Informe de Difusion de Carbono Original

8/18/2019 Informe de Difusion de Carbono Original

1/37

I. TITULO: DIFUSIÓN DE CARBONO EN UN ACERO ASTM 570

II. OBJETIVOS:Demostrar que la segunda ley de ck gobierna el proceso de

difusión del carbono.

Evaluar las curvas de penetración del carbono hacia al

interior d el acero.

Calcular el espesor d e la capa de difusión en función de la

temperatura y el tiempo. Aplicar el fundamento teórico del proceso de difusión en el

acero (ASTM A 570 a 0.23% de carbono).

III. FUNDAMENTO TEORICO:

El proceso de carburización, es un proceso que sirve para

obtener piezas con alta dureza al desgaste, debido a la

saturación de la capa su percial del acero ASTM A 570 con

carbono, debido a la difusión intersticial desde la supercie

hasta el interior d el acero.

La cementación es el más antiguo de todos los

procedimientos de endurecimiento supercial, con siste en

aumentar el contenido de carbono en la supercie de las

piezas de acero rodeándolas con un medio carburante y

manteniendo todo el conjunto durante un cierto tiempo a

una elevada temperatura .Luego se templan las piezas y

quedan con gran dureza su percial.

METALURGIA FISICA I Página 1


2/37

Se puede decir entonces que es u n proceso termoquímico de

enriquecimiento con carbono de la capa supercial de un

acero de bajo contenido de carbono (0,1%C a 0,35%C) yexcepcionalmente algunas veces se cementan también

aceros hasta de 0.4%C; cuyo objetivo principal es obtener

una gran dureza supercial y alta resistencia al desgaste;

conservando la tenacidad en el núcleo. Esto se logra al

templar y revenir la capa supercial, enriquecida con

carbono hasta una concentración de 0,8 - 1,0 % C. Una

concentración más alta de carbono produce un

desmejoramiento de las propiedades mecánicas de la pieza

cementada.

3.1 DIFUSION : Movimiento de átomos signica también

trasporte de masa.

3.2 DIFUSION DE CARBONO EN EL ACERO :

Consiste en el movimiento de átomos de carbono hacia la

zona central del acero.

Esta difusión se d a siempre que est á presente en el gradiente

de concentración ahora surge un problema que es h allar la

velocidad a la cual se mueve los átomos de carbono:

3.3 Métodos de cementación

La cementación puede real izarse p or ag entes só lidos, líquidos

y gaseosos, que desprenden carbono. Se desarrolla siempre,

no por un carbono en estado molecular, sino por átomos de



3/37

carbono debido a que éstos son los únicos capaces de

difundirse dentro de la red fcc del Fe γ . Se tienen los

siguientes métodos de cem entación:

3.3.1 Cementación gaseosa

La atmósfera carburante está formada por la mezcla de un

gas activo y un gas portador. El gas activo generalmente es

metano (CH 4), aunque también puede utilizarse propano y

butano. El gas portador es una mezcla de óxido de carbono,

hidrógeno y nitrógeno, con pequeños porcentajes de vapor de

agua, anhídrido ca rbónico, etc.

3.3.2 Cementación líquida.

Se realiza en un baño de cianuro fundido. Es m ás u tilizado elcianuro sódico y en menor medida el cianuro potásico;

además de al gunos cloruros.

3.3.3 Cementación sólida.

En este proceso se em plea principalmente como cementante

al carbón vegetal, con la adición de un agente de activación

para mejorar la concentración de carbono y acelerar el

proceso d e cem entación; de lo contrario no se con sigue en la

periferia del acero concentraciones superiores al 0,65 % de

carbono. Como activadores destacan los carbonatos,

especialmente el carbonato de bario (BaCO 3) en una

proporción de 20-40 %. La mayor proporción de BaCO 3 se



4/37


5/37

CO 2 + C → 2 CO

2 CO → C elem + CO 2

El óxido de bario reacciona con el dióxido de carbon o formado,

obteniéndose nuevamente BaCO 3:

BaO + CO 2 → BaCO 3

Y de esta manera se repite el ciclo de las reacciones.

3.4.1 Absorción del carbono elemental.

El carbono elemental es el que produce la cementación. Al

estar en contacto con el hierro gamma a elevada

temperatura, este carbon o se a bsorbe desde la supercie de

la pieza, por ex istir u n gradiente de concentración entre el

acero y la atmósfera carburante; formando austenitasaturada con carbono:

3 Fe + elemC → FeC

3.4.2 Difusión del carbono dentro del acero.

Finalmente el carbono se difunde en el acero, que se

encuentra austenizado, según las leyes que gobiernan la

difusión atómica.

