INFLUENCIA EN EL TRATAMIENTO CRIOGÉNICO POSTERIOR AL TEMPLE DESDE TEMPERATURAS INTERCRITICAS EN LA RESISTENCIA AL

DESGASTE EROSIVO SEGÚN LA NORMA ASTM G76 DE UN ACERO 1016

Álvarez Garavito Juan Felipe Cod:20111074006

Palacio Rojas Oswaldo Cod: 20111074061

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD TECNOLOGICA TECNOLOGIA MECANICA

BOGOTA 2016

INFLUENCIA EN EL TRATAMIENTO CRIOGÉNICO POSTERIOR AL TEMPLE DESDE TEMPERATURAS INTERCRITICAS EN LA RESISTENCIA AL

DESGASTE EROSIVO SEGÚN LA NORMA ASTM G76 DE UN ACERO 1016

Álvarez Garavito Juan Felipe

Palacio Rojas Oswaldo

Tutor Ing. Bohórquez Ávila Carlos Arturo

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD TECNOLOGICA TECNOLOGIA MECANICA

2015

Nota de aceptación

__________________________________________ __________________________________________ __________________________________________ __________________________________________ __________________________________________

______________________________ Presidente del jurado

_____________________________ Firma del jurado

_____________________________ Firma del jurado

Bogotá 2016

TABLA DE CONTENIDO

0. INTRODUCCIÓN…………………………………………………………..…...pág. 8 1. RESUMEN…..............................................................................................pág. 9 2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA….....................................................pág. 10 3. JUSTIFICACION….....................................................................................pág. 11 4. OBJETIVOS…............................................................................................pág. 12

4.1.OBJETIVO GENERAL ..................................................................pág. 12 4.2.OBJETIVOS ESPECIFICOS..........................................................pág. 12

5. DISEÑO EXPERIMENTAL.........................................................................pág. 13 6. ANALISIS DE DATOS................................................................................pág. 18

6.1.PRUEBA DE DUREZA ..................................................................pág. 18 6.2.PRUEBA DE DESGASTE EROSIVO.............................................pág. 21 6.3.PRUEBAS METALOGRÁFICAS....................................................pág. 28

7. CONCLUSIONES …...................................................................................pág. 32 8. BIBLIOGRAFIA….......................................................................................pág. 33

LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Cantidad de probetas por tratamiento térmico ………...……..…...pág. 13

Tabla 2. Composición química acero AISI SAE 1016...………………..…...pág. 15

Tabla 3. Temperaturas intercríticas ……………………….……………..…...pág. 16

Tabla 4. Durezas obtenidas ...…………………………..………………..…...pág. 19

Tabla 5. índices de desgaste erosivo ..…………………………………..…...pág. 27

LISTA DE GRAFICAS

Grafica 1. Tratamiento térmico empleado ………..………...........……..…...pág. 17 Grafica 2. valores de dureza para cada pieza .…..………...........……..…...pág. 18 Grafica 3. dureza promedio vs tratamiento térmico ..……...........……..…...pág. 19 Grafica 4. material sin tratamiento térmico. Perdida de masa vs tiempo (min)…………………………………………………………………………….....pág. 22 Grafica 5. material con temple. Perdida de masa vs tiempo (min) …...…....pág. 22 Grafica 6. material con temple mas revenido. Perdida de masa vs tiempo (min)………………………………………………..………………………..……..pág. 23 Grafica 7. material con criogenia 24 h. Perdida de masa vs tiempo (min)………………………………………………..…..………...........……..…....pág. 23 Grafica 8. material con criogenia 48 h. Perdida de masa vs tiempo (min)……………………………………………………….………........…….…....pág. 24 Grafica 9. material con temple mas criogenia 24 h. Perdida de masa vs tiempo (min) ………………………………………………………………………………..pág. 24 Grafica 10. material con temple mas criogenia 48 h. Perdida de masa vs tiempo (min) ………..………...........……………………………………………………....pág. 25 Grafica 11. material con temple mas revenido mas criogenia 24 h. Perdida de masa vs tiempo (min)…………….………………………..………...........……...pág. 25

Grafica 12. material con temple mas revenido mas criogenia 48 h. Perdida de masa vs tiempo (min)…………………………………..………...........…....…...pág. 26

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Micrografía partículas de alúmina….………...........……….………...pág. 21 Figura 2. Microestructuras de probetas sin tratamiento térmico ........…..…...pág. 28 Figura 3. Microestructuras de probetas con temple ...……...........……....…...pág. 28 Figura 4. Microestructuras de probetas con temple mas revenido ..…....…...pág. 29 Figura 5. Microestructuras de probetas con criogenia a) 24 h 200x, b) 48 h 200x. ………..………..........................................................................................…...pág. 30 Figura 6. Microestructuras de probetas con temple mas criogenia a) 24 h 1000x, b) 48 h 1000x…………………………………… ………..………...........……..…...pág. 30 Figura 7. Microestructuras de probetas con temple, revenido mas criogenia a) baño criogénico por 24 h, 200x b)baño criogénico por 24 h, 1000x.......…....pág. 31 Figura 7. Microestructuras de probetas con temple, revenido mas criogenia a)baño criogénico por 24 h, 200x b) baño criogénico por 24 h, 1000x...…....pág. 31

