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Tratamientos tĂŠrmicos de los metales


Tratamientos y acabados de los metales 1.- Tratamientos térmicos de los metales. 1.1.- Propiedades de los metales. 1.2.- Enfriamiento de los aceros y las fundiciones. Constituyentes. Curvas TTT. 1.3.- Temple. Ensayos Jominy. Factores que influyen en el temple. Tipos. 1.4.- Revenido. 1.5.- Recocido. 1.6.- Normalizado. 2.- Tratamientos termoquímicos. 2.1.- Objetivo de los t. Termoquímicos. 2.2.- Cementación. 2.3.- Nitruración. 2.4.- Cianuración. 2.5.- Sulfinización. 3.- Protección de los metales contra la corrosión. 3.1.- Tipos de corrosión. 3.2.- Medios de protección y acabados de los metales.


1.- Tratamientos térmicos de los metales 1.1.- Propiedades de los metales. Los tratamientos térmicos tienen como función principal mejorar las propiedades mecánicas de los metales. Las más importantes son: - Elasticidad. Capacidad que tienen algunos materiales para recuperar su forma, una vez que ha desaparecido la fuerza que los deformaba. - Plasticidad. Propiedad de un material de conservar su nueva forma una vez deformado. - Ductilidad. Capacidad para estirarse en hilos. - Maleabilidad. Aptitud de un material para extenderse en láminas sin romperse. - Dureza. Oposición que ofrece un cuerpo a dejarse rayar o penetrar por otro. - Tenacidad. Resistencia que opone un cuerpo a su rotura cuando se ve sometido a esfuerzos lentos de deformación. - Fatiga. Deformación de un material sometido a cargas variables, inferiores a las de rotura, que pueden dar lugar a la fractura. - Resiliencia. Resistencia que opone un cuerpo a los choques o esfuerzos bruscos. - Fragilidad. Es la propiedad opuesta a la anterior. - Acritud. Aumento de la dureza, la fragilidad y la resistencia que se produce en ciertos metales como consecuencia de una deformación en frío.


1.- Tratamientos térmicos de los metales 1.2.1.- Enfriamiento de los aceros y las fundiciones. El hierro es, con mucha diferencia, el metal más empleado en la industria metalúrgica, por lo que precisa de un estudio pormenorizado de la variación de sus propiedades con la temperatura. La gráfica hierro – carbono nos dice los constituyentes que encontramos en una fundición o un acero en función de la cantidad de carbono disuelta en el hierro y la temperatura a la que se encuentre la aleación. Sin embargo, esta gráfica sirve sólo para cuando el enfriamiento es muy lento, al poner en contacto la pieza fabricada de aleación de hierro con la temperatura ambiente.


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1.2.2.- Constituyentes de los aceros y fundiciones. Las aleaciones de hierro presentan constituyentes con diferente estructura cristalina y propiedades. Los más importantes son: Ferrita. Solución sólida de carbono en hierro alfa. Tiene una solubilidad que no llega al 0,01% de carbono a temperatura ambiente. Es el constituyente más blando y dúctil de los aceros. Dureza 90HB. Cementita. El carburo de hierro (Fe3C) es el constituyente más duro y frágil de los aceros. Contiene un 6,67% de carbono. Dureza 800HB. Perlita. Constituyente formado por un 87% de ferrita y un 13% de cementita. Puede ser laminar, sorbítica o globular según su estructura. Dureza 200HB Austenita. Es el constituyente más denso de los aceros. Está formada por inserción de átomos de carbono en hierro gamma. Dureza 300 HB. Ledeburita. Constituyente de las fundiciones eutécticas. Es hierro con un 4,3 % de carbono. Está compuesto de austenita y cementita.


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Por otro lado se encuentran los constituyentes que se obtienen por un descenso rápido de la temperatura, que llegado a cierto valor se mantiene hasta que toda la masa se transforma isotérmicamente en: Martensita. Es el segundo constituyente más duro de los aceros. Se forma por una solidificación rápida de hierro alfa sobresaturado de carbono. Se presenta en forma de agujas. Dureza de hasta 700 HB. Troostita. Constituyente intermedio entre la martensita y la sorbita. Se produce por una transformación isoterma de la austenita cuando se enfría esta bruscamente hasta 500-600ºC, manteniendo la temperatura constante. Dureza 450 HB. Sorbita. Transformación isoterma a temperaturas entre 600 y 650ºC. Dureza 350 HB. Bainita. Transformación isoterma a temperaturas entre 250 y 500ºC.


1.- Tratamientos tĂŠrmicos de los metales 1.2.3.- Curvas TTT. Estas curvas reflejan los cambios que sufre la austenita. Esta se transforma en otros constituyentes a diferentes temperaturas y en mĂĄrgenes de tiempo variables.


