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• Diego Cáceres Barrios

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CEMENTACIÓN I: INTRODUCCIÓN: La cementación sólida de aceros comprende transformaciones de fase y por lo tanto, el cambio de las propiedades del acero, que se consiguen mediante el calentamiento hasta una determinada temperatura durante cierto tiempo y un posterior enfriamiento. Existen varios tipos de tratamientos térmicos, como el recocido, normalizado, temple y revenido, que en forma distinta cambian la estructura y las propiedades de la aleación. Cada uno de ellos se recomienda en dependencia de las exigencias planteadas a los semiproductos (piezas fundidas, forjadas, laminadas) y a los productos terminados (engranes, flechas, dados, herramientas y aceros de alta resistencia). El tratamiento térmico de cementación sólida es una operación muy importante en el ciclo tecnológico de preparación de muchas piezas sometidas a esfuerzos, desgaste, fricción y tenacidad. Solamente con ayuda del tratamiento térmico se pueden obtener altas propiedades mecánicas del acero que garantizan un trabajo normal de los elementos modernos de las máquinas y herramientas.

II: OBJETIVOS: 2.1: OBJETIVO PRINCIPAL: 

Verificar experimentalmente la teoría de cementación sólida mediante el uso de cementantes como el carbón vegetal y carbonato de calcio.

2.2: OBJETIVOS ESPECÍFICOS:    

Demostrar experimentalmente el endurecimiento superficial en un acero SAE 1020. Medir el espesor de la capa cementada. Medir la tenacidad en el ensayo de impacto Charpy. Identificar microestructuras formadas usando la metalografía.

III: FUNDAMENTO TEÓRICO: 3.1: CEMENTACIÓN La cementación consiste en introducir por difusión carbono en el acero. Al objeto de que el carbono pueda penetrar en la superficie del acero hay que aumentar la velocidad de difusión del carbono, que a temperatura ambiente es muy pequeña, para lo cual se calienta el acero hasta una temperatura elevada. Siempre que no se desee solamente formar una capa de carburo de hierro (Fe3C) frágil y muy delgada, se necesita además calentar el acero por lo menos cantidades de carbono en estado sólido, es decir en la zona de austenita, dado que sólo la red centrada en las caras es capaz de absorber carbono en gran cantidad. La cementación propiamente dicha del acero se realiza por difusión de carbono a elevada temperatura y por períodos de tiempo prolongados, siguiéndole un tratamiento de temple. El proceso de introducción de carbono se denomina se denomina carburación o mejor cementación. Las piezas a cementar se construyen, por lo regular, con acero muy bajo en carbono, con el fin de que durante el temple a realizar después de la cementación, el núcleo no experimente un considerable aumento de resistencia y siga conservando bastante ductilidad. Las temperaturas aplicadas actualmente oscilan alrededor de Ac3 o ligeramente por encima de esta, pero siempre son superiores a Ac1. A temperaturas entre Ac1 y Ac3 el carbono es absorbido por la parte de austenita no saturada en los aceros pobres en carbono. La aportación suplementaria de carbono lleva, por disminución de la temperatura Ac3, a nueva formación de solución sólida. La cementación puede realizarse por agentes sólidos, líquidos y gaseosos, que desprenden carbono. Pero la cementación se desarrolla siempre, no por un carbono en estado molecular, sino solo por los átomos de carbono debido a que este último es el único capaz de difundirse dentro de la red del hierro. Cementación Sólida La cementación sólida o cementación en caja es un proceso en el que el monóxido de carbono derivado de un compuesto sólido se descompone en la superficie del metal en carbono o dióxido de carbono, el carbono formado es absorbido hacia el metal por difusión. Las reacciones que se llevan a cabo en la cementación son: 2𝐶 + 𝑂2 → 2𝐶𝑂 2𝐶𝑂 + 𝐹𝑒 → (𝐶)𝐹𝑒 + 𝐶𝑂2 𝐶𝑂2 + 𝐶 → 2𝐶𝑂 Donde (C)Fe, representa el carbono disuelto en la austenita.