La reacción general de la cementación, a la temperatura

de au stenización, será:



6/37

Fe+ 2 CO → FeC + CO 2

Donde Fe γ C representa el carbono disuelto en la austenita.

3.5 MECANISMO DE DIFUSION DEL ACERO:

En la carburización en caja (sólida), el carbón disuelto en la

supercie del acero tendrá siempre una concentración que se

aproxima a la del equilibrio con el carbón pero a la

temperatura de cementación. El carbón penetra por difusión

atómica a través d e u n gradiente de con centración establecido

entre la supercie y el núcleo.

Existen dos tipos principales de difusión que mencionamos acontinuación.

A. Difusión sustitucional.Llamada también de vacancias, el par difusor está formado

por elementos atómicos A y B. Estos átomos son casi del

mismo tamaño, por lo que se disuelve uno en otro, como

solutos sustitucionales. Aquí hay difusión, tanto de átomos A

en B, como de átomos B

Llamada también de vacancias, el par difusor está formado



7/37


8/37

lugares va cantes p ara su realización.

Nuestro interés radica en es te tipo de difusión, debido a que en

los aceros la difusión ocurre por el salto de los átomos desoluto (carbono), desde u n lugar intersticial a otro vecino.

La solución sólida por d ifusión intersticial, como la que forma

el carbono disuelto en la matriz de hierro, ocurre sólo si el

átomo de soluto tiene un diámetro menor que el del solvente.

Aquí se encuentran involucrados átomos pequeños como

carbono, hidrógeno y n itrógeno, ver g.2

Figura 2: Difusión intersticial



9/37

3.5.1 Difusividad y energía de activación.

El coeciente de Difusión o Difusividad, D (cm 2/s), está dado

por la siguiente ecu ación de Arrhenius:

RT Qe D D −= 0 …….. (1)

Donde:

0

D

: Factor de frecuencia de los átomos que se difunden. Esuna constante pre exponencial (independiente de la

temperatura) para un sistema de difusión dado;

expresada en scm /2 .

Q: Energía de activación de la reacción, por mol; expresada

en Cal/mol.

R: Constante universal de los gases i deales; 1,987 Cal/mol

°K.

T: Temperatura absoluta; expresada en °K.

D: El coeciente de difusión expresa la rapidez con que se

realiza la difusión de un material en otro. Aunque este

coeciente depende de diversas variables (naturaleza del

soluto y de los átomos solventes, resistencia de enlace y

estructura del cr istal, et c.), la más importante es la

temperatura.



10/37

3.5.2 Difusión en estado estacionario (Primera ley de

Fick).

En la difusión en estado estable o estacionario, el gradiente d e

concentración es constante en la unidad de tiempo. Este

gradiente ser á la concentración de soluto que cam bia sólo con

la d istancia entre dos p lanos d e diferente con centración.

La ecuación que expresa esta difusión, es la primera ley de

Fick:

xC

D J ∂∂−= ……… (2)

Donde:

J: Flujo neto de átomos que se difunden en la dirección x, a

través de un plano en la unidad de tiempo; expresado en

átomos/ scm .2 .

D: Coeciente de difusión o Difusividad; expresado

en scm /2 .

xC

∂∂

: Gradiente de con centración; expresado en

átomos/cm 3.cm átomos/cm 4

3.5.3 Difusión en estado transitorio (segunda ley de Fick).

Es el estado más común en la práctica. En la difusión en

estado no uniforme, el perl de concentración de las



11/37

sustancias que se difunden cambia con el tiempo. Esto

signica que el ujo y el gradiente de concentración también

cambia con el tiempo. La segunda ley de Fick se reere a ladifusión en estado transitorio y se exp resa como:

∂∂

∂∂=

∂∂

xC

D xt

C ……… (3)

En muchos problemas prácticos, puede suponerse que D es

independiente de la concentración, la cual nos conduce a u na

visión simplicada de la ecuación anterior:

22

xC

Dt C

∂∂=

∂∂

……… ( 4 )

Donde:

C: Concentración de la especie que se difunde, a una

distancia x de la supercie.

t: Tiempo; expresado en segundos.

En los casos de difusión en estado sólido, donde la

concentración sC de la especie que se difunde (soluto) en la

supercie de un material (solvente) permanece constante, la

solución de ést a ecuación diferencial puede expresarse com o:

=−−

t D

x fer

C C

C C

s

x s

.20………(5)

Donde:

C s: Concentración en la su percie, producida en

forma instantánea por la atmósfera.

