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CORPORACIÓN MEXICANA DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO ® COMIMSA ANÁLISIS DE LAS CAUSAS QUE PRODUCEN FISURAS DEBIDO A ESFUERZOS INTERNOS EN ACERO 41B17, CARBURIZADO Y UNIDO MEDIANTE EL PROCESO GMAW POR JUAN ERNESTO HERRERA LIMONES REPORTE DE PROYECTO EN OPCIÓN COMO ESPECIALISTA EN TECNOLOGÍA DE LA SOLDADURA INDUSTRIAL MONTERREY, NUEVO LEÓN. JULIO 2016

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CORPORACIÓN MEXICANA DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES

DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO

®

COMIMSA

ANÁLISIS DE LAS CAUSAS QUE PRODUCEN FISURAS DEBIDO A

ESFUERZOS INTERNOS EN ACERO 41B17, CARBURIZADO Y UNIDOMEDIANTE EL PROCESO GMAW

POR

JUAN ERNESTO HERRERA LIMONES

REPORTE DE PROYECTO

EN OPCIÓN COMO ESPECIALISTAEN TECNOLOGÍA DE LA SOLDADURA INDUSTRIAL

MONTERREY, NUEVO LEÓN. JULIO 2016

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CORPORACIÓN MEXICANA DE INVESTIGACIÓN EN MATERIALES

DIVISIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO

ANÁLISIS DE LAS CAUSAS QUE PRODUCEN FISURAS DEBIDO A

ESFUERZOS INTERNOS EN ACERO 41B17, CARBURIZADO Y UNIDOMEDIANTE EL PROCESO GMAW

POR

JUAN ERNESTO HERRERA LIMONES

REPORTE DE PROYECTO

EN OPCIÓN COMO ESPECIALISTAEN TECNOLOGÍA DE LA SOLDADURA INDUSTRIAL

MONTERREY, NUEVO LEÓN. JULIO 2016

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Corporación Mexicana de Investigación en Materiales

Gerencia de Desarrollo Humano

División de Estudios de Posgrado

Los miembros del Comité Tutorial recomendamos que la Reporte de

proyecto "ANÁLISIS DE LAS CAUSAS QUE PRODUCEN FISURAS DEBIDO

A ESFUERZOS INTERNOS EN ACERO 41B17, CARBURIZADO Y UNIDO

MEDIANTE EL PROCESO GMAW", realizada por el alumno (a) JUAN

ERNESTO HERRERA LIMONES, con número de matrícula 15ES-206 sea

aceptada para su defensa como Especialista en Tecnología de la Soldadura

Industrial.

El Comité Tutorial

Dr. MéTvyn

Tutor Académico

Ing. Jairo Mendoza Rodríguez Dr. Eduardo Hurtado Delgado

Tutor en Planta // Asesor

Dr. f(eJípe Arturo Reyes Valdés

Coordinador de Posgrado

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Corporación Mexicana de Investigación en Materiales

Gerencia de Desarrollo Humano

División de Estudios de Posgrado

Los abajo firmantes, miembros del Jurado del Examen de especialización

del alumno JUAN ERNESTO HERRERA LIMONES, una vez leído y revisado el

reporte de proyecto titulado "ANÁLISIS DE LAS CAUSAS QUE PRODUCEN

FISURAS DEBIDO A ESFUERZOS INTERNOS EN ACERO 41B17,

CARBURIZADO Y UNIDO MEDIANTE EL PROCESO GMAW", aceptamos que

el reporte de proyecto revisado y corregido, sea presentado por el alumno para

aspirar al grado de Especialista en Tecnología de la Soldadura Industrial durante

la defensa del reporte de proyecto correspondiente.

Y para que así conste firmamos la presente a los 6 días dej/frjes de Agosto del

año 2015.

Vázquez

Presidente

García

Dr. Melvyn Alvarez Vera

Vocal

tor Manuel

ndez García

Secretario

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Dedicatoria

A Dios, quien es el que me soporta en cada paso y en quien todo lo puedo.

A mi esposa Cynthía Beltran Luna, quien me alentó a tomar éste reto y meayudo a sobrellevarlo cada día durante un año y medio, brindándome siempre elaliento y el amor para seguir adelante.

A mi hijo Rogelio Herrera Beltran, quien a pesar de su corta edad, entendió ysupo compartir el tiempo que era dedicado para él para poder dedicárselo a misestudios de posgrado.

A mis padres, Ernesto Herrera y Magdalela Limones, quien con todo su cariñome alientan y animan en cada paso de mi vida.

A toda mi familia y la de mi esposa, que sin yo merecerlo, me animan y creenen mí en cada reto que la vida me presenta.

A todos los Doctores y Maestros de COMIMSA, quienes tienen la dedicacióny la vocación para seguir formando alumnos que seguirán sus pasos en estacarrera interminable que es el conocimiento.

A CATERPILLAR quien sin ella no habría tenido la oportunidad de incrementarmi conocimiento y aplicarlo en sus instalaciones.

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índice general

SÍNTESIS 1

CAPÍTULO 1. INTRODUCCIÓN 2

1.1 Antecedentes 2

1.2 Objetivo general 4

1.2.1 Objetivos específicos 5

1.3 Justificación 5

1.4 Planteamiento del problema 5

1.5 Aportación tecnológica 7

1.6 Alcance 7

CAPÍTULO 2. MARCO TEÓRICO 9

2.1 Aceros para rodamientos 9

2.1.1 Aceros al boro 11

2.1.2 Diámetro Ideal 12

2.1.2.1 Tamaño de grano austenitico 15

2.1.3 Templabilidad mediante ensayo Jominy 17

2.2 Aceros endurecidos por carburación 20

2.2.1 Definición 21

2.2.1.1 Difusión 21

2.2.1.1.1 Mecanismos de difusión 22

2.2.1.1.1.1 Difusión por vacancia 22

2.2.1.1.1.2 Difusión Intersticial 22

2.2.1.1.2 Energía de activación para la difusión 24

2.2.1.1.3 Velocidad de difusión (Primera ley de Fick) 25

2.2.1.1.4 Perfil de composición (Segunda ley de Fick) 26

2.2.2 Proceso de carburación 27

2.2.2.1 Proceso de carburación en líquido 28

2.2.2.2 Proceso de carburación en solido 28

2.2.2.3 Proceso de carburación en Gas 29

2.2.2.3.1 Variables de la carburación en gas 29

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2.3 Defectos en tratamiento térmico 36

2.3.1 Sobrecalentamiento y quema de los aceros de baja aleación 36

2.3.2 Esfuerzos residuales 37

2.3.2.1 Esfuerzos residuales de compresión 38

2.3.2.2 Esfuerzos residuales de tensión 39

2.3.3 Desarrollo de esfuerzos residuales en partes procesadas 40

2.3.3.1 Contracción térmica 42

2.3.3.2 Patrón de esfuerzos residuales debido a la contracción térmica 42

2.3.3.3 Patrón de esfuerzos residuales debido a los cambios térmicos y de

volumen transformacional 44

2.3.4 Fractura de temple 47

2.3.4.1 Diseño de la pieza 48

2.3.4.2 Grados del acero 48

2.3.4.3 Defectos en las piezas 49

2.3.4.4 Prácticas de tratamiento térmico 49

2.3.4.4.1 Acero descarburizado 50

2.3.4.4.2 Aleación de acero carburizado 51

2.3.4.4.3 Aceros Nitrurados 52

2.3.4.5 Prácticas de revenido 52

2.4 Proceso de GMAW 53

2.4.1 Principios de Operación del proceso GMAW 54

2.4.2 Equipo para soldar con GMAW 55

2.4.3 Modos de transferencia del Metal en el proceso GMAW 56

2.4.3.1 Transferencia Globular 56

2.4.3.2 Transferencia en espray 57

2.4.3.3 Transferencia de corto circuito 57

CAPÍTULO 3. DESARROLLO DEL PROYECTO 59

3.1 Metodología general 59

3.1.1 Diagrama de flujo del proceso 60

3.1.2 Metodología de la caracterización 80

3.1.2.1 Etapas del análisis 80

3.1.3 Caracterización 81

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3.1.3.1 Abstracto 81

3.1.3.2 Antecedentes 81

3.1.3.3 Discusión 84

3.1.3.4 Resumen de la Discusión 93

3.2 Corrección del problema con metodología propuesta 93

CAPÍTULO 4. RESULTADOS Y ANÁLISIS 98

4.1 Resultados 98

4.2 Análisis de Resultados 99

CAPÍTULO 5 101

CONCLUSIONES 101

RECOMENDACIONES 102

Bibliografía 103

índice de tablas 105

índice de figuras 106

RESUMEN AUTOBIOGRÁFICO 110

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SÍNTESIS

Los aceros aleados son muy utilizados en la industria de la manufactura,

sobretodo en el ramo de la industria metal mecánica. Los elementos de aleación

ayudan a los aceros a mejorar sus propiedades mecánicas tales como,

mejoramiento de la resistencia en trabajos en caliente, aumento de la dureza,

mejoramiento de la tenacidad, mejoramiento de la ductilidad, entre otras.

En este trabajo de reporte de proyecto se documentarán las causas que dan

lugar a las fisuras o fracturas en dichos aceros aleados, pero con la particularidad

de que se enfocará en aquellos que han sido tratados térmicamente por medio

del proceso de cementación gaseosa, templados y revenidos, para después ser

soldados mediante el proceso de GMAW (Gas Metal Are Welding). Se enfocará

el reporte de proyecto en el acero 41B17 el cual ha sido modificado por el

fabricante del producto del caso de estudio añadiendo Boro, esto para mejorar la

templabilídad de este material.

El proceso de soldadura que se utiliza, como antes de describió, es el de arco

metálico protegido por gas. El tipo de transferencia que se tiene es la de espray,

la mezcla de gas utilizada es 90 % Ar, 10% CO2, se utiliza polaridad invertida con

un electrodo ER70S-3. Todas las soldaduras que se aplicaron durante el

procesamiento de la pieza de estudio están bajo los parámetros que este

fabricante requiere. Una vez encontrada la muestra a analizar, se sigue la guía

de caracterización para poder definir las pruebas a realizar, entre las que

destacan la de análisis químico, prueba de dureza (y microdureza), prueba de

partículas magnéticas, fractografía y mícrografías.

Todos los resultados aquí obtenidos fueron discutidos con el tutor en planta antes

de su publicación.

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CAPITULO 1. INTRODUCCIÓN

1.1 Antecedentes

La industria metal mecánica siempre ha estado en búsqueda de formas más

eficientes e inteligentes de utilizar los aceros durante sus procesos de

fabricación, esto siempre con el fin de garantizar la durabilidad de los productos,

y asimismo, tener un mejor rendimiento en los costos de operación que implica

su fabricación.

Por lo anterior, la utilización de los aceros aleados juega un papel fundamental

dentro de la industria metal mecánica, ya que con sus diversas cualidades como

el reducir lo distorsión, incrementar la resistencia mecánica, la tenacidad, la

ductilidad, mejorar la maquinabilidad entre otras, ayudan a cumplir con las

necesidades de la industria.

Se da el nombre de aceros aleados a los aceros que además de los cinco

elementos como los son el carbono, silicio, manganeso, fósforo y azufre,

contienen también cantidades relativamente importantes de otros elementos

como el cromo, níquel, molibdeno, etc., que sirven para mejorar alguna de sus

características fundamentales. (1)

También puede considerarse aceros aleados a los que contienen alguno de los

cuatro elementos diferentes del carbono que antes se han citado, en mayor

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cantidad que los porcentajes que normalmente pudieran contener los aceros al

carbono, y cuyos límites superiores suelen ser generalmente los siguientes:

Si=0.50%; Mn=0.90%; P=0.100% y S=0.100%. (1)

Los elementos de aleación que más frecuentemente se utilizan para la

fabricación de aceros aleados son: níquel, manganeso, cromo, vanadio,

wolframio, molibdeno, cobalto, silicio, cobre, titanio, circonio, plomo, selenio,

aluminio, boro y niobio.

La influencia que ejercen esos elementos es muy variada, y, empleados en

proporciones convenientes, se obtienen aceros con ciertas características que,

en cambio, no se pueden alcanzar con los aceros ordinarios al carbono.

Utilizando aceros aleados es posible fabricar piezas de gran espesor, con

resistencias muy elevadas en el interior de las mismas. En elementos de

máquinas y motores se llegan a alcanzar niveles de dureza altos con gran

tenacidad. Es posible fabricar mecanismos que mantengan elevadas

resistencias, aún a altas temperaturas. (1)

En la industria de la manufactura de equipo pesado es común buscar fórmulas

que permitan elevar el desempeño de sus componentes dadas las características

de trabajo y ambientales a las que están sometidos. Debido a ello, los aceros

endurecidos superficialmente mediante procesos de carburación han resultado

de gran utilidad ya que por medio de este proceso de endurecimiento, se pueden

tratar térmicamente áreas de trabajo específicas según las aplicaciones

requeridas, logrando con esto una mayor resistencia de dicha superficie a la

indentación, fatiga y desgaste, pero a su vez conservando la tenacidad necesaria

en la masa interna de la pieza endurecida superficialmente, con esto, se logran

diseños más robustos y económicos. Sin embargo un fenómeno frecuente que

se presenta al unir piezas de acero mediante procesos de soldadura por arco es

la aparición de fisuras, las cuales, hasta el momento, representan un costo

"oculto" dentro de las operaciones de manufactura. Si se cuantifica este costo

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"oculto" como lo muestra la Figura 1.1, se puede observar que inclusive se

pudieran lograr beneficios para este fabricante en particular si se logra minimizar

el problema de fisuras en sus estructuras metálicas, las cuales utilizan acero

forjado de baja aleación 41B17 (modificado) el cual es sometido a un proceso de

carburación en gas a una temperatura de 927 °C, para después ser templado,

revenido y posteriormente unido a una estructura metálica medíante el proceso

GMAW (Gas Metal Are welding).

Porcentaje de rechazo y costo del

componente rechazado por fracturas

Mes/Año

í Costo por componentes •% Rechazo

$25,000.00

$20,000.00

$15,000.00

$10,000.00

$5,000.00

$- caic

oQ.

Eo

01"O

o

Figura 1.1 Porcentaje de rechazo y costo de los componentes fisurados, Cortesía deCaterpillar México S.A de C.V

1.2 Objetivo general

Recopilar y analizar información bibliográfica relacionada con la generación de

fisuras en aceros aleados que han sido tratados térmicamente y unidos mediante

GMAW, esto con el fin de encontrar las posibles causas que dan lugar a la

aparición de fisuras en un componente tratado térmicamente y después unido

con soldadura.

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1.2.1 Objetivos específicos

• Caracterización de una pieza con fisuras/fracturas después de que fue

tratada térmicamente y al final soldada por GMAW. Las pruebas a realizar

serán:

o Medición y análisis de química del acero.

o Medición y análisis de dureza superficial y microdureza de las

partes carburizadas.

o Prueba con partículas magnéticas.

o Fractografía de la pieza de estudio para buscar inicio de

fisura/fractura.

o Análisis mediante microscopio electrónico de barrido para revelar

tipo de fractura (intergranular / trasgranular).

o Macroataque y micrografías de partes de la pieza carburizada para

revelar microestructura del material.

• Documentación de las pruebas realizadas a la pieza.

• Análisis y discusión de los resultados obtenidos de la caracterización.

1.3 Justificación

La realización de este trabajo ayudará a comprender el mecanismo que rige el

fenómeno de aparición de fisuras que se presentan en la pieza que se está

analizando, y asimismo, es de interés para el fabricante de este producto la

reducción del porcentaje de rechazo relacionado con fisuras en dichos

componentes ya que en los últimos 2 años este porcentaje ha estado alrededor

de un-10% del total de la producción generada mensualmente, lo que representa

un promedio de 6 ensambles por mes que hay que re-trabajar debido a estas

grietas en el componente, generando con esto, un costo extra para el producto y

los clientes finales.

1.4 Planteamiento del problema

En la empresa Caterpillar México S.A de C.V se trabaja con acero aleado AISI

41B17 forjado y endurecido selectivamente mediante un proceso de tratamiento

térmico de carburación gaseosa a una temperatura de autenización de 927 °C.

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En dicho componente (desde este momento denominado componente de estudio

o rodamiento), en los últimos años se ha tenido un porcentaje de rechazo del

10% del total de la producción mensual, esto debido a fisuras encontradas en

partes maquinadas del componente. Según la estadística obtenida de los

registros de Caterpillar México, se tiene que un 86.9% de las fisuras se

encuentran en el agujero maquinado de 8.7 mm (denominado "grasera") y sólo

un 10.2% en la parte esférica del componente la cual ha sido afectada

directamente por el proceso de carburizado (Figura 1.2 y Figura 1.3). Dichas

fisuras son reveladas durante la inspección hecha por el departamento de calidad

en la planta Caterpillar México a través del método de inspección por partículas

magnéticas vía seca. Todo este proceso de inspección se hace una vez que la

pieza de estudio ha sido ya unida al ensamble final por medio del proceso de

soldadura GMAW, así mismo, la pieza de estudio antes de soldarse, es sometida

a un proceso de precalentamiento a 177 °C ya que el cálculo del carbono

equivalente para éste componente, y según la ecuación utilizada introduciendo

el valor nominal de los elementos de aleación nos arroja un valor de 0.62.

Mediante la caracterización de una pieza con fisura, se pretenden analizar y

estudiar los efectos que el proceso de soldadura y los diferentes procesos previos

tienen sobre el material de estudio en la aparición de fisuras.

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O

i

Distribución de las localizaciones de fas

fracturas en el componente de estudio

Porcentaje (%)Acumulado (%)

Figura 1.2 Gráfica de Pareto con el porcentaje de fisuras según el lugar en donde se

localizan, cortesía CAT México S.A de C.V.

mm

(a)"Grasera" (b) Sección afectada porcarburización gaseosa

Figura 1.3 Partes especificas donde se generan fisuras en el componente de estudio (a)agujero de 8.7 mm denominado "Grasera", (b) Sección de la pieza afectada por elproceso de carburización gaseosa. Cortesía CAT México S.A de C.V.

1.5 Aportación tecnológica

Integración de un documento de consulta que describa las condiciones bajo las

cuales se presentan las fisuras en componentes carbuhzados en gas, templado

y revenidos, para posteriormente ser precalentados y soldados por GMAW.

1.6 Alcance

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El presente trabajo de reporte de proyecto comprende el estudio de la

caracterización de una pieza de acero aleado 41B17 modificado, endurecido

mediante el proceso de carburízado selectivo, temple y revenido para después

ser precalentado y soldado con el proceso de GMAW, así mismo, analizar las

condiciones que dan lugar a la aparición de fisuras posteriores a la unión del

componente en el ensamble final.

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CAPITULO 2. MARCO TEÓRICO

2.1 Aceros para rodamientos

Se le da el nombre de rodamiento al componente de un equipo mecánico utilizado

en la minería o en la construcción el cual permite que una parte gire o se mueva

en contacto con otro componente con la menor fricción posible. Algunas

funciones adicionales que estos elementos tienen es la transmisión de cargas y

también actúan como sistema a prueba de error ya que no permiten que el resto

de los elementos del equipo mecánico se ensamblen sin una secuencia

determinada. Un rodamiento puede sostener cargas estáticas, así como también,

grandes cargas cíclicas. Los aceros están bien adaptados en este contexto, y en

sus muchas formas, representan el material de elección en la fabricación de

rodamientos. Los rodamientos se pueden dividir en bolas, cilindros y barriles. Los

procesos de manufactura para la elaboración de los elementos de rodamiento

involucran una alta tasa de reducción de materia prima por deformación plástica

en procesos de fundición dentro de lingotes de sección cuadrada. La deformación

ayuda a romper la estructura de fundición y eliminar porosidades. Las

palanquillas se reducen aún más en la sección por laminado, son tratadas con

calor para reducir dureza y se cortan en longitudes adecuadas para la fabricación

de rodamientos. Por otro lado los elementos para rodamientos son templados y

revenidos a la dureza requerida. La capacidad del material para hacer frente a

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cada paso en la secuencia de los procesos de fabricación es fundamental para

el éxito o la falla del material. (2)

Sólo hay dos categorías de aceros que encuentran aplicación en la mayoría de

los rodamientos; los que se endurecen a lo largo de sus secciones en una

condición martensítica o bainítica, y otros que tienen núcleos suaves pero las

capas superficiales son endurecidas por inducción o flama. A continuación se

presentan en la Tabla 2. 1 y Tabla 2. 2.