3.2: DIFUSION La tendencia natural de átomos y moléculas a moverse desde zonas de alta concentración hacia zonas de baja concentración se llama difusión. Cuando se retira la barrera entre dos sustancias, figura 9, las moléculas se redistribuyen (o difunden) por todo el recipiente. Al final, la mezcla alcanza un estado de equilibrio, en el que las moléculas de ambas sustancias están mezcladas uniformemente. Aunque el número total de moléculas en el recipiente es el mismo que antes de quitar la barrera, la concentración de cada sustancia es menor. La velocidad de difusión depende de la masa de las moléculas: las moléculas con más masa se difunden más lentamente. 3.3: LEYES DE FICK La ley de Fick es una ley cuantitativa en forma de ecuación diferencial que describe diversos casos de difusión de materia o energía en un medio en el que inicialmente no existe equilibrio químico o térmico. Recibe su nombre del médico y fisiólogo alemán Adolf Fick que las derivó en 1855. En situaciones en las que existen gradientes de concentración de una sustancia, o de temperatura, se produce un flujo de partículas o de calor que tiende a homogeneizar la disolución y uniformizar la concentración o la temperatura. El flujo homogeneizador es una consecuencia estadística del movimiento azaroso de las partículas que da lugar al segundo principio de la termodinámica, conocido también como movimiento térmico casual de las partículas. Así los procesos físicos de difusión pueden ser vistos como procesos físicos o termodinámicos irreversibles. 3.4: DIFUSIÓN AL ESTADO ESTACIONARIO Cuando en un sistema termodinámico multicomponente hay un gradiente de concentraciones, se origina un flujo irreversible de materia, desde las altas concentraciones a las bajas. A este flujo se le llama difusión. La difusión tiende a devolver al sistema a su estado de equilibrio, de concentración constante. La ley de Fick nos dice que el flujo difusivo que atraviesa una superfice (J en mol cm-2 s-1) es directamente proporcional al gradiente de concentración. El coeficiente de proporcionalidad se llama coeficiente de difusión (D, en cm2 s-1). Para un sistema discontinuo (membrana que separa dos cámaras) esta ley se escribe:

3.5: DIFUSIÓN AL ESTADO NO ESTACIONARIO El estado estacionario, en el cual las condiciones permanecen invariables con el tiempo, no se presenta con frecuencia en aplicaciones de ingeniería. En la mayoría de los casos, la difusión es en estado no estacionario, en

la cual la concentración de los átomos de soluto en cualquier punto del material cambia con el tiempo, es la que tiene lugar. Por ejemplo si se difunde carbono en la superficie de un árbol de levas de acero para endurecer su superficie, la concentración de carbono bajo la superficie de cualquier punto cambiará con el tiempo a medida que el proceso de difusión avanza. Para casos de difusión en estado no estacionario, en el cual la difusividad es independiente del tiempo, se aplica la segunda ley de Fick sobre difusión, así:

Esta ley establece que la velocidad de cambio de la composición de la muestra es igual a la difusividad por la velocidad de cambio del gradiente de concentración. La derivación y resolución de esta ecuación diferencial se realiza con ayuda de la transformada de Laplace. La solución particular, en la cual un gas se difunde en un sólido, es de gran importancia en aplicaciones de Ingeniería y es aplicada para resolver problemas prácticos de difusión industrial. La aplicación más importante en metalurgia de los principios de difusión es la carburización asm del acero, cuyo objetivo es crear una capa superficial rica en carbono en la superficie, y de una dureza elevada, sobre la pieza de acero de bajo carbono. Los aceros de cementación contienen normalmente 0.25% de carbono como máximo. Su tenor de carbono es a menudo inferior a 0.20% los contenidos máximos obtenidos en la superficie están entre 0.70% y 1.10%, de ellos 0.80% es el más empleado. Si suponemos que un gas carburizante penetra en una barra de acero, a mediada que el tiempo de difusión aumenta, la concentración de átomos de soluto en cualquier punto del sólido en la dirección X también aumentará. La relación entre la profundidad de penetración y el tiempo de carburización se puede calcular a partir de la solución de la segunda ley de Fick:

IV: DESARROLLO EXPERIMENTAL A continuación se describe la forma de cómo se realizó el tratamiento de cementación sólida para un acero SAE 1020 mediante el uso de un cementante como lo es el carbón vegetal y el activador carbonato de calcio. Además se dan las características principales de los materiales empleados en este trabajo.

4.1: ESTIMACIÓN DE LA CAPA CEMENTADA (PROGRAMA) TRABAJANDO PARA ENCONTRAR EL TIEMPO A UNA DISTANCIA X DE DIFUSIÓN Presentamos a continuación cálculos realizados utilizando las ecuaciones presentadas en el libro fundamentos de la ciencia e ingeniería de materiales de William f. Smith:

Para nuestro caso tenemos que obtener la ecuación de tiempo en función de la distancia de x:

Para ello nuestra ecuación nos pide D: entonces aplicamos la formula pero con los siguientes datos para difusión de carbono en hierro gama:

Viendo esta ecuación también debemos obtener nuestra z para poder trabajar para ello realizaremos las operaciones siguientes:

Interpolación para obtener z:

la ecuacion tambien nos pide X la capa cementada y para ello la medimos de la experiencia relizada:

La cementación de realizo correctamente y lo podemos verlo en la imagen para medirla usaremos rectángulos y aplicaremos una regla de tres simple: Aplicaremos una regla de 3 simple:

0.62 cm

La dimensión que nos interesa es el ancho ya que se usara como patrón (RECTANGULO NEGRO), SIENDO Este igual a 0.62 cm según lo que marca Word, el rectángulo VERDE representa la capa cementada que es 0.39 cm Aplicando una regla de tres simple tenemos:

0.39 cm

0.5 mm=0.62 cm X mm=0.39 cm 0.39 𝑐𝑚 ∗ 0.5 𝑚𝑚 𝑋= = 0.3145 𝑚𝑚 0.62 𝑐𝑚 La capa cementada realmente es 0.31 mm

Teniendo estos valores reemplazamos en nuestra formula:

Para obtener valores más rápido en función de x lo realizaremos en Excel:

Graficas de tiempo vs la capa cementada:

50 45 40

TIEMPO HORAS

35 30 25 20 15 10 5 0 0.00E+00 2.00E-04 4.00E-04 6.00E-04 8.00E-04 1.00E-03 1.20E-03 1.40E-03 xm

3

TIEMPO HORAS

2.5

2

1.5

1

0.5

0 0.00E+00

1.00E-04

2.00E-04 xm

4.2: MATERIALES Y EQUIPOS

3.00E-04

4.00E-04

    

Carbón vegetal 𝐶𝑂3 𝐶𝑎 (Carbonato de calcio) Probetas SAE 1020 Recipiente metálico para la cementación. Horno de mufla

4.3: PROCEDIMIENTO 4.3.1: MEZCLA



Mezcla de cementación con un 7% de carbonato de calcio (CaC03 ) y 93% de carbono vegetal.

