CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE...

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO

CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER

SOMETIDO A UN PROCESO DE DESGASTE.

TESIS

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO MECÁNICO

PRESENTA:

MIGUEL ÁNGEL CIRIACO MARIANO

DIRECTOR: M. EN C. SALVADOR RUBÉN AYALA RODRÍGUEZ

México, D.F. JUNIO 2008

CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO

A UN PROCESO DE DESGASTE

TESIS DE LICENCIATURA

“CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE 316L EN UN PROCESO DE CEMENTACIÓN SÓLIDA PARA SER SOMETIDO

A UN PROCESO DE DESGASTE” CAPÍTULO I “ACEROS INOXIDABLES” ANTECEDENTES GENERALES 1 1.0 Aceros inoxidables

ESIME-UPA -IPN-2008 I

1.1 usos del acero inoxidable 1.2 Diagramas de fase 1.3 Diagrama Hierro Carbono 1.4 Tipos de aceros inoxidables 1.4.1 Aceros inoxidables martensíticos

5 6 8 9 11 11 12 15 15 15 16 16 17 17 19 29 29 20 20 25 25 27 28 29 30 30

1.4.2 Aceros inoxidables austeníticos 1.4.3 Acero inoxidable ferrítico 1.5 Características de las familias de aceros inoxidables 1.5.1 Martensíticos 1.5.2 Ferríticos 1.5.3 Austeníticos 1.5.4 Dúplex austenítico-ferrítico 1.5.5 Endurecibles por precipitación de matriz martensítica, semiaustenítica o austenítica CAPÍTULO II “ACEROS ALEADOS Y ELEMENTOS DE ALEACIÓN” 2.0 Aceros aleados y elementos de aleación 2.1 Aceros aleados 2.1.1 Clasificación de los aceros aleados 2.1.2 Beneficios de usar aceros aleados 2.2 Elementos de aleación 2.2.1 Influencias directas de los elementos de aleación 2.2.2 Aleaciones de acero inoxidable que se comercializan CAPÍTULO III “PRECIPITACIÓN DE CARBUROS” 3.0 Precipitación de carburos 3.1 Aceros inoxidables resistentes a la corrosión 3.2 Clasificación de los procesos de corrosión 3.2.1 Formas más comunes de corrosión localizada 3.2.1.1 Corrosión por picado




3.2.1.2 Corrosión por rendijas 31 3.2.1.3 Corrosión Ínter granular

ESIME-UPA -IPN-2008 II

3.2.1.4 Corrosión bajo tensión 3.2.1.5 Corrosión galvánica 3.2.1.6 Corrosión por contacto 3.3 desgaste 3.3.1 Tipos de desgaste 3.3.1.1 Desgaste por abrasión 3.3.1.2 Desgaste por adhesión 3.3.1.3 Desgaste por erosión 3.3.1.4 Desgaste micro oscilatorio CAPÍTULO IV “TRATAMIENTOS TÉRMICOS” 4.0 Tratamientos térmicos 4.1 Cementación 4.2 Límites de temperatura CAPÍTULO V “DESARROLLO EXPERIMENTAL Y ANÁLISIS DE RESULTADOS” 5.0 Resultados y análisis de las diferentes probetas que fueron sometidas al proceso de cementación sólida, acero austenítico 316 grado quirúrgico 5.1 Desarrollo experimental 5.1.1 Equipo empleado 5.1.2 Metodología experimental 5.2 Resultados y sus análisis 5.2.1 Resultados de la prueba metalográfica 5.2.2 Resultados de la prueba de dureza 5.2.3 Resultados de la prueba de desgaste abrasivo CONCLUSIONES TRABAJOS A FUTURO REFERENCIAS 61 ANEXOS

32 32 32 33 34 35 35 37 39 41 44 45 47 50 51 51 52 54 54 54 55 59 60

64




Índice de Figuras.

ESIME-UPA -IPN-2008 III

Figura 1.1

8 9 10 19 27 30 31 3 33 35 35 35 36 36 37 38 38 40 41 55 57 58

Figura 1.2 Figura 1.3 Figura 2.1 Figura 3.1 Figura 3.2 Figura 3.3 Figura 3.4 Figura 3.5 Figura 3.6 Figura 3.7 Figura 3.8 Figura 3.9 Figura 3.10 Figura 3.11 Figura 3.12 Figura 3.13 Figura 3.14 Figura 3.15 Figura 5.1 Figura 5.2 Figura 5.3 Índice de tablas. Tabla 1 Tabla 1.1 Tabla 3.1 Tabla 3.2 Tabla 3.3 Tabla 5.1 Tabla 5.2 Tabla 5.2.1 Tabla 5.2.2 Tabla 5.2.3 Tabla 5.2.4 Tabla 5.2.4.1 Tabla 5.2.4.2

3 13 29 30 34 52 52 54 54 54 55 55 56 56 56 57

Tabla 5.2.4.3 Tabla 5.2.4.4 Tabla 5.2.4.5




ESIME-UPA -IPN-2008 IV

RESUMEN. El presente trabajo presenta el estudio de las propiedades metalúrgicas y mecánicas del acero inoxidable 316L, donde las probetas de este acero fueron sometidos a un proceso de cementación en diferentes tiempos para determinar las diferentes durezas que adquieren en función del tiempo de cementado, para posteriormente determinar las diferentes resistencias que tienen durante las diferentes pruebas de desgaste abrasivo a las que son sometidas, en donde se observa la interrelación entre la microestructura y las propiedades mecánicas del recubrimiento.




ESIME-UPA -IPN-2008 V

JUSTIFICACIÓN. La cementación es utilizada en las industrias donde se requiere mayor dureza y están sometidas a un proceso de desgaste ya que en estas industrias la sustitución de piezas importantes de las máquinas resulta ser demasiado costosas. Este método resulta ser de bajo costo para extender la vida útil de los componentes Más costosos, los beneficios incluyen el reemplazar menos partes, reducción del tiempo fuera de servicio, la habilidad de hacer partes de un metal menos caro y la reducción de costos globales. La mayoría de estos tratamientos se hace como parte de un mantenimiento o reparaciones de funcionamiento y se aplican generalmente para aquellas áreas donde se encuentra la exposición máxima a condiciones de uso severo, tales como fricción de metal con metal, abrasión, impacto, corrosión, alta temperatura. Las aleaciones que poseen este material son particularmente importantes y críticas de los usos que se destinan entre otras aplicaciones, en una planta cementera, en donde existe un desgaste sumamente abrasivo por el cemento, enfatizando que la selección adecuada de un recubrimiento impacta en un servicio prolongado de los componentes y con esto se transforma en beneficios financieros para las diferentes industrias.

Dedicatorias. A quienes me han dado lo más valioso que un ser puede recibir: La vida, amor,

apoyo. A quienes sin escatimar esfuerzos han dedicado gran parte de su existencia, a quienes la ilusión de su vida ha sido verme realizado como

profesionista.

A Dios y a la Virgen de Guadalupe: Por darme salud y permitirme obtener todo lo que he logrado para poder llegar

hasta esta etapa de mi vida.

A mi mamá (María Florentina): Por darme la vida, por brindarme incondicionalmente su apoyo en los momentos más difíciles, por perdonar mis errores sin importar lo graves que estos fueron,

por enseñarme a seguir adelante, a amar y perdonar y por que gracias a ella pude llegar a la meta de mi formación profesional.

A mi papá (Fermín): El que a pesar de su carácter supo brindarme amor y apoyo, por creer en mí, por enseñarme que el orgullo y el amor a la vida nos ayudan a salir de los momentos

más difíciles que se nos presentan y que por él pude formarme como profesionista.

A mis hermanos (Fermín, José, Felipe, Ramón):

Que sin esperar nada a cambio me han brindado todo su apoyo y amor, por el ejemplo de tener coraje y orgullo para que sin importar cuantas adversidades se

nos presenten en la vida estas nunca nos podrán vencer siempre estaremos juntos para apoyarnos.

A mis suegros (Gilberto y Alberta): Por todo el apoyo y cariño que me han dado durante el tiempo que he vivido con

ellos y por ayudarme ha lograr mi meta.

A mi esposa (Mayra “Maya”):

Por todo el apoyo, amor que me ha brindado y por darme el mejor de los regalos a mi “hijo”.

A mi hijo (Vladimir):

Por quererme mucho y por ser uno de los principales motivos para seguir adelante.

A mis primos (Sergio, Ana):

Por el amor y por todo el apoyo que me han brindado.

A mi compadre (Ramón):

De manera especial al que a pesar de ser el menor de los hermanos con los consejos que me ha brindado en los momentos difíciles de mi vida me han

ayudado ha seguir adelante y por todo el amor de hermano que me ha brindado.

De manera muy especial a mi sobrino (Fermín).

Que a su corta edad se convirtió en el ángel de la guarda de la familia y que desde halla arriba ha cuidado y guiado mis pasos.

Gracias por todo lo que me han brindado, por que ni con todo el oro del mundo lograría compensarlos, significan mucho para mí y son parte fundamental en

cada paso de mi vida.

Por todo esto a Dios y a ustedes Gracias Con cariño y admiración.

Miguel Ángel Ciriaco Mariano.

Agradecimientos.

Al Instituto Politécnico Nacional: Por todo lo que nos ha ofrecido para nuestra superación sin duda siempre estará

en nuestra mente y haré todo lo posible por dejar muy en alto el nombre del Instituto Politécnico Nacional.

A la ESIME. Unidad profesional Azcapotzalco:

Por brindarme la oportunidad de obtener el grado de Ingeniería Mecánica a

través de la enseñanza impartida en sus instalaciones.

Al M. En C. Salvador Rubén Ayala Rodríguez:

Por su dirección y apoyo brindado para la realización de este trabajo, por su paciencia y no escatimar tiempo y esfuerzo al darme apoyo incondicional.

Al M. En C. Martín Darío Castillo Sánchez:

Por todo el apoyo brindado en las pruebas de desgaste abrasivo realizadas en este trabajo.

Al Doctor Manuel Vite:

Por facilitarnos la máquina de desgaste abrasivo.

Al profesor Octavio:

Por apoyarnos en las pruebas de durezas en este trabajo.

Al comité de revisión y jurado:

Gracias por las contribuciones a este trabajo de tesis.


A UN PROCESO DE DESGASTE.


ESIME-UPA -IPN-2008 1

ANTECEDENTES GENERALES.

Los primeros trabajos realizados para la fabricación de los hierros y aceros inoxidables datan del siglo XIX. Ya en aquellos días se sabía que el hierro aleado con ciertos metales, como el cobre y el níquel resistía mejor a la oxidación que el hierro ordinario. En 1865 ya se hacían, aunque en cantidades muy limitadas, aceros con 25 y 35% de níquel que resistían muy bien la acción de la humedad del aire y, en general, del ambiente; pero se trataba de fabricaciones en muy pequeña escala que nunca se continuaron. En esa época no se llegó a estudiar ni a conocer bien esta clase de aceros. En 1872 Woods y Clark fabricaron aceros con 5% de cromo que tenían también mayor resistencia a la corrosión que los hierros ordinarios de esa época.

Posteriormente en 1892 Hadfield, en Sheffield, estudió las propiedades de ciertos aceros aleados con cromo y dio a conocer en sus escritos que el cromo mejoraba sensiblemente la resistencia a la corrosión. En 1904-1910, Guillet y Portevin, en Francia, realizaron numerosos estudios sobre aceros aleados con cromo y níquel, determinando micro estructuras y tratamientos de muchos de ellos. Llegaron a fabricar aceros muy similares a los típicos aceros inoxidables que se usan en la actualidad, pero hasta entonces nunca le dieron especial atención a la inoxidabilidad.

El desarrollo original de lo que son actualmente los aceros inoxidables aconteció en los albores de la primera guerra mundial. En forma independiente y casi simultánea, en Inglaterra y en Alemania se descubrieron los aceros inoxidables tal como los conocemos ahora. El metalúrgico inglés Harry Brearly investigando cómo mejorar una aleación para proteger los cilindros de los cañones, encontró que agregando cromo a los aceros de bajo carbono, obtenía aceros resistentes a las manchas (stainless) o resistentes a la oxidación. Los doctores Strauss y Maurer, de Alemania, en 1912 patentaron dos grupos de aceros inoxidables al cromo-níquel de bajo contenido de carbono; uno de éstos, con la denominación 18-8, ha sido utilizado desde entonces en numerosas aplicaciones.

Las propiedades y composiciones de los aceros inoxidables se mantuvieron en secreto por los países beligerantes mientras duró la primera guerra mundial. Posteriormente, a partir de las pocas aleaciones experimentadas en 1920. Y de un limitado número de grados comercialmente disponibles en 1930, la familia de los aceros inoxidables ha crecido en forma impresionante. En la actualidad se cuenta con un gran número de tipos y grados de acero inoxidable en diversas presentaciones, y con una gran variedad de acabados, dimensiones, tratamientos, etc.

http://es.wikipedia.org/wiki/Cobre

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Woods_y_Clark&action=editredlink

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Hadfield&action=editredlink

http://es.wikipedia.org/wiki/Sheffield

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Guillet_y_Portevin&action=editredlink

http://es.wikipedia.org/wiki/Francia

http://es.wikipedia.org/wiki/Inglaterra

http://es.wikipedia.org/wiki/Alemania

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Harry_Brearly&action=editredlink

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Strauss_y_Maurer&action=editredlink

http://es.wikipedia.org/wiki/Alemania





Los diferentes tipos de grados que existen en la actualidad para identificar a los aceros:

Grado L:

Significa que es un acero inoxidable con un nivel de carbono inferior al 0.03%. Estos grados se utilizan, por ejemplo, cuando en un austenítico se requiere soldadura para fabricar el componente que debe resistir a la corrosión, puesto que un porcentaje mayor de carbono podría traer inconvenientes de precipitación de carburos de cromo a las altas temperaturas de soldadura, lo cual favorece la corrosión ínter granular.

