Acero Aisi 4140 4g314k

INSTITUTO TECNOLOGICO DE SALTILLO

ACERO AISI 4140 Caracterización Estructural Catedrático: M.C Dolores García de León

Alumno: Guía Hernández Luis Antonio

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Contenido OBJETIVOS ......................................................................................................... 3 INTRODUCCION ................................................................................................. 4 II MARCO TEORICO ........................................................................................... 5 2.1 Acero.............................................................................................................. 5 2.1.2 Horno de Arco Eléctrico .............................................................................. 6 2.1.3 Proceso de laminación de barras de acero ................................................. 7 2.2 Acero AISI 4140 ............................................................................................. 8 2.2.1 Clasificación ................................................................................................ 8 2.2.2 Efectos de los elementos de aleación ......................................................... 8 2.2.3 Composición Química ................................................................................. 9 2.2.4 Preparación de Muestras Metalográficas .................................................... 9 III PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ............................................................ 13 APLICACIONES ACERO AISI 4140 .................................................................. 16 IV MICROESTRUCTURAS ................................................................................ 17

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OBJETIVOS Obtener las habilidades básicas de caracterización (cortar, montar, desbastar, pulir y atacar) en una muestra de acero (AISI 4140).

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Aprender a utilizar correctamente el equipo de laboratorio necesario para la caracterización del material a analizar.

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Adquirir los conocimientos necesarios para preparar una muestra metalográfica, partiendo de la teoría vista en clase y aplicándola en la práctica de laboratorio.

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Conocer la microestructura de un acero AISI 4140.

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Reconocer las fases presentes en el material y relacionar los resultados obtenidos con la bibliografía consultada.

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INTRODUCCION En el presente trabajo se da a conocer el proceso realizado para la caracterización estructural de un de un acero AISI 4140, desde su preparación metalográfica; corte, montado, desbaste, pulido, ataque químico e identificación de la microestructura revelada. Cada uno de estos pasos del proceso se llevaron a cabo en el Laboratorio de Pruebas y Ensayos del Instituto Tecnológico de Saltillo. El acero es un material relativamente fácil para caracterizar, sin embargo, se deben de tomar en cuenta ciertas características y cuidados para lograr obtener una muestra metalográfica correctamente caracterizada, de lo contrario, no se podrá llegar a los resultados esperados o los mismos serán de una baja calidad. En general, en el presente trabajo, se lograran identificar y describir cada uno de los pasos a seguir para la correcta caracterización de una muestra de acero AISI 4140. Los cuidados de higiene y seguridad serán abordados, así como, el uso del instrumental de laboratorio, su cuidado y trato hacia la pieza. Los pasos realizados, los métodos utilizados, así como, las conclusiones plasmadas y definidas en este trabajo son producto de una base teórica fundamentada en el salón de clases y llevada a la práctica bajo la estricta y adecuada supervisión del docente a cargo. El proceso de preparación de la muestra, corte, pulido y ataque es un proceso que necesita tiempo y dedicación, debe ser llevado a cabo con paciencia para poder garantizar un trabajo de gran calidad, y de igual manera, un alto grado de veracidad en los resultados obtenidos.

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II MARCO TEORICO 2.1 Acero Se reserva el nombre de acero a las aleaciones hierro – carbono de entre un 0,008% y 2,11% en peso de carbono, aunque en la práctica ésta concentración raramente excede del 1%. Cuando el porcentaje supera al 2,11% y hasta el 6.67% en peso de carbono la aleación recibe el nombre de fundición. Para identificar un acero, hay que tener en cuenta los aleantes que posee y la cantidad de los mismos. Según IRAM, la forma de identificarlos es mediante un código de cuatro números en el cual los primeros dos indican los aleantes (no carbono) y el segundo par indica el porcentaje de carbono. En el caso de un acero con más de un 0,99% de carbono el código se extiende a cinco números en el cual los últimos tres representan la cantidad de carbono.