Con estos porcentajes se tomó con una muestra de mezcla que tenía la cantidad de:

El carbono fue comprado y molido hasta conseguir granulometría de 1/32 pulgadas (polvo):

 

Pesamos el carbonato de calcio en un 7% y el carbono vegetal a un 93%. Introducción a nuestro recipiente respetando los pasos indicados.

una

El proceso de cementación consta de dos etapas. 1ra Etapa: Ocurre el proceso de “cementación gaseosa” tiene su fundamento en el fenómeno de difusión del carbono, desde una atmósfera rica en gas hidrocarbonáceo a una superficie del acero, a una temperatura por encima de la línea A3 del diagrama de fase del sistema hierro - carburo de hierro. Produciéndose así un alto contenido de carbono, debido a la rápida difusión y a la alta solubilidad del carbono en la austenita. 2da Etapa: Cuando el acero es templado, ocurre la transformación martensítica en la superficie o capa cementada de alto contenido de carbono, logrando alta dureza superficial y manteniendo el núcleo blando. El proceso de carburización se realizó empleando contenedores cilíndricos, donde se colocaron las probetas de acero además de carbón mineral (aporte de Carbono) y CO3Ca (activador) manteniendo una relación porcentual de Carbón/Activador igual 11.5. Para evitar la fuga de gases, el contenedor se selló empleando una tapa cerámica hecha de una mezcla de arcilla, arena silícea y silicato de sodio para acelerar su secado. Las temperaturas de carburización fueron de 950°C con un tiempo constante de sostenimiento a estas temperaturas de 10 horas, luego de los cuales se enfriaron a temperatura ambiente.

COMPOSICION QUIMICA

%C 0.20

%Mn 0.60- 0.90

%P 0.04 máx.

4.3.3: MUESTRAS-ELABORACION DE LAS PROBETAS En el proceso de carbonización se utilizaron las siguientes probetas 

2 probetas cilíndricas

%S 0,05 máx.

Material Todas las probetas fueron hechas del mismo material, acero AISI o SAE 1020, debido a las propiedades y características que este tipo de acero presentaba, dentro de las cuales se encontraba su facilidad y buena respuesta al tratamiento termoquímico de cementación Características del acero SAE 1020 El 1020 es uno de los aceros al carbono más comúnmente usados. Tiene un contenido nominal de carbono de 0.20% y aproximadamente 0.5% de manganeso. Tiene un buena combinación de resistencia y ductilidad y puede ser endurecido o carburizado. .

Preparación Para La Cementación

Preparamos la muestra para realizarles la cementacion, inmediatamente las ingresamos a la mufla (Se denomina mufla a la parte refractaria de un horno en la cual se disponen los productos que deben tratarse, para protegerlos de la acción directa del fuego o de la acción oxidante del aire.), la cual consta de unas resistencias de cerámica y de ladrillos refractarios. TIEMPO 5:00 7:00

PARA Pm PM

– –

Iniciamos Alcanza

LA a una

elevar temperatura

CEMENTACION la de

temperatura 950º C

Al alcanzar la temperatura deseada para la cementación (850º Al transcurrir el tiempo requerido, 2 horas, se sacan las muestras de la mufla y esperamos que enfrié.

C)

Esta clase de acero puede ser empleado en piezas que no estén sometidas a fuertes esfuerzos mecánicos. Considerando la escasa penetración de temple que tiene, generalmente se usa en estado normalizado. Puede emplearse en estado templado y revenido para piezas de pequeño espesor. Puede ser cementado cuando se requieren propiedades mecánicas más altas de las que pueden obtenerse con el tipo 1020 en cuyo caso se aplican las mismas normas de cementación que las especificadas para este acero. Efectos Antes de endurecer el material, la microestructura del material es una estructura de grano de perlita que es uniforme y laminar. La perlita es una mezcla de ferrita y cementita formada cuando el acero o hierro fundido se fabrican y se enfría a una velocidad lenta. Después de enfriamiento rápido endurecimiento, la microestructura de la forma material en martensita como una estructura fina, grano de aguja.

Ensayo de dureza Desde el punto de vista físico se define la dureza como la resistencia que oponen los cuerpos a ser rayados o penetrados por otros con los que se compara.- Las escalas de uso industrial actuales son las siguientes: 

Dureza Brinnell: Emplea como punta una bola de acero templado o carburo de wolframio. Para materiales duros, es poco exacta pero fácil de aplicar. Poco precisa con chapas de menos de 6 mm de espesor. Estima resistencia a tracción.



