Carburizacion.1

8/15/2019 Carburizacion.1

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UNIVERSIDAD

NACIONAL DE TRUJILLOFACULTAD DE INGENIERIA

ESCUELA INGENIERIA METALURGICA

“DIFUSION DE CARBONO EN ACEROAISI 1010”

DOCENTE: Purizaga Fernández, I!ae"#

CURSO: Me$a"urgia F%i&a I

GRUPO ':

• Re(e Cruz, A)e"#

• *ui+e Cuea, Jerr(#• Pi"&-n R-da, A"e.ander#

• Ca$i""- Diaz, /r(an#

• Aa"- /arre$-, R-!%#

• A+ari&i- Maza, Pau"#

• Juárez V%"&0ez, Pau"#

TUTOR: /arrien$- J-e"#

CICLO : VI

1234


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GRUPO N5'

PRACTICA DE LABORATORIO Nº 01

I. TITULO: DIFUSION DE CARBONO EN EL ACERO AISI 1010


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II. OBJETIVOS:

Aplicar el fundamentó teórico del proceso de difusión de carbono en el

acero AISI 1010. Demostrar que la segunda Ley de Fick gobierna el proceso de difusión

de carbono en el !ierro. "alcular el espesor de la capa de difusión en función de la temperatura

y el tiempo. #$aluar las cur$as de penetración del carbono $ersus la distancia de

espesor de cara.

III. FUNDAMENTO TEORICO

3.1 DIFUSION:

La difusión puede ser definida como transporte de masa depende del

tiempo temperatura y gradientes de concentración. #ste fenómeno ocurre

en sólidos l%quidos y gases. #l transporte de masa en l%quidos y sólidos se

origina generalmente debido a una combinación de con$ección &mo$ili'ación

de fluido( y difusión. #n los sólidos estos mo$imientos atómicos quedan

restringidos &no e)iste con$ección( debido a los enlaces que mantienen los

*tomos en las posiciones de equilibrio por lo cual el +nico mecanismo de

transporte de masa es la difusión.

La difusión tambi,n es el mo$imiento de los *tomos en un material. Los

*tomos se mue$en de manera ordenada tendiendo a eliminar las

diferencias de concentración y producir una composición !omog,nea en el

material.

La difusión inter$iene en el tratamiento t,rmico de metales en la

manufactura de cer*micos en la solidificación de materiales en la

fabricación de transistores y celdas solares y aun en la conducti$idad

el,ctrica de muc!os materiales cer*micos.

3.1.1 MECANISMO DE DIFUSION POR VACANCIA:

Los *tomos pueden mo$erse en las redes cristalinas desde una posición a

otra si !ay presente suficiente energ%a de acti$ación proporcionada ,sta por


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la $ibración t,rmica de los *tomos y si !ay $acantes u otros defectos

cristalinos en la estructura para que ellos los ocupen. Las $acantes en los

metales son defectos en equilibrio y por ello algunos est*n siempre

presentes para facilitar que tenga lugar la difusión sustitucional de los

*tomos. Seg+n $a aumentando la temperatura del metal se producir*n m*s

$acantes y !abr* m*s energ%a t,rmica disponible por tanto el grado de

difusión es mayor a temperaturas m*s alta.

3.1.2 MECANISMO DE DIFUSION INTERSTICIAL:

La difusión intersticial de los *tomos en redes cristalinas tiene lugar cuando

los *tomos se trasladan de un intersticio a otro contiguo al primero sin

despla'ar permanentemente a ninguno de los *tomos de la matri' de la red

cristalina. -ara que el mecanismo intersticial sea efecti$o el tamao de los

*tomos que se difunde debe ser relati$amente pequeo comparado con el

de los *tomos de la matri'. Los *tomos pequeos como los de !idrógeno


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carbono o)%geno y nitrógeno pueden difundirse intersticialmente en algunas

redes cristalinas met*licas. -or e/emplo el carbono puede difundirse

intersticialmente en !ierro alfa "" y !ierro gamma F"". #n la difusión

intersticial de carbono en !ierro los *tomos de carbono deben pasar entre

los *tomos de la matri' de !ierro.

FACTORES QUE INFLUYEN EN LA DIFUSION

TEMPERATURA

La temperatura es el factor de influencia en el coeficiente de difusi$idad

función directa de la temperatura.

TIEMPO

La profundidad de capa de difusión del carbono es función directa del tiempo.

