MECANISMOS DE DIFUSION APLICADOS A LOS PROCESOS DE MANUFACTURA Katerine Galván Rodríguez, Nery Johanna García Gutiérrez, Ivonne Julieth J ulieth Herrera Castro , July Katherine Martínez Correa, Karen Jiseth Rodríguez Duque, Carlos Julio J ulio Torres Piaba
Politécnico Politécnico Grancolombiano, Grancolombiano, Institución Institución Universitaria Universitaria Bogotá D.C, Colombia.
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RESUMEN – En este artículo educativo se expondrá información acerca del uso de los procesos de difusión para optimizar y mejorar las propiedades mecánicas de los materiales, este tema ha sido de gran importancia en la industria desde que la resistencia natural de los materiales utilizados ha sido una limitante para el desarrollo de nuevas prácticas. De este reporte el lector obtendrá información y una breve descripción de algunos de los procesos y como estos pueden ser aplicados a nivel industrial.
PALABRAS CLAVE: nitruración, cementación, carburación, descarburación, aluminizado, siliconizado.
I. INTRODUCCIÓN El estudio de los materiales en los mecanismos de difusión, es de gran importancia en la industria, debido a que son implementados para la producción de maquinaria, por el hecho de que se pueden manufacturar en grandes cantidades y con especificaciones especificaciones muy precisas, estos presentan ciertas propiedades p ropiedades mecánicas, como niveles de resistencia moderada con excelente ductilidad y tenacidad a esfuerzos mecánicos y térmicos. Los materiales según su composición química tienen determinadas propiedades mecánicas en base a su método de fabricación, estas propiedades se pueden mejorar a partir de diferentes procesos ya se sean térmicos, químicos o físicos. Para el desarrollo del presente informe vamos a realizar una breve introducción al mejoramiento de las propiedades mecánicas de los materiales a través de los procesos de difusión
II. MARCO TEORICO El sector industrial ha teniendo un constante crecimiento crecimiento a nivel n ivel mecánico en máquinas, herramientas y repuestos, lo que conlleva a la búsqueda de alternativas que permitan mejorar las propiedades mecánicas de los materiales para diversas aplicaciones a nivel industrial, recurriendo al uso de mecanismos de difusión para conseguir este fin. El proceso de difusión es un fenómeno de transferencia de átomos ya sea dentro de un material sólido o desde otro material líquido, gaseoso u otro sólido. Este fenómeno consiste en la emigración de los átomos de un sitio a otro, esto se facilita por la naturaleza vibratoria de la energía ya que a una temperatura específica algún porcentaje de la totalidad de los átomos debe ser capaz de difundirse y por esta misma propiedad este porcentaje tiende a aumentar a medida que se incrementa la temperatura. El proceso de difusión ha sido ampliamente estudiado y es regido por las 2 leyes de Fick que hablan de la vibración y la concentración del material que se difunde. Además no hay que dejar de lado el coeficiente de difusión que no es constante ya que es afectado por variables como la temperatura, la concentración y la estructura cristalina. En el sector industrial existen diferentes aplicaciones para los mecanismos de difusión, en donde las piezas requieren una superficie dura, resistente al desgaste, flexión, y fricción; una de estas aplicaciones es el proceso de nitruración en donde las piezas se colocan en un recipiente hermético, a una temperatura entre los 520°C y 580°C en presencia de amoniaco que al descomponerse desprende nitrógeno favoreciendo la difusión de este en el metal, es un proceso demorado, pues depende de que tan dura requerimos la superficie de la pieza, su aplicación principalmente es en p iezas que son sometidas a grandes fuerzas de roce, como por ejemplo, camisas de cilindro, engranajes sin fin, rodamientos entre otras.
se realiza un calentamiento al acero mientras permanece en contacto con monóxido de carbono y/o algún tipo de hidrocarburo el cual puede ser gas metano, gas propano, gas natural o algún tipo de hidrocarburo fluido vaporizado. Este método de carburación por gas presenta múltiples beneficios como un proceso más rápido, menor costo, un proceso más limpio, un mejor control de calidad y una operación más flexible con respecto al proceso de carburación por material sólido. Fig. 1. Ejemplo de materiales nitrurados Fuente: https://es.slideshare.net/albertojeca/tratamientos-
termoquimicos Para modificar las propiedades químicas y físicas del material, en especial de los metales, hay diferentes factores que van ligados, la temperatura, puesto que esa debe ser adecuada, tanto en el calentamiento como el enfriamiento, y la velocidad.
Existen otros procesos de difusión en donde el principal objetivo es prevenir la aparición de corrosión y la oxidación al someterse a altas temperaturas “Algunos ejemplos importantes son el aluminizado y el siliconizado” [3].
El aluminizado en los procesos de difusión en la industria, consiste en aplicar aluminio en aleaciones termo-resistentes de acero, hierro fundido y cobre, una de sus principales aplicaciones la encontramos en la industria automotriz para la fabricación del conducto de escape de los vehículos.
