Tema 4. TRATAMIENTOS TÉRMICOS Y TERMOQUÍMICOS. EL FENÓMENO DE LA CORROSIÓN.

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1 Tema 4. TRATAMIENTOS TÉRMICOS Y TERMOQUÍMICOS. EL FENÓMENO DE LA CORROSIÓN. 1. TRATAMIENTOS TÉRMICOS TEMPLE REVENIDO NORMALIZADO RECOCIDO TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS CEMENTACIÓN NITRURACIÓN CARBONITRURACIÓN SULFINIZACIÓN EL FENÓMENO DE LA OXIDACIÓN DEFINICIÓN DE OXIDACIÓN TRATAMIENTOS EL FENÓMENO DE LA CORROSIÓN TIPOS DE CORROSIÓN MEDIDAS DE PROTECCIÓN CONTRA LA CORROSIÓN MÉTODOS DE BARRERA PROTECCIÓN CATÓDICA INHIBIDORES DE LA CORROSIÓN...8

2 1. TRATAMIENTOS TÉRMICOS Tecnología Industrial II, 2º BAC Los tratamientos térmicos son operaciones de calentamiento y enfriamiento más o menos rápido con objeto de conseguir cambios en la estructura cristalina de los metales sin que la composición química resulte modificada. Tienen por finalidad mejorar las características mecánicas de los metales y aleaciones, de tal forma que algunas veces interesa aumentar la dureza y resistencia mecánica, y otras veces la ductilidad o plasticidad para facilitar su conformación. 1.1 TEMPLE Tratamiento típico de los aceros que consiste en calentarlos hasta una temperatura superior a la de austenización, seguido de un enfriamiento continuo y lo suficientemente rápido (el hierro γ, estructura FCC, no tiene tiempo suficiente para pasar a hierro α, estructuta BCC) para obtener una estructura conocida como martensítica. El enfriamiento se realiza en un medio adecuado de temple: agua, aceite o aire. Se obtienen aceros, denominados martensíticos, caracterizados por su dureza y resistencia mecánica. De los tres medios que se utilizan para templar, el agua es el que produce temples más rápidos o severos, seguido del aceite, que es más efectivo que el aire. 1.2 REVENIDO Tratamiento complementario al de temple, con el que se pretende eliminar tensiones internas producidas durante el temple; mejora la tenacidad, aunque se reduce la dureza. Consiste en un calentamiento de las piezas previamente templadas a una temperatura inferior a la de austenización para lograr que la martensita se transforme en una estructura más estable. El proceso termina con un enfriamiento relativamente rápido. 1.3 NORMALIZADO Con este tratamiento se afina el acero (disminuye su tamaño de grado medio) y se provoca una distribución de grano más uniforme (se unifica el tamaño del grano). Consiste en un calentamiento del acero, 50 grados por encima de la temperatura de austenización, seguido de un enfriamiento al aire. La velocidad de enfriamiento no es lo suficientemente elevada como para formar martensita, y la estructura resultante es perlita y ferrita (aceros hipoeutectoides) o perlita y cementita (aceros hipereutectoides) de grano fino. 1.4 RECOCIDO Consiste en calentar el material hasta un temperatura determinada y mantenerlo a dicha temperatura durante un tiempo y posteriormente enfriarlo lentamente. Los objetivos que se persiguen son: eliminar tensiones del temple, aumentar la plasticidad, ductilidad y tenacidad (objetivo: ablandar y dulcificar el metal ). En estos tratamientos el tiempo constituye la variable fundamental a controlar. La temperatura, en los aceros, ha de estar entre la crítica inferior de austenización y la superior (no se supera la temperatura de austenización como ocurre en el normalizado y el el temple).