ELEMENTOS ALEANTES

La difusion se $e afectada por la e)istencia de pequeas cantidades de

materiales&elementos aleantes e impure'as( adicionales que se encuentran en

el acero.

EFECTO DEL TIEMPO Y DE LA TEMPERATURA EN LA DIFUSIÓNDEL CARBONO:


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La profundidad de la capa cementada aumenta con la duración del proceso y

con la temperatura. Depende tambi,n de la acti$idad del carburante empleado

y de la composición del acero que se $a a cementar.

"uando la cementación se efect+a a ba/as temperaturas la penetración

del carbono es muy pequea y en cambio el porcenta/e de carbono de la

superficie es mayor que cuando se efect+a a temperaturas mayores.

COMPOSICION DE LA CAPA CEMENTADA.

Despu,s del enfriamiento al aire libre de la pie'a cementada se debe distinguir

tres 'onas bien definidas en el a capa carburi'ada

fg.1.diagrama de fases fe-c


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Fg.2diagrama fe-c zona hipotectoide y hipertectoide

Zo! "#$%&%'(%)(o#*% "ompuesto de perlita y cementita secundaria. Zo! E'(%)(o#*%: "ompuesto de perlita. Zo! "#$o%'(%)(o#*% "ompuesto por perlita y ferrita2 la cantidad de

ferrita crece interrumpidamente a medida que se acerca al n+cleo.

3.2 DIFUSION DEL CARBONO EN EL ACERO:

Llamado 3carburi'ación o cementación4 es el mo$imiento de *tomos de

carbono !acia la 'ona central del acero. Los factores m*s importantes de

este proceso son la temperatura y el tiempo.

3.2.1 CARBURIZACION:

-roceso termoqu%mico de enriquecimiento con carbono de la capa superficial

de un acero de ba/o contenido de carbono &01 a 056 7 "(. #l ob/eti$o

principal es obtener una gran dure'a superficial y alta resistencia al

desgaste2 conser$ando la tenacidad en el n+cleo. La "arboni'ación puede

!acerse en un medio sólido l%quido o gaseoso dependiendo del monto de la

producción y de la disponibilidad de equipo en todos estos medios e)iste un


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negati$o. #sta ecuación es llamada primera Ley de Fick y afirma que para

condiciones de flu/o en estado estacionario la densidad de flu/o neto de

*tomos es igual a la difusi$idad D por el gradiente de concentración d";d=.

Las unidades son las siguientes en el sistema internacional

Los $alores de la difusi$idad dependen de muc!as $ariables las m*s

importantes son las siguientes

3.2.. DIFUSIÓN EN ESTADO TRANSITORIO /SEUNDA LEY DE

FIC.#s el estado m*s com+n en la pr*ctica. #n la difusión en estado no uniforme

el perfil de concentración de las sustancias que se difunden cambia con el

tiempo.

∂

∂

∂

∂=

∂

∂

x

C D

x x

C

#sto significa que el flu/o y la gradiente de

concentración tambi,n cambian con el tiempo. La segunda ley de Fick serefiere a la difusión en estado transitorio y se e)presa como

2

2

x

C D

t

C

∂

∂=

∂

∂

D es independiente de la concentración esto nos conduce

a una simplificación de la ecuación anterior

Donde

" "oncentración de la especie que se difunde a una distancia ) de la

superficie.

t >iempo2 e)presado en segundos.

#n los casos de difusión en estado sólido donde la concentración "s de la


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especie que se difunde &soluto( en la superficie de un material &sol$ente(

permanece constante la solución de ,sta ecuación diferencial puede

e)presarse como

=

−−

Dt

x fer C C C C

s

x s

20

Donde

"S "oncentración en la superficie producida en forma instant*nea por la

atmósfera."0 "oncentración al inicio del proceso en un tiempo t? 0.

"= "oncentración a una profundidad ) de la superficie en un tiempo t.

t >iempo2 e)presado en segundos.

Dt

x fer

2

#s una $ariable que se e)presa como fer &y(2 representa la

función de error de


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12/32

Donde " es el carbón naciente o atómico.

