ANÁLISIS DE LA RESISTENCIA AL DESGASTE DE UN ACERO 1020

TEMPLADO DESDE TEMPERATURA INTERCRÍTICA 740 °C Y

REVENIDO A DIFERENTES TEMPERATURAS

Carlos Enrique Sánchez Talero, Daniel Camilo López Suárez

Universidad Distrital Francisco José de Caldas Facultad Tecnológica Transversal 70 b N. 73 a - 35 sur

Octubre 2015 Bogotá, Colombia

caesanchezt@correo.udistrital.edu.co

daclopezs@correo.udistrital.edu.co

Resumen - El propósito del presente proyecto de

grado es realizar un análisis de la microestructura

y resistencia al desgaste abrasivo del acero AISI-

SAE 1020; el estudio sobre el material, se llevó a

cabo desde su estado base o de entrega, y con un

temple a una temperatura intercrítica de 740 °C

y revenidos a diferentes temperaturas.

Es por esto que, el proyecto busca conocer el

comportamiento del acero AISI-SAE 1020 bajo

condiciones de desgaste, y con diferentes

estados de dureza. Se realizaron análisis de

microscopio óptico, pérdida de porcentaje de

masa, microscopía electrónica de barrido y

ensayos de dureza para establecer valores de

propiedades en este material. Para la

investigación, se seleccionó este material por su

bajo contenido de carbono y el habitual uso

dentro de la industria.

Palabras Claves: Acero de bajo carbono, desgaste

abrasivo, microestructura, tratamientos

térmicos, pérdida porcentaje de masa.

Abstract – The purpose of this degree project is

to do a 1020 steel microstructure and abrasive

wear analysis; the material’s study was carried

out from its natural form to a 740°C quenching

and different temperatures tempering. That is

why this project wants to know the 1020 steel

behavior under some wear conditions and

hardness phase. There were optic microscope

analysis, mass percentage loss, and SEM study

and hardness test in order to stablish material

properties’ values. For investigative purposes,

this material was selected due to its Carbon low

content and its common usage in the Colombian

industry.

Key words: Low carbon content steel, abrasive

wear, microstructure, heat treating, mass

percentage loss.

1. INTRODUCCIÓN

Dentro del contexto de la industria, un factor de

los más importantes a tener en cuenta es el

constante recambio de herramientas, elementos

de maquinaria, estructuras y diferentes

componentes de mecanismos, todo esto debido

al inevitable desgaste que sufren las piezas

metálicas durante su trabajo; sin lugar a duda,

este problema genera una serie de pérdidas

económicas y de factor tiempo, así mismo se

presenta la necesidad de que esos recambios

disminuyan, bien sea con una mayor vida de

utilidad u optimizando el proceso de recambio de

piezas industriales. Según un artículo publicado

por la universidad Nacional de Colombia sobre el

desgaste de unas cuchillas industriales,

aproximadamente el 50% de los daños y fallas en

piezas mecánicas se atribuyen al desgaste

abrasivo, lo cual hace muy urgente la búsqueda

de una solución que optimice el efecto negativo

en el tiempo - labor y las secuelas económicas

que produce la falla por desgaste abrasivo en

elementos mecánicos.

El acero AISI-SAE 1020 es un material con un

porcentaje de carbono relativamente bajo,

contienen desde 0.18 hasta 0.23 en porcentaje

del mismo. Este acero es muy utilizado a nivel

mundial por la facilidad a la hora de mecanizar y

la buena soldabilidad que ofrece gracias a su

composición química. Es importante analizar el

estado final de sus tratamientos térmicos, ya que

es un acero de fácil templabilidad, muy dúctil y

tiene una buena resistencia a la tracción,

observando sus usos y aplicaciones se deduce

que es altamente utilizado en la industria.

El objetivo de esta investigación es conocer el

cambio que puede sufrir la microestructura del

acero AISI-SAE 1020 sometido a diferentes

tratamientos térmicos, además, conocer la

resistencia de este material frente a trabajos de

alta fricción y desgaste; en este documento se

estudiará la forma de desgaste abrasivo

conforme a la norma internacional ASTM G 65,

donde el principal objetivo es conocer la pérdida

de volumen en un cuerpo sólido luego de ser

sometido a una prueba de abrasión con arena

sílice malla 70. Dentro de los procesos

experimentales se podrán encontrar y evaluar

posibles inconsistencias al final de los diferentes

ensayos, tales como, fortuitas fallas en los

tratamientos térmicos o por un material que no

cumple las expectativas por la calidad del

proveedor.

2. MATERIAL

El acero AISI-SAE 1020 es comúnmente utilizado

en el área de la industria, por su bajo precio y

excelentes condiciones de mecanizado; este

permite ser utilizado en un sin número de

aplicaciones, por lo cual, fue el material para el

estudio de este proyecto. Se elaboraron

probetas rectangulares según la norma ASTM G

65 de desgaste abrasivo [1] con unas

dimensiones de 3 X 1 X ½ (pulgadas) o 76.2 X 25.4

X 12.7 (milímetros). La composición química del

material se muestra en la tabla 1:

TABLA 1.

COMPOSICIÓN QUÍMICA ACEROS 1020

(% EN MASA)

Material 1020

Fe 98.670

C 0.196

Mn 0.731

Si 0.168

P 0.001

S

Cr 0.053

Ni 0.048

Mo 0.011

Cu 0.045

Sn

V

Ti 0.032

Al 0.033

Pb 0.003

Nb 0.002

N

As

w 0.005

Co 0.004

B 0.0001

TABLA Nº 1: Datos de composición obtenidos

por medio de espectrometría de masas en el

equipo Shimadzu LCMS-IT-TOF de la universidad

Nacional de Colombia, entregados por método

experimental.

