AJUSTE, MONTAJE, VERIFICACIÓN Y CONTROL DE MÁQUINA/MECANISMO CEMENTACIÓN

Transcripción

1 CEMENTACIÓN AJUSTE, MONTAJE, VERIFICACIÓN Y CONTROL DE MÁQUINA/MECANISMO La cementación es tratamiento térmico que transforma la superficie de un acero dulce, se utiliza en la práctica, cuando se requiere una pieza con superficie dura sin perder sus cualidades primitivas en el núcleo; este proceso consiste en añadir una proporción adecuada de carbón a la parte externa de la pieza, sin alterar sus propiedades internas. Aceros con bajo contenido de carbono Parte blanda o suave Eje cementado Parte endurecida Por lo tanto es aplicable a piezas de hierro, o aceros con bajo contenido de carbono. (Fig. 1). El proceso de Cementación El acero o hierro dulce absorbe el carbono de cementación, únicamente cuando dichos materiales alcanzan una temperatura suficientemente alta y es en este estado cuando comienza la disolución del carbono. Por lo tanto para que se verifique la absorción del carbono exterior las piezas se calientan aproximadamente a 700ºC. Se denomina cementación a la carburación de las piezas con un tratamiento térmico ulterior que produce su endurecimiento. Temple por capas con tratamiento previo En los aceros con menos del 0,3% en masa de carbono, la transformación en martensita no produce ningún aumento notable de la dureza. Con ayuda del carbono que penetra por difusión se consigue, sin embargo, carburar suficientemente la capa exterior de las piezas. El procedimiento se denomina endurecimiento por cementación. (Fig. 2) Lente de cementación Espiral calefactora Caja Horno calentado eléctricamente Cementación Pieza Espiral calefactora Las capas exteriores se enriquecen con carbono (carburación) o con carbono y nitrógeno (carbonitruración). Esto se consigue a temperaturas entre 860º C y 930ºC con agentes de carburación sólidos, como el carbón vegetal o el negro de humo con agentes líquidos, como los cianuros potásicos o sódico, o con gases como el gas de la red o el metano. La profundidad de cementación varía entre 0,01 y 5 mm. Por medio de un enfriamiento brusco ulterior se consigue el temple (formación de martensita) de la capa exterior carburada. Es ventajoso que la profundidad de cementación sea uniforme, independientemente de la forma de la pieza. Aceros para cementación, DIN Ejemplos Clase de acero Denominación abreviada Aceros de calidad C10 C 15 Aceros finos C10 C MnCr 5 18 CrNi 8 Número del material Dureza (tratamiento térmico para textura ferrito-perlítica HB Fig. 1 Fig. 2 Resistencia a la 1 tracción 2 N/mm

2 Temple por nitruración Se denomina nitruración al enriquecimiento o saturación de la zona superficial de los aceros con nitrógeno. Las piezas, calentadas a una temperatura de unos 550º C, se someten a la acción de una corriente de gas que contenga nitrógeno (NH 3=amoníaco). El temple se produce directamente por el nitrógeno que penetra, sin ningún tratamiento térmico ulterior y gracias a la formación de nitruros de gran dureza y resistencia a la abrasión (endurecimiento). Como aceros de nitruración se utilizan los aceros aleados con aluminio, cromo o vanadio, porque estos metales de aleación favorecen la penetración (difusión) del nitrógeno. Ventajas: AJUSTE, MONTAJE, VERIFICACIÓN Y CONTROL DE MÁQUINA/MECANISMO Gran dureza y gran resistencia a la abrasión, la dureza se mantiene hasta los 500ºC, no se producen deformaciones, se mejora la resistencia a la corrosión, la pieza se puede mecanizar totalmente antes de la nitruración. (Fig. 3) Se trata de aceros de construcción con el relativamente bajo contenido de carbono, que pueden carburarse en la superficie. Los aceros finos se distinguen de los aceros de calidad no sólo por el bajo contenido de fósforo y azufre, sino también por la uniformidad de sus propiedades. Los aceros nitrurados contienen elementos formadores de nitruros, por ejemplo, aluminio, cromo o vanadio. Se trata de elementos de aleación contenidos en el hierro que se combinan con el nitrógeno, por lo que éste se disuelve en la masa principal o se segrega en forma de nitruros. Espiral calefactora Piezas Amoníaco (NH 3 ) Horno calentado eléctricamente Nitruración Fig. 3 Salida de gases residuales Espiral calefactora Aceros para temple por nitruración, DIN Ejemplos Los aceros nitrurados contienen elementos formadores de nitruros, por ejemplo, aluminio, cromo o vanadio. Se trata de elementos de aleación contenidos en el hierro que se combinan con el nitrógeno, por lo que éste se disuelve en la masa principal o se segrega en forma de nitruros. Clase de acero Denominación abreviada 39 CrMoV CrAlMo 5 41 CrAlMo 7 Número del material Nitrurado (dureza en la superficie) HV Resistencia a la 1 tracción (bonificados) 2 N/mm