B. A5+o&)# *%4 C!&5 E4%,%(!4:

#ste es absorbido por la superficie de la pie'a formando la Austenita

saturada con carbono

FeJ G 9"H Fe "

C. D#-'+#o *% C!&5oo *%(&o *%4 A)%&o :

La reacción general de carburación a temperatura de K00" ser*

FeJ G9"H FeJ " G "H 9

Aqu% FeJ " representa el carbón disuelto en Austenita. esta cantidad es

197 " a K00" &Seg+n el diagrama Fe C "(

Al mismo tiempo el a"05 se descompone de la siguiente manera

a"H5 G calor aH G"H9

"H9 G " 9"H

9"H "G "H9

#ste carbono facilita la formación de "H acti$ando el proceso de

"arburi'ación y acelerando la penetración de carbón atómico o naciente.

#n conclusión el a"H5 es un acti$ador para el proceso que ayuda a

formar el "H.

IV. MATERIALES Y EQUIPOS

M!(%!4%+:

• Acero AISI 1010 5 probetas &D? 90 mm2 !? 90 mm(.

• Medio difusor "arbón Madera de 5C6 mm 5 kg y "arbonato de ario.

• Arcilla refractaria.

• -apeles abrasi$os N0 1001N0 990 590 O00 P00 1000.

• Qital 67.

• Al+mina 1 micron.

• Resina

• Agua Destilada.

• Algodón.

• >ela de pana


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14/32

Luego la ca/a de

difusión ser*

sellada con arcilla para e$itar el e)ceso de o)%geno y que escape o)%geno y de

esa manera e$itar una descarburi'acion.

Dónde

1.

"a

/a de difusión

9. -robetas

5. Sello de arcilla refractaria

6

'

14


15/32

O. >apa de ca/a de difusión.

6. Medio difusión &N07 "madera X

907 a"H5 (

3. I(&o*')#,o+ 4! )!7! /%+(&!(#-#)!)# *%(&o *%4 8o&o

A una temperatura de austeni'ación de K00" para tiempos diferentes de

5! X 6!

-asada las 5! se pasa a retirar la ca/a de difusión para luego de/arla enfriar a

temperatura ambiente conteniendo las probetas2 lo mismo se !ar* para la

segunda ca/a de difusión pasada 9! mas de !aber retirado la primera ca/a de

difusión del !orno.


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Va enfriadas las probetas

podemos !acer la prueba de

dure'a de la superficie en el

durómetro.

ec!a la prueba de dure'a para los aceros2 pasamos a encapsular las

probetas &resina G peró)ido( luego desbastamos con papeles abrasi$os &li/as Y

N0 1001N0 990 590 O00 P00 y 1000( tratando de e$itar que se produ'can

rayas gruesas y profundas(.

>erminado el desbaste y !aberlas ba/ado 5mm oW 6mm se prosigue a pulir con

pasta de al+mina de 6 Zm esto se !ar* !asta borrar las l%neas que !ayan

quedado por el desbaste2 luego se reali'a el ataque usando el reacti$o QI>AL&57( por un tiempo de terminado lo lle$amos al microscopio para anali'ar la

estructura y la capa formada durante el proceso de carburi'acion.


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VI. RESULTADOS Y DISCUSION DE RESULTADOS

MEDICION DE DUREZA EN LA SUPERFICIE DE LAS PROBETAS

T!54! Nº 1: Resultados obtenidos de probetas de acero AISI 1010

carburi'adas a K00 ".

Se obser$a un incremento de la dure'a superficial del acero AISI 1010 respecto

al tiempo de cementación esto es debido a que a mayor tiempo incrementa el

espesor de la capa difusión y la concentración de carbono en la superficie de la

probeta.

C9LCULO DEL COEFICIENTE DE DIFUSIÓN DEL SOLUTO.

DATOS:

"0 ? 0.107" R ? 1KN[ cal;mol \7

"S ? 1.107" >? K00 " ?11[5 \7 7

-robeta Dure'a de la superficie

Suministro K1.6

"arburi'acion a 5 !oras 1P6.N

"arburi'acion a 6 !oras 996.O


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D0 ? 0.99 cm9;s t1?5! ?10N00 seg.

] ? 5O00 "al;mol t9? 6! ? 1N000 seg.

t D x .2= S!5#%*o 6'%:

D ? Do eC];R>

• #ntonces el coeficiente de difusión ser*

D ? &0.99cm9;s(^&e 3000ca l ;mo l ; /1.)!4;,o4?@ /11>3?@(

D ? 1.01P6 ) 10 C[ cm 9 ;s

C4)'4o *%4 %+$%+o& *% )!$! *#-'*#*! $!&!: t1? 38 ? 10N00s.

