cementacion _ procedimiento y analisis de los resultados

Universidad Politécnica Salesiana. Bermeo Mario, López Walter, CEMENTACIÓN ACERO DE TRANSMISIÓN

Resumen.

La cementación trata de un proceso que se le da a un material con un porcentaje inferior de carbono (aceros de no más de 0.35 % de C), con la finalidad de obtener una dureza mejorada en la superficie la capa de este recubrimiento no debe permitir las deformaciones permanentes en el elemento que se va a realizar este tratamiento térmico, en este caso se realiza en una probeta de acero de transmisión.También se hará un temple además con eso ganar al límite de fatiga al cual va estar sometido el elemento.

La cementación se realiza a temperaturas muy altas es decir a Ac3 (900 a 950 °C) la cual cambia de estado al material en donde al implementar calor se transforma de Ferrita a Austenita y al enfriar viceversa. De modo que el carbono se difunde en la red cristalina del hierro FCC; cuando se alcanza el límite de saturación de la austenita.

Al finalizar las pruebas se realizará los cálculos y los análisis para diferenciar al momento que la probeta no se somete a nada, y luego del tratamiento efectuado.

Abstract

Cementation is a process that is given to a material with a lower amount of carbon ( no steel 0.35 % C ) , in order to obtain improved surface hardness of the coating layer does not allow permanent deformation of the element is performing this heat treatment, in this case is performed on a specimen of steel transmission belts .

It will also take with it besides mettle winning the fatigue limit which will be subject to the item.

Cementation is conducted at very high temperatures Ac3 ie ( 900 to 950 °C ) which changes state at the material in which the heat implement ferrite transforms to austenite and cooling vice versa . and so that the carbon diffuses into the iron lattice FCC , when the saturation limit of the austenite is achieved.

After the test calculations and analyzes were performed to differentiate when the specimen is not subjected to anything, and after the therapy given.

1. OBJETIVOS

Realizar el cementado de una probeta de acero de transmisión: la temperatura, tiempo de permanencia y el medio de enfriamiento.

Analizar los resultados obtenidos, considerando las características iniciales del acero y los parámetros con los cuales fue realizado el tratamiento.

1.1 HIPÓTESIS

Mejorar las características del material, en la cual se debe obtener una superficie dura la misma que servirá para que el desgaste no sea muy rápido, es decir con el tratamiento vamos a obtener una superficie más tenaz gracias al temple que se va a realizar en la probeta.

CEMENTACION – PROCEDIMIENTO Y ANALISIS DE LOS RESULTADOS

Bermeo Mario, López Walter. [email protected]

[email protected] Politécnica Salesiana-Ecuador

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1.2 MÉTODO

Cementación de probetas de acero transmisión mediante horno de mufla para determinar sus características mediante la medición de su dureza tras el tratamiento térmico.

2. INTRODUCCIÓN

Cementado es el proceso por el cual se incorpora carbono en la capa superficial del acero. Con ello se logra una superficie de alta dureza que le proporciona resistencia al desgaste después de un temple, y aumenta el límite de fatiga. Como se realiza en aceros de no más de 0.35 % de C, el núcleo conserva su capacidad de absorber energía de impacto.

La profundidad de capa debe ser tal que no se produzcan deformaciones permanentes en ella. Por lo tanto, será tanto mayor (de 0.8 a 4 mm) cuanto más grande sea el esfuerzo a que está sometida la misma.

Si solo se requiere resistencia al desgaste, se usan capas de baja profundidad (0.1 a 0.5 mm). La cementación se realiza a temperatura superior a Ac3 (900 a 950 °C) de modo que el carbono difunde en la red cristalina del hierro FCC; cuando se alcanza el límite de saturación de la austenita, en la superficie se puede formar una capa de cascarilla. Pero esto se observa raramente; en las condiciones normales, durante la cementación sobre Ac3 se forma solo austenita, y luego del enfriamiento lento los productos de su transformación (ferrita y cementita).

3. CEMENTACIÓN

3.1 Cementación gaseosa.

La 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; el proceso es dos o tres veces más rápido, la

tecnología es menos perjudicial a la salud, y las propiedades del núcleo sin cementar resultan mejores debido al menor crecimiento del grano.

El proceso se realiza en hornos especiales, en cuyo interior se inyecta como gas cementante algún hidrocarburo saturado tales como metano, butano, propano y otros. Al calentar a unos 900-970°C se desprende el carbono elemental que cementa el acero. Por ejemplo al calentar metano

3.2 Clases de compuestos cementantes.

Los compuestos carburantes comerciales normales tienen una mezcla de alrededor de 10 a 20% de carbonatos alcalinos u otros metales, con carbón de leña o coke exento de azufre, o ambos a la vez. El carbonato de bario es el principal activador y usualmente comprende el 60 a 70 % del contenido total de carbonatos. El polvo cementante más enérgico contiene el 40% de CO3Ba solamente (exento de otros carbonatos) y se emplea para cementar aceros no aleados cuando se requieren grandes profundidades cementadas.