3 Cementación con sustancias sólidas Características Este tratamiento tiene dos características principales: a) Se requieren cajas especiales que, una vez preparadas, se introducen en la cámara de un horno. b) El medio carburante utilizado es una sustancia sólida, preparada en forma de gránulos de 20 mm a 50 diámetro, rodeados por una película de polvo activante, adherida a los granos de carbón vegetal por ligantes, tales como: pintura asfáltica, melaza, etc. Medios Carburantes: Los medios carburantes sólidos más utilizados son los carbones vegetales duros, en forma de granos mezclados uniformemente con carbonatos de bario, calcio o sodio en forma de polvo y a veces también con melaza o pintura asfáltica en estado líquido, que actúan como portadores y ligantes. Las mezclas preparadas de estas sustancias son suministradas por firmas comerciales especializadas, siendo una de las más conocidas la denominada Carbocement. Etapas En al comercialización, se distinguen tres etapas: Calentamiento: - calentamiento - permanencia, y - tratamiento final. Las temperaturas de calentamiento están comprendidas, teóricamente, entre 800ºC y 1000ºC. La más aconsejable es la de 9257C. El calentamiento debe realizarse a temperaturas elevadas, para que el acero pueda disolver y difundir, a través de su estructura cristalográfica, el carbono en el tiempo más breve; pero si la temperatura es demasiado elevada, el tamaño del grano crece mucho a través del tiempo, lo que trae aparejada una estructura frágil. Por este motivo, no conviene sobrepasar la temperatura aconsejada. Tiempo de permanencia: En los aceros cementados, el tiempo de permanencia a la temperatura de tratamiento depende del espesor que se desea dar a la capa cementada. Debe tenerse en cuenta que el espesor de la capa dura depende d ela temperatura; el tiempo de permanencia a esta temperatura, la composición química del cementante y la composición química del acero. Por ejemplo: en un acero aleado al cromo-níquel a 925ºC, y con una permanencia de cuatro horas, se obtiene una capa de 0,8 mm, con seis horas, el espesor conseguido es de 1,6 mm (Fig. ). Respecto a la temperatura, con el mismo acero en cuatro horas a 875ºC, se consigue un espesor de 0,4 mm, y a 950ºC es de 1,2 mm. T em per at ura s (ºC) Horas 6 Horas Profundidad cementada (mm) 8 Horas 10 Horas 0,5 0,8 1,0 1,21,4 1,5 1,6 2,0 2,5 3,0 3,5 285

4 Observación Es conveniente que el contenido de carbono d ela capa superficial no exceda de 0,9 %, por cuanto existe peligro de que la capa cementada quede frágil, tendiendo a descascararse o agrietarse durante el rectificado o durante sus funciones en el servicio que normalmente debe prestar la pieza. Esto se soluciona mediante un recocido de difusión, a una temperatura de 850ºC a 925ºC, de una a dos horas en atmósfera neutra. Tratamiento Final: Una vez cementada, las piezas son sometidas a un ciclo de tratamiento, con el objeto de eliminar el tamaño del grano grueso y conseguir las propiedades físicas requeridas. La pieza cementada podemos considerarla, prácticamente, como dos aceros diferentes: el núcleo y la capa cementada. Esta última, a su vez, varía su composición química desde la superficie hasta su comienzo; cada una de éstas composiciones químicas tiene un punto crítico diferente. Por este motivo, en estos ciclos se someten las piezas a temperaturas distintas. Temperatura de cementación Punto critico superior del núcleo (0,12 %C) Temple Directo y Revenido Terminada la cementación (Fig. 4), se retira la pieza, y desde esta misma temperatura se enfría directamente en agua o aceite. Se realiza, preferentemente, en piezas cementadas en baños y a veces por gas; raramente, en caja. Los aceros deben ser de baja aleación o al carbono de grano fino. Punto critico de la capa cementada (alrededor de 0,9 %C) Tiempos Fig. 4 Revenido Enfriamiento Lento Temple a temperatura ligeramente superior al punto critico inferior revenido Se enfríe lentamente dentro del horno (Fig. 5) y luego se calienta a una temperatura situada entre el punto critico superior del núcleo y el punto crítico inferior. Se enfría en agua o aceite, según la clase de acero, y por último, se efectúa el revenido a la temperatura convenida. Se usa en aceros de alta aleación y de grano fino. Existe poco riesgo de deformaciones y es muy utilizado. El núcleo tiende a quedar con grano grueso. Temperatura de cementación Punto critico de la capa cementada (alrededor de 0,9 %C) Tiempos Fig. 5 Punto critico superior del núcleo (0,12 %C) Revenido 286