C 0: : Concentración al inicio del proceso, en un



12/37

tiempo t = 0.

C x : Concentración a una profundidad x de la

supercie, en un tiempo t.

T: Tiempo; expresado en segundos.

t D

x fer

.2: Es una variable que se expresa como fer(y);

representa la función de error de Gauss.

Para predecir la profundidad de penetración o el espesor d e

capa tratada (X), en función del tiempo de permanencia a latemperatura de op eración; se u sa la relación:

t D x .2= ……….. (6)

3.6 Factores que inuyen en la difusión.

a) Temperatura

La temperatura es el factor de gran inuencia en los

coecientes y en las velocidades de d ifusión. El coeciente de

difusión es u na función de la temperatura. La dependencia del

coeciente de difusión con la temperatura cumple la siguiente

expresión:

D = D o e -Q/RT

b) Tiempo

La profundidad de difusión del carbono es dependiente del

tiempo de cementación ya que el espesor de la capa depende

del tiempo, así:



13/37

tD x .2=

c) Impurezas

La difusión del carbono en el acero se ve afectada por la

existencia de pequeñas cantidades de materiales adicionales

que se encuentran en el acero, ya que estas impurezas

perjudican el fenómeno de d ifusión

IV. MATERIALES Y EQUIPOS:

MATERIALES

Un acero ASTM 570, 3 probetas con dimensión de 2.5

largo , 2.15 ancho y 4.5 altura

Medio difusor, Carbón vegetal 2 Kg

Carbonato de B ario 1/ 2 kg

2 Cajas d e Difusión

Arcilla refractaria

Para Encapsulado

Alúmina

Paños de billar y pa na

Papel abrasivo (80-100-180-220-320-400-600-1000)

Reactivo de ataque para Análisis Metalográco (Nital

al 5%).

EQUIPOS:



14/37

Cámara fotográca

Microscopio

Horno Eléctrico (tipo mua)Durómetro

Durómetro Microscopio

V. PROCEDIMIENTO:

• Coger la pieza y seccionar en tres partes con

dimensión de 2.5 largo , 2.15 ancho y 1. 5 altura

• El paso anterior es para eliminar la capa de aceite

que protege a estas piezas para q ue se pueda realizar

el proceso de ca rburización.

• Construimos las cajas cementantes con las siguientes

medidas de 20 cm largo, 15 cm ancho y 15 cm de

alto. Cada una con su respectiva tapa.

• Luego preparamos la mezcla carburante (carbón 5mm

de granulometría y carbonato de bario en un

proporción de 80 - 20%, respectivamente).



15/37

• Colocamos las piezas en la caja siguiendo los

siguientes p asos:

• Primero colocamos una capa de la mezclacarburante, luego colocamos las piezas con una

distancia aproximada de 15mm esto para que las

piezas se puedan carburar cor rectamente, luego se

coloca otra capa de la mezcla, dejando un espacio

adecuado (9mm aprox.), luego se tapa y se sella

con arcilla refractaria.

• Introducir las cajas a l horno, la cual previamente fue

encendido alcanzando la temperatura de 900ºC).

• Una vez alcanzado la temperatura retirar las cajas a

diferentes tiempos 3hrs (y dejamos enfriar a

temperatura ambiente) y 5 hrs. Respectivamente

(dejándolo enfriar en el horno).

• Luego realizamos el análisis metalográco respectivo

de la siguiente m anera:

• Encapsulamos las probetas carburadas: la probeta

de suministro no la encapsulamos por ser de

dimensión grande y las dos probetas carburadas las

encapsulamos teniendo cuidado en preservar los

bordes.



16/37

• Luego desbastamos con los papeles abrasivos

tratando de que la probeta quede completamente

nivelada.• Enseguida pulimos con alúmina y los paños

respectivos.

• Finalmente atacamos con nital al 5% previamente

preparado y observamos al microscopio y

fotograamos.

Características De La Muestra

Obtenidas según la norma internacional ASTM A 570.

Composición Química Del acero

Elemento C(max) S(max) P(max) Mn(max) Cu(min)

Composición 0.23 0.05 0.04 0.90 0.20

VI.- CIRCUITO EXPERIMENTAL:

Seccionamiento de la Pieza:



17/37

Proceso de C ementación:


Tapa

Arcillaselladora

Probeta

Mediodifusor

Caja decarburización


18/37

Desbaste de la Probeta:

Pulido:



19/37

TABLA DE DUREZA:

DISCUSION DE RESULTADOS DE LA DUREZA:

Al comparar la dureza del suministro (146 HRC) con la

probeta sometida a una carburización durante 3 horas

(210 HRC) se puede observar que aumento en un 43%, esto

indica la ecacia d el tratamiento resp ectivo.