0. INTRODUCCIÓN

Dependiendo la necesidad, se escoge el acero adecuado, en cuanto a composición química, propiedades; mecánicas, físicas y químicas. Pero en ocasiones, no es posible conseguir el material idóneo, aquel cumpla con los requisitos para el trabajo al cual será sometido, de allí, surge la necesidad de modificar algunas propiedades en los aceros, esto con el fin de obtener el comportamiento deseado. Uno de los medios para modificar propiedades en los aceros y dejarlos en condiciones óptimas de trabajo, es el uso de tratamientos térmicos, éstos, tienen por objeto mejorar las propiedades y características de los aceros, consisten en calentar y mantener las piezas o herramientas de acero a temperaturas adecuadas, durante un cierto tiempo y enfriarlas después en condiciones convenientes. De esta forma, se modifica la estructura microscópica de los aceros, se verifican transformaciones físicas y a veces, hay también cambios en la

composición del material. El tiempo y la temperatura son los factores principales, así que hay que fijarlos siempre de antemano, de acuerdo con la composición del acero, la geometría de las piezas y las características que se desean obtener.1 En los últimos tiempos, ha aumentado el uso de tratamiento criogénico en aceros, principalmente en materiales para herramientas, éste consiste en sumergir piezas de acero, previamente tratadas térmicamente con temple y revenido, en nitrógeno líquido por un determinado periodo de tiempo, se ha demostrado que brinda beneficios como el aumento de la resistencia al desgaste, la reducción de tensiones internas, la disminución de la fragilidad, el aumento de la durabilidad y la vida útil de la pieza. La ejecución del tratamiento criogénico para aceros para herramientas, aumenta la dureza, reduce el consumo de la herramienta y el tiempo de inactividad para el equipo establecido, lo que conduce a la reducción de costos de alrededor del 50%.2 Se estudia que propiedades se ven modificadas en un acero AISI 1016 al ser sometido a un proceso de temple desde temperaturas intercríticas, un posterior revenido y por último, a un tratamiento de criogenización, para determinar y comparar resultados científicos previos, obtenidos por otras personas, empleando diferentes aceros.

1 Apraiz Barreiro José, Tratamientos térmicos de los aceros. Octava edición, 1984. Editorial Dossat. Pagina 69. 2 Pérez Marcos, Belzunce Francisco Javier “The effect of deep cryogenic treatments on the mechanical properties of an AISI H13 steel” (17 de noviembre de 2014) Pagina 1. Disponible en:

http://www.sciencedirect.com.bdigital.udistrital.edu.co:8080/science/article/pii/S0921509314014191

1. RESUMEN

En este trabajo se exponen los resultados de un tratamiento criogénico realizado a un acero de bajo contenido de carbono como lo es el AISI/SAE 1016, en la resistencia al desgaste erosivo, para esto, se realiza a una cantidad apropiada de probetas, las cuales son tratadas térmicamente con un temple, revenido y criogenización Más allá de implementar la combinación de tratamientos térmicos, determinamos la influencia de ellos en el cambio de masa producido por el desgaste erosivo, similar al que sufren diferentes materiales por el impacto de partículas sólidas, este desgaste se realiza bajo la norma G76-95 que define el método de prueba estándar, para la realización de pruebas de erosión, por choque de partículas sólidas. Además, de analizar la resistencia al desgaste erosivo, se indaga en las trasformaciones de fase, en probetas de acero AISI/SAE 1016 al ser sometido a un temple, un revenido y posteriormente una criogenización en las que algunas probetas estarán sumergidas durante 24 horas y otras por 48 horas en nitrógeno líquido, para determinar si existe un cambio microestructural con el baño en nitrógeno a dos temperaturas distintas, se decidió realizar un estudio metalográfico.

2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En relación a la criogenia empleada en tratamientos térmicos de aceros se encuentra información técnica y científica en donde observamos resultados positivos respecto al aumento de la resistencia al desgaste y prolongación de la vida útil de las piezas, pero todo esto, conforme a aceros para herramientas, aceros aleados, básicamente. La información respecto al uso de baño en nitrógeno líquido de piezas de acero de bajo contenido de carbono y pocos elementos de aleación, como es el caso del acero AISI SAE 1016 que utilizaremos para nuestro estudio, se podría decir que la información es casi nula, éste es uno de los motivos que nos incita a llevar a cabo esta investigación, se hace necesario conocer el comportamiento frente al desgaste abrasivo de aceros relativamente económicos respecto a los demás, para determinar si es posible aumentar el uso de este material en otras áreas en las que al día de hoy no se emplea. Con este estudio, y basándonos en la norma ASTM G76-95, determinamos si es posible prolongar la vida útil de diversas piezas hechas con el acero que emplearemos para el estudio, reduciendo así, algunos costos presentes en la industria debido al constante reemplazo o recuperación de piezas que pierden sus dimensiones originales debido a desgaste erosivo.