Grado N:

Significa que es un acero inoxidable al cual se le ha incrementado su resistencia mecánica y su resistencia a la corrosión por picado por adición de nitrógeno, que endurece por solución sólida en los grados austeníticos. El nitrógeno, además, retarda las fases fragilizantes como la fase sigma. En los grados ferríticos es tan perjudicial como el carbono.

Grado S:

Estos grados se utilizan, por ejemplo cuando se requiere una resistencia mecánica considerable pero no se puede endurecer por adición de carbono por el peligro de la precipitación de carburos de cromo a altas temperaturas.

Uno de los usos mas notables en la actualidad del acero es el del grado quirúrgico que es el nombre que se le da al acero utilizado para los diversos implementos que se emplean en las operaciones quirúrgicas (tales como bisturí, pinzas, etc.), denominados instrumental quirúrgico.

El Acero Quirúrgico es una variación del acero que comúnmente se compone de una aleación de cromo (12–20%), molibdeno (0,2–3%) y, en ocasiones, níquel (8–12%), el cromo le da a este metal su resistencia al desgaste y corrosión. El níquel de da un acabado suave y pulido. El molibdeno le da mayor dureza y ayuda a mantener a agudeza del filo, la palabra 'quirúrgico' se refiere a que este tipo de acero es un buen elemento para la fabricación de instrumental quirúrgico, ya que es fácil de limpiar, esterilizar, fuerte y resistente a la corrosión. La aleación de níquel, cromo y molibdeno también se utiliza para implantes ortopédicos como una ayuda para la regeneración de los huesos, como parte estructural de las válvulas artificiales de corazón y otros implantes. Una complicación potencial es la reacción sistémica al níquel.

http://es.wikipedia.org/wiki/Acero

http://es.wikipedia.org/wiki/Bistur%C3%AD

http://es.wikipedia.org/wiki/Pinzas

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Instrumental_quir%C3%BArgico&action=edit


http://es.wikipedia.org/wiki/Cromo

http://es.wikipedia.org/wiki/Molibdeno

http://es.wikipedia.org/wiki/N%C3%ADquel





Tabla (1). Clasificación de los aceros según la norma une-36010.

Serie Grupo Denominación Descripción

Grupo 1 Acero al carbono.

Grupos 2 y 3 Acero aleado de gran resistencia.

Grupo 4 Acero aleado de gran elasticidad.

Grupo 5 y 6 Aceros para cementación.

Serie 1

Grupo 7 Aceros para nitruración.

Son aceros al carbono y por tanto no aleados. Cuanto más carbono tienen sus respectivos grupos son más duros y menos soldables, pero también son más resistentes a los choques. Son aceros aptos para tratamientos térmicos que aumentan su resistencia, tenacidad y dureza. Son los aceros que cubren las necesidades generales de la Ingeniería de construcción tanto industrial como civil y comunicaciones.

Grupo 1 Aceros de fácil mecanización.

Grupo 2 Aceros para soldadura.

Grupo 3 Aceros magnéticos.

Grupo 4 Aceros de dilatación térmica.

Serie 2

Grupo 5 Aceros resistentes a la fluencia.

Son aceros a los que se incorporan elementos aleantes que mejoran las propiedades necesarias que se exigen las piezas que se van a fabricar con ellos como, por ejemplo, tornillería, tubos y perfiles en los grupos 1 y 2. Núcleos de transformadores y motores en los aceros del grupo 3, piezas de unión de materiales férricos con no férricos sometidos a temperatura en el grupo 4, piezas instaladas en instalaciones químicas y refinerías sometidas a altas temperaturas los del grupo 5.

Grupo 1 Aceros inoxidables. Serie 3

Grupos 2 y 3 Aceros resistentes al calor.

Estos aceros están basados en la adición de cantidades considerables de cromo y níquel a los que se suman otros elementos para otras propiedades más específicas. Son resistentes a ambientes húmedos, a agentes químicos y a altas temperaturas. Sus aplicaciones más importantes son para la fabricación de depósitos de agua, cámaras frigoríficas industriales, material clínico e instrumentos quirúrgicos, pequeños electrodomésticos, material doméstico como cuberterías, cuchillería, etc.

Grupo 1 Acero al carbono para herramientas.

Grupos 2, 3 y 4 Acero aleado para herramientas.

Serie 5

Grupo 5 Aceros rápidos.

Son aceros aleados con tratamientos térmicos que les dan características muy particulares de dureza, tenacidad y resistencia al desgaste y a la deformación por calor. Los aceros del grupo 1 de esta serie se utilizan para construir maquinaria de trabajos ligeros en general, desde la carpintería y la agrícola (aperos). Los grupos 2,3 y 4 se utilizan para construir máquinas y herramientas más pesadas. El grupo 5 se utiliza para construir herramientas de corte.

Grupo 1 Aceros para moldeo.

Grupo 3 Aceros de baja radiación.

Serie 8

Grupo 4 Aceros para moldeo inoxidables.

Son aceros adecuados para moldear piezas por vertido en moldes de arena, por lo que requieren cierto contenido mínimo de carbono que les dé estabilidad. Se utilizan para el moldeo de piezas geométricas complicadas, con características muy variadas, que posteriormente son acabadas en procesos de mecanizado.

http://es.wikipedia.org/wiki/Acero_al_carbono

http://es.wikipedia.org/wiki/Acero_aleado

http://es.wikipedia.org/wiki/Acero_el%C3%A1stico

http://es.wikipedia.org/wiki/Acero_para_cementaci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Acero_para_nitruraci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Acero_de_f%C3%A1cil_mecanizaci%C3%B3n&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Acero_para_soldadura&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Acero_magn%C3%A9tico&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/wiki/Acero_inoxidable

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Acero_para_herramientas&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Acero_para_herramientas&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/wiki/Acero_r%C3%A1pido




4ESIME-UPA -IPN-2008





1.0 ACEROS INOXIDABLES.

Hay una gran variedad de aceros inoxidables, pero todos tienen como característica común el tener menos de un 11,5% de Cromo, (Cr). Los aceros inoxidables se usan por su resistencia a la corrosión, su resistencia a la oxidación y su aspecto agradable.

Hay 5 grupos de aceros inoxidables, trataremos en mayor profundidad sólo los tres primeros:

• Ferríticos: 12 a 30 % Cr y bajo C.

• Martensíticos: 12 a 17 % Cr, 0.1 a 1 % C.

• Austeníticos: 17 a 25 % Cr y 8 a 20 % Ni.

• Aleaciones dúplex: 23 a 30 % Cr, 2.5 a 7 % Ni, adiciones de Ti y Mo.

• Aleaciones endurecibles por precipitación, pueden tener base austenita o martensita, con adiciones de Cu, Ti, Al, Mo, Nb ó N.

Como todos los tipos de aceros, el acero inoxidable no es un metal simple sino una aleación. Lo que tienen en común todos los aceros es que el principal componente (elemento que forma la aleación) es el hierro, al que se añade una pequeña cantidad de carbono. El acero inoxidable fue inventado a principios del siglo XX cuando se descubrió que una pequeña cantidad de cromo (habitualmente un mínimo de 11%) añadido al acero común, le daba un aspecto brillante y lo hacía altamente resistente a la suciedad y a la oxidación.

http://es.wikipedia.org/wiki/Aleaci%C3%B3n





Esta resistencia a la oxidación, denominada «resistencia a la corrosión», es lo que hace al acero inoxidable diferente de otros tipos de acero.

El acero inoxidable es un material sólido y no un revestimiento especial aplicado al acero común para darle características “inoxidables”. Aceros comunes, e incluso otros metales, son a menudo cubiertos o “bañados” con metales blancos como el cromo, níquel o zinc para proteger sus superficies o darles otras características superficiales. Mientras que estos baños tienen sus propias ventajas y son muy utilizados, el peligro radica en que la capa puede ser dañada o deteriorarse de algún modo, lo que anularía su efecto protector. La apariencia del acero inoxidable puede, variar y dependerá en la manera que esté fabricado y en su acabado superficial.

La forma original del acero inoxidable todavía es muy utilizada, los ingenieros tienen ahora muchas opciones en cuanto a los diferentes tipos. Están clasificados en diferentes “familias” metalúrgicas.

Cada tipo de acero inoxidable tiene sus características mecánicas y físicas y será fabricado de acuerdo con la normativa nacional o internacional establecida.

Su resistencia a la corrosión es lo que da al acero inoxidable su nombre. Sin embargo, justo después de su descubrimiento se apreció que el material tenía otras muchas valiosas propiedades que lo hacen idóneo para una amplia gama de usos diversos. Las posibles aplicaciones del acero inoxidable son casi ilimitadas

1.1 Usos del acero inoxidable.

Los aceros inoxidables se utilizan principalmente en los siguientes mercados:

Electrodomésticos: grandes electrodomésticos y pequeños aparatos para el hogar.

Automoción: especialmente tubos de escape.

Construcción: edificios y mobiliario urbano (fachadas y material).

Industria: alimentación, productos químicos y petróleo.

En la industria médica:

Su resistencia a la corrosión, sus propiedades higiénicas y sus propiedades estéticas hacen del acero inoxidable un material muy atractivo para satisfacer diversos tipos de demandas, como lo es la industria médica.





En el hogar:

Cubertería y menaje, fregaderos, sartenes y baterías de cocina, hornos, equipamiento de jardín y mobiliario.

En la ciudad:

Paradas de autobús, cabinas telefónicas y resto de mobiliario urbano, fachadas de edificios, ascensores y escaleras, vagones de metro e infraestructuras de las estaciones.

En la industria:

Equipamiento para la fabricación de productos alimentarios y farmacéuticos, plantas para el tratamiento de aguas potables y residuales, plantas químicas y petroquímicas, componentes para la automoción y aeronáutica, depósitos de combustible y productos químicos.

Su resistencia a la corrosión, sus propiedades higiénicas y sus propiedades estéticas hacen del acero inoxidable un material muy atractivo para satisfacer diversos tipos de demandas, como lo es la industria médica.

Acero inoxidable en la industria médica.

Existe una diversidad de composiciones químicas para el acero inoxidable, las cuales le otorgan cualidades particulares y deseadas; desde el grado de implante médico, hasta la facilitación de manufactura de instrumentos quirúrgicos.

Entre los aceros empleados en la industria médica se encuentran comúnmente los siguientes:

• 17-4 • 304 • 316 • 316L • 455 • 589

http://es.wikipedia.org/wiki/Composici%C3%B3n_qu%C3%ADmica

http://es.wikipedia.org/wiki/Cirug%C3%ADa




Muchos de éstos pueden ser sometidos a un tratamiento térmico con el fin de modificar sus cualidades físicas. Por ejemplo, el acero inoxidable 17-4 puede ser tratado al calor, por una duración determinada, con el fin de lograr cierto grado de dureza y así, hacer que el objeto funcione adecuadamente por más largo tiempo. Es importante que las condiciones sean controladas, desde la temperatura y tiempo de horneado, hasta la limpieza de la atmósfera del horno y del acero en sí. La dureza del acero inoxidable puede ser medida en la escala vickers, Brinell, Rockwell u otras.

1.2 Diagramas de fase.

Figura (1.1). Muestra secciones verticales del diagrama Fe-Cr-Ni para diferentes (%) fijos de Cr.

A temperaturas menores de 500°C. los diagramas binarios presentan incertidumbres, que ciertamente se trasladaban al diagrama ternario Fe-Cr-Ni.

En la Figura 1.1 se muestra un corte horizontal de un típico diagrama ternario a 650°C. Los porcentajes (%) de cada elemento se representan en las aristas del triángulo exterior, correspondiendo el 100% de cada elemento a cada uno de los vértices. Fracciones intermedias de un elemento se leen según líneas paralelas a la arista opuesta al vértice del respectivo elemento.

Se debe notar que los bordes entre regiones de diferentes fases son superficies, por tanto la isoterma a 650°C indica los cortes de este plano horizontal a dichas superficies. La temperatura se gráfica en un eje perpendicular al papel.


http://es.wikipedia.org/wiki/Tratamiento_t%C3%A9rmico

http://es.wikipedia.org/wiki/Dureza

http://es.wikipedia.org/wiki/Dureza_Brinell

http://es.wikipedia.org/wiki/Dureza_Rockwell




A la vez, es útil la información que se desprende de cortes verticales, paralelos a una de las aristas, de estos diagramas. Estos cortes indican las fases presentes a diferentes temperaturas para un porcentaje, (%), fijo de uno de los elementos.

Diagrama Cr-Ni.

Figura (1.2). Diagrama Cr. - Ni.

El diagrama Cr-Ni se muestra en la Figura 1.2 En lo que respecta a los aceros inoxidables, una de las características más destacables es el gran campo de fase así por ejemplo, se puede disolver hasta 50 % de Cr en Ni (FCC) a 1350°C.

1.3 Diagrama hierro - carbono.

Diagramas de aleaciones más conocido y utilizado del Hierro y el carbono. También conocido como diagrama hierro, hierro, carbono (HHC). Con este diagrama se pueden obtener las temperaturas de cambio de sus estructuras cristalinas; también se pueden conocer las temperaturas a las que se da el cambio de fase de un hierro. En función a la cantidad de carbón que contiene el metal se puede estimar la temperatura a la que se derretirá y a la que se volverá pastoso.





Las aleaciones hierro-carbono pertenecen al tipo de aleaciones que forman una composición química.

El carbono se puede encontrar en las aleaciones hierro-carbono, tanto en estado ligado (Fe3C), como en estado libre (C, es decir, grafito), por eso, el diagrama comprende dos sistemas:

� Fe-Fe3C (metal estable); este sistema está representado en el diagrama con líneas llenas gruesas y comprende aceros y fundiciones blancas, o sea, las aleaciones con el carbono ligado, sin carbono libre (grafito);

� Fe-C (estable); en el diagrama se representa con líneas punteadas; este sistema expone el esquema de formación de las estructuras en las fundiciones grises y atruchadas donde el carbono se encuentra total o parcialmente en estado libre (grafito).