Las modificaciones de las propiedades que vemos cada día, es gracias a los adelantos conseguidos en el ámbito de tratamientos térmicos, los sofisticados sistemas de calentamiento y enfriamiento, constituyen una base importante para la industria mecánica y metalúrgica, la manufactura de estos materiales le otorga un valor agregado, no solo en el aspecto mecánico sino también a nivel económico, combinando diferentes materiales, como por ejemplo, el hierro es un mineral y se le agrega valor convirtiéndolo en acero, la arena en su proceso se transforma en vidrio, y los engranajes y camisas cilindros sometiéndose a procesos de n itruración. La nitruración es bastante utilizada en el mejoramiento de las propiedades de herramientas industriales y comerciales, así como de componentes de maquinaria, su uso ha permitido extender el tiempo de vida útil de herramientas de corte y ensamblado, con la aplicación de películas duras pero delgadas de compuestos como nitruro de titanio (TiN), carburo de titanio (TiC) y n itruro de cromo (CrN), entre otros. El (TiN) es de los más utilizados en recubrimientos por sus elevadas características de dureza, conductividad térmica y eléctrica, alta resistencia al desgaste y la corrosión y además, por su color y brillo semejante al oro cuando es obtenido a través de técnicas de Depósito Físico en fase Vapor (PVD) y Depósito Químico en fase Vapor (CVD).
Fig. 2. Conducto de escape de un vehículo Fuente: https://buscadordetalleres.com/blog/acero-aluminizado/
Para los procesos de siliconizado se difunde silicio a una capa superficial del acero, mejorando la resistencia a la corrosión y al calor, esto hace que su principal aplicación sea en semiconductores para cambiar sus propiedades eléctricas en transistores y diodos.
Otro de los métodos utilizados que permite cambiar la composición química superficial del acero para otorgar una superficie dura y resistente al desgaste es la carburación. Este método es una de los más antiguos y más económicos y consiste en aumentar la concentración de carbono en la capa superficial del material colocando el acero en una mezcla gaseosa de CH4 a temperatura de acero austenítico (1700°F), controlando gases y difundiendo el carbono de la superficie al centro del acero. La rapidez de la difusión del carbono depende del coeficiente de difusión, así como del gradiente de concentración de carbono. Después de que la difusión se ha completado en las condiciones de tiempo requerido la pieza se saca del horno y posteriormente se enfría de forma controlada. Este método suele utilizarse para realizar la carburación en lotes pequeños ya que no es eficiente para producción en masa, así como tampoco es aplicable para la producción de partes con espesor reducido. Para este tipo de aplicaciones es más recomendada la carburación por gas en la cual
Fig. 3. Microchip Fuente: https://www.insidermonkey.com/blog/hedge-funds-are-betting-onthese-five-cheap-tech-stocks-455571/
Existe otro proceso muy utilizado en los últimos tiempos, sin desconocer los demás métodos que cobran gran importancia, la cementación. Este proceso que somete la pieza a altas temperaturas y un ambiente rico en carbono con el fin de que produzca su difusión dentro del material que contiene dos capas de superficie cementada y el núcleo sin cementar. Después de la cementación la pieza se somete a temple y revenido a bajas temperaturas. El núcleo, debido al bajo contenido de carbono, no admite temple, queda tenaz y puede trabajar bajo cargas dinámicas, y la zona periférica adquiere temple a una profundidad de cerca de 1 mm haciéndose resistente al desgaste por rozamiento. Este mecanismo se puede realizar por dos vías, la primera en medio solido o gaseoso. La de medio sólido, las piezas limpias y libres de óxidos se sumergen en la mezcla de cementación, dentro de cajas de chapas de acero soldadas y selladas. Estas cajas se cargan luego al horno de cementación, y se mantienen ahí durante varias horas a una temperatura entre 900 y 950 grados hasta obtener la profundidad de la capa de difusión deseada. Como mezcla de cementación se puede utilizar la del carbón vegetal finamente pulverizado, con alguno de los siguientes carbonatos: carbonato de bario, carbonato de sodio ó carbonato de potasio, estos actúan como catalizadores y contribuyen al desprendimiento del carbono en estado elemental, necesario para la cementación. Para el sellaje de la tapa de la caja de cementación puede utilizarse una masilla hecha con arena de fundición mezclada con silicato de sodio que es el vidrio soluble. Si se utiliza la otra vía de cementación como la gaseosa; esta si necesita de un equipo especial más complicado, por ello consideramos las ventajas respecto a la cementación en medio sólido; el proceso es dos o tres veces más rápido, la tecnología es menos perjudicial a la salud, y las propiedades del núcleo sin cementar resultan mejores debido al menor crecimiento del grano. El proceso se realiza en hornos especiales, en cuyo interior se inyecta como gas cementante algún hidrocarburo saturado tales como metano, butano, propano y otros. Por otra parte, el fenómeno de la descarburación permite la perdida de carbono de su composición química durante un tratamiento a elevada temperatura esto es posible por la interacción con la atmosfera gaseosa. Esto conduce a un empeoramiento de las propiedades mecánicas, haciendo énfasis en las zonas próximas de la superficie del material. El grado de descarburación es fun ción de la temperatura, de la composición química del material y de la composición química del material gaseoso del material con el que reacciona. En estos procesos se requiere de una buena predicción de las condiciones en las que se dará dicha reacción, por lo tanto el análisis previo de las reacciones gas – solido es de gran importancia. En algunos sistemas en los que hay flujo continuo de gas, el equilibrio se determina por la condiciones de la fase gaseosa, es decir por la actividad del carbono, más que por la composición química del material. Por ello el control de las reacciones de carburación o descarburación se da por el potencial de carbono en la fase gaseosa [6]. Al efectuar la descarburación no se deben emplear temperaturas superiores a 950°C, puesto que se produce cierta sintetización que obligará a una posterior molienda. Esta molienda es bastante engorrosa por la mayor ductibilidad que adquiere el polvo al disminuir el contenido de carbono. Sin embargo esta temperatura no alcanza a ser suficiente para activar el flujo de carbono a niveles suficientes económicos. Por ello se aumenta las temperaturas gradualmente durante el proceso de descarburación.