Tabla 2.1 Composición química (% e. p.) de aceros para rodamientos. (2)GRADO C Mn Si Cr Ni Mo Cu S P OTROS

AIS11070 071 076 02 009 008 002 007 0012 0006

Er»31 0.90-1.20 0 30-0 75 0 10-0 35 100-1 60 0 05 0.05

SAE 52100 0 98 0 38 0 16 1 39 0 07 0 02 012 006 012

"1C-1 5Cr" 0 98-1 10 015-0 35 0 25-0 45 1 30-160 <0 25 <0.10 <0 35«0 025

<0025

ShKM 098-1 03 018-0 29 0 17-0 28 0 38-0 47

ShKh15 105 0 28 028 15 011 0.06 0015 0.013

SUJ-2 097 038 02 1 35 008 003 0 11 0 005 0016O 0 0005 Al

0 009 Tí 0 0023

MMM(SKF 3M) Mo modified 52100 025 <0 015

"1C-1 5Cr-Mo" 098 045 0 97 198 0 42C0 002

<0 011

"Si-MO" 0 96-1 12 0 56-0 66 0 49-0 70 0 23-0 33

100CrMo7-3 0 97 066 027 1 79 0 11 026 0 15 0 007 0 009O0 0005A)

0 034

52CB 085 035 0 85 0.9 06

Microalloved 0 44 0.99 043 0004 0 009 VO 10

4320 0 21 0 62 02 0 49 1.73 02 918 9 91§ 0.01 1

1070M 0 68 0 95 017 013 0 11 0 05 0 19 0.022 0 009

S53C 0 53 0 74 019 0 02 0 015 O0 008

SMn60 06 1 22 024 0011 0007 O 0 008

SMn65 066 1.19 0.24 0009 0006 O 0 009

SAE 1072 0 74 1 18 023 0 009 0008 O 0 007

80CrMn4 0 78 0 78 0 24 0 82

100Cr2{W1) 0 9-105 025-045 015-0 35 0.4-06 <0.30 <0 30 «0 025 0.03

SAE 51100 097 0 39 025 1 04 0013 002

10OCrMnMo8 090-105 080-1 10 040-0 60 1 80-2 05 <0 30 050-0 60 <0 30<0025

0 03

GCrSiWV 098 049 0.75 15 0004 0012 W1.21.V0.29

Tabla 2. 2 Composición Nominal de aceros para rodamiento carbuhzados. (3)

Grado C (%) Mn (%) Si (%) Cr (%) Ni (%) Mo (%)

4118 0.2 0.8 0.22 0.5 0.11

5120 0.2 0.8 0.22 0.8

8620 0.2 0.8 0.22 0.5 0.55 0.2

4620 0.2 0.55 0.22 1.82 0.25

4320 0.2 0.55 0.22 0.5 1.82 0.25

3310 0.1 0.52 0.22 1.57 3.5

SCM420 0.2 0.72 0.25 1.05 0.22

20MnCr5 0.2 1.25 0.27 1.15

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2.1.1 Aceros al boro

Los aceros al boro se obtienen mediante la adición de una cantidad pequeña de

éste elemento a los aceros. El boro aumenta la templabílidad del acero aún y

cuando se agregan cantidades que van hasta 0.001 %, esto es debido a que

también se combina con el carbono para formar carburos que dan al acero

características de revestimiento duro. (4)

El aumento de la templabílidad se consigue mediante el uso de aceros con un

moderadamente alto contenido de carbono, generalmente en el intervalo de 0.20

a 0.25%, el manganeso en aproximadamente 1.2% y una adición de boro que va

de 0,0005 hasta 0.001%. Con éstas químicas, se pueden alcanzar resistencias a

la tensión de hasta 1400 MPa fácilmente. En la industria, los aceros usados en

el proceso de estampado en caliente son conocidos comúnmente como aceros

al boro. (4)

La función del boro es retrasar la aparición de la ferrita en la austeníta durante el

enfriamiento en un tratamiento térmico, con esto, se logra que una mayor parte

de la austenita se convierta en martensita o en su defecto en bainita. El retraso

que causa el boro para la formación de ferrita se produce por la precipitación del

boro en los límites de grano austeniticos, que es donde inicialmente se forma la

matriz ferrítica en los aceros preutectoides, cuando el boro precipita en dichos

límites de grano, la energía interna en esa zona decrece, obstaculizando la

aparición de ferrita. (4)

En la Tabla 2. 3 se enlistan las nomenclaturas estándar para los aceros, en dicho

listado podemos ver los aceros grado 41 y los modificados con boro (B).

Tabla 2. 3 Relación del contenido de aleación en el acero y los dos primeros dígitos de sunombre para el acero en el caso de estudio de este documento. (5)

Nombre numérico del acero Aleación Clave

10XX Acero al carbono

11XX Acero al carbono

13XX Manganeso

23XX Níquel

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25XX Níquel

31XX Níquel-cromo

33XX Níquel-cromo

303XX Níquel-cromo

40XX Molibdeno

41XX Cromo-Molibdeno

43XX Níquel-Cromo-Molibdeno

44XX Níquel-Molibdeno

46XX Cromo

47XX Cromo

48XX Cromo

50XX Cromo

51XX Cromo

501XX Cromo

511XX Cromo

521XX Cromo

514XX Cromo

515XX Cromo

61XX Cromo-Vanadio

81XX Níquel-Cromo-Molibdeno

86XX Níquel-Cromo-Molibdeno

87XX Níquel-Cromo-Molibdeno

88XX Níquel-Cromo-Molibdeno

92XX Silicio-Manganeso

93XX Níquel-Cromo-Molibdeno

94XX Níquel-Cromo-Molibdeno

98XX Níquel-Cromo-Molibdeno

XXBXX Boro

XXLXX Plomo

12

2.1.2 Diámetro Ideal

El diámetro ideal es una medida utilizada para definir la templabílidad de un

acero, se usa para comparar la respuesta al endurecimiento de distintos aceros

en el mismo medio de temple.

Se dice que el diámetro critico ideal (Di) es el diámetro de una barra enfriada en

un medio de temple infinito (ideal) para la cual se forma el 50% de martensita en

el centro. El diámetro crítico real (De) es el diámetro de una barra enfriada en un

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13

medio de temple cualquiera (real) para la cual se forma el 50% de martensita en

el centro.

Factores que afectan el diámetro ideal:

- Tamaño de grano austenitico

- Contenido de carbono

- Contenido de elementos aleantes.

Un incremento de cualquiera de estos tres factores, reduce la velocidad a la cual

pueden ocurrir las transformaciones controladas por difusión de la austenita, y

por lo tanto, hacer mayormente posible la formación de martensita a una

velocidad de enfriamiento dada. (6)

En la Figura 2. 1 se muestra la relación entre el diámetro ideal, contenido de

carbono y el tamaño de grano austenitico. Este gráfico es utilizado para

establecer una templabílidad base, Di, para un acero basándose en su contenido

de carbono y tamaño de grano. La templabílidad base se multiplica luego por

factores dados en la Figura 2. 2 para varias concentraciones de elementos

aleantes. (6)

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0.38

U.oo

0.34

0.32

o. 0.30

O

re 0.28U

o 0 26

\

f/

Á Ya•m(L)

¡= 0.24 Va0.22 A

/

0.20

0.18

>f m +

0.16

0.2 0.4 0.6

% Carbono

0.8

14

Figura 2.1 Templabílidad expresada como diámetro crítico ideal en función del tamaño degrano austenitico y del contenido de carbono en aleaciones Fe-C. (6)

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OT3

u

3

O 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 i.2 M 16 U 2.0

% del elemento 2.5 3.0

Abscisa para alto Níquel

15

35

Figura 2. 2 Factores multiplicadores en función de la concentración de varios elementosaleantes de los aceros. (6)

2.1.2.1 Tamaño de grano austenitico

El tamaño de grano se refiere al número de granos por unidad de área en

términos de diámetro promedio. El tamaño del grano puede ser importante tanto

antes como después del endurecimiento en una parte. El tamaño de grano antes

del endurecimiento influye en la templabílidad de un material. La templabílidad de

un acero al carbono pudiera aumentar hasta un 50%, con un aumento en el

tamaño de grano austenitico desde ASTM 8 (grano fino) hasta ASTM 3 (de grano

grueso). Los requerimientos de tamaño de grano después del endurecimiento por

inducción son importantes si hay especificaciones sobre el tamaño de grano

martensítico después del temple. (En este caso el tamaño de grano martensítico

es la única manera de medir el tamaño de grano austenitico antes del temple.)

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16

Mientras que hay diferentes procedimientos que se pueden emplear para medir

el tamaño de grano, uno de los métodos más comunes es la comparación con

las gráficas estándar. Las gráficas estándar permiten que las partes puedan ser

vistas a 100* y puedan ser comparadas con los diagramas/gráficas y objetos

calibrados para determinar el tamaño de grano, como se ilustra en la Figura 2. 3

y Figura 2. 4. (7)

A menudo es difícil determinar el tamaño de grano austenitico anterior en una

mícroestructura totalmente martensítíca. Cuando el tamaño de grano austenitico

se vuelve lo suficientemente grande, a veces un vago tamaño de grano

austenitico anterior puede ser visto a través de la orientación de los diferentes

paquetes de martensita. (7)

Figura 2. 3 Tamaño de grano N° 8. En la parte superior, la red hexagonal idealizada para lamedia de tamaño de grano N° 8, la escala ASTM, 128 granos / pulg2. Inferior, norma ASTMtamaño de grano N° 8, de 96 a 192 granos / pulg2. 50x. (7)

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17

jasms.

Figura 2. 4 Tamaño de grano No. 3. Izquierda, red hexagonal idealizada para la mediatamaño de grano N° 3, la escala ASTM, 4 granos / pulg2. Derecho, norma ASTMtamaño de grano No. 3, de 3 a 6 granos / pulg2. 50x. (7)

2.1.3 Templabílidad mediante ensayo Jominy

Una forma de evaluar la templabílidad de un material es mediante el ensayo

Jominy y Boegehold. Ésta tiene la ventaja de caracterizar la templabílidad de un

acero dado mediante una probeta redonda. En la Figura 2. 5 y Figura 2. 6 se

muestra la forma y dimensiones de la probeta Jominy y el sistema para soportar

la probeta en un medio de temple, también, la gráfica utilizada normalmente para

registrar las durezas encontradas con su tasa de enfriamiento. (6)

Hetghlülunlmpededwater iet *

• I

T- Water al

TI 75T^5°I1 Lgj— W 1.0. orillee

From quick-opening valve

"/iM-D—-fí —

No. 20 drill10-32tap,W deep

Figura 2. 5 Probeta Jominy para ensayo de templabílidad. (6)

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Aír-cooledJominy emj

specimen JV • /

Water-quenchedend

Nozzle •

V25 mm

'fmh^*-Water sPray

BpagpaaHcoa .•VaTTyiVTTX'C-Mi

Drain

Test specimen

Watei

inlet

W3ter tnlet

Water

impingement

Guertched

Cooling rate

490 T/3 (270 "Cía)125 "F* (70 "Os)

32»F7sí1B*Cfe)I 10 -T/5C6 *Cfe)

18

16"/l 6 •y SL) ••• ce 1rom que nct ecl íxndJ|.

'»/.*** .»*. «..i •••• .... .... ««•» ».« H . ..

¡

60

SO-

40 ^

30

20

10 -

0 1 .1 1

1.0 2.0

Distance from quenched end.3.0

Figura 2. 6 Prueba de templabílidad Jominy fin-templado. Izquierda: probeta de pruebaestándar final-templado. Derecha: Gráfico de dureza y tasa de enfriamiento en función dela distancia desde el extremo del temple. (6) _

La probeta se enfría en un extremo por un chorro o columna de agua de tal modo

que toda la probeta experimenta un rango de velocidades de enfriamiento

asociadas al agua y al aire. Después del temple, se rectifican planos paralelos en

la probeta y se realizan medidas de dureza cada 1/16 pulgadas (1.6 mm) desde

el extremo templado. De esta manera, se pueden comparar fácilmente

diferencias en la templabílidad de diferentes grados de acero mediante las curvas

Jominy.

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En la Figura 2. 7 se muestran las diferencias de templabílidad entre diferentes

grados de aceros aleados con un conteniendo de carbono de 0.5%. En los aceros

más templables, se mantienen mayores durezas a distancias más alejadas con

respecto del extremo templado. (6)

Distancia desde el extremos templado en Pulg.

13

io

oce

c

reM

£Q

0 0.5 1.0 1.5 2.

60

t1

"

I

. "^5 ^ v.

50 \x ^X\ vV>\>s, -

40 \v "»-

k 4150H-8750H

30

20

N

_J650H•

.

10 l__

0 4 8 12 16 20 24 28 32

Distancia desde el extremos templado. Dieciseisavos de pulgada.

Figura 2. 7 Resultados de ensayos Jominy para cuatro aceros de distinto grado dealeación, todos con porcentaje de carbono de 0.50%. (6)

El ensayo Jominy está normalizado por ASTM (ASTM Method A 255) y por la

SAE Standar J406. La Figura 2. 8 muestra el método de presentación de los datos

del ensayo Jominy para una probeta de acero AISI 8650.

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o

"ai5j¿u

oce

c

(D

roM

<L>L.

O

70

60

50

40

30

20

10

Tasa de enfriamiento aproximada, °F/s a 700°C(1300 °F)

2ÍE TTT100 CM IV

fpr11 8 5.5 <?"?= ^ 4 3.3 2.8 2.5 2.2

©>0 020 15 10 9 8 7 6 5 4.5 4

I I IAISI 8650i i i

0.98% Mn 0.47% Cr

0.29% Si 0.19% Mo

Graln size, 7-8

Normalizing temperature. 845 °C (1550 °F)Quenchlng temperature, 815 °C (1500 T)

10 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40

Distancia desde el extremos templado. 1/16 pulgada.

20

"C/s

"F/s

Figura 2. 8 Método para presentar los datos del ensayo Jominy. Los datos presentadosrepresentan muestras obtenidas de acero AISI 8650. Observar la relación entre la velocidadde enfriamiento (arriba) y la distancia al extremo templado.

En la prueba Jominy, la velocidad de enfriamiento es el parámetro que determina

la cantidad de martensita formada y, por lo tanto, el grado de dureza que se

desarrolla en un dado punto de una probeta de acero.

El uso de los datos Jominy es un método muy preciso para seleccionar aceros

con la templabílidad justa para una dada distribución de durezas requeridas.

2.2 Aceros endurecidos por carburación

Los aceros endurecidos por carburación son aceros que fueron endurecidos

superficialmente y por lo general son aceros de bajo carbono y aceros aleados

de bajo carbono, regularmente entre 0.08 a 0.25 % C (8).

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21

2.2.1 Definición

Los aceros carburizados son aquellos que han sido sometidos a un

endurecimiento superficial por difusión de carbono mediante alguno de los

sistemas ya conocidos, como lo son, la exposición de gas de carbono o la

inmersión en líquido o proceso de carburización en sólido. Estos procesos

consisten en dar un baño de carbono al acero, para así, y después de una serie

de pasos subsecuentes, aumentar la dureza superficial del acero, con esto se

agregan características de resistencia a la fricción, resistencia a la fatiga y al

desgaste en los materiales tratados con este método. Son varios los aceros que

se pueden carburizar, entre ellos están el 1015, 1020, 1022, 1117, 1118, 4118,

4320, 4620, 4820, y 8620. Cuando se efectúa la carburación casi siempre se

produce una dureza superficial de HRC 55 a 64 (Rockwell C) o de HB 550 a 700

(Brinell).

2.2.1.1 Difusión

La difusión es el movimiento de los átomos en un material. Los átomos se

mueven de una manera predecible, tratando de eliminar diferencias de

concentración y tratando de producir una composición homogénea y uniforme. El

movimiento de los átomos es necesario para muchos de los tratamientos que

llevamos a cabo sobre los materiales. Es necesaria la difusión para el tratamiento

térmico de los materiales, la manufactura de los cerámicos, la solidificación de

los materiales, la fabricación de transistores y celdas solares y la conductividad

eléctrica de muchos cerámicos. (9)

La capacidad de los átomos y de las imperfecciones para difundirse aumenta

conforme se aumenta la temperatura, o los átomos incrementan su energía

térmica. La razón de movimiento está relacionada con la temperatura o energía

térmica, mediante la ecuación de Arrhenius:

Razón de movimiento = c0 exp í—j (9)

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22

Donde:

co = Constante

R = Constante de los gases (1.987 cal/mol*K)

T = Es la temperatura absoluta en K

Q = Es la energía de activación (cal/mol) requerida para que una imperfección se

mueva.

2.2.1.1.1 Mecanismos de difusión

Autodifusion: Se define este nombre cuando en materiales puros, los átomos se

mueven de una posición a otra en la red cristalina. Aunque la autodifusion ocurre

de manera continua en todos los materiales, su efecto en el comportamiento del

material no es importante.

Difusión de átomos distintos en los materiales: Si se suelda una lámina de níquel

a una lámina de cobre, los átomos de níquel gradualmente se difunden en el

cobre y los de cobre emigran hacia el níquel. Al transcurrir el tiempo, los átomos

de níquel y cobre quedarán uniformemente distribuidos. (9)

2.2.1.1.1.1 Difusión por vacancia

En la autodifusion y en la difusión de átomos sustitucionales, un átomo abandona

su sitio en la red para llenar una vacancia cercana (Creando así una nueva

vacancia en su lugar original en la red). Conforme continúa la difusión, se tiene

un flujo de vacancias y átomos en sentidos opuestos conocido como difusión por

vacancia. El número de vacancias, que se incrementa al aumentar la

temperatura, ayuda a determinar la extensión tanto de la autodifusion como de la

difusión de los átomos sustitucionales. (9)

2.2.1.1.1.2 Difusión Intersticial

Cuando en la estructura cristalina esté presente un pequeño átomo intersticial,

este átomo pasará de un sitio intersticial a otro. Para este mecanismo no es

necesario que existan vacancias. En parte porque el número de sitios

intersticiales es mucho mayor que el de vacancias, por tanto, se espera que la

difusión intersticial sea rápida. (9)

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23

En la Figura 2. 9 se ejemplifica como se da la difusión de átomos de cobre en

níquel. Finalmente los átomos de cobre quedarán disueltos aleatoriamente en

todo el níquel.