Figura (1.3). Diagrama hierro - carbono


http://es.wikipedia.org/wiki/Imagen:Diagrama_Fe_C_zona_de_los_aceros.svg�




Líneas críticas de transformación: A1 = Línea crítica inferior de transformación que se encuentra a una temperatura de 723 . C0

A3 = línea crítica superior de transformación que se desplaza de 910- 723 esta línea Generalmente se toma de referencia para establecer las temperaturas de temple de Los aceros al carbono más 30 a 50 .

C0

C0

ACM = línea crítica de transformación inferior que se desplaza de 723 a 1145 . C0

1.4 Tipos de aceros inoxidables.

Los aceros inoxidables que contienen solamente cromo se llaman ferríticos, ya que tienen una estructura metalográfica formada básicamente por ferrita. Son magnéticos y se distinguen porque son atraídos por un imán. Con porcentajes de carbono inferiores al 0.1%C, estos aceros no son endurecibles por tratamiento térmico. En cambio, aceros entre 0.1% y 1% en C sí son templables y se llaman aceros inoxidables "martensíticos", por tener martensita en su estructura metalográfica. Éstos también son magnéticos.

Los aceros inoxidables que contienen más de un 7% de níquel se llaman austeníticos, ya que tienen una estructura formada básicamente por austenita a temperatura ambiente (la austenita es un elemento "gammágeno" que estabiliza el campo de la austenita). No son magnéticos.

Los aceros inoxidables austeníticos se pueden endurecer por deformación, pasando su estructura metalográfica a contener martensita. Se convierten en parcialmente magnéticos, lo que en algunos casos dificulta el trabajo en los artefactos eléctricos.

1.4.1 Aceros inoxidables martensíticos.

Son la primera rama de los aceros inoxidables, llamados simplemente al Cromo y fueron los primeros desarrollados industrialmente (aplicados en cuchillería). Tienen un contenido de Carbono relativamente alto de 0.2 a 1.2% y de Cromo de 12 a 18%. Los tipos más comunes son el AISI 410, 420 y 431.

Propiedades básicas:

• Elevada dureza (se puede incrementar por tratamiento térmico).


http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Acero_ferr%C3%ADtico&action=editredlink

http://es.wikipedia.org/wiki/Ferrita

http://es.wikipedia.org/wiki/Carbono


http://es.wikipedia.org/wiki/Martensita


http://es.wikipedia.org/wiki/Acero_austen%C3%ADtico

http://es.wikipedia.org/wiki/Austenita






• Gran facilidad de maquinado, resistencia a la corrosión moderada.

Principales aplicaciones:

• Ejes, flechas, instrumental quirúrgico y cuchillería.

Todos los aceros inoxidables martensíticos pueden ser templados y revenidos y la dureza alcanzada dependerá del contenido de carbono de la aleación. En aceros de bajo carbono la dureza máxima es de 45 HRC y en los aceros de alto contenido de carbono la dureza puede alcanzar valores próximos a 60 HRC. Al igual que los aceros al carbono, estas aleaciones son susceptibles a la fragilidad de revenido cuando son tratados térmicamente después del temple en el rango de 450 a 540° C.

El contenido de Cr. les da gran templabilidad, esto permite que puedan ser templados al aire, aún en secciones grandes.

El más usado de los aceros inoxidables martensíticos es el 410, (su composición típica es: 11.5 a 13.5 %Cr y 0.15 %C como máximo).

Esta tendencia a la fragilidad se reduce agregando pequeñas cantidades de Nb, el que afecta la nucleación de Cr23C6 y además produce refinación del grano.

La resistencia a la corrosión de los aceros inoxidables martensíticos es relativamente pobre en comparación con los austeníticos y ferríticos. La mayoría de los aceros inoxidables martensíticos contienen sólo el mínimo requerido de Cr (12%) para su pasividad en ambientes húmedos, ya que si se añadiera más Cr se promovería la formación de ferrita a expensas de la austenita, la cual es necesaria para la formación de la martensita. Sólo cantidades limitadas de otros aleantes, como Ni, Pueden ser adicionadas esto debido a que la transformación de austenita a martensita se ve inhibida.

1.4.2 Aceros inoxidables austeníticos.

Los aceros inoxidables austeníticos son esencialmente aleaciones ternarias de Fe, Cr y Ni, que contienen de un 16 hasta un 25% de Cr y de un 7 a un 20% de Ni, estas aleaciones son llamadas austeníticas debido a que su estructura permanece austenítica, a temperatura ambiente. La mayor parte de estos aceros contienen de un 0,06 a 0,1 % de C. Cabe señalar que algo del Ni de esta aleación puede ser reemplazado por Mn. sin alterar la estructura austenítica del acero.





Tabla (1.1). Aceros Inoxidables Austeníticos.

Tipo % Cr. % Ni. % C. % Mn. % Mo. 302 17-19 8-10 0.15 2.0 304 18-20 8-10 0.08 2.0 310 24-26 19-22 0.25 2.0 316 16-18 10-14 0.08 2.0 2.3 304L 18-20 8-10 0.03 2.0 316L 16-18 10-14 0.03 2.0 2-3

Los aceros inoxidables que contienen más de un 7% de níquel se llaman “austeníticos”, ya que tienen una estructura metalográfica en estado recocido, formada básicamente por austenita y de aquí adquieren el nombre. El contenido de Cromo varía de 16 a 28%, el de Níquel de 3.5 a 22% y el de Molibdeno 1.5 a 6%. No son magnéticos en estado recocido y, por tanto, no son atraídos por un imán.

Los aceros inoxidables austeníticos se pueden endurecer por deformación, pasando su estructura metalográfica a contener “martensita”, se convierten en parcialmente magnéticos, lo que en algunos casos dificulta el trabajo en los artefactos eléctricos.

A todos los aceros inoxidables se les puede añadir un pequeño porcentaje de molibdeno, para mejorar su resistencia a la corrosión por cloruros.

El molibdeno es introducido como elemento de aleación en los aceros inoxidables precisamente para disminuir la corrosión, la presencia de molibdeno permite la formación de una capa pasiva más resistente.

Este tipo de acero inoxidable son los más utilizados.

Propiedades básicas:

• Excelente resistencia a la corrosión. • Excelente factor de higiene -limpieza. • Fáciles de transformar. • Excelente soldabilidad. • No se endurecen por tratamiento térmico. • Se pueden utilizar tanto a temperaturas criogénicas como a elevadas

temperaturas.

Tienen gran aplicación en las industrias químicas, farmacéuticas, de alcohol, aeronáutica, naval, uso en arquitectura, alimenticia, y de transporte. Es también utilizado en cubiertos, vajillas, piletas, revestimientos de ascensores y en un sin número de aplicaciones.


http://es.wikipedia.org/wiki/Austenita




http://es.wikipedia.org/wiki/Im%C3%A1n


http://es.wikipedia.org/wiki/Corrosi%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Cloruro





Los aceros inoxidables que llevan molibdeno son de gran utilización en las industrias químicas, de alcohol, petroquímicas, de papel y celulosa, en la industria petrolífera, industrias textil y farmacéutica.

Las zonas térmicamente afectadas por operaciones de soldado son particularmente sensibles a la corrosión, ya que durante el ciclo térmico de soldado parte del material es mantenido en la franja crítica de temperaturas.

La consideración de este fenómeno llevó al desarrollo de los inoxidables austeníticos extra bajo carbono, en los cuales el tenor de carbono es controlado en un máximo de 0,03%, quedando así extremadamente reducido la posibilidad de sensibilización.

La utilización de estabilizadores tiene también la finalidad de evitar el problema de la sensibilización. El titanio, adicionado como elemento de aleación, inhibe la formación de carburo de cromo debido al hecho de tener una afinidad mayor por el carbono que aquella que tiene el cromo. Así, se precipita carburo de titanio y el cromo permanece en solución sólida. Con la misma finalidad puede ser utilizado el niobio.

Tanto el titanio como el niobio son estabilizadores del carbono y los aceros inoxidables así obtenidos, son conocidos como aceros inoxidables estabilizados. Se utilizan para aplicaciones en equipos que operan entre 400 y 900 ºC, los aceros inoxidables estabilizados son los más recomendados, ya que conservan mejores propiedades mecánicas en esas temperaturas que los aceros de extra bajo carbono; notoriamente la resistencia al creep.

En el inoxidable (20Cr-25Ni-4,5Mo-1,5Cu), la adición de elementos de aleación busca mejorar no sólo la resistencia al picado sino también la resistencia a la corrosión en medios ácidos reductores. El elevado tenor de níquel mejora también el comportamiento frente a la corrosión bajo tensión.

En los casos en que se pretende una buena resistencia mecánica y no existe gran preocupación por la corrosión ínter granular, los aceros inoxidables, con tenores de carbono en el rango de 0,04/0,10%, son recomendados. La precipitación de una fina red de carburos de cromo, tan perjudicial bajo el punto de vista de la corrosión, se torna benéfica cuando lo que interesa son las propiedades mecánicas.

Aumentos considerables en los tenores de cromo y níquel permiten elevar la temperatura de formación de cascarilla (escamado) de los aceros inoxidables austeníticos. El inoxidable es recomendado para trabajo al aire libre, a temperaturas inferiores a 925 ºC en servicios continuos. En las mismas condiciones, el inoxidable, con cromo 24/26% y níquel 19/22%, resiste temperaturas de hasta 1150 ºC. Es un material clasificado como acero inoxidable refractario.

http://es.wikipedia.org/wiki/Titanio

http://es.wikipedia.org/wiki/Niobio

http://es.wikipedia.org/wiki/Refractario





Grandes aumentos de níquel, llevan a las aleaciones Ni-Cr-Fe, donde el elemento con mayor presencia en el material ya no es el hierro sino el níquel, Estos materiales no son conocidos como aceros inoxidables sino como aleaciones a base de níquel y presentan excelente resistencia a la corrosión en diversos medios a altas temperaturas. El elevado tenor de níquel da también garantía de una buena resistencia a la corrosión bajo tensión.

1.4.3 Acero inoxidable ferrítico.

Acero inoxidable ferrítico son los llamados aceros inoxidables al cromo (11.5% a 23% Cr) con bajo contenido de carbono (0.20% máximo). Presentan buena resistencia a la corrosión y resistencia mecánica, se endurecen por trabajo en frío y son magnéticos.

Se llaman ferríticos, porque tienen una estructura metalográfica formada básicamente por ferrita. En este caso se llaman aceros inoxidables "martensíticos", por tener martensita en su estructura metalográfica.

Aunque los aceros inoxidables ferríticos presentan una buena resistencia a la corrosión, algunas características limitan la utilización de los mismos en determinadas aplicaciones.

La estampabilidad es buena, aunque insuficiente en aplicaciones que requieren estampado profundo. La soldabilidad es apenas discreta. Es el acero inoxidable más barato.

Principales aplicaciones:

• Electrodomésticos (cocinas, heladeras, etc.). • Mostradores frigoríficos. • Industria automovilística.

1.5 Características de las familias de aceros inoxidables.

1.5.1 Martensíticos.

• Son endurecibles por temple + revenido, para conseguir alta resistencia mecánica y buena ductilidad y tenacidad. Tensiones de rotura hasta 1900 MPa.

• Tienen una aceptable resistencia a la corrosión. Es indicado para aplicaciones que requieren no solo resistencia a la corrosión sino resistencia mecánica, dureza y resistencia al desgaste.

http://es.wikipedia.org/wiki/Acero_inoxidable


http://es.wikipedia.org/wiki/Corrosi%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Tracci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Im%C3%A1n

http://es.wikipedia.org/wiki/Ferrita


http://es.wikipedia.org/wiki/Soldadura





• Debido a los aleantes, el acero es templable desde fase austenítica (forma martensita en el enfriamiento) en aire o aceite.

• Con tratamientos de recocido se obtienen estructuras de ferrita y carburos esferoizados.

• Su temperatura límite de trabajo es de 475 °C puesto que se produce un fenómeno de fragilización por precipitación de fase alfa prima.

• La baja conductividad térmica de estos aceros requiere precalentar lo suficiente previo a la austenización para evitar distorsiones y fisuras de temple

• Son magnéticos.

1.5.2 Ferríticos.

• Son magnéticos y no endurecibles por tratamiento térmico. Su microestructura es siempre ferrítica.

• Son de relativamente baja resistencia mecánica (YS=240 - 380 MPa, UTS=415 - 585 MPa) y tienen baja tenacidad y soldabilidad.

• Bajo costo, buena resistencia a la corrosión bajo tensión y aceptable resistencia a la corrosión general.

• Se los utiliza en aplicaciones arquitectónicas, automotrices, utensilios de cocina, etc.

1.5.3 Austeníticos.

• Contienen elementos como Mo, Ti, Nb, Cu, que le confieren resistencia a formas particulares de corrosión. No son magnéticos y tienen coeficiente de expansión térmica 50% mayor que el de los martensíticos y ferríticos.

• Su estructura es austenítica a temperatura ambiente. No son endurecibles por tratamiento térmico (formación de martensita) pero endurecen por deformación. Su soldabilidad es excelente.

• Son los más resistentes a la corrosión en virtud de su más alto contenido de cromo y níquel. Son resistentes a altas temperaturas (resistencia a la corrosión y resistencia al creep). Tienen una excelente ductilidad y tenacidad que los hace especialmente aptos para aplicaciones en temperaturas sub cero. Tienen aproximadamente 200MPa de YS y 500MPa de UTS.

