Influencia de la capa endurecida mediante cementación gaseosa en la respuesta del ruido magnético de barkhausen

Abstract

RESUMEN: La caracterización a nivel industrial de las capas endurecidas mediante cementación en los aceros ha sido un problema, debido al alto consumo de tiempo y dinero que implica la utilización de técnicas destructivas y no destructivas. Por lo tanto se planteó utilizar el Ruido Magnético de Barkhausen (RMB) como una técnica de ensayo no destructivo complementaria en la caracterización de capas endurecidas en aceros, dado que el RMB es sensible a los cambios microestructurales y de dureza provocados en materiales ferromagnéticos. Es así como en este trabajo se evaluó la influencia de capas cementadas en los aceros AISI-SAE 1020 y 8620 en la respuesta de las señales de RMB. Los tratamientos térmicos superficiales de cementación consistieron en una etapa de carburización con cementantes líquidos, sólidos, y gaseosos, seguida de un tratamiento térmico de temple único con posterior revenido. Se realizó caracterización microestructural y por RMB de las capas en las condiciones sin tratamiento, carburizado y cementado. Las muestras en condición cementada se caracterizaron microestructuralmente para determinar las fases presentes, la composición, morfología y tipo de microestructuras obtenidas así como los perfiles de composición y de dureza alcanzadas. Mientras que en la caracterización por RMB se definieron los parámetros de adquisición, se realizaron las mediciones y los análisis en el dominio del tiempo con el valor cuadrático medio (rms) y las envolventes de las señales de RMB. También se comparó el efecto de la frecuencia de excitación de campo magnético con la microestructura y con la profundidad de donde las señales fueron adquiridas, aplicando la ecuación del skin depth. Finalmente, se relacionaron los resultados de RMB con las capas cementadas obtenidas, analizando la influencia de estas en las señales y estableciendo la correlación entre ellas. Se obtuvo en la superficie de las muestras en condición cementadas, microestructuras de martensita acicular en forma de listones con presencia de austenita retenida en algunas muestras, y en el núcleo una estructura de ferrita alotriomorfa, ferrita widmänstatten y bainita coalescida con poca martensita. Estas microestructuras modificaron las señales afectando la rotación y el crecimiento de los dominios magnéticos y revelaron que al aumentar el potencial de carbono, la temperatura o el tiempo de permanencia, individualmente o combinando dos de ellos, durante la carburización de los aceros AISI/SAE 1020 y 8620 disminuyen los valores rms y las envolventes de las señales de RMB, además que el rms reducen en un orden de magnitud en la condición cementada respecto a la condición sin tratamiento. Se encontró también que el RMB no solo es sensible a la profundidad de capa endurecida sino no a la cantidad, morfologías y tipos de microestructuras obtenidas. Por lo que se concluye que los parámetros en el dominio del tiempo de las señales de RMB pueden ser utilizados como técnica de inspección no destructiva durante el control de calidad de productos en la producción de piezas cementadas, después de seleccionar las condiciones de operación para cada cliente y proceso.

ABSTRACT: The characterization at the industrial level of the hardened layers by cementation in the steels has been a problem, due to the high consumption of time and money that implies the use of destructive and non-estructive techniques (NDT). Therefore, it was proposed to use the Magnetic Barkhausen Noise (MBN) in the time domain, as a complementary NDT technique in the characterization of layers hardened steels since the MBN is sensitive to the microstructural and hardness changes caused in ferromagnetic materials. In this work it is evaluated the influence of cemented layers in the AISI-SAE 1020 and 8620 steels in the response of the MBN. The cementation surface heat treatments, consisted of a preliminary stage of carburization in liquid, solid and gaseous medium of cooling, followed by a thermal treatment of single quenching with subsequent tempering. Microstructural and MBN characterization of the layers was carried out under untreated, carburized and cemented conditions. The samples in the cemented state were characterized microstructurally to determine the phases, the composition, morphology, and type of microstructures obtained as the profiles of composition and hardness reached. While in the characterization by MBN the acquisition parameters of the signals were defined, measurements and analyzes were made in the time domain, using the root mean square (rms) and the envelope of the signals. It was also compared the excitation frequency effect of the magnetic field with the microstructure and the depth from which the signals came, applying the skin depth equation. Finally, the MBN results were related to the cemented layers obtained, analyzing the influence of these layers on the signals and establishing the correlation between them. On the surface of the samples in cemented condition, acicular martensite microstructures in the form of plates with the presence of retained austenite in some samples were obtained, and in the nucleus, allotriomorphic ferrite, widmänstatten ferrite and bainite coalesced with little martensite were obtained. These microstructures modify the signals, affecting the rotation and the growth of magnetic domains. The results revealed that increasing the carbon potential, the temperature or the holding time, individually or combining two of them, during the carburization of the AISI / SAE 1020 and 8620 steels decreases the rms values and the envelopes of the signals of MBN. In addition, the rms reduces in order of magnitude in the cemented condition with respect to the untreated condition. It was also found that the MBN is not only sensitive to the hardened layer depth but also to the quantity, morphologies, and types of microstructures obtained. Therefore, it is concluded that the parameters in the time domain of the MBN signals can be used as a non-destructive inspection technique during the quality control of the products in the production of cemented parts, after selecting the operating conditions for each client and process.