Nanopartículas de boro para evitar la decarburación en los tratamientos térmicos

Transcripción

1 Nanopartículas de boro para evitar la decarburación en los tratamientos térmicos Leandro Mantarro Docente: Martín Célico Escuela: E.T. N 32 D.E Gral. José de San Martín Capital Federal.

2 1 Introducción En este presente año el profesor Martín Célico comentó durante su clase acerca del proyecto Nanotecnólogo por un día, sus implicaciones, y su decisión de tomar la monografía de dicho proyecto como nota para el trimestre, además de enviarla a la F.A.N. (Fundación Argentina de Nanotecnología) para que cada alumno pudiera participar en el proyecto Nanotecnólogo por un día. Esta monografía está orientada a la nanotecnología y debido a mis conocimientos sobre metalurgia, a la posible aplicación de nanopartículas de boro en una pieza después de la cementación para evitar la decarburación. 2 Nanotecnología Definición La nanotecnología comprende el estudio, diseño, creación, síntesis, manipulación y aplicación de materiales, aparatos y sistemas funcionales a través del control de la materia a nanoescala, y la explotación de fenómenos y propiedades de la materia a nanoescala. Cuando se manipula la materia a escala tan minúscula, presenta fenómenos y propiedades totalmente nuevas. Por lo tanto, los científicos utilizan la nanotecnología para crear materiales, aparatos y sistemas novedosos y poco costosos con propiedades únicas Unidad de medición Nanotecnología es el estudio y desarrollo de sistemas en escala nanométrica, nano es un prefijo griego que significa mil millones aplicándolo a las unidades de medida, corresponde a una mil millonésima parte de un metro (10^-9), es decir la nanotecnología estudia el mundo desde un nivel de resolución nanometrico entre 1 y 100 nanómetros aproximadamente. Hay que saber que un átomo mide menos de 1 nanómetro pero una molécula puede ser mayor, ahora se establece como límite superior 100 nanómetros puesto que bajo esta medida se observan propiedades especiales que se rigen bajo las leyes de la Mecánica Cuántica. Para poder imaginar y tener idea de este orden de magnitud tan pequeño, en la siguiente imagen se ilustran diversas estructuras como células, virus, proteínas, ADN, nanotubos, transistores, átomos, etc. Y el nivel de resolución al cual pueden ser observados, además se diferencia cuales son estructuras nanotecnológicas de las que no lo son. Figura 1

3 3 Nanomateriales Los nanomateriales son materiales con propiedades morfológicas más pequeñas que un micrómetro en al menos una dimensión. Los materiales reducidos a la nanoescala pueden súbitamente mostrar propiedades muy diferentes a las que exhiben en una macroescala, posibilitando aplicaciones únicas. Por ejemplo, sustancias opacas se vuelven transparentes (cobre); materiales inertes se transforman en catalizadores (platino); materiales estables se transforman en combustibles (aluminio); sólidos se vuelven líquidos a temperatura ambiente (oro); aislantes se vuelven conductores (silicona). Aquí hay algunos nanomateriales:. Nanopartículas y Nanopolvos Las Nanopartículas tienen unidades más grandes que las de los átomos y las moléculas, cuando menos una dimensión menos de los 100nm, obviamente estas nanopartículas son creadas artificialmente en los laboratorios. Además otra de sus particularidades es que poseen características propias, es decir que no obedecen a la química cuántica, ni a las leyes de la física clásica. Figura 2. Nanocápsulas La mayor aplicación de las nanocápsulas está sin duda en el campo de la medicina, ya sea para combatir enfermedades o ayudar con la liberación de fármacos en puntos específicos dentro del cuerpo humano. Nanotubos de Carbono Son estructuras cilíndricas con diámetro nanométrico. Aunque pueden ser de distinto material, los más conocidos son los de silicio pero principalmente, los de carbono ya que unas de las principales características de este último son su gran conductividad, y sus propiedades térmicas y mecánicas.. Materiales Nanoporosos Los materiales nanoporosos vendrían a ser como esponjas pero con poros nanométricos, materiales en donde los poros ocupan una gran fracción de su volumen total y presentan una significativa cantidad de superficie por gramo.. Nanofibras Una nanofibra es una fibra con diámetro menor a 500 nanómetros.

