Influencia de la capa endurecida mediante cementación gaseosa en la respuesta del Ruido Magnético de Barkhausen

• Autores: Rufino Medina Aguas
• Directores de la Tesis: Claudia Patricia Serna Giraldo (dir. tes.), Linilson Rodrigues Padovese (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad de Antioquia ( Colombia ) en 2019
• Idioma: español
• Títulos paralelos:
  • Influence of the hardened layer through gaseous cementation in the magnetic Barkhausen noise´s response
  • Influência da camada hardida pela cementação gasosa na resposta do ruído magnético de Barkhausen
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: hdl.handle.net
• Resumen
  • español

    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.

  • English

    The characterization at the industrial level of the hardened layers by cementation in the steel has been a problem, due to the high consumption of time and money that implies the use of destructive and non-destructive 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 sheets of steel in the response of the MBN. The cementation surface heat treatments, consisted of a preliminary stage of carburization in the liquid, solid and gaseous medium of cooling, followed by 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 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 defined, measurements and analyses were made in the time domain, using the root mean square (RMS) and the envelope of the signals. It was compared to 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 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 sheets of steel decreases the RMS values and the envelopes of the signals of MBN. Besides, the rms reduces in order of magnitude in the cemented condition for the untreated condition. The MBN is not only sensitive to the hardened layer depth but also 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.

  • português

    A caracterização, a nível industrial, das camadas endurecidas de aços cementados, tem sido um problema por sua grande demanda de tempo e dinheiro resultantes da utilização de ensaios destrutivos e não destrutivos (END). Para diminuir essa demanda, se propõe utilizar o ruído magnético de Barkhausen (RMB) no domínio do tempo como uma técnica de END que consiga complementar a caracterização das camadas endurecidas, devido à sensibilidade do RMB a alterações microestruturais e na dureza de materiais ferromagnéticos. É através dessa técnica que, no presente trabalho, foi avaliada a influência das camadas endurecidas nos aços AISI-SAE 1020 e 8620 nos sinais de RMB. O tratamento térmico superficial conhecido como cementação consiste em uma primeira etapa denominada carburização, que foi feito em meio líquido, sólido, e gasosa, uma etapa final chamada têmpera e revenimento. Foi feita a caracterização microestrutural através das respostas de RMB de três condições, sem tratamento, apenas com a carburização e em peças cementadas. As amostras cementadas foram microestruturalmente caracterizadas para determinar as fases presentes, a composição, morfologia e tipos de microestruturas obtidas, assim como os perfis de composição e dureza obtidos. Para a caracterização via RMB foram definidos os parâmetros de aquisição de sinais, as medições e análises foram feitas no domínio do tempo, utilizando a raíz quadrática média (valor RMS), e as envolventes dos sinais. Também foram analisados os efeitos resultantes da mudança na frequência de excitação do campo magnético nas respostas do RMB para as diferentes microestruturas e a profundidades alcançadas, conforme a equação da skin depth. Por fim, estabeleceu-se a relação entre os sinais do RMB e os tratamentos térmicos, através da análise dos sinais para as amostras com camadas diferentes. As microestruturas superficiais obtida nas amostras na condição cementada foram de placas de martensita acicular, com algumas amostras apresentando austenita retida, e no núcleo foram obtidas estruturas de ferrita alotriomorfa, ferrita widmänstatten e bainita coalescida com pouca martensita. Essas microestruturas afetam a rotação e o crescimento dos domínios magnéticos, modificando a resposta de RMB. Os resultados revelaram que, ao aumentar a concentração de carbono, a temperatura e tempo de austenização, individualmente ou de forma combinada no processo de carburização dos aços AISI/SAE 1020 e 8620, diminuem os valores RMS e das envolventes dos sinais de RMB, sendo que a diminuição nos valores RMS é de uma ordem de grandeza ao compararmos as respostas das amostras cementadas e das sem tratamento. Além disso, observou-se que, além das camadas endurecidas, o RMB também é sensível à quantidade, morfologia e tipo de microestrutura obtida. Dessa forma, conclui-se que os parâmetros do sinal de RMB no domínio no tempo podem ser utilizados como indicadores em inspeções por ensaios não destrutivos no controle de qualidade na produção de peças cementadas, desde que sejam escolhidas as condições de operação para cada cliente e processo de fabricação.