Nitrurado, cementado y borurado 316L.pdf

CARACTERIZACIÓN DE MATERIALES

Recubrimientos termoquímicos en acero 316L , cementado, nitrurado y borurado Tomas De la Mora Ramírez, Daniel Sanchez Huerta 2 ,Luis Alonso Sánchez Ortiz3 

RESUMEN

Los aceros inoxidables austeníticos son conocidos por su alta resistencia a la corrosión siendo ampliamente utilizados en la industria alimenticia, química y biomédica. Sin embargo presentan una pobre dureza superficial y resistencia al desgaste, lo que limita su campo de aplicación en equipamientos y mecanismos donde esta propiedad es requerida. Los tratamientos termoquimicos de Nitrurado, Cementado y Borurado tratamientos ampliamente utilizado que provee a la superficie de los materiales tratados una buena resistencia a la fatiga y al desgaste.

ABSTRACT The austenitic stainless steels are known for their high resistance to corrosion being widely used in the food, chemical and biomedical. However have a poor surface hardness and resistance to wear, which limits its field of application in equipment and mechanisms where this property is required. Nitriding thermochemical treatments, hardened and widely used treatments Borurado that provides surface treated materials good resistance fatigue and wear. Palabras claves: Cementado, nitrurado, borurado, acero 316 L, biomédica, Termoquiímico

1. INTRODUCCIÓN Los aceros inoxidables austeniticos, especialmente el tipo 316L es el material más ampliamente usado en la fabricación de implantes por su costo, facilidad de fabricación y soldadura en comparación con las aleaciones Co-Cr, Ti y sus aleaciones. El acero inoxidable 316L posee una resistencia a la corrosión aceptable, biocompatibilidad, resistencia a la tensión y fatiga, y densidad adecuada para propósitos de soporte de carga haciendo de este material un material deseable para implantes quirúrgicos El tratamiento termoquímico de borurización es relativamente un proceso nuevo pero ha encontrado una gran aceptación debido a su principal ventaja que es la alta resistencia al desgaste sobre los demás tratamientos termoquímicos superficiales además de que es un proceso fácil de aplicar en la superficie de diferentes aleaciones 

¹Univerisdad Autónoma del estado de México, Facultad de Ingeniería, [email protected]  ²Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Ingeniería, [email protected] Instituto Politécnico Nacional, ESIME, [email protected]

ferrosas y no ferrosas es por eso el gran interés de aplicar este proceso en diferentes aplicaciones industriales Se le realizo el proceso de cementado al acero AISI 316 L, sin embargo como este es de bajo carbono no tiene buena adherencia y por consiguiente no es de importancia

Tabla 1. Composición nominal del acero AISI 316L bajo estudio. C

Si

Mn

P

S

Cr

Mo

Ni

≤0,03

≤1,00

≤2,0

≤0,04

≤0,01

16,50 18,50

2,00 2,5

10,00 13,0

2. METODOLOGIA. En un análisis metalográfico el resultado depende mucho de la preparación de la muestra. La selección del material para el estudio estará en razón de la información que se quiera obtener, pero debe existir una comparación entre un antes y un después o con una probeta del material próximo a la falla y otra del material normal. Las muestras deben de ser identificadas correctamente para evitar la mezcla de resultados. La figura 1 muestra las probetas estudiadas para realizar el estudio metalográfico.

1a 1b 1c La figura 1. Muestra las probetas de acero inoxidable AISI 316 L Nitrurada, 1b cementada, 1c borurado El diámetro de las probetas cilíndricas está en un rango entre 11.11 mm y un espesor de 5 mm, un tamaño adecuado para el microscopio electrónico de barrido 2.1 Equipo a utilizar Para poder comprender la organización de los procesos llevados a cabo para el análisis metalográfico, se describe a continuación los procedimientos, equipo y consumibles utilizados.

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A. Lijas Para Realizar Un Esmerilado O Pulido. Se inició con el procedimiento de un lijado burdo. Las tres muestras fueron desbastadas con papel lija del No 200 y 320 para quitar irregularidades en las caras de la probetas.