Al comparar la dureza de la probeta sometida a unacaburización durante 3 horas (210 HRC) con la probeta

sometida a 5 horas (249.5 RC) se observa un incremento

de la dureza, esto implica que el tiempo es un factor

inuyente en el proceso.


Probetas DurezaHRC

Suministro 146.6Carburización (3h) 210Carburización (5h) 249.5


20/37

VII.- RESULTADOS:

7.1 calculo teórico del espesor de la corona dedifusión

Según la ecuación:

Donde:

Datos:

Q = 34 000 cal/mol T° = 910 + 273 =1183°K

R = 1.987 cal/mol. °K D o= 0.22 cm 2/seg

t = 3 h oras =3 3600 seg

Calculo de factor d e frecuencia los á tomos q ue se d ifunden



21/37

Calculo de “x” (espesor de la capa) con la ecuación (1).

=

Espesor teorico a 3 h oras =0.663 mm

Espesor experimental a 3 h oras = 0 .56 mm

• Para 5 h oras tenemos:

=

Espesor teorico a 5 horas =0.855 mm



22/37

Espesor experimental a 5 h oras = 0 .81 mm

7.2 Tabulación de datos teóricos de Temperatura yespesor:



23/37



24/37

• GRAFICA TEMPERATURA VS. ESPESOR (3HORAS)

• GRAFICA TEMPERATURA VS. ESPESOR (5 HORAS)

INTERPRETACIÓN:Conforme va incrementando la temperatura el carbono vapenetrando cada vez más en el interior de la estructura delacero, sin embargo el espesor a en la probeta de 3 h. llega a0.66 mm. y 0.86 mm. en el de 5 h. teóricamente.



25/37

7.3 Tabulación de datos Teóricos de Tiempo vs. Espesor:

INTERPRETACIÓN: El tiempo es una variable muy importante pues a medida

que au menta el espesor de la capatambién lo hace.7.4 Flujo de átomos de carbono hacia elinterior de la pieza de acero.

Se sabe que:


tiempo(s)espesorde capa

(mm)0 0

300 0.110441000 0.201641700 0.262912400 0.312383000 0.349263600 0.382594200 0.413254800 0.441785400 0.468586000 0.493926600 0.518037200 0.541077800 0.563168400 0.584429000 0.604939600 0.62477

10200 0.6440010800 0.6626711400 0.6808312000 0.6985112600 0.7157613200 0.7326113800 0.7490714400 0.7651815000 0.7809615600 0.7964316200 0.8116016800 0.8264917400 0.8411218000 0.85550


26/37

Concentración de peso en la su percie: 1.1%CConcentración de peso en el núcleo: 0.23%CDensidad del acero: 7850 g/cm 3

Ahora:C1=1.1%*7.850=0.0864 g/cm 3

C2=0.23%*7.850=0.0181 g/cm 3

• Hallamos el gradiente de con centración, cuando:

T=3h=10800seg. ; X 1=0.0cm. ; X 2=0.066cm.

En la ecu ación:

Ademas:

• El ujo de átomos será:

J= -D*A*

J= 2.8383*

• Hallamos el gradiente de con centración, cuando:


A = 2.5 cm 2.!5 cm = 5."#5cm 2


27/37

T=5h=10800seg. ; X 1=0.0cm. ; X 2=0.086cm.

En la ecu ación:

• El ujo de átomos será:

7.5 Evaluación de la curva de penetración en el carbono

Por la segunda ley de Fick sabemos que:

= fer ( )

Donde:C s=concentración en la su percie =1.1% CC x = concentración a u na d istancia d e difusión.C0= concentración original=0.23% C

Lo que se u sara para trazar la cu rva de penetración es u ndespeje de la segu nda ley de Fick:

C x =C S - ( )*fer ( )

• Para la probeta de 3 h oras tenemos:



28/37

fer ( ) = fer ( ) = fer (0.85)

C x =1.1- (1.1-

0.23)*0.7695C x =0.4305

C x =1.1-(1.1-0.23)*0.7695C x =0.4305


Z F(Z)

0.80 0.74210.85 y0.90 0.7969

X(mm) Z Fer(Z) CONCENTRACION

0.56 0.85 0.7695 0.430.46 0.70 0.6778 0.510.40 0.60 0.6039 0.570.33 0.50 0.5205 0.650.27 0.40 0.4284 0.730.23 0.35 0.3794 0.770.20 0.30 0.3286 0.810.17 0.25 0.2763 0.860.13 0.20 0.2227 0.91

0.11 0.17 0.19 0.930.09 0.13 0.1459 0.970.07 0.10 0.1125 1.000.05 0.07 0.0789 1.030.03 0.04 0.0451 1.060.01 0.02 0.0226 1.080.00 0.00 0 1.10


29/37

INTERPRETACION: Curva de Penetración para u n acero ASTM 570, carburizada durante 3 horas a 900° C.

