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An�lisis estad�stico de la distribuci�n de inclusiones no met�licas en un acero microaleado

 

Statistical analysis of the distribution of non-metallic inclusions in a micro-alloyed steel

 

An�lise estat�stica da distribui��o de inclus�es n�o met�licas em um a�o microligado

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Correspondencia: carlos.serrano@espoch.edu.ec

 

 

Ciencias T�cnicas y Aplicadas ���

Art�culo de Investigaci�n

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* Recibido: 23 de mayo de 2022 *Aceptado: 12 de junio de 2022 * Publicado: 29 de julio de 2022

 

        I.          Ingeniero Mec�nico, Mag�ster en Ingenier�a Mec�nica con Menci�n en Materiales y Procesos de Manufactura, Master Universitario en Ingenier�a Matem�tica y Computaci�n, Facultad de Mec�nica, Carrera de Ingenier�a Mec�nica, Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Grupo de Investigaci�n & Vinculaci�n AUTOPRO, Riobamba, Ecuador.

      II.          Ingeniero Mec�nico, Master of Philosophy Mechanical and Systems Engineering, M�ster Universitario en Ingenier�a Matem�tica y Computaci�n, Facultad de Mec�nica, Carrera de Ingenier�a Industrial, Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Grupo de Investigaci�n & Vinculaci�n AUTOPRO, Riobamba, Ecuador.

    III.          T�cnico de Laboratorio, Facultad de Mec�nica ESPOCH; Ingeniero Mec�nico, ESPOCH; M�ster Universitario en Ingenier�a Matem�tica y Computaci�n, UNIR; Asistencia al I Congreso Internacional de Ingenier�a, ESPOCH; Aprobaci�n del Curso de programaci�n Phyton, UNIR; Aprobaci�n de curso en Educaci�n continua en Liderazdo, Universidad de Marconi, Ecuador.

    IV.          Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Ecuador.

Resumen

Los elementos de m�quina, tal como las barras utilizadas en las direcciones de los veh�culos, suelen sufrir serias deformaciones, uno de los motivos es el grado de suciedad del material utilizado en la fabricaci�n de estos componentes. El objetivo de este trabajo de investigaci�n es no solo determinar la severidad de las inclusiones dentro del material, sino tambi�n analizar la distribuci�n de dichas inclusiones en diferentes regiones de un eje de 20 mm de di�metro, delimitando el an�lisis en tres regiones marcadas como Regi�n 1, 2 y 3, que va desde el n�cleo del eje hasta la superficie del mismo. La hip�tesis inicial considera un mayor n�mero de inclusiones en la parte central del eje, esto porque los lingotes (materia prima para laminaci�n y obtenci�n de las barras) tienen una velocidad de enfriamiento menor en el n�cleo que en la superficie, dando lugar a la precipitaci�n de impurezas a lugares de mayor vibraci�n at�mica. La preparaci�n de la muestra se realiz� de acuerdo a la Norma ASTM E3 y la cuantificaci�n de las inclusiones se realiz� de acuerdo a las recomendaciones de la norma ASTM E45. El software utilizado para contabilizar part�culas y para medici�n de las mismas fue IMAGEJ. El resultado fue la observaci�n de �xidos globulares en el Laboratorio de Materiales de la ESPOCH, mediante el an�lisis de las fotomicrograf�as y t�cnicas estad�sticas se ha determinado que efectivamente existe un aumento de m�s del 190% de impurezas en la parte central del eje, esto comparado con el n�mero de �xidos globulares contabilizados en la superficie del eje.

Palabras Clave: Inclusiones no met�licas; acero microaleado; distribuci�n de inclusiones; an�lisis estad�stico.

