios. En las micrografías

es observable que el material fue atacado demasiado tiempo.

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Comparando los resultados del ensayo de desgaste de los tratamientos térmicos 3

y 4 (colados en molde de arena, austenitizados a 1010 y 980 ºC, y templados en

salmuera), y las micrografías, es evidente que es mayor la cantidad de austenita

retenida en el tratamiento térmico 4. Al tener una temperatura de austenitización

menor, la desestabilización de la austenita se reduce, igual que la precipitación de

carburos secundarios, disminuyendo la resistencia al desgaste del material.

Las coladas en moldes de grafito que mejores resultados arrojaron en el ensayo

de desgaste, fueron las enfriadas con flujo de aire (tratamiento térmico 1) y las

enfriadas al aire (tratamiento térmico 5), por encima de las probetas templadas en

salmuera (tratamientos térmicos 2 y 6). La tasa de enfriamiento drástica de la

salmuera permite la formación de martensita, sin embargo, aumenta la cantidad de

austenita retenida, disminuyendo las propiedades del material.

7. CONCLUSIONES

• Los tratamientos térmicos realizados mejoraron la resistencia al desgaste

de las probetas. Al comparar los resultados del volumen perdido del material

colado en molde de grafito y molde de arena del trabajo del estudiante Iván

morales, con el volumen perdido en el tratamiento térmico 3 de este trabajo, la

diferencia es de 6.8032 mm3 y 65.6036 mm3, respecto al material colado en

molde de grafito y molde de arena, respectivamente. Lo que muestra una mejor

resistencia al desgaste de las probetas a las que se les realizó el tratamiento

térmico.

55

• El tratamiento térmico 3 es el que mayor resistencia al desgaste alcanzó

después del tratamiento térmico: austenitización a 1010 ºC, desestabilización de

la austenita por un tiempo de 3.5 horas y temple en salmuera a - 0.1 ºC.

• En los resultados del ensayo de desgaste de los demás tratamientos

térmicos se obtuvieron valores aceptables, cercanos a los resultados del

tratamiento térmico 3. Es necesario evaluar otras propiedades mecánicas, como la

tenacidad y la resistencia la corrosión, para poder determinar de una manera más

adecuada el campo de aplicación de esta aleación y los tratamientos térmicos

realizados en este trabajo.

• Los resultados del ensayo de dureza de los tratamientos térmicos 1,5 y 6,

están cerca de lo esperado, que es de 600 HB para hierros blancos de esta

composición química. El resultado del ensayo de dureza de los demás

tratamientos térmicos no son confiables, a causa del agrietamiento que sufrieron

por el choque térmico durante el temple en salmuera.

• La austenita es estable a altas temperaturas, sin embargo, elementos de

aleación como el carbono, cromo, manganeso y níquel, la hacen estable a

temperatura ambiente. Por esta razón, en la microestructura de todos los

tratamientos térmicos se presentó austenita retenida.

56

8. REFERENCIA BIBLIOGRAFICA

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