- Resumen
- Summary
- Materiales y
Métodos - Operaciones y criterios
tecnológicos. - Caracterización
de la capa cromada - Morfología de la capa
obtenida. - Comportamiento de la
microdureza. - Influencia del tiempo de
permanencia en el espesor de las capas
difusivas. - Conclusiones
- Bibliografía
- Anexo
Resumen
En el trabajo se
desarrolla el estudio del proceso de cromoborado, para obtener
elementos que permitan en un futuro conformar una tecnología de
aplicación del proceso para la recuperación de
piezas o elevar la vida útil de algunas herramientas y
elementos de máquinas
sometidos al desgaste, evitando así mayores desechos, en
el mismo se emplea una deposición galvánica de
cromo seguido de un borado líquido no electrolítico
por las ventajas que el mismo ofrece.
También se analiza el comportamiento
y las propiedades mecánicas de la capa superficial,
durante y después de la realización del proceso a
diferentes temperaturas permitiendo esto decidir la morfología, dureza, y profundidad de la
capa, variando y combinando los tiempos de permanencia sobre un
espesor de capa definido en el cromado, para esto fueron
utilizados los aceros O1 destinado a la fabricación de
herramientas de conformado en frío y el acero 1045,
utilizado en la construcción de elementos de
máquinas.
Palabras claves: cromoborado, recubrimiento
superficial, capa superficial.
This research has to do with the study of the
chromeborate process, to have all the elements that will permit
in the future to create a new technology for the implementation
of this process in the coating of some pieces or to higher the
useful life of some tools and machine elements that are submitted
to weardown, this will reduce waster. In this Process is used an
electrodeposition of chrome followed by a liquid borate non
electrolytic because it offers a lot of advantages.
It is also analysed the behaviour and the mechanic
properties of the superficial cotts during and after the
implementation of the process at different temperatures letting
decide the morphology, hardness and depth of the cotts, varying
and combining the permanence time over a cotts thickness defined
in the chromate. For this were used O1 steel used for the making
of tools of cool forming and carbon steel 1045 used in the making
of machine elements.
Key words: Chromeborate, superficial coating,
superficial cotts.
Los recubrimientos duros han sido utilizados
industrialmente para aumentar la vida útil de muchos
productos, por
ejemplo, herramientas de corte, piñones, rodamientos y
componentes de maquinaria. Las aplicaciones de estos materiales
incluyen recubrimientos anticorrosivos , barreras
térmicas, recubrimientos ópticos, recubrimientos
biomédicos, y aún recubrimientos decorativos.
Muchas industrias han
hallado que se pueden realizar grandes ahorros utilizando
recubrimientos para mejorar las propiedades superficiales de los
materiales para producir mejores herramientas y productos. Estos
ahorros provienen de la productividad
incrementada, reducción del tiempo de
manufactura,
mejoramiento de la calidad,
eliminación de costos de
garantía y eliminación de desechos.
La utilización de procesos de
tratamientos termoquímicos tiene una gran importancia en
las diferentes esferas de la construcción de maquinarias,
lográndose con estos un aumento de la durabilidad y
propiedad de
sus elementos, teniendo en cuenta que pueden obtenerse aleaciones
superficiales de alta calidad sobre metales de bajas
cualidades, aumentando la resistencia al
contacto, a la fatiga, a la oxidación y al
desgaste.
El cromado electrolítico se realiza con el fin de
otorgarles una buena presentación o acabados decorativos
al material tratado, otras veces otorgarles mayor dureza,
resistencia a la abrasión, pequeño coeficiente de
fricción, excelente resistencia química y exigente
acabado liso con brillo al espejo y con alta precisión, lo
que lo convierte en una aplicación que apenas es
sustituible por otra. Después de realizado este proceso se
pueden obtener diferentes espesores de capas con excelentes
propiedades mecánicas.
A los procedimientos
conocidos para tratar químicamente los elementos de
máquinas tradicionales, se ha sumado el proceso de borado,
las propiedades obtenidas con este método son
realmente apreciables. En la actualidad es aplicado para
elementos mecánicos que trabajan en diferentes condiciones
de explotación, extendiéndose su aplicación
a piezas que están sometidas a desgastes abrasivos como
bombas de lodo,
boquillas para limpiezas con fluidos a presión,
en la fabricación de herramientas de conformación,
se emplean, además recubrimientos de boruros combinados
con otros elementos como el borosilicado, borotitanado,
borozincado y borofosfatado con el objetivo de
obtener mejores propiedades al desgaste.
