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Estudio del proceso de cromoborado en los aceros AISI O1 y 1045




Enviado por csanchez



    1. Resumen
    2. Summary
    3. Materiales y
      Métodos
    4. Operaciones y criterios
      tecnológicos.
    5. Caracterización
      de la capa cromada
    6. Morfología de la capa
      obtenida.
    7. Comportamiento de la
      microdureza.
    8. Influencia del tiempo de
      permanencia en el espesor de las capas
      difusivas.
    9. Conclusiones
    10. Bibliografía
    11. 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.

    Summary

    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.

    Introducción

    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.

    Conclusiones

    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.

    Bibliografía

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    Trabajos Presentados. Universidad
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    [10] Ríos, V.Y. (1996).
    Características del Borado monofásico en
    aleaciones base hierro
    . Universidad Central Marta Abreu de
    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

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