Acero AISI 4140

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.

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.

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 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 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.

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

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