3. JUSTIFICACIÓN

Este proyecto estimula la investigación y da unas guías de cómo se debe hacer un tratamiento criogénico posterior al correspondiente tratamiento térmico de temple más revenido, para con esto, determinar qué beneficios se obtienen al emplearlo en un acero de bajo contenido de carbono y cuál es la eficiencia en este material, favoreciendo y estimulando su empleo en la industria. El uso de este tratamiento no es ampliamente conocido, por eso, se ahonda en el tema estableciendo resultados y caracterizando las propiedades otorgadas a un acero AISI SAE 1016.

4. OBJETIVOS

4.1 OBJETIVO GENERAL

Establecer la influencia de un tratamiento criogénico en un acero AISI/SAE 1016, tratado térmicamente desde temperaturas intercríticas en la resistencia al desgaste erosivo según la norma ASTM G76-95.

4.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Desarrollar el diseño experimental.

Tratar térmicamente el acero AISI/SAE 1016 desde temperaturas intercríticas y luego el tratamiento criogénico con tiempos de 24 y 48 horas.

Ejecutar el ensayo de desgaste erosivo según la norma ASTM G76-95 y establecer la perdida de volumen del material atacado erosivamente.

Realizar el estudio metalográfico.

5. DISEÑO EXPERIMENTAL

Se divide el numero total de probetas a analizar en nueve grupos, cada uno de los cuales contiene piezas con características distintas, para poder realizar los debidos análisis. Con el fin de obtener resultados confiables, óptimos y reducir el margen de error en los procesos de medición, estudio y conclusiones, se determinó que 63 es un número adecuado de probetas, es decir siete piezas por grupo

Las características de cada grupo se detalla en la tabla 1.

Tabla 1, cantidad de probetas por tratamiento térmico.

La separación en grupos con distintos periodos de tiempo se realiza con la finalidad de saber si un acero que está sometido a criogenización puede cambiar sus propiedades según el incremento de tiempo.

TRATAMIENTO TERMICO CANTIDAD DE PROBETAS

Sin tratamiento (material como se entrega de fábrica)

7

Acero con tratamiento térmico de temple

7

Acero con Temple + revenido

7

Acero tratado térmicamente con Criogenia por 24 horas

7

Acero tratado térmicamente con Criogenia 48 horas

7

Acero templado + criogenia por 24 horas

7

Acero templado + criogenia por 48 horas

7

Acero con temple + revenido + criogenia 24

horas

7

Acero con temple + revenido + criogenia 48

horas

7

Como se observa en la tabla 1, se cuenta con tres grupos de probetas para ser atacadas por medio de desgaste erosivo que no fueron sometidas a criogenia, esto, con el fin de poder hacer una comparación y determinar el nivel de cambio en la perdida de masa del material frente al desgaste erosivo. Los grupos están divididos de la siguiente manera; un grupo, con piezas como se obtienen de fábrica, el otro grupo con tratamiento térmico de temple y el último con temple más revenido.

Según la norma ASTM GT76-96, las probetas han de ser piezas rectangulares con dimensiones de 10 por 30 por 2 mm de espesor, pero debido a las dimensiones del porta probetas, y a que comercialmente el material a emplear no se consigue con t= 2 mm, se debió modificar las dimensiones para este estudio, quedando de 20 por 30 por 4.5 mm.

Para hacer la respectiva verificación de que el acero cumple con las especificaciones de un acero AISI/SAE 1016, se tomó un ensayo de espectrometría por emisión, ensayo que revelo los porcentajes de sus elementos químicos constituyentes. Los resultados de dicho ensayo se enuncian a continuación en la tabla 2, comparados con información hallada en una ficha técnica.

Elementos químicos constituyentes

Resultados espectrometría

Información ficha técnica3

C% 0.14 0.13 – 0.18

Mn % 0.92 0.6 – 0.9

Si % 0.22 0.35 Max

P % 0.001 0.04 Max

S % 0.001 0.05 Max

Cr % 0.014 -

Ni % 0.017 -

Mo % 0.011 -

Cu % 0.018 -

Sn % 0.002 -

Tabla 2. Composición química acero AISI SAE 1016

Con los datos obtenidos por medio del ensayo de espectrometría de emisión, del acero AISI SAE 1016, se determinaron los rangos de temperaturas comprendidas entre Ac1, zona en la que la perlita empieza a transformase en austenita, quedando constituido por austenita y ferrita libre, la cual, a medida que aumenta la temperatura empieza a disolverse en la austenita y Ac3, punto correspondiente al fin de la disolución de la ferrita proeutectoide en la austenita en aceros de menos

