I

I. TITULO:

DIFUSIN DEL CARBONO EN EL HIERROII. OBJETIVOS:2.1. Comprobar la difusin del carbono en el proceso de cementacin.

2.2. Demostrar que la 2da ley de Fick gobierna el proceso de difusin de carbono en hierro.

2.3. Evaluar la curva de penetracin del carbono hacia el interior del hierro.

III. FUNDAMENTO TERICO:Difusin es el transporte de tomos o de masas desde zonas de mayor concentracin a zonas de menor concentracin

La ecuacin que gobierna la propuso este proceso la propuso Adolf Fick (1855) y es:

Donde:

J: Velocidad o flujo de tomos (g/cm2.s tomos /cm2.s)D: Coeficiente de Difusin (cm2/s)A: rea de difusin (cm2)C: Concentracin volumtrica (g/cm3 o tomos /cm3)

Donde:

XP: Concentracin fraccional

Ejemplo:

x: La distancia de difusin (cm) Para el cociente de difusin:

Donde:

D0: Factor de frecuencia de los tomos (cm2.s)Q: Energa de Activacin (caloras/mol)R: Constante de los gases (caloras/mol.oK)T: Temperatura Absoluta (oK) Para la distancia de difusin: (espesor de cementacin)

Donde:

D: Coeficiente de Difusin [cm2.s]t: Tiempo de Cementacin [t]

Para Analizar la curva de penetracin: Adolf Fick propuso la 2da Ley de Fick

Donde:Cs: Concentracin superficial del carbono (se lo obtiene del Diagrama Fe-C a To del proceso 920oC)

Co: Concentracin inicial del carbono (0.20% C)

Cx: concentracin de C a una distancia cualquiera X

X: Una distancia cualquiera de la capa cementada

La distancia llega hasta un espesor de 2mm. Para hallar fer (y)

fer (y)

Donde:

y =

Entonces se halla mediante tablas matemticas y el resultado de y se lo compara con su fer (y), reemplazando en la formula de la 2da ley de Fick; para hallar Cx Mecanismo de difusin:

1 = 1 x 10-7 mm

Los tomos que se mueven en los insterticios son C, H, O, N.

Para este mecanismo de difusin se tiene que realizar o se realiza mediante el Tratamiento Termoqumico llamado Cementacin y puede existir en las siguientes formas:Cementacin gaseosa:

Gaseosa: gas natural o propano

Lquida: butano

Cementacin lquida:

Sales fundidas:

NaCO3NaCN

BaCl

Cementacin slida o en cajaPara nuestra prctica la cementacin se realizo a travs de la cementacin en caja

Cementacin en caja

Mezcla Carburante:Carbn Natural o vegetal (tamizado a 5mm)

80%BaCO3 NaCO3

20%

Caja de difusin Tierra refractaria

To 920 oC

Reacciones en el proceso

Donde:

: Carbn atmico

: Hierro Austentico

BaCO3: Acelerador del proceso de difusin del carbono

IV. Materiales y Equipos Acero AISI 1020:

3 Muestras de

Medio Difusor:

2 Kg. de carbn Vegetal (80%)

Kg. de BaCO3 (20%) Caja de Difusin:Material: acero de tubera

Dimensiones: 6 x 10 cm. de altura y espesor 1/8

Horno elctrico tipo mufla 75 Kw-h

Durmetro

Tierra refractaria (para sellar la caja)

Encapsulado:

Resina epxica (preparada)

Perxido

Desbaste:

Lijas n: 100, 180, 220, 320, 400, 600

Pulido

Reactivo: Almina de 5m, 3m, 1m y 0.3m respectivamente

Tipo de pao: pana

Analisis metalograficoReactivo:

Microscopio electronico

Cmara

V. Procedimiento: Para la preparacin del medio Difusor, se mezcl el carbn vegetal con el BaCO3 (malla 100).

Se rebaj, la superficie cilndrica de las probetas, en 1 mm. Con la finalida de obtener mejor diusin del carbono en el acero.

Se colocaron las muestras en la caja de difusin, previamente acondicionada con el cementante slido; una en caja.

Debido a que en cada caja se colocaron tres muestras (1 de cada grupo de laboratorio), se consider una distancia mnima de separacin de 15 mm. Y se relleno con el carburante slido, dejando un espacio para que tenga oxgeno con el cual pueda reaccionar.