Por ser más reactivo que el coke, se prefiere usar el carbón de leña como fuente principal de carbono, pero el coke ofrece algunas ventajas, como la buena resistencia en caliente y buena conductividad térmica, de todas maneras, la mayoría de los componentes carburizantes tienen carbón de leña y coke, con mayor proporción del primero.

3.3 Ejecución y aplicaciones de la cementación en caja.

Las piezas se empaquetan en una caja con una cantidad suficiente del polvo de cementar y colocadas de tal manera que toda su superficie se encuentre rodeada del polvo. Después se cierra la caja con una tapa y se hace la junta hermética con barro. Las cajas, y con ellas las piezas que llevan dentro, se calientan hasta la temperatura de cementación y se mantienen las horas necesarias para lograr la profundidad de cementación deseada.

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Pueden alcanzarse profundidades de cementación de hasta 3 mm. La larga permanencia entre 900 y 1000 ºC, asegura la eliminación de cualquier tensión existente procedente de la manufactura, pero pueden producirse deformaciones grandes.

3.4 Ventajas de la cementación en cajas.

1) Puede usarse en una gran variedad de hornos, porque no requiere el uso de atmósferas controladas.

2) Es eficiente y económico para el proceso individual de pequeños lotes de piezas.

3) Incorpora un método simple para el enfriamiento lento de piezas que deben ser maquinadas después de la cementación y antes del temple.

4) Ofrece una amplia selección de técnicas para cementación selectiva de las piezas.

3.5 Desventajas de la cementación en caja.

1) No es adecuado para la producción de capas finas que requieran controles estrictos.

2) No se puede controlar con exactitud el % de C de la superficie y del gradiente de carbono, como sí en la cementación gaseosa.

3) No es adecuado para efectuar el temple directo o para enfriar en matriz.

4) El peso de la caja y del material cementante reduce la velocidad de calentamiento y de enfriamiento y por ello se necesita mayor tiempo de cementación.

3.6 Temperaturas de cementación.

La cementación en caja se realiza normalmente entre 815º C y 950º C, pudiendo incrementarse cuando se tratan aceros de grano fino que se mantengan sin crecimiento a temperaturas cercanas a 1040º C.

3.7 Velocidad de cementación.

La velocidad a la cual se logra la profundidad de capa, se incrementa rápidamente con la temperatura. Si se considera un factor de 1,0 para 815º C, el factor se incrementa a 1,5 a 870º C, y es algo más de 2,0 a 930º C.

De todas maneras la velocidad de cementación es más rápida al comienzo del ciclo y gradualmente disminuye a medida que éste se extiende.

3.8 Templado

El temple consiste en calentar el acero por encima de su temperatura crítica superior, entre 900-950 °C, y luego enfriarlo suficientemente rápido en un medio como agua o aceite para que se forme una estructura martensítica.Con este tratamiento se mejoran las características mecánicas aumentando la resistencia a la tracción, límite elástico y dureza a costa de disminuir alargamiento, estricción y resiliencia.También se modifican las propiedades físicas, aumentando el magnetismo remanente y de la resistencia eléctrica, y las propiedades químicas, aumento de la resistencia a la acción de ciertos ácidos.

Dentro de los factores que influyen en el temple del acero son:

Composición. Tamaño de grano. Estructura. Forma y tamaño de las piezas. Estado superficial. Medio de enfriamiento.

Todos ellos tienen gran importancia en el resultado final del tratamiento.El enfriamiento necesario para lograr el temple correcto se consigue por inmersión del acero en un medio refrigerante adecuado, sólido, líquido o gaseoso. Los más empleados son agua, aceite, sales o metales fundidos y gases.

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4. DESARROLLO

4.1 Preparación y ajuste del equipo

1. Conseguir el acero necesario para esta práctica.

2. Triturar el carbón vegetal y colocarlo en la caja de cementación, el carbón se debe triturar para logran una mayor profundidad de penetración del carbón.

3. Colocarse los diferentes accesorios de protección personal.

4. Revisar el estado del horno, controlador, sensor de temperatura y estado del baño, para evitar accidentes posteriores

5. Calentar el horno a 1000 °C

6. Una vez realizada la cementación se debe realizar en seguida el templado de las probetas.

7. Procurar que los baños de enfriamiento cuenten con la cantidad de aceite necesario para el fin.

4.2 Procedimiento

Para asegurar el éxito en la ejecución del tratamiento térmico de cementación, es importante tener presente siempre los siguientes aspectos:

Identificar claramente la naturaleza del acero a tratar.

Determinar los parámetros de cementación, esto es: temperatura, tiempo y medio de enfriamiento.

Ajustar el horno y regular la temperatura y tiempos, proceder a su calentamiento.

Colocar la caja con la pieza dentro del horno.

Controlar el tiempo de permanecía dependiendo de la profundidad que se desea obtener.

Sacar la pieza del horno y llevarlo rápidamente al baño de enfriamiento.