• En servicios a temperaturas mayores a 600 °C durante tiempos prolongados, pueden precipitar fases fragilizantes (sigma, chi). La sensibilización por encima de 400 °C genera corrosión ínter granular.

Los aceros inoxidables austeníticos son los más ampliamente utilizados porque son los más resistentes a la corrosión.





Resisten a la mayoría de los ácidos oxidantes, muchas soluciones de esterilización para uso hospitalario y un amplio rango de productos orgánicos e inorgánicos,

Tienen excelente ductilidad y tenacidad, que los hace aptos para aplicaciones sub cero, tienen una relativamente buena resistencia mecánica.

1.5.4 Dúplex austenítico - ferrítico.

• Presentan una micro estructura de granos de ferrita y de austenita. • Tienen buena resistencia mecánica, hasta 700 MPa, (mayor que la de los

ferríticos o austeníticos), excelente resistencia a la corrosión bajo tensión y muy buena ductilidad y tenacidad.

• Muy buena resistencia a la corrosión generalizada y localizada. Presentan un límite de temperaturas de trabajo de 380 °C.

Ventajas:

• La principal ventaja de los aceros inoxidables dúplex sobre las otras familias de aceros inoxidables es que tienen una mayor resistencia mecánica (hasta 700MPa). Además poseen excelente resistencia a la corrosión bajo tensión y muy buena ductilidad y tenacidad, junto con una buena soldabilidad.

• Poseen también muy buena resistencia a la corrosión generalizada y localizada, y medios que contengan CO2.

• Estos aceros presentan un límite de temperaturas de trabajo entre 280 - 380 °C, puesto que por encima de este rango de temperaturas pueden precipitar fases fragilizantes (fases chi, alfa prima, sigma).

• Algunos grados de aceros inoxidables (sobre todo de los super austeníticos) compiten con las superaleaciones, pero con la ventaja de un costo mucho más accesible.

1.5.5 Endurecibles por precipitación de matriz martensítica, semiaustenítica o austenítica:

• Fueron desarrollados para proveer alta resistencia a la corrosión con alta resistencia mecánica y tenacidad. Son muy utilizados en la industria aeroespacial. Se obtienen UTS superiores a 2000 MPa.

• Los precipitados endurecedores son diferentes según sea el tipo de acero: pueden ser carburos, intermetálicos (Ni-Al o Ni-Ti), o Cu metálico.




2.0 ACEROS ALEADOS Y ELEMENTADOS DE ALEACIÓN.

2.1 Aceros aleados.

Se da el nombre de aceros aleados a los aceros que además de los cinco elementos: carbono, silicio, manganeso, fósforo y azufre, también contienen cantidades relativamente importantes de otros elementos como molibdeno, cromo, níquel, etc., que sirven para mejorar algunas de sus características fundamentales. También pueden considerarse aceros aleados, a los aceros con mayor proporción que los porcentajes normales de los aceros al carbono de los cuatro elementos diferente del carbono que antes hemos citado y cuyos limites superiores suelen ser los siguientes: Si = 0,50%, Mn. = 0,90%, P = 0,10%, S = 0,10%.

Los aceros aleados no sólo poseen propiedades físicas más convenientes, sino que también permiten una mayor amplitud en el proceso de tratamiento térmico.

2.1.1 Clasificación de los aceros aleados.

Figura (2.1). Clasificación de los aceros aleados.






2.1.2 Beneficios de usar aceros aleados.

• Piezas de gran espesor con elevadas resistencias en su interior • Grandes durezas con tenacidad • Mantener una resistencia elevada a grandes temperaturas • Aceros inoxidables • Aceros resistente a la acción de agentes corrosivos • Herramientas que realicen trabajos muy forzados y que no pierdan dureza al

calentarse • Esto nos muestra que la influencia que ejercen los elementos de aleación en

los aceros es muy variada, lo cual nos permite obtener ciertas características que no se pueden obtener con los aceros ordinarios al carbono

2.2 Elementos de aleación.

Los elementos de aleación más frecuentes que se utilizan para la fabricación de aceros aleados son: níquel, manganeso, cromo, vanadio, wolframio, molibdeno, cobalto, silicio, cobre, titanio, zirconio, plomo, selenio, niobio, aluminio y boro.

Cromo:

La adición del elemento cromo origina la formación de diversos carburos de cromo que son muy duros; sin embargo, el acero resultante es más dúctil que un acero de la misma dureza producido simplemente al incrementar su contenido de carbono. La adición de cromo amplía el intervalo crítico de temperatura.

Es uno de los elementos especiales más empleados para la fabricación de aceros aleados, usándose indistintamente en los aceros de construcción, en los de herramientas, en los inoxidables y en los de resistencia en caliente. Se emplea en cantidades diversas desde 0,3 a 30% de Cr según los casos, y sirve para aumentar la dureza y la resistencia a la tracción de los aceros, mejora la templabilidad, impide las deformaciones en el temple, aumenta la resistencia al desgaste, la inoxibilidad, etc.

Níquel:

La adición de níquel al acero amplía el nivel crítico de temperatura, no forma carburos u óxidos. Esto aumenta la resistencia sin disminuir la ductilidad. El cromo se utiliza con frecuencia junto con el níquel para obtener la tenacidad y ductilidad proporcionadas por el níquel, y la resistencia al desgaste y la dureza que aporta el cromo.





Desde que se empezó a usar el níquel en los aceros, se vio que este elemento mejora las propiedades de los aceros. El empleo de aceros con níquel es sobre todo interesante para la construcción de piezas de maquinas y motores de alta calidad. Una de las ventajas más importantes que reporta el empleo del níquel, es evitar el crecimiento del grano en tratamientos térmicos, lo que sirve para conseguir siempre con ellos gran tenacidad.

Los aceros al níquel sometidos a temperaturas demasiado elevadas, quedan después del temple y revenido con muy buena tenacidad. El níquel, hace descender los puntos críticos y por ello los tratamientos térmicos pueden hacerse a temperaturas ligeramente mas bajas que las correspondientes a los aceros ordinarios. Experimentalmente se observa que con los aceros aleados con níquel se obtiene para una misma dureza, un límite de elasticidad ligeramente más elevado y mayores alargamientos y resistencias que con aceros al carbono. También es muy interesante señalar que para la misma dureza su resistencia a la fatiga es un 30% superior a la de los aceros de baja aleación.

Entre todos los elementos aleados, el níquel, que cristaliza como austenita en cubos de caras centradas, es el único que forma con el hierro una serie continua de soluciones sólidas. El níquel hace descender la temperatura de transformación gamma-alfa y, por lo tanto, tiende a estabilizar a bajas temperaturas la fase austenítica de caras centradas. Las aleaciones con más de 30% de níquel son austeníticas a la temperatura ambiente, y poseen ciertas propiedades magnéticas.

El níquel es un elemento de extraordinaria importancia en la fabricación de aceros inoxidables y resistentes a altas temperaturas. La aleación hierro-níquel con menos de 0,10% de carbono y 36% de níquel tiene una dilatación muy baja, casi nula, entre 0°C y 100°C y recibe el nombre de invar.

Aceros al níquel más utilizados:

- Aceros al de níquel: 2,3% - 5% de Ni, 0,1-0,25% de C (para cementación) y con 0,25-0,4% de C (para piezas de gran resistencia).

- Aceros cromo-níquel y aceros cromo níquel molibdeno: con porcentajes variables de C (0,1-0,22%) se emplean para cementación y con 0,25-0,4% de C se emplean para piezas de gran resistencia. En estos aceros los porcentajes de cromo-níquel suelen tener una relación aproximada de 1% Cr y 3% Ni.

- Aceros de media aleación níquel-molibdeno y níquel manganeso: 0,25- 0,4% de C para piezas de gran resistencia y con 0,1-0,25% para piezas cementadas, Ni de 1-2%, Mn 1-1,5%, Molibdeno 0,15-0,4%.





- Aceros inoxidables y resistentes al calor cromo-níquel: con 8-25% de Ni

- Otros aceros de menor importancia son los aceros cromo-níquel para estampación en caliente, algunos de los aceros al níquel para herramientas, y otros de uso poco frecuente.

Manganeso:

El manganeso aparece prácticamente en todos los aceros, debido, principalmente, a que se añade como elemento de adición para neutralizar la perniciosa influencia del azufre y del oxigeno, que siempre suelen contener los aceros cuando se encuentran en estado líquido en los hornos durante el proceso de fabricación. El manganeso actúa también como desoxidante y evita, en parte, que en la solidificación del acero se desprendan gases que den lugar a la formación de porosidades perjudiciales en el material.

Este se suele usar también como elemento de aleación. Al aumentar de 0,6 a 1,6% aproximadamente el porcentaje de manganeso en los aceros, se aumenta ligeramente su resistencia, se mejora su templabilidad, siendo interesante destacar que el manganeso es un elemento de aleación relativamente barato.

Silicio:

Este elemento aparece en todos los aceros, al igual que el manganeso, se añade intencionalmente durante el proceso de fabricación. Es un desoxidante más enérgico que el manganeso y se emplea como elemento desoxidante complementario del manganeso con objeto de evitar que aparezcan en el acero poros y defectos internos.

Las adicione de silicio se hacen durante la fabricación, suelen ser relativamente pequeñas y variables (0,2- 0,35% de Si).

Una clase de acero para muelles muy empleadas contiene cantidades de silicio de 1,5 a 2,25% de Si. En los aceros, el silicio sirve para aumentar ligeramente la templabilidad y elevar sensiblemente el límite elástico y la resistencia a la fatiga de los aceros sin reducir su tenacidad.

Se emplean aceros de 1 a 4,5% de Si para la fabricación de chapa magnética.

Molibdeno:

El molibdeno forma carburos y también se disuelve en ferrita hasta cierto punto, de modo que intensifica su dureza y la tenacidad.





El molibdeno abate sustancialmente el punto de transformación. Debido a este abatimiento, el molibdeno es de lo más eficaz para impartir propiedades deseables de templabilidad en aceite o en aire. Exceptuando al carbono, es el que tiene el mayor efecto endurecedor y un alto grado de tenacidad.

Este elemento mejora la resistencia a la tracción, la templabilidad, la resistencia al <<creep>> de los aceros. Añadiendo pequeñas cantidades a los aceros cromo-níquel , se disminuye o elimina la fragilidad Krupp que se presenta cuando estos aceros son revenidos en la zona de los 450°C a 550°C.

También aumenta la resistencia de los aceros en caliente y reemplaza al wolframio en la fabricación de aceros rápidos, pudiendo emplear para las mismas aplicaciones aproximadamente una parte de molibdeno por cada dos de wolframio.

Vanadio:

Es un fuerte desoxidante y promueve un tamaño fino de grano, también acrecienta la tenacidad del acero.

El acero al vanadio es muy difícil de suavizar por revenido, por lo que se utiliza ampliamente en aceros para herramientas.

Tungsteno (wólfram):

Este elemento se emplea mucho en aceros para herramientas, por que la herramienta mantendrá su dureza aún cuando estuviera candente o al rojo. Produce una estructura densa y fina, impartiendo tenacidad y dureza.

Empleándose en especial en los aceros rápidos, aceros para herramientas de corte, y aceros para trabajos en calientes. Sirve para aumentar la dureza a elevadas temperaturas y evitan que se desafilen o ablanden las herramientas, aunque lleguen a calentarse a 500° ó 600°C. También se usa para la fabricación de aceros para imanes.

Cobalto;

El cobalto se emplea casi exclusivamente en los aceros rápidos de más alta calidad. Este elemento, al ser incorporado a los aceros, se combina con la ferrita, aumentando su dureza y resistencia. En los aceros de alto porcentaje de carbono reduce la templabilidad. En los aceros al wolframio endurece la ferrita con lo que facilita el mantenimiento de la dureza y de la aptitud de corte de las herramientas a elevada temperatura.





Aluminio:

El aluminio se emplea como elemento de aleación en los aceros de nitruración, que suelen contener 1% aproximadamente de aluminio. También se usa en algunos aceros resistentes al calor. El aluminio es un elemento desoxidante muy enérgico y es frecuente añadir 300gr por tonelada de acero para desoxidarlo y afinar el grano.

En general los acero aleados de calidad contienen aluminio en porcentajes pequeñísimos de 0,001 a 0,008% de Al.

Titanio:

Se suelen añadir pequeñas cantidades de titanio a algunos aceros muy especiales para desoxidar y afinar el grano.

El titanio tiene gran tendencia a formar carburos y a combinarse con el nitrógeno. En los aceros inoxidables cromo-níquel, actúa como estabilizador de los carburos y evita la corrosión ínter cristalina.

Cobre:

El cobre se suele emplear para mejorar la resistencia a la corrosión de ciertos aceros de 0,15 a 0,30% de carbono, que se usan para grandes construcciones metálicas. Se suelen emplear contenidos de cobre variables de 0,4 a 0,5 %.

Boro:

El boro es un elemento de aleación que a comenzado a ser empleado recientemente. Experimentalmente se ha visto que cantidades pequeñísimas de boro del orden 0,001 a 0,006%, mejoran notablemente la templabilidad, siendo en este aspecto el mas efectivo de los elementos aleados y el de mayor poder templante de todos. Su eficacia para mejorar la templabilidad es extraordinaria, y para 0,40% de carbono puede decirse que su efecto es, aproximadamente, unas 50 veces mayor que el del molibdeno, unas 75 veces mayor que el cromo, unas 150 veces mayor que el manganeso y unas 400 veces mayor que el níquel

La utilización de este elemento se comprende que es de un interés extraordinario, pero su empleo, que tiene sobre todo eficacia en los aceros de0,30 a 0,50% de carbono, presenta bastantes dificultades.

La solubilidad del boro en el hierro es de 0,15% a 1174° y de 0,06% a la temperatura ambiente.





