Estudio de endurecimiento del acero al carbono AISI – 1045 por rodadura

Hardening study of the steel to the carbon AISI-1045 for rolling.

1. Resumen
3. Fundamentación teórica
4. Materiales y método
5. Análisis de los resultados
6. Conclusión
7. Bibliografía

RESUMEN

En este trabajo se analizará los trabajos precedentes al tema endurecimiento por deformación plástica del acero AISI-1045, mediante rodadura, provocado por la acción de un dispositivo auxiliar tensómetro, luego se hará la planificación de la corrida experimental, por medio del método de planificación de mitrofanov 1985. Luego se aplicó el método de rodadura como se describe posteriormente, luego se hizo el tratamiento de los resultados utilizando el Exel – 2000. Obteniendo resultados muy Satisfactorios.

PALABRAS CLAVES: RODADURA, ENDURECIMIENTO, ACEROS, MODELACIÓN, DUREZA.

ABSTRACT:

In this work will be analyzed the preceding projects the topic hardening by plastic deformation of the steel AISI-1045, through tread, provoked by the action of an auxiliary device tensómetro, then will be made the planning of the experimental bullfight, by middle of the planning method of mitrofanov 1985. Then it was applied the tread method as is described thereinafter, then was made the treatment of the results using the Exel – 2000. Obtaining resulted very Satisfactory.

KEYWORD: ROLLING, HARDENING, STEELS, MODEL, HARDNESS.

INTRODUCCIÓN

Hoy en día, expuesta la industria a un cambiante y cada vez más competitivo escenario económico, nos encontramos con la realidad de que valiosos recursos productivos no son utilizados eficientemente, debido a que el enemigo número uno de la industria, el desgaste, se ha encargado de retirarlos prematuramente de servicio.

Ahí es donde se está presente ante dos alternativas. Ellas son:

a) Aceptar las desastrosas consecuencias económicas del desgaste, declarándonos derrotados ante dicho enemigo para luego proceder a alimentar el patio de desechos y solicitar un componente nuevo dado que el original ya cumplió su vida útil.

b) Declarar un estado de guerra permanente contra el desgaste y efectuar un análisis técnico económico respecto a la 2 posibilidad de recuperar partes y piezas para retornarlas nuevamente a servicio.

1. La aplicación de un recubrimiento protector antidesgaste el cual puede aplicarse preventivamente en el componente nuevo o como parte de un proceso de recuperación de la pieza, o la preparación preliminar de la superficie de modo que inicie su explotación condiciones más favorables.

2. La reparación con soldadura de partes y piezas que han sufrido roturas y desprendimiento.

A pesar de la gran variedad de factores que influyen en la situación planteada, tales como: tipo material, acabado superficial, régimen de explotación, etc. se distingue por su significación en el alargamiento del período efectivo de trabajo de estos elementos, las propiedades mecánicas y tecnológicas que puedan desarrollar.

Una de estas propiedades es la dureza, la cual alcanza valores considerables, que debían garantizar las condiciones de longevidad durante la explotación de los mismos, prácticamente al finalizar su etapa de vida útil. El acero AISI-1045 es considerado en la práctica industrial como un material de buena calidad que combina elevada tenacidad – ductilidad con una gran capacidad de endurecimiento por deformación y una elevada resistencia al desgaste a pesar de su relativa baja dureza, (Varela, 2003.

El acero AISI -1045 puede logra unificar las propiedades de resistencia al desgaste en consecuencia constituye el material idóneo para garantizar la asignación de servicio de estas piezas ya que es un material con facilidad de conformar su costo de producción es bajo y ofrece buenas condiciones de trabajo al desgaste teniendo en cuenta su tendencia al endurecimiento por deformación plástica, no obstante en las condiciones en que se ofertan en el mercado dichos elementos fabricados de este material, no se garantiza la dureza requerida antes de su puesta en explotación.

Como el comportamiento del acero AISI-1045, en condicione de aplicación del método de endurecimiento por rodadura no se explica, en el siguiente trabajo se propone realizar un análisis del comportamiento de la macrodureza de este acero cuando se aplica este método.

Las teorías existentes en las bibliografías consultadas no explican las regularidades del comportamiento de la macrodureza del acero AISI-1045, en condiciones de deformación por rodadura.

El acero al carbono AISI – 1045, incrementa su macrodureza en presencia de rodadura provocadas por la acción de un dispositivo auxiliar (tensómetro), existiendo correlación entre las variables aleatorias velocidad del husillo, (X1) presión del dispositivo, (X2) y la variable no aleatoria dureza brinell, (HB.

FUNDAMENTACIÓN TEÓRICA.