5 Enfriamiento Lento. Temple a temperatura ligeramente por encima del punto critico superior y revenido Se caliente ligeramente a una temperatura inferior al punto crítico superior del núcleo, y se templa en agua o aceite (Fig. 6). El núcleo queda con grano fino y la máxima resistencia, pero la capa cementada tiende a quedar con grano grueso. Se usa en aceros de media aleación y grano fino, cuando se necesita la máxima resistencia en el núcleo; por ejemplo, en piezas de aviones y automóviles. Enfriamiento Lento. Temple Doble y Revenido Se deja enfriar en el horno (Fig. 7) y luego se calienta ligeramente por encima del punto crítico superior del núcleo. Se enfría en agua o aceite; después se vuelve a calentar, pero a una temperatura ligeramente superior al punto crítico de la capa cementada (ésta tiene un solo punto crítico, debido a su porcentaje de alrededor de 0,9% de C). El calentamiento de la pieza debe ser realizado a una temperatura de alrededor de 770ºC. Se enfría nuevamente en agua o aceite. Este tratamiento, el mejor y más completo, se efectúa con piezas de responsabilidad, aceros de media aleación, aceros al carbono y, en general, con los de grano grueso. No es necesario para aceros de grano fino. Tratamiento Isotérmico Después de la cementación, en lugar de enfriar en el horno, aire o aceite, se sumerge en un baño de sales o plomo fundido a una temperatura y durante un tiempo que varía de acuerdo a la composición química del acero, al tamaño de las piezas y a las propiedades físicas deseadas (Fig. 8). Del baño caliente, se pasan las mismas al horno, para elevarlas a una temperatura ligeramente superior al punto critico de la capa cementada (la temperatura de calentamiento de las piezas es de alrededor de 7707C). Luego se templa en aceite o agua, o se templa isotérmicamente, según se explica en la HO templar isotérmicamente y en la HIT temple isotérmico. Temperatura de cementación Punto critico de la capa cementada (alrededor de 0,9 %C) Temperatura de cementación Punto critico de la capa cementada (alrededor de 0,9 %C) Temperatura de cementación Tiempos Fig. 6 Tiempos Fig. 7 Punto critico de la capa cementada (alrededor de 0,9 %C) Tiempos Punto critico superior del núcleo (0,12 %C) Revenido Punto critico superior del núcleo (0,12 %C) Revenido Punto critico superior del núcleo (0,12 %C) Revenido Este tratamiento se realiza cuando se quiere reducir las deformaciones al mínimo y la máxima tenacidad del núcleo. Observación: En todos estos tratamientos finales, se realiza un revenido de 250ºC, de acuerdo a la dureza final deseada. Fig