En la Figura 2. 10 se presentan los mecanismos de difusión en los materiales,

difusión por vacancia o sustitución y la difusión intersticial.

a a aOOO0 o a-0~ Q

* a-OOOoo

a o o-QO

Cu Ni

o 0 a OOOa a a a 0O« O OOooo OOOa a a Oa a OOOO

aOOOo Oo& O • da a 00«a O d O o OO» # OOO a ©a a

Dblanaa

g

•o

«p¿i

i

a•8

©

o

f

i 00

l()0

Antes de la

difusión

Después de laíliftisióri

Distancia

Figura 2. 9 Difusión de átomos de cobre en níquel. Finalmente los átomos de cobrequedarán disueltos aleatoriamente en todo el níquel. (9)

Page 32: COMIMSA · aceptada para su defensa como Especialista en Tecnología de la Soldadura Industrial. El Comité Tutorial ... 2.1.3 Templabilidad mediante ensayo Jominy 17 2.2 Aceros endurecidos

Vacancia

<«)

«OLOO Q®L0

OOO OOO

(61

24

Figura 2.10 Mecanismos de difusión en materiales: (a) Difusión de átomos por vacanciao por átomos sustitucionales y (b) difusión intersticial. (9)

2.2.1.1.2 Energía de activación para la difusión

Un átomo que se difunde debe oprimir a los átomos circundantes para llegar a su

nuevo sitio. Para que esto ocurra, deberá proporcionársele energía a fin de que

llegue a su nueva posición, como se observa en la Figura 2. 11. Él átomo

originalmente está en una ubicación de baja energía y relativamente estable. A

fin de pasar a un nuevo sitio, el átomo debe vencer una barrera energética. La

barrera energética es la energía de activación Q. El calor le proporciona al átomo

la energía que requiere para vencer esta barrera. En la difusión intersticial las

energías de activación son menores que en la difusión por vacancias. (9)

fMetslidad

Figura 2. 11 Se requiere de una energía alta para hacer pasar los átomos entre otrosdurante la difusión. Esta energía es la energía de activación Q. En general, se requiere demás energía en el caso de un átomo sustitucional que en un átomo intersticial. (9)

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2.2.1.1.3 Velocidad de difusión (Primera ley de Fick)

La velocidad a la cual se difunden los átomos en un material se puede medir

mediante el flujo J, que se define como el número de átomos que pasa a través

de un plano de superficie unitaria por unidad de tiempo (Figura 2. 12)

' Ax

Donde:

J = Flujo (átomos/cm2*s)

D = Difusividad o coeficiente de difusión (cm2/s)

—= Gradiente de concentración (átomos/cm3*cm)

(9)

Área uniíaria

Figura 2.12 El flujo durante la difusión queda definido como el número de átomos quepasa a través de un plano unitario por unidad de tiempo. (9)

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2.2.1.1.4 Perfil de composición (Segunda ley de Fick)

La segunda ley de Fick, que describe el estado dinámico de la difusión de los

átomos, es la ecuación diferencial dc/dt = D(d2 c/dx2), cuya solución depende de

las condiciones a la frontera para una situación en particular. Una solución de

esta ecuación es:

Cs-Cx

Cs-Co ™(út) w

Donde:

Cs = concentración constante de los átomos a difundir en la superficie del material.

Co = es la concentración inicial en el material de los átomos a difundir.

Cx = es la concentración del átomo en difusión en una posición x por debajo de la superficie después de un tiempo t.

Erf = función error y se obtiene de valores de tablas.

D = Coeficiente de difusión.

La solución de la segunda ley de Fick nos permite calcular la concentración de

una de las especies en difusión cerca de la superficie del material en función del

tiempo y la distancia, siempre y cuando el coeficiente de difusión D permanezca

constante y las concentraciones del átomo en difusión en la superficie Cs y dentro

del material Co se mantengan sin modificación. La segunda ley de Fick también

puede ayudarnos a diseñar una diversidad de técnicas de procesamiento de

materiales, incluyendo tratamiento térmico del acero. (9)

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• o

• •

0 0

0.10 0.1125

0.20 0.2227

a jo 0J2Stó

0.40 0.4284

0.50 0.5205

0.60 0,60390.70 0.6778

OJO 0,7421

aso moto

1.00 0.8427

uo 0.9661

2.00 0.9953

999(3999999!9999999999

199999

1.0

0.8

0.6

ti 9.4

O.t

,jj> 9JS 9 9l39 9 9 9#99999

CT0 9 9 99 9 9 9 9

1.0

• ••*

17%

2.0

Cowpastóén<íscasto tiempo

27

Composición sajó*)

Etólascí*

Figura 2. 13 Difusión de átomos en la superficie de un material, ilustrando el uso de lasegunda ley de Fick. (9)

2.2.2 Proceso de carburación

La carburación es un proceso de cementación, en el cual el carbono se disuelve

por difusión en las capas superficiales de una pieza de acero de bajo carbono, a

una temperatura suficiente para hacer que el acero alcance la temperatura de

austenización, esto es seguido de un proceso de temple y revenido, para al final

formar una microestructura martensítica.

El gradiente resultante en contenido de carbono por debajo de la superficie de la

pieza causa un gradiente de dureza, lo que produce un material con una capa

superficial fuerte y resistente al desgaste. Este proceso por lo general se emplea

en los aceros de bajo carbono, los cuales son fácilmente manufacturables. (10)

(8)

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28

2.2.2.1 Proceso de carburación en líquido

La carburación en líquido es un método de cementación de capa superficial para

partes de metales ferrosos, esto se da a través de mantenerlos cerca de la

temperatura de transformación (Aci; 723°C) dentro de un baño de sales. La sal

se descompone y libera el carbono y algunas veces el nitrógeno, los cuales

difunden en la superficie del metal de trabajo, así que un alto grado de dureza

puede ser desarrollado durante el temple. (11)

Muchas bañeras de carburación contienen algo de cianuro, el cual introduce a la

superficie a ambos elementos, carbono y nitrógeno. Se debe de señalar que el

proceso con cianuro produce problemas en el medio ambiente y la salud en el

tratamiento de los desechos de las sales, por esta razón se ha declinado su uso

en las últimas décadas. (11)

2.2.2.2 Proceso de carburación en solido

La carburación en solido es un proceso en el que el monóxido de carbono deriva

de un compuesto sólido que se descompone en carbono naciente y dióxido de

carbono en la superficie del metal. El carbono naciente se absorbe entonces en

el metal de trabajo. El dióxido de carbono resultante de esta descomposición,

reacciona inmediatamente con material de carbono presente en el compuesto de

carburación sólido para producir monóxido de carbono fresco. Esta reacción se

ve reforzada por energizadores o catalizadores, tales como carbonato de bario

(BaCÜ3) y carbonato de sodio (Na2CÜ3), que están presentes en el compuesto

de carburación. Estas sustancias reaccionan con carbono para formar monóxido

de carbono adicional y un óxido del compuesto energizante. Este último, a su

vez, reacciona parcialmente con dióxido de carbono para volver a la forma de

carbonato. Por lo tanto, en un sistema cerrado, el energizador está siendo

continuamente utilizado y re-formado. La carburación continúa tanto como el

carbono está lo suficientemente presente para reaccionar con el exceso de

dióxido de carbono. En su mayor parte, la carburación sólida ha sido reemplazada

por otros métodos. Sin embargo, hay aplicaciones especiales donde se desea

carburación sólida, por ejemplo, piezas que deban ser mecanizadas

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29

(Maquinadas) después de la carburación, pero antes del tratamiento térmico final

(temple). (11)

2.2.2.3 Proceso de carburación en Gas

La carburación en gas, es la variante comercial más importante del proceso de

carburación, la fuente de carbono es una atmósfera rica en carbono dentro de un

horno que se produce ya sea a partir de hidrocarburos gaseosos, por ejemplo, el

metano (CFU), propano (C3H3), y butano (C4H10), o de hidrocarburo vaporizado

líquidos. (10). En general, la carburación en gas es la más efectiva que la

carburación en líquido y en sólido con más profundos y altos contenidos de

carbono obtenidos rápidamente. La carburación en gas es más económica y

adaptable a la producción en masa, que es la producción para grandes

cantidades de piezas a producir en un relativamente corto periodo de tiempo. La

base para asegurar que es más económica, es debido a que con la carburación

en gas se pueden alcanzar las profundidades de capa especificadas más

rápidamente evitando con esto el costo de mano de obra implícito en los otros

métodos. (11)

2.2.2.3.1 Variables de la carburación en gas

El buen funcionamiento del proceso de carburación en gas depende del control

de tres variables principales:

• Temperatura

•Tiempo-

• Composición de la atmósfera

Otras variables que afectan a la cantidad de carbono transferido a las partes

incluyen el grado de la circulación de la atmósfera y el contenido de aleación de

las partes que serán carburizadas. (10)

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30

Temperatura

La velocidad máxima a la que el carbono se puede añadir al acero está limitado

por la velocidad de difusión del carbono en la austenita. Esta tasa de difusión

aumenta considerablemente con el aumento de la temperatura; la tasa de adición

de carbono a 925 ° C (1700 ° F) es de aproximadamente 40% mayor que en 870

°C(1600° F). (10)

La temperatura más comúnmente utilizado para la cementación es de 925 ° C

(1700 ° F). Esta temperatura permite una cementación razonablemente rápida

sin deterioro excesivo del horno y del resto del equipo, en particular, de los

blindajes aleados del mismo y los accesorios. Las temperaturas de carburación

son algunas veces elevadas a 955 ° C (1750 ° F) o 980 ° C (1800 ° F) para acortar

el tiempo de cementación de piezas que requieren capas profundas. Por el

contrario, cuando tenemos capas de cementación poco profundas, el proceso se

realiza con frecuencia a temperaturas menores debido a que la profundidad de

la capa puede ser controlada con mayor precisión con una tasa de carburación

más lenta, obtenida a temperaturas más bajas. Para obtener resultados

consistentes en el proceso de carburación, la temperatura debe ser uniforme en

todo la carga. Los gradientes de temperatura a través de la carga deben

mantenerse por espacios substanciales de tiempo, mientras que las piezas están

siendo calentadas a la temperatura de carburación. Debido a que las piezas en

el exterior de la carga llegarán primero a la temperatura del horno, éstas

comenzarán la carburización antes que las piezas en el interior de la carga. El

resultado será la variabilidad en la profundidad de capa de pieza a pieza y dentro

la misma. Aunado a esto, el hollín puede ser depositado sobre las partes frías

expuestas a una atmósfera carburante, por lo tanto, para el mejor resultado, la

carga de trabajo debe ser calentada a una temperatura de carburación casi

neutra en la atmósfera del horno. En los hornos de proceso por lotes, las piezas

pueden ser calentadas en Endogas hasta que lleguen a la temperatura del horno;

entonces la carburación puede comenzar con la adición del gas enriquecedor.

Muchos de los nuevos hornos continuos se están construyendo con cámaras de

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31

precalentamiento separadas para asegurar que la carga está en una temperatura

uniforme antes de entrar en la zona de carburación. En los hornos continuos en

donde la falta de separación positiva entre la calefacción y las etapas de

carburación, lo mejor que se puede hacer es:

• Añadir sólo Endogas a la parte delantera del horno

• Establecer un flujo interno de adelante hacia la parte posterior de la atmósfera

de los gases mediante el ajuste de las tasas de flujo y el tamaño del orificio en

los conductos de evacuación de cualquiera de los extremos del horno.

En los hornos de proceso por lotes, el termopar utilizado para el control de la

temperatura está generalmente programado para que llegue a su temperatura

antes que la carga de trabajo lo haga. En hornos continuos que no son

positivamente separados en zonas, el termopar en la primera zona (utilizado para

la calefacción) debe ser colocado cerca del final de dicha zona. Esta evita el

sobrecalentamiento de la carga de trabajo. El termopar de control se coloca

generalmente cerca del centro de la zona de carburación. Si la última zona está

a una temperatura más baja que la zona de carburación, el termopar de control

por lo general se coloca cerca de la descarga final de la zona. (10)

Tiempo

El efecto del tiempo y de la temperatura en la profundidad total de capa, se

muestra en la Figura 2. 14. Los datos fueron publicados originalmente en 1944,

se calcularon asumiendo austeníta saturada en la superficie de la piezas de

trabajo. Cuando el contenido de carbono de la superficie se controla de manera

que es menor que el valor de saturación, las profundidades de capa serán

menores. La Figura 2. 15 muestra cómo el tiempo de carburízado disminuye al

aumentar la temperatura de carburación para una profundidad de capa de 1,5

mm (0,06 ¡n.). Además, para lo que es el tiempo a la temperatura de carburación,

se pueden requerir varias horas para llevar cargas de piezas grandes, o pesadas

cargas de piezas pequeñas a la temperatura de operación. Para el trabajo del

temple directo desde el horno de cementación, el ciclo puede alargarse más al

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añadir el tiempo de enfriamiento desde la temperatura de carburación de

aproximadamente 843 ° C (1550 ° F) antes del temple. Si la carga de trabajo se

expone a la atmósfera de cementación durante el calentamiento, se producirá

algo de carburación antes de que empiece el proceso de carburación tal cual. Del

mismo modo, la difusión adicional e intercambio de carbono con la atmósfera

ocurrirá durante el enfriamiento antes de la inactivación. Por lo tanto, la

profundidad de capa real puede diferir significativamente de los valores listados

en la tabla de la Figura 2. 14.

5.0

«I *C <!««• Tí

16 20

Tiempo de carburizado, h

25

»»"C<I*S»*R 911 "C (170* T)

0.20

30

íss*c<nse*F)Tiempo

h mea la. «m in. mm in. mm to.

1 0.46 0.018 0.S3 0.021 0.64 0.025 0.74 0.0292 0.64 0.025 0.76 0.030 0.89 0.035 1.04 0.0414 0.89 0.035 1,07 0.042 1.27 0.050 1.30 0.051t 1.27 0.050 1.52 0.060 1.80 0.071 2.11 0.083

12 1.55 0.061 1.85 0.073 2.21 0.087 2.59 a 10216 1.80 0.071 2.13 0.084 2.54 - 0.100 2.97 0.11724 2.18 0.086 2.62 0.103 3.10 0.122 3.66 0.14430 2.46 0.097 2.95 0.116 3.48 0.137 4.09 0.161

Figura 2. 14 Patrón de profundidad de capa total contra el tiempo de carburación a cuatrotemperaturas seleccionadas. La gráfica ésta basada en los datos de la tabla. (10)

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GT 900

£7 <1650)

§ (1700)3

8

•o 980| (1800)1 1010I (1850)I 1035

(1900)

865(17501

4 8 12 16

Tiempo de ca rburizado, h

20

33

Figura 2.15 Efecto de la reducción del tiempo del proceso de carburizado aumentando latemperatura para el acero 8620. Profundidad de capa de 1.5 mm (0.060 in). (10)

Composición de la atmosfera

En esta discusión se supondrá que la atmósfera consiste en un gas endotérmico

portador (producido a partir de metano) que se enriquece con una adición de

metano, que sirve como la fuente del carbono siendo transportado a las piezas

de trabajo. Los principales constituyentes de la atmósfera son CO, N2, He, CO2,

H2O, y CH4. De éstos constituyentes, el N2 es inerte, actuando sólo como un

diluente. Las cantidades de CO, CO2, H2 y H2O presentes son muy cercanas a las

proporciones esperadas en el equilibrio desde la reacción reversible:

CO+H2O CO2+H2 Ec. 1

Dadas las relaciones particulares de carbono, oxígeno, e hidrógeno en la

atmósfera.

El metano esta invariablemente presente en cantidades muy por encima de las

cantidades que se habría esperado si todos los constituyentes gaseosos estaban

en equilibrio. (10)

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34

Aunque la secuencia de las reacciones implicadas en la carburación no se

conocen en detalle, se sabe que el carbono se puede añadir o eliminar

rápidamente del acero en general por las reacciones reversibles:

2CO i i C(en Fe) + C02CO+H2 •—• C(en Fe) + H20

Ec. 2

Ec. 3

Un proceso de carburación basado únicamente en la descomposición de CO

requeriría grandes velocidades de flujo de gas de la atmósfera para producir una

carburación apreciable. Como ejemplo, la pérdida de tan sólo 0.47 g de C de un

metro cúbico de gas endotérmico a 927 ° C (1700 ° F) es suficiente para reducir

la relación de CO a CO2 de 249 a 132 y de potencial de carbono de 1.25 a 0.8%.

La pérdida de 0.47 g C representa aproximadamente la misma cantidad presente

en una pieza de acero de 100 cm2 (15.5 in2.) de área superficial carburizada a 1

mm de profundidad (0.040 in). (10)

El enriquecimiento del metano de gas endotérmico proporciona carbono para el

proceso por medio de reacciones lentas tales

CH4 + C02

CH4 + H20

2CO + 2H2

CO + 3H2

como:

Ec. 4

Ec. 5

Que reducen las concentraciones de CO2 y H2O, respectivamente. Estas

reacciones regeneran CO y H2, dirigiendo de este modo las reacciones de la

ecuación 2 y 3 a la derecha. Debido a que el contenido de metano de las

atmósferas cementantes es por lo general muy por encima del contenido que se

espera en el equilibrio, y dado el CO2 y el contenido H2O presente, es evidente

que las reacciones de la ecuación 4 y 5 no se acercan al equilibrio. La suma de

las reacciones en la ecuación 2 y 4 y en la ecuación 3 y 5 esta reducido a:

CH4 C (en Fe) + 2 H2 Ec. 6

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35

Por lo tanto, con el contenido de CO2 constante y constante del punto de rocío,

el cambio de la composición de la atmósfera neta durante la cementación es una

reducción en el contenido de metano y un aumento en el contenido de hidrógeno.

En la mayoría de las operaciones comerciales, las relaciones del flujo de la

atmósfera son lo suficientemente altas y la relación de descomposición del

metano es lo suficientemente baja para evitar una gran acumulación de

hidrógeno durante un ciclo de carburación. Sin embargo, con la carburación de

cargas que tienen una gran área superficial, hay una disminución del contenido

de CO de 1 a 3% en el inicio del ciclo cuando la demanda de carbono es mayor.

Esto es causado por la dilución de la atmósfera del horno con hidrógeno.

El control del potencial de carbono durante la carburación se consigue variando

la velocidad de flujo del gas de hidrocarburo-enriquecido, mientras que se

mantiene un flujo constante de gas portador endotérmico.

Como una base para la regulación del flujo de gas enriquecido, la concentración

de algunos constituyente de la atmósfera del horno se controla midiendo:

• El contenido de vapor de agua, mediante la medición del punto de rocío.

• El contenido de dióxido de carbono, a través del análisis del gas por infrarrojos

• El potencial de oxígeno usando un sensor de óxido de circonio

Las dos primeras cantidades proporcionan medidas de potencial de carbono de

acuerdo con las reacciones de la ecuación de potencial 2 y 3. El oxígeno se

relaciona con potencial de carbono por la reacción de:

C(en Fe) + 1/202 Ec. 7

Cuando el contenido de monóxido de carbono del ambiente permanece

relativamente constante, tanto el dióxido de carbono y el oxígeno potencial

proveen buenas mediciones de carbono potencial. Para que el punto de rocío

pueda ser una medida válida de potencial de carbono, el producto del hidrógeno

y monóxido de carbono contenidos deben de ser estables. Si el contenido de

hidrógeno de la atmósfera del horno se eleva, como resultado ya sea de la

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36

carburación o deposiciones de hollín, las relaciones entre el contenido de CO2,

oxígeno potencial, punto de rocío, y el potencial de carbono serán alteradas. Por

esta razón, algunos sistemas de control de procesos incluyen el análisis infrarrojo

de CO y la medición de CO2 o potencial de oxígeno de manera que se puede

calcular un verdadero potencial de carbono para todas las condiciones de

operación. (10)

2.3 Defectos en tratamiento térmico

La mayoría de los defectos en piezas tratadas térmicamente, son atribuidas a

malas prácticas de tratamiento térmico, tales como el sobrecalentamiento,

quemado, desuniformidad en el calentamiento y/o el temple, una deficiencia en

el grado de acero utilizado, piezas con defectos, molienda inadecuada, y/o un

pobre diseño de la pieza. (12)

2.3.1 Sobrecalentamiento y quema de los aceros de baja aleación

Cuando los aceros de baja aleación son precalentados a una temperatura alta

(usualmente >1,200°C o 2,200°F) antes del trabajo en caliente (Forja) por largos

periodos (sobrecalentamiento), las propiedades mecánicas a temperatura

ambiente, particularmente la ductilidad a la tensión y la resistencia al impacto,

pueden deteriorase después de que al acero se le haya hecho un tratamiento

térmico final (Ej. Austenización, temple, y revenido). Cuando los aceros

sobrecalentados endurecidos se les realizan prueba de impacto a la temperatura

que normalmente produce una fractura dúctil, éstos fallaran en una manera frágil

intergranular. (12)

Cuando el acero de baja" aleación es precalentado antes del trabajo en caliente a

una alta temperatura, (normalmente > 1,400°C, o 2,550 °F), también ocurre una

disolución local en las fronteras de grano austenitico (Conocido como quemado),

como resultado de la segregación del fosforo, azufre y carbono. Durante el

enfriamiento, los sulfuras dendríticos se inician desde adentro de las fronteras del

grano austenitico, que luego transforma en ferrita. Esto resulta en fronteras

excesivamente débiles. Subsecuentemente al tratamiento térmico, provee una

muy pobre resistencia al impacto y casi completamente una superficie

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37

susceptible una fractura intergranular en prueba de impacto. Así que, el quemado

ocurre en una temperatura más alta que el sobrecalentamiento. Un ejemplo de

un sobrecalentamiento severo para acero 1038 se muestra en la Figura 2. 16. Sí

esto ocurre durante la forja, el forjado fracturará frecuentemente durante el

enfriamiento subsecuente al tratamiento térmico.

