nitrurado, cementado y borurado 316l.pdf
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CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES
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Recubrimientos termoquímicos en acero 316L , cementado, nitrurado y borurado
Tomas De la Mora Ramírez, Daniel Sanchez Huerta 2 ,Luis Alonso Sánchez Ortiz
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RESUMEN
Los aceros inoxidables austeníticos son conocidos por su alta
resistencia a la corrosión siendo ampliamente utilizados en la
industria alimenticia, química y biomédica.
Sin embargo presentan una pobre dureza superficial y resistencia al
desgaste, lo que limita su campo de aplicación en equipamientos y
mecanismos donde esta propiedad es requerida.
Los tratamientos termoquimicos de Nitrurado, Cementado y
Borurado tratamientos ampliamente utilizado que provee a la
superficie de los materiales tratados una buena resistencia a la
fatiga y al desgaste.
ABSTRACT The austenitic stainless steels are known for their high resistance to
corrosion being widely used in the food, chemical and biomedical.
However have a poor surface hardness and resistance to wear,
which limits its field of application in equipment and mechanisms
where this property is required.
Nitriding thermochemical treatments, hardened and widely used
treatments Borurado that provides surface treated materials good
resistance fatigue and wear.
Palabras claves: Cementado, nitrurado, borurado, acero 316 L,
biomédica, Termoquiímico 1. INTRODUCCIÓN
Los aceros inoxidables austeniticos, especialmente el tipo 316L es
el material más ampliamente usado en la fabricación de implantes
por su costo, facilidad de fabricación y soldadura en comparación
con las aleaciones Co-Cr, Ti y sus aleaciones. El acero inoxidable
316L posee una resistencia a la corrosión aceptable,
biocompatibilidad, resistencia a la tensión y fatiga, y densidad
adecuada para propósitos de soporte de carga haciendo de este
material un material deseable para implantes quirúrgicos
El tratamiento termoquímico de borurización es relativamente un
proceso nuevo pero ha encontrado una gran aceptación debido a
su principal ventaja que es la alta resistencia al desgaste sobre los
demás tratamientos termoquímicos superficiales además de que es
un proceso fácil de aplicar en la superficie de diferentes aleaciones
¹Univerisdad Autónoma del estado de México, Facultad de
Ingeniería, [email protected] ²Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de
Ingeniería, [email protected]
Instituto Politécnico Nacional, ESIME, [email protected]
ferrosas y no ferrosas es por eso el gran interés de aplicar este
proceso en diferentes aplicaciones industriales
Se le realizo el proceso de cementado al acero AISI 316 L, sin
embargo como este es de bajo carbono no tiene buena adherencia y
por consiguiente no es de importancia
Tabla 1. Composición nominal del acero AISI 316L bajo
estudio.
C Si Mn P S Cr Mo Ni
≤0,03
≤1,00
≤2,0
≤0,04
≤0,01
16,50
18,50
2,00
2,5
10,00
13,0
2. METODOLOGIA.
En un análisis metalográfico el resultado depende mucho de la
preparación de la muestra. La selección del material para el estudio
estará en razón de la información que se quiera obtener, pero debe
existir una comparación entre un antes y un después o con una
probeta del material próximo a la falla y otra del material normal.
Las muestras deben de ser identificadas correctamente para evitar
la mezcla de resultados.
La figura 1 muestra las probetas estudiadas para realizar el estudio
metalográfico.
1a 1b 1c
La figura 1. Muestra las probetas de acero inoxidable AISI
316 L Nitrurada, 1b cementada, 1c borurado
El diámetro de las probetas cilíndricas está en un rango entre 11.11
mm y un espesor de 5 mm, un tamaño adecuado para el
microscopio electrónico de barrido
2.1 Equipo a utilizar
Para poder comprender la organización de los procesos llevados a
cabo para el análisis metalográfico, se describe a continuación los
procedimientos, equipo y consumibles utilizados.
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AA.. LLiijjaass PPaarraa RReeaalliizzaarr UUnn EEssmmeerriillaaddoo OO PPuulliiddoo..
Se inició con el procedimiento de un lijado burdo. Las tres
muestras fueron desbastadas con papel lija del No 200 y 320 para
quitar irregularidades en las caras de la probetas.