)1 teór ico ? 2√(1.016 x10−7 cm

2

seg. )(10800 seg.) ? 0.0PP cm#)perimentalmente el espesor de capa difundida fue

)1 e)per imental ? 0.06Kcm.

• C4)'4o *%4 %+$%+o& *% )!$! *#-'*#*! $!&!: t9? 8 ? 1N000

s.

)9 teór ico ?2

√(1.016

x10

−7 cm2

seg.

)(18000

seg.) ?0.0NPcm

#)perimentalmente el espesor de capa difundida fue

)9 e)per imental ? 0.0KPcm

T!54! Nº2: #spesor de la capa carburi'ada teórica a K00" para un

acero AISI 1010 calculada mediante la segunda ley de fick.


19/32

E %+(! (!54! % 4! &-#)! / (%o)o V+ ( +% o5+%&! %4 #)&%,%(o *%4

%+$%+o& *% 4! )!$! )%,%(!*! &%+$%)(o !4 (#%,$o *%4 $&o)%+o:

2#4 3 3#4 1 1#4 ' '#42

3

1

'

6

4

8

gra9&a 3;$e-ri&- V $

$


20/32

"omparando los datos de la Tabla N 0 2 con los respecti$os datos

de la Tabla N 0 3 se obser$a que los datos teóricos con los datos

e)perimentales son muy cercanos.

C'&!+ *% P%%(&!)#:

Se representa mediante una gr*fica donde se muestra que a medida que la

distancia de difusión aumenta la concentración en la distancia disminuye.

-ara graficar dic!a cur$a se !ar* una tabla de datos de concentración de

carbono a una distancia espec%fica.

=

−−

t D x fer

C C C C

s

x s

.2

'

0

Sabiendo que

• La concentración del carbono &"^( en la profundidad de capa

total &=(

"^ ?Cx−CoCs−Co ? 0.06

Cx−0.11.1−0.1 ? 0.06

Cx ? 0.167"

"*lculo respecti$o para la probeta cuando t ? 5!.

"s ? 1.17 &se obtu$o del diagrama FeC"(

"0 ? 0.17

= ? 0.0PP cm. &distancia m*)ima de capa cementada(


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Reempla'ando en la ecuación se tiene

1.1−Cx1.1−0.10=fer[

x '

0.066

]

• Si =E? 0.010cm

1.1 C " ) ?fer [ 0.0100.066 ]

V ? 0.1616

_ interpolamos para poder !allar el fer &y(

V fer &y(

0.16 0.1PN0

0.1616 Fer &y(0.1515−0.150.20−0.15

=fer( y)−0.16800.2227−0.1680

0.90 0.999[

fer &y( ? 0.1PKP

#ntonces reempla'ando en la ecuación para !allar el ")

1.1−Cx=0.1696

" ) ? 0.K50O

-ara $alores =E mayores se obtu$ieron las siguientes $alores para ") &=E =(


22/32

T!54! N º 0: 7 de "arbono a una

distancia dada. -ara 5!.

La gr*fica de la cur$a de penetración para 5 !

2 2#21 2#26 2#28 2#2>2

2#1

2#6

2#8

2#>

3

3#1

grafca 2-%C Vs X(cm)

? C

Ds!a"ca #$ $"$!rac&" (cm)

'rc$"!a$ #$ car*" (%C)

"*lculo respecti$o para la probeta cuando t ? 6 !.

"s ? 1.17 "

"0 ? 0.17 "

;


23/32

= ? 0.0NP cm

#ntonces

1.1−Cx1.1−0.10

=fer[ X ' 0.086 ]

• Si =E? 0.010 cm

1.1 C ") ?

fer

[ 0.010

0.086

]

V ? 0.11P5

_ interpolamos para poder !allar el fer &y(

V fer &y(

0.10 0.1196

0.11P5 Fer &y(0.1163−0.100.15−0.1

= fer ( y )−0.11250.1680−0.1125

0.16 0.1PN0

fer &y( ? 0.150P

#ntonces reempla'ando en la ecuación para !allar el ")

1.1−Cx=0.1306

" ) ? 0.KPKO


24/32

T!54! N º 0: 7 de "arbono a una distancia

dada. -ara t?6!

La gr*fica de la cur$a de penetración para 6 !