4 . Nanohilos Un nanohilo es un cable con un diámetro del orden de un nanómetro. Los nanohilos pueden ser definidos como estructuras que tienen un tamaño lateral restringido a diez o menos nanómetros por lo general. 4 - Problemática Gracias a la información presentada anteriormente y mis conocimientos sobre metalurgia creo que se podría evitar la decarburación colocando boro a nanoescala sobre la pieza cementada. La decarburación es la pérdida de carbono de la pieza y puede darse durante un tratamiento térmico. Para comprender como se mejoraría este proceso desarrollaré a continuación acerca la decarburación y los tratamientos térmicos Qué es la decarburación? La decarburación es el proceso contrario a la carburación, es decir, la disminución del contenido de carbono en los metales (normalmente de aceros). La decarburación ocurre cuando el carbono en el metal reacciona con los gases presentes en la atmósfera. El fenómeno de la decarburación de los aceros consiste en la pérdida de parte del carbono de su composición química durante un tratamiento a elevada temperatura sobre la superficie, debido a su interacción con una atmósfera gaseosa. Esto suele conducir a un empeoramiento de sus propiedades mecánicas, sobre todo en las zonas próximas a la superficie del material. El grado de decarburación es función de la temperatura, de la composición química del acero y de la composición química de la fase gaseosa con la que reacciona. La decarburacion se puede generar intencionalmente cuando se realiza un tratamiento térmico en una pieza cementada dentro de un horno metalúrgico. 4.2 La Cementación Es un tratamiento termoquímico de difusión que consiste en el agregado superficial de carbono. Se aplica para los aceros que requieran de las siguientes propiedades:. Alta dureza superficial (para resistir el desgaste).. Alta tenacidad en el núcleo (para resistir los impactos).. Alta resistencia a la fatiga (para resistir los esfuerzos consecuencia de flexión alternativa). 4.3 Aceros aptos Se utilizan los aceros comercialmente denominados aceros para cementación y su elección debe ser rigurosamente analizada, sobre todo en función de las propiedades requeridas por la pieza. Los aceros no superan el 0,30% C. El espesor de la capa cementada oscila de 0,2 a 1,5 mm. El carbono de la capa cementada es del orden del 0,9%. Con estos porcentajes y luego del temple se consiguen durezas equivalentes entre 62 y 65 Rockwell C. La escala de dureza para hacer la medición depende de estos factores y el tipo de acero utilizado (% C, calidad y cantidad de aleantes). El núcleo hace de soporte de la capa cementada por ello a mayor espesor de capa y superior calidad del acero base podrá utilizarse mayor carga para la toma de dureza Rockwell (15N, 30N, 45N, A, D y C). Para finalizar se hará un revenido para reducir las tensiones de temple y adecuar

5 la dureza a la especificación Procesos de cementación A. Normalizado (previo a la cementación): Este tratamiento consiste en llevar a los aceros al estado austenítico, y luego de dejarlo un tiempo a esa temperatura (a razón de media hora por cada 25 mm de espesor) será enfriado al aire calmo. Tiene por objetivo un producto homogéneo con adecuada resistencia moderada. B. Cementación: se realiza a temperaturas entre 850 y 950 C. Según el tipo de dispositivo que se utilice puede ser:. Sólido: Se cementa con carbón que rodea a la pieza en un recipiente cerrado, el cual se calienta a la temperatura adecuada durante el tiempo requerido y luego se enfría con lentitud.. Gas: Es más eficiente que el anterior, los ciclos son más controlados, el calentamiento más uniforme, es más limpio y requiere de menos espacio. La pieza se calienta en contacto con CO y/o un hidrocarburo; que fácilmente se descompone a la temperatura de cementación.. Líquido: Se cementa colocando las piezas en baños de mezclas de sales fundidas (cianuro), 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, es semi continuo. C. Temple: Es el aumento de temperatura de una pieza dentro de un horno, y luego enfriarla en un medio donde permita evacuar rápidamente el calor. Existen tres tipos de temple:. En agua, los de la serie 10XX y 11XX.. En aceite, la gran mayoría, como por ejemplo los de la serie 15XX, 40XX, 4118, Los de enfriamiento lento, como son los 4320, 48XX, 4720, D. Revenido: Se realiza a temperaturas que oscilan entre 120 y 280 C según lo especificado. Este tratamiento se hace después del temple ya que éste reduce las tensiones de la pieza (fragilidad) ocasionadas por el temple. 5 La aplicación de las nanopartículas de boro Teniendo la pieza cementada, y antes de hacer un tratamiento térmico se colocaría nanopartículas de boro sobre la superficie de la pieza por medio de un aerosol. Estas nanopartículas recubrirían la superficie cementada evitando que el carbono se desprenda de la pieza debido a las altas temperaturas (decarburación) y el boro a nanoescala tampoco se desprendería por sus propiedades térmicas. Además colocando nanopartículas de boro habría posibilidades de mejorar las propiedades de la pieza, como por ejemplo la dureza. Se eligió el boro como material para las nanopartículas ya que este tiene un punto de fusión alto (2300 C) y una buena conductividad térmica. Si no tuviera una buena conductividad térmica la pieza no alcanzaría la temperatura de austenización y no se obtendrían buenos resultados.

