Materiales para ingenieríaActividad 7

Actividad 7• Temple superficial por altafrecuencia• Tratamientos termoquímicoa

Temple superficial del acero

• Obtener gran dureza en la capa superficial de la pieza conservando la tenacidad del núcleo

• Asegura resistencia superficial y resistencia a cargas dinámicas

• Menor consumo energético y tiempo que el temple volumétrico, aunque mayor temperatura de calentamiento

• Consiste en calentar la superficie por encima de los puntos críticos y enfriarla rápidamente con un posterior revenido

• Tipos de temple superficial• Temple por alta frecuencia• Temple a la llama oxiacetilénica• Con haz de laser• En sales o metales fundidos

Temple por corriente de alta frecuencia

• Como resultado del paso de una corriente eléctrica, el metal se calienta, la cantidad de calor que se genera depende del valor de la corriente, la resistencia del material por donde pasa la corriente, y el tiempo cal

• Variando la intensidad de corriente, se puede obtener la cantidad de calor que se desee

• La resistencia depende del material y no se puede modificar, lo que se trata es de usar el menor tiempo posible para aumentar la productividad

• La velocidad de calentamiento es de 100 a 1000 veces la que se obtiene en un horno convencional

Temple por corriente de alta frecuencia

• Mientras mayor sea la frecuencia menor será el espesor de la capa calentada o templada, pueden usarse frecuencias desde 500 a 10000000 Hz.• El espesor dela capa calentada puede calcularse por • δ es el espesor a calentar• ρ Es la resistencia eléctrica específica• μ es la permeabilidad magnética• f es la frecuencia de la corriente

• La corriente pasa por un inductor que debe tener una forma similar a la superficie a la que se aplica, pues debe estar a una determinada separación de la superficie

Temple por corriente de alta frecuencia

• La velocidad de calentamiento por encima de Ac3 va definir el rango de temperaturas posibles a emplear en este temple.

• El inductor se debe diseñar para cada tipo de pieza• Alta productividad• No ocurre la oxidación y la descarburación• La deformación es mínima• Permite regular con bastante exactitud la profundidad de la

capa templada• Se usan los aceros de más de .4% de carbono

Temple por corriente de alta frecuencia

• El acero de baja templabilidad puede usarse para lograr espesores regulares en piñones de dientes relativamente pequeños calentándolos hasta por debajo del pie del diente de forma volumétrica.

• Se puede emplear para el calentamiento a fondo,• Tiene sentido su empleo en series de piezas, una sola pieza

elevaría el costo de la misma

Tratamiento Termoquímico• Es un tratamiento superficial que a pesar de no ser tan

productivo como el temple, ofrece mejores propiedades mecánicas finales

• No depende de la forma exterior de las piezas, obteniendo en piezas complejas el mismo espesor en toda la superficie de contacto.

• La diferencia entre las propiedades del núcleo y la superficie son mayores, la diversidad de propiedades está dada además por la diferencia en composición química

• Las consecuencias de un sobrecalentamiento se pueden subsanar con el tratamiento térmico siguiente, no siendo así en el temple superficial

Tratamiento Termoquímico

• El tratamiento termoquímico cuando es gaseoso tiene las siguientes etapas• Disociación: es la descomposición de las moléculas gaseosas

liberando átomos activos capaces de difundirse en el metal, por ejemplo: y y el grado de disociación es el parámetro que indica en % el grado de descomposición de las moléculas

• Absorción: Se desarrolla en el límite gas—metal donde el metal absorbe (disuelve) los átomos libres si el elemento soluble es apto para disolverse en el metal.

• Difusión: Penetración del elemento saturador en el metal

• La concentración del elemento que se difunde disminuye desde la superficie de la pieza hasta el borde interior de la capa tratada

Tratamiento Termoquímico• La estructura de la capa estará determinada por el corte

isotérmico del diagrama de estado entre esos dos elementos a la temperatura de saturación por difusión

• Los dos mecanismos de la difusión son autodifusión y heterodifusión ambos mecanismos necesitan de determinada energía para que un átomo pase se su posición de equilibrio a otra.

• La energía necesaria para que un átomo salte de una posición a otra en un proceso difusivo se le denomina energía de activación y es una característica del material que no depende de la temperatura.

Tratamiento termoquímico• Lo que caracteriza el proceso de difusión es el coeficiente de

difusión• Cantidad de sustancia que se difunde a través de 1cm2 en un segundo

cuando la diferencia de concentración es igual al 100%• Donde: A es una constante relativa a la red cristalina, Q

es la energía de activación, R es la constante de los gases, la temperatura absoluta.

• En el caso de las soluciones sólidas por inserción la energía de activación es menor pues es más fácil que sacar un átomo dentro de su posición en la red cristalina

• El tamaño de grano mientras más pequeño más fácil es la difusión pues aumentan la cantidad de defectos en la red cristalina por los límites de granos

• En el instante de las transformaciones de fases la difusión avanza más

Cementación del acero• Saturación superficial de acero con carbono• Los aceros usados para cementar son aquellos que poseen

bajo contenido de carbono, así cuando se le aplica el tratamiento térmico queda un núcleo blando y tenaz

• Existen dos tipos de cementación la sólida y la gaseosa • La Cementación sólida se realiza en una caja metálica donde

se depositan capas de carburante y piezas• El carburante de la cementación sólida es carbón y aditivos

como carbonatos (BaCO3, Na2Co3, K2SO3) en cantidades del (10 al 30) %

Cementación del acero

• Las reacciones de descomposición son las siguientes:• A esas temperaturas producto de la falta de oxígeno se forma CO

en vez de CO2 y este al ponerse en contacto con la superficie del metal y su inestabilidad a estas temperatura se descompone en 2COCO2 + C ese es el carbono libre que penetra en la superficie

• Los carbonatos reaccionan y se descomponen formando más CO para que estese descomponga en carbono libre de la siguiente forma: BaCO3 BaO + CO2 el Dióxido de Carbono se descompone nuevamente en CO2 + C 2CO

• La cementación sólida es una operación larga que puede durar hasta 10 horas de permanencia en el horno más el calentamiento

Cementación del acero• La cementación gaseosa se realiza en un horno ce cámara

cerrada herméticamente llena del gas carburante• Como gases carburantes se usan los óxidos de carbono e

hidrocarburos, pero en mayor medida los hidrocarburos como metano, butano, propano, etc. Pero el más usado es el metano CH4 en forma de gas natural (92 —96 )% de metano.

• Las reacciones más comunes son CH4 4H + C ; COCO2 + C• Si la absorción del carbono libre por parte de la superficie se

retrasa con respecto a la disociación se deposita hollín y eso dificulta la cementación

• Por esto hay que regular la entrada de carburante al horno

Cementación del acero

• La temperatura de cementación está por encima de AC3 Para poder lograr la absorción de carbono.

• La temperatura de cementación típica es de 900 a 930 grados, aunque se tiende a aumentarla

• El contenido de carbono en la capa superficial se puede determinar por el diagrama hierro carbono a esa temperatura

• Se recomienda cementar hasta que la austenita adquiera en la capa exterior de (1,1 a 1,2)% de carbono para que no aparezca fragilidad de la capa por la cantidad de cementita

• Es imprescindible el control de la atmosfera dentro del horno, para evitar, exceso o defecto del gas carburante

Cementación del acero

• En la cementación la dureza en la capa cementada debe estar en el orden de (58 a 62) HRc y en el núcleo de (25 a 35) HRc, es donde se obtienen las mejores propiedades, inclusive a fatiga

• Los tratamientos térmicos más comunes a las piezas cementadas son:• Temple directo con preenfriamiento y revenido bajo posterior• Enfriamiento, temple completo, temple incompleto y revenido bajo• Puede utilizarse enfriamiento subcero después del último temple y

antes del revenido hasta la temperatura de fin de transformación

• La cantidad de procesos térmicos hacen que existan cambios volumétricos por lo que es necesario rectificar las medidas de las piezas después del tratamiento

Nitruración del acero• Es el proceso de saturar con nitrógeno la capa superficial de

una pieza de acero• La capa nitrurada adquiere una gran dureza al terminar la

nitruración y no requiere ningún tratamiento térmico posterior

• Las dimensiones de las piezas varían muy poco después de la nitruración

• Se efectúa entre los 500 y los 600 grados según el diagrama • El gas que se utiliza para la nitruración es el amoníaco NH3 Y se

disocia en NH3 3H + N• De la misma forma el diagrama FeN nos da una representación

de las fases que encontraremos en la capa nitrurada

Nitruración del acero

• La Microestructura de la capa nitrurada representa fielmente al digrama FeN en dependencia del grosor de la capa• Cuando la temperatura de nitruración es más baja que la

eutectoide (591 grados Celsius) las fases son α, γ´, ε • Cuando la temperatura de nitruración es mayor que la

eutectoide las fases son α, γ´, γ, ε• α – solución sólida de nitrógeno en Fe(α)• γ´ -- Nitruro de hierro Fe4N• γ – Solución sólida de nitrógeno en Fe(γ)• ε – Nitruro de Hierro Fe2N

Nitruración del acero• Cualquier acero puede ser nitrurado, aunque en la práctica se

someten a la nitruración los aceros aleados, apareciendo nitruros correspondientes a esos componentes

• La dureza de la capa nitrurada se debe a que por la pérdida de solubilidad de las fases sobresaturadas se precipitan los nitruros dispersos de los elementos de aleación.

• Los aceros llamados para nitrurar son los aceros aleados al aluminio, cromo y molibdeno pues forman nitruros estables a la temperatura

• Debido a las bajas temperaturas el coeficiente de difusión es pequeño, por lo que para obtener espesores similares al de la cementación hay que estar más tiempo en el horno

Nitruración del acero

• La nitruración se emplea para:• Elevar la resistencia al desgaste y la dureza• Elevar la resistencia a la fatiga• Elevar la resistencia a la corrosión

• La elevación de la resistencia al desgaste y la dureza es la finalidad más frecuente de la nitruración, Para esto la temperatura en los aceros para nitrurar debe estar entre los 500 y los 520 grados Celsius• A esta se someten piezas ya rectificadas siendo este el

último proceso, las bajas temperaturas garantizan además los menores cambios volumétricos.

Nitruración del acero• La profundidad de la capa nitrurada a esta temperatura será

de (0.2— 0.3) mm• La nitruración para elevar la resistencia a la fatiga, se

diferencia en que se utilizan aceros de construcción.• Al nitrurar las fases que se nitruran aumentan de volumen, por

lo que al enfriar quedan con tensiones de compresión y como la fatiga actúa por tracción se eleva considerablemente la resistencia a la fatiga.

• La fase ε es una fase que tiene relativamente buena resistencia a la corrosión al agua dulce y atmosferica