6 E s peso r de c a pa ce m enta d a ( mm) AJUSTE, MONTAJE, VERIFICACIÓN Y CONTROL DE MÁQUINA/MECANISMO Cementado con sustancias líquidas Se aplica la cementación con sustancias líquidas cuando se desea dar, en forma rápida y uniforme, una capa superficial dura a piezas construidas en acero de bajo porcentaje de carbono. Medio cementante Los medios utilizados en esta cementación son los baños de sales a base de cianuros. Estas sales de base se mezclan, en proporciones variables, con sales inertes, como por ejemplo: uno o más cloruros y/o carbonatos sódicos, a los que se añade, como activadores del proceso, uno o más cloruros o fluoruros de sodio, bario, potasio, calcio o estroncio. El poder de carburación de los baños se controla co análisis periódicos, recomendándose hacerlo cada cinco u ocho horas de uso. Temperaturas de cementación Las temperaturas de tratamiento en baños de sales varían entre 850º C y 950º C, dependiendo de la profundidad de la capa cementada que se desea conseguir. A estas temperaturas, las sales de cianuro desprenden carbono, el cual es absorbido por la periferia del material durante todo el proceso de cementación. Tiempo de permanencia El tiempo de permanencia de las piezas en el baño de sales está en función de la temperatura y de la profundidad deseada, obteniéndose mayores espesores de la capa cementada cuando la permanencia y la temperatura son mayores. En la Fig. Se puede observar los diferentes espesores de la capa cementada, que se obtienen 0,9 0,8 0,75 0,7 0,6 0,5 0,42 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Tiempo de permanencia (minutos) 930ºC 900ºC 850ºC cuando se aplica este tratamiento a un acero al carbono, calentándose a diferentes temperaturas y con tiempo de permanencia variable. Si el acero se calienta a 930ºC, por ejemplo, el espesor de la capa cementada es de 0,42 mm, cuando el tiempo de permanencia es de 30 minutos; y de 0,75 mm, si la permanencia es de 90 minutos. Enfriamiento Generalmente, después de haber permanecido las piezas en el medio carburante, se enfrían al aire, y luego se les da un temple y revenido, seleccionando para estos tratamientos las temperaturas y medios de enfriamiento, según la clase de acero. De acuerdo a las exigencias de trabajo a que deben ir sometidas las piezas durante su prestación en servicio, se elegirá uno de los ciclos de tratamiento térmico de las piezas cementadas (cementación con sustancias sólidas). 288

7 Limpieza Debido a que las sales utilizadas en la cementación son altamente corrosivas, se recomienda lavar las piezas después de retirarlas del baño, empleando agua caliente y cubriéndolas luego con aceite. Ventajas En la cementación con sustancias sólidas, el tratamiento en baño de sales tiene las siguientes ventajas: a. Economía en el tiempo de calentamiento, debido a que la transmisión de calor es más rápida. b. Distribución uniforme de la temperatura en toda la pieza, permitiendo que la cementación sea más homogénea. c. Menor peligro de deformación de las piezas. Desventajas Son las siguientes: a. Alto costo de las sales. b. Peligro en la manipulación, debido a que las sales son tóxicas. Técnicas para el cementado con sustancias líquidas Similar a la operación de tratar termoquímicamente con sustancias sólidas, este proceso tiene por objeto dar una dureza superficial a las piezas, calentándolas en un medio líquido y a una temperatura elevada. Si el medio usado es básicamente carburante, el tratamiento se denomina cementación; si contiene únicamente cianuro, la pieza adquiere propiedades de dureza especiales y el proceso se llama cianuración. Después del calentamiento en el baño líquido, se enfría el material al aire y, generalmente, se le somete a un temple y a un revenido final. Esta operación se emplea, especialmente, cuando se desea tratar en corto tiempo piezas pequeñas. 1.Preparar la Pieza A. Sujete la pieza con alambre o colóquela en un cesto, o en dispositivo de sujeción. (Fig. 9). B. Precaliente la pieza a una temperatura de 500ºC, aproximadamente. Fig

8 2. Introducir la pieza AJUSTE, MONTAJE, VERIFICACIÓN Y CONTROL DE MÁQUINA/MECANISMO Introduzca la pieza en el baño de sales. Observación: cuando de tratan varias piezas a la vez, se debe procurar que estén separadas una de otra, y que no se apoyen en el fondo del crisol. (Fig. 10). Fig Regular la Temperatura Regule la temperatura al grado requerido por el tratamiento a realizar. Observaciones 1. La temperatura se debe seleccionar de acuerdo a las características finales deseadas. 2. La pieza se debe mantener en el baño cementante o cianurante el tiempo requerido 4. Retirar la pieza Retire la pieza del crisol y déjela enfriar al aire. Observaciones 1. Después de esta operación es conveniente tratar las piezas mediante un temple y un revenido final, para mejorar sus características. 2. Las piezas de capa delgada pueden templarse directamente al salir del baño; en este caso, debe esperarse su enfriamiento hasta la temperatura de temple. Práctica de Cementación Si se necesita una cementación superficial, basta calentar la pieza al rojo cereza en la fragua. Luego, se espolvorea con un cemento de acción rápida (prusiato amarillo de potasio o cianuro en polvo), y se sumerge el objeto rápidamente en el agua. Si la penetración resulta demasiado superficial, se puede repetir el tratamiento. Este método es muy empleado en los talleres, para endurecer piezas de poca importancia y que no necesitan rectificación. Otro método muy práctico para endurecer partes de una pieza (dientes de engranajes, guías, etc), consiste en calentar la pieza con llama oxiacetilénica; proyectarle por breve tiempo la llama reductora (llama larga), y luego, enfriar la pieza en agua. Cementación en Cajas Se coloca las piezas en cajas metálicas (mejor, si son de acero CrNi), de modo que, entre una pieza y otra, haya por lo menos dos centímetros de cemento. Los gramos de cemento deben ser bien comprimidos, para asegurar el contacto con los objetos por endurecer. Las cajas se recubren con una tapa móvil y otra fija, embadurnando las juntas con arcilla diluida. Así preparadas, se introducen en el horno, para llevarlas o mantenerlas a la temperatura de cementación. (Fig. 11). 290 E C A F B Fig. 11 D