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4 2. TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS Los tratamientos termoquímicos consisten en operaciones de calentamiento y enfriamiento de metales, que se complementan con la adición de nuevos elementos en la superficie de las piezas, de manera que se modifica la composición química superficial. Tienen por finalidad obtener piezas muy duras superficialmente, capaces de resistir desgaste, y más blandas en el centro, lo que les permite ser más tenaces. El procedimiento general consiste en meter la pieza en un horno en el que controlamos la atmósfera, calentamos hasta una determinada temperatura, mantenemos esa temperatura el tiempo necesario para que se produzca una difusión atómica en la superficie de la pieza y enfriamos. Entre los procedimientos más habituales están: cementación, nitruración, cianuración, carbonitruración y sulfinización. 2.1 CEMENTACIÓN Consiste en añadir carbono a la superficie del metal con objeto de aumentar su dureza superficial. Para facilitar la difusión del carbono en el metal, se somete la pieza durante cierto tiempo a una determinada temperatura (900ºC, en el caso de los aceros) en una atmósfera carburante, lograda mediante agentes sólidos, líquidos o gaseosos que desprenden carbono. Una vez sometida una pieza a un proceso de este tipo, puede considerarse constituida por dos zonas: La zona exterior, que recibe en nombre de capa cementada y que posee mayor cantidad de carbono que el resto de la pieza. La zona central o alma, cuya composición química no ha variado. 2.2 NITRURACIÓN Con este tratamiento se consigue un endurecimiento superficial extraordinario del acero mediante la incorporación de nitrógeno. La pieza que se pretende nitrura se somete en un horno a una corriente de amoníaco a una temperatura próxima a los 500ºC. El tratamiento de nitruración se diferencia del de cementación en dos aspectos fundamentales: La temperatura a la que se realiza es muy inferior, lo que evita que se produzcan distorsiones en el núcleo de la pieza, haciendo innecesario cualquier tratamiento térmico posterior. El nitrógeno no se introduce en el acero en forma de solución sólida, como ocurre en la cementación, sino que debido a su afinidad por elementos químicos (como aluminio, cromo, vanadio, wolframio o molibdeno) presentes en los aceros aleados, se forman nitruros submicroscópicos insolubles. 2.4 CARBONITRURACIÓN Es un tratamiento intermedio entre los dos anteriores, con el que se consigue aumentar la dureza de los aceros por medio de la absorción superficial simutánea de carbono y nitrógeno. La pieza que se desea carbonitrurar se somete a una atmósfera cementante a la que añade nitrógeno en forma de amoníaco. La carbonitruración se realiza mediante atmósferas gaseosas; cuando se lleva a cabo mediante baños, se le da el nombre de cianuración. 2.5 SULFINIZACIÓN Con este tratamiento se incorpora al metal una capa de carbono, nitrógeno y, sobre todo, azufre, por medio de su inmersión en un baño a una temperatura cercana a los 600ºC. Con este tratamiento el metal aumenta la resistencia al desgaste, disminuye su coeficiente de rozamiento y se favorece la lubricación.

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6 3. EL FENÓMENO DE LA OXIDACIÓN Tecnología Industrial II, 2º BAC 3.1 DEFINICIÓN DE OXIDACIÓN (CORROSIÓN SECA) La oxidación es un proceso electroquímico en el que los átomos metálicos pierden electrones. Así, un metal M con valencia 2, puede experimentar una oxidación según la reacción: M M e - (reacción de oxidación) donde el metal M se oxida (pérdida de electrones), convirtiéndose en un ión con 2 cargas positivas al perder sus 2 electrones de valencia. La zona donde se produce la oxidación se denomina ánodo, por lo que la oxidación también se conoce como reacción anódica. La reacción inversa a la oxidación es la reacción de reducción y es aquella que toma los electrones de la oxidación. La zona donde se produce se denomina cátodo. ½ O 2 + 2e - O 2- (reacción de reducción) Aunque el más populares de los oxidantes es el oxígeno, la oxidación de los metales puede ser provocada por otras sustancias como el cloro, el hidrógeno, el azufre, etc. La oxidación, entendida como la combinación de las reacciones químicas de oxidación y corrosión (M + ½ O 2 MO), implica el deterioro del material, al formarse una capa de óxido (MO) y la pérdida progresiva de sus propiedades iniciales. 3.2 TRATAMIENTOS Aleaciones Para evitar la oxidación de un metal se puede alear con otros que posean una energía de oxidación mayor y cuya velocidad de oxidación sea menor. De esta manera, el material añadido se oxida primero, debido a su mayor energía de oxidación, formando una capa protectora, lo que frena el posterior proceso de oxidación, que seguirá produciéndose pero a una velocidad muy lenta. El mejor aleante para evitar la oxidación del acero es el cromo. Recubrimientos supeficiales: Cromado El cromado es un tratamiento utilizado para endurecer de forma superficial a distintos metales y protegerlos de la oxidación. Consiste en difundir átomos de cromo en la superficie del metal a una temperatura elevada. Estos tratamientos resultan menos efectivos que la protección por medio de aleantes, pues si se produce una rayadura en el recubrimiento, el material queda en contacto directo con la atmósfera y se oxidará fácilmente. 4. EL FENÓMENO DE LA CORROSIÓN Cuando la oxidación (corrosión seca) se produce en un ambiente húmedo o en presencia de otras sustancias agresivas, se denomina corrosión, y es mucho más peligrosa para la vida de los materiales que la oxidación simple, pues en un medio húmedo la capa de óxido no se deposita sobre el material, sino que se disuelve en el vapor de agua de la atmósfera, acabando por desprenderse. La mayoría de los fenómenos de corrosión que experimentan los metales se deben a reacciones electroquímicas, corrosión electroquímica. En la corrosión electroquímica los átomos metálicos son eliminados del material sólido debido a que se origina un circuito eléctrico (equivalente al de un pila o celda electroquímica). Celda electroquímica Una celda electroquímica se forma cuando se introducen dos metales en un líquido conductor de la electricidad y en ella se distinguen: a) Cátodo: recibe electrones por el circuito externo a causa de la reacción química que sufre el ánodo.

