INSTITUTO TECNOLÓGICO DE ACAPULCO INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES UNIDAD 4 MODIFICACION A LA ESTRUCTURA CRISTALINA PROFESOR: HUMBERTO GALLARDO HERNÁNDEZ INTEGRANTES: LUIS FERNANDO HERNÁNDEZ MONTES CARLOS OSVALDO TORREBLANCA PEREZ JUAN MANUEL HERNÁNDEZ AVILA HORARIO: 2:00 A 3:00 PM
UNIDAD 4 MODIFICACION A LA ESTRUCTURA CRISTALINA
4.1 a) Endurecimiento por deformación y endurecimiento endurecimie nto por recocido
Como los ensayos de abolladura y de pandeo (Oil canning) en el panel de la puerta se realizan sobre el material ya conformado, para seleccionar un acero adecuado usted deberá tener en cuenta el endurecimiento que se produce durante la fabricación de la puerta. El mismo puede ser una combinación de endurecimiento por deformación, debido a la deformación aplicada durante la conformación, y endurecimiento por recocido a baja temperatura (Bake hardening), que es inducido durante el calentamiento asociado al proceso de pintura. Algunos aceros de bajo carbono y alta resistencia (llamados grados de Bake hardening) han sido especialmente desarrollados para dar un buen endurecimiento por recocido a bajas temperaturas. La finalidad de estos grados es que el límite de fluencia antes del proceso de conformado sea lo suficientemente bajo para obtener una buena conformabilidad y aun así obtener los niveles de resistencia requeridos para pasar el ensayo de abolladura una vez que el panel de la puerta se halla en su estado final. También han sido desarrollados otros nuevos aceros de alta resistencia, denominados aceros de fase dual (con una microestructura de ferrita y martensita) y aceros TRIP (de la sigla en inglés: plasticidad inducida por transformación, que poseen una muy alta concentración de austenita, la cual se transforma en martensita durante la deformación). Estos aceros tienen un alto índice de endurecimiento por deformación y por lo tanto son capaces de ofrecer una buena combinación de conformabilidad y altos niveles de resistencia en estado conformado. Otros flejes de acero micro-aleados de alta resistencia presentan menor endurecimiento por deformación y endurecimiento por recocido a bajas temperaturas durante el procesamiento y son más difíciles de conformar. Las respuestas al endurecimiento por deformación y endurecimiento por recocido a bajas temperaturas dependen esencialmente del tipo de acero (su composición, especialmente de los niveles intersticiales de carbono y nitrógeno, y de la microestructura) y de la deformación impuesta durante el conformado. Generalmente, el endurecimiento durante y luego del conformado tanto para los aceros de fase dual como para aquellos de endurecimiento por recocido a bajas temperaturas puede variar entre 50 y 90 MPa. Usted necesitará tener en cuenta el endurecimiento por deformación y el endurecimiento por recocido a bajas temperaturas que ocurre durante el conformado y el proceso térmico durante el pintado del panel de la puerta del automóvil, dependiendo del tipo de acero que elija. Para simplificar este ejercicio, se asume que la respuesta al endurecimiento por recocido a bajas temperaturas es de 40 MPa y la respuesta al endurecimiento por deformación es de 60 MPa para los aceros TRIP, 50 MPa para los aceros de Fase Dual y 30 MPa para otros aceros.
b) Endurecimiento por solidificación y procesamiento
Principios de endurecimiento por solidificación y procesamiento Todos los metales y las aleaciones, semiconductores, compuestos, cerámicos y polímeros en algún momento de su procesamiento se encuentran en estado líquido Las estructuras producidas durante su solidificación afectan las propiedades mecánicas e influyen sobre el tipo de procesamiento posterior. Durante la solidificación cambia el arreglo atómico de un orden de corto alcance a uno de largo alcance Solidificación dos pasos: Nucleación: forma pequeña porción sólida dentro del líquido Crecimiento: Los átomos de líquido se van uniendo al sólida hasta que se acabe el líquido. c) Endurecimiento por dispersión durante la s olidificación 1.
Endurecimiento por Dispersión: Es el incremento de la resistencia del material al mezclar más de una fase. Mediante el control apropiado del tamaño, forma, cantidad y propiedades individuales de las fases, se puede obtener una excelente combinación de propiedades.
1.1 Principio de Endurecimiento por Dispersión:
Matriz: Es una fase continua, que por lo general se encuentra en mayor cantidad y se precipita en una segunda fase a partir de ella. Típicamente, el primer material sólido que se forma durante el enfriamiento de una aleación.
Precipitado: Fase sólida presente por lo general en menor cantidad, que se forma a partir de la matriz original cuando se excede el límite de solubilidad. En la mayoría de los casos, se pretende controlar la formación del precipitado para producir un endurecimiento óptimo por dispersión. En algunos casos se forman dos fases simultáneamente. Estas estructuras se
definen de manera distinta, a la mezcla íntima de las fases se le denomina micro constituyente. Existen ciertas consideraciones de tipo general para determinar la forma en que las características de matriz y precipitado afectan las propiedades generales de una aleación metálica.
