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sábado, 22 de noviembre de 2014
Tratamientos Térmicos en Aceros, Parte 3.
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.
Cementación
Es un tratamiento termoquímico
que se aplica en piezas de acero. El proceso aporta carbono a la superficie
mediante difusión, que se impregna modificando su composición; 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 la vez al desgaste. Se aplica a los aceros.
¿Cuál es su utilidad?
Tiene por objeto endurecer la
superficie de una pieza sin modificar su núcleo, originando una pieza formada
por dos materiales: la del núcleo de acero (con bajo índice de carbono) tenaz y
resistente a la fatiga, y la parte de la superficie (de acero con mayor
concentración de carbono) 0,2% de carbono. Consiste en recubrir las partes a
cementar de una materia rica en carbono, llamada cementante, y someter la pieza
durante varias horas a altas temperaturas (típicamente, 900 °C). En estas
condiciones, el carbono penetra en la superficie que recubre a razón de 0,1 a
0,2 mm por hora de tratamiento. A la pieza cementada se le da el tratamiento
térmico correspondiente, temple y revenido, y cada una de las dos zonas de la pieza,
adquirirá las cualidades que corresponden a su porcentaje de carbono.
La cementación se aplica en todas
aquellas piezas que deben poseer gran resistencia al choque y tenacidad junto
con una gran resistencia al desgaste, como es el caso de los piñones, levas,
ejes, entre otras.
¿Qué aceros pueden ser
cementados?
Los aceros de bajo contenido de
carbono. El cromo acelera la velocidad de penetración del carbono. Los aceros
al cromo níquel tienen buenas cualidades mecánicas y responden muy bien a este
proceso. Una concentración de níquel por encima del 5% retarda el proceso de
cementación.
Según sean los requisitos de
dureza y resistencia mecánica existen varios tipos de aceros adecuados para
recibir el tratamiento de cementación y posterior tratamiento térmico. Entre ellos
tenemos:
- Aceros para cementación al carbono: Cementación a 900 °C - 950 °C, primer temple a 880 °C - 910 °C en agua o aceite, segundo temple a 740 °C - 770 °C en agua. Revenido a 200 °C como máximo.
Aplicaciones: Piezas poco
cargadas y de espesor reducido, de poca responsabilidad y escasa tenacidad en
el núcleo.
- Aceros para cementación al Cr-Ni de 125 kgf/mm2: Tiene en su composición un 1% de Cr y un 4,15% de Ni. Cementación a 850 °C - 900 °C, primer temple a 900 °C - 830 °C en aceite, segundo temple a 740 °C - 780 °C en aceite. Revenido a 200 °C como máximo.
Aplicaciones: Piezas de gran
resistencia en el núcleo y buena tenacidad. Elementos de máquinas y motores.
Engranajes, levas, etc.
- Aceros para cementación al Cr-Mo de 95 kgf/mm2: Tiene en su composición un 1,15% de Cr y un 0,20% de Mo. Cementación a 890 °C - 940 °C, primer temple a 870 °C - 900 °C en aceite, segundo temple a 790 °C - 820 °C en aceite. Revenido a 200 °C como máximo.
Aplicaciones: Piezas para
automóviles y maquinaria de gran dureza superficial y núcleo resistente. Piezas
que sufran gran desgaste y transmitan esfuerzos elevados. Engranajes, levas,
etc.
- Aceros para cementación al Cr-Ni-Mo de 135 kgf/mm2: Tiene en su composición un 0,65% de Cr, un 4% de Ni y un 0,25% de Mo. Cementación a 880 °C - 930 °C, primer temple a 830 °C - 860 °C con aire o aceite, segundo temple a 740 °C - 770 °C con aceite. Revenido a 200 °C como máximo.
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. El proceso modifica su composición añadiendo nitrógeno
mientras es calentado. El resultado es un incremento de la dureza superficial
de las piezas. También aumenta la resistencia a la corrosión y a la fatiga.
¿Cómo se aplica este tratamiento?
La nitruración puede ser en horno
o iónica. En el primer caso la pieza se introduce en un horno en el que se
llena la atmósfera con amoníaco y luego se calienta a temperaturas de
aproximadamente 500°C. Esto hace que el amoníaco se descomponga en nitrógeno e
hidrógeno; el hidrógeno se separa del nitrógeno por diferencia de densidad y el
nitrógeno, al entrar en contacto con la superficie de la pieza, forma un recubrimiento
de nitruro de hierro.
En el caso de la nitruración
iónica, las moléculas de amoníaco se rompen mediante la aplicación de un campo
eléctrico. Esto se logra sometiendo al amoníaco a una diferencia de potencial
de entre 300 y 1000 V. Los iones de nitrógeno se dirigen hacia el cátodo (que
consiste en la pieza a tratar) y reaccionan para formar el nitruro de hierro,
Fe2N.