La Tribología es un termino usado a finales del siglo XX se deriva de la palabra griega tribos que significa "frotar o rozar". Hoy en día es un término usado universalmente para la ciencia que estudia la fricción, el desgaste y la lubricación de superficies en contacto. Para entender a la tribología se requiere de conocimientos de física, de química, y de la tecnología de materiales. Las tareas del especialista en tribología (tribólogo) son las de reducir la fricción y desgaste para conservar y reducir energía, lograr movimientos más rápidos y precisos, incrementar la productividad y reducir el mantenimiento.

Aplicaciones: La tribología está presente prácticamente en todas las piezas en movimiento tales como:

• Rodamientos • Chumaceras • Sellos • Anillos de pistones • Embragues • Frenos • Engranes • Levas

Fundamentos de la Tribología. La Tribología se centra en el estudio de tres fenómenos: la fricción entre dos cuerpos en movimiento, el desgaste como efecto natural de este fenómeno y la lubricación como un medio para evitar el desgaste. En este capítulo se abordará el problema del desgaste entre superficies en contacto, y el empleo de un método de endurecimiento mediante deformaciones plásticas superficiales, para evitar que piezas y partes de un equipo sufran deterioro prematuro a consecuencia del desgaste.

Generalidades acerca del acero AISI-1045. Y su empleo industrial en Cuba.

El empleo industrial de este material en nuestro país es muy difundido, porque tiene aplicación tanto para construcción de armaduras, de vigas, pasadores, el mismo presenta, una fácil maquinabilidad, buena soldabilidad, no es necesario aplicar métodos especiales para la soldadura, es un acero muy dúctil, forjable alcanzando valores de dureza de 56-58 HRC, es un acero medio de contenido carbono, su producción es nacional el cual requiere de un valor mínimo de costo de producción. Por consiguiente este en un material muy adecuado para ejes, pasador, tornillos, etc. (Bengton, 1991.

MATERIALES Y METODO.

Este capítulo desarrolla los conceptos fundamentales relacionados con el método utilizado en la investigación, la justificación de su empleo y las variables que lo caracterizan con sus niveles correspondientes.

Material a utilizar.

Se utilizará para el material de las probetas un acero según la norma AISI-1045, con una tensión admisible a la rotura [s adm] de 62 kgf / mm2, dureza de 170HB.

Composición química del acero AISI 1045, obtenido del espectómetro cuántico óptico o espectómetro de masa ubicado en la Empresa Mecánica del Niquel; " Comandante Gustavo Machín Hoed de Beche" , Moa.

Tabla. Composición del acero 1045 obtenido del cuantómetro de las probetas.

Método de deformación plástica por rodadura.

El endurecimiento por rodadura se produce al trasladar una rueda o rodillo de radio R sobre una superficie, de forma tal que al rotar un ángulo θ, el eje de la rueda se desplaza respecto a la superficie una magnitud rθ, produciιndose un movimiento denominado rodadura sin deslizamiento o rodadura pura, deformando el material a lo largo de la superficie formando surcos o cuellos en forma de espiral.

Este método se emplea por las siguientes razones:

1. El costo del proceso es muy bajo.
2. El consumo de energía es mínimo.
3. Es aplicable a piezas que tengan configuración cilíndrica.
4. Se puede realizar sin necesidad de un equipo especial.
5. El tiempo de operación es muy corto.

Método estadístico de planificación de experimento.

Para la planificación de experimentos se utilizó el método factorial completo (mitrofánov, 1982), que permite estimar los efectos lineales y los efectos de interacción con un gran número de variables independientes. Los experimentos factoriales permiten combinar al mismo tiempo todas las variables.

El número de experimento cuando intervienen k factores con tres niveles cada uno (-1, ∆, +1), se determinan con un arreglo de la función exponencial:

N = 3k…………………………………………………………………………… [1]

Donde:

N = Número de experimentos.

K = Número de factores.

En este caso, se analizará la influencia de dos factores, de aquí que k = 2, y tres niveles luego, el número de experimento sería: N = 32 = 9 experimentos. Con tres replicas. Para un total de 27 experimentos.

Tabla. Matriz de planificación de experimentos.

Para la realización del experimento es necesario realizarlo en el torno C11-MT ya que la configuración de la pieza es cilíndrica lo que me permite su uso.

El dispositivo utilizado (tensómetro) tiene el mango igual al de una cuchilla del torno, lo que es muy fácil su montaje en el carro porta herramientas, está provisto de un reloj para medir la presión que se ejerce.

Estas son:

X1= velocidad del husillo.

X2= presión del rodillo sobre la probeta.

YI= dureza obtenida del ensayo.

Los niveles escogidos son:

• Nivel superior (+1): 110 rev/min.