1. La matriz deberá ser blanda y dúctil y el precipitado debe ser duro y resistente. El precipitado interfiere con el deslizamiento de las dislocaciones, en tanto que la matriz proporciona por lo menos cierta ductilidad a la aleación. 2. El precipitado duro debe ser discontinuo, en tanto que la matriz, blanda y dúctil debe ser continua. Si el precipitado fuera continuo, se propagarían grietas a lo largo de toda la estructura. Sin embargo, las grietas en el precipitado discontinuo y frágil son retenidas en la interfase precipitado-matriz. 3. Las partículas de
precipitado deben ser
pequeñas y
numerosas,
incrementando la posibilidad de que interfieran en el proceso de deslizamiento. 4. Las partículas de precipitado deben ser redondas en vez de forma puntiaguda o de aguja ya que la forma redonda es menos propensa a iniciar grietas o actuar como muesca. 5. Grandes cantidades de precipitado incrementan la resistencia de la aleación. También se producen materiales de dos fases por razones distintas al endurecimiento; estos casos pudieran no ser aplicables los criterios arriba citados. Por ejemplo, la tenacidad a la fractura de los materiales puede mejorarse al introducir una fase dispersa. Si se incorpora una fase dúctil a una matriz cerámica, o una fase de caucho a un polímero termoestable, se mejora la tenacidad; la formación de una densa red de precipitados en forma de aguja en al aleaciones de titanio ayuda a impedir el crecimiento de grietas. La producción de glóbulos plomo muy blandos dentro del cobre mejora su maquinabilidad.
El precipitado deberá ser duro y discontinuo
Las partículas de precipitado deberán ser pequeñas y numerosas
Las partículas del precipitado deberán ser redondas en vez de forma puntiagudas o en forma de aguja
A mayor cantidad de precipitado mayor endurecimiento d) Endurecimiento por precipitación y envejecimiento
Sólo hay dos métodos principales para aumentar la resistencia y la dureza de una aleación dada: trabajo en frío o tratamiento térmico. El proceso de tratamiento térmico más importante para aleaciones no ferrosas es el de endurecido por envejecimiento o por precipitación.4 OBJETIVOS DEL ENVEJECIMIENTO -Aumentar la resistencia de muchas aleaciones de aluminio y otros metales. -Crear, en una aleación tratada térmicamente, una dispersión densa y fina de partículas precipitadas en una matriz de metal deformable.
Las partículas precipitadas actúan como obstáculos del movimiento de las dislocaciones y, así, refuerzan la aleación tratada térmicamente. Para aplicar este tratamiento térmico, el diagrama de equilibrio debe mostrar solubilidad sólida parcial, y la pendiente de la línea de solvus debe ser tal que haya mayor solubilidad a una temperatura mayor que a una menor. La condición necesaria para que se produzca la precipitación en una solución sólida es, sencillamente, la existencia de una línea de Solbes. Por consiguiente, se produce cierto grado de precipitación en la mayor parte de los sistemas de aleación y un grado notable en cientos de casos conocidos. Cualquier metal puede endurecerse por precipitación, mediante la adición de un elemento de aleación correctamente elegido. El endurecimiento sería aún mayor en el caso de aleaciones ternarias o de un número de componentes más elevado. Proceso de envejecimiento (Tratamiento térmico). El proceso para obtener una aleación endurecida por precipitación puede dividirse en tres partes: 1. Elección de la composición. 2. Tratamiento térmico de la solución. 3. Tratamiento térmico de precipitación. 1. Elección de la composición: El diagrama de equilibrio de la figura anterior es un sistema que puede mostrar endurecimiento como resultado de la precipitación de la fase (b) a partir de la solución sólida (a) sobresaturada. Aun cuando el efecto máximo de endurecimiento se produce, en este caso, con un contenido del 6% de metal B límite de solubilidad de este en el metal A, puede producirse cierto endurecimiento en todo el intervalo de composiciones en el que pueden existir en equilibrio las fases (a) y (b). En la práctica, se usan otras composiciones además de la que produce el máximo endurecimiento. 2. El tratamiento térmico de la solución (solubilizarían): El objeto de esta etapa, es disolver un máximo de la segunda fase en la solución sólida (a) y después, retener esta solución hasta alcanzar la temperatura ambiente. Esto se efectúa así: -Calentando la aleación hasta una temperatura elevada, pero inferior a la que produciría un crecimiento excesivo de grano o la fusión de uno de los constituyentes. -Manteniendo esta temperatura desde una hasta varias horas, dependiendo dl espesor de la pieza para que pueda producirse la solución.
-Templado en agua hasta obtener una solución sólida sobresaturada (a) a la temperatura ambiente. Después del tratamiento de disolución la dureza es relativamente baja, pero superior a la del material enfriado lentamente y revenido. 3. Tratamiento de precipitación: Es necesario un tratamiento de precipitación de la aleación para la formación de un precipitado finamente disperso. La formación de dicho precipitado en la aleación es el objetivo del envejecimiento. El precipitado fino en la aleación impide el movimiento de las dislocaciones durante la deformación, forzando a que éstas pasen a través de las partículas de precipitado cortándolas o rodeándolas. La aleación resulta reforzada mediante esta restricción del movimiento de las dislocaciones durante la deformación. En esta etapa se obtiene la dureza máxima de estas aleaciones, la solución sobresaturada sufre cambios que conducen a la formación de la segunda fase. Las aleaciones en que la precipitación tiene lugar a temperatura ambiente, de modo que obtienen su resistencia total después de 4 ó 5 días de estar a temperatura ambiente, se conocen como aleaciones de envejecimiento natural, en tanto que las que necesitan recalentamiento a elevadas temperaturas para alcanzar su máxima resistencia, se conocen como aleaciones de envejecimiento artificial. Sin embargo, estas aleaciones también envejecen en forma limitada a temperatura ambiente, dependiendo de la rapidez y extensión del fortalecimiento de las características de las aleaciones. Curso del endurecimiento durante el tratamiento térmico de precipitación a dos temperaturas diferentes Efecto del tiempo de envejecimiento sobre las propiedades mecánicas. Efecto del tiempo de envejecimiento sobre la resistencia y dureza de una aleación endurecible por precipitación que ha sido termo tratada en solución y templada. A medida que se incrementa el tiempo de envejecimiento, se van formando las zonas de precipitación y su tamaño se incrementa; además, la aleación se hace más fuerte, dura y menos dúctil. Estas propiedades mecánicas alcanzan un valor máximo durante la precipitación a una temperatura dada y, después, disminuyen gradualmente como consecuencia del sobre envejecimiento. Este ablandamiento es consecuencia natural de la aproximación de la aleación al estado de equilibrio, al aumentar el tiempo durante el que la aleación se mantiene a temperatura. En efecto, una aleación muy sobre envejecida sería esencialmente idéntica a una aleación recocida, es decir una aleación en la que la estructura de equilibrio se produce por medio de un enfriamiento lento desde la temperatura del tratamiento de solución.
Curva esquemática de envejecimiento a una temperatura determinada para una aleación endurecible por precipitación. Una aleación endurecible por precipitación en la condición de solución sólida supersaturada se encuentra en un estado de alta energía. Este estado de energía es relativamente inestable y la aleación tiende a buscar un estado menor de energía por la descomposición espontánea de la solución sólida supersaturada en fases meta estable o fases de equilibrio. Cuando la solución sólida supersaturada de la aleación endurecida por precipitación se envejece a una temperatura relativamente baja, para la que sólo se dispone de una pequeña cantidad de energía de activación, se forman unas agrupaciones de átomos segregados llamadas zonas de precipitación.
El nivel energético superior es para la solución sólida sobresaturada, y el nivel inferior para el precipitado en equilibrio. La aleación puede ir espontáneamente de un nivel energético superior a uno inferior si hay suficiente energía de activación para la transformación y si las condiciones cinéticas son favorables. APLICACIONES DEL (ENVEJECIMIENTO)
ENDURECIMIENTO
POR
PRECIPITACIÓN
-El endurecimiento por precipitación es el método más importante para aumentar la resistencia mecánica de los metales no ferrosos por reacción en el estado sólido. Es especialmente útil para el aluminio, el metal principal de esta clase, y tanto las aleaciones de aluminio de fundición como las de forja son endurecibles por precipitación. -Como la refrigeración retarda la razón de envejecimiento natural; en la industria aeronáutica se utiliza este hecho cuando los remaches de aluminio aleado, que suelen envejecer a temperatura ambiente, se mantienen dentro de refrigeradores con un alto grado de congelación hasta que se remachan. Los remaches se han tratado previamente con un tratamiento de solución, y como tienen una fase única son muy dúctiles. Después de ser remachados, tendrá lugar el envejecimiento a temperatura ambiente, lo cual dará como resultado un incremento en la resistencia y en la dureza. -Como la adición de aleantes y el tratamiento térmico de precipitación disminuyen la resistencia a la corrosión del aluminio, algunas de las aleaciones de resistencia mecánica más elevada están protegidas con una capa de aluminio puro firmemente unida a la superficie por medio de un proceso de laminación en caliente. -El envejecimiento en los aceros es de interés secundario comparado con el endurecimiento por temple, pero existen algunos aspectos a los que se debe prestar atención. Los aceros con bajo contenido de carbono son susceptibles a un fenómeno de envejecimiento (natural) que puede tener dos efectos perjudiciales: 1. Deformación no uniforme durante el trabajo plástico en frío. 2. Ductilidad del acero y hacerlo inadecuado para aplicaciones difíciles de embutido de chapas. Puesto que estas dificultades son producidas por una reacción de envejecimiento, se les puede evitar si el acero se deforma antes de que pueda producirse esta reacción. -El níquel es otro metal cuyas aleaciones se endurecen principalmente por precipitación. El níquel es muy parecido al hierro en cuanto a sus propiedades mecánicas pero, debido a que sus propiedades de resistencia a la tensión son muy superiores, se usa en muchas aplicaciones a pesar de que su costo es unas diez veces mayor.
e) Endurecimiento por flama Este proceso es también conocido como “shorter process”, “shortering”, “flameado”, se emplea para endurecer superficialmente ciertas piezas de acero,
que por su forma o dimensiones, no pueden ser endurecidas por otros métodos, se puede utilizar la llama de oxiacetilénico, gas del alumbrado, gas natural y otros gases derivados del petróleo y de la gasolina. El temple por llama oxiacetilénica es el más utilizado. El procedimiento consiste en templar determinadas zonas de las piezas, calentándolas con una llama oxiacetilénica como se muestra en la figura 1 y enfriándolas luego rápidamente.
Para conseguir que las capas duras queden bien adheridas el resto del material y para evitar posibles desconchamientos superficiales, debido a una transición demasiado brusca en las zonas duras a las blandas, conviene que el contenido de carbono de los aceros este comprendido entre 0.30 % al 0.60 % de C. Las instalaciones comprenden de uno a varios sopletes y varios chorros de agua que proviene de depósitos auxiliares. El foco de calor o la pieza se mueven constantemente o alternativamente para calentar y templar sucesivamente todas las zonas. El enfriamiento se hace generalmente como ya se dijo, con chorros de agua, aunque algunas veces también se realiza con corrientes de aire a presión o introduciendo las piezas en depósitos de agua o aceite. Las diferentes clases de instalaciones que se utilizan para este tratamiento se pueden clasificar en cuatro grupos:
1. Máquinas en las que la pieza permanece quieta y la llama de mueve sobre la superficie que se va a templar, seguida más o menos inmediatamente del aparato de enfriamiento. 2. Máquina en que la llama y el aparato de enfriamiento son estacionarios y la pieza se mueve, figura 2.
3. Máquina en que la llama y el aparato de enfriamiento se mueven a una determinada dirección y la pieza a la otra dirección. 4. Máquina en la que se aplica la llama durante el tiempo necesario para que el acero alcance la temperatura de temple y entonces se alcanza el dispositivo de enfriamiento, y así sucesivamente, figura 3.
Las intensidades del temple se regulan por las distancias del chorro de agua al quemador en los tres primeros grupos, en el cuarto, la velocidad de calentamiento es regulada por el tamaño de la flama y la intensidad del temple. El temple oxiacetilénico es muy utilizado en el caso de piezas grandes, que por su volumen no pueden introducirse en los hornos de temple, además, empleando este sistema se puede endurecer, si se desea, solo la parte superficial de las piezas, sin afectar las propiedades del núcleo. Cuando se utiliza este método para templar piezas de gran tamaño las deformaciones que se producen son muy pequeñas. Este procedimiento es muy útil cuando se desea endurecer sólo determinadas zonas. Aunque puede emplearse el procedimiento oxiacetilénico para templar todos los aceros de más de 0.30% de carbono, no se suelen utilizar contenidos de carbono superiores a 0.60% por el peligro de que se desconchen las capas duras. Sin embargo, cuando además de la dureza superficial, interesa que el núcleo quede con características relativamente elevadas, deben utilizarse aceros aleados. En la tabla 1 se proporciona una lista de algunos de los aceros más empleados para el temple por llama oxiacetilénica y las durezas que con ellos se pueden conseguir.
f) Endurecimiento por granallado
El granallado es una técnica de tratamiento de limpieza superficial por impacto con el cual se puede lograr un excelente acabado superficial y simultáneamente una correcta terminación superficial. Consiste en la proyección de partículas abrasivas (es la granalla) a gran velocidad (65 - 110 m/s) que, al impactar con la pieza tratada, produce la eliminación de los contaminantes de la superficie. En líneas generales, es utilizado para:
Limpieza de piezas de fundición ferrosas y no ferrosas, piezas forjadas, etc. Decapado mecánico de alambre, barras, planchas, etc.
Limpieza y preparación de superficies donde serán aplicados revestimientos posteriores anticorrosivos (pintura, cauchos, recubrimientos electrolíticos o mecánicos, etc. ) El granallado permite lograr distintas superficies como por ejemplo: rugosa, antideslizante y plana ideal para pavimentaciones exteriores.
g) Endurecimiento por explosivo
Se exponen los resultados obtenidos en la investigación sobre el efecto que provocan las cargas de impacto generadas por la energía de detonación de una sustancia explosiva, en el endurecimiento del acero Hadfield. Se evalúa el comportamiento de las propiedades mecánicas y funcionales del material, en relación con las variables del proceso tecnológico de endurecimiento mediante explosivos; y se establece el correspondiente procedimiento tecnológico de endurecimiento de piezas de equipos de laboreo minero fabricadas de acero Hadfield, utilizando una fuente de energía técnicamente factible y económicamente racional. Los resultados del trabajo constituyen un aporte hacia una mayor comprensión del comportamiento del acero austenítico al alto manganeso del tipo Hadfield, en condiciones de aplicación de cargas explosivas; y al mismo tiempo ofrecen alentadoras perspectivas para la introducción de los resultados prácticos de la investigación en el sector industrial. h) Endurecimiento por implantación de iones
La implantación de iones es un proceso de ingeniería de materiales por el cual los iones de un material se aceleran en un campo eléctrico y afectado en un sólido. Este proceso se utiliza para cambiar la física, química, o propiedades eléctricas del sólido. La implantación de iones se utiliza en la fabricación de dispositivos semiconductores y en el acabado de metales, así como diversas aplicaciones en la investigación de la ciencia de materiales. Los iones alteran la composición elemental de la meta, si los iones difieren en la composición de la meta, se paran
en la puerta y se quedan allí. También producen muchos cambios químicos y físicos en el destino mediante la transferencia de su energía y el impulso a los electrones y núcleos atómicos del material objetivo. Esto provoca un cambio estructural, en el que la estructura cristalina de la diana puede ser dañado o incluso destruido por las cascadas de colisiones energéticas. Debido a que los iones tienen masas comparables a los de los átomos del blanco, que golpee los átomos del blanco fuera de lugar más de haces de electrones hacen. Si la energía de los iones es suficientemente alta para superar la barrera de Coulomb, puede haber incluso una pequeña cantidad de transmutación nuclear. Principio general Equipo de implantación de iones típicamente consiste en una fuente de iones, donde se producen iones del elemento deseado, un acelerador, donde los iones son acelerados electrostáticamente a una alta energía, y una cámara de objetivo, donde los iones inciden sobre un objetivo, que es la materia para ser implantados. Así, la implantación iónica es un caso especial de la radiación de partículas. Cada ion es típicamente un solo átomo o molécula, y por lo tanto la cantidad real de material implantado en el objetivo es la integral en el tiempo de la corriente de iones. Esta cantidad se llama la dosis. Las corrientes suministradas por los implantadores son típicamente pequeños, y por lo tanto la dosis que puede ser implantado en una cantidad razonable de tiempo es pequeña. Por lo tanto, la implantación de iones encuentra aplicación en los casos en que la cantidad de cambio químico requerido es pequeño. Energías de los iones típicos están en el rango de 10 a 500 keV. Energías en el rango de 1 a 10 keV se pueden utilizar, pero dan como resultado una penetración de sólo unos pocos nanómetros o menos. Energías más bajos que este resultado en muy poco daño al objetivo, y caiga en la deposición por haz de iones de designación. Energías más altas también se pueden utilizar: aceleradores capaces de 5 MeV son comunes. Sin embargo, a menudo hay un gran daño estructural a la diana, y debido a que la distribución de profundidad es amplia, el cambio de la composición neta en cualquier punto en el objetivo será pequeño. La energía de los iones, así como las especies de iones y la composición de la meta determinan la profundidad de la penetración de los iones en el sólido: Un haz de iones mono energética tendrá generalmente una amplia distribución en profundidad. La profundidad de penetración media se llama la gama de los iones.
En circunstancias típicas gamas de iones será de entre 10 nanómetros y 1 micrómetro. Por lo tanto, la implantación de iones es especialmente útil en los casos en que se desea el cambio químico o estructural para estar cerca de la superficie del objetivo. Los iones pierden gradualmente su energía a medida que viajan a través del sólido, tanto a partir de colisiones ocasionales con los átomos del blanco y de un arrastre suave de solapamiento de orbitales de electrones, que es un proceso continuo. La pérdida de la energía de iones en el objetivo se llama parar y puede ser simulado con el método de aproximación de colisión binaria. Sistemas de acelerador para la implantación de iones en general se clasifican en Corriente media - corrientes de haz de iones entre 10 A y ~ 2 mA.
Alta corriente - corrientes de haz de iones de hasta ~ 30 mA.
Alta energía - energías iónicas superiores a 200 keV y hasta 10 MeV.
Muy alta dosis - implante eficaz de dosis superior a 1 016 ions/cm2.