Códigos de identificación de las series de aleación para aceros, según los métodos IRAM - SAE - AISI:

10xx Aceros al carbono: básicos de hogar abierto y Bessemer ácidos. 11xx Aceros al carbono: básicos de hogar abierto y Bessemer ácidos, azufre alto, fósforo bajo. 12xx Aceros al carbono: básicos de hogar abierto, azufre alto, fósforo alto. 13xx Magnesio 1,75. 40xx Molibdeno 0.2 o 0.25. 41xx Cromo 0.5, 0.8 o 0.95 y molibdeno 0.12, 0.2 o 0.3. 43xx Níquel 1.83, Cromo 0.5 o 0.8 molibdeno 0.25. 44xx Molibdeno 0.53. 46xx Niquel 0.85 o 1.83 molibdeno 0.2 o 0.25. 5

47xx Níquel 1.05, cromo 0.45 y molibdeno 0.2 o 0.35. 48xx Níquel 3.5 y molibdeno 0.25. 50xx Cromo 0.4. 51xx Cromo 0.8, 0.88, 0.93, 0.95 o 1. 5xxxx Carbono 1.04 y cromo 1.03 o 1.45. 61xx Cromo 0.6 o 0.95 Vanadio 0.13 o 0.15 mínimo. 86xx Níquel 0.55, cromo 0.5 y molibdeno 0.2. 87xx Níquel 0.55, cromo 0.5 y molibdeno 0.25. 88xx Níquel 0.55, cromo 0.5 y molibdeno 0.35. 92xx Silicio 2.0. 94bxx Níquel 0.45, cromo 0.4 y molibdeno 0.12 y boro 0.0005 mínimo.

En este caso, el acero AISI 4140, fue obtenido mediante el procesamiento en un horno eléctrico y luego laminado en caliente, procesos que se describen a continuación.

2.1.2 Horno de Arco Eléctrico El horno de arco eléctrico puede tener revestimiento ácido o básico. El revestimiento del fondo no participa en el proceso de refinación: sirve como recipiente del metal fundido. El casco del horno de arco eléctrico está hecho con planchas de acero soldadas o remachadas que forman una estructura reforzada por viguetas o piezas moldeadas. Esta montado en balancines que permite inclinar el horno para la colada. El horno común tiene dos puertas una para la carga opuesta al caño de colada y otra para el trabajo situada a 90 grados entre ambas. El sistema de electrodos más usado es el de Heroult que consiste de tres electrodos y tres fases con un solo transformador. El horno tiene un revestimiento 6

de ladrillos de magnesita que cubre todo el fondo y las paredes hasta más arriba de la sección expuesta a la escoria. Las paredes del horno eléctrico pueden ser de un material ácido o básico, las que se usan en la industria nacional son ácidas ya que el mineral de hierro, que en su mayoría proviene de Brasil, también es ácido. Por encima del nivel a que llega la escoria, las paredes suelen ser de ladrillos de sílice o de magnesita con forro de metal. El techo es un domo de ladrillos de sílice con tres aberturas de 50 cm para los electrodos. Hoy en día se construyen hornos eléctricos con techo oscilante, que permite la colocación de la carga por arriba. Los electrodos suelen ser de carbono no cocido o de grafito, generalmente de este último material.

2.1.3 Proceso de laminación de barras de acero Llamamos laminación al proceso consistente en deformar plásticamente en los metales haciéndolos pasar entre cilindros. Al deformar los metales haciéndolos pasar entre los cilindros se somete el material a intensas tensiones de compresión, por efecto del aplastamiento de los cilindros, y a tensiones superficiales de cizallamiento originadas por fricción entre los cilindros y el metal. El lingote inicial se transforma en desbastes pesados (blooms) y palanquillas, por laminación en caliente. Un desbaste pesado o bloom es el primer producto de la laminación del lingote; suele ser de sección cuadrada o rectangular, pero el ancho suele ser inferior al doble del espesor y el área no suele superar los 230 cm2. Con una mayor reducción en la laminación en caliente se obtiene la palanquilla, cuya sección mínima suele ser 15 cm2. Los desbastes se continúan laminando en caliente hasta obtener planchas o chapas gruesas, chapa fina, barras varillas, tubos, carriles o perfiles estructurales. Las barras de sección circular o hexagonal y los perfiles estructurales, como las vigas I, ángulos, rieles, etc., se producen en gran cantidad por laminación entre cilindros acanalados. Para conseguir producciones elevadas es conveniente acoplar los laminadores en serie de forma que el material pase sucesivamente entre ellos. Éste conjunto es lo que propiamente puede llamarse un tren de 7

laminación, y a cada laminador de los que lo componen se le suele llamar una caja. Un método típico para reducir una palanquilla cuadrada a una barra redonda consiste en alternar las pasadas a través de canales de forma oval y cuadrada. Un tren de laminación de barras se suele denominar tren de redondos o tren comercial.