Con las fórmulas de KASATKIN [2] se procede

hallar las temperaturas intercríticas, y los datos

se tomaron de la tabla 1

Ac1 (ºC) = 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 C Mo - 15.5 Mn Mo - 5.28 C Ni - 6.0 Mn Ni

+ 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

(1)

Ac3 (ºC) = 912 – 203 C0.5 + 15.2 Ni + 44.7 Si + 104

V + 31.5 Mo + 13.1 W- 30 Mn - 11 Cr -20 Cu + 700

P + 400 Al + 120 As + 400 Ti

(2)

En la tabla 2 se muestran las temperaturas

encontradas mediante las ecuaciones (1) y (2).

TABLA 2

Para el acero 1020, la temperatura de

austenización parcial (Ac1) y austenización total

(Ac3) en ° C.

1020

Ac1 730.19°C

Ac3 834.96°C

3. DISEÑO EXPERIMENTAL

El estudio se lleva a cabo para determinar y

comparar la resistencia del desgaste abrasivo

expresado en volumen perdido en probetas de

acero AISI-SAE 1020 las cuales se encuentran en

un estado de entrega y 4 estados diferentes de

tratamientos térmicos (temple a 740°C, revenido

1, revenido 2, revenido 3); en total serán 5

estados diferentes del material establecido para

esta investigación.

Distribución aleatoria:

En la elaboración de las probetas descritas en el

punto anterior (material), se eligió una cantidad

aleatoria y experimental de 15 probetas y 5

grupos muéstrales; esto, para obtener 3

unidades experimentales ya que los

investigadores consideran un valor mínimo

donde se pueden evidenciar errores de medición

o de observación, en la situación de no lograr

resultados idénticos en 2 unidades. La

distribución se llevó a cabo de la siguiente

manera:

TABLA 3 - Unidades experimentales

Estado del material -Tratamiento Térmico

Unidades experimentales

Estado de entrega (proveedor)

3

Temple a 740°C * (T)

3

Revenido 1 * (R1)

3

Revenido 2 * (R2)

3

Revenido 3 * (R3)

3

Total de cantidad experimental

15

*Los valores de tratamiento térmico se

especifican en el punto siguiente (procedimiento

experimental - tratamientos térmicos)

Análisis de varianza:

La variable de entrada es el factor que ingresa al

proceso experimental y la variable de salida los

resultados o respuestas al final del proceso para

este trabajo.

TABLA 4 - Variables de ingreso y salida

Factores de entrada Variables de salida

Tratamientos térmicos - Variable independiente

Valores de dureza

Dimensiones de probetas

Imágenes metalográficas

Cantidad total experimental

Diferencias numéricas y graficas experimentales

Cantidad de muestras Estado de la huella (desgaste abrasivo)

Valor de masa y volumen inicial

Valor de masa y volumen final

Los factores de ingreso y salida son

independientes entre ellos, la variable

independiente es la del estado del material, es

decir, los factores de salida son dependientes de

los diferentes tratamientos térmicos del acero

AISI-SAE 1020.

Aplicación de proceso (ensayo) experimental y

repeticiones

En este diseño experimental el proceso se da por

la aplicación del ensayo de desgaste abrasivo

ASTM G 65 en los grupos de muestra definidos

anteriormente, de igual forma para el estudio

metalográfico de cada grupo de tratamiento

térmico se definen cantidades en bloque de la

siguiente forma:

TABLA 5 - Unidades experimentales en bloque

para el proceso

Tratamiento térmico

(Variable independien

te)

Unidades experiment

ales para desgaste abrasivo

(ASTM G 65)

Unidades experiment

ales para estudio

metalográfico

Unidades experiment

ales para medición de

dureza

Estado de entrega

3 1 ** 1**

Temple (T)

3 1 ** 1**

Revenido 1 (R1)

3 1 ** 1**

Revenido 2 (R2)

3 1 ** 1**

Revenido 3 (R3)

3 1 ** 1**

Total probetas

15 5 ** 5**

**Las unidades experimentales para estudio

metalográfico y medición de dureza fueron

tomadas del mismo grupo de muestras de las

unidades para experimento del proceso de

desgaste abrasivo, es decir, una unidad de cada

tratamiento térmico tiene los tres procesos

(desgaste abrasivo, estudio metalográfico y

medición de dureza).

4. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

4.1 TRATAMIENTOS TÉRMICOS

Las temperaturas utilizadas para el proceso

experimental, se relacionan con las

temperaturas de austenización parcial y total,

trabajadas en el punto 2 (material), se eligió un

valor dentro del rango de temperaturas para

realizar temple (10 °C mayor que la temperatura

de austenización parcial).

Estos valores se mencionan en la tabla 2.

TABLA 6

Tratamiento, temperatura, tiempo y medio de

enfriamiento

Tratamiento Temperatura Tiempo Medio de

enfriamiento

Temple (T)

740°C 20

minutos Sumergir en

agua

Revenido 1 (R1)

200°C 30

minutos Enfriamiento a

T. ambiente

Revenido 2 (R2)

350°C 30

minutos Enfriamiento a

T. ambiente

Revenido 3 (R3)

450°C 30

minutos Enfriamiento a

T. ambiente

Este proceso se realizó en la MUFLA ELÉCTRICA

LEF-205P de la Universidad Distrital Francisco

José de Caldas, ubicada en el laboratorio de

‘’tratamientos térmicos y preparación de

probetas metalográficas’’ de la facultad

tecnológica.