Todas las variedades de la línea de luz de implantación de iones diseños contienen ciertos grupos generales de componentes funcionales. El primer segmento importante de una línea de haz de iones incluye un dispositivo conocido como una fuente de iones para generar las especies de iones. La fuente está estrechamente acoplada a los electrodos sesgadas para la extracción de los iones en la línea de luz y más a menudo a algunos medios de selección de una especie de iones particulares para el transporte en la sección principal del acelerador. La selección de "masa" se acompaña a menudo por el paso del haz de iones extraídos a través de una región de campo magnético con una vía de salida restringida por aberturas de bloqueo, o "ranuras", que permiten sólo los iones con un valor específico del producto de la masa y la velocidad/cobrar a seguir por la línea de luz. Si la superficie del objetivo es mayor que el diámetro del haz de iones y una distribución uniforme de la dosis implantado se desea sobre la superficie del blanco, a continuación, se utiliza una combinación del haz de exploración y el movimiento de la oblea. Por último, la superficie implantada se acopla con algún método para la recogida de la carga acumulada de los iones implantados de manera que la dosis administrada se puede medir de una manera continua y el proceso de implante se detuvo en el nivel de dosis deseado.
i) Endurecimiento por Austempering
El austempering (o temple bainítico) es un tratamiento térmico que se aplica al Acero. Con este tratamiento isotérmico se pretende obtener piezas con una estructura bainítica, que sean duras pero no extremadamente frágiles. Suele aplicarse a aceros con un contenido en carbono alto. Se utiliza para piezas como engranajes, ejes, y, en general, partes sometidas a fuerte desgaste que también tienen que soportar cargas. Puede sustituir al procesos como el Temple por inducción y el Temple convencional. Propiedades Con este método se pueden obtener piezas con dureza hasta 55HRC. Comparando con otros tratamientos, el Austempering reduce las tensiones internas y la probabilidad de choque térmico. Buena ductilidad, considerando la dureza. Proceso
Calentamiento por encima de la temperatura crítica. Enfriamiento brusco en un baño de sales o plomo fundido hasta una temperatura comprendida entre la temperatura martensítica y 450º. Tiene que ser suficientemente rápido para evitar la formación de perlita. Mantenimiento de esa temperatura hasta que toda la austenita se ha transformado en vainita. Enfriamiento al aire.
4.2 Tratamientos térmicos
Se conoce como tratamiento térmico al conjunto de operaciones de calentamiento y enfriamiento, bajo condiciones controladas de temperatura, tiempo de permanencia, velocidad, presión, etc., de los metales o las aleaciones en estado sólido, con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas, especialmente la dureza, la resistencia y la elasticidad. Los materiales a los que se aplica el tratamiento térmico son, básicamente, el acero y la fundición, formados por hierro y carbono. También se aplican tratamientos térmicos diversos a los cerámicos. Propiedades mecánicas
Las características mecánicas de un material dependen tanto de su composición química como de la estructura cristalina que tenga. Los tratamientos térmicos modifican esa estructura cristalina sin alterar la composición química, dando a los materiales unas características mecánicas concretas, mediante un proceso de calentamientos y enfriamientos sucesivos hasta conseguir la estructura cristalina deseada. Entre estas características están: Resistencia al desgaste: Es la resistencia que ofrece un material a dejarse erosionar cuando está en contacto de fricción con otro material. Tenacidad: Es la capacidad que tiene un material de absorber energía sin producir fisuras (resistencia al impacto). Maquinabilidad: Es la facilidad que posee un material de permitir el proceso de mecanizado por arranque de viruta. Dureza: Es la resistencia que ofrece un material para dejarse penetrar. Se mide en unidades BRINELL (HB), unidades ROCKWEL C (HRC), VICKERS (HV), etc. Dureza mediante la prueba del mismo nombre. También puede ser definido como la capacidad de un material de no ser rayado. Mejora de las propiedades a través del tratamiento térmico
Las propiedades mecánicas de las aleaciones de un mismo metal, y en particular de los aceros, reside en la composición química de la aleación que los forma y el tipo de tratamiento térmico a los que se les somete. Los tratamientos térmicos modifican la estructura cristalina que forman a los aceros sin variar la composición química de los mismos. Esta propiedad de tener diferentes estructuras de grano con la misma composición química se llama polimorfismo y es la que justifica los tratamientos térmicos. Técnicamente el polimorfismo es la capacidad de algunos materiales de presentar distintas estructuras cristalinas, con una única composición química, el diamante y el grafito son polimorfismos del carbono. La α-ferrita, la austenita y la δ -ferrita son polimorfismos del hierro. Esta propiedad en un elemento químico puro se denomina alotropía.