Figura 2. 16 Sobrecalentamiento severo de acero 1038 mostrando la fase inicial delquemado. Esboza los límites de grano de Ferrita (blanca) y los anteriores granos gruesosde austenita. La matriz consiste en ferrita (blanca) perlita (negra) (12).

2.3.2 Esfuerzos residuales

El tratamiento térmico usualmente causa esfuerzo (y tensión) relacionado con

problemas como lo son los esfuerzos residuales, fracturas de temple,

deformación y/o distorsión. Los esfuerzos residuales pueden ser definidos como

el auto equilibrador interno o candado de esfuerzo resultante dentro de un cuerpo

sin fuerza externa aplicada, restricción externa o gradiente de temperatura.

Los mayores efectos de esfuerzos residuales incluyen cambios dimensionales y

resistencia a la iniciación de fracturas. Los cambios dimensionales ocurren

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38

cuando los esfuerzos residuales (o una porción de ellos) son eliminados en un

cuerpo. En términos de iniciación de fracturas, los esfuerzos residuales pueden

ser benéficos o no, dependiendo si el esfuerzo es de compresión o de tensión.

2.3.2.1 Esfuerzos residuales de compresión

Debido a que los esfuerzos residuales son aditivos para cualquiera de los

esfuerzos aplicados, los esfuerzos residuales compresivos en las capas

superficiales son generalmente de mucha ayuda; ellos pueden reducir el esfuerzo

de tensión aplicado que podría producir una falla o fractura. Así, los esfuerzos

compresivos contribuyen al mejoramiento de la resistencia a la fatiga y a la

resistencia a la ruptura por corrosión-esfuerzo.

Como se muestra en la Figura 2. 17 el límite de resistencia a la fatiga se

incrementa con el incremento en los esfuerzos residuales de compresión en la

superficie que resultan de un tratamiento térmico y/o un procesamiento

superficial. Estos mejoramientos a la fatiga son muy significativos en

componentes que contienen concentradores de esfuerzos en su diseño, tales

como muescas, ranuras, agujeros para grasa, cigüeñales, y semiejes. Los

métodos para producir esfuerzos residuales de compresión sobre las superficies

de partes incluyen encogimiento de ajustes, ajustes de interferencia, agujeros

acuñados, y los procesos mecánicos de trabajo en la superficie tales como el

granallado y la laminación de superficie.

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-200

Surface residual stress (root of notch), ksi

-160 -120 -80 -40

1100

825

o.

550

8645 notch cold rolled

0.25 notch radius y»

1045

untempered

1045tempered

1036 —-

tempered

8630

tempered

Specimen

8645 notch warm rolled

0.25 notch radius

8645

shot peened^. _^14B35

tempered

10836

tempered

40

160

120

80

3

6.75-8645—^

tempered

8660 oil quenerted

275 -

1.750 ín.

diam

M.550in. diam60" V-notch0.025 roo! radius

8645 oil quenched

Compression-

-1375 -1100 -825 -550 -275

Surface residual stress (root of notch), MPa

- Tensión

40

275

39

Figura 2. 17 Efecto del esfuerzo residual en la superficie sobre el límite de resistencia deun acero seleccionado. Todas las muestras fueron templadas en agua excepto las que semuestran que no fueron así, y todas las dimensiones de los especímenes son dadas enpulgadas. (12).

2.3.2.2 Esfuerzos residuales de tensión

En las superficie de una pieza, no son usualmente deseables debido a que estos

pueden incrementar los niveles de esfuerzo muy efectivamente y podrían causar

fracturas de temple, grietas de rectificado, y grietas ¡mpredecibles de esfuerzo-

corrosión, también, una reducción en la resistencia y vida útil (resistencia a la

fatiga). En casos extremos, los esfuerzos residuales serían tan grandes que estos

estarían muy cerca, o inclusive serían más grandes que la resistencia del mismo

material.

Los esfuerzos residuales de tensión en el interior de un componente también

serían dañinos debido a la existencia de defectos internos. La fractura retardada,

en la ausencia de ambientes adversos y grandes esfuerzos aplicados, es

atríbuible a la acción de los esfuerzos residuales en defectos hora del material.

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40

Por ejemplo, un eje de acero con un diámetro de 17.5 cm (6.9 in) X 125 cm (49.2

in) de largo exploto en varios pedazos mientras se colocaba en el suelo. Bajo

carga normal, éste habría requerido un esfuerzo de tensión más grande que 150

MPa (22 ksi) para romperse. (12)

2.3.3 Desarrollo de esfuerzos residuales en partes procesadas

Variaciones en esfuerzos, temperatura y elementos químicos dentro del cuerpo

de la parte durante el procesamiento causan esfuerzos residuales. (12) En la

Tabla 2. 4 se da un resumen de esfuerzos residuales de tensión y compresión en

la superficie de las partes fabricadas por procesos comunes de manufactura.

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41

Tabla 2. 4 Resumen de esfuerzos residuales de tensión y compresión en la superficie departes creados por procesos comunes de manufactura (12)

Compresión en la Tensión en la superficiesuperficie •}!

Trabajo en la superficie: Disparo de Dibujos de varillas o alambres congranalla, rolado superficial, doblados y penetración profunda

demás.

Dibujos de varillas o alambres con Rolado con penetración profunda.

penetración superficial(a)

Rolados con penetración superficial(a) Estampado con penetración profunda.

Estampado con penetración superficlal(a) Tubo de hundimiento de la superficieexterna.

Tubo de hundimiento de superficie Flexión plástica del lado acortado.interior.

Acuñado alrededor de agujeros. Pulido: Practica normal y condiciones

extremas.

Flexión plástica en la parte estirada. Acero con endurecimiento directo(Através de endurecimiento)(b)

Pulido bajo condiciones suaves. Decarburación de la superficie del acero.

Martilleo Soldadura(última porción para alcanzar latemperatura ambiente)

Templado sin fase de transformación. Maquinado: Torneado, fresado.

Acero con endurecimiento directo(No los Superficies edificadas de ejes.suficientemente curtido)

Acero endurecido de caja. Maquinado por electroerosión

Endurecimiento por inducción y/o flama. Corte a flama.

i Pretensado

(a) Penetración superficial se refiere a <= (b) Depende de la eficiencia del medio de

1% en la reducción del área del espesor; templepenetración profunda se refiere a >= 1%.

En partes tratadas térmicamente, los esfuerzos residuales pueden ser

clasificados como aquellos que son causados por un gradiente térmico único o

un gradiente térmico en combinación con un cambio estructural (una fase de

trasformación). Cuando una parte de acero es templada desde la temperatura de

austenización a la temperatura ambiente, se establece un patrón de esfuerzos

residuales debido a la combinación de gradientes térmicos y a cualquier

inducción-trasformación local de expansión de volumen. La contracción térmica

desarrolla desuniformidades térmicas (o temple) esfuerzos debidos a las

diferentes tasas de enfriamiento experimentadas por la superficie de la parte y su

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A.

42

interior. En aceros, la expansión de volumen transformacional induce esfuerzos

de transformación debidos a la transformación de la austenita dentro de la

martensita u otros productos de transformación. (12)

2.3.3.1 Contracción térmica

La relación entre el esfuerzo térmico (ath) durante el enfriamiento y el

correspondiente gradiente de temperatura está dado por:

(ath)=aEAT. (Eq 2.3.3.1).

Donde:

E = es el módulo de elasticidad,

a = es el coeficiente térmico de expansión.

Aparentemente los esfuerzos térmicos son mayores en materiales con un alto

modulo elástico y un alto coeficiente térmico de expansión. El gradiente de

temperatura es también función de la conductividad térmica. Por lo tanto, es

bastante improbable desarrollar altos gradientes de temperatura en materiales

que son buenos conductores térmicos (ejemplo, aluminio y cobre), pero es mucho

más común en materiales con bajas conductividades térmicas, como el acero y

el titanio. (12)

2.3.3.2 Patrón de esfuerzos residuales debido a la contracción térmica

Incluso si cualquier cambio de fase en estado sólido es ignorado, los cambios de

volumen térmicos durante el templado causan esfuerzos residuales. El desarrollo

de esfuerzos térmicos residuales longitudinales en una barra de acero de

diámetro de 100mm (4 in) templada en agua desde la temperatura de

austenización ( 850 °C, o 1560 °F) son mostrados en la Figura 2. 18. En el inicio

del enfriamiento, la temperatura de la superficie (S) cae drásticamente en

comparación con la temperatura del centro (C) (Figura 2. 18 a) en un tiempo w,

la diferencia de temperatura entre la superficie y el centro es en un máximo

aproximado de 550 °C (1020°F), correspondiente al estrés térmico de 1200 MPa

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43

(174 ksi) debido a una contracción de diferencial lineal de aproximadamente

0.6%. Bajo estas condiciones, el esfuerzo de tensión es desarrollado en la

superficie con un máximo valor de a (Figura 2. 18 b), correspondiente al tiempo

w en Figura 2. 18 (a), y el centro se contraerá, produciendo esfuerzos de

contracción con un máximo de c. Los efectos combinados de esfuerzos de

tensión y compresión en la superficie y en el centro, respectivamente, resultaran

en esfuerzo residuales como lo indicado en la curva C, donde una neutralización

del esfuerzo ocurrirá en alguna temperatura baja u. Por consiguiente,

decrementos posteriores en la temperatura producen esfuerzos longitudinales,

esfuerzos residuales compresivos en la superficie y esfuerzos de tensión en el

centro, como se muestra en la Figura 2. 18 (c). Una ilustración esquemática de

la distribución de esfuerzos residuales sobre el diámetro de la barra templada

debido a contracción térmica pura en las direcciones longitudinales, tangencial y

radial se muestra en la Figura 2. 19 (a). Los esfuerzos residuales máximos

producidos durante el temple se incrementan tanto como la temperatura de

temple y el poder de templado del refrigerante se aumenta. (12)

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1000

Muestra de 100 mm (4 pulg)templada en agua

44

Figura 2. 18 Desarrollo de esfuerzos residuales y térmicos en la dirección longitudinal enuna barra de acero de 100 mm (4 in) de diámetro templada en agua desde la temperaturade austenización (850°C, o 1560 °F). Los esfuerzos de transformación no sonconsiderados. (12)

2.3.3.3 Patrón de esfuerzos residuales debido a los cambios térmicos y de

volumen transformacional.

Durante el endurecimiento del acero mediante el temple, la martensita dura

formada en capas superficiales, produce una expansión de volumen, mientras

que el resto de la parte continúa como austenita caliente y dúctil. Después, el

resto de la austenita transforma a martensita, pero requiere una expansión de

volumen por la capa superficial endurecida. Esta restricción causa la parte

fundamental para estar bajo compresión, con la superficie exterior bajo tensión.

En la Figura 2. 19(c) se ¡lustra la distribución de esfuerzos residuales sobre el

diámetro de la barra templada, mostrando una expansión de volumen asociada

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45

con fase de transformación en las direcciones longitudinal, tangencial, y radial. Al

mismo tiempo, durante el enfriamiento final del interior, su contracción es

obstaculizada por las capas superficiales endurecidas. Esta restricción en

contracción produce esfuerzos de tensión en el interior y esfuerzos de

compresión en el exterior de la superficie. Sin embargo, la situación mostrada en

la Figura 2. 19(c) prevalecen, siempre que la expansión volumétrica neta en el

interior, después de que la superficie se ha endurecido, es mayor que la

contracción térmica restante. En algunos casos, estos cambios volumétricos

pueden producir grandes esfuerzos residuales que pueden causar deformación

plástica al enfriarse, generando un pandeamiento o distorsión en la pieza de

acero. Mientras que la deformación plástica aparece para reducir la severidad de

los esfuerzos de templado, si el temple es severo, los esfuerzos de templado son

tan altos que no son suficientemente aliviados por la deformación plástica.

Consecuentemente, un gran esfuerzo residual restante alcanzará o incluso

excederá el esfuerzo a la fractura del acero. (12)

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Radial

ía)

u

L= longitudinalT • tangencialRsi

46

Longitudinal

Tangencial

Radial

Figura 2.19 Ilustración esquemática de la distribución de esfuerzos residuales sobre eldiámetro de una barra templada en las direcciones longitudinal, tangencial y radial

debido a:

(a) Contracción térmica

(b) Ilustración esquemática de la dirección y orientaciones.

(c) Ambas, cambios de volumen térmicos y transformacionales. (12)

Esta ruptura o fractura localiza, es llamada fractura de temple.

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Esto debería ser enfatizado para un grado de acero dado, ambos, una pieza de

tamaño grande y alta velocidad de temple contribuye a un gran valor de

contracción térmica, como comparar la expansión volumétrica de martensita. En

contraste, cuando las piezas son delgadas y la tasa de temple no es alta, la

contracción térmica de la parte subsecuente al endurecimiento de la superficie

será más pequeño que la expansión volumétrica de martensita. Similarmente,

para una tasa de temple dada, los gradientes de temperatura decrecen como

decrecen los espesores de la sección y consecuentemente, los componentes

térmicos de esfuerzos residuales también decrecen.

Aunque un endurecimiento menos profundo del acero muestra un alto esfuerzo

de compresión en la superficie, el endurecimiento profundo de los aceros

desarrollará moderado-altos esfuerzos compresivos en la superficie si se templa

en agua y temple severo. Cuando estas profundidades de endurecimiento de los

aceros son a través de endurecimiento por temples menos eficientes, éstos

mostraran esfuerzos de tensión en la superficie. En general, los tratamientos

termomecánicos y endurecimiento térmico superficial, tales como el carburizado

o nitrurado, producen esfuerzos residuales de compresión benéficos en la

superficie. (12)

2.3.4 Fractura de temple

Cualquier cosa que produce esfuerzo de temple excesivo es básicamente causa

de fractura. La fractura de temple es principalmente intergranular, y puede ser

relacionada con algunos de los mismos factores que causan fractura

intergranular en el sobrecalentamiento y aceros quemados. En la Figura 2. 20 se

muestran típicas fracturas de temple. Los principales factores contribuidores a las

fracturas durante el tratamiento térmico son:

1) Diseño de la pieza.

2) Grado del acero.

3) Defectos en la pieza.

4) Prácticas de tratamiento térmico.

5) Prácticas de revenido.

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W W

Figura 2. 20 Ejemplo de fracturas de temple, (a) Ilustración de Micrografía de acero AISI4340 templada y revenida con fractura de temple pura, (b) Micrografía de acero 4142 comotemplado y revenido. La microestructura es martensita revenida con fractura de temple enel radio del filete. Magnificación original: 100x 3% de nital. (12)

2.3.4.1 Diseño de la pieza.

Características como esquinas agudas, el número, locación y tamaños de

agujeros, ranuras profundas, estrías, y cambios abruptos en la sección del

espesor dentro de la pieza (ej. Una sección mal balanceada) aumenta la

formación de fracturas, debido a que mientras las áreas delgadas se enfrían

rápidamente en el temple las áreas adyacentes al espesor son enfriadas muy

lentamente. Una solución para este problema es cambiar el enfriador por uno que

temple menos drásticamente (ej: aceite). (12)

2.3.4.2 Grados del acero.

En general, el contenido de carbono del acero no debería de exceder el nivel

requerido; de otra manera, el riesgo de fractura se incrementara. Por ejemplo, un

decremento del carbono de 0.72 a 0.61% ha demostrado incrementar

ligeramente la resistencia a las fracturas del acero rimado para ruedas de riel de

ferrocarril. Debido a la segregación del carbono y los elementos de aleación

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algunos aceros son más propensos que otros a la fractura por temple. Aceros

sucios que son los aceros con más del 0.05% S, son más susceptibles a las

fracturas que los aceros con grados bajos de azufre.

La razones para esto es que éstos aceros con grados de azufre altos generan

más segregación en los elementos de aleación, la superficie de los aceros

rolados en caliente con alto sulfuro tiene una alta tendencia a formar costuras,

que actúan como concentradores de esfuerzos durante el templado, estos son

usualmente de grano grueso para mejor maquínabilidad, la cual incrementa la

fragilidad y por lo tanto promueve las fracturas. Si esos grados de sulfuro altos

son remplazados por aceros tratados con calcio o aceros terminados en frió con

plomo, este problema puede ser eliminado. (12)

2.3.4.3 Defectos en las piezas.

Los defectos superficiales o debilidades en el material pueden causar fracturas

por ejemplo la profundidad de las costuras superficiales o los largueros no

metálicos en ambas barras rolados en caliente y rolados en frió pueden contribuir

a las facturas. Otros defectos son inclusiones y marcas de estampado. Para

grandes profundidades de costura, es altamente recomendado usar barras

torneadas o inspeccionarlos usando partículas magnéticas de inspección.

Defectos de forja en piezas pequeñas, como costuras, traslapes, líneas de flash

o fracturas de corte, así como también escamas de hidrógeno y rupturas internas

en forjas pesadas agravan las fracturas. (12)

2.3.4.4 Prácticas de tratamiento térmico.

Altas temperaturas de austenizado incrementan la tendencia hacia la fracturas

por temple. En adición a esto, los aceros con un tamaño de grano grande son

más propensos a las fracturas que los aceros con grano fino, esto debido a que

los aceros con grano fino poseen más área de frontera de grano que actúa como

barrera a las fracturas, y las fronteras de grano ayudan a absorber y redistribuir

los esfuerzos residuales. Un contribuidor para aseverar la fractura es la práctica

de tratamiento térmico inadecuado, por ejemplo, calentamiento no uniforme y

enfriamiento no uniforme. Es una buena práctica de tratamiento térmico el

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recosido de las aleaciones de acero antes del tratamiento de endurecido, esto

debido a que produce microestructuras de grano refinado y releva esfuerzos.

Los aceros endurecidos con agua son más susceptibles a las fracturas si estos

no son manipulados apropiadamente. Se presentan manchas suaves

mayormente en los aceros endurecidos con agua especialmente cuando la parte

es manipulada con tenazas, esto para el proceso de temple. Normalmente las

superficies limpias muestran un endurecimiento adecuado y las superficies con

escamas muestran un endurecimiento insuficiente. La mayor parte de las piezas

que son endurecidas con agua contienen algunas manchas suaves. (12)

2.3.4.4.1 Acero descarburizado.

La decarburizacion es usualmente causada por una insuficiente atmosfera de

protección durante el tratamiento térmico. Esta puede resultar por fallas en la

planta de carburizado (ej., hornos y sellos retenedores defectuosos), un pobre

control de proceso (ej., insuficiente equipamiento de monitoreo de atmosfera), o

la existencia de carburantes en la atmosfera del horno (ej., CO2, vapor de agua,

y H2 en endogas).

Una superficie parcial decarburizada durante el endurecimiento también

contribuye a las fracturas, porque la trasformación martensítica sobre la

superficie es completada antes de la formación de martensita en el centro.

Las superficies decarburadas pueden también reducir la dureza, la cual

promoverá un desgate prematuro. La decarburación parcial debe ser evitada,

especialmente para aceros con endurecimiento profundo, ya sea proveyendo

algún tipo de atmosfera protectora durante la operación de calentamiento,

remoción de excedentes (escamas) mediante el pulido, o por un proceso de

recarburizacion. En adición en la atmosfera protectora, baños de sales, paquetes

inertes, u hornos de vacío pueden ser usados para obtener la química superficial

deseada. (12)

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2.3.4.4.2 Aleación de acero carburizado.

Dos tipos de fractura ocurren en el carburizado y aleaciones de acero

endurecidas por cementación: Microfracturas y fracturas en punta. Las

microfracturas en el temple de aceros son pequeñas fracturas que ocurren a

través o junto a las marcas de martensita y antes de los granos de austenita.

