PROCESOS METALURGICOS

 

Asignatura: Procesos Metalúrgicos

Curso: 5° Mecánica

Profesor: Ariel Lauritto

 email: rariel_lauritto@yahoo.com.ar 

Tratamientos térmicos y Termoquímicos

Los materiales metalúrgicos frecuentemente son sometidos a ciertos procesos o ciclos de calentamiento y enfriamiento a velocidades determinadas mediante los cuales se consiguen propiedades más convenientes para su utilización industrial.   Estos procesos se denominan TRATAMIENTOS TÉRMICOS y según la temperatura que se alcanza en el calentamiento, y la velocidad del enfriamiento posterior, se clasifican en: ·        recocido  ·        normalizado ·        temple ·        revenido Los aceros son los materiales más ampliamente usados en los cuales siempre se hace algún tratamiento térmico antes de su utilización y a ellos nos referiremos en particular. Estos presentan ciertas temperaturas en las cuales se producen modificaciones en su estructura íntima; tales temperaturas se llaman puntos críticos y es necesario llegar a ellos en el calentamiento, y aún pasar un poco más, para lograr la transformación deseada. El gráfico nos muestra cómo se produce el calentamiento de un acero hasta 30-50ºC por encima de la temperatura crítica superior, manteniendo un cierto tiempo esta temperatura, dependiendo del espesor de la pieza; luego, según la velocidad con que enfriemos, tenemos los tres procesos. Recocido o     Se hace con enfriamiento lento, generalmente dentro del mismo horno de calentamiento. o    Mediante este proceso se consigue: §   ablandar el acero para facilitar su trabajo. §  A temperatura algo superior se consigue homogeneizar la composición. §  También puede hacerse un recorrido sin llegar a la temperatura crítica (subcrítico) con el propósito de eliminar las tensiones internas, que son tensiones elásticas remanentes del colado, trabajado en caliente, etcétera, y que si no se eliminan pueden provocar la ruptura de piezas aparentemente sanas. o    Tenemos distintos tipos: §  Recocido de regeneración. Tiene por objeto afinar el grano de los aceros sobrecalentados. §  Recocido globular. Se realiza para lograr una más fácil deformación en frío. §  Recocido contra la acritud. Recuperamos las propiedades perdidas en la deformación en frío (acritud). §  Recocido de ablandamiento. Ablandamos piezas templadas con anterioridad para su mecanización. §  Recocido de estabilización. Elimina las tensiones de las piezas trabajadas en frío. §  Recocido isotérmico. Mejoramos la maquinabilidad de las piezas estampadas en caliente. §  Doble recocido. Para lograr una estructura mecanizable en aceros de alta aleación  Normalizado o    Se enfría con una velocidad intermedia, el enfriamiento para normalizar se hace sacando la pieza del horno en que se ha calentado por encima de la temperatura crítica superior, y dejándola enfriar al aire (calmo o en movimiento), en montón o individualmente, según la velocidad deseada. o     Con el normalizado se consigue: §   una mayor resistencia con poca disminución de la ductilidad, sin llegar al endurecimiento por temple. Para comprenderlo es necesario conocer previamente que los metales se encuentran formados por cristales o granos metálicos, los que se agrandan cuando se someten a temperaturas elevadas durante prolongado tiempo, y que ese tamaño se mantiene si se enfría lentamente, en cambio se reduce o afina cuanto mayor es la velocidad de enfriamiento. Ocurre que cuando se forja un acero, por ejemplo, hay partes que se calientan más que otras y asimismo algunas enfrían más rápidamente que otras y en consecuencia la pieza presenta distintas zonas con granos de tamaño diferentes. Como este tamaño de grano tiene una gran influencia sobre las propiedades mecánicas (grano fino, mayor resistencia), es necesario normalizar el tamaño de grano, o sea llevar la pieza a una condición normal o uniforme. Regulando la velocidad de enfriamiento puede lograrse a voluntad el tamaño de grano más conveniente.  Temple Teniendo el acero caliente en un horno a temperatura por encima de la crítica superior, procedemos a enfriar bruscamente con aceite. En esta forma conseguimos una gran dureza en los aceros con contenidos de carbono superiores a 0,35%. Cada acero, según su composición química, debe ser enfriado a una velocidad mínima necesaria para que en su estructura íntima se produzcan las transformaciones que  originan la aparición de microconstituyentes duros, y a esta velocidad de enfriamiento se denomina velocidad crítica. Luego del temple aumenta la dureza, resistencia, límite elástico y disminuye el alargamiento. La severidad del temple puede ser graduada eligiendo un medio de enfriamiento conveniente, pudiendo usarse agua con aproximadamente 10% de sal, agua pura o aceite entre otros, y así mismo dependerá de la temperatura de dicho medio. Revenido Se procede a un calentamiento por debajo de la temperatura crítica; esta temperatura depende del tipo de acero y de la dureza final deseada, pues los productos duros de temple