4.2. Preparación metalográfica

Se tomó 1 probeta por tratamiento, conforme a

la tabla 5 del diseño experimental donde en total

para este análisis se trabajan 5 probetas. Se llevó

a cabo el pulido bajo la norma ASTM E3-01 [3]

que corresponde a la guía estándar de

preparación metalográfica, donde su objetivo

principal es revelar los componentes y

estructuras de los metales y sus aleaciones.

Inicialmente se procedió a lijar una superficie

transversal de la probeta donde se elimina

material, este proceso se hace con papel de lija

y se cambia la posición del lijado 90 grados, se

empieza desde un grano basto hasta el más fino;

para asegurar que se eliminen en totalidad todas

las rayas del lijado anterior. Cuando la probeta se

encuentra libre de rayas se pasa a la PULIDORA

METALOGRÁFICA METKOM MODELO FORCIPOL

2V de la universidad, donde con alúmina y paño

aseguramos un acabado superficial de brillo

espejo.

4.2.1. Micrografía

Para el análisis metalográfico, se debe atacar la

probeta para proceder a la observación con el

microscopio óptico ZEIZS AX10 de la universidad

Distrital facultad tecnológica, y tomar imágenes

de la microestructura a tres aumentos diferentes

(100X, 500X y 1000X). Los componentes y

cantidades del ataque químico tradicional

(HNO3, HCl) se muestran en la tabla 4, tomada

del Metals Handbook Volumen 09.

TABLA 7 - COMPONENTES QUÍMICOS

Componente químico Cantidad

Ácido clorhídrico 15 ml

Ácido nítrico 10 ml

Tabla 7: Ataque químico tradicional [4]

También, se reforzó la investigación con la

técnica MEB (Microscopía Electrónica de

Barrido) ya que la capacidad de enfoque de un

microscopio óptico puede dejar dudas respecto

a la microestructura de un material, la prueba se

realizó en la universidad de los Andes en el

equipo JEOL JSM-6490LV de alta resolución, y se

tomaron imágenes a cada uno de los

tratamientos térmicos realizados a 1300X, 1600X

y 2000X.

4.3. Dureza

Para realizar esta prueba experimental de dureza

se basó en la norma internacional ASTM E 18 –

03 (Métodos de prueba estándar para Dureza

Rockwell Superficial de materiales Metálicos) [5].

En la prueba de dureza se utilizan diferentes

tipos de indentadores (penetrador), en este

proyecto y para el acero AISI-SAE 1020, se utiliza

un indentador de tungsteno tipo bola, para

durezas HRB.

El ensayo de dureza se llevó a cabo en la maquina

“HÄRTERPRÜFER SUWISS ROK TIPO 160DP” de la

universidad Distrital facultad tecnológica; las

especificaciones más relevantes para la prueba

son, indentador de bola diámetro 1/16 in, con

una carga máxima de 100 kgf (N), este

indentador se usa para aceros blandos, de

construcción, o metales no ferrosos. Las pruebas

y la cantidad de unidades experimentales se

realizaron conforme a lo establecido en la tabla

5.

4.4. Desgaste abrasivo

El desgaste abrasivo se produce por partículas

duras que entran en fricción sobre una superficie

de un sólido más blando, produciendo una

pérdida de volumen del material. En esta parte

de la investigación, se realiza el ensayo de

desgaste abrasivo según la norma ASTM G-65 en

cuanto al procedimiento, salvo a las

especificaciones del material abrasivo, ya que, en

este proceso experimental se utilizó una arena

sílice malla 70 que no es completamente

esferoidal, como dice la norma que debe ser. En

este documento se encuentra la caracterización

del material abrasivo utilizado para esta

investigación.

Para este procedimiento se utilizó una máquina

diseñada y elaborada por estudiantes de

ingeniería mecánica de la universidad Incca de

Colombia (figura 1, 2 y 3). El objetivo principal es

conocer el porcentaje de pérdida de masa y

volumen luego de que un material sea sometido

a un trabajo de desgaste; es por esto, que las

probetas elaboradas conforme a la norma deben

ser pesadas en una balanza analítica antes y

después del ensayo. De acuerdo a la dureza del

material se estimó con una probeta de prueba

inicial que la pérdida de volumen superaba los

100 mm3, por esto, el procedimiento sugerido

por la norma ASTM G 65 es el B. Según

especificaciones de la norma la prueba en cada

probeta se hace a 2000 revoluciones que infiere

un tiempo de 10 minutos aproximadamente

(procedimiento B tabla 8).

TABLA 8 - PARÁMETROS DE PRUEBA

Procedimiento

especificado

Fuerza

aplicada

N (lb)

Revoluciones

de la rueda

Abrasión

Lineal

m (pies)

A 130(30) 6000 4309 (14138)

B 130(30) 2000 1436 (4711)

C 130(30) 100 71.8 (236)

Figura 1. Especificación desgaste abrasivo universidad Incca de Colombia

Figura 2. Interior maquina desgaste abrasivo universidad Incca de Colombia

Figura 3. Maquina desgaste abrasivo universidad Incca de Colombia

D 45(10.1) 6000 4309 (14138)

E 130(30) 1000 718 (2360)

N: Newton (unidad de fuerza)

1 lbf = 4.44822 N

1 Kgf=9.806650 N

5. RESULTADOS Y DISCUSIONES

5.1 Dureza

En la parte experimental del ensayo de dureza

vamos a evidenciar el comportamiento del acero

AISI-SAE 1020 respecto a sus durezas en cada

tratamiento térmico conforme a la norma ASTM

E 18 - 03, para ello, se va emplear una tabla y un

gráfica donde se muestran los hallazgos

experimentales.