Éstas mayormente se forman en partes de acero templadas que contienen cromo

y/o molibdeno como principales elementos alientes y donde el endurecimiento es

hecho por temple directo. (12)

Las microgrietas son frecuentemente observadas en estructuras con límites de

grano grueso tales como las de martensita de placa grande. Esto es

presumiblemente debido a un mayor choque de placas más grandes de

martensita con otras placas más grandes. Otra causa de las microgrietas es el

incremento en el contenido de carbono de martensita (esto es, incremento en la

templabílidad), que está en función de la temperatura de austenizacion y/o el

tiempo. Este problema puede ser evitado eligiendo un acero con menos

templabílidad (que es, con una temperatura baja de austenizacion). Otra solución

es cambiar el ciclo de tratamiento térmico a carburizado, bajo enfriamiento a

temperatura en negro, recalentamiento por ejemplo, 815 o 845°C (1500 o

1550°F), y después el templado. (12)

Las microgrietas en superficies sementadas pueden ser agravadas por la

presencia de hidrógeno, el cual tiende a absorberse durante el carburizado. Sin

embargo, las microfracturas de hidrógeno mejorado pueden ser eliminadas por

un carburizado y revenido de piezas a 150°C (350°F) inmediatamente después

del templado. El revenido tiene un efecto benéfico adicional, este tiene la

habilidad de sanar las microgrietas debido a los cambios en volumen y al flujo

plástico asociado que se desarrolla durante la primera etapa del revenido. No se

han reportados efectos adversos sobre la influencia de las microgrietas en las

propiedades mecánicas.

Las grietas en punta son fracturas que ocurren en los dientes de engranes

carburizados y templados y corren parcialmente o completamente hacia las

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terminaciones de los dientes en dirección paralela al eje de la parte. Muchos

fabricantes en tratamientos térmicos han resuelto este problema disminuyendo el

contenido de carbono y la profundidad de capa al mínimo nivel aceptable por el

diseño o por medio de un platinado de cobre en el diámetro exterior del engrane

antes del quemado. (12)

2.3.4.4.3 Aceros Nitrurados.

Los nitrurados son muy frágiles. Consecuentemente las fracturas pueden ocurrir

en servicio antes de preocuparse por cualquier mejora en la resistencia al

desgaste. Esto puede ser evitado por un diseño apropiado, por ejemplo,

incorporando a todos los cambios de sección un radio de 3 mm (0.125 in). (12)

2.3.4.5 Prácticas de revenido.

Entre más largo sea el tiempo en que el acero es mantenido a una temperatura

entre la ambiente y 100°C (212°F) después de completar la trasformación de

martensita en el centro, es mayor la probabilidad de ocurrencia de fracturas de

temple. Esto es causado por la expansión volumétrica continúa causada por la

trasformación isotérmica de la austenita retenida dentro de la martensita a

temperatura ambiente.

Hay dos prácticas de revenido que conducen a problemas con fracturas.

Revenido muy pronto después del temple, que es antes de que el acero haya

terminado la trasformación a martensita durante el temple, y revenido de la

superficie, usualmente observadas en secciones pesadas (>= 50 mm, o 2 in,

grueso en placas y > 75 mm, o 3 in, en diámetro en barras redondas).

Es una práctica normal revenir inmediatamente después del temple. En tal caso,

algunas restricciones deben ser ejercidas, especialmente para secciones largas

(> 75 mm, o 3 in) en aceros aleados con endurecimiento profundo. La razón es

que el centro no ha completado su trasformación a martensita y continua la

expansión, mientras la superficie y /o proyecciones, tales como las bridas,

empiezan el revenido y tratan de reducir su tamaño. Estos cambios simultáneos

de volumen producen fracturas radiales. Este problema puede convertirse en

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severo si se usa para el revenido un calentamiento rápido (ej, inducción, flama,

conducción, o baño de sales liquido). Por lo tanto partes de acero muy largas y

muy intrincadas deberían ser removidas del templado medio, y el revenido debe

ser empezado cuando las piezas están lo suficientemente tibias para cargarlas

cómodamente con las manos denudas (aproximadamente de 50°, o 120°F)

El revenido superficial ocurre en partes de sección pesado cuando la dureza final

es >360 HB. El revenido superficial es debido a un tiempo insuficiente de revenido

y es usualmente determinado cuando la dureza superficial cae por 5 o más HRC

putos desde la dureza del centro. Las fracturas frecuentemente ocurren algunas

horas después de que el componente se ha enfriado desde la temperatura de

revenido y frecuentemente corre a través de toda la sección trasversal. Este

problema puede ser eliminado si re-revenimos por 3h a la temperatura original

del revenido, la cual producirá un cambio en la dureza de aproximadamente 2

puntos HRC. (12)

2.4 Proceso de GMAW

La soldadura por arco metálico bajo gas protector (GMAW) ofrece grandes

ventajas como lo son la capacidad de soldar todos los metales y aleaciones

comerciales, alcanzar velocidades altas de soldadura, soldar en todas las

posiciones, además de la facilidad en automatización o robotizacíón. Por ende,

el proceso de soldadura GMAW se ha vuelto ampliamente usado (13).

Una característica importante del proceso de GMAW es que toda la protección

de soldadura es proveída por una atmosfera de gas que también es emitida por

la pistola de soldar proveniente de una fuente externa. Los gases usados incluyen

dos, del tipo inerte y reactivo. Gases inertes como el argón y helio son usados

para algunas aplicaciones. Estos pueden ser usados por separado o en

combinación uno con el otro, también pueden ser mezclados con gases reactivos

como el oxígeno o dióxido de carbono. Muchas aplicaciones de soldadura por

arco metálico bajo gas protector (GMAW) utilizan dióxido de carbono como

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protección única ya que es relativamente de bajo costo comparada con la de un

gas inerte (14).

2.4.1 Principios de Operación del proceso GMAW

La soldadura GMAW utiliza un hilo (alambre) para soldar, que se alimenta

automáticamente a una velocidad constante como un electrodo. Se genera un

arco eléctrico entre el metal base y el hilo, y el calentamiento resultante funde a

éste último proporcionando la unión de las placas base. Un diagrama

esquemático de esto se muestra en la Figura 2. 21.

Tobera de Gas

Electrodo Protección Gaseosa

Arco eléctrico

Metal de Soldadura

Metal Base

^¿mzmmnmxm

m Dirección del desplazamiento

Figura 2. 21 Ilustración de soldadura por arco metálico bajo gas protector (GMAW) (15)

Este método se conoce como proceso de soldadura por arco

semiautomático por que el hilo se alimenta automáticamente a una velocidad

constante y el soldador mueve la pistola. Durante el proceso, un gas protector

protege la soldadura de la atmosfera y evita la oxidación del metal base. El tipo

del gas protector utilizado depende del material base que se va a soldar (15).

Este proceso toma su nombre del hecho de que, originalmente, utiliza sólo

gases inertes para protección, así que se aplicó el nombre de metal inert gas

(MIG). Hoy se utilizan muchos gases diferentes, algunos son inertes y no

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reactivos en cualquier circunstancia y otros son reactivos y pueden combinarse

bajo algunas condiciones (de ahí la otra denominación, MAG, metal active gas).

Debido a los cambios en el gas protector, el término soldadura por arco metálico

bajo gas protector (GMAW, por sus siglas en inglés, gas metal are welding o

soldadura GMAW), fue adoptado por la American Welding Society para este

proceso. Sin embargo, en los sectores de la carrocería, la cerrajería y las

estructuras ligeras, se utiliza más habitualmente el término MIG.

La única forma correcta de soldar acero de alta resistencia y acero de baja

aleación y alta resistencia, y otros aceros de pequeño espesor, es con soldadura

GMAW. Casi cualquier soldadura que se haga por arco o con gas se puede hacer

más rápidamente con soldadura GMAW (15).

2.4.2 Equipo para soldar con GMAW

El equipo de soldadura GMAW básico se compone de una pistola, una unidad de

alimentación de hilo (alambre), un suministrador de hilo, una fuente de

alimentación, un suministrador de gas protector con regulador/medidor de caudal,

un circuito de control y las mangueras, forros internos y cables asociados, tal

como se ve en la Figura 2. 22 (15).

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Figura 2. 22 Equipo de soldadura por arco metálico con gas protector (15)

56

2.4.3 Modos de transferencia del Metal en el proceso GMAW

El metal fundido en la punta del electrodo puede ser transferido al charco de

soldadura por medio de tres modos de transferencia básicos: Globular, espray y

corto circuito. (16)

2.4.3.1 Transferencia Globular

La transferencia globular se define como la acción en la que pequeñas gotas de

metal cercanas al diámetro del electrodo o más grandes a este, viajan a través

de la separación de arco eléctrico bajo la influencia de la acción de la gravedad.

La transferencia globular no siempre es tersa y en consecuencia produce

salpicaduras, así mismo, la transferencia" globular ocurre en una relativamente

baja corriente de soldadura, independientemente del tipo del gas de protección

que se utilice. Con CO2 y He, sin embargo, esto ocurre en todas las corrientes de

soldadura utilizadas. Con el fin de reducir la salpicadura, se utiliza un arco corto

enterrado cuando utilizamos protección de CO2 en el proceso GMAW para aceros

al carbono y aceros de baja aleación. En la Figura 2. 23 se muestra la imagen de

transferencia Globular y de espray para dar una mejor idea de lo que se planteó

anteriormente. (16)

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57

Figura 2. 23 Transferencia de metal durante GMAW en acero con Ar-2% protección de 02:(a) Transferencia globular en 180 A y 29 V mostrado en cada 3X103s; (b) Transferencia enespray a 320 A y 29 V mostrado cada 2.5X10"4s. Reimpresa por Jones et al (11). Cortesía

de AWS. (16)

2.4.3.2 Transferencia en espray

La transferencia en espray se da sobre un nivel de corriente crítico, pequeñas y

discretas gotas de metal viajan a través de la separación de arco bajo la influencia

de una fuerza electromagnética con una mucha más alta frecuencia y velocidad

que en la transferencia globular. Figura 2. 23(b). La transferencia de metal es

mucho más estable y libre de salpicaduras. El nivel crítico de corriente depende

del material y del tamaño del electrodo, también "de la composición del gas

protector. Para el caso de la Figura 2. 23, la corriente critica fue encontrada entre

280 y 320 A. (16)

2.4.3.3 Transferencia de corto circuito

El metal fundido en la punta del electrodo es transferido desde el electrodo hasta

el charco de soldadura cuando este toca la superficie del charco, que es cuando

el corto circuito ocurre. La transferencia por corto circuito engloba el más bajo

rango de corriente de soldadura y tamaños de electrodo. Este produce un

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pequeño y rápido congelamiento del charco de soldadura que es deseable para

secciones de soldadura delgadas o soldaduras fuera de posición (Como las

soldaduras de posición sobrecabeza), y largas aberturas de raíz de puentes. (16)

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CAPITULO 3. DESARROLLO DEL

PROYECTO

59

3.1 Metodología general

Un esquema de la metodología utilizada durante el análisis y desarrollo de este

reporte de proyecto es el que se muestra en la Figura 3. 1.

Paso 1. Revisión

bibliográfica

Paso 4. Definición de la

metodología de lacaracterización

Paso 7. Propuestas demejora e

Implementación

Paso 2. Revisión del

proceso físico ydocumentación del

proceso en campo

Paso 5. Caracterización

metalografía

Paso 8. Monitoreo del

proceso despuésmejora implementada

Paso 3. Revisón

estadística del defecto yselección de la pieza

con fractura

^r

Paso 6. Análisis de los

resultados de la

caracterización

Paso 9. Redacción de

resultados yconclusiones

Figura 3.1 Metodología utilizada para el análisis y resolución de problema de estudio.

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60

Un punto muy importante de la metodología para llevar el caso de estudio en este

reporte de proyecto es la caracterización de una pieza con fractura, este análisis

será determinante para poder llegar a la causa que produce dichas fracturas y

así mismo, dará una idea clara de cómo se atacará el problema.

Antes de entrar de lleno con la metodología de la caracterización, se presentará

como la empresa Caterpillar México S.A de C.V lleva a cabo el proceso de

fabricación y transformación del componente de estudio, esto con la finalidad de

tener un mejor entendimiento de las variables que intervienen en dicho proceso.

Aunque se mencionan todos los pasos por los cuales el componente de estudio

es procesado, daremos especial importancia a los procesos de maquinado,

tratamiento térmico y soldadura, esto con el fin de detallar los parámetros

utilizados, secuencias del proceso y problemática observada al final de que el

componente de estudio es inspeccionado.

3.1.1 Diagrama de flujo del proceso

A) Llegada de materialforjado a almacén de

recibo de material

V

D) Inspección conpartículas magnéticas

nF

B) Maquinado delcomponente en torno

CNC y centro demaquinado Heller

C) Tratamiento térmicode la pieza(Carburizado,

temple, revenido ylimpieza)

F) Proceso de soldaduradel componente en el

ensamble final

G) Pintura >

H) Inspección delcomponente con

Líquidos penetrantes>

I) Embarque delcomponente

Figura 3. 2 Diagrama de flujo del proceso para el componente de estudio. CortesíaCaterpillar México S.A de C.V.

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A) Llegada de material forjado a almacén de recibo de material

B) Maquinado del componente en torno CNC y centro de maquinado

Heller. El proceso de maquinado o de corte de metal es

extremadamente complejo. El proceso de corte es generalmente

ilustrado considerando flujo de metal hacia y sobre una herramienta de

corte simple en una operación de movimiento rotativo o de tipo

brochado Figura 3. 3.Durante el corte, el movimiento de la herramienta

dentro de la pieza de trabajo genera un campo de estrés complejo

alrededor de la punta de la herramienta. Este estrés genera una ruptura

en la pieza de trabajo sobre la parte delantera de la punta de la

herramienta. Las grietas crecen y se juntan para separar el metal a ser

removido de la pieza de trabajo. La capa de material devastado se

deforma y fluye a través de la cara de la herramienta, y es después

removida del área de corte. Idealmente, las fracturas de material

removido son separadas fácilmente del área de corte como "hojuelas".

Desde esta descripción simple, es aparente que la pieza de trabajo, la

herramienta de corte y las hojuelas son sometidas a una tasa grande

de estrés y esfuerzo durante el proceso de corte. Esta condición, más

la fricción entre la herramienta y las hojuelas, causan un calentamiento

local considerable. En casos extremos, el calor puede causar que las

hojuelas se suelden en la cara de la herramienta, una deformación

plástica local, o incluso fundir la herramienta en la pieza de trabajo. Así

que, ambos, los fabricantes de herramientas y los desarrolladores de

materiales han realizado mucha investigación para mejorar el

desempeño de los materiales durante el proceso de corte sin sacrificar

otras propiedades.

• El 80% del calor generado por el proceso de maquinado, es

removido de área de trabajo por las propias "hojuelas".

• Dadas las altas temperaturas y estrés envuelto en la formación

de las hojuelas, tiene lugar un endurecimiento local en algunas

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aleaciones o constituciones de material, haciendo más difíciles

los acabados subsecuentes, como se ve en la Figura 3. 4.

La presencia de inclusiones no metálicas indeseables es causa

de un pobre maquinado (Mecanizado). También se puede

atribuir porosidad por este concepto de microlimpieza y

problemas de maquinado por permitir oxidación de sub-

superficies o carburación de poros durante y particularmente al

enfriar desde una sinterización (Sinterización es el tratamiento

térmico de un polvo, compactado metálico o cerámico) en un

tratamiento térmico en particular. En casos extremos, redes de

óxido o capas de carburos pueden reducir el mecanizado

significativamente. (17)

Hojuelas

Figura 3. 3 Diagrama esquemático del proceso de maquinado (Mecanizado) (17)

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M)G HV

700 800 HV

600-700 HV

500 eoo HV

400-500 HV

Figura 3. 4 Mapeo de micro dureza en una hojuela de un maquinado ilustra una alta durezaa lo largo de la superficie de la hojuela. El alto calor proveniente del trabajo aplicado y lafricción localmente pueden endurecer la hojuela y la pieza de trabajo. (17)

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En el siguiente diagrama de flujo, se describe el proceso de maquinado del

componente de estudio denominado "Cazuela" en la empresa Caterpillar México,

Figura 3. 5.

Figura 3. 5 Proceso de maquinado de pieza de estudio en la planta Caterpillar México,Cortesía, Caterpillar México S.A de C.V.

1) Llegada de componentes forjados a maquinar.

2) Ajuste de torno CNC.

3) Ajuste de herramientas para torneado.

4) Maquinado de primera mitad del componente.

5) Girado de la pieza para maquinado de la segunda parte del componente.

6) Traslado de la pieza a centro de maquinado horizontal Heller.

7) Colocación de la pieza en el aditamento de maquinado 1.

8) Maquinado de la primer cara del componente y agujero denominado "Grasera".

9) Girado del aditamento y colocación de la pieza en el aditamento 2.

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10) Ajuste del componente.

11) Maquinado de la segunda cara del componente y barrenado de agujeros.

65

En la Figura 3. 6 y Figura 3. 7 se pueden ven las hojas de instrucción para el

maquinado de pieza de estudio.

HOJA DE INSTRUCCIONES

NUMERO DEMATERIAL: ¡2142294F-0S

OPERACIÓN: 30

INSTRUCCIONES:

MAQUINADO (FRESADO Y GRASERA) (C MIC)

HOJA DE INSTRUCCIÓN # 89-2142294 (Op, 30 FRESADO)

Colocar aditamento 8911TAM00351 sobre el pallet de la maquina

MAQCMH09 (Heller 1), Utilizando el equipo de levante 8911TLD02369.

Utiliza la ayuda visual para mayor referencia en el montaje.Montar pieza en aditamento, utilizando el equipo de levante

8911TLD02431 colocándola en la posición de B 0oAlinear cara contraria a la referencia -A- con bandera del

aditamento.

Maquinar cara contraria a la referencia -A-, de una dimensión de127.86 mm, Dejar a 128.36 mm por proceso.

Maquinar diámetro de 8.7 mm Clase -A- con un roscado de 1/8 -27hilos NPSF, A una dimensión de 80.5 mm por proceso, partiendo de la

cara marcada cono referencia - A -

Maquinar avellanado de 10.5 +/- 0.5 mm en la entrada del diámetro.Rebaberar completamente las áreas maquinadas.

Utiliza tú E.P.P.

Valida la dimensión, la calidad de la rosca y llena gráfica decontrol al 100%

NOTA 1: Respeta las dimensiones de proceso ya que son criticas paraasegurar la calidad de la pieza en las siguientes operaciones.

MOTA 2: Limpia completamente la salida del diámetro de 8.7 mm dejandoun tipo chaflán de 3.0 mm para evitar grietas o fractura al momentode aplicar la Operación, de tratamiento térmico.

NOTA: TODO CALIBRADOR QUE SEA TAPÓN ROSCA SERA COMPARTIDO CON OTROS

CENTROS DE TRABAJO.

Figura 3. 6 Hoja de instrucción para maquinado de componente de estudio en sus carasmaquinadas y agujero denominado "grasera", este documento es propiedad intelectual dela empresa Caterpillar México S.A de C.V mostrado solo con fines didácticos, cualquiercopia no autorizada de este documento conlleva a una demanda legal ante las autoridadespertinentes.

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HOJA DE INSTRUCCIONES

NUMERO DE MATERIAL: 02142294F--09

OPERACIÓN: 230

INSTRUCCIONES:

MAQUINADO PRIMERAS (CON CARACT. MIC)

HOJA DE INSTRUCCIÓN # 2142294 (Op 230 ROSCADO M24)

Colocar aditamento 8911TAM00351 sobre el pallet de la maquinaMAQCMH09 (Heller 1), Utilizando el equipo de levante 8911TLD02369.Utiliza la ayuda visual para mayor referencia en el montaje.Montar pieza en aditamento, utilizando el equipo de levante8911TLD02431 colocándola en la posición de B 180°Referenciar la pieza, con el perno en el diámetro roscado de 1/8 - 27hilos NPSF y asegúrate que tope la cara contraria a la referencia, -A- en los topes.Maquinar 8 taladrados de 21.0 mm de diámetro clase "B" con unaprofundidad de 61.0 mm como minimo.Realizar avellanado de25.0+/-0.5mm diámetro al inicio de los

diámetros taladrados de 21.0 mm

Hacer roscado M24X3-6H con una profundidad de 46.0 mm en I03diámetros de 21.0 mm

Verifica la calidad de las roscas al 100% con el calibrador GO-NOGO

Envia la primera pieza a inspección CMM.Utiliza tú E.P.P.