Se introdujo las dos cajas de difusin en el horno, una para 3 horas y la otra para 5 horas, el tiempo se consider desde que lleg a las 920 C y no desde que se ingres; para enfriar se o hizo a temperatura ambiente. A la muestra que no se cemento se lo desbasto desde la lija 100, 180, 220, 320, 400 y 600. considerando el cambio de posicin al pasar de una lija a otra y sin calentar la probeta (muestra).

A las 2 otras muestras cementadas se les rebajo 3 mm. Y se los encapsulo para preservar los bordes, luego se desbasto considerando como la anterior muestra.

Se los llev al microscopio y se observo las estructuras para luego tomar fotos y obtener la imagen correspondiente de la carburizacin. Tambin se los llevo al durmetro para medir las durezas de las 3 muestras.VI. Circuito Experimental:Preparacin de la caja

VII. Resultados y discusin:

Para la probeta de 3 horas

Para la distancia de difusin: (espesor de cementacin)

Para lo cual se requiere el tiempo (10800 seg.) Coeficiente de Difusin

Donde:

D0 = 0.22 cm2/sQ = 32400 caloras/mol

R= 1.987 caloras/mol oKT= 1193 oK

D = 1.16 x 10-7 cm2/sEntonces:

X = 0.0708 cm.

7.1Para la probeta de 5 horas

Para la distancia de difusin: (espesor de cementacin)

Para lo cual se requiere el tiempo (18000 seg.) y el Coeficiente de Difusin

Donde:

D0 = 0.1 cm2/s

Q = 32400 caloras/mol

R= 1.987 caloras/mol oK

T= 1193 oK

D = 1.16 x 10-7 cm2/s

Entonces:

X = 0.0914 cm.

7.2

Tabla de ResultadosMuestra N 01Muestra N 02

Dimensiones x 15 mm. de altura x 15 mm. de altura

Tipo de AceroAISI 1020AISI 1020

CarburanteCarbn Vegetal + BaCO3Carbn Vegetal + BaCO3

Temperatura 920 C920 C

Tiempo3 Horas5 Horas

Espesor de capa Cementada0.0708 cm0.0914 cm.

Dureza de las ProbetasRc

Probeta sin Cementar

Probeta Cementada (3 Horas)

Probeta Cementada (3 Horas)

VIII. Cuestionario:1. Calcular la velocidad o flujo de carbono hacia l interior de la pieza

. 1era Ley de Fick

Solucin:

Para la probeta de 3 horas:Para calcular el flujo de carbono es necesario saber los valores de dc/dx para lo cual se lo halla mediante:

y dado que C2 y C1 no se saben; los podemos hallar mediante la siguiente formula:

C1 = Cv1 x Densidad del acero

Y de la misma forma Cvx se lo puede hallar mediante:

Donde:

C : es la concentracin del carbono tanto en la superficie como en el ncleo.

Ahora podemos proceder a calcular el flujo de carbono

Concentracin del peso en la superficie: 1.2 % de carbono (visto en la tabla de difusin Fe-C)

Concentracin del peso en el ncleo: 0.2 % de carbono para el Acero AISI 1020

La concentracin en la superficie:Densidad del acero: 7.850 g/ cm3C1 = Cv1 (Densidad del acero)C1 = (0.012) (7.850 g/ cm3)

C1 = 0.0942 g/ cm3La concentracin en el ncleo

C2 = Cv2 (Densidad del acero)C2 = (0.002) (7.850 g/ cm3)

C2 = 0.0157 g/ cm3Entonces

Para el rea:

EMBED Equation.3 Ahora:

Para la probeta de 5 horas:

Procedemos de la misma forma que para la probeta de 3 horas, entonces los valores requeridos sern:

La concentracin en la superficie:

Densidad del acero: 7.850 g/ cm3C1 = Cv1 (Densidad del acero)

C1 = (0.012) (7.850 g/ cm3)

C1 = 0.0942 g/ cm3La concentracin en el ncleo

C2 = Cv2 (Densidad del acero)

C2 = (0.002) (7.850 g/ cm3)

C2 = 0.0157 g/ cm3Entonces

Para el rea:

EMBED Equation.3 Ahora:

2. Construir una grfica de las curvas de penetracin (%C Vs. X)

Solucin:

Por la 2da ley de fick tenemos:

Donde:

Cs= 1.2 %CCo= 0.2 %CCx= cualquier distancia menor a XX= cualquier posicin de la capa cementada

D = 1.16 x 10-7 cm2/s

t = 10800 s. (3 horas) y 18000 (5 horas)Reemplazando valores correspondientes en el tiempo para las 3 horas y para las 5 horas tenemos las siguientes tablas:Tabla N 01:

X (cm.)Cx (%C)

0.00001.2000

0.01001.0431

0.02000.8921

0.03000.7525

0.04000.6284

0.05000.5153

0.06000.4293

0.07000.3615

0.07080.3573

Tabla N 02:

X (cm.)Cx (%C)

0.00001.2000

0.01001.0764

0.02000.9557

0.03000.8407

0.04000.7338

0.05000.6367

0.06000.5506

0.07000.4762

0.08000.4133

0.09000.3658

0.09140.3573

IX. Conclusiones y Recomendaciones:X. Bibliografa:

Redd Hill, R (1986)

Principios de Metalurgia Fsica

Lobato Flores, A (1990)Problemas y Experimentos de Metalurgia FsicaJohn Verhoeven (1987)fundamentos de Metalurgia Fsica1

2

3

4

5

Tapa de caja de difusin

caja de difusin

pieza a cementar

mezcla carburante

tierra refractaria

_1126099626.unknown

_1126101312.unknown

_1126271630.unknown

_1126272234.unknown

_1126272418.unknown

_1182248483.xlsGrfico5

1.2

1.0431

0.8921

0.7525

0.6284

0.5153

0.4293

0.3615

0.3573

0.32

Distancia (mm)

% de Carbono

Relacin de la Concentracin de Carbono y Distancia de Penetracin

Hoja1

01.2

0.11.0431

0.20.8921

0.30.7525

0.40.6284

0.50.5153

0.60.4293

0.70.3615

0.7080.3573

0.80.32

Hoja1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

&A

Page &P

Distancia (mm)

% de Carbono

Relacin de la Concentracin de Carbono y Distancia de Penetracin

Hoja2

X (cm.)Cx (%C)

01.2

0.11.0764

0.20.9557

0.30.8407

0.40.7338

0.50.6367

0.60.5506

0.70.4762

0.80.4133

0.90.3658

0.9140.3573

Hoja2

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

&A

Page &P

Distancia (mm)

% de Carbono

Relacin de la Concentracin de Carbono y Distancia de Penetracin

Hoja3

_1126285396.xlsGrfico3

1.2

1.0764

0.9557

0.8407

0.7338

0.6367

0.5506

0.4762

0.4133

0.3658

0.3573

Distancia (mm)

% de Carbono

Relacin de la Concentracin de Carbono y Distancia de Penetracin

Hoja1

01.2

0.11.0431

0.20.8921

0.30.7525

0.40.6284

0.50.5153

0.60.4293

0.70.3615

0.7080.3573

0.80.32

Hoja1

&A

Page &P

Distancia (mm)

% de Carbono

Relacin de la Concentracin de Carbono y Distancia de Penetracin

Hoja2

X (cm.)

01.2

0.11.0764

0.20.9557

0.30.8407

0.40.7338

0.50.6367

0.60.5506

0.70.4762

0.80.4133

0.90.3658

0.9140.3573

Hoja2

&A

Page &P

Distancia (mm)

% de Carbono

Relacin de la Concentracin de Carbono y Distancia de Penetracin

Hoja3

_1126272376.unknown

_1126271759.unknown

_1126272216.unknown

_1126271675.unknown

_1126270963.unknown

_1126271497.unknown

_1126268871.unknown

_1126270716.unknown

_1126270810.unknown

_1126270814.unknown

_1126270408.unknown

_1126268601.unknown

_1126268606.unknown

_1126101324.unknown

_1126099693.unknown

_1126101047.unknown

_1126101092.unknown

_1126099730.unknown

_1126099647.unknown

_1126099137.unknown

_1126099179.unknown

_1126097087.unknown

_1126097787.unknown

_1126098939.unknown

_1126097425.unknown

_1126096667.unknown

_1126096218.unknown