TRATAMIENTOS TÉRMICOS Y SUPERFICIALES

2. TRATAMIENTOS TÉRMICOS Y SUPERFICIALES Los tratamientos térmicos son procesos donde únicamente se utiliza la temperatura como variable modificadora de la microestructura y constitución de metales y aleaciones, pero sin variar su composición química. El objetivo de los tratamientos térmicos consiste en mejorar las propiedades mecánicas. Los tratamientos termoquímicos o superficiales además de utilizar la temperatura como variable, modifican la composición química de una capa superficial de la pieza por tener lugar reacciones químicas en la superficie de la pieza.

3. TEMPLE Consiste en el calentamiento de un metal acompañado de un posterior enfriamiento de forma súbita. De este modo, se obtiene un metal muy duro y resistente mecánicamente a causa de su estructura cristalina deformada. El endurecimiento aportado por el temple se puede comparar al que se consigue por medio de la deformación en frío. Este tratamiento es propio de los aceros y consiste en su austenización, es decir, un calentamiento hasta una temperatura superior a la de austenización (727 oC), seguido de un enfriamiento lo suficientemente rápido para obtener una estructura martensítica.

4. TEMPLABILIDAD Templabilidad se define como la aptitud de la aleación para endurecerse por la formación de martensita como consecuencia de un tratamiento térmico. Ésta capacidad depende de la composición química de la aleación. El temple se caracteriza por enfriamientos rápidos y continuos en un medio adecuado: agua, aceite o aire. Ensayo de templabilidad (ensayo Jominy) El proceso es el siguiente: 1- Una probeta normalizada de 25 mm de diámetro y 100 mm de longitud se lleva ala temperatura de austenización el tiempo necesario para conseguir que la estructura se convierta en austenita. 2- Se saca del horno, y el extremo de la pieza se templa mediante un chorro de agua de caudal y temperatura constante, de manera que la velocidad de enfriamiento es máxima en el extremo templado y disminuye a lo largo de la probeta. 3- Una vez que la probeta se ha enfriado a temperatura ambiente, se desbasta una tira de 0,4 mm de espesor y se determina la dureza a lo largo de los primeros 50 mm. se traza una curva de templabilidad, representando los valores de dureza en función de la distancia al extremo templado. La gráfica del ensayo se ve a continuación.

5. Ensayo Jominy La gráfica muestra una curva de templabilidad típica. La velocidad de enfriamiento disminuye con la distancia al extremo templado y por tanto lo hace la dureza. A veces resulta más conveniente relacionar la dureza con la velocidad de enfriamiento, en lugar de hacerlo con la distancia al extremo templado. Factores que influyen en el temple. 1- Composición del acero. 4-Velocidad de enfriamiento 2- Temperatura a la que se hay que calentar 5- Características del medio 3.- Tiempo de calentamiento. 6- Tamaño y geometría de la pieza

6. ¿Qué es la MARTENSITA? • La MARTENSITA es el constituyente típico de los aceros templados. Se trata de una solución intersticial sobresaturada de carbono en Fe α. Se obtiene enfriando rápidamente en la zona austenítica. Cristaliza en la red tetragonal centrada en el cuerpo. Es el constituyente más duro del acero después de la cementita. • La posibilidad de templar un acero viene determinada por dos factores: • Su templabilidad: capacidad de un acero para el temple, es decir, la facilidad con la que se forma la martensita. La transformación completa de austenita en martensita sólo se consigue con velocidades de enfriamiento muy elevadas. • La velocidad de enfriamiento. • El temple del acero nunca constituye un tratamiento final debido a que la estructura martensítica obtenida, pese a ser muy dura, es al mismo a tiempo muy frágil. Por este motivo, una vez templado el acero, se le somete a tratamiento térmico de revenido con objeto de obtener una estructura más dúctil y tenaz. Los efectos de este tratamiento dependen de la temperatura y del tiempo de duración del proceso. El tratamiento completo de temple más revenido recibe el nombre de BONIFICADO. • El bonificado es un tratamiento adecuado para aceros aleados o aquellos con un alto contenido en carbono.