TABLA 9 - Valores experimentales de dureza

Unidad

experimental

Entrega Temple R1 R2 R3

1 (HRB) 89.3 97.7 88.2 98.6 80.9

2 (HRB)

89.9 96.6 90.5 98.6 88.7

3 (HRB)

90.0 96.6 83.4 98.3 84.6

4 (HRB)

87.4 100 81.0 100 89.0

5 (HRB)

88.5 88.9 85.0 100 93.5

Promedio

(HRB) 89.02 95.9

85.6

2 99.1

87.3

4

Aproximación

por tabla 89.5 96 86 99.5 87.5

Esfuerzo

(N/𝑚𝑚2) 610 720 560 800

580

Desviación

estándar 1,0848 4,1836 3,77

0,8

30

4,7

836

● La desviación estándar total de nuestra

tabla 9 según método de varianza es

1.839851

● Aproximación por la tabla de conversión

de la Universidad Distrital para dureza

vickers, brinell y rockwell

GRÁFICA 1 - Promedio de las durezas

experimentales y aproximación por tablas, del

acero AISI-SAE 1020, con sus diferentes

tratamientos térmicos.

La gráfica 1 muestra la dureza del material acero

AISI-SAE 1020, el proceso experimental da a

conocer el comportamiento del material en

estado de entrega y cuando es tratado

térmicamente, se observa en la gráfica que el

temple es un proceso de endurecimiento del

material, además, teórica y experimentalmente

se entiende el proceso de revenido como una

transición para el alivio de tensiones en el

material ya que queda muy frágil después de ser

templado, se observa que el revenido (R1) Y (R3),

si llegaron aliviar el material en cuanto a su

tenacidad, así que se concluye que el proceso en

estos dos revenidos a sus temperaturas ya

mencionadas, dieron las características

esperadas [6], pero el revenido (R2) presentó un

comportamiento no esperado, ya que la

variación de dureza respecto al (R1)

teóricamente no debió cambiar tanto, la dureza

pudo haber aumentado por mala calibración de

la mufla para tratamientos térmicos.

GRÁFICA 2 - Gráfica esfuerzo límite a la fluencia,

elaborada con los datos experimentales de

dureza que proporciona la tabla de

conversiones de durezas vickers, brinell y

rockwell, la aproximación se realiza por encima

al dato experimental de dureza en HRB.

Para hallar los datos experimentales del esfuerzo

a la fluencia se necesita calcular el promedio de

dureza, y con ello se dirige a las tablas de

conversión de durezas donde se hacen

aproximaciones para hallar el esfuerzo límite a la

fluencia, y así, tener claridad sobre el

comportamiento del material con sus diferentes

tratamientos, para el acero AISI-SAE 1020

tenemos un aumento de dureza del 10 % del

estado de entrega al tratamiento térmico temple

a 740°C, ahora con respecto a la temperatura de

temple, tenemos un aumento del 1.35 %

aproximadamente debido al endurecimiento del

material, ahora bien, con respecto a la

temperatura del primer revenido tenemos una

disminución del 12 %.

5.2 Micrografías

Para el estudio micrográfico de este proyecto, se

observaron microestructuras del material en

cada tratamiento, teniendo en cuenta que las

0 500 1000

Entrega

Temple

R1

R2

R3

Esfuerzo lÍmite a la fluencia (mPa)

TRA

TAM

IEN

TOS

TÉR

MIC

OS

EsfuerzolÍmite a la…

probetas ya tiene su preparación metalográfica,

a partir de este último proceso se puede mostrar

los análisis realizados en el microscopio óptico

ZEIZS AX10, y en la prueba MEB (Microscopía

Electrónica de Barrido), donde se identificaran

las microestructuras del material por medio de

fotografías tomadas en estos dos procesos.

En el primer proceso en el microscopio de

universidad Distrital se toman fotos de la

microestructura, pero cabe aclarar que no se

pudo realizar un análisis detallado, portal razón

se realiza la prueba MEB en la universidad de los

andes, donde se logra tener una certeza del

100% de cómo se comportó el material en sus

diferentes tratamientos, observando su

microestructura hasta en 2000 aumentos.

Microestructura para el acero AISI-SAE 1020

Micrografías por medio microscopio óptico

universidad distrital.

Figura 4 (tomada a 100x) y figura 5 (tomada a

1000x), material en estado de entrega, y se lleva

a prueba metalográfica sin ser atacado, para

comprobar que las manchas negras en las fotos

tomadas de las probetas atacadas y observadas

metalográficamente son producto de defectos

de fábrica; se pueden observar manchas oscuras,

algunas por partículas de abrasivo o alúmina que

generan las llamadas ‘’colas de cometa’’,

además, poros o incrustaciones generados luego

del proceso de colado del acero AISI-SAE 1020.