Tomando en cuenta las consideraciones anteriores y la
influencia que ejerce sobre el medio ambiente
la racionalización de los recursos, se
realiza el estudio de un proceso de saturación difusiva
con boro de una superficie a la cual se le aplicó un
recubrimiento electrolítico de cromado, para los aceros O1
y 1045, con el objetivo de obtener capas superficiales
cromoboradas que permitan recuperar las dimensiones perdidas por
el desgaste de la pieza y a su vez ofrecer mayor resistencia al
desgaste que los procesos individuales que componen el
mismo.
MATERIALES Y
MÉTODOS.
En el trabajo se
realiza un estudio teórico de las características
de los procesos. En el proceso electrolítico de cromado se
toma como elemento central la electrólisis, utilizándose soluciones de
compuestos de cromo hexavalentes (ácido crómico).
Tomando en cuenta que se desea obtener un proceso de cromado duro
se utilizó una densidad de
corriente de 50 A/dm2 , con una temperatura
aplicada al baño de 600 C. La
composición utilizada en el baño fue de 250 g/l de
ácido crómico y 2,5 g/l de ácido
sulfúrico, los ánodos empleados fueron de plomo con
un 3 % de antimonio. Todos los factores fueron seleccionados a
partir de los valores
más recomendados en la bibliografía, [2,4] y la
experiencia práctica de los especialista relacionados con
este tema.
Para realizar el borado líquido no
electrolítico, se eliminó del Bórax
(Na2B4O710H2O) toda el agua que el
contiene, cuando el Bórax se encuentra en estado
líquido, esto nos indica que ya ha sido eliminada toda el
agua que
contenía. Esto ocurre a partir de los 700…750 ºC.
Para la realización de este proceso se utiliza el reductor
de Carburo de Silicio (SiC), debido a la facilidad con que se
adquiere y a los resultados que se pueden obtener a partir del
mismo.
La composición de la mezcla más utilizada
es un 70 % en peso de Bórax y un 30 % en peso de Carburo
de Silicio. Además se puede utilizar de un 5 a un 10 % de
NaCl, para licuar la mezcla. El tratamiento térmico
posterior se realiza directamente después del borado
[4].
Operaciones y criterios
tecnológicos.
El proceso de cromado se le aplicó a las muestras
de cada material por espacio de 180 minutos para obtener el
espesor de capa deseado, una vez culminado el proceso
electrolítico de cromado, se le aplica un proceso de
borado a las muestras de cada material con un régimen
determinado de temperatura, durante 6 y 8 horas de exposición. La selección
de las variables y
niveles a investigar se hizo a partir de los resultados obtenidos
en investigaciones
anteriores y de las recomendaciones de la bibliografía
consultada [5, 9], los cuales nos revelan que el incremento de la
temperatura, produce un incremento de dos veces el espesor de la
capa cromoborada.
Para lograr la saturación con boro se utilizan
temperaturas superiores a los 1000 oC según [1,
8]. El tiempo de permanencia tiene una influencia menos marcada,
en la selección de los tiempos de borado se parte del
criterio que menores de 2 horas las capas de boruros son
prácticamente insuficientes y no son útiles
tecnológicamente, sin tener en cuenta que resultan muy
complejos los métodos de
investigación [3, 10]. Una vez extraídas las
muestras del crisol se enfriaron directamente en agua hirviendo a
la temperatura de borado, obteniéndose así una
estructura
martensítica en la matriz de la
muestra.
(Anexos 3, 4)
Para el estudio de las muestras la estructura de la
superficie fue observada con la ayuda del microscopio
metalográfico, el incremento de la dureza superficial de
los aceros se midió empleando un
microdurómetro.
Valoración de los Resultados.
Caracterización de la capa
cromada.
La deposición galvánica de cromo sobre los
aceros 1045 y O1 se realizó empleando un tiempo de
exposición de 180 min, para obtener el espesor de capa
recomendado, al realizar el análisis metalográfico se
determinó que el espesor de la capa obtenida oscila entre
20 y 25 m m.
El comportamiento de la dureza máxima en la
superficie de las capas cromadas oscilan alrededor de 902 HV,
esta capa esta compuesta por enlaces de cromo hexavalentes y la
microdureza se comporta estable en toda su extensión,
observándose defectos en el recubrimiento cromado, al
existir poros enmascarados que solamente son apreciables durante
el análisis metalográficos.
Morfología de la capa
obtenida.