Por lo tanto las diferentes estructuras de grano pueden ser modificadas, obteniendo así aceros con nuevas propiedades mecánicas, pero siempre manteniendo la composición química. Estas propiedades varían de acuerdo al tratamiento que se le dé al acero dependiendo de la temperatura hasta la cual se lo caliente y de cómo se enfría el mismo. La forma que tendrá el grano y los micro constituyentes que compondrán al acero, sabiendo la composición química del mismo (esto es porcentaje de Carbono y Hierro (Fe3))y la temperatura a la que se encuentra, se puede ver en el Diagrama Hierro Carbono. A continuación se adjunta a modo de ejemplo una figura que muestra como varía el grano a medida que el acero es calentado y luego enfriado. Los micro constituyentes a los que antes se hizo referencia en este caso son la Perlita, la Austenita y la Ferrita. En la figura que se adjunta a continuación se puede ver con mayor claridad como varía el grano del latón de acuerdo a la variación de temperatura en un tratamiento térmico.
a) Tratamiento térmico de templado
Consiste en el calentamiento del acero hasta una temperatura de Austenización (la cual depende de la composición química), seguido de un tiempo de sostenimiento a dicha temperatura para que ocurra la transformación de la estructura que posee el acero a temperatura ambiente, y luego se somete a enfriamiento a una velocidad crítica proporcionada por el medio de enfriamiento que se vaya a utilizar. El objetivo principal del temple es endurecer el acero. b) Tratamiento térmico de superficie
El endurecimiento superficial se utiliza para ampliar la versatilidad en ciertos aceros mediante la combinación de propiedades no obtenibles de otras maneras. Para muchas aplicaciones, el desgaste o las tensiones más severas actúan sólo sobre la superficie de la pieza. Por lo tanto, la pieza puede fabricarse con un acero de bajo o medio carbono y endurecer la superficie por un tratamiento térmico final después de que todos los otros procesos se completaron. El endurecimiento superficial también reduce la distorsión y elimina la fisuración que puede generarse durante el endurecimiento especialmente en piezas grandes. También es posible el endurecimiento localizado de determinadas áreas mediante algunas técnicas de endurecimiento superficial. Este capítulo describe los dos tratamientos de endurecimiento superficial principales.
Uno es sin cambio en la composición y consiste en un endurecimiento superficial con calentamiento por inducción o flameado. El otro cambia la composición e incluye técnicas tales como cementación, nitruración y carbonitruración. Por inducción
Este procedimiento se utiliza para endurecimiento superficial de pequeñas piezas de acero, por temple de su zona periférica. El calentamiento por corriente de alta frecuencia se efectúa en muy pocos segundos, pudiéndose además si se desea, localizar el tratamiento en zonas muy limitadas. Las piezas se colocan en el interior de una espira o conjunto de espirales de forma apropiada, a través de la cual se hace pasar una corriente eléctrica de alta frecuencia que calienta las piezas a temperaturas elevadas como se aprecia en la figura 4, luego, se enfría rápidamente con una ducha de agua o introduciéndolas en recipientes de agua o aceite. Las espirales están constituidas por un tubo de cobre refrigerado interiormente por agua. La corriente eléctrica crea en el interior de las espirales un campo magnético alternativo, que a su vez da lugar a corrientes eléctricas alternativas de alta frecuencia en las piezas, que son suficientes para calentar el acero.
Por cementación
La difusión de carbono sobre la superficie se denomina cementación. Este procedimiento consiste en el calentamiento de las piezas a una temperatura de aproximadamente 900 ºC en un medio en el que el carbono penetre en la superficie del acero en función del tiempo. Se puede efectuar este procedimiento con medios sólidos (carbón de madera con aditivos, baño de sales con cianuros), o con medios gaseosos CO, H2, N2, CmHn. La utilización de medios gaseosos es
la más utilizada ya que permite un control de la profundidad del tratamiento. Después de la cementación se efectúa un enfriamiento rápido para alcanzar la dureza superficial necesaria de forma que los aceros con bajo contenido en carbono, alcancen una superficie dura con un núcleo dúctil que proporcione a las piezas su máxima resistencia. Por nitruración
La adición de nitrógeno a la superficie se denomina nitruración, dicho procedimiento consiste en el enriquecimiento de la superficie manteniendo el acero (de aleación especial con cromo, vanadio, aluminio), a una temperatura de aproximadamente 550 º C, sea en baño de sales o en una atmósfera de amoniaco durante un tiempo determinado. Sin más tratamientos se alcanza de ésta manera una dureza superficial extremadamente alta con un mínimo de deformaciones, debido a la baja temperatura del tratamiento. f) Tratamiento de sinterización
Sinterización es el tratamiento térmico de un polvo o compactado metálico o cerámico a una temperatura inferior a la de fusión de la mezcla, para incrementar la fuerza y la resistencia de la pieza creando enlaces fuertes entre las partículas. En la fabricación de cerámicas, este tratamiento térmico transforma un producto en polvo en otro compacto y coherente. La sinterización se utiliza de modo generalizado para producir formas cerámicas de alúmina, berilia, ferrita y titanatos. En la sinterización las partículas coalescen por difusión al estado sólido a muy altas temperaturas, pero por debajo del punto de fusión o vitrificación del compuesto que se desea sinterizar. En el proceso, se produce difusión atómica entre las superficies de contacto de las partículas, lo que provoca que resulten químicamente unidas. Como en todos los procesos de fabricación hay que tener presente la energía necesaria y la cantidad de material que se "desperdicia" en forma de virutas o polvo, como puede ser en procesos de mecanización; la sinterización se usa principalmente con materiales que son caros, como puede ser el carburo de tungsteno, conocido también como Widia (del acrónimo wie diamant en alemán). En resumen, las ventajas de la sinterización son:
Obtención de las piezas a temperaturas relativamente bajas (ahorro energético). Permite la obtención de las piezas directamente con su forma definitiva (proceso rápido). Y se usa totalmente el material, sin generar residuos, como pueden ser virutas o polvo (ahorro de materias primas y productos).
