2a Parte CIENCIA DE MATERIALES FAC. DE CS. DE LA ELECTRÓNICA OTOÑO 2009
Determinan el comportamiento de los materiales ante el calor.
Conductividad térmica: propiedad de los materiales de transmitir el calor. Los metales son buenos conductores térmicos. La dilatación: Aumento de tamaño que experimentan los materiales con el calor. Contracción: Disminución de tamaño que experimentan los materiales cuando se desciende la temperatura Fusibilidad: Propiedad de los materiales de pasar del estado sólido al líquido al elevar la temperatura.
Formación de granos martensita
Proceso al que se someten los metales con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas, especialmente la dureza, la resistencia y la tenacidad. Los materiales a los que se aplica el tratamiento térmico son, básicamente, el acero y la fundición, formados por hierro y carbono.
Los tratamientos térmicos modifican esa estructura cristalina sin alterar la composición química, los materiales adquieren unas características mecánicas concretas, Proceso de calentamientos y enfriamientos sucesivos hasta conseguir la estructura cristalina deseada. Entre estas características están: Resistencia al desgaste: Es la resistencia que ofrece un material a dejarse erosionar cuando está en contacto de fricción con otro material.
Tenacidad: Es la capacidad que tiene un material de absorber energía sin producir fisuras (resistencia al impacto). Maquinabilidad: Es la facilidad que posee un material de permitir el proceso de mecanizado por arranque de viruta. Dureza: Es la resistencia que ofrece un acero para dejarse penetrar. Se mide en unidades BRINELL (HB) o unidades ROCKWEL C (HRC), mediante el test del mismo nombre.
uno de los pasos fundamentales para que pueda alcanzar las propiedades mecánicas para las cuales está creado. Calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado sólido para cambiar sus propiedades físicas. Se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamaño del grano, incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un interior dúctil. La clave de los tratamientos térmicos consiste en las reacciones que se producen en el material, tanto en los aceros como en las aleaciones no férreas, y ocurren durante el proceso de calentamiento y enfriamiento de las piezas, con unas pautas o tiempos establecido.
Para conocer a que temperatura debe elevarse el metal para que se reciba un tratamiento térmico es recomendable contar con los diagramas de cambio de fases como el de hierro hierro carbono. En este tipo de diagramas se especifican las temperaturas en las que suceden los cambios de fase (cambios de estructura cristalina), dependiendo de los materiales diluidos. Gran importancia en la industria en general, ya que con las constantes innovaciones se van requiriendo metales con mayores resistencias tanto al desgaste como a la tensión. Los principales tratamientos térmicos son: TEMPLE CEMENTACIÓN NITRURACIÓN REVENIDO RECOCIDO CIANURACIÓN NORMALIZADO
TEMPLE Se somete al acero, concretamente a piezas o masas metálicas ya conformadas en el mecanizado, para aumentar su dureza, resistencia a esfuerzos y tenacidad. El proceso se lleva a cabo calentando el acero a una temperatura aproximada de 915 C en el cual la ferrita se convierte en austenita, después la masa metálica es enfriada rápidamente, sumergiéndola o rociándola en agua, en aceite o en otros fluidos o sales. Es uno de los principales tratamientos térmicos que se realizan y lo que hace es disminuir y afinar el tamaño del grano de la alineación de acero correspondiente. Se basa en calentar la pieza a una temperatura comprendida ente 700 ºC y 1000 ºC, para luego enfriarla rápidamente controlando el tiempo de calentamiento y de enfriamiento.
La composición química del acero a templar, especialmente el tanto por ciento de carbono que tenga porque unos aceros consiguen más dureza que otros La temperatura de calentamiento y el tiempo de calentamiento de acuerdo con las características de la pieza. La velocidad de enfriamiento y los líquidos donde se enfría la pieza para evitar tensiones internas y agrietamiento. A las piezas templadas hay que darles un tratamiento posterior llamado revenido para eliminar las tensiones internas Las tensiones internas son producidas por las variaciones exageradas que se le hace sufrir al acero, primero elevándola a una temperatura muy alta y luego enfriándola.
Hay dos tipos de temples Uno: se templa la totalidad de la pieza, incluyendo su núcleo Dos: solo se templa su superficie externa, dejando blando el núcleo para que sea más flexible. A este segundo temple se le llama: Temple por inducción. También la dureza superficial se da por medio de un cementado y el núcleo permanece relativamente suave. Ejemplo: Los engranajes, y otros elementos que requieran similares características.
Es el tratamiento térmico más importante que se realiza Hace el acero más duro y resistente pero más frágil La temperatura de calentamiento puede variar de acuerdo a las características de la pieza y resistencia que se desea obtener. El enfriamiento es rápido Si el temple es muy enérgico las piezas se pueden agrietar.
Tratamiento termoquímico en el que se aporta carbono a la superficie de una pieza de acero mediante difusión modificando su composición, impregnado la superficie y sometiéndola a continuación a un tratamiento térmico.
El templado y revenido proporcionan dureza a la pieza, pero también fragilidad. Por el contrario, si no se templa el material no tendrá la dureza suficiente y se desgastará. Para conservar las mejores cualidades de los dos casos se utiliza la cementación.
La cementación tiene por objeto endurecer la superficie de una pieza sin modificación del núcleo, dando lugar así a 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, más dura, resistente al desgaste y a las deformaciones, siendo todo ello una única pieza compacta.
