Cementación sólida a un acero al carbono AISI/SAE 1045

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Resumen

El presente trabajo estudia la influencia de la capa superficial cementada en un acero AISI/SAE 1045 con el fin de mejorar las propiedades mecánicas y tribológicas, debido a que con los tratamientos térmicos tradicionales no se alcanza una alta dureza superficial, lo que conlleva a cortar la vida útil del material. Este trabajo corresponde a los resultados exploratorios preliminares (sin repeticiones) de un diseño experimental más grande. Para esto se lleva a cabo un proceso termoquímico llamado cementación, llevando el acero a temperatura de 925 °C para que se dé el efecto de cementación y posteriormente se realizaron procesos de temple y revenido, con el propósito de crear una capa superficial dura manteniendo un núcleo tenaz en las piezas de acero al carbono AISI/SAE 1045. La cementación sólida se hizo en tres tiempos diferentes t1, t2 y t3, y posteriormente se realizó la caracterización de la microestructura, espesor de capa cementada, ensayo de pin on disk y microdureza vickers.

Introducción

El acero al carbono AISI/SAE 1045, posee un nivel medio de resistencia mecánica y tenacidad a bajo costo con respecto a los demás aceros al carbono. Baja soldabilidad, buena maquinabilidad y excelente forjabilidad. Ampliamente utilizado para todo tipo de piezas que requieren de dureza y tenacidad como cigüeñales, engranajes, pasadores, bielas, acoplamientos, tuercas, ejes, cadenas y manivelas, entre otras1. Es un material de aplicación universal y gracias a su versatilidad se encuentra en sectores tales como el automotriz, el azucarero y el metalúrgico.

Tradicionalmente a este tipo de acero se le realizan tratamientos térmicos con el fin de elevar la dureza, disminuir la tenacidad y ductilidad para prolongar su vida útil. La mayor dureza que se alcanza en el temple más el revenido se ubica entre los 58 HRC y 63 HRC2. Se explora, por medio de la cementación sólida, la posibilidad de obtener capas endurecidas lo bastante altas para igualar o superar las obtenidas por el temple; para ellos se realizó una caracterización desde el punto de vista químico, microestructural, dureza y de pin on disk de la superficie endurecida. En el presente trabajo no se realizaron replicas.

Metodología

La investigación se realizó utilizando el acero AISI/ SAE 1045 en forma de probetas tipo hueso y monedas maquinadas, tal como se observa en la Figura 1.

La cementación sólida se llevará a cabo variando tres veces el tiempo de cementación con su respectiva repetición, utilizando una mezcla cementante compuesta por una mezcla de 50% de carbón vegetal, 30% de carbón coque, 12% de carbonato de bario y 8% de carbonato de sodio3. Se escogió la temperatura de cementación de 925 °C, después de cada tiempo establecido se baja a temperatura de temple de 830 °C y posteriormente se templa en aceite, seguido de un revenido a 180 °C por 1 h dejando enfriar lentamente en el aire hasta temperatura ambiente. Uno de los cilindros, después de transcurrido el tiempo de cementación, se dejó enfriar lentamente en el horno.

El acero AISI/SAE 1045 se caracteriza, una vez en estado de suministro y después de cada uno de los tiempos de cementación, para determinar la influencia de la capa superficial cementada en las propiedades mecánicas y tribológicas del acero.

Se obtuvo la composición química del acero AISI/ SAE 1045 mediante el ensayo de espectrometría de emisión atómica bajo la norma ASTM E415-14, por medio de un espectrómetro de emisión atómica; por otro lado, para observar la estructura del material se realizó un ensayo de metalografía en un microscopio Olympus PME3; para la preparación de la muestra se siguió la norma ASTM E3-11; posterior al cementado esta técnica se usó para determinar las fases presentes en el acero y medir el espesor de la capa superficial cementada en los tres tiempos, llevado a temperatura de temple seguido de un revenido. Además, se realizó un ensayo de micro dureza Vickers bajo la norma ASTM E384-11 con un microdurómetro marca Zwick; esto con el objetivo de determinar el perfil de dureza en la sección transversal de la capa superficial cementada y el núcleo.