Durante los procesos de fabricación su incorporación al baño metálico es difícil, ya que por ser un desoxidante enérgico es un elemento que se oxida fácilmente y tiene también gran avidez con el nitrógeno que contiene el acero.

2.2.1 Influencias directas de los elementos de aleación.

• La tendencia que tienen ciertos elementos a disolver ferrita o formar soluciones sólidas con el hierro alfa, y la tendencia que en cambio tiene otros a formar carburos.

• La influencia de los elementos de aleación en los diagramas de equilibrio de los aceros.

• La influencia de los elementos aleados sobre la templabilidad. • La influencia que tienen en retardar el ablandamiento que se produce en el

revenido. • Mejoras en la resistencia a la corrosión, resistencia al calor, resistencia a la

abrasión, etc.

2.2.2 Aleaciones de acero inoxidable que se comercializan.

• Acero inoxidable extra suave:

Contienen un 13% de Cr y un 0,15% de C. Se utiliza en la fabricación de: elementos de máquinas, alabes de turbinas, válvulas, etc. Tiene una resistencia mecánica de 80 kg/mm²., y una dureza de 175-205 HB.

• Acero inoxidable 16Cr-2Ni:

Tienen de 0,20% de C, 16% de Cr y 2% de Ni; resistencia mecánica de 95 kg/mm². Una dureza de 275-300 HB. Se suelda con dificultad, y se utiliza para la construcción de alabes de turbinas, ejes de bombas, utensilios de cocina, cuchillería, etc.

• Acero inoxidable al cromo níquel 18-8:

Tienen un 0,18 de C, un 18% de Cr y un 8% de Ni Tiene una resistencia mecánica de 60 kg/mm². y una dureza de 175-200Hb, Es un acero inoxidable muy utilizado porque resiste bien el calor hasta 400 ºC.

• Acero inoxidable al Cr- Mn:

Tiene un 0,14% de C, un 11% de Cr y un 18% de Mn. Alcanza una resistencia mecánica de 65 kg/mm². y una dureza de 175-200HB. Es soldable y resiste bien altas temperaturas. Es amagnético. Se utiliza en colectores de escape.




3.0 PRECIPITACIÓN DE CARBUROS.

En aceros al carbono se han identificado tres tipos de carburos que difieren en composición química y estructura cristalina.

En revenidos entre 100 y 200°C, en aceros sobre 0,2%C, se produce precipitación de “carburo e”, (composición Fe2-3C, con una estructura cristalina HCP), el cual es meta estable y se disuelve a altas temperaturas. Los carburos e se caracterizan por ser finos y muy pequeños, por lo cual es necesario mucho aumento para observarlos, además precipitan según ciertos planos cristalográficos específicos, Figura 3.1 (a). Es importante destacar el hecho que en aceros de bajo carbono, menos de 0,2% de C, estos carburos no precipitan.

Para revenidos entre 250 y 700°C, precipita cementita, (composición Fe3C y estructura cristalina ortorrómbica), Figura 3.1 (b). En un comienzo y con revenidos a menores temperaturas, 200 a 300ºC, la cementita aparece en forma de agujas, en cambio, para revenidos a mayores temperaturas, entre 400 y 700°C, las partículas de cementita crecen por coalescencia y toman forma esférica. Si el tiempo de revenido se prolonga mucho los carburos crecen demasiado y se pierde completamente la dureza del temple, se obtiene de esta forma una matriz de ferrita con partículas gruesas de cementita, llamada esferoidita, Figura 3.1 (c).

Existe un tercer tipo de carburo, denominado carburo Hägg (Fe5C2, y estructura cristalina monoclínica), éste precipita en algunos aceros de alto carbono revenidos entre 200 y 300ºC, es metal estable y de composición intermedia entre el carburo e y la cementita.

Figura (3.1). Precipitación de carburos.






Al calentar sobre 900°C y luego enfriar a temperatura ambiente un acero inoxidable comercial que contiene C y N, se produce una severa fragilización y pérdida de resistencia a la corrosión, causada por la precipitación de carburos y nitruros ricos en CR. En los bordes de grano, como por ejemplo (Cr,Fe)7C3 y/o (Cr,Fe)23C6. Estos carburos y nitruros disminuyen fuertemente el contenido de Cr. En las regiones vecinas a los bordes de granos, quedando estas regiones desprotegidas respecto de la corrosión. Los defectos de este tipo pueden presentarse durante la soldadura o en tratamientos térmicos a alta temperatura. Este problema se puede resolver bajando los contenidos de C y N a niveles de 0,002 %C y 0,0095 %N, también es posible remediarlo agregando Ti o Nb, estos son fuertes formadores de carburos y evitan la formación de carburos de Cr, previniéndose así las zonas desprotegidas. La resistencia a la corrosión aumenta con un mayor contenido de Cr de 16 a 28%, por otra parte la adición de un 2% de Mo. Mejora la resistencia a la corrosión por pitting, lo que es muy deseable ya que este tipo de corrosión es muy dañina, atacando localmente y en forma rápida.

3.1 Aceros inoxidables resistentes a la corrosión.

Aleaciones a base de hierro y que contienen por lo menos 12% de cromo se denominan aceros inoxidables. Las características más importantes de estos metales es su resistencia a muchas condiciones corrosivas. Los cuatro tipos disponibles son los aceros al cromo ferríticos, los aceros al cromo-níquel austeníticos y los aceros inoxidables martensíticos y templables por precipitación.

Los aceros al cromo ferríticos tienen su resistencia a la corrosión depende del contenido de dicho elemento. Los aceros de muy alto carbono presentan buena templabilidad, tanto que en los de bajo carbono desaparece.

Con muy altos contenidos de cromo la dureza se hace tan intensa que debe prestarse cuidadosa atención a las condiciones de servicio. Puesto que el cromo es costoso, el diseñador deberá de elegir el contenido de cromo mínimo compatible con las condiciones corrosivas.

Los aceros inoxidables al cromo-níquel retienen la estructura austenítica, por lo que son susceptibles de tratamiento térmico. Su resistencia mecánica puede mejorar notablemente por el trabajo en frío, sólo así serán magnéticos.

Todos los aceros al cromo-níquel retienen la estructura austenítica, por lo que no son susceptibles de tratamiento térmico. Su resistencia mecánica puede mejorar notablemente por el trabajo en frío.

Los aceros inoxidables o resistentes a la corrosión, adquieren esta propiedad a través de la formación de una capa superficial invisible y muy adherente de un óxido





muy rico en cromo, llamada película de pasivación, que se forma y recompone espontáneamente en la presencia de oxígeno.

Esta capa es continua, adherente, no porosa, insoluble, y autorreconstituible en la presencia de oxígeno cuando es deteriorada.

La pasividad se forma bajo un rango de condiciones dependiendo de las características del ambiente circundante, pero la presencia de oxígeno es fundamental en todos los casos.

En general, la resistencia a la corrosión de un acero inoxidable es máxima cuando la superficie del acero está lo suficientemente aireada o expuesta y libre de cualquier tipo de depósitos.

Cuando el contenido de cromo se eleva a 17 - 20%, típico de los aceros inoxidables austeníticos; o entre 26- 29% de cromo, típico de los más recientes desarrollados superferríticos, la estabilidad de la capa de pasivación aumenta notoriamente.

3.2 Clasificación de los procesos de corrosión.

Tabla (3.1). Clasificación de los procesos de corrosión.

SEGUN LA FORMA UNIFORME LOCALIZADA

Disolución uniforme de la superficie

Por placas

Por grietas

Por picado

Ínter granular

Fisurante




3.2.1 Formas más comunes de corrosión localizada.

Tabla (3.2). Formas más comunes de corrosión localizada.

FACTORES QUE PRODUCEN O FAVORECEN LA CORROSIÓN LOCALIZADA

• Esfuerzo • Erosión • Cavitación • Frotamiento • Disolución selectiva • Celdas de concentración (aireación

diferencial, diferencias de ph.) • Celdas galvánica • Presencia de microorganismos • Daño por hidrógeno

Las formas más comunes de corrosión localizada que pueden sufrir los aceros inoxidables son:

3.2.1.1 Corrosión por picado.

Es una forma de ataque corrosivo que produce hoyos o pequeños agujeros en un metal. Esta forma de corrosión es muy destructiva para las estructuras de ingeniería si causa la perforación del metal.

Figura (3.2). Corrosión por picado.





La picadura es a menudo difícil de detectar porque los pequeños agujeros causados por la picadura pueden cubrirse con los productos de la corrosión. Asimismo, el número y profundidad de los agujeros puede variar enormemente y por eso el daño producido por picadura puede ser difícil de evaluar. En consecuencia, la picadura, dada su naturaleza localizada, puede a menudo localizar fallos repentinos e inesperados, razón por la cual se considera a este tipo de corrosión como el más peligroso.

La picadura generalmente requiere de un período de iniciación, pero una vez que comienza, los agujeros crecen a gran velocidad. La mayoría de los agujeros crecen en la dirección de la gravedad y en las superficies más bajas de los equipos de ingeniería.

Los aceros inoxidables austeníticos tienen especial resistencia a la corrosión por picado, esta característica se la confieren elementos como Mo., Nb., Ti., Cu. y N.

3.2.1.2 Corrosión íntergranular.

Figura (3.3). Corrosión intergranular.

La corrosión ínter granular del acero austenítico puede ser controlada de las siguientes formas:

1. Utilizando un tratamiento de calentamiento a alta temperatura después de soldar, seguido de un enfriamiento con agua. Así los carburos serán redisueltos y podrán volver a formar la solución sólida.

2. Añadiendo aleantes tales como el niobio y titanio que tienen mayor afinidad por el carburo que el cromo.






3. Bajando el contenido de carbono por debajo del 0.03 % (Acero 304L "L"del inglés "Low" bajo contenido en carbono).

3.2.1.3 Corrosión por rendijas.

Es una forma de corrosión localizada asociada con espacios confinados o rendijas formadas por ciertas configuraciones geométricas. Es también llamada corrosión por aireación diferencial. Las regiones con diferentes concentraciones de oxígeno se comportan como una cúpula de corrosión. Las zonas de baja concentración se dan dentro de la rendija y actúan como ánodos donde el metal se oxida. Dentro de la rendija aumenta la concentración de iones positivos y si hay presencia de halogenuros en el medio (Cl., por ejemplo) estos migran hacia la rendija formándose FeCl. Dentro de la misma. Luego por hidrólisis se genera un exceso de iones hidrógeno acelerándose notablemente la velocidad de corrosión.

3.2.1.4 Corrosión bajo tensión.

Este tipo de corrosión es muy perjudicial, ya que en un lapso extremadamente corto se puede producir la falla de una pieza. La rotura por corrosión por esfuerzo (stress - corrosión cracking SCC) de metales se refiere a la rotura causada por el efecto combinado de esfuerzos de tensión y un entorno corrosivo específico actuando sobre el metal. Durante la SCC el ataque que recibe la superficie del metal es generalmente muy pequeño mientras que las grietas aparecen perfectamente localizadas y se propagan a lo largo de la superficie del metal. Los esfuerzos que causan la SCC pueden ser residuales o aplicados. Las altas tensiones residuales capaces de provocar SCC pueden ser en consecuencia, por ejemplo, de tensiones térmicas introducidas por velocidades desiguales de enfriamiento, de un diseño mecánico defectuoso para esfuerzos, de transformaciones de fase durante el tratamiento térmico, el trabajo en frío o la soldadura.

Sólo ciertas combinaciones de aleaciones y ambientes son susceptibles de SCC. Por ejemplo, los aceros inoxidables sufren deterioro en medios como cloruro de etilo con agua (a temperaturas superiores a la ambiente), en agua de mar y otros medios que no contienen cantidades apreciables de cloruros, como soluciones de soda cáustica, agua que contiene ácido sulfhídrico, productos formados en las refinerías a partir de H2S, agua a temperaturas elevadas, como así también en vapor de agua.

3.2.1.5 Corrosión galvánica.

La corrosión Galvánica es una de las más comunes que se pueden encontrar. Es una forma de corrosión acelerada que puede ocurrir cuando metales distintos (con distinto par redox) se unen eléctricamente en presencia de un electrolito (por ejemplo, una solución conductiva).




Figura (3.4). Corrosión galvánica.

El ataque galvánico puede ser uniforme o localizado en la unión entre aleaciones, dependiendo de las condiciones. La corrosión galvánica puede ser particularmente severa cuando las películas protectoras de corrosión no se forman o son eliminadas por erosión.

Esta forma de corrosión es la que producen las Celdas Galvánicas. Sucede que cuando la reacción de oxidación del ánodo se va produciendo se van desprendiendo electrones de la superficie del metal que actúa como el polo negativo de la pila (el ánodo) y así se va produciendo el desprendimiento paulatino de material desde la superficie del metal. Este caso ilustra la corrosión en una de sus formas más simples.

Quizá la problemática mayor sobre corrosión esté en que al ser este caso bastante común se presente en variadas formas y muy seguido. Por ejemplo, la corrosión de tuberías subterráneas se puede producir por la formación de una pila galvánica en la cual una torre de alta tensión interactúa con grafito solidificado y soterrado, con un terreno que actúe de alguna forma como solución conductiva.

3.2.1.6 Corrosión por contacto.

Una diminuta partícula de acero al carbono o hierro, una escama de óxido, cobre u otra sustancia extraña cualquiera incrustada en el acero inoxidable puede ser suficiente para destruir la pasividad en el punto de contacto. El ataque empieza al formarse una celda galvánica con la partícula de material extraño como ánodo.






La acción de picado puede proseguir después de haber sido eliminada la partícula extraña por haberse constituido una celda activa - pasiva entre la diminuta superficie anódica atacada y la extensa área catódica circundante.

Tabla (3.3). Resumen esquemático de varios tipos de corrosión.