La cementación consiste en recubrir las partes a cementar de una materia rica en carbono, llamada cementante, someterla durante varias horas a altas temperatura (1000 C). En estas condiciones, el carbono irá penetrando en la superficie que recubre a razón de 0,1 a 0,2 mm por hora de tratamiento.
La pieza así obtenida 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. En ocasiones se dan dos temples: uno homogéneo a toda la pieza y un segundo temple que endurece la parte exterior.
La cementación encuentra aplicación en todas aquellas piezas que tengan que poseer gran resistencia al choque tenacidad una gran resistencia al desgaste, como es el caso de los piñones, levas, ejes, etc.
Endurece la superficie No le afecta al corazón de la pieza Aumenta el carbono de la superficie Su temperatura de calentamiento es alrededor de los 900 ºC Se rocía la superficie con polvos de cementar ( Productos cementantes) El enfriamiento es lento y se hace necesario un tratamiento térmico posterior Los engranajes suelen ser piezas que se cementan
La nitruración es un tratamiento termoquímico, dado que se modifica la composición del acero incorporando nitrógeno, dentro del proceso de tratamiento térmico. Proporciona dureza superficial a las piezas, por absorción de nitrógeno mediante calentamiento en una atmósfera de nitrógeno. 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.
La nitruración se da a piezas sometidas a grandes fuerzas de rozamiento y de carga como, por ejemplo, pistas de rodamientos, camisas de cilindros o piezas similares, que necesitan - un núcleo con cierta plasticidad, - que absorba golpes y vibraciones, - y una superficie de gran dureza contra desgaste y deformaciones.
Endurece la superficie de la pieza Aumenta el volumen de la pieza Se emplean vapores de amoniaco Es un tratamiento muy lento Las piezas no requieren ningún otro tratamiento
No todos los aceros son aptos para nitrurar. Resulta conveniente que en la composición de la aleación haya una cierta cantidad de aluminio 1%. También es aplicable a los aceros inoxidables, aceros al cromo níquel y ciertas fundiciones al aluminio o al cromo. No es aconsejable en aceros al carbono, el nitrógeno penetra rápidamente en la superficie de la pieza y la capa nitrurada puede desprenderse.
El revenido es un tratamiento térmico que sigue al de templado del acero. Tiene como fin reducir las tensiones internas de la pieza originadas por el temple o por deformación en frío. Mejora las características mecánicas - reduciendo la fragilidad, - disminuyendo ligeramente la dureza, esto será tanto más acusadas cuando más elevada sea la temperatura de revenido.
Es un tratamiento que se da después del temple Se da este tratamiento para ablandar el acero Elimina las tensiones internas La temperatura de calentamiento está entre 150 y 500 ºC El enfriamiento puede ser al aire o en aceite o gasolina FASES DEL REVENIDO El revenido se hace en tres fases: Calentamiento a una temperatura inferior a la crítica. Mantenimiento de la temperatura, para igualarla en toda la pieza. Enfriamiento, a velocidad variable, no es relevante pero tampoco debe de ser excesivamente rápido.
CALENTAMIENTO El calentamiento se suele hacer en hornos de sales. Para los aceros al carbono de construcción, la temperatura de revenido está comprendida entre 450 a 600 C, mientras que para los aceros de herramientas la temperatura de revenido es de 200 a 350 C. MATENIMIENTO 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 conveniente enfriarlas en baño de aceite caliente a unos 150 C y después al agua, o simplemente al aire libre.
El recocido es el tratamiento térmico que, en general, tiene como finalidad principal el ablandar el acero, regenerar la estructura de aceros sobrecalentados o simplemente eliminar las tensiones internas que siguen a un trabajo en frío.
Se emplea para ablandar aceros. Se obtienen aceros más mecanizables. Evita la acritud del material. La temperatura de calentamiento está entre 600 y 700 ºC. El enfriamiento es lento.
Recocido de regeneración, cuando se trata de ablandar el acero y regenerar su estructura. Consiste en calentar el acero a una temperatura superior a la crítica, mantener la temperatura durante un tiempo y dejarlo enfriar lentamente. Recocidos subcríticos, es decir, realizados a temperaturas inferiores a la crítica. Los principales recocidos subcríticos son: Recocido de ablandamiento. Es un tratamiento que se da a los aceros después de la forja o laminación en caliente, para eliminar tensiones y dureza en vista a un mecanizado posterior. Se calienta la pieza a una temperatura inferior a la crítica y después se deja enfriar al aire libre. Recocido contra acritud. Se hace en los materiales laminados o perfilados en frío, para quitarles la acritud y aumentar su tenacidad. Es un tratamiento similar al anterior pero realizado a temperatura inferior a aquel.
La cianuración es un tratamiento termoquímico que se da a los aceros Cuando se quiere obtener una superficie dura y resistente al desgaste, esto se logra empleando un baño de cianuro fundido, 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. se efectúa a una temperatura justamente por encima de la critica 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.
El normalizado es un tratamiento térmico que se emplea para dar al acero una estructura y unas características tecnológicas que se consideran normales. Se hace como preparación de la pieza para el temple. El procedimiento consiste en calentar la pieza entre 55 y 85 grados centígrados por encima de la temperatura crítica superior, y mantener esa temperatura el tiempo suficiente para que conseguir la transformación completa en austenita. A continuación se deja enfriar en aire tranquilo. Con esto se consigue una estructura perlítica con el grano más fino y más uniforme que la estructura previa al tratamiento, consiguiendo un acero más tenaz.