Dureza Rockwell: Se utiliza como punta un cono de diamante (en algunos casos bola de acero). Es la más extendida, ya que la dureza se obtiene por medición directa y es apto para todo tipo de materiales. Se suele considerar un ensayo no destructivo por el pequeño tamaño de la huella.  Resultados

Realizando el ensayo de dureza (Rockwell) de las probetas se obtuvieron los siguientes resultados:

SAE 1020 Charpy: 77.0 HRB = (-7 HRC) 70.9 HRB 79.6 HRB 80.5 HRB

PASTILLA SAE 1020 cementada y templada (BORDE): 117.9 HRB = 50HRC 117.4 HRB 118.4 HRB PASTILLA SAE 1020 cementada y templada (CENTRO): 93.8 HRB = (14HRC) 93.8 HRB

RESULTADOS Y DISCUSIÓN 

SELLAJE En nuestra primera experiencia utilizamos un sellado de espesor de 2cm el cual no funcionó, buscando el porqué de nuestro error consultamos al Ing. Pepe (Ing. Metalúrgico) con el cuál concluimos que el carbón combustionó con la arcilla refractaria y llegó a fugar por el contorno del envase. Recopilando información y por experiencias anteriores que tuvo el Ing. Pepe obtamos en utilizar una capa de arcilla refractaria de aprox. 4-5cm de espesor, siendo un éxito nuestro segundo sellaje.

Capa cementada comparación: Hemos podido observar mediante nuestros cálculos que la muestra de nuestra capa cementada es de 0.31 mm, este cálculo realizado mediante medida de nuestra capa cementada de nuestra probeta usando una regla de tres simple, en el cálculo del programa a esta distancia usando la capa cementada como variable independiente y el tiempo como dependiente pudimos tener con estos cálculos que el tiempo para: Una concentración superficial de 1 tenemos:

𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑏𝑖𝑏𝑙𝑖𝑜𝑔𝑟𝑎𝑓𝑖𝑐𝑜 − 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑎𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛(%) = | | × 100% 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑏𝑖𝑏𝑙𝑖𝑜𝑔𝑟𝑎𝑓𝑖𝑐𝑜 2.13 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 − 2 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑎𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛(%) = | | × 100% = 6.10 % 2.13 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠

Podemos ver que tenemos un error del 6.10 % un valor que supera el 5 % entonces fuera del rango de recomendación del 5 % como aceptable. Para una concentración superficial de 0.9 respetando el rango de 0.8 - 1 tenemos:

𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑏𝑖𝑏𝑙𝑖𝑜𝑔𝑟𝑎𝑓𝑖𝑐𝑜 − 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑎𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛(%) = | | × 100% 𝑣𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑏𝑖𝑏𝑙𝑖𝑜𝑔𝑟𝑎𝑓𝑖𝑐𝑜 𝑐𝑜𝑚𝑝𝑎𝑟𝑎𝑐𝑖ó𝑛(%) = | Este valor esta también fuera del rango. ANÁLISIS DE LAS MICROESTRUCTURAS

2.48 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 − 2 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠 | × 100% = 19.35 % 2.48 ℎ𝑜𝑟𝑎𝑠