En el análisis de la morfología podemos
apreciar una capa homogénea de configuración
irregular en su superficie y de color blanco
brillante (anexo
3). La cual tiene una profundidad entre 13.5 y
15 m m, esta capa se observa en todos
los regímenes de borado empleados, aunque su espesor
varía para uno y otro (figura 1).
Los elevados valores de
microdureza los cuales oscilan alrededor de los 2250 HV, y la
información extraída de la literatura consultada,
permite suponer que esta capa debe encontrarse conformada por
carboboruros complejos de cromo del tipo (Cr B
Fe)23C6 y (Cr B
Fe)7C3, debido fundamentalmente a que se
logró unir los dos frentes difusivos, o sea la
difusión del carbono desde
el núcleo hasta la capa cromada y la difusión del
boro desde la superficie hacia el interior de la capa
cromada.
Figura 1. Variación de los espesores de la
capa cromoborada para los diferentes regímenes de
borado.
Espesor(m
m)
Comportamiento de la
microdureza.
Al concluir la aplicación del proceso de borado
en las muestras, la microdureza en la capa cromoborada
alcanzó valores de aproximadamente 2245 – 2289 HV
para un régimen de borado de 1000 o C con 8
horas de permanencia, la variación del tiempo tiene una
repercusión directa en la microdureza de las capas
(Anexo 3) pues para 1000
o C con 6 horas de permanencia los valores no rebasan
los 2112 HV, para temperaturas inferiores a 1000 o C
las capas que se forman son tan delgadas que no permiten realizar
los ensayos de
microdureza.
En el acero 1045 la microdureza de la capa cromoborada
es inferior a los resultados obtenidos en el O1 (Anexos
1, 2), llegando a valores que
oscilan alrededor de los 1989 HV.
Este comportamiento se explica porque el acero 1045 no
posee elementos de aleación como Mn y W además su
contenido de carbono resulta inferior que en el O1 (según
diversos autores el incremento del contenido de carbono redunda
en aumento de los valores de microdureza. [6, 7].
Influencia
del tiempo de permanencia en el espesor de las capas
difusivas.
En las dimensiones de la capa cromoborada, el factor
tiempo de permanencia, no ejerce una influencia
significativa (figura
1) manifestándose que para un mismo acero
con diferentes tiempos de exposición, la capa cromoborada
aumenta solo en 1 m m, por lo que
podemos deducir que la mayor influencia estará dada por
los valores de microdureza alcanzados.
Una vez estudiado el proceso de cromoborado y
corroborado que resulta posible obtener capas difusivas de boro
empleando como metal base capas de cromo electrodepositadas,
podemos constatar la importancia del mismo en la esfera
ambiental, ya que el mismo puede ser utilizado en la
recuperación de piezas desgastadas pues no siempre es
necesario fabricar una pieza nueva, si podemos emplear un
recubrimiento metálico que me proporcione las mismas
características y dimensiones que tenía la pieza en
explotación, también nos permite no tener que
mecanizar una pieza determinada de un material costoso, sino que
basta con asegurar en la superficie las características de
dureza y así utilizar el material en su totalidad, otro de
los aspectos que económicamente nos permiten explotar el
proceso es que este es ampliamente utilizado con el fin de
mejorar el deslizamiento de piezas sobre sus guías,
reducir el desgaste y aumentar durabilidad de los elementos,
otorgándole a las piezas mayor dureza, exigente acabado
liso con brillo al espejo y con alta precisión,
dándole mayor resistencia al desgaste al material,
también podemos concluir que la aplicación del
proceso de borado sobre la capa electrodepositada de cromado
duro, permite la formación de una capa cromoborada con
valores de microdureza entre 1989-2289 HV(25). y que
la temperatura optima a utilizar es de 1000ºC, utilizando un
tiempo de exposición de 8h para cualquiera de los aceros
utilizados.
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Las Villas. Cuba.
Anexo 1.
Variación de la microdureza para los diferentes
regímenes de borado en el acero 1045.
Anexo 2
Variación de la microdureza para los diferentes
regímenes de borado en el acero O1.
Anexo
3. Acero 1045. Cromoborado
Fotos Metalográficas
(x500)
Anexo 4. Acero O1.
Cromoborado
Autor:
Ing. Carlos F. Sánchez Cabrera.
Profesión: Ingeniero Mecánico, Profesor
Asistente.
Fecha de realización: 2003
Centro de procedencia: Universidad Central "Marta Abreu"
de Las Villas.
Facultad de Ingeniería Mecánica. Departamento de Procesos
Tecnológicos.
Carretera a Camajuaní Km 5.5 Santa Clara Villa
Clara Cuba
Categoría: Ciencia y
Tecnología