NOTA: Asegúrate que los diámetros roscados vayan libres de rebaba.NOTA: TODO CALIBRADOR QUE SEA TAPÓN ROSCA SERA COMPARTIDO CON OTROS

CENTROS DE TRABAJO.

Figura 3. 7 Hoja de instrucción para maquinado de componente de estudio en sus barrenostaladrados perpendiculares a las caras maquinadas, este documento es propiedadintelectual de la empresa Caterpillar México S.A de C.V mostrado solo con fines didácticos,cualquier copia no autorizada de este documento conlleva a una demanda legal ante lasautoridades pertinentes.

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C) Proceso de tratamiento térmico. El proceso de tratamiento térmico del

componente de estudio se describe en el capítulo 2.2.2 de este reporte

de proyecto. A continuación se ilustrará como la empresa Caterpillar

México S.A de C.V lleva a cabo el proceso de tratamiento térmico de

carburizado, así como los pasos subsecuentes de temple y revenido

para poder obtener piezas con alta resistencia en la superficie, pero

buenas propiedades mecánicas en el interior, Figura 3. 8.

=s¡»> i mm

Figura 3. 8 Proceso de tratamiento térmico en la planta Caterpillar México para elcomponente de estudio. Cortesía Caterpillar México S.A de C.V.

1) Limpieza de la pieza con máquina de granallado.

2) Calentamiento de la pieza a 80 °C por un lapso de 10 min para deja el componente

a una temperatura de 30 a 35 ° y sí para poder aplicar pintura de la pieza.

3) Aplicación de pintura, se aplican 2 capas de pintura con un intervalo de 20 minutos

entre capas. La pintura utilizada es pintura NoCARB, y esta pintura ayuda a evitar

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que la atmosfera carburante llegue a las superficies las cuales no queremos

carburizar durante la estancia en el Horno de carburizado.

4) Se prepara el componente en canastillas para inicio de cocido de pintura y

extracción de humedad de la misma.

a. Temperatura de 80 grados por 2 hrs

b. Temperatura de 110 grados por 1 hora

c. Temperatura de 120 grados por 0.5 horas.

5) Se mueve material al horno de Carburizado para iniciar éste proceso en la pieza en

3 etapas, en donde en las primeras 2, la Temperatura es igual, sólo se varia la

concentración de la atmosfera carburante:

a. 1ra etapa: Temperatura de 927 °C por un periodo de 20 horas

b. 2da etapa: Temperatura de 927 °C por un periodo de 3 horas 45 min

c. 3ra etapa: Temperatura de 860 °C por un periodo de 30 min.

6) Movimiento a mesa de enfriamiento, hasta la temperatura ambiente por medio de

convección con aire.

7) Movimiento de material a horno de templado:

a. Temperatura del horno: 850 °C durante 2.5 horas.

b. Medio de temple: Agua a 39 -43 °C.

c. Tiempo de temple: 180 segundos

d. Dureza alcanzada: 59 HRC

8) Movimiento de piezas a horno de revenido a 200 °C, por un periodo de 2 horas.

Después se deja enfriar el material a temperatura ambiente.

9) Enviar el material nuevamente a la máquina de granallado para su limpieza y

prepararlo para su inspección de dureza y partículas magnéticas.

D) Inspección de la pieza con partículas magnéticas. El proceso de

inspección por partículas magnéticas para el componente de estudio,

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una vez que el proceso de tratamiento térmico se ha llevado acabo, se

desarrolla por el departamento de calidad del laboratorio metalúrgico

de la planta Caterpillar México. El Proceso se describe en el siguiente

diagrama de flujo, Figura 3. 9.

Figura 3. 9 Inspección por partículas magnéticas para el componente de estudio en laplanta Caterpillar México S.A de C.V. Cortesía Caterpillar México S.A de C.V.

1) Encendido del equipo y colocarlo en corriente alterna para inspección superficial.

2) Inspección visual del componente para asegurar que éste se encuentre libre de

cualquier impureza antes de la inspección con partículas magnéticas.

3) Colocar revelador en zona maquinada esférica para usarlo como contraste en la

prueba de las partículas magnéticas.

4) Inspección de la primera parte del componente.

5) Rotar y continuar con la inspección del componente.

6) Girar componente para realizar inspección en zona de "Grasera".

Una vez terminada la inspección con partículas, y de no presentar indicaciones

las cuales sean relevantes y estén fuera de la especificación requerida, el

componente es liberado a la siguiente operación para continuar con el proceso.

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E) Almacenamiento.

F) Soldadura del componente de estudio en ensamble final. Como fue

descrito con anterioridad, el componente de estudio es tratado

térmicamente para después ser soldado a un ensamble mayor

mediante el proceso de GMAW, y así, darle la funcionalidad de

rodamiento. A continuación se describe el proceso de soldadura que

se lleva a cabo en la empresa Caterpillar México S.A de C.V para unir

este componente al ensamble final, dando algunos detalles y datos

técnicos utilizados en el proceso, Figura 3. 10.

Figura 3. 10 Diagrama de flujo que representa el proceso de soldadura por GMAW delcomponente de estudio en la empresa Caterpillar México S.A de C.V, Cortesía CaterpillarMéxico S.A de C.V.

1) Colocación del componente de estudio (Rodamiento) en el ensamble final

mediante el uso de aditamento.

2) Precalentamiento del componente a 350 °F (176°C) para su punteo.

3) Punteo del componente con cordones de 3 mm en 2 lugares y 2 puntos cada

uno de A-B y de C-D.

4) Soldadura de 3 pases al 70% del volumen total del cordón de 16 mm en

secciones A-B y C-D.

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5) Precalentar resto del componente a 350°F (176 °C) para después aplicar

soldadura final de 4 pases para alcanzar un tamaño de cordón de 16 mm todo

alrededor del Rodamiento.

6) Colocación de refuerzos y soldadura de los mismos en ensamble final con

precalentamiento previo a 350 °F.

7) Soldadura final del cordón del refuerzo.

8) Revisión de temperatura/Precalentamiento a 350°F del área de refuerzos y

aplicación de soldadura.

9) Precalentamiento de área de "grasera" a 350 °F para punteo de guarda Zerk.

10) Puntear guarda Zerk con 2 puntos de 3mm cada uno.

11) Soldar con cordón de 6mm y 10mm de longitud en zonas marcadas.

12) Tapado con colcha térmica durante un periodo de 3 horas para dejar enfriar a

temperatura ambiente.

13) Limpieza y liberación del ensamble.

En la Figura 3. 11, Figura 3. 12, Figura 3. 13, Figura 3. 14 y Figura 3. 15 se

muestran las hojas de instrucción para la soldadura de la pieza de estudio al

componente final. También se detallan algunas características críticas de

electrodo y parámetros de soldadura utilizados para la correcta unión.

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INSTRUCCIONES ESPECIALES

Este procedimiento aplica para el número de parte: Hoja topadora Modelos D6.

Parámetros Generales

Operación:

PROCESO:

Ponteo Y Soldadora Final:

Soldadura por Arco metálico y gas protector GMAW)

Especificación Caterpillar (1E-559)

Especificación (AMS): A5.18Clasificación (AWS): ER70S-3

Diámetros De Alambre Sólido: 0.045" (1.1 am)

Velocidad De Alambre Especificado

En Cada Secuencia +/-10%

Voltaje Estipulado En Cada Secuencia +/-7%Gas

Sobresaliente Tobera.

Flujo +50% -20%Polaridad

Tipos de puntos de soldadura

P: Punto Estándar filete de 3

PR: Punto Reforzado filete de 3

longitud de 25

Longitud de 51

: MPM (Metro minuto)

: Volts

: Mezcla 90/10 (Ar/C02)

: 19 - 25 mm

: 45 CFH

: Invertida (DCEP)

72

Nota: La longitud de la soldadura determina el número de puntos y movimientosEspecificados en cada secuencia del procedimiento de soldadura.Nota: Recuerda aplicar los puntos reforzados una distancia de 300 mm entre ellos.

Todos los materiales a ser soldados deben de estar libre de humedad, aceite, grasa,

pintura, oxido, escamas o cualquier otro contaminante que pueda afectar la calidadDe la soldadura" 1E0099 - 8.1.1

Instrucciones Especiales:

Posicionador de soldadura: 8911PPS00560

Aditamento: 8911TAF00194

Perno para localizar la guarda Zerk: 8911TMW00343

Plantilla: 8911TPH02720

Osar colchoneta para mantener la temperatura en la Cazuela y mantener la colchoneta por

3 horas.

La distancia del multiflama al área a precalentar es de 7 a 10 pulgadas de la boquillaal metal base y dirigido hacia la unión a soldar donde sea la raíz de la unión.La distancia para medir la temperatura con el pirómetro es a 3 pulgadas de la raízconsiderando tomar la lectura sobre la cazuela.

Figura 3. 11 Instrucciones especiales de variables de soldadura para la unión de la piezade estudio (Rodamiento) al ensamble final.

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1E DIAÍPOS' UK. ITtrO Vtt*. I VOLT

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Figura 3.12 Procedimiento de colocación y punteo para el componente de estudio, cortesíade Caterpillar México S.A de C.V.

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B(»»I»»

4* l\ </ Al¡^0

v.w¿£sr»

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SBC bftsauPcioNPlatear partida 1 (2 ESB3RB y 3 punto» c/o) .»ra}« ___

' fiSESar partida' 2 (2 losar*» V 3' ponto* o/ofTaraja

«2

Puntear partida 3 (2 lagarera y 3 punto* o/uj .Moaerang*ikbj3 de nnltitlana.rrccaientar a 330 orados ranrenoelt. Cazuela a

ra£oarao anta» da puntear

Pnataar partida 4 (2 losarla r 4 ponte» «/«»<

«s «aneio de anltltlana.

Prae^lantar a 390 grados rahranhatt. Casoala aratoarro antas da pontear

«7 matear partida 7 (2 rogara» y 2 panto» c/o>.

pontear partida a <? logaras y 2 panto» c/a) •««aovar «9J1TAP0H34 (430 Ka ) t»»*rae<y. • a^diyp. loe.; araft»

10 dtap.

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74

Figura 3. 13 Procedimiento de punteo de refuerzos unidos al componente de estudio,cortesía de Caterpillar México S.A de C.V.

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M.

Á—

m

Flg. 2

SEC Msoapcio» 1E DÍA POS TAM. TIPO VDA VOLT

9 • •Operador 1 y 2" oanejo da aoltiflaaa.

Precalentar a 350 grado» Fahrenheit. utilizar

piroaetro digital para checar temperatura 0 crayórtánico de cara.

Soldar partida 1 14 pasas y Limpieza final:Rrawver salpicaduras). Alrededor verificarteaperatura entre pases que no exceda los 450grado» fabrenbelt, otlllzar plroaetro digital paracasoar témporatara.

55» 1.1 B 16 P 14.1 30.0

10 ••Operador 1*» trazo de disensión •anual.Localizar 287-2361 (3.«4 tq. Rercerzo de la

cazuela

Manejo de aoJti flama.

Precalentar a 350 grados Fahrenheit. Otlllzarpirómetro digital para obacar teqparatnra.Retuerzo a cazuela antes de pontear.

Puntear partida 2 (4 logares y 3 pontos c/u). 55» 1.1 3 P 8.1 26.0

11 ••Operador 2«« trazo de disensión aanoal.Localizar 287-2361 (3.64 Kg). refuerzo de la

Malí

Manejo de aoltiflaaa.

Precalentar a 350 grados Pahrenheit el refocrio a

cazoela antes de pontear, utilizar pirómetrodigital para cuacar teaperatora.

Pontear partida 3 (4 lagares y 3 pantos c/ol. 55» 1.1 3 P 8.1 26.0

75

Figura 3. 14 Procedimiento de soldadura final para el componente de estudio, cortesíaCaterpillar México S.A de C.V.

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S j SOtOAOUKA SOtO„.y MWA MA»CAO*

(

76

SBC DESCRIPCIÓN 1E DIA POS XAH. TIPO TOA VOLT

33 ••Op |M Manejo de milelflama, prccalei.tar a 350 grado»Fahrenheit. Utilizar pirórwtro digital para ehecartemperatura área del agujero maquinado.

34 •Op 1* Localizar guarda íerk (.07 Ug) Localizar8911THW0Q343 (0.05 Kg) {usar 1 disrp. seg., 1 diap.loe.]. Perno de alineamiento del agujero maquinado.

3S •Op 2* Puntear partida 4(2 lugares y 1 punto c/u) fgf 1.1 "3 t 8.1 26.0

H •Op 2* Remoarer 8Í1ÍTMHÓÓ343 {.OS Kg. U»ar i disp. aeg.ldisp.loe.) Perno de alineamiento del diámetro maquinado.

37 ••Op |aa Soldar partida S (2 lugares y Liapieza final:Remover salpicadura»).

55» 1.1 H 6 r 14.1 30.0J

Figura 3. 15 Procedimiento de soldadura final para colocación de guarda Zerk en elcomponente de estudio, cortesía Caterpillar México S.A de C.V.

G) Pintura del ensamble final. Este proceso se aplica al componente de

estudio como parte del proceso requerido en el ensamble final. El

proceso de pintura en la planta Caterpillar México S.A de C.V en uno

de los más automatizados y eficientes que hasta el momento se ha

tenido en esta planta. El principal objetivo del proceso de pintura es dar

al componente final la apariencia estética adecuada según las

especificaciones requeridas en el dibujo. En general, la marca

Caterpillar es reconocida ya que todos sus productos tienen los colores

característicos del producto (Amarillo y negro), el proceso de pintura

se encarga de seguir manteniendo ese ¡cono, Figura 3. 16.

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ga-^itt^jjL-

Figura 3. 16 Proceso de pintura de la planta Caterpillar México para el componente deestudio. Cortesía Caterpillar México S.A de C.V.

1. Recibo de material.

2. Carga en sistema tipo tren del área de pintura.

3. Túnel de lavado. 1) Jabón, 2) Enjuague, 3) aplicación de fosfato, 4) Retirar excesode fosfato. El tiempo de ciclo para cubrir las4 etapas es de 23 minutos.

4. Secado de la pieza, colocación de tapones, proteger áreas sin pintura.

5. Cabina de pintura "Primer". Pintura liquida electrostática. Espesor de pintura queva de 4-5 milésimas.

6. Pintura Final para dar brillo.

7. Horno de curado. La temperatura es de 90°±15°C por un tiempo de 40 min.

8. Túnel de enfriamiento. Este proceso tiene una temperatura de 20°C yel tiempo deciclo es de 23 minutos.

9. Pre-liberación.

10. Descarga de material.

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11. Liberación. Se valida el ensamble según la especificación Caterpillar 1E2001.

H) Inspección con Líquidos penetrantes. Esta inspección se da después

de haber pasado 48 hrs en que la pieza de estudio (Bearing/Cazuela)

fue soldada al componente final, esto con el fin de poder detectar

alguna fractura retardada que se haya generado durante el proceso de

soldadura del componente. La inspección por líquidos penetrantes es

ampliamente usada en la empresa Caterpillar México, y su

metodología de aplicación es explicada en el siguiente diagrama de

flujo, Figura 3. 17.

I

Figura 3.17 Metodología de aplicación de la prueba por líquidos penetrantes en la empresaCaterpillar México S.A de C.V.

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1. Preparar el equipo de líquidos penetrantes marca Magnaflux

(Limpiador/Removedor, penetrante, Revelador). Usar guantes y toallas limpiadoras

para remover los excesos.

2. Limpieza del componente el cual se pretende someter a prueba de líquidos

penetrantes. Primero se limpian los excesos de grasa, oxido, polvo, rebabas, etc.

Después, una vez que la superficie quedó libre de impurezas, se aplica el líquido

removedor y se frota la superficie a inspeccionar con las toallas limpiadoras para

asegurar la limpieza total de la superficie. Después de esto, se espera de 3 a 5

minutos a que el removedor se evapore.

3. Aplicación del líquido penetrante directamente sobre la pieza, asegurando cubrir

con una capa uniforme toda la superficie a inspeccionar dejándolo actuar durante

10 o 15 minutos.

4. Se retira el líquido excedente con las toallas limpiadoras, se aplica líquido

removedor sobre la toalla limpiadora para hacer este proceso más eficiente.

Después de esto, se dan de 3 a 5 minutos para que el removedor se evapore.

Nota: No se debe aplicar removedor directamente sobre la pieza a inspeccionar en

este paso.

5. Aplicación del líquido revelador. Este paso es el más importante de todos, se da

aplicando capas "suaves" sobre la superficie de prueba a una distancia

aproximada de 30 cm. Después de esto se da tiempo suficiente para que el

revelador tome la acción reveladora (3 a 5 min).

La inspección de la parte y/o evaluación de la misma deberá de ser dada por

personal acreditado desacuerdo a la MC1000-231. Conforme a la especificación

y/o norma requerida, será dada la disposición del material de aceptación o

rechazo.

Después de haber estudiado en este capítulo el proceso que sigue la pieza de

estudio y unión en el ensamble final, ahora se saben los pasos y variables que

intervienen en el componente para completar su proceso. Cuando el proceso es

completado para el ensamble, y después de haber sometido a la pieza de estudio

a la inspección por líquidos penetrantes, el 10 % de los componentes presentan

el defecto de fisuras. Los porcentajes de distribución de defectos son los descritos

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en el Capítulo 1.4 de este documento. En los capítulos posteriores analizaremos

la caractehzación hecha a una de las piezas encontradas con defecto de fracturas

en el área maquinada denominada "grasera", la cual forma parte de ese 10% de

producto defectivo en la planta Caterpillar México S.A de C.V.

3.1.2 Metodología de la caracterizaciónPara la metodología de la caracterización realizada en este reporte de proyecto,

se toman como referencia la sección ASM "General Practice in Failure Analysis"

de la referencia (18) de este documento.

3.1.2.1 Etapas del análisis

Los pasos principales que comprenden la investigación y análisis de la falla son:

Colección de los datos y antecedentes, así como selección de la muestra

Examinación preliminar de la parte con la falla (examinación visual y

mantención de los datos)

Pruebas no destructivas

Pruebas mecánicas (incluyendo dureza y/o pruebas de resistencia)

Selección, identificación, preservación y/o limpieza de todos los

especímenes.

Examinación macroscópica y análisis ( superficies de la fractura, grietas

secundarias y otros fenómenos de superficie)

Examinación microscópica y análisis

Selección y preparación de las secciones metalográficas

Examinación y análisis de las secciones metalográficas

Determinación del mecanismo de la fractura

Análisis químico (materia prima, local, productos de corrosión superficial,

depósitos o recubrimientos, análisis de microsonda electrónica)

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• Análisis del mecanismos de la fractura

• Prueba bajo condiciones de servicio simuladas (pruebas especiales)

• Análisis de toda la evidencia, formulación de las conclusiones y escritura

del reporte (incluyendo recomendaciones) (18)

3.1.3 Caracterización

3.1.3.1 Abstracto

Se encuentra una fractura en el componente de estudio, que para el caso práctico

empezaremos a denominar rodamiento, después de que este fue soldado al

ensamble final en la planta Caterpillar México S.A de C.V. El análisis revelo que

la fractura ocurrió durante el proceso de tratamiento térmico o en términos

generales, que fue una fractura de temple. El agujero maquinado denominado

"grasera" fue carburizado y el acero del rodamiento esta alto en carbono según

su especificación. Estas dos condiciones de no conformidad, incrementan la

posibilidad de una fractura de temple en el Rodamiento. Se recomienda mejorar

el proceso para la protección de la zona-S (zona protegida), particularmente en

el área del agujero maquinado, así como trabajar con el proveedor de forja para

mejorar la entrega de componentes que cumplan con el rango de carbono

especificado. También se recomienda continuar monitoreando componentes

después del proceso de tratamiento térmico ya que algunas geometrías son

susceptibles de presentar fracturas de temple y el eliminar los factores de no

conformidad descritos anteriormente, no siempre podrán evitar la aparición de

fisuras si la geometría no ayuda también.