• Nivel medio (∆): 54 rev/min.

• Nivel inferior (-1): 27 rev/min.

La variable x1 (velocidad del husillo) determina una de las principales característica del torno C11-MT. En el se tiene un rango de velocidades prefijadas en el pasaporte de la máquina, además forma parte del principio de la formación del desgaste, por lo que se tiene presente a la hora de realizar el experimento.

X2 (fuerza del rodillo sobre la probeta) se utiliza ya que la presión es un factor determinante en el fenómeno de endurecimiento su valor mínimo está referido cuando comienza a deformarse el material o a formar surcos, su valor máximo está referido de acuerdo con la máxima carga admisible por el tensómetro.

ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS.

Para el análisis de los resultados de la medición fue necesario el uso del medidor de dureza rockwell, y luego la tabla de conversión UTP, así como el uso del software gretl-2004, el cual posibilitó el procesamiento de los datos, tanto gráficos como analíticos.

Condiciones de medición.

1. Antes de medir es necesario limpiar minuciosamente las superficies de medición.
2. La medición debe efectuarse a una temperatura mayor de 200C.
3. La escala debe de corregirse al cero.

Las 81 mediciones de dureza se realizaron en el laboratorio de ciencia de los materiales, por el método Rockwell (HRC), modelo 2018TP, que luego convertimos en Brinell (HB) con ayuda de la tabla de conversión de dureza de la firma UTP.

Antes del ensayo por rodadura se realizaron mediciones de dureza en las probetas, el valor medio de las mediciones de dureza obtenido es: 170 HB.

Como se panificó en el capitulo anterior en cada una de las 27 probetas se realizaron 3 mediciones de dureza, a una distancia la primera de 5 mm de la cara dónde comenzó el rodillo del tensómetro a deformar (HB1), la segunda a 30 mm de la primera (HB2), y la tercera a 30 mm de la segunda (HB3). Cada uno de estos valores de dureza en cada una de las posiciones referidas. Finalmente realizada la corrida experimental se obtienen los siguientes resultaos:

Análisis de los Resultados.

Para el análisis de los resultados se le hizo el análisis de varianza para determinar el nivel de significancia de las variables involucradas, para un nivel de confianza de 95%.

Análisis de varianza.

Tomando como referencia la base de datos, resultado de las 81 mediciones de dureza realizada, procedimos a la realización del análisis de varianza para evaluar el nivel de significación de las variaciones provocadas por los diferentes experimentos.

El resultado obtenido se muestra a continuación:

Como se puede apreciar, la probabilidad para variaciones por muestras es menor de un 0.05 %, para variaciones por columnas es del 96 % y para variaciones por interacción es del 98 %. Estos resultados permiten arribar a las siguientes conclusiones:

El hecho de que la probabilidad para variaciones por muestras sea menor que 0.05 %, indica que las diferencias provocadas por las variaciones de los factores X1 y X2 (velocidad del husillo y presión del tensómetro sobre la probeta) para cada experimento, son significativas. Esto quiere decir que las variaciones de estos factores tienen gran influencia en los valores de dureza que se obtengan.

El hecho de que la probabilidad para variaciones por columnas sea del 96 %, indica que las diferencias provocadas en cada experimento no son significativas.

Esto quiere decir que las variaciones en los valores de las mediciones en cada probeta, son pequeñas y no son provocadas por las variaciones de los factores X1 y X2 (velocidad del husillo y presión del tensómetro sobre la probeta), sino por otros factores aleatorios no tenidos en cuenta.

El hecho de que la probabilidad para variaciones por interacción sea del 98 %, indica que las variaciones provocadas por los diferentes experimentos (valores de velocidad del husillo y fuerza ejercida por el rodillo, (X1 y X2), entre cada columna (o posición de la medición), no son significativas es decir, tienen tendencia a ser iguales.

Esto confirma el criterio de que lo determinante en las variaciones de la dureza del acero AISI-1045, son los factores (X1 y X2, velocidad del husillo y fuerza ejercida por el rodillo). Los cuales son significativas y se puede realizar el análisis de regresión con un grado confianza de 98%. Por otra parte se puede asegurar que la dureza promedio cada probeta caracteriza fielmente esta magnitud con independencia de la posición haya sido realizada la medición.

Análisis de la interrelación entre todas las variables.

Hasta ahora es necesario conocer si todas las variables involucradas se pueden incluir en un mismo modelo matemático que refleje la interacción entre todas. Para ello, se coloca en una misma matriz todas las varianzas con los resultados de salida y se aplica la regresión.

Análisis de Regresión de X1 X2.

Tabla. Regresión de X1 X2.