3 Ficha técnica acero AISI SAE 1016 disponible en: http://www.acerosindustriales.com.co/sitio/images/stories/pdfs/ACEROS_DE_BAJO_CARBONO-

SAE_1005_A_1020.pdf

de 35% de carbono.4

Las temperaturas en mención se calcularon por medio de la siguientes ecuaciones5:

𝐀𝐜𝟏(°C) = 723 − 7.08 𝑀𝑛 + 37.7 𝑆𝑖 + 18.1 𝐶𝑟 + 44.2 𝑀𝑜 + 8.95 𝑁𝑖 + 50.1 𝑉+ 21.7 𝐴𝑙 + 3.18 𝑊 + 297 𝑆 − 830 𝑁 − 11.5 𝐶 𝑆𝑖 − 14.0 𝑀𝑛 𝑆𝑖− 3.10 𝑆𝑖 𝐶𝑟 − 57.9 𝐶𝑀𝑜 − 15.5 𝑀𝑛 𝑀𝑜 − 5.28 𝐶 𝑁𝑖 − 6.0 𝑀𝑛𝑁𝑖+ 6.77 𝑆𝑖 𝑁𝑖 – 0.80 𝐶𝑟 𝑁𝑖 – 27.4 𝐶 𝑉 + 30.8 𝑀𝑜 𝑉 − 0.84 𝐶𝑟2 – 3.46 𝑀𝑜2 – 0.46 𝑁𝑖2 − 28 𝑉2

𝐀𝐜𝟑(°𝐂) = 912 − 203 √C + 15.2Ni + 44.7Si + 104V + 31.5Mo + 13.1W − 30Mn − 11Cr − 20Cu + 700P + 400Al + 120 As + 400Ti

Ecuación 1

𝐀𝐜𝟏(°C) = 723 − 7.08 (0.922) + 37.7 (0.22) + 18.1(0.14) + 44.2 + 8.95 (0.017)+ 50.1(0.002) + 21.7(0,039) + 3.18(0.005) − 11.5(0.138)(0.22)− 14.0(0.922)(0.22) − 3.10(0.22)(0.014) − 57.9(0.138)(0.011)− 15.5(0.922)(0,011) − 5.28(0.138)(0.017) − 6.0(0.922)(0.017)+ 6.77(0.22)(0.017)– 0.80(0.014)(0.017) − 27.4(0.138)(0.002)+ 30.8(0.011)(0.002) − 0.84 (0.014)2 – 3.46 (0.011)2 – 0.46 (0.017)2

− 28 (0.002)2

Ecuación 2

𝐀𝐜𝟑(°𝐂) = 912 − 203√(0.138) + 15.2(0.017) + 44.7(0.22) + 104(0.002) + 31.5(0.011) + 13.1(0.004) − 300.922) − 11(0.014) − 20(0.018) + 400(0.039) + 400(0.001)

4 Apraiz Barreiro José, Tratamientos térmicos de los aceros. Octava edición, 1984. Editorial Dossat. Pagina 42, parrafos 3 y 5. 5 ASM Metals HandBook Volume 4 - Heat Treating. Metallurgical Principles, pag 104.

Isothermal Transformation Diagrams, pag 23.

Carlos A. Bohórquez. Influencia del tratamiento térmico desde temperaturas intercriticas en las propiedades mecánicas del

acero 1045. Grupo DISING, Universidad Distrital Francisco José de Caldas, sede Tecnológica, Bogotá Colombia.

Además, para llevar a cabo los diversos tratamiento térmicos, se lleva a cabo un revenido y para que no haya un cambio de fase, la temperatura a alcanzar debe estar por debajo de Ms, aquella en la que se empieza a formar la martensita Ecuación 3

𝐌𝐬(°𝐂) = 496(1 − 0.62𝐶)(1 − 0.092𝑀𝑛)(1 − 0.033 𝑆𝑖)(1 − 0.045𝑁𝑖)∗ (1 − 0.07𝐶𝑟)(1 − 0.029𝑀𝑜)(1 − 0.015𝑊)(1 − 0.012𝐶𝑜)

Al aplicar las ecuaciones citadas, para los valores obtenidos con el ensayo de espectrometría, se calculan las respectivas temperaturas Ac1, Ac3 y Ms los resultados se aprecian en la tabla 2.

Ac1 Ac3 Ms

723.38 ºC 835.74 ºC 445,48 ºC

Tabla 3, temperaturas intercríticas

Las temperaturas del tratamiento térmico y el tiempo de sostenimiento se observan el la gráfica 1

Gráfica 1, tratamiento térmico empleado

Las temperaturas que se seleccionan son intermedias, para el temple, comprendidas entre las zonas de austenización que van entre Ac1 y Ac3, escogiendo 800 ºC como la adecuada y para el revenido, por debajo del punto donde inicia la transformación de martensita Ms, tomando 460 ºC. Como medio de enfriamiento se emplea agua agitada a temperatura ambiente, para que el enfriamiento se ejecute rápidamente. Después de realizados los respectivos tratamientos térmicos propuestos, se llevan a cabo los ensayos de dureza guiado bajo la norma ASTM E 18 y ensayo por desgaste erosivo según norma ASTM G76-96 Además, se realiza un estudio metalográfico tomando las especificaciones de la norma ASTM E3 y se emplea el uso de un microscopio óptico para observar y analizar los diversos tipos de microestructuras presentes y sus características. Todos los anteriores ensayos son realizados a cada grupo de probetas.