7. Diagramas TTT • Son diagramas que representan el tiempo necesario a cualquier temperatura para que se inicie y termine una transformación de fase (tiempo-temperatura-transformación). Para su obtención se realizan ensayos sobre distintas probetas que se someten a diferentes velocidades de enfriamiento y se analiza su dureza y su estructura interna. • El significado es: • Por encima de la temperatura A1 toda la estructura es austenita (hierro γ más carbono) Curvas TTT para acero eutectoide

8. Ps, línea roja, indica el inicio de la transformación a perlita, Pt indica el final de la transformación. Esto sucede para enfriamientos lentos, velocidad V1. • BS, línea naranja, indica el inicio de la transformación bainítica. Bf el final. Velocidades que no dan lugar al temple. • Si las velocidades se realizan en un medio con mayor capacidad como el agua se forma la martensita. Esta velocidad debe ser mayor que V3 y maraca dos zonas, la de inicio de transformación a martensita, MS y la de final, Mf. • El temple sucede siempre que la velocidad de enfriamiento sea lo suficientemente rápida para no entrar en la zona de las S, debiendo cortar en la línea MS. Tipos de temple. • Temple continuo de austenización completa. Se aplica a aceros hipoeutectoides. Se calienta el material 50º C por encima de la temperatura crítica superior (AC3), i se enfría en el medio más adecuado. El principal componente estructural es la martensita. • Temple continuo de austenización incompleta. Se aplica a aceros hipereutectoides. La temperatura de calentamiento está 50º C por encima de AC1. la estructura resultante es mixta a base de martensita y cementita.

9. Temple martensítico o martempering. Se calienta el acero a la temperatura de austenización y se mantiene el tiempo necesario para que se transforme toda la austenita. Se enfría en baño de sales manteniendo la temperatura constante durante un tiempo por encima de MS. • Temple austempering. Es similar al anterior, con la diferencia que el tiempo de enfriamiento en sales será el suficiente para que atraviese las curvas y la austenita se transforme en bainita. • Temple superficial. Se calienta rápida y superficialmente el material, de forma que solo una capa delgada alcanza la temperatura de transformación austenítica, a continuación se enfría rápidamente. El núcleo permanece inalterable y la superficie se transforma en dura y resistente al rozamiento.

10. REVENIDO Elimina la fragilidad y las tensiones ocasionadas en el temple. Consiste en un calentamiento a una temperatura inferior a A1, par lograr que la martensita se transforme en una estructura más estable. El proceso termina con un enfriamiento más bien rápido. Aunque destruye parte del temple, el acero es más blando pero menos frágil. Se aplica exclusivamente a los metales templados y es, por lo tanto, un tratamiento complementario del temple. Con el revenido se pretende mejorar la tenacidad del metal templado a expensas de disminuir un poco su dureza.

11. NORMALIZADO Este tratamiento confiere al acero una estructura y propiedades que arbitrariamente se consideran como normales y características de su composición. Por medio de él, se eliminan tensiones internas y se uniformiza el tamaño de grano. Se suelen someter a normalizado piezas que han sufrido trabajos en caliente, en frío, enfriamientos irregulares o sobrecalentamientos y también se utiliza en aquellos casos en los que se desean eliminar los efectos de un tratamiento anterior defectuoso. En este tratamiento, la velocidad de tratamiento no es lo suficientemente elevada como para formar martensita y la estructura resultante es perlita y ferrita o cementita de grano fino. Es un tratamiento adecuado para los aceros con bajo contenido en carbono pues mejora sus propiedades mecánicas.

12. El normalizado se realiza calentando el material a una temperatura entre 55 y 85º C superior a la temperatura crítica superior. El valor depende de la composición. Transcurrido un tiempo, hasta convertir la ferrita en austenita, se finaliza, con un enfriamiento relativamente rápido al aire. Curvas de enfriamiento. Normalizado y recocido total.

13. RECOCIDO Consiste en calentar el acero a una cierta temperatura (similar a la del normalizado) y a continuación someterlo a un enfriamiento muy lento (por lo general se apaga el horno y se deja que el material se enfríe en su interior). El recocido se aplica al acero para ablandarlo y proporcionarle la ductilidad y maleabilidad para conformado plásticamente o darle su forma final por mecanizado. La diferencia entre los tratamientos de temple, normalizado y recocido estriba en la velocidad de enfriamiento que sirve para definir la dureza y la resistencia finales de la pieza.

