ANALISIS SUPERFICIAL DE MUESTRAS LAMINADAS DE ACERO

N. GARZA MONTES DE OCA¹, M. P. GUERRERO MATA¹, R. COLÁS¹, M. H. STAIA², C. LIZCANO³ Y R. VIRAMONTES³

¹ Facultad de Ingeniería Mecánica y Eléctrica, Universidad Autónoma de Nuevo León, A.P. 149 F, 66451 San Nicolás de los Garza, N.L., México.

² CENMACOR, Facultad de Ingeniería, Universidad Central de Venezuela, Caracas, Venezuela.

³ División Tecnología, Hylsa, S.A. de C.V., Munich 101, 66450 San Nicolás de los Garza, N.L., México.

RESUMEN

El cambio en la rugosidad superficial de muestras de aceros de bajo carbono laminados en caliente y en frío se analizó por medio de dos técnicas diferentes: microscopía de fuerza atómica e interferometría óptica. Los valores de rugosidad se relacionaron con las fuerzas y velocidades de laminación en frío para evaluar su dependencia. Se encontró que ambos métodos de medición presentan la misma tendencia, aunque con diferente magnitud, lo que se atribuye tanto al área de inspección, como a la resolución y precisión de cada equipo. Se concluye que las mediciones obtenidas por ambas técnicas no son excluyentes, sino que cada método proporciona información adecuada y complementaria para este tipo de estudios.

Palabras clave: Rugosidad, superficie, acero, laminación.

SURFACE ANALYSIS OF ROLLED STEEL SAMPLES

ABSTRACT

Changes in the average surface roughness of hot and cold rolled low carbon steel strips were analyzed by two different techniques: atomic force microscopy and optical interferometry. The values of roughness were related with rolling speed and force to evaluate their relationship. It was found that both methods show the same trend, but with a different magnitude, a feature that is attributed to both the area being measured and the resolution and precision of the different techniques. It is concluded that either method yields useful advantages in this type of study.

Keywords: Roughness, surface, steel, rolling.

Recibido: Septiembre 2004    Recibido en forma final revisado: Abril de 2005

INTRODUCCIÓN

El proceso de laminación en frío permite obtener productos de acero con la mejor combinación de propiedades mecánicas, calidad dimensional y acabado superficial, siendo éste último uno de los parámetros más importantes, dado que una cinta admisible por sus propiedades o calidad dimensional, puede ser degradada a una segunda categoría al no cumplir las demandas de calidad superficial. Una serie de aspectos intervienen en la calificación del acabado superficial de la cinta laminada en frío, entre ellos, la rugosidad es considerada como crítica en partes expuestas a la vista. Se considera que la rugosidad depende de las condiciones de deformación, sobre todo si la cinta entra en contacto con las herramientas de trabajo (cilindros o rodillos), lo que no es deseable. Una de las funciones de las crestas y valles, con las que se caracteriza a la rugosidad, es la de atrapar y mantener dentro de la mordida a los lubricantes usados en el proceso de laminación y, de esa forma, afectar las condiciones de fricción (Roberts, 1978; Gjønnes, 1996; R. Ahmed y Sutcliffe, 2000).

La rugosidad de diversos materiales puede ser analizada por medio de técnicas basadas en el contacto entre un palpador y la superficie, o por medio de técnicas que emplean diversos efectos ópticos, como son los patrones de interferometría (Pei y Williams, 1980; Schey, 1983; Hutchings, 1992; Poon y Bhushan, 1995; Gjønnes, 1996; Ahmed y Sutcliffe, 2000; Ginsburg y Ballas, 2000). Los dispositivos que permiten determinar la rugosidad con mayor resolución están basados en el efecto túnel, ocasionado por la diferencia de potencial que se genera cuando dos cuerpos se encuentran a distancias del orden de pocos nanómetros (Binnig y coautores, 1982; Binnig y coautores, 1986; Exner, 1996, Poon y Bhushan, 1995; Plouraboué y Boehm, 1999; Ma y coautores, 2002).