 

Abstract

Machine elements, such as the bars used in the steering of vehicles, often suffer serious deformations, one of the reasons is the degree of dirtiness of the material used in the manufacture of these components. The objective of this research work is not only to determine the severity of the inclusions within the material, but also to analyze the distribution of said inclusions in different regions of a 20 mm diameter axis, delimiting the analysis in three regions marked as Region 1 , 2 and 3, which goes from the core of the shaft to its surface. The initial hypothesis considers a greater number of inclusions in the central part of the axis, this is because the ingots (raw material for rolling and obtaining the bars) have a lower cooling rate in the core than on the surface, giving rise to precipitation. of impurities to places of higher atomic vibration. The preparation of the sample was carried out according to the ASTM E3 Standard and the quantification of the inclusions was carried out according to the recommendations of the ASTM E45 standard. The software used to count particles and to measure them was IMAGEJ. The result was the observation of globular oxides in the Materials Laboratory of the ESPOCH, through the analysis of photomicrographs and statistical techniques it has been determined that there is indeed an increase of more than 190% of impurities in the central part of the axis, this compared with the number of globular oxides counted on the surface of the shaft.

Keywords: non-metallic inclusions; micro-alloyed steel; inclusion distribution; statistic analysis.

 

Resumo

Elementos de m�quinas, como as barras utilizadas na dire��o de ve�culos, muitas vezes sofrem graves deforma��es, um dos motivos � o grau de sujidade do material utilizado na fabrica��o desses componentes. O objetivo deste trabalho de pesquisa � n�o s� determinar a severidade das inclus�es dentro do material, mas tamb�m analisar a distribui��o dessas inclus�es em diferentes regi�es de um eixo de 20 mm de di�metro, delimitando a an�lise em tr�s regi�es marcadas como Regi�o 1 , 2 e 3, que vai do n�cleo do eixo at� sua superf�cie. A hip�tese inicial considera um maior n�mero de inclus�es na parte central do eixo, isso porque os lingotes (mat�ria-prima para lamina��o e obten��o das barras) apresentam menor taxa de resfriamento no n�cleo do que na superf�cie, dando origem � precipita��o. de impurezas para locais de maior vibra��o at�mica. A prepara��o da amostra foi realizada de acordo com a norma ASTM E3 e a quantifica��o das inclus�es foi realizada de acordo com as recomenda��es da norma ASTM E45. O software utilizado para contar as part�culas e medi-las foi o IMAGEJ. O resultado foi a observa��o de �xidos globulares no Laborat�rio de Materiais da ESPOCH, atrav�s da an�lise de fotomicrografias e t�cnicas estat�sticas foi determinado que existe de fato um aumento de mais de 190% de impurezas na parte central do eixo, isto comparado com o n�mero de �xidos globulares contados na superf�cie da haste.

Palavras-chave: inclus�es n�o met�licas; a�o microligado; distribui��o de inclus�o; an�lise estat�stica.

 

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Introducci�n

Durante las �ltimas d�cadas muchos avances se han hecho referentes a la elaboraci�n del acero, obteniendo cada vez aceros con menor nivel de impurezas. Recientemente, los fabricantes de aceros incluso comercializan aceros �ultras limpios� los cuales presentan propiedades mec�nicas mejoradas en comparaci�n a los aceros con mayor grado de impurezas. Usualmente estos aceros tienen niveles muy bajos de contenido de ox�geno y sulfuros lo cual permite que las aplicaciones de estos aceros se incremente como componentes de transmisi�n para la industria automotriz [1], construcci�n de partes sometidas ambientes corrosivos. Sin embargo, existen desventajas asociadas a estos aceros como mayor dificultad al ser maquinados, reduciendo la vida �til incluso de las herramientas de mecanizado [2].

Se ha demostrado tambi�n que estas impurezas o inclusiones y la rugosidad de la superficie son los sitios m�s susceptibles por donde podr�a iniciar una fisura debido a la fatiga del material. Algunos autores sugieren que la resistencia a la fatiga puede ser mejorado si se eliminan las imperfecciones en las superficies del material que aparecen en el proceso de producci�n [3]�[5]. Por otro lado, las inclusiones no met�licas que se forman en el proceso de fabricaci�n tambi�n tienen una influencia significativa en las fallas del material debido a fatiga [6], [7]. Por esta raz�n es importante reducir la presencia de estas inclusiones o reducir al menos el tama�o de estas por debajo de valores cr�ticos.� Las inclusiones no met�licas se clasifican en micro y macro inclusiones seg�n sus dimensiones. La mayor�a de las inclusiones son submicrosc�picas y su tama�o est� dentro de un rango de 0,1 a 100 μm [8], [9].