6. ANALISIS DE DATOS

6.1 Prueba de dureza El ensayo fue llevado a cabo con un durómetro GNEHM Swiss Rock, con un indentador en punta de diamante en forma de esfera. Como se evidencia en la gráfica numero 2 los resultados obtenidos en cada ensayo de dureza tomada a probetas del mismo grupo varían entre si, se determina que factores como la separación entre piezas dentro de la mufla, el tiempo que transcurre (distinto para cada probeta) desde que se abre la mufla una vez alcanzados los para metros establecidos y se sumerge en agua, la temperatura de la pinza empleada para sacar las piezas, el punto donde se toma el ensayo, la intensidad de la agitación del agua y corrientes de viento, son factores determinantes que logran variar en mayor o menor medida la microestructura y por ende la dureza en el material.

Gráfica 2, valores de dureza para cada pieza

En la tabla 4 y gráfica 3, se aprecia el tratamiento térmico empleado y el valor promedio de dureza obtenida.

0

20

40

60

80

100

120

STT T T+R C 24 hrs C 48 hrs T+C 24hrs

T+C 48hrs

T+R+C24 hrs

T+R+C48 hrs

Du

reza

s H

RB

Tratamiento termico empleado

Durezas vs tratamiento termicos

Tratamiento térmico Valor promedio

(HRB) Sin tratamiento termico, en estado de entrega del proveedor (STT)

90

Temple (T) 97.5

Temple mas revenido (T+R) 91.3

Criogenia por 24 horas (C 24 hrs) 91.9

Criogenia por 48 horas (C 48 hrs) 93.2

Temple mas criogenia por 24 horas (T+C 24 hrs)

95.6

Temple mas criogenia por 48 horas (T+C 48 hrs)

93.3

Temple mas revenido mas criogenia por 24 horas (T+R+C 24 hrs)

88

Temple mas revenido mas criogenia por 48 horas (T+R+C 48 hrs)

89.4

Tabla 4, durezas obtenidas

Gráfica 3, dureza promedio vs tratamiento térmico

Se observa la diferencia en los valores de dureza con las piezas tratadas térmicamente respecto a las que no poseen tratamiento térmico alguno, ya que, la ferrita presente en el acero al carbono, se transforma en martensita, constituyente

82

84

86

88

90

92

94

96

98

100

STT T T+R C 24hrs

C 48hrs

T+C 24hrs

T+C 48hrs

T+R+C24 hrs

T+R+C48 hrs

Du

reza

HR

B (

va

lor

pro

me

dio

)

Tratamiento termico empleado

Durezas vs tratamiento termico

con valores de dureza mayor. Ya que el contenido de carbono en este acero es bajo, los niveles de dureza no aumentan significativamente, razón por la cual, comúnmente este material no se templa. Al realizar el revenido, se reducen tensiones internas generadas debido a la transformación de fases, a cambio de dureza, evidenciado clara mente en la gráfica 3. Al emplear criogenia, se puede ver que la dureza aumenta a mayor cantidad de tiempo en piezas sin otro tratamiento térmico y aquellas que ya poseen temple y fueron sumergidas en nitrógeno líquido por 24 horas, pero se concluye que al aumentar el tiempo en baño criogénico de las probetas con temple la dureza disminuye. Caso contrario sucede con los dos últimos grupos de probetas, aquellas tratadas con temple mas revenido mas criogenia, ya que posterior al alivio de tensiones residuales obtenido con el revenido, el acero se endurece al ser sometido a criogenia y a mayor tiempo de exposición, su dureza aumenta, pero los valores de dureza de estos grupos, están por debajo de las piezas sin tratamiento térmico.

6.2 Prueba de desgaste erosivo

Para proceder a la ejecución del ensayo por desgaste abrasivo, se siguieron los parámetros contemplados en la norma ASTM G76-95 empleándose un tribómetro diseñado para la realización de tal ensayo Las partículas empleadas para crear el desgaste erosivo en las piezas fue dióxido de aluminio (Al2O3 alúmina), partículas con diámetros de 86,39 micrómetros como se puede apreciar en la figura 1

Figura 1, micrografía partículas de alúmina

Los resultados obtenidos en los ensayos por desgaste erosivo se evidencian en las siguientes gráficas:

Gráfica 4, material sin tratamiento térmico. Perdida de masa vs tiempo (min)

Como se puede observar en la gráfica 4 respecto, existen valores negativos, que significan un incremento de masa durante los primeros 4 minutos, probablemente esto ocurra por lo blando que es el material ya que no tiene ningún tratamiento térmico, permitiendo que la alúmina se incruste y se adhiera al acero.