1.- Tratamientos térmicos de los metales Por debajo de la temperatura en la que la austenita se hace inestable (727ºC) se pueden obtener distintos constituyentes sin más que enfriar el metal y mantenerlo a una temperatura fija hasta su transformación completa.


1.- Tratamientos térmicos de los metales 1.3.1.- El temple. Es un tratamiento muy empleado en siderurgia para endurecer las piezas formadas por aleaciones de hierro. 

Se caracteriza por un aumento de la temperatura del metal hasta que toda la pieza alcanza una austenización parcial o total.

Posteriormente se realiza un enfriamiento rápido y homogéneo con un medio como el agua, aire o aceite.

Se considera que el proceso de templado ha sido correcto si la muestra adquiere un alto contenido en martensita o el constituyente que se busque.

La capacidad de un acero para adquirir un temple homogeneo se llama templabilidad.


1.- Tratamientos tĂŠrmicos de los metales 1.3.2.- Ensayo Jominy. Sirve para conocer la templabilidad de un acero.


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1.- Tratamientos térmicos de los metales Se toma una muestra cilíndrica del metal a ensayar de 100 mm de longitud y 25 de diámetro. Se introduce en un horno hasta su austenización completa. Luego, se introduce en la máquina Jominy sujeta por un extremo mientras se aplica un chorro de agua por el otro. Una vez que la pieza ha enfriado, se desbasta una tira y se somete a un ensayo Rockwell C en distintos puntos, partiendo del extremo enfriado con agua. Con los datos obtenidos se obtiene una gráfica que indica la dureza del material en función de la distancia al extremo enfriado con agua. Si la curva desciende rápidamente, quiere decir que el frío no ha penetrado convenientemente en el metal, y este se ha convertido en perlita. Si se mantiene, quiere decir que la transformación ha sido en martensita.


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1.3.3- Factores que influyen en el temple. Son varios los factores que intervienen en un correcto templado: Composición del acero. La cantidad de carbono y otros elementos determinan la temperatura máxima y la templabilidad. Temperatura de calentamiento. Determina una austenización parcial o total. Tiempo de calentamiento. Determina lo homogénea de la austenización. Velocidad de enfriamiento. Determina el constituyente en el que se va a transformar la austenita. Medio. Los más empleados son el agua, para temples rápidos, y el aceite, para temples más suaves y lentos. Tamaño y geometría de la muestra. Influye en la temperatura y homogeneidad del temple.


1.- Tratamientos tĂŠrmicos de los metales 1.3.4.- Tipos de temple. Se clasifican por los resultados obtenidos. Los mĂĄs comunes son los continuos de austenizaciĂłn completa e incompleta, los isotĂŠmicos austempering y martempering y el superficial.


1.- Tratamientos térmicos de los metales  Temple continuo de austenización completa. Se aplica a los aceros hipoeutectoides. Se calienta la pieza a una temperatura superior de AC3, hasta la austenización de todo el material. El enfriamiento rápido transforma toda la austenita en martensita.  Temple continuo de austenización incompleta. Se aplica a los aceros hipereutectoides. Se calienta la pieza a una temperatura entre AC1 y AC3. Se consigue así austenizar la ferrita y dejar la cementita. Al enfriar obtenemos cementita y martensita.  Temple isotérmico martempering. Es un proceso de austenización completa que tras un enfriamiento rápido mantiene la pieza en un baño a una temperatura superior a Ms. Posteriormente se saca la pieza y se enfría al aire, obteniendo martensita. Se consiguen evitar deformaciones y tensiones, ya que se da tiempo al acero a igualar su temperatura en toda la masa.


1.- Tratamientos térmicos de los metales  Temple isotérmico austempering. Es similar al anterior. Sin embargo, el baño se realiza a una temperatura superior, durante un tiempo suficiente para que toda la austenita se transforme en bainita. Como en el martempering, se consiguen piezas sin deformaciones ni tensiones.  Temple superficial. Consiste en austenizar sólo una pequeña capa de la pieza, para conseguir al enfriar una mayor dureza superficial manteniendo el corazón blando. Este proceso puede realizarse con un soplete oxiacetilénico o por inducción. En el primero se consigue calentar la superficie del material mediante una llama, y en el segundo mediante corrientes de alta frecuencia. El calentamiento tiene lugar en este caso por las corrientes de Focault generadas.