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. Las partes de la pieza que no se deseen nitrurar se deben cubrir con
un baño de estaño-plomo al 50%.
¿Cuál es su utilidad?
Se aplica principalmente a piezas
que son sometidas regularmente a grandes fuerzas de rozamiento y de carga,
tales como pistas de rodamientos, camisas de cilindros, árboles de levas,
engranajes sin fin, etc. Estas aplicaciones requieren que la piezas tengan un
núcleo con cierta plasticidad, que absorba golpes y vibraciones, y una superficie
de gran dureza que resista la fricción y el desgaste. Las piezas que se hayan
pasado por un proceso de nitruración se pueden usar en trabajos con
temperaturas de hasta 500 °C (temperatura de nitruración), temperatura a la
cual el nitrógeno comienza a escaparse de la pieza, eliminando los efectos de
la nitruración y disminuyendo la dureza de la pieza.
¿Qué aceros se pueden nitrurar?
No todos los aceros son aptos
para nitrurar, ya que en ocasiones el procedimiento puede resultar
contraproducente, tales como los aceros al carbón, en los que el nitrógeno
penetra demasiado rápido en la estructura y la capa nitrurada tiende a
desprenderse. Para este proceso resulta conveniente que en la composición de la
aleación haya una cierta cantidad de aluminio (1% aproximadamente). Algunos
ejemplos de aceros aptos para la nitruración son:
- Acero para nitruración al Cr-Mo-V de alta resistencia: La composición extra de este acero es la siguiente: 0,32% C, 3,25% Cr, 0,40% Mo y 0,22%V. Una vez tratado alcanza una resistencia mecánica de 120 kg/mm2. La capa nitrurada se adhiere muy bien al núcleo sin temor a descascarillamiento. Se utiliza para construir piezas de gran resistencia y elevada dureza superficial para resistir el desgaste.
- Acero para nitruración al Cr-Mo-V de resistencia media: la composición extra de este acero es 0,25% C, 3,25%Cr, 0,40% Mo y 0,25% V. Tiene características y aplicaciones parecidos al anterior, solamente que su resistencia mecánica es de 100kg/mm2.
- Acero para nitruración al Cr-Al-Mo de alta dureza: la composición extra de este acero es 0,40% C, 1,50% Cr, 0,20% Mo y 1% Al. La capa nitrurada de este acero puede descascarillarse y es de gran fragilidad. Se utiliza para piezas que soporten una resistencia media y la mayor dureza superficial posible. Si la pieza es muy blanda puede ser recomendable un temple previo a la nitruración para endurecerla y evitar el descascarillamiento.
Este tratamiento también es
aplicable a algunos aceros inoxidables, aceros al cromo-níquel y ciertas
fundiciones al aluminio o al cromo.
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.
¿Cuál es su utilidad?
Cuando se quiere obtener una
superficie dura y resistente al desgaste, se debe efectuar 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.
¿Cómo se realiza este proceso?
La cianuración se efectúa a una
temperatura justamente por encima de la temperatura crítica del corazón de la
pieza, se introduce la pieza en una solución que generalmente consta de cianuro
de sodio con cloruro de sodio y carbonato de sodio, el enfriamiento se da
directamente por inmersión al salir del baño de cianuro, con esto se obtiene
una profundidad de superficie templada uniforme de unos 0.25 mm en un tiempo de
una hora.
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, favorecer la lubricación y
disminuir el coeficiente de rozamiento. El tratamiento consiste en elevar la
temperatura de la pieza a 570°C en un baño de sales que ceden C, Ni, S. Se
utiliza en aceros de bajo carbono donde la viruta no se corta sino que se
deforma y es arrastrada acumulándose frente al ataque.
¿Qué consiste el proceso?
La incorporación superficial de
azufre genera sulfuro de hierro (S2Fe) como inclusión no metálica (impureza) y
se aloja en los bordes de grano lo que fragiliza al metal, lo cual hace que
disminuya el punto de fusión.
Esto se logra sumergiendo las
piezas en un baño apropiado y especialmente preparado, a una temperatura de
550ºC la pieza así tratada no ha sufrido ninguna deformación y ha adquirido una
resistencia al desgaste que produce la fricción, tal, que jamás tratamiento
alguno ha logrado hasta el presente. Esto constituye un verdadero
acontecimiento. La sulfinizacion o nitruración al azufre, no solamente permite
obtener excelentes resultados, sino que además, por primera vez se obtiene un
rozamiento sin desgaste entre dos piezas fabricadas exactamente del mismo
material y que han soportado un idéntico tratamiento térmico.