6 5.1 - Características del boro Elemento químico, B, número atómico 5, peso atómico Tiene tres elementos de valencia y se comporta como no metal. Se clasifica como metaloide y es el único elemento no metálico con menos de cuatro electrones en la capa externa. El elemento libre se prepara en forma cristalina o amorfa. La forma cristalina es un sólido quebradizo, muy duro. Es de color negro azabache a gris plateado con brillo metálico. Una forma de boro cristalino es rojo brillante. La forma amorfa es menos densa que la cristalina y es un polvo que va del café castaño al negro. El boro y sus compuestos tienen muchas aplicaciones en diversos campos, aunque el boro elemental se emplea principalmente en la industria metalúrgica. Su gran reactividad a temperaturas altas, en particular con oxígeno y nitrógeno, lo hace útil como agente metalúrgico degasificante. Se utiliza para refinar el aluminio y facilitar el tratamiento térmico del hierro maleable. El boro incrementa de manera considerable la resistencia a alta temperatura, característica de las aleaciones de acero. El boro elemental se emplea en reactores atómicos y en tecnologías de alta temperatura. Las propiedades físicas que lo hacen atractivo en la construcción de misiles y tecnología de cohetes son su densidad baja, extrema dureza, alto punto de fusión y notable fuerza tensora en forma de filamentos. El boro constituye el 0.001% en la corteza terrestre. Nunca se ha encontrado libre. Está también presente en el agua de mar en unas cuantas partes por millón. Existe en pequeñas cantidades en la mayoría de los suelos y es un constituyente esencial de varios silicatos tales como la turmalina y la datolita. La presencia de boro en cantidades muy pequeñas parece ser necesaria en casi todas las plantas, pero en grandes concentraciones es muy tóxico para la vegetación Propiedades térmicas del boro Las propiedades térmicas determinan el comportamiento de los materiales frente al calor. Conductividad térmica: es la propiedad de los materiales de transmitir el calor. Un material puede ser buen conductor térmico o malo. Fusibilidad: facilidad con que un material puede fundirse. El boro tiene:. Una alta conductividad térmica (27,4 W/ (K. m). Una baja fusibilidad (se fusiona a los 2300 C) 5.3 Motivo de la aplicación de las nanopartículas Si se quiere realizar un tratamiento térmico en un acero (por ejemplo SAE 1050)

7 Cuando se realiza un tratamiento térmico en ocasiones el material se decarbura (pierde carbono en la superficie). Por eso para evitar la decarburación se colocaría boro a nanoescala. Esto haría evitar la fuga de carbono ya que el boro tiene un punto de fusión alto. Y además, el material alcanzaría la temperatura de austenización porque el boro tiene una buena conductividad térmica.

8 6 - Conclusión Como se puede ver, el futuro está basado en los nanomateriales, ya que al ser la nanotecnología una ciencia multidisciplinaria estará en prácticamente en todos los aspectos de la vida diaria, están en cosas que van desde la ropa que vestimos hasta en los dispositivos electrónicos que usamos diariamente. Las aplicaciones reales de la nanotecnología ya están a la vista, y sus potenciales aplicaciones están abordando sus últimas fases de desarrollo para que puedan ser expuestas al mundo sin mayor tipo de riesgos. Los nanomateriales proporcionan nuevas y supremamente mejores características que la de los materiales normales originales de las cuales se derivan, estas propiedades simplemente son innumerables ya que el simple hecho de variar la geometría del material o el hecho de combinar las nanopartículas con distintos tipos de elementos pueden resultar finalmente con una característica nueva la cual tendrá un extenso campo para su aplicación. Finalmente, los nanomateriales al ser elementos autoadaptables e inteligentes, significarán una revolución tal como lo hicieron muchos materiales como el silicio que revolucionó la electrónica en su momento, pero con la diferencia de que ahora la nanotecnología influirá directamente en un sin número de diferentes campos, permitiendo dar grandes avances para la sociedad en un periodo de tiempo relativamente corto.

9 7 - Bibliografía: 2, , Figura , 6, Figura nanotecnologia-nanomateriales-y-sus-aplicaciones.shtml#ixzz2cv5dlqjd , 4.3, Apunte Tema 7 Metalografía y Tratamientos Térmicos de los Aceros 5.1, Micrografías tomadas en el laboratorio de ensayos metalúrgicos de la escuela.