Figura 4.Micrografia del acero AISI/SAE 1020, Material en estado de entrega, Sin atacar (100x)

Figura 5.Micrografia del acero AISI/SAE 1020, Material en estado de entrega, Sin atacar (1000x)

En la figura 6 (tomada a 500x) y figura 7 (tomada

a 1000x), se observa la micrografía del material

en estado de entrega (sin tratamiento térmico),

y se encuentran manchas oscuras y claras donde

corresponde a una composición de perlita y

ferrita respectivamente.

En la figura 8 (tomada a 500x) y en la figura 9

(tomada a 1000x). La composición del acero

AISI/SAE 1020 con un tratamiento térmico de

temple a 740°C con enfriamiento en agua, donde

se evidencian sectores un poco más oscuros que

infieren una fase de martensita y los sectores

más claros teóricamente pueden hablar de una

fase de ferrita con un poco de retención de

austenita.

Figura 6. Micrografía del acero AISI/SAE 1020, Material en estado de entrega, atacado (500x)

Figura 7. Micrografía del acero AISI/SAE 1020, Material en estado de entrega, atacado (1000x)

Figura 8. Micrografía del acero AISI/SAE 1020, Material templado a 740°C, (500x)

Figura 9. Micrografía del acero AISI/SAE 1020, Material templado a 740°C (1000x)

El (R1) es un revenido bajo. Y con tratamiento

térmico de 200°C por 30 minutos en la mufla y

enfriado a temperatura ambiente. A la que llegó

el acero AISI-SAE 1020, en la figura 10(tomada a

500x) y en la figura 11 (tomada a 1000x), se

evidencia una transformación de martensita por

la salida de contenido de carbono en fase, se

encuentran dislocaciones ya que la

ferrita/austenita no se encuentra bien definida.

En la figura 12 (tomada a 500x) y figura 13

(tomada a 1000x), donde el proceso térmico de

este R2 es aumentar su temperatura a 350°C

durante 30 minutos y luego enfriado a el

ambiente. Con estas micrografías del (R2), el cual

es un revenido medio se evidencia las placas de

fase mucho más definidas rodeadas de austenita,

en la imágenes vemos las fronteras de placas con

líneas más oscuras, además, una deformación de

ferrita.

Figura 10. Micrografía del acero AISI/SAE 1020, Material revenido a 200°C, (500x)

Figura 11. Micrografía del acero AISI/SAE 1020, Material revenido a 200°C, (1000x)

Figura 12. Micrografía del acero AISI/SAE 1020, Material revenido a 350°C, (500x)

Figura 13. Micrografía del acero AISI/SAE 1020, Material revenido a 350°C, (1000x)

Un revenido alto (R3), realizado a la temperatura

de 450°C por 30 minutos y enfriado al ambiente.

figura 14 (tomada a 500x) y figura 15 (tomada a

1000x), fotos tomadas por el microscopio de la

universidad distrital donde analizando dichas

fotos se encuentra una restauración de ferrita,

donde en la fase oscura se evidencia mezcla de

agujas de martensita limitados por una fase

ferrítica compacta.

Micrografías tomadas por el método

MEB (Microscopía Electrónica de

Barrido)

Se realiza este procedimiento, que es de gran

ayuda para saber el comportamiento

microestructural del material AISI/SAE 1020 con

sus diferentes tratamientos, ya que en las fotos

tomadas por el microscopio óptico de la

universidad distrital no se pueden ver con

claridad la composición de cada microestructura.

En las figura 16 y 17 que son fotos del material

(estado de entrega). Se puede observar en

contraste oscuro y claro pequeñas colonias de

perlita y granos de ferrita establecidos por el

normalizado del material.

Figura 14. Micrografía del acero AISI/SAE 1020, Material revenido a 450°C, (500x)

Figura 15. Micrografía del acero AISI/SAE 1020, Material revenido a 450°C, (1000x)

Figura 16. Microestructura del acero AISI/SAE 1020, Material en estado de entrega, tomada a 1600x (MEB)

Figura 17. Microestructura del acero AISI/SAE 1020, Material en estado de entrega, tomada a 2000x (MEB)

En las figuras 18 y 19 por método MEB. SE lleva

el material a una temperatura intercrítica (740

°C), donde ocurre un proceso de tratamiento

térmico llamado temple con un enfriamiento en

agua. Se observan placas de martensita y

sectores de austenita que no logró su

transformación completa por el enfriamiento

rápido en agua

En las figuras 20 y 21 Se muestra una difusión

mayor de ferrita donde las placas de martensita

formada intentan ser más compactas por la

austenita transformada en el alivio de tensiones

producido por un bajo revenido (R1, a

temperatura 200°C).

Figura 18. Microestructura del acero AISI/SAE 1020, Material templado a 740 °C, tomada a 1600x (MEB)

Figura 19. Microestructura del acero AISI/SAE 1020, Material templado a 740 °C, tomada a 2000x (MEB)

Figura 20. Microestructura del acero AISI/SAE 1020, Material revenido a 200 °C, tomada a 1600x (MEB)

Figura 21. Microestructura del acero AISI/SAE 1020, Material revenido a 200 °C, tomada a 2000x (MEB)

En las figuras 22 y 23. La perlita se muestra en un

alto relieve y una pequeña división de granos de

ferrita finos propensos a dislocación por la

transformación austenítica, la formación de

algunas agujas de martensita es evidente. En

este proceso (R2, temperatura 350°C durante 30

minutos).

Figura 24 y 25 (R3), revenido tomado a

temperatura 450°C por 30 minutos y enfriado al

ambiente. Se observa

Placas de martensita casi compactas en su

totalidad donde pequeñas cintas y agujas toman

el mismo sentido de orientación laminar, la

austenita transformada casi por completo aun

deja observar perlita en mínimas manchas

oscuras, el límite de granos de ferrita también

hace un contraste mucho más claro que en los

tratamientos anteriores.