Gráfica 5, material con temple. Perdida de masa vs tiempo (min) Se observa que debido a la mayor dureza del material objeto del ataque erosivo, la perdida de masa en los primeros 6 minutos es muy poca, alcanzando en este periodo una perdida de solo 0.0002 gramos. Estas piezas que indicaron los mayores valores de dureza, fueron las que perdieron menor cantidad de masa, producto del ataque por desgaste erosivo.

-0,0040

-0,0030

-0,0020

-0,0010

0,0000

0,0010

0,0020

0,0030

0,0040

0,0050

0 2 4 6 8 10 12

Pe

rdid

a d

e m

asa

(g

r)

Tiempo (min)

BASE (STT )

BASE

BASE B

Lineal (BASE)

Lineal (BASE B )

-0,0005

0,0000

0,0005

0,0010

0,0015

0,0020

0 5 10 15Pe

rdid

a d

e m

asa

(g

r)

TIEMPO (min)

TEMPLE

temple a

TEMPLE B

Lineal (temple a )

Lineal (TEMPLE B)

Lineal (TEMPLE B)

Gráfica 6, material con temple mas revenido. Perdida de masa vs tiempo (min)

Gráfica 7, material con criogenia 24 h. Perdida de masa vs tiempo (min)

-0,0010

0,0000

0,0010

0,0020

0,0030

0,0040

0,0050

0 2 4 6 8 10 12

Pe

rdid

a d

e m

asa

(g

r)

Tiempo (min)

TEMPLE + REVENIDO

TR A

TR B

TR C

TR D

Lineal (TR A)

Lineal (TR A)

Lineal (TR B)

Lineal (TR C)

0,0000

0,0010

0,0020

0,0030

0,0040

0,0050

0,0060

0,0070

0 2 4 6 8 10 12

Pe

rdid

a d

e m

asa

(g

r)

Tiempo (min)

MATERIAL BASE + CRIOGENIA X 24

MATERIAL BASE+CRIOGENIA X 24 A

MATERIAL BASE +CRIOGENIA X 24 B

MATERIAL BASE +CRIOGENIA X 24 C

MATERIAL BASE +CRIOGENIA X 24 D

Lineal (MATERIAL BASE+CRIOGENIA X 24 A )

Lineal (MATERIAL BASE +CRIOGENIA X 24 B)

Gráfica 8, material con criogenia 48 h. Perdida de masa vs tiempo (min)

Gráfica 9, material con temple mas criogenia 24 h. Perdida de masa vs tiempo (min) La perdida de masa por el efecto del desgaste erosivo a las probetas de la grafica 9 son bastante bajos y se evidencia que aquellas probetas a las que se les realizo temple, son las que presentan menor perdida de masa, las probetas de este grupo

-0,0010

0,0000

0,0010

0,0020

0,0030

0,0040

0,0050

0,0060

0,0070

0 2 4 6 8 10 12

Pe

rdid

a d

e m

asa

(g

r)

Tiempo (min)

MATERIAL BASE + CRIOGENIA X 48

MATERIAL BASE +CRIOGENIA X 48 A

MATERIAL BASE +CRIOGENIA X 48 B

MATERIAL BASE +CRIOGENIA X 48 C

MATERIAL BASE +CRIOGENIA X 48 D

Lineal (MATERIAL BASE +CRIOGENIA X 48 A )

Lineal (MATERIAL BASE +CRIOGENIA X 48 B)

-0,0010

0,0000

0,0010

0,0020

0,0030

0,0040

0,0050

0,0060

0,0070

0,0080

0,0090

0 5 10 15

Pe

rdid

a d

e m

asa

(g

r)

Tíempo (min)

TEMPLE + CRIOGENIA X 24 H

TCRX24 A

TCRX24 B

TCRX24 C

TCRX24 D

Lineal (TCRX24 A)

Lineal (TCRX24 B)

Lineal (TCRX24 C)

Lineal (TCRX24 C)

Lineal (TCRX24 D)

(temple + criogenia * 24 horas) están dentro de los tres grupos con menor perdida de masa con un promedio 0.0029 gr.

Gráfica 10, material con temple mas criogenia 48 h. Perdida de masa vs tiempo (min)

Gráfica 11, material con temple mas revenido mas criogenia 24 h. Perdida de masa vs tiempo (min).

