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Este documento ofrece información sobre el endurecimiento superficial del acero, su importancia en la industria y los diferentes procesos utilizados para lograrlo. Se abordan temas como la necesidad de materiales metálicos de elevadas prestaciones, el uso de tratamientos termoquímicos y la producción de carbono naciente. Además, se mencionan las etapas del proceso de cementación y los inconvenientes de los cementantes sólidos.
Tipo: Monografías, Ensayos
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- INTRODUCCIÓN ................................................................................................................ Pág. Las actuales exigencias tecnológicas ponen de manifiesto la necesidad de disponer de materiales metálicos con elevadas prestaciones bajo condiciones de servicio críticas, así por ejemplo, las matrices metálicas empleadas en los procesos metalúrgicos del trabajado en frío y en caliente de los metales, necesitan de una alta tenacidad y elevada dureza superficial, especialmente a alta temperatura.
Generalmente los tratamientos térmicos superficiales tienen por objeto el endurecimiento de la superficie de los metales y, por consiguiente, el aumento de la resistencia al desgaste, conservando la ductilidad y tenacidad del núcleo.
El endurecimiento superficial del acero se puede conseguir, fundamentalmente, mediante dos procedimientos: modificando la composición química de la superficie mediante la difusión de algún elemento químico (carbono, nitrógeno, azufre, etc.) en cuyo caso se le conoce como tratamiento termoquímico o modificando sólo la microestructura de la superficie por tratamiento térmico, conociéndose entonces como tratamiento superficial.
Los tratamientos termoquímicos aplicados al acero son aquellos en los cuales la composición de la superficie de la pieza se altera por la adición de carbono, nitrógeno u otros elementos. Los tratamientos más comunes son: carburización, nitruración, carbonitruración y boración. Estos procesos se aplican comúnmente a piezas de acero de bajo carbono para lograr una capa exterior dura, resistente al desgaste reteniendo un núcleo tenaz y dúctil. El término endurecimiento de capa superficial (case hardening) se usa frecuentemente para este tratamiento.
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Una razón principal para endurecer el acero es retardar el desgaste en superficies de soportes, al frotamiento y al límite de fatiga de la pieza que se trata, pero el acero templado es relativamente frágil y poco resistente a la fatiga y al choque Por lo tanto, para obtener una alta resistencia junto con durabilidad es necesario endurecer las superficies exteriores seleccionadas de muchas partes de máquinas para soportar el desgaste, dejando sus núcleos suaves, dúctiles y tenaces
El temple superficial se realiza calentando la capa superficial del acero hasta una temperatura superior al punto critico (para austenitización), y con el enfriamiento posterior a una velocidad superior a la critica para obtención de la martensita.
El objetivo fundamental del temple superficial es: aumentar la dureza superficial, la resistencia al desgaste y el límite de fatiga de la pieza que se trata. El núcleo de la pieza se conserva dúctil y tenaz y soporta las cargas de impacto. Los aceros de medio y alto carbono pueden endurecerse en la superficie por endurecimiento mediante flama, por inducción y en electrolito
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 oxiacetileno, 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.
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Figura 2. Temple oxiacetilénico en espiral
Figura 3. Temple oxiacetilénico general instantáneo
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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.
Tabla 1. Aceros más empleados para el temple por llama oxiacetilénica C Mn Si Rockwell C 0.35 0.80 0.25 53 0.35 1.45 0.30 55 0.46 0.68 0.18 59 0.48 0.69 0.30 60 0.55 0.74 0.22 62 1.00 0.30 0.26 63
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Figura 4. Calentamiento de piezas con corrientes de alta frecuencia.
Los sistemas de calentamiento por inducción se basan en la aplicación de la inducción electromagnética. Los componentes básicos de un sistema como éste incluyen: una fuente de poder de corriente alterna, un inductor (bobina de cobre), y una pieza metálica de trabajo.
La fuente de poder manda una corriente alterna a través del inductor produciendo un campo magnético que induce en la pieza una corriente eléctrica que genera un calentamiento de la misma sin contacto físico.