El análisis de superficie realizado en muestras de láminas procesadas por laminación en frío indican que la rugosidad del material cambia conforme el material se procesa (Gjønnes, 1996; Plouraboué y Boehm, 1999; Ahmed y Sutcliffe, 2000; Ma y coautores, 2002). Sin embargo, los resultados que se reportan parecen ser contradictorios pues, en algunos casos, se reporta el incremento en rugosidad (Ma y coautores, 2002), en tanto que en otros casos se reporta la reducción de este parámetro (Gjønnes, 1996; Ahmed y Sutcliffe, 2000).

El objetivo de este trabajo es la cuantificación de la rugosidad en muestras de diversos aceros de bajo carbono sometidos al proceso de laminación en frío en equipos reversibles. Las muestras que se estudiaron incluyen tanto al material proveniente del proceso en caliente, como al producto de varias reducciones en espesor.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

El análisis de las superficies se llevó a cabo en trozos de láminas tomadas directamente del proceso de laminación en frío en estaciones reversibles del tipo cuatro y agrupado, dado que este tipo de instalaciones permite la acumulación de las diversas reducciones o pasos tanto al inicio como al final de la bobina producida. La información relativa al proceso de laminación (velocidades, reducciones, cargas, etc.) fue recopilada en forma automática para su posterior análisis. Se incluyó en el estudio la toma de muestras del material proveniente de laminación en caliente, llamado banda, para poder establecer el punto de partida del proceso. En las Tablas I y II se presentan, respectivamente, la composición química de los aceros seleccionados y la información relativa a su procesamiento en frío.

Tabla I. Composición química (% en peso) de los aceros estudiados.

Tabla II. Parámetros del procesamiento en frío de los aceros estudiados.

Las muestras para el análisis de superficie se lavaron en agua con un detergente de uso común y se colocaron en un baño de ultrasonido con acetona por un periodo de cuatro minutos para remover por completo los aceites y lubricantes de laminación. En el presente estudio se emplearon dos técnicas diferentes: la microscopía de fuerza atómica (MFA) y la interferometría óptica (IO). La MFA es una derivación del principio de tunelamiento y fue específicamente desarrollada para analizar la superficie de materiales no conductores eléctricos (Binnig y coautores, 1982, Binnig y coautores, 1986, Exner, 1996)

La MFA se uso en el modo de contacto, en el cual una aguja de tungsteno (palpador) se coloca en el extremo de una viga altamente flexible colocada en cantiliver y la aguja oscila a una cierta frecuencia (1 Hz) para mantener una fuerza constante sobre la superficie (12 nN). De esta forma, la variación en altura se registra por medio de un haz láser enfocado a la punta de la aguja. El área de barrido estudiada fue de 100 µm² (10·10 µm).

El estudio por IO se basa en el principio de interferencia que existe cuando un haz de luz se hace incidir sobre las superficies de la muestra a estudiar y sobre la de un patrón de referencia, lo que genera un patrón de franjas que se detecta por medio de un arreglo de fotodiodos enlazados a un microprocesador (Hutchings, 1992). Este tipo de medición es de no contacto y el área de inspección fue de alrededor de 1.5 mm² (1,073·1,431 µm) con una la tasa de barrido de 100 µm/seg.

La rugosidad se puede expresar de diferentes maneras (Schey, 1983; Hutchings, 1992), por lo que en este trabajo se tomó como medida la desviación media aritmética de las alturas de la superficie a lo largo de una línea de perfil:

donde las alturas están dadas como y(x), R_a es la medida de la rugosidad promedia y L es distancia a lo largo de la cual se realiza la medición.

El análisis de rugosidad se complementó con el estudio de las muestras recopiladas por medio de microscopía óptica y de la ejecución de ensayos de microdureza Vickers aplicando una carga de 500 g por 15 segundos.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

En la Fig. 1 se presentan las imágenes obtenidas por medio de MFA de una serie de muestras del acero identificado como B en las Tablas I y II y que representan la evolución desde la condición de laminación en caliente, Fig. 1a, hasta el paso final, Fig. 1d. Estas imágenes ponen en evidencia la alta definición de la técnica, aunque ésta se obtenga a costa de limitar el área de observación. En la Fig. 2 se muestran las imágenes de IO de los especímenes de la figura previa y, es de hacer notar la mayor área de observación, aunque con menor definición. Las reducciones acumuladas en el material de las Figs. 1 y 2 es de 0, 28, 69 y 82% para la banda, primer, cuarto y sexto pases; las reducciones individuales impartidas en los pases primero, cuarto y sexto fueron de 28, 23 y 22%.