;616

2,2' 2,13>

2,26 2,832@

2,24 2,4331

2,28 2,61'>

2,2 2,'6@@

2,2> 2,1>>8


25/32

2 2#21 2#26 2#28 2#2> 2#32

2#1

2#6

2#8

2#>

3

3#1

grafca +-% C Vs X(cm)

? C

Ds!a"ca #$ $"$!rac&" (cm)

'rc$"!a$ #$ car*" (%C)

T!54! NºH: "omparación del porcenta/e de carbono $ersus la distancia en lacapa superficial del acero AISI 1010


26/32

La gr*fica de la cur$a de penetración para 5! y 6 !

2 2#23 2#21 2#2' 2#26 2#24 2#28 2#2 2#2> 2#2@2

2#1

2#6

2#8

2#>

3

3#1

gra9&a 6 &ura ?C V '0 ( 40

? C +ara '0 ? C +ara 40

F#'&!: "ur$a de -enetración para un acero AISI 1010 carburi'ada a K00 "

para un tiempo de 5 y 6 !oras respecti$amente.

De la gr*fica se determina que

#l contenido de carbono disminuye cada $e' m*s a medida que

aumenta la profundidad de capa.

;6 2,>616

2,2' 2,8126 2,13>

2,26 2,6@34 2,832@

2,24 2,'>63 2,4331

2,28 2,1@> 2,61'>

2,2 2,'6@@

2,2> 2,1>>8


27/32

>ambi,n se obser$a que en la superficie la concentración de carbono es

de 1.1 7 y en el n+cleo la concentración es de 0.17 ". &concentración

de suministro(. A mayor tiempo la concentración de carbono alcan'ar* una mayor

distancia de penetración. La concentración de carbono para una misma profundidad de capa a dos

tiempos diferentes no es la misma la concentración de carbono a 6! es

mayor que la concentración de carbono a 5! para una misma

profundidad esto debido a una mayor difusión de *tomos de carbono.

RESULTADOS MICROESTRUCTURALES

Fotomicrograf%a 1 Acero AISI 1010 &Suministro( atacado con nital 67 600). Se

obser$a perlita en una matri' ferritica.


28/32

Fotomicrograf%a 9 Acero AISI 1010 &carburi'ado durante 5! atacado con Qital

67 60). "orona se obser$a las tres 'onas de la capa carburi'ada

&!ipereutectoide eutectoide !ipoeuctoide(.

Fotomicrograf%a 5 Acero AISI 1010 &carburi'ado durante 5! atacado con nital

67 900). "orona compuesta por perlita.


29/32

Fotomicrograf%a O Acero AISI 1010 &carburi'ado durante 5! atacado con Qital

67 600). Q+cleo compuesto por ferrita y perlita.

Fotomicrograf%a 6 Acero AISI 1010 &carburi'ado durante 6! atacado con Qital

67 60). "orona se aprecia !ipereuctoide compuesta por perlita y cementitasecundaria.


30/32

Fotomicrograf%a P Acero AISI 1010 &carburi'ado durante 6! atacado con Qital

67 900). "apa compuesta por perlita.

Fotomicrograf%a [ Acero AISI 1010 &carburi'ado durante 6! atacado con Qital

67 600). Q+cleo compuesto por ferrita y perlita.


31/32

VII. CONCLUCIONES Y RECOMENDACIONES

• . Mediante la fórmula nos arro/ó un =teorico≈

=e)perimental con esto se logró demostrar que la segunda ley de Fick

gobierna el proceso de difusión de carbono en el !ierro.

• -ara un >?K00k los espesores teóricos de la capa de difusión para un

t?5! y t?6! son 0.0PPcm y 0.0NPcm respecti$amente.

• Sellar !erm,ticamente con arcilla la ca/a de carburi'ación para e$itar el

ingreso de gases que per/udiquen la difusión del carbono en el acero y

ocurra la descarburi'acion.

• Se concluyó que en la gr*fica O. ]ue al aumentar el 7" aumenta el

espesor de la capa carburi'ada y tambi,n concluimos que aun t?6! la

capa superficial tiene una dure'a mayor que a un t?5!.


32/32

VIII. BIBLIORAFIAS Y LINORAFIAS

L#5&o+:

• Reed ill -rincipios de Metalurgica Fisica. #dición. #d #"SA. 9da

#dición. 1KNP.

• FLIQQ Ric!ard y >RH:AQ -aul&1KNK(4 Materiales de ingenier%a y sus

aplicaciones4. #ditorial Mc

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