se modifican en este calentamiento. Este proceso permite eliminar las tensiones como consecuencia de los cambios bruscos de temperaturas y de contracciones y dilataciones desiguales producidas por el temple. Importante: - No sólo para cada acero, sino también para cada tipo de pieza, por su forma constructiva, su tamaño, su masa, su uso, es necesario estudiar en cada caso el tratamiento térmico adecuado, las temperaturas máximas y mínimas a aplicar, etcétera. - Los aceros rápidos para herramientas necesitan temperaturas más elevadas de calentamiento, ya que en los elementos aleantes agregados y el carbono, se han formado compuestos llamados carburos, de difícil disolución. Otra característica de estos aceros es que necesitan un doble revenido para lograr sus mejores condiciones de dureza.  Tratamientos Isotérmicos Los tratamientos que se han señalado anteriormente son los clásicos empleados, pero cabe señalar también que se presentan algunos inconvenientes, y para superarlos existen otros métodos que se han agrupado bajo la denominación de isotérmicos porque las transformaciones deseadas en las estructuras de los aceros se realizan en baños a temperatura constante y no con enfriamiento continuo como en los casos anteriores. Estos tratamientos se realizan mediante baños de sales o de plomo calentados a temperaturas adecuadas en los cuales se sumergen las piezas, previamente calentadas en horno por encima de la temperatura crítica superior, manteniéndolas allí un tiempo determinado, procediéndose luego a enfriar al aire.  La temperatura elegida para estos baños es clave para determinar si se logrará un recocido o un temple: ·         a temperatura alta (650-800ºC) tenemos un recocido; ·         a temperatura baja (200-300ºC) tenemos un temple. Ventajas: El recocido isotérmico tiene la ventaja sobre el clásico de que permite ganar mucho tiempo, ya que el enfriamiento lento se suspende mucho antes. El temple evita las grietas que se producen en el temple clásico por el enfriamiento brusco. La aplicación más común es en la fabricación de alambres y se realiza con un baño de plomo a 600ºC. Tratamientos Térmicos Superficiales Hay algunos casos de piezas que deben poder soportar un gran desgaste superficial, además de absorber otros esfuerzos de flexión. Torsión, etcétera, como en el caso de ejes largos y cigüeñales. Si fueran totalmente endurecidos aguantarían el desgaste pero no soportarían la flexión o la torsión y se romperían; en estos casos se hace un endurecimiento superficial manteniendo el núcleo blando, y para ello hay varios procedimientos: §    tratamiento superficial con calentamiento inductivo por corriente eléctrica de alta frecuencia. Al circular una corriente de alta frecuencia por la bobina (refrigerada interiormente con agua), que rodea a la pieza, se induce en la superficie de la misma una corriente que produce un intenso calentamiento por efecto Joule, llegándose a temperaturas por encima de la crítica necesaria; luego se enfría bruscamente y sólo se templa la parte calentada, o sea la superficie. En caso de ejes muy largos se aplica el procedimiento de temple progresivo; la pieza se desplaza pasando dentro de la bobina y enfriándose inmediatamente con un chorro de agua.  Tratamientos Termoquímicos Se efectúa en aceros de bajo porcentaje de carbono (menos del 0,30 % C). En el caso de los tratamientos termoquímicos, no solo se producen cambios en la estructura del acero, sino también en su composición química, añadiendo diferentes productos químicos durante el proceso del tratamiento. Estos tratamientos tienen efecto solo superficial en las piezas tratadas y consiguen aumentar la dureza superficial de los componentes dejando el núcleo más blando y flexible. Requieren el uso de calentamiento y enfriamiento en atmósferas especiales Cementación: Consiste en el endurecimiento de la superficie externa del acero al bajo carbono, quedando el núcleo blando y dúctil. Como el carbono es el que genera la dureza en los aceros en el método de cementado se tiene la posibilidad de aumentar la cantidad de carbono en los aceros de bajo contenido de carbono antes de ser endurecido. El carbono se agrega al calentar al acero a su temperatura crítica mientras se encuentra en contacto con un material carbonoso. Los tres métodos de cementación más comunes son: cajas para carburación, baño líquido y gas. La cementación se aplica a piezas que deben de ser resistentes al desgaste y a los golpes. Dureza superficial y resistencia. La temperatura usual de cementación es cercana a los 950ºC y la profundidad de este tratamiento depende del tiempo y de la dureza deseada. Una vez obtenida la capa exterior rica en C, se endurece por temple o    Características de la cementación §  Endurece la superficieNo afecta al corazón de la pieza §  Aumenta el carbono de la superficie §  Se coloca la superficie en contacto con polvos de cementar ( Productos cementantes) §  El enfriamiento es lento y se hace necesario un tratamiento térmico