El control del incremento gradual de temperatura se efectúa de manera sencilla realizando la descarburación en forma escalonada, elevando la temperatura cuando la velocidad de descarburación disminuya y la temperatura de fusión lo permita. Los incrementos de temperatura se efectúan en tres etapas: la I a 950°C, la II a 1050°C y la III a 1150°C. La velocidad de la descarburación depende, además de la temperatura del flujo de amoniaco disociado, ya que al aumentar éste la presión parcial de formación del metano disminuye al ser evacuado constantemente lo que estimula dicha reacción. A medida que el contenido de carbono va disminuyendo, el diferencial de concentración va disminuyendo, el diferencial de concentración en la partícula va descendiendo, lo que desacelera la reacción. [7] Finalmente, pero no menos importante es de resaltar la importancia de los procesos de difusión en el cuidado del medio ambiente, teniendo en cuenta que un número mayoritario de Industrias están involucradas en la producción de hierro, acero, metales no-ferrosos, minería, manufactura de pigmentos, entre otros, manejan a su vez, numerosas técnicas para la pur ificación del agua y eliminación de metales contenidos en efluentes acuosos. En los procesos de difusión, la utilización de residuos industriales como materiales adsorbentes en procesos de retención o eliminación de metales ha tomado fuerza, ya que busca rutas alternativas que puedan reemplazar, en determinados estadios, a materiales adsorbentes convencionales y de mayor coste económico.
III. CONCLUSIONES La necesidad del cambiante mundo industrial, ha obligado al hombre a buscar nuevas alternativas en materiales ya conocidos que se quedaron cortos para el universo de aplicaciones desarrolladas con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas. Todo esto ha sido posible gracias al proceso de mecanismos de difusión. El proceso de difusión consiste, en su mayoría, en la unión de diferentes materiales tomando las mejores propiedades de cada uno de ellos para formar un material superior, de acuerdo a la finalidad de uso, o simplemente, En la aplicación de tratamientos (físicos o químicos) para mejorar o eliminar una propiedad natural. Del análisis realizado se determinó que la cascarilla es un material efectivo para eliminar iones en solución acuosa. Esta eliminación está influida por la temperatura. La eliminación de cadmio, cinc y plomo corresponde a un proceso de adsorción superficial y la eliminación de cobre, a un proceso de cementación. La aplicación de procesos inversos en un mismo material puede otorgarle diferentes propiedades, como es el caso de la carburación en la que se añade carbono a un material y en la descarburación se elimina carbono al mismo. La aplicación de los procesos de difusión, obviamente realizada de una forma técnica y controlada también trae beneficios al medio ambiente al generar proceso más limpios.
REFERENCIAS
[1] F. Bolivar, “Influencia de los recubrimientos dúplex sobre las
propiedades mecánicas y resistencia al desgaste del acero AISI 4140 bonificado,” EIA. Rev., vol.10, no. 19, pp. 153, Ene./Jun. 2013.
[2] L. Matezanz., “Uniones Heterogéneas aceros especiales – cermet obtenidas mediante procesos de difusión termodinámico”, pp 41 -72, Madrid/2011: [3] J. Perez Patiño, “Tratamiento térmico del acero” Tratamientos térmicos de los aceros, pp. 32-34, Marzo 1996 [4] I Conferencia de Diseño Mecánico de Componentes y Sistemas. (Septiembre 12 – 15, 2000, La Habana, Cuba). Nuevas orientaciones para calcular la profundidad efectiva de la capa endurecida en engranajes de acero cementado. Aceptado el 23 de octubre de 1998. 6p. [5] J. Bernal, “Endurecimiento supe rficial del acero por difusión del carbono en hierro gamma,” Tesis M.S, Dept. Ing., Mecánica, Univ. Autónoma de Nuevo León, San Nicolas de los Garza, México, 1994.
[6]T.Gomez “Analisis termodinámico de la descarburación de aceros”. CEIT y Escuela Superior de Ingenieros Industriales (Univ.
Navarra), pp 2, Agosto 2001 [7]M. Martinez, “Proceso de atomización y recocido descarburante para la obtención de polvos microporosos de acero inoxidable”, Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol. 22 N°2, 2002, 58-59 p.