Adicionalmente, la influencia de las inclusiones no met�licas en otras propiedades mec�nicas como la resistencia a la tracci�n ha sido investigada no solamente en aceros al carbono [10], sino tambi�n en aceros inoxidables, de forma experimental y simulaci�n. Estos estudios relacionan una mayor concentraci�n de esfuerzos durante la deformaci�n pl�stica ante la presencia de inclusiones de mayor tama�o [8]

Por lo tanto, es importante contar con un m�todo que permita evaluar la presencia de estas inclusiones, en tipo y tama�o. Existen muchos modelos matem�ticos que tratan de predecir los efectos de las inclusiones no met�licas sobre el limite de fatiga, con sus limitaciones, los cuales tratan de incluir la existencia de peque�as grietas que no se propagan y la naturaleza estad�stica del comportamiento de peque�as grietas y microestructuras [11]�[13].

Por otro lado, para determinar el grado de severidad de la presencia de inclusiones se utiliza la norma ASTM E45, la cual permite evaluar el tama�o de estas inclusiones la cual se detallar� dentro de la secci�n de metodolog�a de este art�culo. Esta norma cubre una serie de procedimientos reconocidos para determinar el contenido de inclusiones no met�licas del acero forjado. Adem�s, se detallan m�todos microsc�picos y macrosc�pico para el an�lisis de las inclusiones, en los m�todos microsc�picos las inclusiones se asignan a una categor�a basada en similitudes en la morfolog�a y no necesariamente en su identidad qu�mica. Si bien los m�todos est�n destinados principalmente a calificar inclusiones, los constituyentes como carburos, nitruros, carbo-nitruros, boruros y fases inter met�licas pueden clasificarse utilizando algunos de los m�todos microsc�picos. La norma tambi�n establece que se puede aplicar estos procedimientos en ciertas aleaciones que no se consideran aceros [14].

En este art�culo, se evaluar� mediante la norma ASTM E45 en un acero microaleado, determinar su grado de severidad en base a las inclusiones no met�licas encontradas y relacionarlas a posible reducci�n de propiedades mec�nicas de dicho acero.

 

Metodolog�a experimental

Para el desarrollo de la presente investigaci�n se hizo uso del laboratorio de materiales de la FACULTAD DE MEC�NICA DE LA ESPOCH.

MATERIALES Y EQUIPOS

El material utilizado es un acero extra�do de una rotula de la direcci�n de una camioneta Ford Ranger 2013 (Figura 1). La composici�n qu�mica fue determinada mediante un an�lisis de Espectrometr�a de emisi�n por chispa en el equipo BRUKER Q2 ION seg�n la norma ASTM E415, esto a fin de predecir su resistencia a la tracci�n seg�n la ecuaci�n:

El corte inicial de la muestra se realiz� tal como se indica en la Figura 2. a fin de tener un esp�cimen homog�neo y s�lido.

Figura 1. rotula de la direcci�n

 

El corte se realiz� mediante refrigeraci�n. La Norma ASTM E45 especifica el corte que se debe realizar para caracterizar las inclusiones, seg�n la Figura 2. Dejando medidas de 10 x 16 mm de an�lisis a fin de cumplir con la normativa del an�lisis de m�nimo 160 mm² de acuerdo a la Figura 2.

Figura 2. Corte de la muestra

Fuente: ASTM E45

 

El desbaste de la superficie a analizar se realiz� de acuerdo a las recomendaciones de la Norma ASTM E3, con lijas que va desde los 180 a las 2000 part�culas por pulgada cuadrada, montadas en lijadoras manuales, a fin de obtener una superficie tipo espejo. El pulido se realiz� con al�mina de 1um de tama�o y la limpieza con alcohol para evitar confusi�n entre impurezas e inclusiones.�

El an�lisis de inclusiones se debe realizar sin ataque qu�mico, en un microscopio metalogr�fico, el equipo utilizado fue de marca NIKON ECLIPSE E200 con capacidad de aumentos de 100X, 400X Y 1000X respectivamente con los lentes objetivos de 10X, 40X Y 100X.

 

 

M�todos

Las fotomicrograf�as se deben extraer a 100X, la escala se ha determinado con la base de la pantalla de la PC utilizando una regla microm�trica, este valor es de 732um.�

El an�lisis de las inclusiones se realiz� en 3 regiones distinto (Figura 3), extrayendo una gran cantidad de fotomicrograf�as y separando las 5 m�s densas de inclusiones para su an�lisis num�rico.

Figura 3. Regiones de an�lisis

Fuente: PROPIA

 

Las inclusiones de acuerdo a la norma ASTM E45 pueden ser:

TIPO A: sulfuros y est�n separadas de las inclusiones tipo B, C y D debido a su escala de grises;

TIPO B: son cadenas discontinuas, esto quiere decir que existen 3 o m�s inclusiones alargadas en el plano de laminaci�n. Estas inclusiones tienen desfase menor a 15 micras y una separaci�n menor a 40 micras.� (�xidos y aluminatos).

TIPO C.� Estas inclusiones son cadenas s�lidas, esto quiere decir que es una inclusi�n alargada en el sentido de laminaci�n.� (Silicatos)

TIPO D. Son conocidos como �xidos globulares, esto no son alargados y tampoco forman cadenas, est�n dispersos a lo largo de las muestras.

 

Figura 4. a) TIPO A, b) TIPO B, c) TIPO C, d) TIPO D

Fuente: ASTM E45

 

Como el objetivo es determinar la distribuci�n de las inclusiones en las tres regiones, hay que enfocarse en las m�s comunes encontradas en este acero (TIPO D).

El an�lisis comienza con la escala de las fotomicrograf�as en el programa IMAGE J, para luego analizar el n�mero de part�culas a fin de determinar el grado de severidad de acuerdo a la Tabla 1. dada en la Norma ASTM E45. El n�mero de inclusiones se obtendr� como promedio en cada regi�n.

 

Tabla 1. Grado de severidad

Fuente: ASTM E45

La serie de las inclusiones se determina mediante el di�metro promedio de las inclusiones y comparando con la Tabla 2.

 

Tabla 2. Grado de severidad

Fuente: ASTM E45

 

Resultados

La detecci�n de la composici�n del material es un par�metro importante, ya que indicara si es un acero al carbono simple o aleado, seg�n el an�lisis de espectrometr�a de emisi�n at�mica, se ha detectado que es un acero microaleado debido a la presencia de cromo, con el principal elemento aleante carbono que le dar� la resistencia y dureza a la barra, peque�as cantidades de silicio, manganeso y aluminio.� La composici�n del acero est� dada por la Tabla 3.

 

Tabla 3. Grado de severidad

Fuente: PROPIA

 

En base a dicha composici�n se puede estimar la resistencia a la tracci�n, seg�n la ecuaci�n:

Este valor indica que tiene una resistencia a la tracci�n mayor a la de un acero estructural (Su= 60000 psi), debido a la presencia de Cr, Mn y Al. Cabe mencionar que la predicci�n se ha realizado solo en base al porcentaje de carbono, minimizando de cierta manera al valor real.

El tipo de inclusiones observadas en las fotomicrograf�as son del tipo D, que se traducen en �xidos globulares. Para esquematizar se pone un ejemplo en la Figura 5.

Figura 5. �xidos globulares

Fuente: ASTM E45

 

Con el antecedente expuesto se hace un an�lisis de distribuci�n de los �xidos globulares en las tres regiones establecidas en el marco metodol�gico. Se establece tomar un promedio del n�mero de inclusiones en cada regi�n, para con ese valor determinar la severidad seg�n la Tabla 1. El n�mero de inclusiones se determina mediante el programa Image J, con la herramienta analizador de part�culas.