• Para la probeta de 5 h oras tenemos:

fer ( ) = fer ( ) = fer (0.95)


Z F(Z)0.90 0.79690.95 y1.00 0.8427


30/37

C x =1.1-(1.1-0.23)*0.8198C x =0.3868


X(mm) Z Fer(Z) CONCENTRACION0.63 0.95 0.8198 0.390.60 0.90 0.7969 0.410.56 0.85 0.7695 0.430.46 0.70 0.6778 0.510.40 0.60 0.6039 0.570.33 0.50 0.5205 0.650.27 0.40 0.4284 0.730.23 0.35 0.3794 0.770.20 0.30 0.3286 0.810.17 0.25 0.2763 0.860.13 0.20 0.2227 0.910.11 0.17 0.19 0.930.09 0.13 0.1459 0.970.07 0.10 0.1125 1.000.05 0.07 0.0789 1.030.03 0.04 0.0451 1.060.01 0.02 0.0226 1.080.00 0.00 0 1.10


31/37

INTERPRETACION: Curva de Penet ración para un acero ASTM 570, carburizada durante 5 horas respectivamente a

900°C.

7.6 ANÁLISIS MICROESTRUCTURAL (Metalografía delacero ASTM 570)

• Aumento 200X

PROBETA DE SUMINISTRO ASTM 570EXCESO DE FERRITA

• Aumento 500X



32/37

SUMINISTRO ASTM 570SE OBSERVA EL EXCESO DE FERRITA

• Aumento 500X

NUCLEO 570 – 3HORASSE OBSERVA FERRITA Y PERLITA.



33/37

• Aumento 50X:

CORONA ASTM 570- 3HORASSE OBSERVA LA CORONA O ESPESOR DE CAPA DE DIFUSION



34/37

• Aumento:50X

CORONA ASTM 570 – 5 HORASSE OBSERVA LA CORONA O ESPESOR DE DIFUSION

• Amento 500 X

NUCLEO ASTM 570 – 5 HORAS



35/37

SE OBSERVA PERLITA(COLOR OSCURO) Y FERRITA(COLOR BLANCO)

VIII.RECOMENDACIONES:• Se debe usar el carbón de madera y el carbonato de bario

en relación 4 es a 1, el segundo porque a l reaccionar con elcalor se descompone y funciona como activador en ladifusión.

• La granulometría del carbón de madera debe ser entre 3 -5mm.para facilitar la difusión intersticial d esde cualquier

punto de la caja hasta la supercie d e la probeta.• Se debe t rabajar con temperatura de hasta 1193°K pues a

mayor temperatura será mayor el tamaño de grano.• El ataque químico debe ser óptimo para no quemar la

probeta.• El encapsulado de la probeta debe ser en un aro de

tamaño lo sucientemente grande para que no se pase del

microscopio además para que se efectúe de maneraadecuada el desbaste.



36/37

IX. CONCLUSIONES:

• Se a plicó el conocimiento de la teoría sobre d ifusión.• El proceso de difusión es gobernado por la ley de Fick

demostrado por X teórico =X experimental

• Queda demostrado por los cálculos y las grácas que elespesor de la capa aumenta según aumenta latemperatura y el tiempo.

• El contenido de carbono en la supercie de las probetascarburizadas es de ap roximadamente 1.1 %C, y disminuye

a medida que se analiza a una mayor profundidad de capa,hasta alcanzar el contenido de carbono presente en elnúcleo correspondiente al acero suministro (0.23 %C).

También se puede observar que la concentración decarbono para una misma profundidad de capa en laprobeta de acero tratada durante 5 horas, es m ayor que laconcentración de carbono de la probeta que solo fue

tratada durante 3 h oras.



37/37

X. BIBLIOGRAFIA:

• Reed Hill,R.Principios de Metalurgia Física. Ed. ECSA. 2°

Edición.1986• http://www.scribd.com/doc/2469681/Metalograa-

Diagrama-fec• Askeland, D. (1985). Ciencia e Ingeniería de

Edit. Ibero América, México.

Informe de Difusion de Carbono Original

Documents

Transcript of Informe de Difusion de Carbono Original