7 b) Ánodo: cede electrones al circuito y se corroe al abandonar iones metálicos positivos su superficie. c) Circuito externo: el ánodo y el cátodo deben estar conectados para que los electrones circulen del ánodo al cátodo. d) Electrólito: es el conductor que completa el circuito. Es un líquido que sirve de medio para que los iones metálicos que abandonan el ánodo puedan desplazarse hacia el cátodo. El ánodo reduce su tamaño mientras que el cátodo puede aumentar o quedarse igual, ya que el ion al juntarse con el electrón puede depositarse sobre el cátodo (electrodeposición), unirse a otros iones procedentes del ánodo y precipitar al fondo de la pila o combinarse con elementos del electrolito formando, por ejemplo, un gas que saldría de la pila electroquímica. 4.2 TIPOS DE CORROSIÓN La corrosión no se produce siempre de la misma forma ni ocasiona los mismos efectos, de forma que se pueden distinguir tres tipos principales de corrsión: uniforme, localizada e intergranular. Corrosión uniforme El espesor de la zona afectada es igual en toda la superficie del metal. Al disminuir el espesor de la pieza, también decrece su resistencia mecánica. Es el caso típico de los metales atacados con ácidos. Corrosión localizada Produce picaduras, hoyos y surcos en la superficie del metal. En esta corrosión, disminuye la capacidad de deformación y es muy difícil de prevenir. El hierro atacado por el agua del mar es el ejemplo más típico. Corrosión intergranular El ataque se localiza en la unión de los granos de los constituyentes de los metales y provoca pérdida de cohesión entre ellos. El metal puede llegar a desintegrarse totalmente sin que se aprecie ninguna alteración superficial. 4.2 MEDIDAS DE PROTECCIÓN CONTRA LA CORROSIÓN Las medidas de protección contra la corrosión tratan de evitar las causas que provocan la corrosión, principalmente tratan de evitar la formación de pilas galvánicas y se pueden clasificar en tres grandes grupos: métodos de barrera, protección catódica e inhibidores MÉTODOS DE BARRERA A) MODIFICACIÓN QUÍMICA DE LA SUPERFICIE. Se crea, mediante procedimientos químicos o electroquímicos, una capa protectora sobre la superficie del metal que se quiere proteger. En este grupo distinguimos el cromatizado y la fosfatación (procedimientos químicos). Si la capa protectora se crea mediante un proceso electrolítico, se conoce como oxidación o protección anódica.

8 En el cromatizado se aplica un solución que contiene ácido crómico o algún derivado con el fin de provocar la aparición de una capa de de óxido compacta en la superficie del metal que impida su corrosión. Si la solución que se aplica está hecha a bases de fosfatos ( fosfóricos o de Zn, Cd o Mn) hablamos de fosfatación, y en este proceso se origina un capa de fosfatos metálicos en la superficie del metal que lo protegen. La protección anódica consiste en la creación, mediante electrólisis, de una capa de óxido o de hidróxido metálico superior a la que se produce por oxidación natural en el metal a proteger, que actuará como ánodo en el proceso electrolítico. Este proceso también se conoce como anodizado. B) APLICACIÓN DE CAPAS PROTECTORAS. Se aplican capas protectoras que aislan las regiones del cátodo y del ánodo. Estos aislantes pueden ser de diferente tipo con una acción más o menos prolongada en el tiempo. Los aislantes a corto plazo son las grasas o aceites que se eliminan con facilidad. Los de medio plazo son las pinturas o los recubrimientos cerámicos. Los de largo plazo consisten en recubrir metales con un alto grado de corrosión con otros que tengan un grado de corrosión menor, por ejemplo el acero galvanizado que consiste en depositar en depositar Zn sobre la superficie del acero. En otros casos, como en la hojalata, al acero se recubre con una pequeña capa de estaño PROTECCIÓN CATÓDICA Consiste en proteger al metal forzándolo a ser cátodo (absorción de electrones, reacción de reducción) en vez de ánodo (cesión de electrones, reacción de oxidación) y evitar así la corrosión. Existen dos maneras: protección catódica por corriente continua exterior o ánodo de sacrificio. La protección catódica se utiliza, principalmente, en tuberías o depósitos bajo tierra. A) PROTECCIÓN CATÓDICA POR ÁNODO DE SACRIFICIO Se fuerza un acoplamiento galvánico con otro material anódico respecto al que se quiere proteger. Se suele utilizar el magnesio debido a su elevada tendencia a la oxidación. El medio entre ánodo y cátodo debe ser húmedo y conductor para producir el acoplamiento galvánico. Los ánodos de sacrificio deben ser sustituidos cada cierto tiempo. B) PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE CONTINUA EXTERIOR Se une la pieza que se quiere proteger al polo negativo de una fuente de corriente continua externa. El polo positivo de la fuente se conectará a un ánodo consumible (por ejemplo, chatarra de hierro) o a un electrodo inerte (por ejemplo, titanio recubierto de platino) INHIBIDORES DE LA CORROSIÓN Consiste en interrumpir el paso de iones desde el ánodo al cátodo. Para ello, se añaden al electrolito productos químicos que se depositan en la superficie del ánodo o cátodo impidiendo o reduciendo la salida o llegada de los iones. Se utiliza en recipientes que contienen fluidos que han de estar totalmente cerrados. Por ejemplo, las sales de cromo realizan esta función en los radiadores de los coches.

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