3.1.3.2 Antecedentes

La Figura 3. 18 muestra la localización del rodamiento en la hoja topadora del

tractor D6. El rodamiento cumple con la especificación Caterpillar 1E2318C la

cual señala un carburizado del área esférica. El resto del componente se necesita

sea protegido del carburizado y fue definido en el dibujo como la zona protegida

(zona-S). El rodamiento fue removido del ensamble final después de una fractura

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observada cerca del agujero de lubricación ("Grasera"). Se hizo un intento por

desvanecer la fractura puliendo según lo que se muestra en la figura Figura 3.

19. La especificación del dibujo para rodamientos esféricos es la 1E2938. Esta

especificación llama a requerir material conforme a la especificación 1E0951, el

cual es un acero aleado (41B17) y dada la especificación 1E2318C que habla del

tratamiento térmico de carburizado y endurecido (Temple directo de superficie y

núcleo), nosotros podemos resumir esto en la Figura 3. 20.

Figura 3.18 Localización del Rodamiento (componente de estudio) en la hoja topadora deltractor D6. Cortesía Caterpillar México S.A de C.V.

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Figura 3.19 Componente de estudio tal como se recibió para la caracterización. Se intentódesvanecer la fisura mediante pulidor. Cortesía Caterpillar México S.A de C.V.

1E2938(1)1. Descripción

Esta especificación cubre materiales yprocesos para Rodamientos esféricos.

2. Aplicación

* Rodamientos esféricos para Bull Dozers.

3. Especificaciones Calificadas

* 1E0951, Aceros aleados. (41B17J

4. Material

La selección del material es dependientedel tamaño de la parte forjada

g-130mm j 1E0951 ¡

5. Tratamiento Térmico

* Tratamiento térmico de acuerdo a la

1E2318C. Las secciones H y S se especificanen el dibujo.

1E0951(2)Descripción

* Aleaciones de Acero

Aplicación

Componentes estructurales de acero tratado querequieren soldablfidad con una aleación de acerode bajo carbono

Especificaciones Calificadas

1E2700 C, para barras y forjas

Forma

* Forja sem¡terminada

Composición

I a» I aoow

Tamaño de (rano austenitico

ASTM El 12, 5 o mis fino, el grano refinado conAluminio.

Templabílidad

Temperatura de normalizado 92S'C

Temperatura de Austenizacion 925*C

naud*

jomtiv |mm| 1.5 a 25

HRC ¡Man«

Min •»

1E2318C(3)1. Descripción

* Esta especificación cubre un tratamientotérmico de carburizado y tempte directo.

2. Aplicación

• Este tratamiento térmico es aplicable parpiezas carburizadas, las cuales requierendureza en la superficie y un grado de durezaintermedia en el centro.

3. Especificaciones Calificadas

1E2318C; el revenido es opcional y no es partefuncional de la pieza.

4. Operaciones de maquinado

* Todas las operaciones deben de realizarseantes del proceso de carburizado.

Figura 3. 20 Especificaciones 1E las cuales rigen el material del componente de estudio ysu proceso de tratamiento térmico. Cortesía Caterpillar México S.A de C.V. La publicaciónde esta imagen es únicamente con fines didácticos.

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84

3.1.3.3 Discusión

Química: La química de la pieza de estudio se encuentra en la

Tabla 3. i, se observa que el contenido de carbono está por encima de lo

especificado. Esto se confirma por una validación hecha en el espectroscopio

(ASTM E415) y prueba de Leco (Combustión, ASTM E1019). El resultado

promedio de carbono para el primer espectro fue de 0.24, para el segundo fue de

0.25, el resultado por combustión fue de 0.25. Todos los demás elementos

estuvieron dentro de rango. El diámetro ideal esta fuera de rango debido al alto

contenido de carbono.

Tabla 3. 1 Química encontrada en la pieza de estudio, ésta prueba fue hecha en elespectroscopio de emisión óptica (Probado de acuerdo a ASTM E425), todos losresultados en peso.

1E0951

Elemento Actual Mínimo Máximo

C 0.25 0.15 0.21

Mn 1.27 0.95 1.3

S 0.024 0.040

P 0.015 0.035

Si 0.24 0.15 0.35

Ni 0.11 0.30

Cr 0.57 0.40 0.65

Mo 0.12 0.10 0.20

Cu 0.23 0.35

B 0.0011 0.0005 0.0030

Ti 0.035 0.065

Al 0.022 0.08

Dl(mm) 70.36 51.00 61.00

CE 0.64

Resultados de dureza: Los resultados de dureza en la superficie fueron medidos

con un medidor de dureza Rockwell usando la escala C de la ASTM E18, estos

se muestran en las tablas Tabla 3. 2 y

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85

Tabla 3. 3. Se midió la capa endurecida con un convertidor de microdureza a

HRC. La tabla Tabla 3. 2 muestra la capa endurecida y la dureza en la superficie,

las cuales cumplen con la especificada en el dibujo. La dureza en la superficie en

la longitud-S (zona protegida), mostró que se cumplió con el mínimo

requerimiento en el dibujo. Pero, el resultado en la

Tabla 3.3 indican que hubo una zona de absorción de carbono en la parte inferior

central de la pieza de estudio. Las muestras sobre la referencia "A" y el lado cerca

de la fractura, indican una muy buena protección y baja dureza. La prueba de

microdureza de la Figura 3. 21 muestra que el área esférica de la pieza de estudio

(Rodamiento) tuvo una capa aceptable y que el diámetro maquinado

("grasera'VRosca Zerk) se carburizo totalmente. En la Figura 3. 22 se muestra

una examinación de microdureza a través del filete de soldadura de la guarda

Zerk. Esta examinación se extiende desde el metal de soldadura y va a través de

la zona afectada por el calor (ZAC) hasta dentro de la pieza de estudio

(Rodamiento). Esto confirma que la microestructura vista en la ZAC cerca de la

soldadura es martensita con algo de bainita.

Tabla 3. 2 Resultados de dureza para el área de la pieza de estudio (Rodamiento

Área de la pieza deestudiofRodamiento

Dureza superficial

Profundidad de capa a

HRC 50

Lspecífieación min

dibujo

Tabla 3. 3 Resultados de dureza para las diferentes áreas en la longitud-S

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ss

so

4S

Área de la superficie"S" (área protegida)

Unidades ActualEspecificación min

de dibujoDureza superficial en

la base HRC 56-57 30

Dureza superficial en

un lado*. HRC 38-39 30

Dureza superficial en

referencia A HRC 42-44 30

* Próxima al agujero transversal de lubricación (Zerk's)

Microdureza en la superficie convertida a HRC(Carga de la identación de 500g)

Profundidad de

capa HRC 50 a 1.6

mm de profundidad

86

1

0» 075 125 175 225 275 325 375 425 4 75 S2S 5 75

Profundidad en mm

Figura 3. 21 Microdureza transversal para las áreas carburizadas en la pieza de estudio(Rodamiento), en ambas zonas, en el área esférica y en el agujero de lubricación("Grasera'VRosca zerk).

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SO rMicrodureza en la superficie convertida a HRCen le filete desoldadura de la guarda Zerk (Carga de la ¡dentación de 500 g)

87

02$ 075 125 17$ 225 275 325 375 4 25 4 75 525 6 75 825 875 7 2$ 7 7$ 825 $7$ 82$ 875

Profundidad en mm

Figura 3. 22 Microdureza transversal en el filete de soldadura de la guarda Zerk

Análisis microestructural y fractografia: La pieza de estudio fue inspeccionada

con partículas magnéticas vía húmeda y la única discontinuidad o fractura

encontrada es la que se muestra en la Figura 3. 23.

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88

Figura 3. 23 Fractura en agujero de lubricación ("Grasera") iluminada por MPI (Inspeccióncon partículas magnéticas)

Después de esto la pieza de estudio se manda el proceso de seccionamiento,

inspección por partículas magnéticas y apertura de la fractura usando una prensa

hidráulica, ver Figura 3. 24. La fractura se encontró de aproximadamente 40mm

de largo y 22 mm de profundidad como se muestra en la Figura 3. 25. El modo

de fractura se puede ver en la Figura 3. 26 como intergranular, típico de una

fractura de temple. Varias secciones del rodamiento fueron macro-atacadas para

revelar áreas con capa carburizada. Como ejemplo se muestra una sección

superior del rodamiento entre el agujero de lubricación ("Grasera") y la cara de

referencia "A" como se muestra en la Figura 3. 27. El resultado fue lo que se

aprecia como una capa carburizada uniforme en el área esférica de la pieza de

estudio, no hubo carbono filtrado a través de la "longitud-S" (área protegida, parte

lateral del rodamiento), y una capa carburizada en el agujero de lubricación

("Grasera").

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89

*SÍ

Figura 3. 24 Fractura abierta por seccionamiento y una prensa hidráulica, despuésensamblada para ilustrar la locación y profundidad.

Figura 3. 25 Acercamiento de la fractura de temple después de haber sido abierta en ellaboratorio metalúrgico.

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Figura 3. 26 Análisis por microscopio electrónico de barrido en la superficie de la fracturamostrando un modo de fractura Ínterqranular. Esta foto fue tomada en el primer hilo de larosca Zerk a la izquierda y después del pulido.

Figura 3. 27 Macroataque de la sección superior (por encima del agujero de lubricación("grasera") en la parte inferior de la foto) mostrando una capa carburizada (Oscura) en laparte esférica del rodamiento y en el agujero de lubricación.

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A continuación presentamos la microestructuras tomadas de algunos puntos de

las piezas. La microestructura mostrada en la Figura 3. 28 confirma la presencia

de carbono hipereutéctico a lo largo de la superficie del agujero de lubricación.

En otras áreas atacadas en la longitud-S no se encontró evidencia de superficies

carburizadas, sólo el agujero de lubricación (Grasera) mostró evidencia de capa

carburizada. La superficie en el centro desde aproximadamente 10 mm debajo

de la superficie se muestra en la Figura 3.29 y ésta es típica de una acero 1E0951

(Figura 3. 20). La microestructura en la zona afectada por el calor (ZAC) del

pequeño filete de soldadura en donde se une el rodamiento con la guarda Zerk

se puede ver en la Figura 3. 30. Se esperaría encontrar martensita en una banda

relativamente delgada debido al pequeño filete de soldadura en un acero con CE

= 0.64 y no necesariamente indicativo de un mal precalentamiento o un impropio

procedimiento de soldadura. Ninguna anormalidad y una microestructura de

primeramente martensita revenida en placa fue encontrada en la capa superficial

de la parte esférica del rodamiento como se muestra en la Figura 3. 31.

500»

Figura 3. 28 Micrografía tomada cerca de la punta de la rosca en el agujero de lubricación,se aprecia martensita revenida con alto carbono (placa). (ASTM E3, nital al 3%).

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92

M»*

Figura 3. 29 Microestructura en el centro del rodamiento la cual muestra martensitarevenida con bajo carbono (listón). Esta fotografía fue tomada a aproximadamente 10 mmpor debajo del agujero de lubricación. (ASTM E3, nital al 3%).

SOUl

Figura 3. 30 Microestructura de la zona afectada por el calor en el agujero de lubricacióndel rodamiento en donde fue aplicado el filete de soldadura para unir la guarda Zerk, sepuede observar martensita revenida con bajo carbono (Listón)(ASTM E3, nital al 3%)

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93

50Oi

Figura 3. 31 Microestructura de la superficie esférica del rodamiento, se muestramartensita revenida en placa, algunas manchas de reacción del ataque en la superficie.Según la 1E2532 la tasa de la capa de 0-0:0-1, todas las demás 0-0. (ASTM E3, nital al 3%)

3.1.3.4 Resumen de la Discusión

La fractura en el rodamiento fue causada por varios factores que actuaron en

sinergia durante el proceso de tratamiento térmico. El acero tuvo un alto

contenido de carbono (Fuera de especificación) el cual incrementaba el riesgo de

fractura de temple. El agujero de lubricación en su interior fue carburizado,

mientras que el exterior en la superficie alrededor del agujero, no lo fue. Esta

condición habría creado una "muesca" metalúrgica aumentando aún más las

tensiones locales durante el enfriamiento rápido e incrementando de la misma

manera, la posibilidad de formación de una grieta de temple.

3.2 Corrección del problema con metodología propuesta

Una vez que se obtuvo el resultado del análisis de laboratorio, se concluye que

la razón principal por lo cual la pieza de estudio se fractura, es por una pobre

protección en la zona protegida (longitud -S) con la pintura, específicamente

dentro del agujero de lubricación. Es decir, durante el proceso de carburación, la

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atmosfera carburante logro filtrarse dentro del agujero de lubricación, lo que

ocasiono la inserción de carbono en esta superficie maquinada, lo cual, al

momento del temple, y debido al enfriamiento súbito, la microestructura

martensitica que ahí se generó aumento significativamente las tensiones

superficiales en la zona provocando la fractura de temple. A continuación se

presenta una propuesta de solución la cual se diseña para evitar que durante el

temple del rodamiento, en el momento en que éste es sumergido dentro del

tanque con agua a aproximadamente 40 °C, el enfriamiento súbito se haga

presente en el agujero de lubricación, y con esto evitar un endurecimiento no

deseado, que al final nos ocasionaría continuar con el problema de costo de re

trabajo, desperdicio y pérdidas de embarque debido a las fisuras en el

componente de estudio.

CoitxiKiAn de I* fibra cninm-e» Detpuét d* colocar laen el agujera de la praaera . en «ora aplicar doe capeela lona da! «amarro etfenco da pmejra y dejar aecar

entra opficaciones

Aplicar do* capa* de pinturacomo se muestra en la imagen

Figura 3. 32 Procedimiento para solución de fracturas de temple debido a agujero delubricación carburizado. Cortesía, Caterpillar México S.A de C.V.

1) Una vez completado el proceso de carburación en la pieza de estudio, mover al

horno de temple.

2) Tomar la pieza y colocarla sobre el carro de carga.

3) Tomar un trozo de fibra cerámica y cortar en pequeños trozos.

4) SIN retirar grasera previamente colocada antes del proceso de carburizado en la

parte externa del rodamiento, colocar fibra cerámica en superficie esférica (Parte

interna) del rodamiento, asegurar tapar completamente el agujero para evitar el

flujo de agua durante el temple.

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5) Después de colocar la fibra, aplicar 2capas de pintura al diámetro de la superficieesférica, dejando secar entre capa y capa durante aproximadamente 10 min.

6) Aplicar también 2 capas de pintura en la parte exterior del rodamiento (graserafísica), dejando secar entre capa y capa durante aproximadamente 10 min.

El anterior procedimiento fue desarrollado basado en el resultado de laboratorio.

Esta solución se dacon la necesidad deevitar que durante el temple, la superficiedel agujero maquinado sufra un enfriamiento súbito debido al contacto directo

con el agua de temple, lo que provocaría un endurecimiento y tensionessuperficiales en la superficie, que al final se traduciría en la posible aparición defracturas de temple.

Se sabe que la fibra cerámica, también llamada fibra cerámica refractaría, es

elaborada a base de sílice y óxido de aluminio fundido en aproximadamente una

mezcla de 50/50, puede llevar otros óxidos (circonio, hierro o magnesio) encantidades pequeñas. Estas fibras presentan una alta resistencia a las

temperaturas lo que las vuelve la mejor opción en los procesos de tratamiento

térmico. Los productos de fibra cerámica se presentan en colchas, tableros,fieltros, fibra a granel, formadas al vacío o formas de vaciados, papel ytextiles.El peso ligero de la fibra y su resistencia al choque térmico, las hacen muyutilizadas en un amplio número de aplicaciones. (19)

Uno de los pasos más importantes en el procedimiento descrito en la Figura 3.32, es la colocación de la fibra cerámica en la entrada del agujero maquinado porla parte esférica del rodamiento, este proceso será la clave para evitar que elagua del temple llegue al interior de la superficie del agujero de lubricación. Aún

yque el agua se llegara a filtrar, la velocidad de entrada de la misma, será muybaja y por lo tanto, la transformación en la zona del agujero de lubricación será

mínima, con esto evitamos que se cree la condición no deseada de tensiones

superficiales debido al endurecimiento en la superficie del agujero de lubricación.

Aunado a esto, la aplicación de pintura protectora sobre la fibra cerámica con dos

capas, y también sobre la "grasera" colocada antes del carburizado, serán de

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96

gran ayuda para asegurar que el agua no entre al agujero de lubricación durante

el temple. En la Figura 3. 33 se muestra un diagrama con los pasos que se

añaden en el proceso modificado, el cual se diseñó para evitar la entrada de agua

de temple al agujero de lubricación, de esta manera se evita la fragilización del

área y por ende las fracturas debido al temple.

Pintura de agujero en_ .,,_, parte interna deTapado de orificio con *"i>ai¡lam Am

fibra cerámica.agujero de

lubricación parteesférica.

1) Pintado y colocaciónde grasera en elrodamiento, detallando

el orificio de lubricación

en parte interna yexterna.

2) Enfriamientodespués de proceso

de carburizado de

as piezas.

3) Calentamientode la pieza hasta850 °C y templeen agua.

Figura 3. 33 Proceso modificado de tapado de orificios de agujero de lubricación para evitarla entrada de agua en el temple de la pieza. Cortesía Caterpillar México S.A de C.V. Paraefectos didácticos solamente.

A continuación se muestran el resultado obtenido después de la modificación del

procedimiento de tapado de agujeros, donde se aprecia que después de tener un

índice de rechazo por fracturas que oscilaba de 1 al 13.5 % en el peor de los

casos, en los últimos 3 meses de este año 2016 y después de haber

implementado el nuevo proceso, este porcentaje se ha mantenido en cero %. En

la Tabla 3. 4 se pueden ver los datos históricos del problema de fracturas

registrados desde el año 2015, en los espacios coloreados de verde se pueden

observar los últimos 3 meses con los resultados antes mencionados.

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97

Tabla 3. 4 Porcentaje histórico de fracturas para el componente de estudio, Cortesía deCaterpillar México S.A de C.V.

Hojas Topad oras

Año Mes Aceptado Rechazado

1

Total de piezas

71

% rechazo

2015 Jan-2015 70 1.4%

Feb-2015 96 5 101 5.0%

Mar-2015 116 1 117 0.9%

Apr-2015 96 15 111 13.5%

May-2015 96 8 104 7.7%

Jun-2015 91 91 0.0%

Jul-2015 16 1 17 5.9%

Aug-2015 6 6 0.0%

Sep-2015 21 1 22 4.5%

Oct-2015 5 5 0.0%

Tot 2015 613 32 645 5.0%

2016 Jan-2016 24 1 25 4.0%

Feb-2016 24 2 26 7.7%

Mar-2016 19 19 0.0%

Apr-2016 28 28 0.0%

May-2016 2 I 2 0.0%

Tot 2016 97 3 100 3.0%

Con estos resultados, se puede cerrar este capítulo asegurando que la solución

está trabajando de manera positiva ya que después de 49 piezas, se ha

mantenido el resultado de cero fracturas en el rodamiento después de la

soldadura.

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CAPITULO 4. RESULTADOS Y

ANÁLISIS

98

4.1 Resultados

En la Figura 4. 1 se muestra la gráfica del comportamiento del porcentaje de

rechazo de las hojas topadoras del modelo D6 con datos de desempeño del 2015.

Después de que se tenía un porcentaje de rechazo del 10% en años anteriores

(2014 y 2013), durante el año 2015, éste porcentaje decreció a aproximadamente

el 5%, sin embargo, esto no es suficiente ya que como sabemos, las empresas

de clase mundial, como lo es Caterpillar México buscan desempeños de calidad

a la primera de vez (FPY) del 99.98 % de aceptación del producto, lo que significa

un nivel de sigma igual a 5, con esto se reduce significativamente el costo de re

trabajo/desperdicio y de riesgo de embarques tardíos debido a retrasos por no

liberar y embarcar el producto final a tiempo.