Aplicaciones Las distintas aplicaciones que tiene dentro de la pulvimetalurgia son:
Fabricación de objetos con materiales refractarios. Fabricación de objetos con materiales de mucha pureza y composición de alta precisión. Fabricación de piezas con materiales difíciles de enmoldar. Fabricación de carburos metálicos. Fabricación de piezas metálicas porosas para utilizar como filtros.
Independientemente, la sinterización por láser es uno de los procesos más usados en las técnicas de prototipado rápido g) Tratamiento de vitrificación
Después de procesar térmicamente los residuos mezclados con sílice, óxido de sodio y óxido de calcio –de manera continua, y en un reactor de vitrificación – se funde todo a una temperatura entre 1300 y 1500 °C, y el resultado final es un producto vítreo y moldeable de color oscuro, parecido a la obsidiana, que es un vidrio natural. El proceso de vitrificación aquí propuesto se inicia con la recolección de residuos industriales peligrosos, continúa con su transporte legal, la consecuente recepción en la planta piloto, el proceso de tratamiento de vitrificación y, finalmente, la obtención de productos inertes con potencial para ser comercializados como materiales de construcción. Los componentes resultantes son totalmente inertes y el producto final es estable a lo largo del tiempo; un ejemplo de ello es que no se empezó a pensar en esta tecnología hasta después de investigar y comprobar una adecuado funcionamiento para eliminar la toxicidad de residuos peligrosos .
El vidrio puede estar formado por cualquier elemento de la tabla periódica, en vez de llevar los componentes básicos que son sílice y sosa; en el caso de la vitrificación de los RP, la materia prima necesaria procede de las cenizas de los residuos; no obstante, es claro que ese producto no podrá ser utilizado, en ningún caso, para elaborar envases de alimentos, pero sí en losetas o agregados sintéticos de vitrocerámicos, aplicables en la industria de la construcción. En varios países, la vitrificación es una tecnología implantada hace tiempo e, incluso, superada; por ejemplo, en Japón existen incineradoras de residuos sólidos municipales que cuentan con una planta de vitrificación anexa a la incineradora. En los Estados Unidos han ido más lejos, pues hacen la vitrificación in situ, introduciendo electrodos de grafito en los residuos, lo que permite la vitrificación, cuyo fundido se produce por conducción eléctrica. En el ámbito mundial, la mayoría de los hornos de vitrificación en uso son eléctricos o de plasmas de alta temperatura; en el primer caso, el arco producido por unos electrodos da lugar a un calentamiento hasta lograr la fusión de la mezcla; en el segundo, se provoca una ionización de gas que permite a la vez una temperatura más elevada hasta 15,000 °C. Estos sistemas de hornos consumen grandes cantidades de energía y su infraestructura es muy costosa. h) Tratamiento por pavonado
El pavonado consiste en un tratamiento de óxido abrillantado llevado al 100 %, de color azulado, negro o café, con el que se tratan las piezas de hierro o acero para mejorar su aspecto y evitar su corrosión. El pavonado atrae y retiene los aceites lubricantes. El revestimiento no aumenta ni disminuye las dimensiones de los metales tratados, por lo que las tolerancias para el ajuste de piezas no se ven afectadas. Además, las superficies tratadas pueden ser soldadas, enceradas, barnizadas o pintadas. Se obtiene un resultado mate cuando se aplica sobre una superficie tratada con chorro de arena o con un mordiente químico, y brillante sobre una superficie pulida o lisa. Los colores que se pueden obtener varían del negro al azulado, según la clase de aleación tratada.
Los orígenes del pavonado son un tanto inciertos, remontándose a cerca de tres siglos. Lo que sí se conocía es que calentando el acero hasta alcanzar un tono azulado y sumergiéndolo en aceite, aumentaba considerablemente su resistencia a la herrumbre. El método proporciona mejor calidad, durabilidad y aspecto. Se obtiene mediante la aplicación de ácidos que proporcionan una oxidación superficial de gran adherencia y durabilidad.