2.2 Acero AISI 4140 2.2.1 Clasificación Acero aleado al cromo molibdeno para temple, de mediana templabilidad.

2.2.2 Efectos de los elementos de aleación Cromo (Cr): El cromo es un elemento de aleación menos costoso que el níquel y forma carburos simples (Cr7C3 y Cr4C) o carburos complejos [(FeCr)3C]. Estos carburos tienen alta dureza y buena resistencia al deterioro. El cromo es soluble hasta 13% en hierro gamma y tiene solubilidad ilimitada en ferrita alfa. En los aceros de bajo carbono, el Cr tiende a entrar en solución incrementando de esta manera, la resistencia y la tenacidad de la ferrita. Molibdeno (Mo): El molibdeno es un elemento de aleación relativamente costoso, tiene una solubilidad limitada en hierros gamma y alfa, y es un fuerte formador de carburos. Además ejerce un fuerte efecto de templabilidad y, de manera semejante al cromo, aumenta la dureza y resistencia a alta temperatura de los aceros. Los aceros con molibdeno son menos susceptibles al fragilizado debido al revenido, que los demás aceros aleados. Los aceros al Cromo-Molibdeno (serie 41xx) son relativamente baratos y poseen buenas características de endurecido profundo, de ductilidad y de capacidad para soldarse.

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2.2.3 Composición Química •Carbono (C): 0,38 – 0,43 •Manganeso (Mn): 0,75 – 1,00 •Silicio (Si): 0,20 – 0,35 •Azufre (S): 0,040 máximo •Fósforo (P): 0,035 máximo •Cromo (Cr): 0,80 – 1,10 •Molibdeno (Mo): 0,15 –0,25

2.2.4 Preparación de Muestras Metalográficas El principal objetivo de la preparación de una muestra metalográfica es conseguir una superficial plana y especular. La muestra metalográficas debe de ser característica de la pieza, o sea, debe de ser representativa a la misma. Para poder iniciar nuestra preparación es necesario ajustar nuestra pieza a las dimensiones requeridas mediante el proceso de corte. El corte de una muestra depende de las propiedades mecánicas de la pieza , teniendo asi, que para un material dúctil se utilizará una segueta, en materiales frágiles se puede emplear un golpe directo de un martillo, mientras que, en materiales que presentar cierta dureza pero que no son tan frágiles se deben emplear discos abrasivos (por lo general SiC o diamante) ya que este tipo de disco abrasivo nos permite provocar un poco cantidad de deformaciones en nuestra muestra, y asi nuestra preparación será mucho más rápida y el resultado tendrá una mejor calidad. Los discos abrasivos suelen causar deformaciones en nuestra pieza con una profundidad de hasta 0.1 mm, los discos abrasivos suelen estar formados por los elementos antes mencionados, en forma de polvo y mezclado con algún aglutinante. Dentro de las principales características que poseen estos discos abrasivos es que debido a su gran dureza, al momento de fracturarse las partículas de sus 9

estructuras cristalinas, estas quedan con bordes muy agudos, propiciando así, un gran filo en estos. En la etapa de montaje, la pieza es incrustada en un soporte. Estos soportes pueden ser desde composición metálica hasta resinas poliméricas, todo con el fin, de sostener firmemente la muestra y facilitar la manipulación en las etapas de desbaste y pulido. El material en el cual se montará la pieza a preparar debe ser compatible en dureza y resistencia a la abrasión, químicamente resistente a reactivos de pulidos y ataque. Para preparar el montaje existen diversos tipos de montaje como: montaje mecánico, montaje en caliente, montaje en frío, montaje conductor y montaje para preservar bordes. La etapa de desbaste consiste en eliminar material de la capa superficial de nuestra muestra a preparar, poniéndola en o con el abrasivo. Esto es para eliminar las deformaciones producidas por la etapa de corte, se busca igualar la profundidad de las marcas dejadas sobre la pieza y posteriormente ir disminuyéndolas hasta llegar a una etapa de pulido para poder eliminarlas completamente (dejar nuestra muestra sin rayas) Para lograr un correcto desbaste es necesario seguir una técnica adecuada, la cual consiste en tomar firmemente la muestra entre los dedos y deslizar nuestra pieza en una sola dirección, de manera tal, que, las líneas marcadas queden a una profundidad uniforme y estén en el mismo sentido, tapando las líneas dejadas por una etapa anterior de desbaste. Se aplana y presiona con una presión moderada (dependiendo del material) sobre la superficie abrasiva, con lo cual, los filos de las partículas abrasivas arrancan el material superficial. Mientras este paso es llevado a cabo es de suma importancia mantener una refrigeración constante, pudiendo ser un chorro de agua, esto permite evitar el calentamiento de nuestra pieza por fricción y arrastrar las partículas desprendidas por el material.

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Se lava la probeta y las manos en un chorro de agua para eliminar todas las partículas de abrasivo que hayan quedado adheridas. Para continuar con el desbaste, se procede a una etapa más fina de pulido. Produciendo rayas en un sentido perpendicular a las producidas en la etapa anterior de desbaste. Este proceso se repite hasta culminar con la última etapa del desbaste. Las etapas del desbaste son: 1. Desbaste Grueso: 60-350 2. Desbaste Mediano: 350-1000 3. Desbaste fino: 1000-2200 Al iniciar el pulido tendremos que utilizar un abrasivo que será el agente que nos ayude a eliminar las rayas restantes provocadas por el desbaste. En este caso utilizamos Alumina 1.0. El tiempo del pulido es diferente de material a material, ya que influyen una gran cantidad de factores como es la experiencia, la dedicación, los cuidados procurados, así como, la capacidad y disponibilidad del equipo e instrumentales. Esta etapa de pulido se debe realizar en un ambiente en ausencia de polvo y demás agentes que pudieran propiciar el maltrato de nuestra pieza. Al igual que en el desbaste en el pulido existen varios tipos, como lo son: 1. Pulido Mecánico 2. Pulido Semiautomático 3. Pulido Automático El tipo de pulido a elegir va de la mano con el tipo de material y las condiciones de trabajo. La técnica para el pulido consiste en sostener firmemente la muestra en nuestras manos, así como en el desbaste, y moverla en círculos sobre el paño de pulido con una presión muy ligera para evitar así provocar más rayas en la probeta. Los diferentes paños de pulido son:

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1. De pelo largo (terciopelo, algodón) 2. De pelo mediano (paño de mesa de billar, paño de lana) 3. De pelo liso (nylon) Una vez culminado la etapa de desbaste y pulido, y ya que nuestra muestra se encuentra plana y especular se procede a un ataque químico, con este ataque químico se logra evidenciar la microestructura de nuestra pieza. Al realizar el ataque por inmersión, la probeta queda suspendida con la superficie pulida hacia abajo y dentro del reactivo, la muestra es sujetada con los dedos o con unas pinzas. La muestra se agita levemente evitando así provocar rayas en la superficie pulida de la misma. Al terminar la inmersión se puede observar un cambio en la tonalidad de la superficie pulida lo que nos indica que el ataque está progresando. Al terminar el ataque químico, se sumerge de manera inmediata en un chorro de agua caliente para eliminar la acción del reactivo sobre la muestra. Después de este lavado se debe dar un baño de alcohol etílico para proteger la pieza de los efectos de corrosión. En el microscopio óptico se emplea un reflejo de luz sobre la muestra especular. De la fuente luminosa sale un haz horizontal de rayos, el cual después de ser reflejado por un vidrio semitransparente pasa del objetivo e incide en la muestra. Parte de esa luz es reflejada por una muestra, pasa por fe nuevo por el objetivo y forma una imagen. Objetivos microscópicos: el objetivo es el que tiene mayor influencia en la calidad y nitidez de la imagen. A fin de que la calidad y nitidez de la imagen no sufra ningún deterioro es absolutamente necesario que el objetivo tenga una gran calidad mecánica y óptica, esto es que no tengan sus lentes burbujas de aire, rayones, des uniformidades de espesores o defectos de este tipo que puedan causar distorsión de la imagen y además que sean ópticamente correctos para disminuir al máximo las aberraciones.