También se pude observar que gracias a la mejora implementada en el proceso

de tratamiento térmico, en el mes de Marzo del 2016 se empieza una tendencia

positiva logrando cero defectos en las piezas procesadas e inspeccionadas con

partículas magnéticas (nivel componente) y líquidos penetrantes (nivel

ensamble), en Mayo del 2016 se lograría el tercer mes consecutivo sin la

problemática y en el siguiente capítulo revisaremos las cifras que arrojan los

análisis de costos.

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99

Porcentajede rechazoen Hojas Topadoras Modelo D6

fjrjrjrf. fJ> f # ^<^t, & # # # 4? 4> ¿

|A(H'IAK i KM HA/O -% rechuo

Figura 4. 1 Desempeño de porcentaje de rechazo del periodo 2015 a Mayo del 2016 Laflecha verde representa el mes de la implementación de la mejora en el proceso, logrando3 meses consecutivos con cero defectos de fracturas.

4.2 Análisis de Resultados

Según las gráficas anteriores se puede observar una tremenda mejora en eldesempeño de las piezas aceptadas sin fractura, esto debido a que al mejorar elsistema de tapado de la zona protegida yevitar un temple directo en la zona delagujero de lubricación, evitamos el choque térmico y la formación de esfuerzosresiduales.

Gracias ala mejora realizada en el proceso de tratamiento térmico, el desempeñode los ensambles rechazados por fracturas se redujo de un 5% en el 2015 a un0% en los últimos 3 meses de lo que va de este 2016, lo que representa unbeneficio en costo de re-trabajo y/o desperdicio si tomamos en cuenta lossiguientes datos históricos, en donde se muestra que por cada puntoporcentual de producto con el defecto de fracturas, el costo por material ymanode obra es de $985 USD, sí multiplicamos esta cantidad por 5%de defecto quese tenía en promedio por mes en el año 2015, el ahorro se estima en $ 4,925

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100

USD mensuales, lo que nos indica que en los últimos 3 meses se ha ahorrado la

cantidad de $ 14,775 USD por el problema de fracturas.

Tabla 4.1 Calculo del costo de un uno por ciento de rechazo según datos históricos yregistros del componente. Cortesía Caterpillar México S.A de C.V

Costo de desperdicio de rodamiento por fracturasAño Mes Aceptado Rechazado Total % rechazo

Jan-2015 $ 8,564 $ 8,564 0.0%

Feb-2015 $ 11,622 $ 11,622 o.O".;

Mar-2015 $ 15,904 $ 1,835 $ 17,739 10.3o!

Apr-2015 $ 7,952 $ 8,564 $ 16,516 51.911

2015 May-2015$ 14,681 $ 4,282 S 18,963 22.6%

2015 Jun-2015$ 12,234 $ 12,234 0.09*

Jul-2015 $ 2,447 $ 2,447 0.0*

Aug-2015 $ 2,447 $ 2,447 0.091

Sep-2015 $ 1,223 $ 1,223 S 2,447 50.0*

Oct-2015 $ 3,059 $ 2,447 $ 5,505 44.4*

Total del 2015 $ 80,133 $ 18,351 < 98,484 18.6*

Porcentaje de rechazopor regla de 3 simple

$ 985 1.0*

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101

CAPÍTULO 5.

CONCLUSIONES

Se concluye que este componente de estudio contiene al menos 3 variables

durante su procesamiento, las cuales contribuyen de alguna manera a que sepuedan originar diferentes tipos de defectos:

El propio proceso de tratamiento térmico y las prácticas de mismo, es

loque más se debe de cuidar en este caso, ya que durante el desarrollo

de este trabajo, fue el factor determinante en la problemática de las

fisuras en el componente. Así mismo los ingenieros de procesos de la

planta Caterpillar México deben tener muy presente los factores que

contribuyen a la formación de fracturas debido a las variables en dicho

proceso.

- La química del material fuera de especificación también es un factor

determinante en la problemática encontrada durante el desarrollo de

este reporte de proyecto. Debido a este factor, el DI del material se

salió de especificación, dando lugar a una mayor la formación de

martensita en zonas donde no se necesita esta microestructura, por

ejemplo, la base del rodamiento donde se aplica soldadura.

- Se puede observar un diseño complejo de la pieza de estudio, en

donde de hecho, la fractura se iniciaen el primer hilo de la rosca interna

del agujero de lubricación, esto es debido a que son esos bordes en

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102

forma de esquina o punta los principales concentradores de esfuerzos,

esto al momento del temple (choque térmico), y debido a los cambios

de volumen por la expansión y contracción del acero durante la

transformación en martensita, facilita laformación de una posible grieta

de temple, como sucedió en este el caso.

Una vez que se tuvo la revisión bibliográfica completa, se pudo proceder a la

caracterización de una pieza con fisura, lo que ayudo de manera significativa al

correcto entendimiento de las variables de control que deben de tenerse durante

el proceso del tratamiento térmico, así mismo, a la correcta modificación de la

instrucción de trabajo para el proceso de temple.

Se revisó el procedimiento de soldadura del componente, en el cual no se

encontró algún hallazgo mayor que pudiera contribuir a la aparición de fisuras,

por lo que no se procedió a realizar ninguna modificación, sólo se recomendó

tener un mejor registro de las temperaturas de precalentamiento antes de la

aplicación de soldadura al componente.

RECOMENDACIONES

Se recomienda para un futuro, y después de haber analizado la caracterización

de la pieza de estudio, trabajar en un mejordiseño para el agujero de lubricación,

el cual considere los factores críticos del tratamiento térmico y la necesidad de

proteger la zona de un carburizado no deseado en el agujero de lubricación. Así

mismo, se recomienda la implementación de monitoreo estadístico con el

proveedor de forja para mantener un control de los porcentajes de carbono y de

los elementos complementarios de la aleación en las piezas. La implementación

de control estadístico del proceso con el proveedor pudiera ser una solución

factible.

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103

Bibliografía

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MEDIANTE LA CONSTANTE ACÚSTICO-ELÁSTICA EN ACEROS CEMENTADOS 4320 YSOLDADOS

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105

índice de tablas

Tabla 2. 1 Composición química {% e. p.) de aceros para rodamientos. (2) 10

Tabla 2. 2 Composición Nominal de aceros para rodamiento carburizados. (3) 10

Tabla 2. 3 Relación del contenido de aleación en el acero y los dos primeros dígitos de su

nombre para el acero en el caso de estudio de este documento. (5) 11

Tabla 2. 4 Resumen de esfuerzos residuales de tensión y compresión en la superficie de partes

creados por procesos comunes de manufactura (12) 41

Tabla 3. 1 Química encontrada en la pieza de estudio, ésta prueba fue hecha en el

espectroscopio de emisión óptica (Probado de acuerdo a ASTM E425), todos los resultados en

peso 84

Tabla 3. 2 Resultados de dureza para el área de la pieza de estudio (Rodamiento) 85

Tabla 3. 3 Resultados de dureza para las diferentes áreas en la longitud-S 85

Tabla 3. 4 Porcentaje histórico de fracturas para el componente de estudio, Cortesía de

Caterpillar México S.A de C.V 97

Tabla 4. 1 Calculo del costo de un uno por ciento de rechazo según datos históricos y registros

del componente. Cortesía Caterpillar México S.A de C.V 100

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106

índice de figuras

Figura 2.1 Templabílidad expresada como diámetro crítico ideal en función del tamaño de

grano austenitico y del contenido de carbono en aleaciones Fe-C. (6) 14

Figura 2. 2 Factores multiplicadores en función de la concentración de varios elementos

aleantes de los aceros. (6) 15

Figura 2. 3 Tamaño de grano N? 8. En la parte superior, la red hexagonal idealizada para la

media de tamaño de grano N9 8, la escala ASTM, 128 granos / pulg2. Inferior, norma ASTM

tamaño de grano N? 8, de 96 a 192 granos / pulg2. 50x. (7) 16

Figura 2. 4 Tamaño de grano No. 3. Izquierda, red hexagonal idealizada para la media tamaño

de grano NQ 3, la escala ASTM, 4 granos / pulg2. Derecho, norma ASTM tamaño de grano No. 3,

de 3 a 6 granos/ pulg2. 50x. (7) 17

Figura 2. 5 Probeta Jominy para ensayo de templabílidad. (6) 17

Figura 2. 6 Prueba de templabílidad Jominy fin-templado. Izquierda: probeta de prueba

estándar final-templado. Derecha: Gráfico de dureza y tasa de enfriamiento en función de la

distancia desde el extremo del temple. (6) 18

Figura 2. 7 Resultados de ensayos Jominy para cuatro aceros de distinto grado de aleación,

todos con porcentaje de carbono de 0.50%. (6) 19

Figura 2. 8 Método para presentar los datos del ensayo Jominy. Los datos presentados

representan muestras obtenidas de acero AISI 8650. Observar la relación entre la velocidad de

enfriamiento (arriba) y la distancia al extremo templado 20

Figura 2. 9 Difusión de átomos de cobre en níquel. Finalmente los átomos de cobre quedarán

disueltos aleatoriamente en todo el níquel. (9) 23

Figura 2.10 Mecanismos de difusión en materiales: (a) Difusión de átomos por vacancia o por

átomos sustitucionales y (b) difusión intersticial. (9) 24

Figura 2.11 Se requiere de una energía alta para hacer pasar los átomos entre otros durante la

difusión. Esta energía es la energía de activación Q. En general, se requiere de más energía en

el caso de un átomo sustitucional que en un átomo intersticial. (9) 24

Figura 2.12 El flujo durante la difusión queda definido como el número de átomos que pasa a

través de un plano unitario por unidad de tiempo. (9) 25

Figura 2.13 Difusión de átomos en la superficie de un material, ilustrando el uso de la segunda

ley de Fick. (9) 27

Figura 2.14 Patrón de profundidad de capa total contra el tiempo de carburación a cuatro

temperaturas seleccionadas. La gráfica ésta basada en los datos de la tabla. (10) 32

Figura 2.15 Efecto de la reducción del tiempo del proceso de carburizado aumentando la

temperatura para el acero 8620. Profundidad de capa de 1.5 mm (0.060 in). (10) 33

Figura 2.16 Sobrecalentamiento severo de acero 1038 mostrando la fase inicial del quemado.

Esboza los límites de grano de Ferrita (blanca) y los anteriores granos gruesos de austenita. La

matriz consiste en ferrita (blanca) perlita (negra) (12) 37

Figura 2.17 Efecto del esfuerzo residual en la superficie sobre el límite de resistencia de un

acero seleccionado. Todas las muestras fueron templadas en agua excepto las que se muestran

que no fueron así, y todas las dimensiones de los especímenes son dadas en pulgadas. (12)... 39

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107

Figura 2.18 Desarrollo de esfuerzos residuales y térmicos en la dirección longitudinal en una

barra de acero de 100 mm (4 in) de diámetro templada en agua desde la temperatura de

austenizacion (850°C, o 1560 °F). Los esfuerzos de transformación no son considerados. (12). 44

Figura 2.19 Ilustración esquemática de la distribución de esfuerzos residuales sobre el

diámetro de una barra templada en las direcciones longitudinal, tangencial y radial debido a: 46

Figura 2. 20 Ejemplo de fracturas de temple, (a) Ilustración de Micrografía de acero AISI 4340

templada y revenida con fractura de temple pura, (b) Micrografía de acero 4142 como

templado y revenido. La microestructura es martensita revenida con fractura de temple en el

radio del filete. Magnificación original: lOOx 3% de nital. (12) 48

Figura 2. 21 Ilustración de soldadura por arco metálico bajo gas protector (GMAW) (15) 54

Figura 2. 22 Equipo de soldadura por arco metálico con gas protector (15) 56

Figura 2. 23 Transferencia de metal durante GMAW en acero con Ar-2% protección de 02: (a)

Transferencia globular en 180 Ay 29 V mostrado en cada 3X10"3s; (b) Transferencia en espray a

320 A y 29 V mostrado cada 2.5X10"s. Reimpresa por Jones et al (11). Cortesía de AWS. (16). 57

Figura 3.1 Metodología utilizada para el análisis y resolución de problema de estudio 59

Figura 3. 2 Diagrama de flujo del proceso para el componente de estudio. Cortesía Caterpillar

México S.A de C.V 60

Figura 3. 3 Diagrama esquemático del proceso de maquinado (Mecanizado) (17) 62

Figura 3. 4 Mapeo de micro dureza en una hojuela de un maquinado ilustra una alta dureza a lo

largo de la superficie de la hojuela. El alto calor proveniente del trabajo aplicado y la fricción

localmente pueden endurecer la hojuela y la pieza de trabajo. (17) 63

Figura 3. 5 Proceso de maquinado de pieza de estudio en la planta Caterpillar México, Cortesía,

Caterpillar México S.A de C.V 64

Figura 3. 6 Hoja de instrucción para maquinado de componente de estudio en sus caras

maquinadas y agujero denominado "grasera", este documento es propiedad intelectual de la

empresa Caterpillar México S.A de C.V mostrado solo con fines didácticos, cualquier copia no

autorizada de este documento conlleva a una demanda legal ante las autoridades pertinentes.

65

Figura 3. 7 Hoja de instrucción para maquinado de componente de estudio en sus barrenos

taladrados perpendiculares a las caras maquinadas, este documento es propiedad intelectual

de la empresa Caterpillar México S.A de C.V mostrado solo con fines didácticos, cualquier copia

no autorizada de este documento conlleva a una demanda legal ante las autoridades

pertinentes 66

Figura 3. 8 Proceso de tratamiento térmico en la planta Caterpillar México para el componente

de estudio. Cortesía Caterpillar México S.A de C.V 67

Figura 3. 9 Inspección por partículas magnéticas para el componente de estudio en la planta

Caterpillar México S.A de C.V. Cortesía Caterpillar México S.A de C.V 69

Figura 3.10 Diagrama de flujo que representa el proceso de soldadura por GMAW del

componente de estudio en la empresa Caterpillar México S.A de C.V, Cortesía Caterpillar

México S.A de C.V 70

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Figura 3. 11 Instrucciones especiales de variables de soldadura para la unión de la pieza de

estudio (Rodamiento) al ensamble final 72

Figura 3.12 Procedimiento de colocación y punteo para el componente de estudio, cortesía de

Caterpillar México S.A de C.V 73

Figura 3.13 Procedimiento de punteo de refuerzos unidos al componente de estudio, cortesía

de Caterpillar México S.A de C.V 74

Figura 3. 14 Procedimiento de soldadura final para el componente de estudio, cortesía

Caterpillar México S.A de C.V 75

Figura 3. 15 Procedimiento de soldadura final para colocación de guarda Zerk en el

componente de estudio, cortesía Caterpillar México S.A de C.V 76

Figura 3.16 Proceso de pintura de la planta Caterpillar México para el componente de estudio.

Cortesía Caterpillar México S.A de C.V 77

Figura 3.17 Metodología de aplicación de la prueba por líquidos penetrantes en la empresa

Caterpillar México S.A de C.V 78

Figura 3. 18 Localización del Rodamiento (componente de estudio) en la hoja topadora del

tractor D6. Cortesía Caterpillar México S.A de C.V 82

Figura 3.19 Componente de estudio tal como se recibió para la caracterización. Se intentó

desvanecer la fisura mediante pulidor. Cortesía Caterpillar México S.A de C.V 83

Figura 3. 20 Especificaciones 1E las cuales rigen el material del componente de estudio y su

proceso de tratamiento térmico. Cortesía Caterpillar México S.A de C.V. La publicación de esta

imagen es únicamente con fines didácticos 83

Figura 3. 21 Microdureza transversal para las áreas carburizadas en la pieza de estudio

(Rodamiento), en ambas zonas, en el área esférica y en el agujero de lubricación

("Grasera'VRosca zerk) 86

Figura 3. 22 Microdureza transversal en el filete de soldadura de la guarda Zerk 87

Figura 3. 23 Fractura en agujero de lubricación ("Grasera") iluminada por MPI (Inspección con

partículas magnéticas) 88

Figura 3. 24 Fractura abierta por seccionamiento y una prensa hidráulica, después ensamblada

para ilustrar la locación y profundidad 89

Figura 3. 25 Acercamiento de la fractura de temple después de haber sido abierta en el

laboratorio metalúrgico 89

Figura 3. 26 Análisis por microscopio electrónico de barrido en la superficie de la fractura

mostrando un modo de fractura ¡ntergranular. Esta foto fue tomada en el primer hilo de la

rosca Zerk a la izquierda y después del pulido 90

Figura 3. 27 Macroataque de la sección superior (por encima del agujero de lubricación

("grasera") en la parte inferior de la foto) mostrando una capa carburizada (Oscura) en la parte

esférica del rodamiento y en el agujero de lubricación 90

Figura 3. 28 Micrografía tomada cerca de la punta de la rosca en el agujero de lubricación, se

aprecia martensita revenida con alto carbono (placa). (ASTM E3, nital al 3%) 91

Figura 3. 29 Microestructura en el centro del rodamiento la cual muestra martensita revenida

con bajo carbono (listón). Esta fotografía fue tomada a aproximadamente 10 mm por debajo

del agujero de lubricación. (ASTM E3, nital al 3%) 92

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4L

109

Figura 3. 30 Microestructura de la zona afectada por el calor en el agujero de lubricación del

rodamiento en donde fue aplicado el filete de soldadura para unir la guarda Zerk, se puede

observar martensita revenida con bajo carbono (Listón)(ASTM E3, nital al 3%) 92

Figura 3. 31 Microestructura de la superficie esférica del rodamiento, se muestra martensita

revenida en placa, algunas manchas de reacción del ataque en la superficie. Según la 1E2532 la

tasa de la capa de 0-0:0-1, todas las demás 0-0. (ASTM E3, nital al 3%) 93

Figura 3. 32 Procedimiento para solución de fracturas de temple debido a agujero de

lubricación carburizado. Cortesía, Caterpillar México S.A de C.V 94

Figura 3. 33 Proceso modificado de tapado de orificios de agujero de lubricación para evitar la

entrada de agua en el temple de la pieza. Cortesía Caterpillar México S.A de C.V. Para efectos

didácticos solamente 96

Figura 4.1 Desempeño de porcentaje de rechazo del periodo 2015 a Mayo del 2016. La flecha

verde representa el mes de la implementación de la mejora en el proceso, logrando 3 meses

consecutivos con cero defectos de fracturas 99

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110

RESUMEN AUTOBIOGRÁFICO

Nombre

Grado a obtener

Título de Proyecto

Títulos obtenidos

Experiencia profesional

Juan Ernesto Herrera Limones

Especialista en Tecnología de la Soldadura Industrial

"ANÁLISIS DELAS CAUSAS QUE PRODUCEN FISURASDEBIDO A ESFUERZOS INTERNOS ENACERO 41B17,

CARBURIZADO YUNIDO MEDIANTE EL PROCESOGMAW".

Ingeniero MecánicoInstituto Tecnológico de la LagunaTorreón, CoahuilaAgosto 2000 - Diciembre 2005

Group Manager 2 en laempresa Caterpillar México deMayo del 2016 a la fecha.Group Manager 1 en la empresa Caterpillar México deMayo del 2015 a Mayo del 2016.Quality Supervisor 4 en la empresa Caterpillar México del01 de Enero del 2014 al 01 de Mayo del 2015.Black Belt Full time en la empresa CaterpillarMéxico del 15de Febrero del 2012 al 01 de Enero del 2014.Section Manager 4 en la empresa Caterpillar Torreón del 01de Enero del 2011 al 15 de Febrero del 2012.Section Manager 2 en la empresa Caterpillar Torreón del01 de Marzo del 2009 al 01 de Enero del 2011Section Manager 1 en la empresa Caterpillar Torreón del01 de Enero del 2008 al 01 de Marzo del 2009.Suppliers Development Analyst en la empresa CaterpillarTorreón del 01 de Julio del 2006 al 01 de Enero del 2008.Development Engineer en la empresa Caterpillar Torreóndel 15 de Abril del 2005 al 01 de Julio del 2006.

Prácticas profesionales en la empresa Kirby Mex en TorreónCoahuila del 01 de Agosto del 2004 al 15 de Enerodel 2005

Lugar y fecha de nacimiento Torreón, Coahuila; 03 de Diciembre de 1982