Para realizar un pulido intermedio, después de un montaje
adecuado, la muestra se pule sobre una serie de hojas de lija, con
abrasivos más finos sucesivamente. Generalmente, las operaciones
de lijado se hacen con papel de lija que tiene goma y por lo tanto,
se puede utilizar agua como lubricante y como refrigerante, para
impedir el sobrecalentamiento de la muestra. Las lijas que se
utilizan son:
a) Lija No 200
b) Lija No 320
c) Lija No 400
d) Lija No 600
e) Lija No 1 000
f) Lija No 1 200
g) Lija No 1 500.
Para darle el pulido y acabado requerido para la metalografía se
utilizaron lijas a partir del No. 400 hasta la 1500, utilizando como
lubricante agua.
La figura 2 muestra algunas de las lijas utilizadas en el desbaste y
pulido.
Figura 2 muestra algunas ligas que se utilizaron en el desbaste
y pulido con agua.
El pulido fino (acabado espejo), se obtiene mediante una rueda
giratoria húmeda cubierta con un paño especial cargado con
partículas abrasivas como lo muestra la figura 3. El abrasivo
utilizado fue el óxido de aluminio, ya que es el más utilizado para
pulir materiales ferrosos.
Figura 3 Pulidora con paño para el acabado fino de las
probetas
BB.. MMiiccrroossccooppiioo MMeettaallooggrrááffiiccoo..
La caracterización de la microestructura se llevó a cabo mediante
el uso de un microscopio óptico invertido (ZEISS AX10)como lo
muestra la figura 4 , teniendo en su revolver lentes de 100X, 250
X, 500X y 1000X.
Figura 4 del microscopio óptico invertido utilizado en las
pruebas metalográficas.
C. Reactivos Químicos.
En los ensayos de metalografía se hace uso de varios reactantes
químicos que son importantes porque al entrar en contacto con el
material que va ser observado en el microscopio (SAE 1018
normal, aluminizado y acero API X-70) las microestructuras que
lo forman sea más visibles por medio de dicho instrumentos para
esto dos aceros los compuestos químicos que se van a utilizar
según las normas ASTM son:
Tabla 3 reactivos químicos utilizados para atacar los diferentes
aceros
2.2 Ataque químico de las probetas.
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Después de una adecuada preparación superficial, la muestra
metalográfica fue limpiada con alcohol para evitar que quedaran
partículas sobre la superficie que puedan interferir en el momento
de visualizar la probeta en el microscopio óptico.
Para las probetas de acero AISI 316L duración del ataque con
Prical (ver figura 5) durante 8 minutos en ácido pícrico (ver figura
5), durante estos intervalos de tiempos, la superficie atacada
cambia de tonalidad haciéndose más opaca. Una vez concluido el
ataque la muestra se enjuaga en chorro de agua y se seca
empleando algodón limpio.
En esta última etapa se podrá apreciar la coloración final y
definitiva de la muestra metalográfica, que muchas veces suele
diferir bastante de la coloración obtenida en la muestra húmeda
inmediatamente después de su remoción de la solución de ataque..
Figura No. 5 Reactivo de ataque utilizado.
2. 3 Observación microscópica
Las muestras se observaron en el microscopio óptico de platina
invertida. Las muestras se examinan ajustando la iluminación
(campo claro) y filtros de luz para regular la brillantez de la
imagen. También se puede emplear luz polarizada y contraste
interferencial del software para intensificar el contraste entre
fases.
El registro se lleva a cabo con película fotográfica digital en
blanco y negro.
3.- DUREZAS ROCWELL C.
Se les aplico una dureza a cada uno de las muestras con una carga
de 1471 kg según prescrita en la norma VDI 3198.
El principio de este método se presenta en la la figura No. 6. Un
indentador de diamante cónico penetra en la superficie de un
compuesto recubierto, induciendo así una deformación plástica
masivo para el sustrato y la fractura del recubrimiento. Como en
cada ensayo de indentación, la regla 1/10th debe ser logrado, y por
lo tanto el espesor de la muestra total debe ser al menos diez veces
mayor que la profundidad de indentación. El tipo y el volumen de
la zona de fallo de revestimiento, exhiben en una primera vista de
la adhesión de la película y en segundo lugar su fragilidad.
Figura No. 6 Muestra un Prueba según norms VDI 3198 con
indentador punta diamante dureza ROCWELLC.