Debido a que el campo magnético aplicado es alterno, la corriente inducida no circula uniformemente en la sección de la pieza, sino que es más intensa en la superficie y nula en el centro. La profundidad de penetración de esta corriente depende de la frecuencia de la corriente inductora, resultando que el calentamiento es más superficial cuanto más alta es la frecuencia.
El calentamiento de las piezas de acero se efectúa en este proceso como consecuencia de dos fenómenos distintos:
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polos y creándose una gran fricción molecular interna que desarrolla calor y que al disiparse a través de la pieza eleva su temperatura. En el temple de los aceros por alta frecuencia, el calentamiento por histéresis tiene muy poca importancia.
En el temple de los aceros, el efecto de histéresis que es casi despreciable, no ejerce además ningún efecto cuando la temperatura de la pieza sobrepasa la temperatura de Curie (768 °C), porque a partir de esa temperatura el acero es amagnético. Entonces, el calentamiento se efectúa exclusivamente por corriente de Foucault, actuando el acero de la periferia de la pieza como una resistencia, que se calienta al paso de una corriente eléctrica de acuerdo con la ley de Joule. El calor desarrollado será proporcional a la Ley de Ohm.
Cuando la temperatura del acero sobrepasa los 768 °C, cesa el efecto aunque sus efectos se reducen a medida que aumenta la temperatura. Esto es una ventaja, pues automáticamente se evita el sobrecalentamiento excesivo de la periferia de las piezas.
Para generar una corriente de alta frecuencia existen tres tipos de instalaciones:
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Para el temple de resortes se emplea una instalación que consta de unas espirales de cobre que rodean el muelle, apoyado en dos cilindros móviles que le hacen girar alrededor de sus ejes durante el calentamiento. Terminado éste, se separan los cilindros y cae el muelle al depósito de enfriamiento, figura 7.
Figura 7. Tratamiento térmico de un resorte automotriz con corrientes de alta frecuencia.
Los inconvenientes más importantes del temple por inducción son:
La profundidad de calentamiento depende principalmente de tres variables: frecuencia, potencia y tiempo. Modificando esas características se pueden utilizar las más variadas combinaciones para conseguir, en cada caso, los mejores resultados.
El proceso consiste en lo siguiente: la pieza que sirve de cátodo se sumerge en el electrolito (solución acuosa de sosa) y de ánodo sirve el mismo baño, figura 8. Al cerrar el circuito de corriente continua, alrededor del cátodo (pieza) se forma una camisa de
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hidrogeno alta resistencia eléctrica, lo que contribuye a la creación de una alta temperatura y un calentamiento rápido de la capa superficial del metal. La pieza calentada se enfría (se templa en el mismo electrolito al desconectar la corriente). Para calentar la pieza se aplica un voltaje de 220 a 300 V con una densidad de corriente de 4 a 6 A/cm^2 de la superficie de calentamiento.
Figura 8. Calentamiento y temple del acero en electrolito
La tendencia natural de átomos y moléculas a moverse desde zonas de alta concentración hacia zonas de baja concentración se llama difusión. Cuando se retira la barrera entre dos sustancias, figura 9, las moléculas se redistribuyen (o difunden) por todo el recipiente. Al final, la mezcla alcanza un estado de equilibrio, en el que las moléculas de ambas sustancias están mezcladas uniformemente. Aunque el número total de moléculas en el recipiente es el mismo que antes de quitar la barrera, la concentración de cada sustancia es menor. La velocidad de difusión depende de la masa de las moléculas: las moléculas con más masa se difunden más lentamente.
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manufactura de los cerámicos, la solidificación de los materiales y la conductividad eléctrica de muchos cerámicos.
3.1.1. Primera ley de Fick (Velocidad de difusión) La velocidad a la cual se difunden los átomos en un material se puede medir mediante el flujo J, que se define como el número de átomos que pasa a través de un plano de superficie unitaria por unidad de tiempo como se aprecia en la figura 10. La primera ley de Fick determina el flujo neto de átomos:
Donde:
J = flujo de átomos ⎜⎝⎛ átomoscm (^2) ⋅ s ⎟⎠⎞
D =Difusividad o coeficiente de difusión (^) ⎟⎟ ⎠
s
cm^2
Gradiente de concentración [ (^) cmátomos (^3) ⋅ cm ]
Note que el signo negativo indica el movimiento de los átomos de la concentración más alta a la más baja.