Figura 22. Microestructura del acero AISI/SAE 1020, Material revenido a 350 °C, tomada a 1600x (MEB)

Figura 23. Microestructura del acero AISI/SAE 1020, Material revenido a 350 °C, tomada a 2000x (MEB)

Figura 24. Microestructura del acero AISI/SAE 1020, Material revenido a 450 °C, tomada a 1600x (MEB)

Figura 25. Microestructura del acero AISI/SAE 1020, Material revenido a 450 °C, tomada a 2000x (MEB)

5.3 Desgaste abrasivo

Para este punto debemos definir la abrasión

como un proceso donde partículas duras se

introducen entre dos superficies blandas donde

interactúan y se deslizan mutuamente [7]. El

ensayo de desgaste abrasivo se realizó en las 3

probetas de cada grupo de muestra (tabla 5); se

calculó pérdida de masa en gramos, además, la

pérdida de volumen en mm3 de cada probeta

sometida a ensayo. Para encontrar un valor

efectivo en el pesaje, con la ayuda de una balanza

analítica, se realiza un pesaje previo y posterior

al ensayo de desgaste abrasivo; los resultados se

muestran en la tabla 10. Para esta investigación

el material abrasivo fue una arena sílice malla 70,

la cual no es completamente esferoidal como la

norma ASTM G 65 indica que debe ser (arena

sílice Ottawa); a continuación se muestra la

caracterización del material abrasivo y

resultados de la prueba en la tabla 10.

Caracterización material abrasivo

● Material abrasivo sugerido por la norma

ASTM G 65

Figura 26 - Arena sílice Ottawa

Figura 26. Arena Ottawa, imagen tomada de la

norma internacional ASTM G65

En la figura 26. Se puede observar que los granos

del material abrasivo sílice Ottawa son

totalmente esferoidales, sin presencia de puntas

que puedan interferir en el resultado del ensayo

de desgaste abrasivo, su tamaño promedio es de

775 μm y su diámetro efectivo es 119 μm

aproximadamente.

● Material abrasivo utilizado para la

presente investigación

Figuras - Arena sílice malla 70

Imágenes de la arena malla sílice tomadas en estereoscopio (Stereo Discovery. v8) del

laboratorio de metalografía de la universidad distrital.

Figura 27. Imagen arena sílice malla 70, tomada por estereoscopio a 10x

Figura 28. Imagen arena sílice malla 70, tomada por estereoscopio a 32x

Las imágenes muestran un material abrasivo con

bastante similitud respecto a la arena sílice

Ottawa, salvo a la presencia de puntas en los

granos de arena lo cual hace variar la morfología

del material abrasivo, la cual es bastante notoria;

este factor influirá de manera significativa en los

resultados de pérdida de volumen en cada una

de las probetas dejando valores altos respecto a

los que puede arrojar un ensayo trabajado con el

material abrasivo adecuado, además, el estado

de la huella podrá quedar con surcos o crestas

luego de la prueba.

En las figuras 29 y 30 tomadas en el

estereoscopio de la universidad distrital, se

observa arena sílice malla 70, con estas dos

figuras se puede caracterizar el tamaño del grano

(altura y anchor) de este tipo de arena, los datos

experimentales de 20 tomas aleatorias en las

figuras, hallados son: promedio de altura de 1400

μm y un promedio de ancho 1100 μm. Ya que el

tamaño promedio de la arena Ottawa es 775 μm,

se puede deducir que el desgaste abrasivo por

prueba experimental va hacer más alto en este

proyecto, debido a que el material (arena sílice

malla 70) de desgaste tiene un tamaño mayor y

aristas notorias.

En las figuras 31 y 32 tenemos la caracterización

de las aristas de la arena sílice malla 70, donde

se puede observar, los diferentes ángulos, con

los cuales se halla el promedio experimental,

Figura 29. Imagen arena sílice malla 70 Caracterizando el ancho del grano

tomada 20x (estereoscopio)

Figura 30. Imagen arena sílice malla 70 caracterizando lo alto del grano

tomada 20x (estereoscopio)

Figura 31. Imagen arena sílice malla 70 caracterizando el Angulo del grano

tomada 20x (estereoscopio)

Figura 32. Imagen arena sílice malla 70 Caracterizando los Ángulos del grano

tomada 20x (estereoscopio)

analizando su morfología; se observa en las

figuras y se toman 20 ángulos aleatoriamente de

los granos de arena, el promedio experimental

de los ángulos de las aristas es 80.44ᵒ y oscila

entre 69ᵒ y 105ᵒ.