-0,0010

0,0000

0,0010

0,0020

0,0030

0,0040

0,0050

0,0060

0,0070

0,0080

0 2 4 6 8 10 12

Pe

rdid

a d

e m

asa

(g

r)

Tíempo (min)

TEMPLE + CRIOGENIA X 48 H

TCR X 48

TCRX28 B

TCRX48 C

TCRX48 D

Lineal (TCR X 48)

Lineal (TCRX28 B)

Lineal (TCRX48 C)

Lineal (TCRX48 D)

-0,0005

0,0000

0,0005

0,0010

0,0015

0,0020

0,0025

0,0030

0,0035

0 2 4 6 8 10 12

Pp

erd

ida

de

ma

sa (

gr)

Tiempo (min)

TEMPLE + REVENIDO + CRIOGENIA X 24 H

TRCRX 24 A

TRCRX24 B

TRCRX24 C

TRCRX24 D

Lineal (TRCRX 24 A)

Lineal (TRCRX24 B)

Lineal (TRCRX24 C)

Lineal (TRCRX24 D)

Gráfica 12, material con temple mas revenido mas criogenia 48 h. Perdida de masa vs tiempo (min) Las probetas disminuyen su nivel dureza al tener un tratamiento térmico de revenido posterior al temple, razón por la cual se evidencia la perdida de masa superior respecto a las probetas con temple sin revenido El ensayo erosivo realizado según la norma G-76 fue efectuado en el tribómetro de la universidad Distrital Francisco José de Caldas, se hizo la prueba a 4 piezas por grupo durante un tiempo de 10 minutos y una presión constante de 20 psi, se hicieron intervalos de 2 minutos en los que se pudieron medir el cambio de masa por estos intervalos de tiempo. El desgaste que presentan las probetas es producido por el impacto de las partículas de alúmina que golpean a velocidades de 30 m/s desde la boquilla del tribómetro hasta hacer contacto con el material objeto de estudio de forma continua generando un desgaste erosivo en estos. Al tomar las medidas de masa en algunas probetas, se observo que los valores varían aleatoriamente, probablemente debido a que algunas partículas de alúmina al hacer contacto con la pieza se quedan incrustadas dentro en los intersticios de los granos, pues al hacer una inspección visual, y pese a haber limpiado con una escobilla las probetas, se observa lo que seria restos del material empleado para producir el desgaste erosivo, haciendo que se acumulen minúsculas partículas en le material y al momento de hacer la medición de la masa, suban los valores

-0,0005

0,0000

0,0005

0,0010

0,0015

0,0020

0,0025

0,0030

0,0035

0,0040

0,0045

0 2 4 6 8 10 12

Pe

rdid

a d

e m

asa

(g

r)

Tíempo (min)

TEMPLE + REVENIDO + CRIOGENIA X 48 H

TRCRX48 A

TRCRX48B

TRCR X48 C

TRCR X48 D

Lineal (TRCRX48 A)

Lineal (TRCRX48B)

Lineal (TRCR X48 C)

Lineal (TRCR X48 D)

Los resultados encontrados en la prueba de desgaste tienen relación con la prueba de durómetro para este acero y se evidencia que la dureza es directamente proporcional, al momento de obtener los valores de desgaste en el temple, se observó que la reducción de masa había sido menor, según el análisis esta perdió en diez minutos entre 0,0008gr y 0,0015gr mientras que la que más obtuvo pérdida de masa fue el material base con criogenia por un tiempo de 48 horas donde la cantidad de masa perdida en 10 minutos fue de 0.0052gr y el menor de 0.0035gr dejando un promedio de 0.0042 gr perdido, los valores de perdida de masa a diez minutos para cada grupo son los siguientes.

TRATAMIENTO

MENOR

PERDIDA DE MASA

(GRAMOS)

MAYOR

PERDIDA DE MASA

(GRAMOS)

PROMEDIO PERDIDA DE MASA

(GRAMOS)

TEMPLE

T+CR*24 H

T+CR*48 H

T+R

T+R+CR*24 H

T+R+CR*48 H

SIN

TRATAMIENTO

CR*24 H

CR*48 H

0.0008

0.0013

0.0013

0.0027

0.0012

0.0020

0.0002

0.0025

0.0031

0.0015

0.0066

0.0062

0.0043

0.0026

0.0040

0.0046

0.0064

0.0052

0.0011

0.0029

0.0034

0.0038

0.0020

0.0029

0.0024

0.0041

0.0042

Tabla 5, índices de desgaste erosivo.

6.3 Pruebas metalográficas

a) b)

Figura 2. Microestructuras de probetas sin tratamiento térmico, en estado de entrega del proveedor a) 200x, b)1000x.

Podemos observar en las micrografías, la microestructura laminar típica de un acero con bajo contenido de carbono, identificando los granos de perlita uniformes, formados mayoritariamente por laminas de ferrita y las restante, por cementita.

a) b) Figura 3. Microestructuras de probetas del acero SAE 1016, con temple, a) 200x,

b)1000x La martensita es, después de la cementita el constituyente mas duro presente en los aceros templados.

La estructura y propiedades de la martensita dependen de la cantidad de carbono presente en el acero, crece en forma de listones y cuando el contenido de carbono es bajo, como en nuestra situación, la martensita que crece presenta niveles de dureza no muy altos6. En las micrografías, debido al bajo contenido de carbono de nuestro acero SAE 1016, no hay mayor presencia de martensita y no se evidencia claramente la presencia de estos listones.

a) b)

Figura 4. Microestructuras de probetas con temple mas revenido , a) 200x, b)1000x.