9 Cementación en baño de sales: Se obtiene buenos resultados, especialmente con piezas de pequeña y mediana dimensión. A la ventaja citada, deben añadirse la de gran uniformidad a la cementación, debido a que las piezas quedan en perfecto contacto con el baño, dotado de una temperatura uniforme. Las sales se funden en crisoles calentados en hornos. En ellos se sumerge las piezas, colocadas en cestos, si son pequeñas, y suspendidas con ganchos, soportes o alambres, si son de mayores dimensiones. Es menester precalentar estas últimas a unos 500ºC, para acelerar así el calentamiento del baño y evitar deformaciones. La rapidez con que las piezas absorben el carbono, se puede apreciar confrontando la Tabla adjunta, para la cementación en cajas. Estos valores se refieren al acero CrNi, a la temperatura de 9007C. Tiempo Empelado Profundidad de la Cementación 10 minutos 0,15 milímetros 20 minutos 0,30 milímetros 30 minutos 0,40 milímetros 40 minutos 0,48 milímetros 50 minutos 0,56 milímetros 1 hora 0,62 milímetros 1,5 horas 0,72 milímetros 2 horas 0,82 milímetros 2,5 horas 0,92 milímetros 3 horas 1,00 milímetros Protección de las partes que no deben ser cementadas Pueden suceder que, alguna parte de las piezas que se cementan, conviene que permanezca blanda, para posteriores operaciones de maquinado. Con el fin de evitar que el carbono penetre, se cubre dicha parte con arcilla, una capa de amianto o, mejor aún, se cobrearán electrolíticamente. (Fig. 12). Materia cementante Fig. 12 Arcilla 291

10 ENSAYO DE DUREZA - TIPOS - APLICACIONES La dureza de un material es la resistencia que opone a la penetración de un cuerpo más duro. La resistencia se determina introduciendo un cuerpo de forma esférica, cónica o piramidal, por el efecto que produce una fuerza determinada durante cierto tiempo en el cuerpo a ensayar. Como indicador de dureza se emplea la deformación permanente (plástica). Ensayos con plastilina: (Fig. 1) El cuerpo de penetración cónico se hace actuar sobre una probeta de plastilina con una fuerza de unos 10 N. A. La posición de la aguja está en 100. B. La posición de la aguja está en O. La distancia desde 0 a 100 está subdividida en 100 partes iguales. Cable A Duro Aguja y disco sólidamente unidos entre sí Cuerpo penetrador Pieza B Fuerza ensayo Pro - penetración t Probeta de plastilina blanda La dureza de un material se determina por medio de números comparativos C Semidura C. El material semiduro es el 60% más duro que el blando, o el 40% más blando que la probeta de plastilina dura. El número de comparación de dureza es 60. Ensayo de dureza Brinell, símbolo HB Se comprime una bola de acero templada, de diámetro D = 2,5, 5 o 1 0 mm contra el material a ensayar con una fuerza F. Después de liberar la carga se mide el diámetro d de la huella con un dispositivo amplificador óptico. la dureza Brinell es un valor adimensional resultante de: t HB = 0,0102. F A F = valor numérico de la fuerza N A = valor numérico de la superficie de la huella en mm 2 La fuerza de ensayo debe tomarse de magnitud tal que se forme una huella con un diámetro d = 0,2D a d = 0,7D. Para materiales blandos y bolas de ensayo pequeñas, la fuerza de ensayo debe ser menor. Se calcula partiendo del grado de carga y del diámetro de la bola. (Fig. 2). F = 2 a. D 0,102 a = grado de carga D = diámetro de la bola en mm D d Fig