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Figura 6. Contabilizaci�n de �xidos en la regi�n 1, 2 y 3 respectivamente.

Fuente: PROPIA

 

Las im�genes antes mostradas, es un ejemplo de c�mo se obtuvo el n�mero de inclusiones en cada regi�n. los resultados exactos y con promedio se evidencian en la Tabla 4.

 

Tabla 4. Numero de �xidos globulares

Fuente: PROPIA

La distribuci�n de las inclusiones en las tres regiones se puede evidenciar en la Figura 7.

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Figura 7. Numero de �xidos en la regi�n 1, 2 y 3 respectivamente.

Fuente: PROPIA

 

La cantidad m�xima de �xidos globulares se encuentra en el centro de la probeta, esto debido a la menor velocidad de enfriamiento en la obtenci�n de los lingotes (materia prima para la laminaci�n en caliente) y por ende mayor vibraci�n de �tomos, pudiendo precipitar las inclusiones no met�licas tal como los �xidos a ese lugar. A media que se llega a la superficie del eje (Regi�n 3), el n�mero de �xidos globulares se reduce, desde 67,2 en el centro (Regi�n 1) a 48,6 entre el centro y la superficie del eje (Regi�n 2) y a 25,4 en la superficie del eje (Regi�n 3).

Figura 8. Promedio de �xidos en la regi�n 1, 2 y 3 respectivamente.

Fuente: ASTM E45

 

Seg�n la Figura 8, se determina que en el centro del eje hay un incremento del 265% de �xidos globulares, y con respecto a la regi�n 2 hay un incremento del 191%.

El grado de severidad medido seg�n la Norma ASTM E45 en la regi�n 1 es de 4, en la regi�n 2 es de 3,5 y en la regi�n 3 es de 2,5. Si bien es cierto la norma menciona que se debe obtener un promedio de todo el barrido de 160 mm², aqu� se ha obtenido por separado en tres regiones a fin de determinar de forma estad�stica la distribuci�n de los oxidos dentro de una misma muestra.

La serie se determina con el promedio del di�metro de los �xidos globulares, existe una diferencia de dimensi�n en las 3 regiones. Se muestra en la Tabla 5.

 

Tabla 5. Promedio de di�metros de oxidos

Fuente: PROPIA

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Figura 9. Di�metros promedios de �xidos en la regi�n 1, 2 y 3 respectivamente.

Fuente: PROPIA

 

En la figura 9. Se puede evidenciar que en la regi�n 1 y 2 se tiene una serie gruesa, con un promedio de di�metro de 12,21 um y 9,196 um respectivamente, mientras que en la regi�n 3 el di�metro promedio de los �xidos es de 7,042 um, dando una serie delgada.

 

 

 

 

Conclusiones

Se ha extra�do la muestra de acuerdo a la Norma ASTM E45 y se ha inspeccionado en 160 mm² con la identificaci�n de tres regiones y la separaci�n de las 5 fotomicrograf�as de las �reas con mayor densidad de inclusiones.

Afortunadamente en el an�lisis de las fotomicrograf�as se ha identificado de un solo tipo, los �xidos globulares, que se ha determinado el grado de severidad seg�n el n�mero de inclusiones y la serie de acurdo al promedio del di�metro de las inclusiones del tipo D.

Se ha identificado, adem�s, que en la regi�n 1 y 2, a m�s de tener una severidad mayor (Mas n�mero de �xidos globulares) son de mayores di�metros, debido a la precipitaci�n por las bajas velocidades de enfriamiento. �

 

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� 2022 por los autores. Este art�culo es de acceso abierto y distribuido seg�n los t�rminos y condiciones de la licencia Creative Commons Atribuci�n-NoComercial-CompartirIgual 4.0 Internacional (CC BY-NC-SA 4.0)

(https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/).