La siguiente figura No. 7 muestra la forma en que se realizaron las
pruebas de identacion con un durómetro de la marca Starret con
una carga de 1471 (figura No. 8)
Figura No.7 Prueba de indentación según norma VDI 3198
Figura No. 8 durómetro de la marca Starret donde se
realizaron las pruebas de identación.
Se realizaron a cada una de las muestras de borurado, cementado y
nitrurado tres indentaciones para identificar el grado de adherencia
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del tratamiento termoquímico. La figura No. 9 muestra las pruebas
de indentacion de las probetas boruradas, donde se observa las tres
marcas del penetrador de diamante. La dureza que presentaron fue
muy baja, las muestras que presentaron mayor grado de dureza
fueron las muestras cementadas la cual fue de 60 HRC seguidas de
las nitruradas con 53 HRC.
Figura No.9 muestras boruradas con tres identaciones cada
una, mostro una dureza HRC nula.
4. METALOGRAFIAS DEL ACERO AISI 316L
NITRURADO, CEMENTADO Y BORURADO
La observación metalográfica se llevó a cabo en la sección
transversal de cada una de las muestras, empleando un microscopio
óptico ZEISS AX10 de platina invertida. La observación y
posterior registro fotográfico se realizó con iluminación y el
empleo de filtros de color en caso que se requieran. El registro
fotográfico se efectuó empleando una cámara fotográfica, acoplada
al microscopio.
Las siguientes fotografías muestran el material del acero AISI
316L Borurado. La figura 10 muestra grietas circulases
provocadas por el penetrador de diamante.
Figura No. 10 metalografía del acero AISI 316 L Borurada con
un aumento de 100X.
La figura No. 11 Muestra una segunda prueba de indentacion
presentando la misma morfología de agrietamiento circular
Figura No. 11 metalografía muestra 2 del acero AISI 316 L
Borurada con un aumento de 100X
La muestra boruradas con agrietamiento circular se encuentran
dentro de las fallas aceptables según la norma VDI 3198.
Las Siguiente fotografía muestra es del acero AISI 316L
Cementada donde indica pequeñas grietas originadas por el
penetrador de diamante, según la norma VDI 3198 es una muestra
aceptable.
Figura No. 10 metalografía del acero AISI 316 L cementada
con un aumento de 100X.
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Figura No. 11 metalografía del acero AISI 316 L cementada
con un aumento de 100X.
Según la Norma VDI 3198 está dentro de una falla aceptable.
La figura No.11 muestra nulas grietas en la periferia de la
indentacion lo que significa que tiene una muy buena adherencia al
acero.
La aplicación principal del acero AISI 316 L cementado es la de
mejorar la resistencia a la corrosión y al aumento de la resistencia
al desgaste en las prótesis implantadas en humando, donde la
presencia de líquidos y la fricción continua requieren de una
buena protección superficial.
Figura No. 11 Muestra de las imágenes comparativas de las
huellas de indentacion según norma VDI 3198.
De las imágenes de 100X Nitruradas se observa en la figura12
notamos que se observan fisuras grandes pero escasas indicando
una buena adherencia del nitrurado al acero 316 L
Figura12. Metalografía a 100X presentando grietas en las
zonas marcadas.
Figura No. 13 Probetas nitruradas pulidas.
5. CONCLUCIONES.
La finalidad del presente proyecto es realizar una prueba de
adherencia, mediante los tratamientos termoquímicos mediante la
metodología de indentacion mediante un durómetro Rockwell C
basado en la norma VDI 3198 de fácil comparación. En el
microscopio óptico invertido, se observo la cantidad y tipo de
agrietamiento de cada una de las probetas con los diferentes
tratamientos termoquímicos de borurado, cementado y nitrurado.
Cabe resaltar que el de menor adherencia según la cantidad de
grietas es el tratamiento de borurado seguida del nitrurado y con
mayor adherencia es la del cementado .
Final mente se concluye que el borurado es un tratamiento
superficial que no ayuda a la protección del acero base al impacto,
solo a fricción.
REFERENCIAS Y BIBLIOGRÁFICAS
1.Introducción a la metalurgia Física; Sidney H. Avne: segunda
edición; editorial McGrawHill; 1988.
2. The VDI-3198 indentation test evaluation of a reliable
qualitative control for layered compounds
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