HB = 277,705 + 0,000738402X2 – 0,131783*X1

CONCLUSIÓN

El acero AISI-1045, por el método de rodadura, el cual según los cálculos realizados es un método muy económico y eficiente, es endurecible. Según los análisis realizados se tiene que el modelo matemático tiene una aceptación del 96%, lo que indica que existe un 4 % que no se justifica por este método por razones que no se tuvieron en cuenta.

Existe tendencia al incremento de la dureza en la misma medida en que se incrementan los valores de X2 (presión del tensómetro) y disminuyan los X1 (velocidad del husillo), lo cual confirma la hipótesis científica preliminarmente planteada. Sólo para 27 rev/min y F = 2500 kgf, cuando se alcanzan los valores extremos de dureza.

BIBLIOGRAFIA

1. Alvarez, L y J. González. Máquina para el estudio del desgaste abrasivo en pares tribológicos. Revista construcción de maquinaria. Santa Clara, No2: 69-76,1993.
2. Andrés, M. de. Desgaste mecánico: aspectos metalúrgicos y modo de acción en engranajes y piezas de automóvil. Revista de metalurgia. Madrid, Vol 17, No 4: 231-243, 1981. Disponible en la World Wide Web. http://www.metallography.com/bboard/forum.html
3. Arturo J S. breve introducción al calculo y a la teoría de elasticidad. Tomo I Moscú. Editorial Mir. 1985.
4. Bayoume, M. R. Effect of surface finish on fatigue strength. Engineering fracture mechanics. Vol 51. No 5: 861- 870. 1995.
5. Benchaita, M. T. Wear behavior of base oil fractions and their mixtures. Tribology Transactions. Vol 33 No 3: 371-383. 1900.
6. Bengton, U. Design requeriments materials properties: a basic for materials selection. American society for testing. USA: 230-250, 1991.
7. Berjano, S. Y J. Ordieres. Modelo de desgaste interno en cables de acero. Revista de minas. Madrid, No13: 19-23, 1996.
8. Bold, P.E. Shear mode crace grouwth and rolling contact fatigue. Wear. Vol 144: 307-317. 1991. Disponible en la World Wide Web. http://euclid.ii.metu.edu.tr/~mete222/index.htm
9. Clauser. H. R. Diccionario de materiales y procesos de ingeniería. Editorial Labor S.A. Barcelona. 1985.
10. Caubet, J.J.: "Teoría y Práctica Industrial del rozamiento". España, 1971.
11. Dehua, Y. The friction and wear of metals. Surface and coatings technology. Vol 63:43-48. 1994.
12. Dikshit, V. Investigation of rolling contact fatigue in a head hardened rail. Wear. Vol 144: 89-109. 1991.
13. Escanaberino, J M. Teoría y práctica del rozamiento. Ed. La Habana, 1986.
14. Gordón, J. y F. Martínez. Teoría y tecnología del tratamiento térmico. La Habana. Editorial pueblo y educación. 1990.
15. Govantes, G. Y G. Rodríguez. Relación entre el desgaste abrasivo, composición química y propiedades mecánicas de una familia de aceros inoxidables Al Cr-Ni-Cu-Al. Revista construcción de maquinarias. Santa Clara, No 1: 21-26, 1989.
16. Gudenau, H. W. Thermomechanical and thermochimical wear mechanismin the plast furnace heart. Journal of university of science and thecnology Beijing. China: 37-42. 1998. Web. http://www.monografías.com.
17. Gueorguievich, Y y K. Kiev. Comportamiento de desgaste hidroabrasivo corrosivo de algunas aleaciones (1ra parte). Revista construcción de maquinaria. Santa Clara, Vol 9, No 3: 53-78, 1981.
18. Guliaev, A. Metalografía. Tomo I y II. Moscú. Editorial Mir. 1978
19. Herrera, E. y J. Gallardo. Algunos casos prácticos de fallos metálicos relacionados con el desgaste. Revista de metalurgia. Madrid, Vol 22, No 4: 261-263, 1986.
20. Hirofumi, S. Effects of vibration characteris of measaureng systemon friction and wear. Japanese journal of tribology. Vol 33. No 5:578-585. 1900.
21. Jarquin, G. Análisis matemático del endurecimiento superficial con sales de boro. CDRom de las memorias del III Congreso Iberoamericano de Ingeniería Mecánica. La Habana. 1997.

Henrri Hernández González,

Técnico Superior Investigador.

Alexeis Sánchez Cruz,

Técnico Superior Investigador.

Yosvany Ferreiro Guerrero,

Técnico Superior Investigador.

Emilio Leyva Ramírez,

Investigador Auxiliar.

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Centro de Investigaciones Siderúrgicas.

Dique Norte, La Pasa, Nicaro, Mayarí, Holguín, Cuba