SEGUN EL MEDIO QUIMICA ELECTROQUÍMICA

En electrolitos

En interfases metal/gas

Existe un medio conductor de acuerdo al ambiente donde se desarrolla puede ser.

a) atmosférica

b) en suelos

c) en soluciones electrolíticas

3.3 Desgaste.

El desgaste se puede definir al desgaste como el desprendimiento de partículas de la superficie de un cuerpo y/ó el desplazamiento de material de zonas en contacto, hacia zonas libres de carga.

El desgaste es una falla inevitable dondequiera que hayan cuerpos en contacto bajo carga, con movimiento relativo. Normalmente, el desgaste no ocasiona fallas violentas, pero trae como consecuencias:

• Reducción de la eficiencia de operación. • Pérdidas de potencia por fricción. • Incremento del consumo de lubricantes. • y eventualmente conduce al reemplazo de componentes desgastados y a la

obsolescencia de las máquinas en su conjunto.




3.3.1 Tipos de desgaste.

3.3.1.1 Desgaste por abrasión.

Se llama abrasión al desgaste producido por partículas duras que penetran en una superficie; ocasionando deformación plástica y/ó arrancando virutas. Se considera que este tipo de desgaste puede tomar dos formas extremas: una en la cual la deformación plástica es lo mas importante (Fig. 3.5) y la otra, en la cual la fractura, con deformaciones plásticas limitadas es lo que predomina (Fig. 3.6).

Figura (3.5) abrasión deformante. Figura (3.6) abrasión cortante.

En los metales la resistencia a la abrasión aumenta con la dureza; observándose que para los aceros este parámetro resulta ser menor que para metales puros de la misma dureza (Fig. 3.7).





Es de advertir que esta propiedad en el material desgastado es más indicativa de la resistencia a la abrasión que la dureza original (Fig. 3.8).

El contenido de carburos es un factor importante en la reducción de la abrasión en aceros; siendo los carburos de vanadio y niobio mas efectivos que los de cromo y tungsteno (Fig. 3.9).

Por otra parte, se observa en la Figura (3.10) que el contenido de carbono hace disminuir la abrasión en los aceros y que distintas microestructuras presentan diferentes resistencias al desgaste. De acuerdo al gráfico, se observa que la martensita presenta la mejor resistencia a la abrasión, entre las tres microestructuras que se comparan; pero también se han obtenido buenos resultados con refinamientos de perlita y esto se atribuye a una alta tasa de endurecimiento por deformación.

A fin de obtener un aumento apreciable en la resistencia a la abrasión la dureza superficial debe hacerse mayor que 1/2 de la dureza Vickers del abrasivo. No es recomendable, por otra parte, aumentar la dureza de la superficie por encima de 1,3 veces la dureza del abrasivo, ya que esto podría resultar contraproducente.

En general, para metales ferrosos las mejores resistencias al desgaste se obtienen en matrices martensíticas, con carburos secundarios uniformemente distribuidos. Cuando la dureza de los carburos es aumentada mediante aleación, la resistencia al desgaste también aumenta, pero hay que tener en cuenta la dureza de las partículas abrasivas.

Si se requiere una matriz mas tenaz, para condiciones de impactos fuertes, es mas recomendable una estructura austenítica inestable, la cual tender a endurecerse por Deformación o sufrir transformación de fase, o bien ser sometida a ambos procesos durante el trabajo de abrasión.


http://www.geocities.com/elecodes/tabla3.htm








En relación a las partículas abrasivas: tamaños reducidos, formas redondeadas, disminución de las velocidades y de las cargas de impacto, son todos factores que hacen disminuir la abrasión.

En resumen los factores más importantes que hacen disminuir la abrasión son los siguientes:

• Aumentos de dureza. • Aumentos del contenido de carbono y de carburos duros. • Control de la relación entre la dureza de la superficie y del abrasivo. • Disminución del tamaño de las partículas abrasivas. • Formas de partículas redondeadas. • Disminución de velocidades. • Disminución de cargas.

3.3.1.2 Desgaste por adhesión.

Formación de "proa" característica de desgaste adhesivo.

El desgaste adhesivo, también llamado desgaste por fricción ó desgaste deslizante, es una forma de deterioro que se presenta entre dos superficies en contacto deslizante (Fig. 3.11).

Figura (3.11). Desgaste por adhesión.

Toma lugar típicamente en cojinetes de deslizamiento, chumaceras, bocinas, bujes, motores de combustión interna, compresores reciprocantes, bielas, tornillos de potencia, matrices, estoperas, engranajes, guías en general, etc.

Según la teoría adhesiva del desgaste deslizante, bajo la acción de las cargas normales aplicadas los topes de las asperezas de las dos superficies sufren fluencia plástica y soldadura en frío.





Al producirse el movimiento, las uniones soldadas se rompen por cizalladura, tomando lugar la separación en el interior del cuerpo de menor dureza. De esta manera, la superficie mas dura se cubre de una película transferida del material de la contracara, a la vez que se desprenden partículas en el proceso. Se cree que otros mecanismos, como abrasión y fatiga superficial son responsables por el desprendimiento de partículas de la película transferida. Sin embargo, existen otras teorías que tratan de explicar de maneras diferentes esta forma de desgaste y la formación y remoción de las partículas.

Particularmente en este tipo de desgaste es que se ha detectado más claramente la existencia de los llamados regímenes de Desgaste Suave y Desgaste Severo.

El primero de ellos está caracterizado por velocidades de desgaste moderadas, estabilización de la fuerza de roce y la temperatura, y producción de partículas de desgaste de tamaño reducido, con la apariencia de óxidos oscuros.

Por su parte, en el régimen de desgaste severo se presentan velocidades de desgaste de 4 a 100 veces mayores y los desechos incluyen partículas sensiblemente más grandes, algunas de ellas con brillo metálico. Además se han observado transiciones bruscas de la velocidad de desgaste con la Fuerza normal y con la velocidad de deslizamiento (Figs. 3.12 y 3.13).

Generalmente los aumentos de dureza hacen disminuir la velocidad de desgaste, siempre que otros factores permanezcan constantes. A durezas relativamente bajas, las reducciones de la tasa de desgaste con la dureza son de magnitud bastante mayor que a durezas altas. Sin embargo, debido a la existencia de las transiciones es posible que para una misma carga, a dos durezas diferentes se presenten distintos regímenes de desgaste y así los aumentos de dureza pueden hacer aumentar la velocidad de desgaste.






De tal manera que para garantizar una mejora sustancial se necesitan aumentos de dureza relativamente grandes (por ejemplo, más de cinco puntos de dureza Rockwell C). Por otra parte, los incrementos de dureza reducen el rango de cargas correspondiente al desgaste severo, hasta hacerlo desaparecer. Es de advertir que aumentos excesivos de dureza eventualmente conducir n a tenacidad insuficiente y a fallas por fragilidad.

En relación al efecto de la microestructura, es de citar que la American Society for Metals sugiere el uso, para cojinetes de deslizamiento, de las estructuras siguientes:

• Matrices blandas, con partículas discretas duras. • Matrices duras, con "lagunas" discretas de fases blandas. • Fases duras y blandas intercaladas.

Generalmente el desgaste aumenta con la temperatura, debido a incrementos en la ductilidad de las asperezas y del crecimiento resultante de las juntas metálicas. Sin embargo, se han encontrado temperaturas de transición, por encima de las cuales se producen notables reducciones en la velocidad de desgaste. Este fenómeno ha sido asociado a la formación de óxidos con muy buenas propiedades lubricantes; aunque es de advertir que la oxidación puede tener efectos opuestos, ya que una alta tasa de oxidación puede convertirse en un problema de desgaste mayor.

Es interesante destacar que la rugosidad también puede tener efectos contrapuestos. Una rugosidad alta generalmente produce mucho desgaste; mientras que una rugosidad moderada le confiere a la superficie capacidad de retener lubricantes. Por otra parte, una rugosidad excesivamente baja puede favorecer los fenómenos adhesivos y conducir a un desgaste acelerado.

Por último, es necesario señalar que debido a que en el desgaste de tipo deslizante se presentan situaciones donde la abrasión es importante, la mayor parte de las recomendaciones de la sección anterior son válidas para este tipo de desgaste.

3.3.1.3 Desgaste por erosión.

Se considera a la erosión como una forma de abrasión producida por esfuerzos de contacto relativamente bajo, debido al impacto de partículas sobre una superficie (Fig. 3.14).




Figura (3.14). Desgaste por Erosión

Esta, a consecuencia del proceso, generalmente presenta una apariencia granular fina, similar a la de las fracturas frágiles.

El desgaste de tipo erosivo se presenta, por ejemplo, en equipos y líneas de bombeo para fluidos con sólidos en suspensión, boquillas de equipos para granallado por arena (sand-blasting), etc.

La velocidad de desgaste por erosión aumenta con la velocidad de las partículas y si los ángulos de impacto son pequeños predomina el corte abrasivo; siendo la dureza superficial un factor crítico. Si por el contrario, los ángulos de impacto son grandes el desgaste es debido principalmente a deformación y fractura.

Un material blando puede ser más adecuado para resistir la erosión que un material duro. Por ejemplo, el caucho natural ó sintético produce buenos resultados debido a su bajo módulo elástico, lo que le permite grandes deformaciones y una buena distribución de la carga.

Parece existir una buena correlación entre la resistencia a la erosión y el módulo de resiliencia (R) de un material:

Donde:

Sy: resistencia a la fluencia y

E: modulo elástico de Young.

Este parámetro representa la cantidad de energía que puede ser absorbida por un cuerpo antes de que ocurra deformación plástica ó fractura, por impacto.





Soluciones a problemas de erosión:

• Modificar ángulos de ataque. • Reducir velocidades. • Escoger materiales de mejor calidad ó modificar sus superficies.

Además, puesto que la erosión se considera como una forma de abrasión, las recomendaciones para el control del desgaste abrasivo tienen, en general, validez para el desgaste erosivo.

3.3.1.4 Desgaste Micro-oscilatorio.

Esta forma de deterioro se caracteriza por la pérdida de material de superficies en contacto, bajo la acción de una carga y de movimiento deslizante de amplitud muy pequeña (130 µm = 5 mpulg., por ej.) (Fig. 3.15).

Figura (3.15). Desgaste Micro-oscilatorio ("Fretting")

Normalmente la apariencia de la superficie es rojiza-marrón (ladrillo) ó gris, con presencia de partículas oxidadas. El desgaste micro-oscilatorio conduce eventualmente a fallas por fatiga y se produce en uniones atornilladas, piezas ajustadas por calado, contactos eléctricos, etc.

Diversas teorías que tratan de explicar esta forma de desgaste, se basan en fenómenos de adhesión, abrasión y/ó corrosión.

Los factores más importantes que influyen en el desgaste micro-oscilatorio son:

• El aumento de la amplitud del movimiento conduce a otros tipos de desgaste y permite la introducción de lubricantes durante el funcionamiento.

• El aumento de la frecuencia de la oscilación hace disminuir el desgaste y se cree que ello tiene relación con factores químicos.






• Por lo general este tipo de desgaste aumenta con el número de ciclos de funcionamiento.

• La carga normal hace variar el desgaste micro- oscilatorio de manera impredecible.

• Disminuciones de la carga normal producen reducción de la amortiguación de las vibraciones y esto ocasiona mayor desgaste.

• Aumentos de la carga normal reducen las vibraciones, pero aumentan el área de contacto y a su vez el desgaste.

• No obstante lo antes expuesto, en general, los aumentos de la Carga Normal hacen aumentar este tipo de desgaste.

La temperatura ambiental también tiene un efecto diverso, aunque mas consistente. A temperaturas muy bajas (- 150 °C) se ha detectado el mayor deterioro y se ha observado que a medida que la temperatura aumenta hasta cero grados centígrados, el desgaste micro-oscilatorio disminuye gradualmente. Con aumentos de temperatura hasta 50 °C, el daño superficial disminuye apreciablemente y por encima de 70 °C comienza de nuevo a aumentar este tipo de desgaste.

Humedades relativas entre 0 y 50 % reducen el desgaste para la mayoría de los metales. Por encima de 50 %, parejas acero-acero presentan aumentos en la velocidad de desgaste, mientras que la combinación acero-cromo se comporta de mejor manera con decrementos en las velocidades de desgaste.

Los lubricantes sólidos son la mejor opción para este tipo de aplicación; siendo el Bisulfuro de Molibdeno (MoS2) el de mejores resultados.





4.0 TRATAMIENTOS TÉRMICOS.

Un proceso de tratamiento térmico adecuado permite aumentar significativamente las propiedades mecánicas de dureza, tenacidad y resistencia mecánica del acero. Los tratamientos térmicos cambian la micro estructura del material, con lo que las propiedades macroscópicas del acero también son alteradas.

Los tratamientos térmicos que pueden aplicarse al acero son:

• Temple. • Cementación. • Nitruración. • Revenido. • Recocido. • Cianuración. • Normalizado.

Entre los factores que afectan a los procesos de tratamiento térmico del acero se encuentran la temperatura y el tiempo durante el que se expone a dichas condiciones al material. Otro factor determinante es la forma en la que el acero vuelve a la temperatura ambiente. El enfriamiento del proceso puede incluir su inmersión en aceite o el uso del aire como refrigerante.

El método del tratamiento térmico, incluyendo su enfriamiento, influye en que el acero tome sus propiedades comerciales.

Según ese método, en algunos sistemas de clasificación, se le asigna un prefijo indicativo del tipo. Por ejemplo, el acero O-1, o A2, A6 (o S7) donde la letra "O" es indicativo del uso de aceite (del inglés: oil quenched), y "A" es la inicial de aire; el prefijo "S" es indicativo que el acero ha sido tratado y considerado resistente al golpeo.

Los aceros martensíticos son endurecibles por temple y posterior revenido para conseguir alta resistencia mecánica (temple) y buena ductilidad y tenacidad (revenido).