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1.- Tratamientos térmicos de los metales 1.4.- Revenido. Es un tratamiento complementario del temple, que generalmente sigue a éste. Consiste en calentar el acero a una temperatura inferior a AC1, por lo que no se produce ninguna transformación. Posteriormente se enfría, normalmente al aire. Este tratamiento se emplea para eliminar las tensiones que produce el temple. Se consigue también mejorar la tenacidad, resistencia mecánica y aumentar el límite elástico, aunque a costa de disminuir la dureza. El revenido es el verdadero tratamiento acondicionador del acero. Con el temple se obtiene martensita con la que se pueden alcanzar las propiedades que se consiguen posteriormente con el revenido.


1.- Tratamientos tĂŠrmicos de los metales 1.5.- Recocido. Este proceso tiene por fin ablandar el material para poder trabajarlo mejor. Hay diversas clases de recocidos, que se diferencian en la temperatura mĂĄxima a la que debe calentarse el acero y en las condiciones y velocidad de enfriamiento. Finalmente el material afina el grano, elimina tensiones y aumenta su plasticidad, ductilidad y tenacidad.

1.6.- Normalizado. Este proceso, que se suele emplear para metales que han sido deformados en frĂ­o (forja, laminaciĂłn) o han sufrido procesos defectuosos y que precisan eliminar tensiones y afinar el grano. Se calienta el acero por encima de AC3, y una vez austenizado todo, se deja enfriar al aire lentamente.


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2.- Tratamientos termoquímicos 2.1.- Objeto de los tratamientos termoquímicos. Se emplean para variar la composición química en la superficie de los aceros, al añadir sustancias que mejoran algunas propiedades mecánicas, principalmente dureza y resistencia a la corrosión o al desgaste.

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2.2. Cementación. Consiste en aumentar la cantidad de carbono en la superficie del metal impregnándolo con un producto carburante en presencia de calor. Una vez terminada la operación se templa y reviene la pieza. Se obtiene una buena dureza superficial y un núcleo tenaz. Se emplea en aceros con bajo contenido en carbono y en aleados. Se suelen emplear cementantes sólidos como el coque, líquidos como el carbonato sódico, y gaseosos como el metano.


2.- Tratamientos termoquímicos 2.3.- Nitruración. Este proceso, en el que se aporta nitrógeno, consigue durezas muy elevadas en la superficie del metal y propiedades anticorrosivas. Las piezas se templan y revienen antes del tratamiento. El proceso se realiza en un horno a 500ºC introduciendo corrientes de amoniaco durante uno a cuatro días. Se emplea para endurecer camisas de cilindros, árboles de levas, juntas cardán o piñones. 2.4.- Cianuración. Consiste en endurecer el acero por acción combinada del carbono y el nitrógeno. El proceso se realiza en un baño de sales de cianuro sódico. Se emplea en aceros hipoeutectoides y no se consigue mucha profundidad. 2.5.- Sulfinización. Es un proceso combinado de adición de carbono, nitrógeno y azufre que consigue aumentar la resistencia al desgaste y al agarrotamiento.


3.- Protección de metales contra la corrosión

3.1.1.- Tipos de corrosión. La corrosión es la degradación de los materiales por la acción de un agente exterior. En los metales pueden distinguirse dos procesos: Corrosión directa. Es el resultado de la combinación de los átomos metálicos con el agente corrosivo. Ejemplo: 2 Fe + O2 → 2 FeO Fe + S → FeS Corrosión electroquímica. Se origina por la presencia de pilas electroquímicas en las que el metal actúa como ánodo y, por tanto, se disuelve. Este tipo de corrosión exige ambientes acuosos con conductividad electrolítica. Los elementos que forman parte de la pila son: - Ánodo. Cede electrones al circuito y se corroe - Cátodo. Recibe electrones e iones, que se unen formando un subproducto. - Contacto eléctrico entre ánodo y cátodo. - Electrólito. Líquido conductor que está en contacto con el ánodo y el cátodo. Proporciona el medio a través del cual los iones metálicos abandonan el ánodo, y se asegura de que se desplacen hacia el cátodo.


3.- Protección de metales contra la corrosión •

Las reacciones que se producen son las siguientes: - El ánodo (de hierro) cede electrones a través del contacto físico al cátodo (de cobre), quedando iones Fe+. - La sal (cloruro de sodio) del electrolito se ioniza en contacto con dos electrodos de distinta tensión galvánica, desplazándose el Cl – hacia el ándodo y el Na + hacia el cátodo, produciéndose las siguientes reacciones: Cl Na → Cl - + Na + 2 Cl - + Fe+ → Cl2 Fe Los iones que van al cátodo reaccionan con el agua 2 Na + 2 H20 → 2 Na OH + H2 El cloruro ferroso se desprende del ánodo y se desplaza hacia el cátodo, dando lugar al hidróxido ferroso: 2 Na OH + Cl2 Fe → 2 Cl Na + (OH2) Fe El hidróxido se oxida dando lugar al orín, producto típico de la corrosión del hierro.