Introducir la pieza en el baño y realizar, de acuerdo con la forma y tamaño de la pieza, los respectivos movimientos a fin de acelerar el enfriamiento.

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5. DATOS DE PROBETA-IMAGENES

Tipo de material: Acero de transmisión.

Normas: DIN: CK15ISO: -----------

AISI: 1018

Dureza Inicial: 143-163 HBDureza a obtener

Núcleo: 20-25 HRCCapa cementada: 55-60 HRC

Tiempo de Cementado:

880-950 ºCaprox. 9 h

Medio de enfriamiento:

aceite

Pro

beta

Temperatura

Tiempo de calentamie

ntoMedio de

enfriamiento

Dureza HRC a diferentes

profundidades

Aspecto de grano

Pro

fund

ida

d d

e ce

me

nta

do

°C °F Horas

Per

iferia

1 m

m d

e pr

ofu

ndid

ad

Nú

cle

o

Per

iferia

Nú

cle

o

1 999 9 horas Aceite 64 57 32Muy fino

Fino --

2 999 9 horas Aceite 63 55 34Muy fino

Fino --

6. IMÁGENES

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Figura 6.1: Medición de dureza en la periferia

Figura 6.2: Medición de dureza en el núcleo

Figura 6.3: Medición de la profundidad de la capa cementada

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Figura 6.4: Cajas de cementación, retirado de probetas

Figura 6.5: Forma de las probetas, tamaño de grano luego de la cementación

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7. ANALISIS DE LOS RESULTADOS

El catálogo indica una temperatura de 880 a 950°C, pero para lograr mayor penetración en menos tiempo aumentamos un poco la temperatura.

El tiempo de permanencia fue de aproximadamente 9 horas.

Para obtener la mayor dureza se debe emplear aceite como medio de enfriamiento, se debe mantener sumergida la probeta hasta conseguir una temperatura de aproximadamente 60°C.

En general logramos obtener durezas más altas que el catálogo indica para este tipo de material siguiendo todas las indicaciones del mismo, por lo que obtuvimos excelentes resultados de la práctica

Mediante cálculos con la segunda ley de Frick la capa cementada con una temperatura de 1000°C y 9 horas de permanencia debe tener el siguiente espesor:

7.1CÁLCULOS

C s−C x

C s−Co

=erf ( x

22√ Dt )

Datos

Cs = % de C de la atmosfera 85%Cx = % de C final 70%

Co = % de C inicial 17%Dt para un hierro FCC 0.0198 cm2

Ref 0.96

85−7085−17

=0.96( x

2 2√0.0198 )0.220588

0.96= x

0.60597

x=0.1389 cmx=1.389mm

Es decir la capa cementada tiene un espesor de 1.4 mm.

Lo cual comprobamos con las medidas de dureza a las diferentes profundidades, puesto que a 1 mm de profundidad obtuvimos una media de 56 HRC y en el núcleo 32HRC.

8. CONCLUSIONES

Con el trabajo desarrollado tanto teóricamente como en la práctica se llegó a tener una idea más clara de los conceptos impartidos en clase y que resultado se obtiene al realizar un tratamiento térmico, en este caso se realiza un cementado en una probeta.

Con la ayuda del catálogo se determinó cual es la temperatura ideal y el tiempo necesario para obtener un tratamiento térmico deseado en la probeta.

Con una temperatura de 1000°C y un tiempo de 9 horas, mediante un análisis se llegó a determinar un espesor de la capa cementada y en qué puntos se presenta mayor dureza.

Se logró obtener los resultados esperados al momento de empezar con la hipótesis del trabajo.

Dependiendo del tiempo de permanencia podemos lograr una mayor homogenización del material y por lo tanto una mayor dureza.

El medio de enfriamiento debe estar lo más cerca posible del horno, la temperatura y cantidad del baño también influyen.

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9. RECOMENDACIONES

Utilizar el equipo de protección adecuado.

Triturar el carbón para obtener una mejor difusión

Realizar un buen sellado de la caja de cementación.

Tener en cuenta el tiempo de permanencia

Realizar el enfriamiento en el menor tiempo posible

Seguir las recomendaciones del catálogo para obtener la dureza especificada en el mismo.

10. BIBLIOGRAFIA

Catálogo de aceros, herramientas de corte y soldadura. IVAN BOHMAN C.A. Guayaquil.

http://es.scribd.com/doc/20151679/ Tratamientos-de-Los-Materiales

http://www.frro.utn.edu.ar/ repositorio/catedras/mecanica/5_anio/metalografia/10-Temple_y_Revenido_v2.pdf

http://www.ecured.cu/index.php/ Diagrama_hierro_carbono

http://www.frro.utn.edu.ar/ repositorio/catedras/mecanica/5_anio/metalografia/12._Cementacion_(a)_v2.pdf

http:// estudioyensayo.files.wordpress.com/2008/11/cementacion.pdf

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cementacion _ procedimiento y analisis de los resultados

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