AREA UNITARIA Figura 10. El flujo durante la difusión queda definido como el número de átomos que pasa a través de un plano de área unitaria por unidad de tiempo.
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Durante la difusión hay varios factores que afectan el flujo de los átomos:
Gradiente de concentración. El gradiente de concentración muestra la forma en que la composición del material varía con la distancia; ∆c es la diferencia de concentración a lo largo de una distancia ∆x, figura 11. El gradiente de concentración puede crearse al poner en contacto dos materiales de composición distinta cuando un gas o un líquido entra en contacto con un material sólido.
Figura 11. Ilustración del gradiente de concentración
El coeficiente de difusión y la temperatura. El coeficiente de difusión D está relacionado con la temperatura por la ecuación de Arrhenius:
) RT
(-Q D =D 0 e
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Las energías de activación son también menores para la difusión de los átomos en los materiales con temperaturas bajas de fusión y generalmente menores en los átomos sustitucionales pequeños comparados con átomos más grandes.
Tabla 2. Valores de la energía de activación Q y de la constante Do para algunos sistemas de difusión. PAR DE DIFUSIÓN Q (cal/mol)
Do (cm^2 /s) Carbono en Fe (FCC) 32900 0. Carbono en Fe (BCC) 20900 0. Nitrógeno en Fe (FCC) 34600 0. Nitrógeno en Fe (BCC) 18300 0. Hidrogeno en Fe (FCC) 10300 0. Hidrogeno en Fe (BCC) 3600 0. Níquel en Cu 57900 2. Cobre en Ni 61500 0. Zinc en Cu 43900 0. Níquel en Fe (FCC) 64000 4. Plata en Au 40200 0.
Tiempos de difusión. En la difusión volumétrica, los átomos se mueven a través del cristal de un nodo o de la red a otro, o de un intersticio a otro. Debido a los átomos circundantes, la energía de activación es grande y la velocidad de difusión es relativamente baja.
Sin embargo, los átomos se pueden difundir a lo largo de los bordes de grano, interficies y superficies en el material. Los átomos se difunden mas fácilmente por difusión en borde de grano debido al escaso empacamiento atómico en los límites granulares. Debido a que los átomos atraviesan con mayor facilidad el límite o borde de grano que es desordenado, la energía de activación es baja. La difusión superficial es aun más fácil,
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ya que hay menos obstáculos. En consecuencia, la energía de activación es menor y el coeficiente de difusión es mayor para las difusiones de límite de grano y superficial.
La difusión requiere de tiempo; recuérdese que las unidades para el flujo son (^) ⎟⎟ ⎠
⎞ ⎜⎜⎝
⎛ cm^2 ⋅s
átomos
Si deben difundirse un gran número de átomos para producir una estructura uniforme, se requieren tiempos prolongados, incluso a temperaturas elevadas. La duración de los tratamientos térmicos puede reducirse aplicando altas temperaturas o acortando la distancia de difusión (∆x) lo más posible.
Se advierte que algunas estructuras y propiedades excepcionales se obtienen si se impide la difusión. Los aceros se templan rápidamente a altas temperaturas para prevenir la difusión de las estructuras fuera de equilibrio, lo cual proporciona el fundamento de los tratamientos térmicos especiales.
3.1.2. Segunda ley de Fick (Perfil de composición) La segunda Ley de Fick, que describe la difusión dinámica de los átomos, es la ecuación diferencial:
2
Cuya solución depende de las condiciones del límite para una situación parcial. Una solución es:
S 0
S X
Donde: cS = es una constante de concentración de los átomos que se difunden en la superficie del material c 0 = es la concentración uniforme inicial de los átomos en el material cx = es la concentración del átomo que se difunde a la posición x debajo de la superficie después de un tiempo t
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