14. RECOCIDO. OBJETIVOS • Los objetivos son: • Eliminar tensiones del temple. • Aumentar plasticidad, tenacidad y ductilidad. • Conseguir una microestructura específica. Diagrama Fe-C. Intervalos de temperatura de tratamiento térmico del acero al carbono.

15. El proceso consta de tres etapas fundamentales: • Calentamiento hasta una temperatura prefijada. • Mantenimiento de la temperatura anterior durante un tiempo conveniente. • Enfriamiento lento hasta la temperatura ambiente, realizado a una velocidad conveniente. Recocido de aleaciones Fe-C Para modificar algunas propiedades de los aceros, es necesario someterlos a diferentes procedimientos de recocido. (Ver figura anterior). La línea de la fase A1se denomina de temperatura crítica inferior. Por debajo de ella, y en condiciones de equilibrio, la austenita se convierte en ferrita y cementita. Las líneas de la fase A3 y Acm representan las líneas de temperatura crítica superior para los aceros hipoeutectoides e hipereutectoides, respectivamente.

16. Recocido total Es un procedimiento que se aplica a los aceros de contenido de carbono bajo y medio, que se han conformado por mecanizado o se han deformado mucho en el proceso de deformación en frió. La aleación se austeniza calentando de 15 a 40º C por encima de las líneas A3 o A1. se deja enfriar lentamente dentro del horno. La microestructura que obtenemos del proceso es perlita gruesa. Globulización Los aceros medios y altos en carbono tienen una microestructura de perlita gruesa, demasiado dura para la deformación plástica y para el mecanizado. Estos aceros se recuecen para desarrollar la microestructura de esferoiditas. Este acero globulizado tiene la máxima blandura y ductilidad, y es fácilmente mecanizable y deformable. El tratamiento térmico calienta la aleación a una temperatura justo por debajo de la eutectoide (línea A1 a 700º C). El tiempo de globulización suele durar de 15 a 25 horas.

17. TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS Estos tratamientos varían la composición química superficial de los aceros, con el fin de mejorar determinadas propiedades de la superficie como dureza, resistencia al desgaste o a la corrosión. Cementación y carbonitruración. Consiste en aumentar la cantidad de carbono en la capa exterior de los aceros. La cementación se aplica a piezas que deben ser resistentes al desgaste y a los golpes. Como cementante gaseoso se emplea el monóxido de carbono. Como cementante sólido se puede emplear carbonato de bario. El cementante líquido mas empleado es el cianuro sódico. Nitruración Se aplica a ciertos aceros y fundiciones obteniéndose durezas muy elevadas del orden de 1200 unidades Brinell. Son superficialmente muy duros y resistentes a la corrosión. La nitruración se realiza en hornos especiales, exponiendo a las piezas a una corriente de amoniaco a una temperatura de 500 a 525º C. se utiliza para endurecer camisas de cilindros, árboles de levas, ejes cardan, piñones y aparatos de medida.

18. Sulfinización Incorpora C, N y S en baño a temperatura de 626 ºC Aumento de la resistencia al desgaste Disminuye su coeficiente de rozamiento Favorece la lubricación

19. Cianuración • La cianuración es un tratamiento termoquímico que se da a los aceros. Cuando se quiere obtener una superficie dura y resistente al desgaste, esto se logra empleando un baño de cianuro fundido, la cianuración se puede considerar como un tratamiento intermedio entre la cementación y la nitruración ya que el endurecimiento se consigue por la acción combinada del carbono y el nitrógeno a una temperatura determinada.