Con el revenido, se consigue liberar tensiones residuales presentes en el acero, posterior a un tratamiento térmico de temple, se disminuye dureza y se hace un poco mas dúctil el acero. Evidenciamos microestructuras de grano ferriticos (blanco) y perlita. La microestructura presente es martensita revenida.

6 Askeland Donald. Ciencia e ingeniería de los materiales, 3 edicion. International Thomson Editores, 3 edicion. Pag 323. Figura 11-24, efecto del contenido de carbono en la dureza de los aceros

a) b) Figura 5. Microestructuras de probetas con criogenia a) 24 h 200x, b) 48 h 200x.

En esta figura, observamos las mismas características observadas en el acero sin ningún tipo de tratamiento térmico, identificamos los granos de perlita uniformes, formados en su mayoría por laminas de ferrita y las restante, por cementita. Además, se denotan los limites de grano (líneas mas oscuras). No se evidencia que los baños criogénicos generen cambios en las microestructuras del acero SAE 1016.

a) b)

Figura 6. Microestructuras de probetas con temple mas criogenia a) 24 h 1000x, b) 48h 1000x.

Esta figura permite ver la martensita en forma de bastones típicos que se presentan posterior a un proceso de temple, comparando estas micrografías con

las de la figura 3, se concluye nuevamente que la criogenia no altera o modifica las microestructuras de un acero como el SAE 1016

a) b) Figura 7. Microestructuras de probetas con temple, revenido mas criogenia a)

baño criogénico por 24 h, 200x b)baño criogénico por 24 h, 1000x

a) b)

Figura 8. Microestructuras de probetas con temple, revenido mas criogenia a) baño criogénico por 48 h, 200x b)baño criogénico por 48 h, 1000x

7. CONCLUSIONES

Los valores de dureza obtenidos dentro de todos grupos de estudio, no arrojan valores muy distantes entre máximo con 97,5 HRB y mínimo con 88 HRB, por tanto, no se evidencia mayor variación, por lo que se concluye que la criogenia empleada en aceros SAE 1016, no altera significativamente esta propiedad.

La mayor dureza obtenida, la poseen las probetas a las que se les realizo temple, y temple mas criogenia.

Cuando la finalidad de un proyecto es evidenciar si el uso de un tratamiento térmico como lo es la criogenia posterior a un temple y revenido, puede mejorar la resistencia ante el desgaste erosivo en un acero y de forma experimental se determina que los mejores resultados se obtienen solamente con un temple, podemos deducir que el tratamiento criogénico no es muy eficaz para esa finalidad en un acero de bajo carbono como lo es un acero SAE 1016.

Al estar definida la dureza como la oposición que ofrece un material a dejarse rayar o penetrar y por medio de los resultados obtenidos en este estudio, vemos que la resistencia al desgaste erosivo de un acero SAE 1016, depende de la dureza del material, evidenciado en que la menor perdida de masa la presento el acero con un mayor nivel de dureza.

El aumento de masa posterior al desgaste erosivo que presentaron algunas piezas, puede deberse a incrustaciones de partículas de alúmina en el acero objeto de estudio.

10. BIBLIOGRAFIA

1. Apraiz Barreiro José, Tratamientos térmicos de los aceros. Octava edición, 1984. Editorial Dossat. Pagina 69.

2. Pérez Marcos, Belzunce Francisco Javier “The effect of deep cryogenic treatments on the mechanical properties of an AISI H13 steel” (17 de noviembre de 2014) Pagina 1. Disponible en: http://www.sciencedirect.com.bdigital.udistrital.edu.co:8080/science/article/pii/S0921509314014191

3. Ficha técnica acero AISI SAE 1016 disponible en: http://www.acerosindustriales.com.co/sitio/images/stories/pdfs/ACEROS_DE_BAJO_CARBONO-SAE_1005_A_1020.pdf.

4. Apraiz Barreiro José, Tratamientos térmicos de los aceros. Octava edición, 1984. Editorial Dossat. Pagina 42, parrafos 3 y 5.

5. ASM Metals HandBook Volume 4 - Heat Treating. Metallurgical Principles, pag 104.Isothermal Transformation Diagrams, pag 23. Carlos A. Bohórquez. Influencia del tratamiento térmico desde temperaturas intercriticas en las propiedades mecánicas del acero 1045. Grupo DISING, Universidad Distrital Francisco José de Caldas, sede Tecnológica, Bogotá Colombia.

6. Askeland Donald. Ciencia e ingeniería de los materiales, 3 edicion. International Thomson Editores, 3 edicion. Pag 323. Figura 11-24, efecto del contenido de carbono en la dureza de los aceros.

http://www.sciencedirect.com.bdigital.udistrital.edu.co:8080/science/article/pii/S0921509314014191http://www.sciencedirect.com.bdigital.udistrital.edu.co:8080/science/article/pii/S0921509314014191