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

Enviado por csanchez

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

[1] Arait, T., Fujita, H., Sugimoto, Y., Ohta, Y. (1986). Los revestimientos de boruros de difusión formados sobre aceros en baño de Bórax fundido y propiedades resultantes [Abstract]. 9.

[2] Arbellot, L. (1969). Manual de Recubrimientos Electrolíticos. Barcelona. España..

[3] Bazille, P. (1977). Counaissancer actuelles sur la boruration [Abstract]. 1.

[4] Cortijo, O.; Cabrera, X. (1983). Folleto de Corrosión. Universidad Central Marta Abreu de Las Villas. Cuba.

[5] González Ruiz, J.E. (1999). Caracterización metalográfica de recubrimientos de cromo difusivos. Revista Ingeniería Mecánica. 1.

[6] Isakov, S. A., Kartoskin, V. M., Liajovich, L. S., Pajadria, V.P. (1985). Determinación de las condiciones de borado durante el calentamiento por un haz de láser. Revista Metalográfia y tratamiento térmico de los metales. 11.

[7] Lajtin, Yu; Arzamasov, B. (1985). Tratamiento químico térmico de los metales. En Nitruración: Saturación por difusión de las aleaciones con metales y no metales (Boro, Silicio). Mir Moscú.

[8] Liakhovich, C.S. (1981). Manual de Tratamiento Termoquímico de los metales y aleaciones. Mir Moscú. 1981.

[9] Riascos Henry. (2000).. Estudios de las líneas espectrales de un plasma producido por un laser pulsado. Trabajos Presentados. Universidad Tecnológica de Pereira.

[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