20. LA CORROSIÓN Y SUS EFECTOS La corrosión se define como el paso de un metal en estado libre a estado combinado, que es consecuencia de la tendencia de los metales a volver a su estado natural por la acción destructora del oxígeno del aire y los agentes electroquímicos que favorecen el proceso de corrosión. Esencialmente, el fenómeno consiste en una oxidación del metal. Si el óxido formado no es adherente y es poroso, puede dar lugar a la destrucción de la pieza. La oxidación es un proceso electroquímico en el que los átomos metálicos pierden electrones. Así, un metal M, con valencia v, puede experimentar una oxidación según la reacción: M → Mv+ + v e- donde el metal M se oxida (pérdida de electrones), convirtiendose en un ión co v+ cargas positivas al perder sus electrones de valencia. La zona en la que se produce la oxidación se llama ánodo, por lo que la oxidación se conoce como reacción anódica. La reacción inversa a la oxidación se conoce como reducción. La reducción se produce en el cátodo, en ella se toman los electrones de la oxidación. Mv+ + ve- → M. Esta situación es poco frecuente, salvo en condiciones determinadas que como la electrodepositación.

21. CELDA ELECTROQUÍMICA. LEY DE NERNST. VELOCIDAD DE CORROSIÓN. Una celda electroquímica se forma cundo se introducen dos metales en un líquido conductor de la electricidad. En una celda electroquímica se pueden observar los dos fenómenos de oxidación (pérdida de electrones) y de reducción (ganancia de electrones), que pueden dar lugar a dos procesos: la corrosión electroquímica y la electrodepositación. • Componentes de una celda electroquímica: • Montaje experimental, el amperímetro detecta el paso de la corriente. • Corrosión de una tubería de acero al unirla con un racor de cobre • En la celda se tienen los siguientes componentes: • Cátodo: recibe electrones por el circuito externo a causa de la reacción química que sufre el ánodo. • Ánodo: cede electrones al circuito y se corroe al abandonar iones metálicos positivos su superficie.

22. Circuito externo: el ánodo y el cátodo deben estar conectados. • Electrolito: es un líquido conductor que sirve de medio para que los iones metálicos que abandonan el ánodo puedan desplazarse hacia el cátodo. • Pila electroquímica de hierro y cobre. Se introducen dos electrodos de hierro y cobre en sendas disoluciones de concentración 1 M de sus iones separados por una membrana semipermeable que deja pasar el disolvente pero no los solutos, con el fin de que la disolución se mantenga. En ella el hierro se corroe mientras el cobre se electrodeposita. • Pila electroquímica de hierro y zinc. En este caso es el Zn el que cede los electrones y por tanto se corroe. Estos ejemplos indican que unas veces se corroe y otras veces no, en función de la pareja de electrolitos que se forma

23. La influencia de la concentración de iones viene dada por la Ley de Nernst, que se expres por la ecuación: a temperatura próxima de 25º C n, es el número de electrones que participa en las reacciones. [M1n+] y [M2n+]la concentración molar de los iones metálicos. U2 y U1, la tensión de referncia respecto del hidrógeno de la disolución de 1 M. La cantidad de metal depositado en el cátodo (electrodepositación), se determina por la ecuación de Faraday: donde m = masa de material depositado o corroído en un tiempo t, t = tiempo en segundos I = intensidad de corriente en amperios, M = masa molecular del metal n = valencia del ión metálico, f = constante de Faraday (96.500 culombios/mol)

24. TIPOS DE CORROSIÓN • Corrosión uniforme. Cuando se coloca un metal en un electrolito (puede ser aire húmedo). Es el caso de la herrumbre en el acero. Es la forma más común y predecible de corrosión, se puede prevenir con recubrimientos o barnices protectores. • Corrosión galvánica. Sucede al poner próximos dos metales o aleaciones distintas que están expuestos a un electrolito (agua, aire húmedo, etc.). Se debe tener cuidado de no poner juntos metales o aleaciones separados en la serie galvánica. • Corrosión por aireación diferencial. Sucede en los elementos de un mismo metal que disponen de grietas y rendijas, en las cuales penetra la suciedad y la humedad, con lo que las zonas exteriores están más aireadas y las interiores quedan empobrecidas de oxígeno, al desgastarse en la oxidación y no poder ser renovado. • Picaduras. El fenómeno es parecido al caso anterior. Las superficies pulidas presentan mayor resistencia a este tipo de corrosión.