CONCLUCIONES 

















Al finalizar con el trabajo de investigación podemos concluir que el contenido de carbono en el proceso de carbonización el incremento de carbono será dará en la fase de la perlita por lo tanto en esta fase se mostrara una mayor cantidad de carbono. Se puede observar en las siguientes probetas metalográficas que se utilizaron para realizar la profundidad de cementado o difusión del carbono muestra claramente las distintas zonas analizadas metalográficamente. En la zona superior se observa estructura martensítica con agujas dispersas sin orientación preferente, dentro del grano austenitico se denota agujas de austenita el cual presenta austenita retenida, esto indica que no logro su transformación completa, esto se debe a que la probeta fue sometido a un excesivo tiempo dentro del horno cuando se hiso el templado. En la zona central o del núcleo se observa granos poligonales con límites de ferrita además de láminas largas o islas de perlita, Contiene una mayor cantidad de perlita y en el borde de grano de la ferrita se deposita la martensita. En la zona cementada, las dos probetas presentaron una alta concentración de carbón. Dando origen a la formación de martensita. De acuerdo a los resultados obtenidos durante la presente investigación, en función a la metodología empleada, podemos afirmar con alta aproximación que dichos resultados expuestos y analizados, en que los objetivos propuestos en el planteamiento del proyecto , tiene una alta relación con el contenido teórico. El tratamiento termoquímico de cementación, endureció la capa superficial de 77 HRB (-7 HRC) de a 3 HRC del acero SAE 1020; y aplicando el tratamiento de temple se obtuvo una dureza superficial de 50 HRC, lo cual elevó resistencia; ahora las piezas son capaces de resistir desgastes teniendo un núcleo tenaz apto para resistir deformación. El resultado obtenido es realmente notable; después de tener durezas muy bajas, se comprobó por medio del escleroscopio que estas aumentaron con todos los tratamientos que se les aplicó. También se pudo observar mediante el análisis metalográfico el espesor de la capa cementada que se formó, obteniendo mediante cálculos una comparación real de 0.31mm y mediante la simulación en Excel de 0.3mm, lo que nos indica que nuestro tratamiento fue correcto. Hemos comprobado que el tratamiento termoquímico de cementación se ha producido mediante la difusión del carbono, del entorno, en el fierro, situado en las probetas de acero, pero eso solo ocurre superficialmente. Al mismo tiempo hemos verificado que las variables independientes del proceso son el tiempo y la temperatura, siendo esta ultima la que más influencia tiene el espesor de la capa cementada. En la superficie se ha producido una variación de su composición química y una alteración de las estructuras cristalinas, adquiriendo el acero nuevas propiedades mecánicas en la superficie, debido a la formación de martensita, como dureza, resistencia al desgaste, etc, y manteniendo las propiedades iniciales de ductilidad en el nucleo o centro.



Finalizado el presente trabajo se concluye que, La cementación sólida, utilizando carbón vegetal pulverizado, es un tratamiento termoquímico que incorpora dureza superficial a piezas ferrosas de bajo contenido de carbono. Los carbones vegetales nacionales estudiados se mostraron eficientes, como material de carburización y que las durezas alcanzadas con la utilización del carbón vegetal fueron significativas en la obtención de la capa cementada. La utilización de mezclas cementantes de carbón vegetal y carbonato de calcio, incorporaron resistencia superficial en la probeta charpy, la cual fue capaz de obtener mayor dureza que en su estado inicial.



El tratamiento temo-químico (cementación) nos permitió endurecer superficialmente un acero de bajo carbono (1020), esto mediante proceso de difusión, haciendo que el carbono penetre la superficie del acero aumentando su porcentaje en composición de carbono , esto nos permitió realizar un temple que nos permitió convertir la perlita calentándola hasta la temperatura de austenización y luego mediante un enfriamiento rápido usando como medio de enfriamiento al agua, convertir la austenita en martensita, la martensita se presenta en mejor proporción y más notoria según la metalografía en la parte de los bordes de la pieza, siendo correcto yaque la cementación es superficial y el aumento del porcentaje de carbono seda en cantidad en los contornos que tuvieron mayor contacto con el cementante y el carbono. en el ensayo de dureza la muestra sin cementación nos votó un valor menor a la de una pieza cementada con aumento de hasta 20 puntos en escala HRB, la cementación queda demostrada y el procedimiento aceptable, así para el endurecimiento superficial de piezas y el mejoramiento de sus propiedades tanto dureza como tenacidad la cementación es adecuada.