¿En qué metales pueden ser
aplicada, tal proceso?
Se aplica a todos los metales
ferrosos, fundiciones y aceros aleados o no, comprendidos los aceros
“inoxidables”. La presencia de los metales nobles en las aleaciones ferrosas
favorece en general la sulfinización. Se aplica a todas la piezas terminadas, es
decir, después que esta se haya fabricado y esta apta para su servicio
funcional.
Carburización
Difundir carbón en la superficie
de aleaciones base hierro calentando hasta austenización en presencia de
atmosfera rica en carbón. Dicho tratamiento seguido de un temple adecuado
endurece la superficie del metal.
¿Cómo se lleva a cabo este
tratamiento?
Se realiza en una atmósfera
endotérmica más un gas de enriquecimiento, para obtener un potencial de carbono
suficiente, capaz de enriquecer la capa de porcentaje de carbono y el tiempo
necesario para obtener la profundidad de capa deseada, templando en aceite para
endurecer la capa y el núcleo de la pieza. Un revenido posterior para eliminar
las tensiones originados durante el templado, y obtener que la superficie tenga
la resistencia, dureza al desgaste requerido y el núcleo dúctil.
Tratamientos Térmicos en Aceros, Parte 2
Características de diversos
Tratamientos Térmicos.
Revenido
Es el tratamiento térmico que, en
general, tiene como finalidad principal el ablandar el acero u otros metales,
regenerar la estructura de aceros sobrecalentados o simplemente eliminar las
tensiones internas que siguen a un trabajo en frío. (Enfriamiento en el horno).
Esto es, eliminar los esfuerzos residuales producidos durante el trabajo en
frío sin afectar las propiedades mecánicas de la pieza finalizada, o puede
utilizarse el recocido para eliminar por completo el endurecimiento por
deformación.
¿Qué se persigue, con este
tratamiento?
- 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
Temple
Es un proceso mecánico por el
cual las aleaciones de acero y el hierro fundido se fortalecen y endurecen.
Estos metales constan de metales ferrosos y aleaciones. Esto se realiza
calentando el material a una cierta temperatura, dependiendo del material, y
luego enfriándolo rápidamente. Esto produce un material más duro por cualquiera
de endurecimiento superficial o a través de endurecimiento que varía en la
velocidad a la que se enfría el material. El material es entonces a menudo
revenido para reducir la fragilidad que puede aumentar por el rápido
enfriamiento del proceso de endurecimiento. Los temas que pueden ser templados
incluyen engranajes, ejes y bloques de desgaste.
¿Cómo se practica el templado?
- El primer paso está absorbiendo el metal, es decir, calentamiento a la temperatura requerida. El remojo se puede hacer por vía aérea (horno de aire), o un baño. El tiempo de remojo en hornos de aire debe ser de 1 a 2 minutos para cada milímetro de sección transversal. Para un baño el tiempo puede variar un poco más alto. La asignación de tiempo recomendado en baños de sales o de plomo es de 0 a 6 minutos. Se debe evitar a toda costa el calentamiento desigual o el recalentamiento. La mayoría de los materiales se calientan desde cualquier lugar a 815 a 900 °C.
- El siguiente paso es el enfriamiento de la pieza. El agua es uno de los medios de enfriamiento más eficientes, donde se adquiere la máxima dureza, pero hay una pequeña posibilidad de que se causen deformaciones y pequeñas grietas. Cuando se temple, hay muchos tipos de sustancias donde enfriar. Algunos de los más comunes son: aire, las sales fundidas, el aceite, la salmuera (agua salada) y el agua. Estos medios se utilizan para aumentar la severidad del enfriamiento.
El agua es el medio de
enfriamiento más extendida, especialmente para aceros al carbono y algunos
aceros de baja aleación, pero no es el fluido ideal. Su acción puede mejorarse
con la adición de sustancias que elevan el punto de ebullición, por ejemplo con
NaCl (cloruro de sodio) o NaOH (Hidróxido de sodio). Las sales fundidas,
adecuado para piezas relativamente pequeñas y de acero bien templado,
especialmente aconsejable en tratamientos sustitutivos de temple isotérmico.
El aceite mineral es adecuado
para aceros aleados de baja y media, que es capaz de formar austenita estable y
luego transformado con una baja velocidad crítica de endurecimiento. Es más
cerca del fluido ideal, reduciendo la tensión interna y defectos del temple.
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 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.
El tratamiento de revenido
consiste en calentar al acero seguido del normalizado o templado, a una
temperatura menor al punto crítico, seguido de un enfriamiento controlado que
puede ser rápido cuando se deseen resultados elevados en tenacidad, o lento,
para reducir al máximo las tensiones térmicas que puedan causar deformaciones.
¿Qué se persigue, con este
tratamiento?
