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.

.

Centro de Investigaciones
Siderúrgicas.

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