El temple es un enfriamiento brusco (en agua o aceite) que se realiza con el objeto de endurecer el acero por precipitación de martensita; el templado ofrece una muy buena resistencia mecánica pero muy poca tenacidad, por lo cual se hace necesario realizar, luego del templado, otro tratamiento térmico, denominado revenido.



http://es.wikipedia.org/wiki/Tenacidad

http://es.wikipedia.org/wiki/Tracci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Microestructura&action=edit&redlink=1

http://es.wikipedia.org/wiki/Macrosc%C3%B3pico

http://es.wikipedia.org/wiki/Templado_del_acero

http://es.wikipedia.org/wiki/Cementaci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Nitruraci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Revenido

http://es.wikipedia.org/wiki/Recocido

http://es.wikipedia.org/wiki/Cianuraci%C3%B3n

http://es.wikipedia.org/wiki/Normalizado

http://es.wikipedia.org/wiki/Aceite

http://es.wikipedia.org/wiki/Aire





Que nos permite obtener martensita revenida que tiene algo menos de resistencia mecánica que la martensita propiamente dicha.

Pero es mucho menos frágil que ésta, confiriéndole al material una interesante combinación de resistencia mecánica, ductilidad y tenacidad.

Los aceros inoxidables austeníticos, los ferríticos y los dúplex no son endurecibles por tratamiento térmico, pero se los puede endurecer por deformación plástica en frío. Al hacer esto aumenta la resistencia mecánica del material pero diminuye su tenacidad y ductilidad, problema que se resuelve mediante un recocido parcial.

Otros tratamientos aplicables son el martempering, el austempering, normalizado, homogeneizado, alivio de tensiones, recocido de esferoidización y otros.

Una alternativa adicional la constituyen los aceros inoxidables endurecidos por precipitación. Estos aceros logran sus propiedades por un tratamiento de envejecido a temperaturas más bajas. Permiten mecanizar una pieza en su condición recocida y obtener la dureza por el posterior tratamiento térmico a temperaturas entre 400 y 500 °C, evitándose distorsiones y oxidación.

4.1 Cementación.

La cementación es un tratamiento termoquímico en el que se aporta carbono a la superficie de una pieza de acero mediante difusión, modificando su composición, impregnado la superficie y sometiéndola a continuación a un tratamiento térmico.

El templado y revenido proporcionan dureza a la pieza, pero también fragilidad. Por el contrario, si no se templa el material no tendrá la dureza suficiente y se desgastará. Para conservar las mejores cualidades de los dos casos se utiliza la cementación.

La cementación tiene por objeto endurecer la superficie de una pieza sin la modificación del núcleo, dando lugar así a una pieza formada por dos materiales.

La del núcleo de acero con bajo índice de carbono, tenaz y resistente a la fatiga, y la parte de la superficie, de acero con mayor concentración de carbono, más dura, resistente al desgaste y a las deformaciones, siendo todo ello una única pieza compacta.

La cementación consiste en recubrir las partes a cementar de una materia rica en carbono, llamada cementante, y someterla durante varias horas a altas temperatura (1000°C). En estas condiciones, el carbono irá penetrando en la superficie que recubre a razón de 0,1 a 0,2 mm. Por hora de tratamiento.

http://es.wikipedia.org/wiki/Tratamiento_t%C3%A9rmico#Tratamiento_termoqu.C3.ADmico



http://es.wikipedia.org/wiki/Difusi%C3%B3n


http://es.wikipedia.org/wiki/Templado_del_acero

http://es.wikipedia.org/wiki/Revenido


http://es.wikipedia.org/wiki/Fragilidad





La pieza así obtenida se le da el tratamiento térmico correspondiente, temple y revenido, y cada una de las dos zonas de la pieza, adquirirá las cualidades que corresponden a su porcentaje de carbono. En ocasiones se dan dos temples, uno homogéneo a toda la pieza y un segundo temple que endurece la parte exterior.

La cementación encuentra aplicación en todas aquellas piezas que tengan que poseer gran resistencia al choque y tenacidad junto con una gran resistencia al desgaste, como es el caso de los piñones, levas, ejes, etc.

Características de la cementación:

• Endurece la superficie. • No le afecta al corazón de la pieza. • Aumenta el carbono de la superficie. • Su temperatura de calentamiento es alrededor de los 900 ºC. • Se rocía la superficie con polvos de cementar ( Productos cementantes). • El enfriamiento es lento y se hace necesario un tratamiento térmico posterior.

Aceros de cementación:

Son apropiados para cementación los aceros de baja contenido de carbono, que conserven la tenacidad en el núcleo. El cromo acelera la velocidad de penetración del carbono. Los aceros al cromo níquel tienen buenas cualidades mecánicas y responden muy bien a este proceso. Una concentración de níquel por encima del 5% retarda el proceso de cementación.

Tipos de aceros para cementación:

• Aceros para cementación al carbono:

Cementación 900º-950º, primer temple 880º-910º en agua o aceite, segundo temple 740º-770º en agua. Revenido 200º máx.

Aplicaciones:

Piezas poco cargadas y de espesor reducido, de poca responsabilidad y escasa tenacidad en el núcleo.

• Aceros para cementación al Cr-Ni de 125kgf/mm2:

Tiene en su composición un 1% de Cr y un 4,15% de Ni. Cementación 850º-900º, primer temple 900º-830º en aceite, segundo temple 740º-780º en aceite. Revenido 200º máx.







Aplicaciones:

Piezas de gran resistencia en el núcleo y buena tenacidad. Elementos de máquinas y motores. Engranajes, levas etc.

• Aceros para cementación al Cr-Mo de 95 kgf./mm2:

Tiene en su composición un 1,15% de Cr y un 0,20% de Mo. Cementación 890º-940º; primer temple 870º-900º en aceite, segundo temple 790º-820º en aceite. Revenido 200º máx.

Aplicaciones:

Piezas para automóviles y maquinaria de gran dureza superficial y núcleo resistente. Piezas que sufran gran desgaste y transmitan esfuerzos elevados. Engranajes, levas, etc.

• Aceros para cementación al Cr-Ni-Mo de 135 kgf./mm2:

Tiene en su composición un 0,65% de Cr, 4% de Ni y 0,25% de Mo. Cementación 880º-930º; primer temple 830º-860º aire o aceite; segundo temple 740º-770º aceite. Revenido 200º máx.

Aplicaciones:

Piezas de grandes dimensiones de alta resistencia y dureza superficial.

4.2 Límites de temperatura.

Se denominan aceros y aleaciones termo resistente a aquellos materiales aptos para solicitaciones mecánicas en servicios a temperaturas mayores a los 500 ° C y que además poseen resistencia a la formación de cascarilla. Estas aleaciones se emplean, al igual que los aceros inoxidables endurecibles por precipitación, cuando los requerimientos de resistencia al creep. y a la oxidación/corrosión son los más exigentes: industria aeroespacial, turbinas de gas, reactores nucleares, etc.

La mayoría de estos aceros se ubican dentro de las siguientes categorías:

• Aceros al Carbono (hasta 370 °C bajo carga continua, y algunos soportan hasta 540 °C).

• Aceros al Carbono - Molibdeno (C - Mo) (entre 440 y 540 °C). • Aceros al Carbono - Cromo - Molibdeno (C - Cr - Mo) (entre 540 y 650 °C). • Aceros inoxidables ferríticos (hasta 700 °C).





• Aceros inoxidables martensíticos (hasta aprox. 500 °C). • Aceros inoxidable austeníticos (hasta 1200 °C según el tipo de acero). • Superaleaciones base Fe - Ni, base Ni y base Co. (hasta aprox. 590 °C).




5.0 RESULTADOS Y ANÁLISIS DE LAS DIFERENTES PROBETAS QUE FUERON SOMETIDAS AL PROCESO DE CEMENTACIÓN SÓLIDA, ACERO INOXIDABLE

316L.

En el presente capítulo se desarrolla la experimentación y los resultados de las pruebas realizadas, incluyendo el análisis metalográfico del acero inoxidable 316L grado quirúrgico que fue sometido a un proceso de cementación sólida, así como los resultados del ensayo de desgaste, dureza y las conclusiones de esta investigación.






5.1 Desarrollo experimental. 5.1.1 Equipo empleado. El equipo empleado para obtener y analizar las probetas de estudio, abarca desde las máquinas e instrumentos que se utilizaron en el maquinado, pasando por la preparación para observación metalográfica y terminando con las utilizadas para pruebas mecánicas, las cuales se describen a continuación. a. Maquinado. Torno universal Marca OLYMPIC-140, Modelo OL SAIMCA-BAIN. b. Dureza de Material. Durómetro vickers Marca MITUTOYO, Modelo ABK-C1. [Anexo VII figura 4]. c. Tratamiento Térmico. [Anexo VII figura 6]. d. Análisis metalográfico. Cortadora de disco abrasivo, Desbastadora de banda, todas de marca Buehler. [Anexo VII figura 1,2]. Microscopio óptico Marca OLYMPUS, Modelo PMG-3. [Anexo VII figura 3]. Marca Joel Modelo JSM-6300 SCANING (INGENIERÍA METALÚRGICA ESIQIE IPN). e. Ensayo de Abrasión. Máquina de ensaye de Abrasión: de 200 revoluciones por minuto, con un diámetro de la rueda de 23 cm. Con un contrapeso de 500gramos y un brazo de palanca de 6 Kg. EN SEPI. ESIME. ZACATENCO. [Anexo VII figuras 11].





f. Material Empleado.

A continuación se muestra el análisis químico del acero recomendado para cementar de acuerdo a la norma AISI o SAE. Los análisis químicos fueron proporcionados por el fabricante ACEROS FORTUNA.

Tabla (5.1). Análisis químico del acero base austenítico 316L.

COMPOSICIONES QUIMICAS (%) ACERO INOXIDABLE 316L Carbono 0.030 Silicio 1.00 Fósforo 0.040 Sulfuro 0.030 Cromo 16 ~ 18 Níquel 11.0 ~ 14.0 Molibdeno 2.0 ~ 3.0

5.1.2 Metodología experimental.

I.- Los ensayos que se realizan tendrán las siguientes características. Temperatura de cementación: 920° C. [Anexo VII figuras 3]. Medio de temple: Agua a 24°C.

Tabla (5.2). Parámetros de control, para realizar el proceso de investigación.

ENSAYO No. TIPO DE ACERO TIEMPO DE CEMENTACIÓN (horas)

1 316L 1 2 316L 2 3 316L 3

II.- Se fabrican 6 probetas del acero para realizar los ensayos, con las siguientes dimensiones: 40 mm. De diámetro y 8 mm. De espesor. [Anexo VII figura 9].




III.- Al mismo tiempo se fabrican 3 testigos, para colocarlos en los procesos de cementación y medir posteriormente el espesor de la capa cementada en función del tiempo y temperatura. [Anexo VII figura 10].

IV.- Se preparan 500 gramos de mezcla cementante que está compuesta de carbón vegetal pulverizado y 10 % de carbonato de sodio (NaCO3) como catalizador, está mezcla se denominada CARÓN. [Anexo VII figura 7].

V.- Se vierte la mezcla denominada Carón a la caja de acero inoxidable, colocando una cama de 1.5 cm. de espesor, posteriormente se coloca una pieza de acero 316 y se cubre nuevamente con el agente cementante, se introducen los testigos del acero correspondiente.

VIII.- Se colocan las piezas a cementar en el agente cementante a 900 y posteriormente se empieza a cronometrar el tiempo de cementación, está operación se realiza para los 3 ensayos. [Anexo VII figura 8].

C0

IX.- Transcurrido el tiempo de cementación se sacan las probetas y se dejan enfriar.

X.- A continuación se limpian las probetas y se marcan para evitar confusión, así mismo los testigos se preparan para análisis metalográfico.

XI.- Se toman y registran las durezas de las probetas cementadas. [Anexo VII figuras 4 y 5].

XII.- Se realizan pruebas metalográficas a las diferentes probetas [Anexo VII figuras.].

XIII.- Se realizan las pruebas de desgaste a las diferentes probetas [Anexo VII figuras 11, 12 y 13].






5.2 RESULTADOS Y SU ANÁLISIS.

5.2.1 Prueba de dureza.

5.2.2 Resultados de la prueba de dureza.

Tabla (5.2.2). Dureza del material sin cementar.

Acero inoxidable 316L sin cementar Dureza Hv.

200

A continuación se muestra en la tabla (5.2.3) las durezas obtenidas con el tratamiento de cementación para cada una de las probetas.

Tabla (5.2.3). Durezas de las probetas cementadas.

Acero inoxidable 316L No. de probeta tiempo de cementado Dureza Hv.

1 1 horas 738 2 2 horas 861 3 3 horas 877




Comparación de durezas

0100200300400500600700800900

1000

Probeta sincementar

1 hora decementado

2 horas decementado

3 horas decementado

Dureza

Figura (5.1). Comparación de durezas.

Como se puede apreciar en la figura (5.1) para todos los caso la aplicación del tratamiento de cementación aumenta la dureza del material.

5.2.3 Resultados de la prueba de desgaste abrasivo.

Tabla (5.2.4) Masa perdida en el ensaye de abrasión.

Acero inoxidable 316L sin cementar 0m. 500m. 1000m. 1500m. 2000m. 2500m. 3000m.

85.5900 85.3827 85.1793 84.9819 84.8081 84.6666 84.5318

En la tabla (5.2.4) observamos que conforme vamos aplicando mayor distancia de abrasión va en aumento la masa perdida del material.

Tabla (5.2.4.1).Tasa de desgaste abrasivo, g/kg . )1(

Acero inoxidable 316L sin cementar 500m. 1000m. 1500m. 2000m. 2500m. 3000m.

987.6364 989.2113 990.8645 992.8951 995.2015 997.5779

Tasa de desgaste = masa perdida (g) / masa inicial (kg.)