3.- Protecci贸n de metales contra la corrosi贸n


3.- Protección de metales contra la corrosión 3.1.2.-Clasificación. Los tipos de corrosión se pueden clasificar en función de la manera en que se producen y los efectos en: - Corrosión uniforme. Todo el metal adelgaza uniformemente. - Corrosión localizada. El metal resulta picado, apareciendo con rugosidades. - Corrosión intergranular. Afecta a las uniones de los granos, debilitando su resistencia y cohesión. - Corrosión selectiva. Se produce cuando el agente corrosivo ataca sólo a uno de los metales de la aleación. - Corrosión bajo tensiones. Sucede cuando el metal se ve sometido a esfuerzos en un ambiente corrosivo. - Corrosión- erosión. Se debe al flujo turbulento de fluidos que contienen sólidos en suspensión. - Corrosión con fatiga. Combinación de esfuerzos cíclicos y corrosión. - Corrosión por fuerza electromotriz exterior. Se produce cuando una fuente de alimentación obliga a dos zonas de un mismo metal a comportarse como ánodo y cátodo, produciéndose una pila electroquímica.


3.- Protecci贸n de metales contra la corrosi贸n


3.- Protección de metales contra la corrosión 3.2.- Medios de protección y acabado de los metales. Para evitar la corrosión hay que tener en cuenta los siguientes aspectos: - Impedir la formación de pilas galvánicas, utilizando aislantes eléctricos. - Tratar que el área del ánodo sea mucho mayor que la del cátodo, para minimizar las reacciones catódicas. - Evitar hendiduras, grietas o poros entre los materiales unidos. - Diseñar recipientes para la contención de líquidos cerrados y procurar que no se estanque líquido.  En caso de un metal oxidado superficialmente, se deberá aplicar un medio de protección, no sin antes decaparlo. Este proceso consiste en eliminar la capa superficial sometida a oxidación, dejándola sin orín. El procedimiento puede ser mecánico, con cepillo, químico, mediante ácidos (sulfúrico o clorhídrico), o electrolítico.


3.- Protección de metales contra la corrosión 3.2.1.- Recubrimientos. Se utilizan para guardar las regiones del ánodo y el cátodo.Puden ser: 1.- Aceites o grasas. Proporcionan una protección ligera, y se eliminan fácilmente. 2.- Pinturas plásticas o cerámicas. El nivel de protección es mayor. Si hay algún poro se produce una oxidación rápida y localizada. 3.- Recubrimientos metálicos. Son principalmente los aceros galvanizados, con una capa exterior de Zn o Sn. El comportamiento de estos dos elementos de protección es muy diferente. Si se produce un poro en un recubrimiento de Cinc, se forma una pila en la que este metal hace de ánodo, quedando el acero protegido. En el caso del estaño, ante un poro, es el acero el que se comporta de ánodo, destruyéndose.


3.- Protección de metales contra la corrosión 3.2.2.- Inhibidores. Algunos productos añadidos al electrolito emigran preferentemente hacia el ánodo o el cátodo, formando un compuesto en la superficie del metal que disminuye en gran medida la corrosión. Es el caso de las sales de cromo, que se utilizan en los radiadores de los automóviles, ya que forman un óxido de cromo que ralentiza la acción de las sustancias corrosivas. 3.2.3.- Pasivadores. En determinados metales, al iniciarse la corrosión se forma una capa de óxido que impide que continúe la erosión. Esto se consigue también tecnicamente, como es el caso del minio o el cromato de cinc. 3.2.4.- Protección por selección de materiales. Un medio para evitar la corrosión es utilizar materiales autoprotectores, aleación con metales muy resistentes a la corrosión, como el oro, el platino, el niquel o el cromo.


3.- Protección de metales contra la corrosión 3.2.5.- Protección catódica. Se puede proteger un metal forzándolo a comportarse como un cátodo, al suministrarle electrones por contacto eléctrico con otro metal más anódico, llamado ánodo de sacrificio, el cual se corroe y acaba destruyéndose, por lo que hay que renovarlo cada cierto tiempo. Otra manera de conseguir este mismo efecto consiste en emplear una batería, de forma que los electrones fluyan desde hacia el metal a proteger desde el ánodo de sacrificio. Este proceso se emplea para proteger tuberías enterradas, plataformas marinas, calentadores de agua, etc.


Tratamientos térmicos  

Tratamientos térmicos y termoquímicos de los metales

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