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Existen

objetivos:

acromáticos,

semiapocromaticos,

apocromáticos

y

monocromáticos. El tubo metálico que contiene a las lentes indicándose con un número y una X por ejemplo 5X, 10 X, 100X. Cada lente tiene una distancia focal y el conjunto de lentes también poseen una distancia focal. Existe una relación entre la distancia focal y el número de aumentos y esta relación es a mayor aumento, menor distancia focal y viceversa. Oculares microscópicos: Es un sistema de lentes que aumenta en tamaño la imagen primaria que es producida por el objetivo y que la hace visible en forma de imagen virtual o la proyecta como una imagen real como en el caso de la fotomicrografía. También tienen un numero de aumentos propio que vienen marcado en su montura como un numero seguido de una X y será el número de veces que esta aumentada la imagen virtual. La misión de la platina es mantener la muestra en el plano focal del objetivo para mantener un enfoque correcto, son de dos formas: normal e invertida. Él condensador es una placa de vidrio o lente que tiene dos funciones: colmenar la luz que proviene de la fuente de tal manera que el haz tenga el tamaño requerido y asegura una iluminación uniforme de la muestra. El diafragma de apertura regula la intensidad de la iluminación que entra al condensador. El diafragma de campo disminuye las difusiones y reflexiones internas de la luz, lo cual se mejorara el contaste de la imagen. Las fuentes luminosas que se empleen deben poseer una intensidad suficiente, tal que la imagen final sea de una brillantez razonable hay lámparas de filamento de tungsteno, de acero de Carbono, vapor de Mercurio, Xenón y vapor de Zirconio. III PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Se obtuvo una pieza de acero AISI 4140 (figura 3.1) Se le hizo un corte transversal con un disco de carburo de silicio en una cortadora BUEHLER SAMPLEMET 2 (Figura 3.2). Se le aplico presión moderada para evitar una gran deformación. Esto fue a pesar de que la pieza ya venía muy maltratada por un proceso anterior de corte muy brusco. 13

Figura 3.2 Cortadora BUEHLER SAMPLEMET 2 ubicada en el Laboratorio de Pruebas y Ensayos del Instituto Tecnológico de Saltillo

Después de esta etapa de corte, la pieza fue montada en una montadora BUEHLER SIMPLIMET 2 MOUNTING PRESS MANUAL (figura 3.3) con 25 gramos de baquelita negra con un ciclo a 15 min. Cabe destacar que debido a fallas mecánicas, la baquelita no quedó debidamente curada, por lo que, se procedió al desmonte de la pieza.

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Figura 3.3 Montadora BUEHLER SIMPLIMET 2 MOUNTING PRESS MANUAL ubicada en el Laboratorio de Pruebas y Ensayos del Instituto Tecnológico de Saltillo Después de finalizado el proceso de montaje, se continuó la etapa de desbaste en una maquina desbastadora automática METON FORCIPOL 2V GRINDERPOLISHER (Figura 3.4)

Figura 3.4 Desbastadora de 2 discos METON FORCIPOL 2V GRINDERPOLISHER Se procedió a iniciar el desbaste de la muestra metalográfica con abrasivo de SiC especial para Aceros/Hierros, iniciando el proceso de desbaste en una lija 60 y culminando en una lija 2000. En este proceso se colocaba la muestra de la pieza de manera firme sobre el disco y al terminar el proceso en dicha lija, se rotaba 90° la pieza y se procedía a un desbaste más fino. Al terminar el proceso de desbaste, la pieza fue lavada y bañada en alcohol etílico. La pieza en esta etapa del proceso, estaba plana pero aun no tenía el acabado especular necesario, por lo cual, se procedió al uso de un pulido grueso, utilizando Alumina a 1.0 y aplicando una presión casi imperceptible sobre el paño, ya que, este material es muy fácil de rayar.

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Después de una verificación se decidía si se continuaba o se daba por terminada la etapa de pulido, después de muchos problemas por la presencia de rayas y de un tiempo aproximado de 16 horas se terminó el pulido. El pulido de esta pieza fue realizado en su totalidad con un paño grueso y Alumina 1.0, se desistió de pasar al paño fino, ya que, al intentar el pulido de esta pieza el paño se encontraba contaminado, lo que nos provocó rayas indeseadas en el material y aumentó el tiempo de pulido. Una vez establecida la ausencia de rayas en nuestro material mediante la observación en microscopio, a 20 y 50X, sin embargo, a estos aumentos se observaron campos de la pieza con rayas muy profundas, las cuales a pesar del esfuerzo de pulido no pudieron ser removidas, por lo tanto, se decidió se decidió enfocarse en los campos con una mejor preparación y libre de rayas para poder lograr una microscopia adecuada. Una vez tomadas estas decisiones se procedió a iniciar el ataque químico. A los efectos de revelar la estructura metalográfica se atacó la superficie de las muestra con Nital, por inmersión durante entre 10 y 20 segundos. El Nital es un reactivo que se utiliza en aceros al carbono, de baja y de media aleación. Está compuesto por ácido nítrico al 2 % en alcohol metílico o etílico. Revela la estructura general, oscurece los bordes de grano, tanto la perlita como la cementita aisladas aparecen blancas y diferencia la ferrita de la martensita. Para seleccionar el ácido se consultó la Norma ASTM standards, parte I - B, 1946

Se sumergió la muestra en la solución, esperando el tiempo indicado y bajo la aprobación del docente supervisor de la acción realizada se procedió a la observación bajo microscopio de nuestra pieza.

APLICACIONES ACERO AISI 4140 El acero AISI 4140 es un miembro de la familia de aceros de herramientas de baja aleación, caracterizado por pequeñas cantidades de oligoelementos añadidos a un 16

acero de otro modo simple. Estos oligoelementos, cuando se comparan con el acero más simple tal como el 1040, mejoran las características del 4140. Sin embargo, debido a que el 4140 permanece relativamente simple, es utilizado en una gama más amplia de aplicaciones de aceros de herramientas más especializadas. Ya que el AISI 4140 es un acero moderadamente simple con un alto grado de dureza y resistencia a la tracción, es útil para aplicaciones mecanizadas como engranajes, pernos y sujetadores. El costo más bajo debido a la química simple, junto con las propiedades físicas también hacen que sea una buena opción para los ejes, árboles y componentes estructurales. Sin embargo, dado que el acero tiene un contenido de carbono menor que otros aceros, no se endurece en el mismo grado. Esto hace los bordes duros y afilados, como aquéllos encontrados en los cuchillos, complicados. Este es uno de los aceros con alta templabilidad al aceite, su alto contenido en cromo le da dureza y su contenido en molibdeno la distribuye uniformemente y da una alta resistencia. Sus aplicaciones pueden ser perforadoras, cortadoras, tornillos, coples, mesas rotatorias y en ruedas, válvulas, tornillos de temperatura, ruedas dentadas, pistones, eslabones, etc. IV MICROESTRUCTURAS

Figura 4.1 Metalografía de un acero bajo en carbono. Los granos oscuros son de ferrita (a) los granos claros son de perlita (b). Los granos de perlita están formados por laminillas blancas (cementita) y oscuras (ferrita)

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Figura 4.2 Cuatro metalografías de acero de bajo, medio y alto carbono. La perlita es escasa en los aceros de bajo carbono y aumenta hasta ocupar casi todo el espacio en los aceros de alto carbono.

Figura 4.3 Red cristalina BCC de la fase de ferrita del acero. El átomo negro representa al carbono, el cual se ubica en los huecos más grandes que quedan entre los átomos de hierro. La ferrita acepta muy poco carbono en su interior

Figura 4.4 Red cristalina FCC de la fase austenitica del acero. En este caso los átomos de carbono se acomodan en el centro de las aristas del cubo. La austenita puede aceptar hasta el 2% en masa de carbono

Figura 4.5 Red cristalina BCC de la fase martensita. El carbono queda atrapado en una posición donde no cabe en la red BCC produciéndose una distorsión elástica. 18

VI BIBLIOGRAFIA http://materias.fi.uba.ar/6713/Caracteristicas%20del%20acero%20IRAM%204140. pdf http://materias.fi.uba.ar/6715/Material_archivos/Material%20complementario%206 7.17/Aceros.pdf http://www.ehowenespanol.com/especificaciones-del-acero-4140-lista_89834/ http://www.ferrecepsa.com.mx/grados-acero-sae-4140.php http://sisa1.com.mx/pdf/Acero%20SISA%204140R.pdf ASTM standards, parte I - B, 1946

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