En la tabla (5.2.4.1) muestra como la tasa de desgaste de la probeta sin cementar va en aumento en proporción al la distancia deslizada.





Tabla (5.2.4.2). Resistencia al desgaste abrasivo, g/kg . )2(

Acero inoxidable 316L sin cementar 500m. 1000m. 1500m. 2000m. 2500m. 3000m.

0.00100040 0.00100042 0.00100050 0.00100056 0.0010059 0.00100061

Resistencia al desgaste = 1 / Tasa de desgaste.

En la tabla (5.2.4.2) muestra las diferentes resistencias al desgaste de la probeta sin cementar de acuerdo a las diferentes distancias de abrasión.

Tabla (5.2.4.3). Masa perdida en el ensaye de abrasión.

Peso neto en kilogramos acero inoxidable 316L (cementado) desgaste

en gramos a cada

desgaste en gramos

a cada

desgaste en gramos

a cada

desgaste en gramos

a cada

desgaste en gramos

a cada

Desgaste en gramos

a cada

No. De

probeta

Tiempo de cementado

Peso inicial Kg. 500m. 1000m. 1500m. 2000m. 2500m. 3000m.

1 1 hora 0.0775719 77.5158 77.4531 77.4199 77.3702 77.3194 77.2793

2 2 horas 0.0776620 77.6183 77.5627 77.5256 77.4686 77.4454 77.4084

3 3 horas 0.0778210 77.7706 77.7244 77.6747 77.6302 77.5884 77.5381

En la tabla (5.2.4.3) se muestran las diferentes pérdidas de masa en proporción a la distancia deslizada de las probetas cementadas en comparación con el peso inicial.

Tabla (5.2.4.4). Tasa de desgaste abrasivo, g/kg . )1(

Acero inoxidable 316L (cementado) No. De probeta

Tiempo de cementado

500 m. 1000m. 1500m. 2000m. 2500m. 3000m.

1 0 hrs. 987.6364 989.2113 990.8645 992.8951 995.2015 997.5779 2 1 hora 996.2280 996.7449 997.3998 998.0405 998.4685 999.2768 3 2 horas 996.7345 997.2109 997.5097 998.2436 998.7213 999.4373 4 3 horas 996.3647 997.0110 997.5482 998.1200 998.7586 999.3523

Tasa de desgaste = masa perdida (g) / masa inicial (kg.)

Como podemos observar en la tabla (5.2.4.4) las comparaciones de la tasa de desgaste de las probetas van en aumento conforme vamos aumentando la distancia de deslizamiento.





Tabla (5.2.4.5). Resistencia al desgaste abrasivo, g/kg . )2(

Acero inoxidable 316L (cementado) No. De probeta

Tiempo de cementado

500 m. 1000m. 1500m. 2000m. 2500m. 3000m.

1 0 hrs. 0.00100061 0.00100059 0.00100056 0.00100050 0.00100042 0.00100040 2 1 hora 0.00100378 0.00100326 0.00100260 0.00100196 0.00100153 0.00100148 3 2 horas 0.00100327 0.00100279 0.00100249 0.00100175 0.00100128 0.00100126 4 3 horas 0.00100364 0.00100299 0.00100245 0.00100188 0.00100124 0.00100120

Resistencia al desgaste = 1 / Tasa de desgaste

En la tabla (5.2.4.5) tenemos las comparaciones de la resistencia al desgaste de las diferentes probetas cementadas en función de la distancia deslizada.

Comparación de a tasa de desgaste contra distancia de deslizamiento de la probeta sin cementar y de las cementadas

980982984986988990992994996998

10001002

500 m. 1000m. 1500m. 2000m. 2500m. 3000m.

distancia deslizada en metros

tasa

de

desg

aste

g/k

g.

probeta sin cementar

probeta con 1 hora decementadoprobeta con 2 horas decementadoprobeta con 3 horas decementado

Figura (5.2). Tasa de desgaste contra distancia deslizada.

En la figura (5.2) se muestran las comparaciones de las diferentes tasas de desgaste de la probeta sin cementar y de las cementadas en función a la distancia deslizada.





Resistencia al desgaste contra distancia deslizada

0.000998

0.000999

0.001

0.001001

0.001002

0.001003

0.001004

0.001005

500 m. 1000m. 1500m. 2000m. 2500m. 3000m.

distancia deslizada en metros

resi

sten

cia

al d

esga

ste,

kg.

/g.

probeta sin cementar

probeta con 1 hora decementadoprobeta con 2 horas decementadoprobeta con 3 horas decementado

Figura (5.3) Resistencia al desgaste contra distancia deslizada.

En la figura 5.3 podemos observar las comparaciones de las resistencias al desgaste que tienen las diferentes probetas.






CONCLUSIONES.

Los aceros inoxidables 316L bajos en carbono para cementar, es recomendable templarlos en agua, para obtener máxima dureza en la capa cementada, en este tipo de acero, si los tiempos de austenización son prolongados a temperatura máxima hay crecimiento de grano, lo cual no es recomendable porque fragiliza el material, la temperatura y tiempo deben establecerse de acuerdo al fabricante o proveedor del acero, el alto contenido de carbono en la superficie provoca después del temple austenita retenida, debe eliminarse para evitar durezas heterogéneas superficiales.

El acero inoxidable 316L cementado, desarrolla mejores propiedades, por la presencia de elementos de aleación, como el cromo, níquel y molibdeno, ya que el cromo y molibdeno aumentan la templabilidad del acero, regulan el tamaño de grano y son formadores de carburos muy estables, mientras que el níquel se disuelve en la ferrita aumentando la tenacidad del núcleo. Estos aceros después del temple se pueden utilizar en trabajos más específicos, como la fabricación de cigüeñales, bielas, pernos, en donde puedan soportar trabajos de fatiga, abrasión, impacto, etc.

En el desgaste abrasivo con arena, se presenta una de las manifestaciones más críticas a las que se pueden exponer dos materiales en contacto superficial. Ya que se puede producir una deformación plástica severa por las partículas o asperezas duras que penetran las superficies en contacto durante el deslizamiento, provocando ralladuras, surcos, etc., que son concentradores de esfuerzos y puedan ocasionar la fractura de la pieza.

En este caso se pudo determinar que entre mayor fue el tiempo de cementación de las probetas del acero inoxidable 316L mayor fue su dureza que adquirió y por lo tanto se obtuvo mayor resistencia al desgaste en las pruebas de desgaste abrasivo.

Finalmente, éste trabajo es una respuesta a la investigación que se da a los procesos de difusión en el estado sólido de los materiales ferrosos, y entender como los elementos de aleación estabilizan las propiedades de los aceros y así, avanzar en el desarrollo de la investigación de la protección contra el desgaste de los materiales.





TRABAJOS FUTUROS.

Evaluar por medio del ensayo de tensión, la resistencia que presenta el espesor de la capa cementada en los aceros para cementar.

Por medio del ensayo al impacto, evaluar la resistencia que opone el espesor de la capa cementada en el acero inoxidable 316L templados en agua.

Realizar un análisis metalográfico de las diferentes micro estructuras que se forman en la capa cementada, determinando análisis químicos.

Realizar estudios de desgaste erosivo o abrasión severa en aceros cementados.

El estudio de las propiedades de cementado, adicionando otro elemento que aporte alta dureza.





REFERENCIAS. 1.- Malishev, Nicolaiev, Shuvalov. Tecnología de los Metales. Editorial Limusa. 2.- Adrián Inchaurza Zabala. Aceros Inoxidables y Aceros Resistentes al Calor. Editorial Limusa. 3.- CRC. Press Taylor and Francis Group. Steel Heat Treatment “Metallurgy and Technologies”. Second Edition. Edited Totten. 4.- Manual de Metalografía y Tratamientos Térmico de los Metales 5.- Vanblack, Lawrence, H. Materiales para Ingeniería Editorial Cecsa. 6.- Flinn, Richard A. Materiales de Ingeniería y sus Aplicaciones. Tercera edición Editorial Mc. Graw Hill. 7.- Askeland Donald R., ET. AL. Ciencia e Ingeniería de los Materiales Editorial Thomson. 8.- West, john M. Corrosión y Oxidación. Editorial Limusa.





9.- Doyle, Lawrence E. Materiales y Procesos de Manufactura para Ingenieros Editorial Prentice. 10.- William F. Smith. Fundamentos de los Materiales. 2da Edición Editorial Mc. Graw Hill. 11.- James F. Shackel Ford. Ciencia de los Materiales para Ingenieros. Tercera Edición. Editorial Prentice Hall. 12.- Rolando Bastida Ferra. Apuntes de Propiedades de los Materiales II. Publicaciones Tres Guerras.




ANEXO I.

Metals Handbook American Society for metals. Vol. 7

Atlas of Microstructures of Industrial Alloys 8a edition.






ANEXO II.

PROPIEDADES FÍSICAS, ELÉCTRICAS Y MECÁNICAS DEL ACERO INOXIDABLE 316L.

CLASIFICACION AISI 316L PROPIEDADES FISICAS Punto de Fusión - º F 2500-2550

º C 1370-1400 Densidad - lb. / Pulg. 3 (b) 0.29 Calor específico - Btu/lb./ºF (32-212 ºF) 0.12

Conductividad Térmica - Btu/pie2 /pie / ºF/ hora

212 ºF 9.4 932 ºF 12.4

Coeficiente de la Expansión Térmica

68 - 212 º F 8.8

68 - temperatura indicada º F 10.6 ( 1700 ) PROPIEDADES ELECTRICAS

Permeabilidad Magnética ( a 200H reconocido ) 1.02

68 ºF (Temp. bajo techo ) 74.0 1200 ºF 116.0

RESISTENCIA AL CALOR

Temperatura máxima de operación - º F

servicio interrumpido ( e ) 1600 servicio continuo 1700

TEMPERATURAS (de trabajo y para tratamiento)

Forjar - al empezar 2200 - al terminar 1700 Recorrer entre ( 1 ) 1975 - 2150

PROPIEDADES MECANICAS (f )

Estructura ( g ) A

Fuerza de tensión - 1b/ pulg. 2 / min. (h) 30,000

Tensión de rotura - 1b/ pulg. 2 / min. 75,000 Elongación - % en 2 pulg. / min. 40.0 Reducción de área - % - min. 50.0

Módulo de elasticidad en tensión - lb. / Pulg. 2 / x 10 6 29.0 Dureza Brinell 200 máx. Rockwell 8.95 máx.




ANEXO III.

COMPOSICIONES QUÍMICAS Y APLICACIONES DEL ACERO INOXIDABLE 316 Y 316L SEGÚN NORMA AISI.

COMPOSICIONES QUIMICAS (%)

ACERO 316 ACERO 316L

Carbono 0.080 0.030 Silicio 1.00 1.00 Fósforo 0.040 0.040 Sulfuro 0.030 0.030 Cromo 16 ~ 18 16 ~ 18 Níquel 11.0 ~ 14.0 13.0 ~ 16.0 Molibdeno 2.0 ~ 3.0 2.0 ~ 3.0 APLICACIONES Pulpa para papel, industrias

textiles, fertilizantes, y otras industrias químicas que usan ácido sulfúrico,

ANEXO IV.

COMPATIBILIDAD METALÚRGICA.






ANEXO V.

DUREZAS DE ALGUNOS MATERIALES ABRASIVOS.

MINERAL KNOOP VICKERS Talco 20 Carbón 35 Yeso 40 36 Calcita 130 140 Flourita 175 190 Apatita 335 540 Vidrio 455 500 Feldespato 550 600-750 Magnetita 575 Ortosa 620 Pedernal 820 950 Cuarzo 840 900-1280 Topacio 1330 1430 Granate 1360 Esmeril 1400 Corindón 2020 1800 Carburo de silicio 2585 2600

DUREZAS DE SEGUNDAS FASES.

MATERIAL O FASE KNOOP VICKERS Ferrita 235 700-200 Perlita sin alear 250-320 Perlita aleada 300-460 Austenita, 12 % Mn 305 170-230 Austenita, baja aleación 250-350 Austenita, alto Cont. Cr. 300-600 Martensita 500-800 Cementita 1025 840-1100 Carburo de Cr;(Fe,Cr)7C3 1735 1200-1600 Carburo de Mo; Mo2C 1800 1500 Carburo de W; WC 1800 2400 Carburo de V; VC 2660 2800 Carburo de Ti; TiC. 2470 3200 Carburo de B; B4C 2800 3700




ANEXO VI

COEFICIENTES DE DESGASTE TÍPICOS.





ANEXO VII.

EQUIPO UTILIZADO EN EL DESARROLLO EXPERIMENTAL

Figura 1. Cortadora metalográfica de disco. Figura 2. Desbastador de banda Marca Buehler.

Figura 3. Microscopio óptico Marca

OLYMPUS, Modelo PMG-3.





Prueba de dureza.


Figura 4. Prueba de dureza. Figura 5. Huella del penetrador de dureza Vickers.

Cementado de las probetas.

Figura 6. Se Precalientan las Probetas a cementar




Figura 7. Mezcla de CARÓN formada por carbón vegetal y carbonato de sodio.

Figura 8. Se colocan las Probetas a Cementar En la mezcla de Cianuro de Sodio a una temperatura de 900 . C0





Prueba de desgaste.

Figura 9. Probetas que se utilizan en la prueba de desgaste Dimensiones: 40mm. De diámetro, 8 mm. De espesor.

Figura 10. Testigos Acero Inoxidable 316L.





Figura 11. Maquina de desgaste abrasivo de 200 Rev. Por minuto.

Figura 12. Prueba de desgaste en las probetas cementadas.

Figura 13. Balanza Scientech Capacidad

Máxima 310 gramos.


CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE...

Documents

Transcript of CARACTERIZACIÓN DE UN ACERO INOXIDABLE...