En las Figs. 3 a 6 se grafican, respectivamente, los datos de rugosidad (R_a) en función del espesor de la muestra, la dureza del material, la reducción acumulada en cada una de las muestras y la velocidad de laminación. En las Figs. 3 y 4 se señalan los datos correspondientes al material proveniente de laminación en caliente dentro de elipses identificadas por Bd, en tanto que los correspondientes a las Figs. 5 y 6 se grafican a una velocidad igual a cero. Es interesante observar como los valores de R_a calculados a partir de las mediciones por AFM son un orden de magnitud inferior a los arrojados por IO, Fig. 7.

La información presentada en los cuatro gráficos anteriores indica una misma tendencia, la reducción de R_a de acuerdo a la reducción que se acumula en el material, reduciendo su espesor. Conviene mencionar la práctica industrial de incrementar la velocidad de laminación a medida que disminuye el espesor de la cinta para no afectar la productividad. Por otro lado, la acumulación de la deformación implica el endurecimiento del material (Roberts, 1978; Ginsburg y Ballas, 2000). La tendencia a reducir la rugosidad del material a medida que el espesor del material decrece (Fig. 3) o la deformación se acumula (Fig. 5) coincide con resultados reportados con anterioridad por otros autores (Gjønnes, 1996; Ahmed y Sutcliffe, 2000) quienes atribuyen este fenómeno al aplastamiento de las crestas durante un régimen de lubricación hidrodinámico, condiciones que se presentan en el caso de las muestras de este estudio, ya que no se detecta una dependencia entre la rugosidad del acero y la de los rodillos de trabajo usados en el proceso, ni fue posible apreciar manchas térmicas sobre la superficie de la lámina (Roberts, 1978; Ginsburg y Ballas, 2000). Más aún, el trabajo en que se reporta el incremento de la rugosidad durante el laminado se llevó a cabo en un equipo experimental de laminación (Ma y coautores, 2002), en el que, probablemente, no es posible asegurar condiciones de lubricación hidrodinámicas durante la reducción en frío.

Los datos presentados en la Fig. 7 podrían indicar que las técnicas de análisis (AFM e IO) miden diferentes parámetros. Sin embargo, los valores de rugosidad reportados por ambos métodos reflejan la variación en altura de crestas y valles a lo largo de una línea de perfil. En la Fig. 8 se presentan como ejemplo dos líneas registradas en una misma muestra, correspondiente al primer pase del acero A, a lo largo de la dirección de laminación. Se puede apreciar que ambas líneas exhiben una geometría autosimilar (Plouraboué y Boehm, 1999), por lo que la diferencia en rugosidad puede ser atribuida a la región en que la medición se lleva a cabo. De esta forma, es muy factible que las mediciones por AFM se hayan hecho sobre las crestas y valles que se aprecian en la Fig. 2 y, consecuentemente, el valor de R_a es menor.

Se puede considerar que las mediciones de rugosidad por medio de IO reflejan las condiciones mecánicas del paso de laminación, en tanto que las de AFM son el resultado de las características intrínsecas del material y, en consecuencia, la información que es posible extraer de ambas técnicas no es excluyente, sino complementaria.

CONCLUSIONES

El análisis de las superficies de muestras de acero de bajo carbono laminadas en caliente y en frío permite suponer que la reducción en rugosidad del material durante el proceso en frío se debe a las condiciones de lubricación hidrodinámica presentes en el sistema.

No se encontró una dependencia entre la rugosidad del material deformado en frío y el tipo de acero, su dureza, o la rugosidad original de los rodillos de trabajo Sólo se aprecia una ligera dependencia con respecto a la reducción acumulada en el material.

Se puede suponer que las mediciones obtenidas por medio de IO reflejan las condiciones mecánicas del contacto, en tanto que las de MFA son el resultado de las características físicas de la superficie, por lo que es posible concluir que ambas técnicas no son excluyentes sino complementarias.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen al Programa Iberoamericano de Ciencia y Tecnología para el Desarrollo (CYTED) a través de la RED VIIIK-RIACER, por el apoyo otorgado para la realización del presente trabajo. NFGMO agradece el apoyo otorgado por el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología, CONACYT, México, para la realización de sus estudios de postgrado.

REFERENCIAS

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