- Mejorar los efectos del temple, llevando al acero a un punto de mínima fragilidad.
- Reducir las tensiones internas de transformación, que se originan en el temple.
- Cambiar las características mecánicas, en las piezas templadas generando los siguientes efectos:
- Reducir la resistencia a la rotura por tracción, el límite elástico y la dureza.
- Elevar las características de ductilidad; alargamiento estricción y las de tenacidad; resiliencia.
¿Cómo se practica el revenido?
El revenido se hace en tres fases:
- Calentamiento a una temperatura inferior a la crítica: El calentamiento se suele hacer en hornos de sales. Para los aceros al carbono de construcción, la temperatura de revenido está comprendida entre 450°C a 600°C, mientras que para los aceros de herramienta la temperatura de revenido es de 200°C a 350°C.
- Mantenimiento de la temperatura: La duración del revenido a baja temperatura es mayor que a las temperaturas más elevadas, para dar tiempo a que sea homogénea la temperatura en toda la pieza.
- Enfriamiento: La velocidad de enfriamiento del revenido no tiene influencia alguna sobre el material tratado cuando las temperaturas alcanzadas no sobrepasan las que determinan la zona de fragilidad del material; en este caso se enfrían las piezas directamente en agua. Si el revenido se efectúa a temperaturas superiores a las de fragilidad, es convenientemente enfriarlas en baño de aceite caliente a unos 150°C y después al agua, o simplemente al aire libre.
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.
¿Cómo se practica el normalizado?
- El procedimiento consiste en calentar la pieza entre 30 y 50 grados centígrados por encima de la temperatura crítica superior, tanto para aceros hipereutectoides, como para aceros hipoeutectoides, y mantener esa temperatura el tiempo suficiente para conseguir la transformación completa en austenita. A continuación se deja enfriar en aire tranquilo, obteniéndose una estructura uniforme 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.
- Este tratamiento es típico de los aceros al carbono de construcción de 0.15% a 0.60% de carbono. Sirven para afinar la estructura y eliminar las tensiones que suelen aparecer en la solidificación forjada entre otros. Con esto se consigue un acero más duro y resistente al obtenido con un enfriamiento más lento en un horno después de un recocido. Este tratamiento se utiliza para piezas fundidas, forjadas o mecanizadas.
- La velocidad del enfriamiento del normalizado es más rápida que en el recocido. Es un tratamiento típico de los aceros al carbono de construcción de 0.15 a 0.40 % de carbono, y las temperaturas normales del normalizado varía según el porcentaje en carbono, que va desde 840ºC a 935ºC, según la composición sea desde 0.50 a 0.10 % de carbono. A medida que aumenta el diámetro de la barra, el enfriamiento será más lento y por tanto la resistencia y el límite elástico disminuirán y el alargamiento aumentará ligeramente.
Tratamientos Térmicos en Aceros, Parte 1.
El tratamiento térmico es la
operación de calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado sólido a
temperaturas y condiciones determinadas para cambiar sus propiedades mecánicas.
Nunca alteran las propiedades químicas. Con el tratamiento térmico adecuado se
pueden reducir los esfuerzos internos, el tamaño del grano, incrementar la
tenacidad o producir una superficie dura con un interior dúctil.
El tiempo y la temperatura son
los factores principales y hay que fijarlos de antemano de acuerdo con la
composición del acero, la forma y el tamaño de las piezas y las características
que se desean obtener.
Tipos de Tratamientos Térmicos
- Tratamientos en la masa: recocidos y normalizados, temples y revenidos.
- Tratamientos superficiales: temple superficial y tratamientos termoquímicos (cementación, carbonitruración, boruración y nitruración).
- Tratamientos de superficie (depósitos).
- Desarrollo de un Tratamiento Térmico
Constan de tres fases:
- Calentamiento hasta la temperatura fijada (temperatura de consigna): La elevación de temperatura debe ser uniforme, por lo que cuando se calienta una pieza o se hace aumentando la temperatura muy lentamente o se va manteniendo un tiempo a temperaturas intermedias, antes del paso por los puntos críticos, este último es el calentamiento escalonado.
- Permanencia a la temperatura fijada: Su fin es la completa transformación del constituyente estructural de partida. Puede considerarse como suficiente una permanencia de unos dos minutos por milímetro de espesor en el caso de querer obtener una austenización completa en el centro y superficie. Largos mantenimientos y sobre todo a altas temperaturas son "muy peligrosos" ya que el grano austenítico crece rápidamente dejando el acero con estructuras finales groseras y frágiles.
- Enfriamiento desde la temperatura fijada hasta la temperatura ambiente: Este tiene que ser rigurosamente controlado en función del tipo de tratamiento que se realice.
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