TABLA 10 – RESULTADOS ENSAYO DESGASTE

ABRASIVO

Para obtener el valor de la pérdida de volumen

se aplica la fórmula dada por la norma ASTM G

65 donde se divide la pérdida de masa entre la

densidad del acero AISI-SAE 1020 (7,87 g/cm3)

TRATAMI

ENTO

TÉRMICO

DE LA

PROBETA

MASA

INICIAL

(GRAM

OS)

MASA

FINAL

(GRAMO

S)

PÉRDIDA

DE

MASA

(GRAMO

S)

PÉRDIDA

VOLUME

N (mm3)

Normaliza

do

Probeta #

1

188,31

78 g

186,542

0 g 1,7758 g

225,64

mm3

Normaliza

do

Probeta #

2

188,59

40 g

186,791

6 g 1,8024 g

229,02

mm3

Normaliza

do

Probeta #

3

188,42

33 g

186,636

9 g 1,7864 g

226,99

mm3

Temple

Probeta #

1

187,37

19 g

185,984

3 g 1,3876 g

176,32

mm3

Temple

Probeta #

2

187,52

37 g

185,685

0 g 1,8387 g

233,63

mm3

Temple

Probeta #

3

187,21

81 g

185,187

4 g 2,0307 g

258,03

mm3

Revenido

200°C

Probeta #

1

186,47

04 g

184,518

3 g 1.9521 g

248,04

mm3

Revenido

200°C

Probeta #

2

187,86

38 g

185,848

7 g 2,0151 g

256,04

mm3

Revenido

200°C

Probeta #

3

186,53

24 g

185,316

4 g 1,2160 g

154,51

mm3

Revenido

350°C

Probeta #

1

187,68

14 g

185,872

1 g 1,8093 g

229,90

mm3

Revenido

350°C

Probeta #

2

186,64

62 g

184,887

6 g 1,7586 g

223,46

mm3

Revenido

350°C

Probeta #

3

187,05

99 g

185,264

6 g 1,7953 g

228,12

mm3

Revenido

450°C

Probeta #

1

189,60

83 g

187,898

8 g 2,3035 g

292,69

mm3

Revenido

450°C

Probeta #

2

188,01

28 g

186,304

8 g 1,7080 g

217,03

mm3

Revenido

450°C

Probeta #

3

188,36

45 g

186,644

9 g 1,7196 g

218,50

mm3

GRAFICA 3 – PERDIDA DE VOLUMEN EN MM3

Gráfica 3: pérdida de volumen por desgaste

abrasivo con datos hallados experimentalmente

Imágenes de desgaste abrasivo

tomadas mediante proceso MEB Para el

análisis de las siguientes imágenes fue

necesario abordar el tema de

mecanismos o tipos de desgaste [8]

para comprender las deformaciones

plásticas que se muestran a continuación

En las figuras 33 y 34 respectivamente se

muestra la huella del materia en estado de

entrega, el proceso ya mencionado (desgaste

abrasivo) se le realiza a la probeta, donde la

arena como material abrasivo entra en contacto

con la rueda de caucho vulcanizado y desgasta el

material acero AISI-SAE 1020, quitando material

en forma burda; se produce un escopleado el

cual se muestra con claridad en la figura 33, este

resultado es por factores del material abrasivo

,ya que, el material no tiene ningún tratamiento

térmico que aumente su dureza.

Figura 33. Huella por desgaste abrasivo del acero AISI/SAE 1020, Material en estado de

entrega, tomada a 2000x (MEB)

Figura 34. Huella por desgaste abrasivo del acero AISI/SAE 1020, Material en estado de

entrega, tomada a 5000x (MEB)

En las figuras 35 y 36 se muestra el desgaste

abrasivo del material acero AISI-SAE 1020 con

temple, se observa que hay una reducción de

desgaste, debido al tratamiento térmico, como

en las imágenes anteriores del material en

estado de entrega por la condición de la arena

que no se apegó a la norma, el desprendimiento

de material no se ve en un solo sentido, sino un

desgaste de baja tensión o scratching, donde se

produce un rayado superficial sin mayor

deformación plástica.

En las figuras 37 y 38. Revenido (R1), por el

proceso térmico de un revenido bajo, se produce

un alivio en las tensiones del material, en esta

probeta se observa un desprendimiento de

material más profundo y definido ya que, fue

superado el límite elástico del material; en la

parte oscura de la figura 38 el micro corte se

pudo haber generado por incrustaciones del

material abrasivo y partículas del mismo material

sometido a desgaste.

Figura 35. Huella por desgaste abrasivo del acero AISI/SAE 1020, Material con temple a

740°C, tomada a 2000x (MEB)

Figura 36. Huella por desgaste abrasivo del acero AISI/SAE 1020, Material con temple a

740°C, tomada a 5000x (MEB)

Figura 37. Huella por desgaste abrasivo del acero AISI/SAE 1020, Material revenido a 200°C,

tomada a 2000x (MEB)

Figura 38. Huella por desgaste abrasivo del acero AISI/SAE 1020, Material revenido a 200°C,

tomada a 5000x (MEB)

En las figuras 36 y 37 observa el tratamiento

térmico (R2), revenido a mayor temperatura,

como se evidencio en la tabla 9 de dureza, esta

aumento, pese a esto, el desgaste abrasivo

generado por tres cuerpos produjo una

deformación plástica por un mecanismo de

arado, la parte blanca y brillante de la figura 40

muestra material desprendido hacia los lados de

la línea de desgaste producida por micro corte.

En las figuras 41 y 42 tratamiento térmico (R3),

este fue el último revenido trabajado a una

mayor temperatura, en la figura 38 se observan

manchas oscuras las cuales son porosidades

propias de la calidad del acero trabajado,

además, una mayor irregularidad en la superficie

de desgaste por posibles combinaciones de

partículas del acero y material abrasivo

fracturado por vibraciones en el momento del

ensayo; el mecanismo de arado es notorio en la

figura 42, en el contraste entre la línea oscura de

desgaste y la zona más blanca y brillante. La

morfología de la arena incidió significativamente

en la generación de surcos o crestas sobre la

superficie desgastada.

Figura 39. Huella por desgaste abrasivo del acero AISI/SAE 1020, Material revenido a 350°C,

tomada a 2000x (MEB)

Figura 40. Huella por desgaste abrasivo del acero AISI/SAE 1020, Material revenido a 350°C,

tomada a 5000x (MEB)

Figura 41. Huella por desgaste abrasivo del acero AISI/SAE 1020, Material revenido a 450°C,

tomada a 2000x (MEB)

Figura 42. Huella por desgaste abrasivo del acero AISI/SAE 1020, Material revenido a 450°C,

tomada a 5000x (MEB)

CONCLUSIONES

El principal objetivo de esta investigación fue la

de conocer el comportamiento del material

acero AISI-SAE 1020 frente a un desgaste

abrasivo, este proceso se aplicó

experimentalmente conforme a la norma ASTM

G 65, para realizar el ensayo, no fue posible

contar con la arena que especifica la norma, es

por esto que los resultados no fueron a lo que se

pensaba teóricamente, a causa de la morfología

del material abrasivo utilizado; con este factor en

contra podemos decir que un acero con bajo y

medio contenido de carbono puede tener

aceptable resistencia al desgaste abrasivo si se le

aplica un correcto tratamiento térmico,

enfocado a la tarea y condiciones que finalmente

tendrá el material.

Gráficamente, se muestra un desgaste bastante

uniforme en las 5 muestras, donde la cantidad de

masa y volumen perdido fue muy alta, la

explicación radica en un desgaste desmedido en

la rueda de caucho vulcanizado de la máquina de

ensayos donde se aplicó la prueba, esto, también

por las irregularidades de las partículas de la

arena sílice malla 70, además, al observar con

detalle la tabla 9 donde se muestran los valores

de dureza, se evidencia que el cambio de valores

no es gradual y se presentan altibajos, los

encargados de este estudio concluyen que este

factor se da por mala calibración de la mufla para

tratamientos térmicos y porque

superficialmente el materia no recibió

homogéneamente los tratamientos térmicos.

También, se aportaron sugerencias para mejorar

la precisión de la máquina tribológica para

obtener mayor enfoque y un análisis de

resultados más óptimos en trabajos de este tipo.

En cuanto a las micrografías, se establece que en

un material en estado de entrega prevalece la

presencia de ferrita causando una baja dureza

para condiciones de trabajo y fricción, también,

la transformación martensítica no se produjo de

manera gradual como se esperaba al aplicar los

revenidos pero a partir del temple que fue donde

se inició el aumento de temperatura, la presencia

de perlita si es bastante notable; la retención de

austenita siempre se mantuvo por lo cual las

placas uniformes de martensita fueron pocas en

todas las imágenes estudiadas.

Los encargados de este proyecto definen qué es

importante la experiencia adquirida con este

estudio, y queda al descubierto que muchas de

las técnicas tradicionales se quedan cortas para

obtener un buen análisis de resultados, en el

caso de este documento la metalografía común

dejó muchas dudas y se recomienda recurrir a

técnicas más avanzadas como el ataque

metalográfico a color y la toma de imágenes con

equipos electrónicos de barrido a condiciones de

medio y alto vacío.

REFERENCIAS

[1] ASTM G 65. Standard Test Method for

Measuring Abrasion Using the Dry Sand/Rubber

Wheel Apparatus. ASTM International, 1998.

[2] KASATKIN, O.G. (1984): Calculation Models

for Determining the Critical Points of Steel. Metal

Science and Heat Treatment, 26:1-2, January-

February 1984, 27-31.

[3] ASTM E3-01. (2001): Standard Guide for

Preparation of Metallographic Specimens.

[4] ASM HANDBOOK Vol 9. (1998)

.Metallography and Microestructures. United

States of América. 9 ed. ASM International

[5] ASTM E18-03. (2002): Standard Test Methods

for Rockwell Hardness and Rockwell Superficial

Hardness of Metallic Materials.

[6] ASKELAND, DONALD R. (1998): Ciencia e

Ingeniería de los Materiales, cuarta edición,

Thomson Editores. México

[7] J. Edgar, (2004) Estudio experimental del

desgaste abrasivo en aceros AISI 8620, D-2 y H-

13 con y sin tratamiento superficial. Instituto

politécnico nacional. México DF

[8] K. Silva, M. Staia, (2008) Caracterización y

comportamiento al desgaste deslizante del

aluminio 7075-t6 recubierto con electroless ni-p.

Universidad Central de Venezuela. Revista de la

Facultad de Ingeniería Universidad Central de

Venezuela. Caracas dic. 2008.

Daniel camilo López Suárez, es estudiante

actualmente de la universidad Distrital Francisco

José de Caldas, 6 semestre en tecnología

Mecánica, que corresponde a su área de interés,

sus estudios como bachiller académico del

colegio María Mercedes Carranza, y su formación

deportiva en el equipo de futbol de sala de la

Universidad Distrital representándole a nivel

Bogotá y Nacional.

E-mail: daclopezs@correo.udistrital.edu.co

Carlos Enrique Sánchez Talero, es estudiante

actualmente de la universidad Distrital Francisco

José de Caldas, 6 semestre en tecnología

Mecánica, entre sus áreas de interés se

encuentra el desarrollo y optimización de

procesos de producción; bachiller académico,

graduado de la institución educativa La Amistad.

E-mail: caesanchet@correo.udistrital.edu.co

Este proyecto fue guiado por el Ingeniero CARLOS

ARTURO BOHORQUEZ AVILA