Para analizar y comparar las propiedades mecánicas mejoradas con el espesor de la capa superficial cementada manteniendo un núcleo tenaz, se realiza el estudio de desgaste mediante un ensayo de coeficiente de fricción en un tribómetro por medio de pin on disk, mediante el contacto y rozamiento de dos materiales entre sí. Uno en forma de disco y otro en forma de bola; por medio de este procedimiento el cual tiene velocidad regulable se puede obtener diferentes parámetros como fuerza de rozamiento y coeficiente de rozamiento.

Resultados parciales

Se realizó un análisis químico al iniciar el experimento para corroborar que el acero corresponde al AISI/SAE 1045 y se obtuvieron los resultados que se muestran en la Tabla 1. Adicionalmente se midió la dureza en la sección transversal de la muestra obteniendo un valor promedio de 23,45 HRC.

El análisis metalográfico en estado de suministro reveló que el acero está compuesto por ferrita y perlita con algunas inclusiones no metálicas principalmente de sulfuro de manganeso.

Dos cilindros de cada uno de los tiempos, que fueron enfriados lentamente en el horno sin realizarles el temple; se usaron para cuantificar por vía óptica el crecimiento de la capa, tal como se observa en la micrografía de la Figura 2 para el tiempo 1 y los resultados de los tres tiempos en la Tabla 2.

La microestructura de las muestras templadas en los diferentes tiempos se puede apreciar en la Figura 3, la cual está compuesta en el borde en una zona cercana a la superficie por martensita y austenita retenida, con una fracción de perlita y bainita, hacia el interior de la capa el porcentaje de perlita se incrementa y muestra algo de bainita y finalmente la microestructura del núcleo está compuesta por perlita y ferrita principalmente. La muestra correspondiente al tiempo 3 presentó una reducción el en porcentaje de martensita y austenita retenida5.

Se realizó un perfil de microdureza Vickers con 0,2 kgf de carga a la sección transversal de cada una de las muestras de los diferentes tiempos, templados y revenidos obteniendo los resultados que se pueden apreciar en la Figura 4. Los cuales muestran que se logró obtener una capa con una dureza equivalente entre 62 HRC y 63 HRC, a excepción del tiempo 3 que presenta valores iniciales más bajos, los cuales son contrastados con las fases presentes en la microestructura.

Para los ensayos de pin on disk se utilizó una carga 5N y 160 rpm con una contraparte del par tribológico compuesto por una esfera acero al cromo de 6 mm de diámetro; para este ensayo se midió el coeficiente de fricción (ver Tabla 3) y se observó por microscopia electrónica de barrido el decremento del ancho de la pista de desgaste para cada tiempo.

Conclusiones parciales

Se evidenció que los parámetros del tratamiento térmico y la mezcla cementante favorecen el crecimiento de la capa y están de acuerdo con el comportamiento reportado para otros aceros de cementación. La evaluación microestructural confirmó la presencia de una microestructura favorable a excepción de la muestra del tiempo 3 donde se presentan diversas fases de manera irregular y una menor concentración de martensita, que no alcanzan la dureza adecuada para aplicaciones donde se busque reemplazar el temple.

La microdureza en la capa cementada es muy similar a las obtenidas en un tratamiento térmico convencional6; queda por evaluar el resto de propiedades mecánicas y completar las repeticiones del experimento para confirmar las bondades del tratamiento propuesto.

Se debe evaluar el porcentaje de austenita retenida para verificar si el porcentaje generado por el tratamiento propuesto es aplicable a las piezas de aplicación industrial.

References

Referencias bibliográficas

1 Sídney, A.H. (1998). Introducción a la metalurgia física. Mc Graw Hill. Interamericana. México D.F.

2 Valencia, A.G. (2009). Tecnología del tratamiento térmico de los materiales. Editorial Universidad de Antioquia. Colombia.

3 Gómez L. F. (1991). Cementación en Medio Sólido: En Caja. Informador Técnico, No. 4.

4 Marcbach B.y Theoporheuss-stransse, (2007) Stahlschüssel la llave del acero, editorial Nachschlagewerk Stahlschüssel.

5 ASM international, Metallography and Microstructures. Volume 9 of the 9th Edition Metals Handbook. 1985

6 Robledo D. M, & Cárdenas, A. O. (2011) Evaluación de los parámetros de temple y revenido para el acero AISI/SAE1045 a escala industrial. Scientia et Technica Año XVI, No 49, Diciembre de 2011.