posterior §  Ej: Los engranajes suelen ser piezas que se cementan Nitruración: igual que la cementación, aumenta la dureza superficial, aunque lo hace en mayor medida, incorporando nitrógeno en la composición de la superficie de la pieza. Se logra calentando el acero a temperaturas comprendidas entre 400 – 525º C, dentro de una corriente de gas amoníaco, más nitrógeno. Si en un recinto, un horno de tratamiento térmico, se somete al amoníaco (NH3) a temperaturas de 500° C, se descompone en nitrógeno e hidrógeno. El hidrógeno, más ligero, se separa del nitrógeno por diferencia de densidad. El nitrógeno liberado por la descomposición del amoníaco forma la atmósfera en el interior del horno que, en contacto con la superficie de hierro y a esa temperatura, forma nitruro de hierro, un compuesto de gran dureza pero frágil. Si bien este tratamiento da gran dureza superficial a la pieza, la velocidad de penetración es muy lenta, aproximadamente 1 mm en 100 horas de tratamiento, pero no necesita de temple posterior. · La nitruración se da a piezas sometidas a grandes fuerzas de rozamiento y de carga como, por ejemplo, pistas de rodamientos, camisas de cilindros o piezas similares, que necesitan un núcleo con cierta plasticidad, que absorba golpes y vibraciones, y una superficie de gran dureza contra desgaste y deformaciones. Características generales de la nitruración o    Endurece la superficie de la pieza o    Aumenta el volumen de la pieza o    Se emplean vapores de amoniaco o    Es un tratamiento muy lento o    Las piezas no requieren ningún otro tratamiento Aceros de nitruración No todos los aceros son aptos para nitrurar. Resulta conveniente que en la composición de la aleación haya una cierta cantidad de aluminio 1%. También es aplicable a los aceros inoxidables, aceros al cromo níquel y ciertas fundiciones al aluminio o al cromo. No es aconsejable en aceros al carbono no aleados, el nitrógeno penetra rápidamente en la superficie de la pieza y la capa nitrurada puede desprenderse. Cianuración: endurecimiento superficial de pequeñas piezas de acero. Se utilizan baños con cianuro, carbonato y cianato sódico. Se aplican temperaturas entre 760 y 950 º C. Consiste en endurecer la superficie exterior de las piezas introduciendo carbono y nitrógeno. Posteriormente hay que templar las piezas. Se cementa colocando las piezas en baños de mezclas de sales fundidas, (cianuro, HCN), de modo que el carbono difunde desde el baño hacia el interior del metal. Produce una capa más profunda, más rica en C y menos N. Sus principales ventajas son: eliminación de oxidación, profundidad de la superficie dura y contenido de C uniformes y gran rapidez de penetración; si bien posee ciertas desventajas como son: lavado de las piezas posterior al tratamiento para prevenir la herrumbre (Óxido de hierro, en especial en la superficie de objetos de hierro en contacto con la humedad), revisión de la composición del baño en forma periódica y alta peligrosidad de las sales de cianuro, dado que éstas son venenosas. MAS INFORMACIÓN Se conoce como tratamiento térmico el proceso al que se someten los metales u otros sólidos con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas, especialmente la dureza, la resistencia y la tenacidad. El tratamiento térmico en el material es uno de los pasos fundamentales para que pueda alcanzar las propiedades mecánicas para las cuales está creado. Este tipo de procesos consisten en el calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado sólido para cambiar sus propiedades físicas. Los tratamientos termoquímicos son tratamientos térmicos en los que, además de los cambios en la estructura del acero, también se producen cambios en la composición química de la capa superficial, añadiendo diferentes productos químicos hasta una profundidad determinada. Estos tratamientos requieren el uso de calentamiento y enfriamiento controlados en atmósferas especiales. Entre los objetivos más comunes de estos tratamientos están aumentar la dureza superficial de las piezas dejando el núcleo más blando y tenaz, disminuir el rozamiento aumentando el poder lubrificante, aumentar la resistencia al desgaste, aumentar la resistencia a fatiga o aumentar la resistencia a la corrosión. Vídeo de YouTube Tratamientos térmicos de los metales Se trata de variar la temperatura del material pero sin variar la composición química. OBJETIVO: Mejorar las propiedades de los metales y aleaciones, por lo general, de tipo mecánico. En ocasiones se utiliza este tipo de tratamientos para, posteriormente, conformar el material. Vídeo de YouTube A. Temple El temple se utiliza para obtener un tipo de aceros de alta dureza llamado martensita. Se trata de elevar la temperatura del acero hasta una temperatura cercana a 1000 ºC y posteriormente someterlo a enfriamientos rápidos o bruscos y continuos en agua, aceite o aire. La capacidad de un acero para transformarse en martensita durante el temple depende de la composición química del acero y se denomina