Para realizar un pulido intermedio, después de un montaje adecuado, la muestra se pule sobre una serie de hojas de lija, con abrasivos más finos sucesivamente. Generalmente, las operaciones

de lijado se hacen con papel de lija que tiene goma y por lo tanto, se puede utilizar agua como lubricante y como refrigerante, para impedir el sobrecalentamiento de la muestra. Las lijas que se utilizan son: a) Lija No 200 b) Lija No 320 c) Lija No 400 d) Lija No 600 e) Lija No 1 000 f) Lija No 1 200 g) Lija No 1 500. Para darle el pulido y acabado requerido para la metalografía se utilizaron lijas a partir del No. 400 hasta la 1500, utilizando como lubricante agua. La figura 2 muestra algunas de las lijas utilizadas en el desbaste y pulido.

Figura 3 Pulidora con paño para el acabado fino de las probetas

B. Microscopio Metalográfico. La caracterización de la microestructura se llevó a cabo mediante el uso de un microscopio óptico invertido (ZEISS AX10)como lo muestra la figura 4 , teniendo en su revolver lentes de 100X, 250 X, 500X y 1000X.

Figura 4 del microscopio óptico invertido utilizado en las pruebas metalográficas. C. Reactivos Químicos. En los ensayos de metalografía se hace uso de varios reactantes químicos que son importantes porque al entrar en contacto con el material que va ser observado en el microscopio (SAE 1018 normal, aluminizado y acero API X-70) las microestructuras que lo forman sea más visibles por medio de dicho instrumentos para esto dos aceros los compuestos químicos que se van a utilizar según las normas ASTM son:

Figura 2 muestra algunas ligas que se utilizaron en el desbaste y pulido con agua.

Tabla 3 reactivos químicos utilizados para atacar los diferentes aceros

El pulido fino (acabado espejo), se obtiene mediante una rueda giratoria húmeda cubierta con un paño especial cargado con partículas abrasivas como lo muestra la figura 3. El abrasivo utilizado fue el óxido de aluminio, ya que es el más utilizado para pulir materiales ferrosos.

2.2 Ataque químico de las probetas.

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Después de una adecuada preparación superficial, la muestra metalográfica fue limpiada con alcohol para evitar que quedaran partículas sobre la superficie que puedan interferir en el momento de visualizar la probeta en el microscopio óptico. Para las probetas de acero AISI 316L duración del ataque con Prical (ver figura 5) durante 8 minutos en ácido pícrico (ver figura 5), durante estos intervalos de tiempos, la superficie atacada cambia de tonalidad haciéndose más opaca. Una vez concluido el ataque la muestra se enjuaga en chorro de agua y se seca empleando algodón limpio.

En esta última etapa se podrá apreciar la coloración final y definitiva de la muestra metalográfica, que muchas veces suele diferir bastante de la coloración obtenida en la muestra húmeda inmediatamente después de su remoción de la solución de ataque..

Figura No. 6 Muestra un Prueba según norms VDI 3198 con indentador punta diamante dureza ROCWELLC. La siguiente figura No. 7 muestra la forma en que se realizaron las pruebas de identacion con un durómetro de la marca Starret con una carga de 1471 (figura No. 8)

Figura No. 5 Reactivo de ataque utilizado. 2. 3 Observación microscópica Las muestras se observaron en el microscopio óptico de platina invertida. Las muestras se examinan ajustando la iluminación (campo claro) y filtros de luz para regular la brillantez de la imagen. También se puede emplear luz polarizada y contraste interferencial del software para intensificar el contraste entre fases. El registro se lleva a cabo con película fotográfica digital en blanco y negro.

Figura No.7 Prueba de indentación según norma VDI 3198

3.- DUREZAS ROCWELL C. Se les aplico una dureza a cada uno de las muestras con una carga de 1471 kg según prescrita en la norma VDI 3198. El principio de este método se presenta en la la figura No. 6. Un indentador de diamante cónico penetra en la superficie de un compuesto recubierto, induciendo así una deformación plástica masivo para el sustrato y la fractura del recubrimiento. Como en cada ensayo de indentación, la regla 1/10th debe ser logrado, y por lo tanto el espesor de la muestra total debe ser al menos diez veces mayor que la profundidad de indentación. El tipo y el volumen de la zona de fallo de revestimiento, exhiben en una primera vista de la adhesión de la película y en segundo lugar su fragilidad. Figura No. 8 durómetro de la marca Starret donde se realizaron las pruebas de identación. Se realizaron a cada una de las muestras de borurado, cementado y nitrurado tres indentaciones para identificar el grado de adherencia

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del tratamiento termoquímico. La figura No. 9 muestra las pruebas de indentacion de las probetas boruradas, donde se observa las tres marcas del penetrador de diamante. La dureza que presentaron fue muy baja, las muestras que presentaron mayor grado de dureza fueron las muestras cementadas la cual fue de 60 HRC seguidas de las nitruradas con 53 HRC.

Figura No.9 muestras boruradas con tres identaciones cada una, mostro una dureza HRC nula.

4. METALOGRAFIAS DEL ACERO AISI NITRURADO, CEMENTADO Y BORURADO

Figura No. 11 metalografía muestra 2 del acero AISI 316 L Borurada con un aumento de 100X

316L

La observación metalográfica se llevó a cabo en la sección transversal de cada una de las muestras, empleando un microscopio óptico ZEISS AX10 de platina invertida. La observación y posterior registro fotográfico se realizó con iluminación y el empleo de filtros de color en caso que se requieran. El registro fotográfico se efectuó empleando una cámara fotográfica, acoplada al microscopio. Las siguientes fotografías muestran el material del acero AISI 316L Borurado. La figura 10 muestra grietas circulases provocadas por el penetrador de diamante.

La muestra boruradas con agrietamiento circular se encuentran dentro de las fallas aceptables según la norma VDI 3198. Las Siguiente fotografía muestra es del acero AISI 316L Cementada donde indica pequeñas grietas originadas por el penetrador de diamante, según la norma VDI 3198 es una muestra aceptable.

Figura No. 10 metalografía del acero AISI 316 L cementada con un aumento de 100X. Figura No. 10 metalografía del acero AISI 316 L Borurada con un aumento de 100X. La figura No. 11 Muestra una segunda prueba de indentacion presentando la misma morfología de agrietamiento circular

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Figura No. 11 metalografía del acero AISI 316 L cementada con un aumento de 100X.

Figura12. Metalografía a 100X presentando grietas en las zonas marcadas.

Según la Norma VDI 3198 está dentro de una falla aceptable. La figura No.11 muestra nulas grietas en la periferia de la indentacion lo que significa que tiene una muy buena adherencia al acero. La aplicación principal del acero AISI 316 L cementado es la de mejorar la resistencia a la corrosión y al aumento de la resistencia al desgaste en las prótesis implantadas en humando, donde la presencia de líquidos y la fricción continua buena protección superficial.

Figura No. 13 Probetas nitruradas pulidas.

requieren de una 5. CONCLUCIONES. La finalidad del presente proyecto es realizar una prueba de adherencia, mediante los tratamientos termoquímicos mediante la metodología de indentacion mediante un durómetro Rockwell C basado en la norma VDI 3198 de fácil comparación. En el microscopio óptico invertido, se observo la cantidad y tipo de agrietamiento de cada una de las probetas con los diferentes tratamientos termoquímicos de borurado, cementado y nitrurado. Cabe resaltar que el de menor adherencia según la cantidad de grietas es el tratamiento de borurado seguida del nitrurado y con mayor adherencia es la del cementado . Final mente se concluye que el borurado es un tratamiento superficial que no ayuda a la protección del acero base al impacto, solo a fricción.

REFERENCIAS Y BIBLIOGRÁFICAS Figura No. 11 Muestra de las imágenes comparativas de las huellas de indentacion según norma VDI 3198.

1.Introducción a la metalurgia Física; Sidney H. Avne: segunda edición; editorial McGrawHill; 1988.

De las imágenes de 100X Nitruradas se observa en la figura12 notamos que se observan fisuras grandes pero escasas indicando una buena adherencia del nitrurado al acero 316 L

2. The VDI-3198 indentation test evaluation of a reliable qualitative control for layered compounds

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