25. Corrosión intergranular. Sucede cuando en los límites del grano ha precipitado una segunda fase, con lo que se produce una celda galvánica (dos componentes con distinta electronegatividad). • Corrosión por tensiones. Una deformación en frío puede producir pequeñas grietas, estas zonas con menor concentración de oxígeno que el exterior hacen de ánodo y comienza la corrosión. PROTECCIÓN CONTRA LA CORROSIÓN • Diseño. Se evitará la formación de células galvánicas; por ejemplo, al unir tuberías de acero con latón. Otra precaución es que la superficie del ánodo sea mayor que la del cátodo. Por ejemplo una arandela de cobre sobre una chapa de acero, hace que el cobre tome pocos electrones del acero y la corrosión del acero es lenta. Pero si arandela es de acero frente a la chapa de cobre, la corrosión del acero es muy rápida. Los recipientes para contener líquidos deben ser cerrados y con fondos que faciliten el vaciado total. Para evitar grietas que faciliten la corrosión por aireación diferencial se usará la soldadura en construcciones metálicas.

26. Inhibidores. Utilizan sustancias que reaccionan con el oxígeno y lo eliminan o bien atacan la superficie que se desea preservar formando un recubrimiento protector. Las sales de cromo pueden realizar esta función. • Recubrimientos protectores. Siempre se realizará una escrupulosa limpieza de la superficie que se quiere cubrir. • Metálicos. Como el Mg, Al, Zn, Sn, Cu, Ni, etc. • Orgánicos. Son las pinturas que se convierten en una capa impermeable a acciones externas. Los anticorrosivos como el minio actúan como inhibidores. • Con reacción superficial. Se produce una reacción química en la superficie. No se crea una capa, se trata más bien de una reacción química al reaccionar con el agente externo. • Protección anódica o pasivación. Se forma una película de óxido o de hidróxido, adherente e impermeable, evitando la formación de celdas galvánicas. • Protección catódica. Se trata de que el metal que se va a proteger deje de ser ánodo para forzarlo a ser cátodo. Para ello hay dos variantes, el ánodo de sacrificio y el voltaje impuesto.

27. Selección del material. Emplear materiales o aleaciones resistentes a la corrosión. En ocasiones resulta caro y no es posible. Un ejemplo es sustituir el acero por aluminio en carpintería metálica. OXIDACIÓN Se refiere a la combinación de un metal con el oxígeno del aire (corrosión seca). La reacción química que tiene lugar en un metal divalente: Oxidación del metal: M → M2+ + 2e- Reducción del oxígeno: ½ O2 + 2e- → O2- El óxido aparece en la superficie y se pueden presentar varios casos.

28. Que la capa de óxido ocupe una superficie menor que el metal del que se formó (Mg), con lo que se produce una capa porosa que permite que la oxidación siga avanzando. • Que la capa de óxido ocupe una superficie igual a la del metal de que se formó (Al), la capa de óxido adherente e impermeable hace que la oxidación se detenga. • Que la capa de óxido ocupe una superficie mayor que el metal de que se formó (Fe), esa capa inicialmente protectora al aumentar su grosor aparecen tensiones que hace que se resquebraje y la oxidación continúa. DEGRADACIÓN DE POLÍMEROS • Al proceso de deterioro de los plásticos debido a fenómenos fisicoquímicos se llama degradación. • Hinchamiento y disolución. Sucede en contacto con líquidos de estructura química lo más parecida al polímero sólido. • Rotura del enlace. La radiación ultravioleta penetra en el interior del polímero y es capaz de ionizar los átomos, lo que hace que el polímero se rompa. El oxígeno y el ozono pueden acelerar u originar la rotura. Las cadenas moleculares también se pueden romper por la temperatura.

29. Exposición a la intemperie. Comienza con la influencia de la radiación ultravioleta, que facilita su oxidación. Los fluorocarbonados son inertes a la degradación por agentes atmosféricos. DESGASTE Y EROSIÓN Para disminuir el desgaste se recurre a: reducir las cargas en las superficies con movimiento relativo, que las durezas de las superficies sean parecidas, que las superficies sean lisas, la lubricación y el grafito de las fundiciones. Un caso particular es la erosión líquida o cavitación, que sucede cuando un líquido con burbujas de gas entra en una región de baja presión. Sucede en hélices rotores de turbinas y bombas hidraúlicas. También se da erosión líquida cuando un gas, conducido a alta velocidad contiene gotas de líquido.