templabilidad. Al obtener aceros martensíticos, en realidad, se pretende aumentar la dureza. El problema es que el acero resultante será muy frágil y poco dúctil, porque existen altas tensiones internas. Ensayo de templabilidad o ensayo de Jominy  El ensayo de Jominy consiste en templar una muestra estándar de acero llamada probeta con un chorro de agua de caudal y temperatura constante. La temperatura de la probeta se eleva y se proyecta el chorro de agua por uno de los extremos de la probeta. Ese extremo de la probeta se enfriará rápidamente, sufriendo el temple y será más duro que el otro extremo. Luego se mide la dureza de la probeta cada 1,5 mm a lo largo y se traza la curva de templabilidad. La curva de templabilidad asegura que si la dureza disminuye rápidamente conforme nos alejamos del extremo templado, el acero tendrá una templabilidad baja, mientras que los aceros cuyas curvas son casi horizontales serán de alta templabilidad, es decir, susceptibles de endurecerse rápido cuando sufren temple.  Fíjate en el siguiente diagrama  Corresponde a dos ensayos de Jominy con dos materiales diferentes. En vertical se presenta la dureza y en horizontal se presenta la distancia desde el extremo templado. Se observa que, a medida que nos alejamos del extremo templado, la dureza (HRC) disminuye. Se puede observar que el descenso de la dureza en la curva inferior es más rápido, con lo cual podemos afirmar que en ese caso, la probeta tendrá baja templabilidad, es decir, que ese acero tiene menos capacidad para transformarse en un acero de alta dureza (martensita) cuando se enfría rápidamente con un líquido (normalmente agua). Vídeo de YouTube B, Revenido El revenido es el tratamiento térmico que sigue al temple. Recuerda que un acero templado es aquel que tiene una dureza muy alta (llamado martensita), pero tiene el inconveniente de ser frágil y poco manejable porque tiene tensiones internas.  El revenido consiste en calentar la pieza templada hasta cierta temperatura, para reducir las tensiones internas que tiene el acero martensítico (de alta dureza). De esto modo, evitamos que el acero sea frágil, sacrificando un poco la dureza. La velocidad de enfriamiento es, por lo general, rápida. C. Recocido El recocido consiste en calentar un material hasta una temperatura dada y, posteriormente, enfriarlo lentamente. Se utiliza, al igual que el caso anterior, para suprimir los defectos del temple. Se persigue: – Eliminar tensiones del temple. – Aumentar la plasticidad, ductilidad y tenacidad del acero. ¿Cómo se practica el recocido? – Se calienta el acero hasta una temperatura dada – Se mantiene la temperatura durante un tiempo – Se enfría lentamente hasta temperatura ambiente, controlando la velocidad de enfriamiento. Si la variación de temperatura es muy alta, pueden aparecer tensiones internas que inducen grietas o deformaciones. El grado de plasticidad de que se quiere dotar al metal depende de la velocidad de enfriamiento y la temperatura a la que se elevó inicialmente. D. Normalizado Este tratamiento se emplea para eliminar tensiones internas sufridas por el material tras una conformación mecánica, tales como una forja o laminación para conferir al acero unas propiedades que se consideran normales de su composición. El normalizado se practica calentando rápidamente el material hasta una temperatura crítica y se mantiene en ella durante un tiempo. A partir de ese momento, su estructura interna se vuelve más uniforme y aumenta la tenacidad del acero. 7. Tratamientos termoquímicos de los metales Mediante este tipo de tratamientos, el metal sufre procesos de calentamiento y enfriamiento y se varía la composición química superficial de los aceros, adicionando otros elementos para mejorar las propiedades en la superficie, principalmente la dureza o resistencia a la corrosión, sin modificar otras propiedades esenciales tales como ductilidad. a) Cementación: Consiste en aumentar la cantidad de carbono de la capa exterior de los aceros. Se mejora la dureza superficial y la resiliencia. Se aplica a piezas que deben ser resistentes a golpes y a la vez al desgaste. Se aplica a los aceros. Consultar o Ampliar - CEMENTACIÓN b) Nitruración: Consiste en endurecer la superficie de los aceros y fundiciones. Las durezas son elevadas y tienen alta resistencia a la corrosión. El componente químico añadido es nitrógeno, que se obtiene del amoniaco. c) Cianuración o carbonitruración: Se trata de endurecer la superficie del material introduciendo carbono y nitrógeno. Es una mezcla de cementación y nitruración. La temperatura es intermedia entre la utilizada para la cementación y la nitruración, que es mucho menor que aquella. Se aplica a los aceros. d) Sulfinación: Se trata de introducir en la superficie del metal azufre, nitrógeno y carbono en aleaciones férricas y de cobre. Se aumenta la resistencia al desgaste, favorece la lubricación y disminuye el coeficiente de rozamiento. Cortes donde se observan algunos de los tratamientos descriptos: