ENDURECIMIENTO SUPERFICIAL

Generalmente los tratamientos térmicos superficiales tienen por objeto el endurecimiento de la superficie de los metales y, por consiguiente, el aumento de la resistencia al desgaste, conservando la ductilidad y tenacidad del núcleo. El endurecimiento superficial del acero se puede conseguir, fundamentalmente, mediante dos procedimientos: modificando la composición química de la superficie mediante la difusión de algún elemento químico (carbono, nitrógeno, azufre, etc.) en cuyo caso se le conoce como tratamiento termoquímico o modificando sólo la microestructura de la superficie por tratamiento térmico, conociéndose entonces como tratamiento superficial. Los tratamientos termoquímicos aplicados al acero son aquellos en los cuales la composición de la superficie de la pieza se altera por la adición de carbono, nitrógeno u otros elementos. Los tratamientos más comunes son: carburización, nitruración, carbonitruración y boración. Estos procesos se aplican comúnmente a piezas de acero de bajo carbono para lograr una capa exterior dura, resistente al desgaste reteniendo un núcleo tenaz y dúctil. El término endurecimiento de capa superficial (case hardening) se usa frecuentemente para este tratamiento.

NITRURACIÓN:

La nitruración es un procedimiento de endurecimiento superficial en la que por la absorción de nitrógeno, se consiguen durezas extremas en la periferia de la pieza. En la nitruración se incorpora nitrógeno en el acero por difusión, para provocar cambios de propiedades en la superficie de las piezas. Debido a su pequeño radio atómico, el nitrógeno puede penetrar con facilidad en la red del hierro. Para esto es, sin embargo, indispensable que el nitrógeno tenga la forma atómica. La absorción de éste tiene lugar con gran rapidez a altas temperaturas en la solución sólida γ. En la capa estrictamente superficial se obtiene concentraciones de combinaciones de combinaciones nitrogenadas que originan la aparición de una capa superficial muy frágil. Por ello no se debe permitir que el nitrógeno se difunda en el hierro γ (exceptuando en los casos de aceros austeníticos de alta aleación), sino en la red α. Así se obtiene una capa superficial frágil mucho menos gruesa, y detrás una zona conteniendo también nitrógeno con precipitaciones muy finas de nitruros. Esta capa tiene gran dureza, aun mayor que la de la martensita. El aluminio es el que mejores resultados ha dado como formador de nitruros, además se utiliza titanio, cromo y otros elementos de uso menos frecuente,. Debido a que solamente por difusión de nitrógeno en la región α se consigue una capa enriquecida con nitrógeno técnicamente útil, es decir, no demasiado frágil y sin embargo muy dura. La temperatura de difusión tiene que ser menor a la temperatura crítica A1. Pero al elegir la temperatura debe tenerse en cuenta que el nitrógeno reduce considerablemente la temperatura de transformación A1, así, en una aleación de hierronitrógeno, la temperatura eutectoide es de 591 °C, figura 20. Por adición de carbono en los aceros de nitruración se produce todavía un ligero descenso del punto eutectoide. Si por encima de la temperatura eutectoide se difunde nitrógeno en el hierro, es decir, en la  γ, el hierro α se transformará debido a su absorción de y región donde existe hierro α  nitrógeno, cada vez más en hierro γ. Por ello se forman de nuevo capas frágiles, lo mismo que a las temperaturas de difusión por encima de la temperatura A3. Por esta razón, no procede realizar la nitruración en una estructura compuesta parcialmente por solución sólida γ.

CARBURACIÓN:

La carburación o cementación es un tratamiento termoquímico en el cual, se obtiene una superficie muy dura, resistente al desgaste y a la penetración y a su vez, el núcleo central es muy tenaz, para poder soportar los choques a que están sometidas.

La cementación consiste en aumentar el contenido en carbono en la superficie de las piezas de acero, rodeándolas con un medio carburante, y manteniendo todo el conjunto, durante un cierto tiempo a elevada temperatura. Luego, se templan las piezas y quedan con gran dureza superficial. Se puede emplear cementantes sólidos, líquidos y gaseosos, oscilando la duración de la cementación de 6 a 10 horas cuando se utilizan cementantes sólidos, de 1 a 6 horas cuando se trata de sales o cementantes líquidos y de 1 hora a varios días utilizando cementación gaseosa. Se pueden emplear aceros aleados y sin aleación, de bajo contenido en carbono, generalmente de 0.08 a 0.25 % de C y excepcionalmente algunas veces se cementan también aceros hasta de 0.40 % de C. La operación se realiza generalmente a temperaturas comprendidas entre 850 y 1000 °C, siendo las temperaturas próximas a 900 °C las más utilizadas. En el proceso de cementación se pueden distinguir dos etapas distintas: la absorción del carbono por el acero y el mejoramiento de sus características por medio de los tratamientos térmicos adecuados. La cantidad y distribución del carbonó absorbido por la pieza depende de la composición del acero, de la naturaleza de la sustancia cementante y de la temperatura y de la duración de la cementación. Una pieza después de cementada se puede considerar compuesta por dos zonas principales de composición química diferente; el núcleo y la periferia o capa cementada, existiendo entre ellas otra tercera zona de transición de menor importancia.

Cualquiera que sea el proceso que se emplee, conviene que el contenido en carbono de la capa cementada no pase de 1% y debe procurarse que la parte periférica de la pieza después de rectificada, quede aproximadamente con 0.8 a 0.90 % de carbono, con lo que se obtiene en el temple una dureza de 62 a 65 RC. Ya que siempre conviene obtener durezas superiores a 60 RC.

ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACIÓN

El tratamiento térmico de endurecimiento por precipitación pretende aumentar la resistencia y dureza de aleación mediante la formación de precipitados finos a partir de una solución sólida (Smith 2006). El cambio de las propiedades mecánicas se debe generalmente a cambios de fases que se evidencian en la formación de precipitados; pero nunca involucran el cambio en la composición química del material (ASM 1991).

Este tratamiento térmico consiste en tres etapas, como se ilustra en la primera etapa, conocida como solubilización, se realiza un calentamiento para producir una solución sólida homogénea que contenga la máxima cantidad práctica de elementos solubles endurecedores en la aleación.

La segunda etapa, llamada templado, es un enfriamiento rápido de la aleación para preservar una solución sólida sobresaturada que retenga los átomos de soluto y mantenga un cierto número de vacantes en la red cristalina que favorezcan el proceso de difusión durante el envejecimiento (ASM 1991).

Finalmente, la etapa de envejecimiento consiste en un proceso difusivo activado a una temperatura determinada, en que los átomos de soluto difunden formando precipitados endurecedores. Cuando el proceso de precipitación se realiza a temperatura ambiente se denomina envejecimiento natural, y cuando se emplea una temperatura superior a la del ambiente, pero inferior a la de solubilización sólida, se conoce como envejecimiento artificial. De acuerdo a Cuniberti y et al (2006): “Dado que el envejecimiento natural es inevitable en los procesos industriales, resulta de interés determinar su influencia en las propiedades finales del material”. Como requisito básico, una aleación endurecible por precipitación debe presentar en su diagrama de fases una línea de solubilidad sólida directamente proporcional con la temperatura. Aunque la mayoría de sistemas binarios de aleaciones de aluminio presentan dicha curva, sólo algunos presentan un aumento significativo en la dureza y resistencia por la formación de precipitados, entre ellos los sistemas de Aluminio-Cobre (serie 2xxx), Aluminio-Magnesio-Silicio (serie 6xxxx) y Aluminio-Zinc-Magnesio (serie 7xxxx) (ASM 1991).

Metales tratados por la precipitación:

Los metales que a menudo se tratan por precipitación o endurecimiento por edad incluyen:

Aluminio: el elemento químico del número atómico 13, no se oxida ni magnetiza.

Magnesio: regula las reacciones bioquímicas en el cuerpo humano.

Níquel: el elemento químico del número atómico 28, el níquel, se puede utilizar en todo, desde la preparación de alimentos hasta la construcción de edificios elevados y las infraestructuras de transporte.

Titanio: es un metal de la serie de transición y se encuentra a menudo en aleaciones. Tiene un elemento químico de número atómico 22.

Aceros inoxidables: los aceros inoxidables son aleaciones de hierro y cromo que son resistentes a la corrosión.

Otras aleaciones endurecidas por los tratamientos de precipitación incluyen:

Aleaciones de aluminio y cobre

Aleaciones de cobre y berilio

Aleaciones de cobre y estaño

Aleaciones de magnesio y aluminio

TRATAMIENTO ISOTERMICO

En este tipo de tratamientos se busca la transformación del acero de austenita estable (723°C) en martensita, bainita, troostita o sorbíta, mediante una transformación a temperatura constante.

 Consisten en calentar el acero por encima de la temperatura crítica superior (A3) o inferior (A1) según los casos y enfriando luego hasta una temperatura de 600 a 700°C, que se mantiene constante durante varias horas, para conseguir la completa transformación isotérmica de la austenita. Las durezas obtenidas son muy bajas y pueden graduarse según la temperatura seleccionada.

La curva de la “S” o diagrama TTT señala el tiempo necesario a diferentes temperaturas para que inicie y se complete la transformación isotérmica de la austeníta en otros constituyentes.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS APLICADOS AL ACERO

Los tratamientos térmicos consisten en someter al acero a una combinación de operaciones de calentamiento y enfriamiento con tiempos determinados, con el fin de variar las proporciones de sus constituyentes y así producir las propiedades deseadas sobre él. Las variaciones de las propiedades en el material que se producen como resultado del tratamiento térmico deben ser permanentes, de lo contrario el tratamiento térmico no tendría ningún sentido.

Los tratamientos térmicos más utilizados son el temple, el revenido, el recocido y la normalización. Todos los procedimientos se basan en la transformación o descomposición de la austenita. Por tanto, el primer paso en cualquier tratamiento térmico de un acero será calentar el material a la temperatura que conlleve la formación de la austenita.

La temperatura y el tiempo son los factores principales que influyen en un tratamiento térmico y hay que fijarlos siempre de antemano, de acuerdo con la composición del acero, la forma y el tamaño de las piezas que se desean obtener.

TEMPLE:

Consiste en el calentamiento de un metal acompañado de un posterior enfriamiento de forma súbita. De este modo, se obtiene un metal muy duro y resistente mecánicamente a causa de su estructura cristalina deformada. El endurecimiento aportado por el temple se puede comparar al que se consigue por medio de la deformación en frío. Este tratamiento es propio de los aceros y consiste en su austenización, es decir, un calentamiento hasta una temperatura superior a la de austenización (727 oC), seguido de un enfriamiento lo suficientemente rápido para obtener una estructura martensítica.

El temple del acero nunca constituye un tratamiento final debido a que la estructura martensítica obtenida, pese a ser muy dura, es al mismo a tiempo muy frágil. Por este motivo, una vez templado el acero, se le somete a tratamiento térmico de revenido con objeto de obtener una estructura más dúctil y tenaz. Los efectos de este tratamiento dependen de la temperatura y del tiempo de duración del proceso. El tratamiento completo de temple más revenido recibe el nombre de BONIFICADO. El bonificado es un tratamiento adecuado para aceros aleados o aquellos con un alto contenido en carbono.

REVENIDO:

Se aplica exclusivamente a los metales templados y es, por lo tanto, un tratamiento complementario del temple. Con el revenido se pretende mejorar la tenacidad del metal templado a expensas de disminuir un poco su dureza.

NORMALIZADO:

Este tratamiento confiere al acero una estructura y propiedades que arbitrariamente se consideran como normales y características de su composición. Por medio de él, se eliminan tensiones internas y se uniformiza el tamaño de grano. Se suelen someter a normalizado piezas que han sufrido trabajos en caliente, en frío, enfriamientos irregulares o sobrecalentamientos y también se utiliza en aquellos casos en los que se desean eliminar los efectos de un tratamiento anterior defectuoso. En este tratamiento, la velocidad de tratamiento no es lo suficientemente elevada como para formar martensita y la estructura resultante es perlita y ferrita o cementita de grano fino. Es un tratamiento adecuado para los aceros con bajo contenido en carbono pues mejora sus propiedades mecánicas.

RECOCIDO:

Consiste en calentar el acero a una cierta temperatura (similar a la del normalizado) y a continuación someterlo a un enfriamiento muy lento (por lo general se apaga el horno y se deja que el material se enfríe en su interior). El recocido se aplica al acero para ablandarlo y proporcionarle la ductilidad y maleabilidad para conformado plásticamente o darle su forma final por mecanizado. La diferencia entre los tratamientos de temple, normalizado y recocido estriba en la velocidad de enfriamiento que sirve para definir la dureza y la resistencia finales de la pieza.

TIPOS DE RECOCIDO:

·         Recocido de homogeneización: En el recocido de homogeneización, propio de los aceros hipoeutectoides, la temperatura de calentamiento es la correspondiente a A₃+200 °C sin llegar en ningún caso a la curva de sólidos, realizándose en el propio horno el posterior enfriamiento lento, siendo su objetivo principal eliminar las heterogeneidades producidas durante la solidificación.

·    Recocido de regeneración: También llamado normalizado, tiene como función regenerar la estructura del material producido por temple o forja. Se aplica generalmente a los aceros con más del 0.6% de C, mientras que a los aceros con menor porcentaje de C sólo se les aplica para finar y ordenar su estructura.

·         Recocido de globalización: Por lo general se desea obtener globulización en piezas como placas delgadas que deben tener alta embutición y baja dureza. Los valores más altos de embutición por lo general están asociados con la microestructura globulizada que solo se obtiene en un rango entre los 650 y 700 grados centígrados. Temperaturas por encima de la crítica producen formación de austenita que durante el enfriamiento genera perlita, ocasionando un aumento en la dureza no deseado. Por lo general piezas como las placas para botas de protección deben estar globulizadas para así obtener los dobleces necesarios para su uso y evitar rompimiento o agrietamiento. Finalmente son templadas para garantizar la dureza. Es usado para los aceros hipereutectoides, es decir con un porcentaje mayor al 0,89 % de C, para conseguir la menor dureza posible que en cualquier otro tratamiento, mejorando la maquinabilidad de la pieza. La temperatura de recocido está entre AC₃ y AC₁.

·         Recocido de subcrítico: Para un acero al carbono hipoeutectoide: La microestructura obtenida en este tratamiento varía según la temperatura de recocido. Por lo general las que no excedan los 600 grados liberarán tensiones en el material y ocasionaran algún crecimiento de grano (si el material previamente no fue templado). Generalmente mostrando Ferrita-Perlita. Por encima de los 600 y bajo los 723 se habla de recocido de globulización puesto que no sobrepasa la temperatura crítica. En este caso no hay grano de perlita, los carburos se esferoidizan y la matriz es totalmente ferrítica. Se usa para aceros de forja o de laminación, para lo cual se usa una temperatura de recocido inferior a AC1, pero muy cercana. Mediante este procedimiento se destruyen las tensiones internas producidas por su moldeo y mecanización. Comúnmente es usado para aceros aleados de gran resistencia, al Cr-Ni, Cr-Mo, etcétera. Este procedimiento es mucho más rápido y sencillo que los antes mencionados, su enfriamiento es lento.

REGLA DE LA PALANCA

Es el método empleado para conocer el porcentaje de fase sólida y líquida presentes en una aleación de una cierta concentración cuando se encuentra a una determinada temperatura.

El protocolo a seguir consiste en entrar en el diagrama de equilibrio de la aleación AB por la línea de concentración que deseamos analizar, línea vertical X y por la línea isoterma de la temperatura indicada, línea horizontal L-O-S.

La intersección de la isoterma con las líneas de líquidos y de solidos determina unos puntos de intersección, los puntos L y S.

La intersección de la isoterma con la línea de concentración de nuestra aleación determina el punto O.

Si proyectamos sobre el eje de concentraciones esos puntos de intersección se obtienen las concentraciones de la fase líquida, w_L y de la fase sólida, w_S, así como de la muestra que vamos a estudiar.

Una vez determinadas estas concentraciones, aplicando la regla de la palanca podemos obtener el porcentaje de cada una de las fases en las condiciones del problema.

También podemos calcular el porcentaje de una fase como la diferencia entre el 100% y el porcentaje de la otra fase.

INTERSTICIO TETRAEDRICO Y OCTAEDRICO

FCC

En una red cúbica de caras centradas originada por un  empaquetado cúbico compacto, las posiciones interatómicas pueden ser:

    Posición octaédrica (NC=6): La posición central de la celda, al igual que las posiciones medias en las aristas del cubo, está rodeada por seis átomos que forman los vértices de un octaedro. (figura a).

                           12/4 (en aristas) + 1 (centro) = 4 posiciones octaédricas

      Posición tetraédrica (NC=4). (Existen ocho posiciones tetraédricas en la celda). (figura b)

      Posición triangular (NC=3): Cada tres átomos contiguos determinan un triángulo equilátero cuyo centro es una posición de coordinación 3. (figura c)

HCP

En la red hexagonal originada por un  empaquetado hexagonal compacto, las posiciones interatómicas pueden ser:

    Posición octaédrica (NC=6): Los lugares octaédricos están situados entre dos triángulos de direcciones opuestas, cada uno formado por tres átomos situados en uno de los pisos del empaquetado. (figura a)

Posición tetraédrica (NC=4): Las posiciones tetraédricas existen entre dos pares de átomos en direcciones perpendiculares entre sí y situados cada par en un piso del empaquetado. También aparecen estas posiciones en el centro del tetraedro regular formado por tres átomos de un piso y el tangente a ellos situado en el piso inmediato. (figura b)

      Posición triangular (NC=3): Cada tres átomos contiguos determinan un triángulo equilátero cuyo centro es una posición de coordinación 3. (figura c)

SOLUCIONES SOLIDAS

Una solución sólida es una solución en estado sólido de uno o más solutos en un solvente. Tal mezcla es considerada una solución en lugar de un compuesto siempre que la estructura cristalina del disolvente permanezca sin cambios al ser sustituidos sus átomos por los átomos de los solutos y además la mezcla permanezca homogénea.

El soluto puede incorporarse dentro de la estructura cristalina del disolvente bien mediante sustitución, reemplazando cada partícula del disolvente por una partícula del soluto, o bien de forma intersticial, encajándose cada partícula de soluto dentro del espacio que hay entre partículas del disolvente. Ambos tipos de solución sólida afectan a las propiedades del material ya que distorsionan, aunque sea poco, la estructura cristalina y porque perturban la homogeneidad física y eléctrica del material disolvente.

Soluciones sustitucionales: En las soluciones sólidas sustitucionales los átomos de B se colocan sustituyendo algunos átomos de A en la red, tal y como se representa en la figura de la izquierda.

Soluciones Intersticiales: Las soluciones sólidas intersticiales son aquellas en las que los átomos de B se colocan en posiciones huecas (no en vacantes) dejadas entre los átomos de A en la red.

Las soluciones sólidas intersticiales sólo se producen cuando el soluto B tiene un radio atómico muy pequeño. Los átomos que se colocan en los intersticios de la red suelen ser del tipo H, N, C,…

La solubilidad de B en A puede ser total o parcial.

La solubilidad total sólo puede darse en el caso de soluciones sólidas sustitucionales y significa que para cualquier % de B (desde 0% hasta el 100%) los átomos de B se ubican sustitucionalmente en la red de A. La primera condición de solubilidad total es que A y B cristalicen según la misma red.

DIAGRAMA DE FASE

Son representaciones gráficas de presión vs. temperatura, a las que las fases sólida, líquida y gaseosa de una sustancia existen. En esta representación se incluye la variación de presión de vapor del sólido y del líquido, y la variación de la temperatura de fusión con la presión.

Un diagrama de fases no solamente sirve para determinar el estado físico en el que se encuentra una sustancia a una presión y temperatura dadas, sino también para predecir los cambios que tienen lugar cuando cambian las condiciones.

Ya sabemos que cuando se solidifica un metal puro se obtiene una curva de enfriamiento en la que se produce el cambio de fase a temperatura constante. Sin embargo, en la solidificación de una aleación el cambio de fase se produce entre un margen de temperaturas. Si se analiza cómo solidifican la mezcla de los dos mismos componentes en distintas proporciones tendremos una serie de gráficas como las siguientes:

Sustancias Puras:

Consideremos un sistema con un sólo componente (H2O) despreciamos la disociación. Vamos a representar cualquier estado del sistema mediante un diagrama de fases. 

A temperaturas bajas y presiones moderadas o altas tenemos la fase sólida.  A presiones bajas la fase gaseosa y a temperaturas y presiones intermedias la fase líquida.

·         OA: Equilibrio de fases sólido-gas, nos da los puntos de sublimación del sólido.

·         AD: Equilibrio sólido-líquido, nos da los puntos de fusión.

·         AC: Equilibrio líquido-gas, nos da los puntos de ebullición.

·         A: Punto triple. Punto en el que coexisten las tres fases: sólido, líquido y gas.

·         C: Punto crítico. Por encima de Tc no es posible licuar un gas por compresión.

Fijada la presión a 1 atm los puntos de corte con las líneas AD y AC nos dan los puntos de fusión normal y ebullición normal (para el agua 0ºC y 100ºC).

En el punto crítico la densidad de la fase líquida y vapor se igualan, líquido y gas tienen las mismas propiedades.

Sustancias Isomorfas:

La palabra isomorfo proviene de las raíces griegas iso, que significa igual y morfo, que significa forma. Así, un diagrama isomorfo se caracteriza por tener la misma forma. Estos diagramas hacen alusión al hecho de que siempre son descritos como una elipse en el medio. Lo que representan físicamente estos diagramas es que ambos componentes, independientemente de la concentración de uno y de otro o de la fase en que se encuentren, sea esta sólida, líquida o gas, siempre estarán disueltos el uno en el otro para un mismo rango de temperatura y presión.

Un diagrama isomorfo es aquel que describe por ejemplo el comportamiento del agua en presencia del alcohol. Ya sea que se agregue un poco de agua al alcohol o bien un poco de alcohol al agua, o cualquier proporción de uno y otro, el agua siempre disolverá al alcohol en su totalidad y viceversa.

Estos diagramas son el resultado de ciertas propiedades químicas similares entre ambos componentes, tales como polaridad, densidad, interacciones, electronegatividades, etc.  Así, los diagramas de fase isomorfos describen una miscibilidad total entre las dos sustancias, independientemente de las concentraciones de una y otra.

Sustancias Eutécticas: 

Considerando los aspectos teóricos del procedimiento, los podemos resumir diciendo que cuando dos substancias se funden conjuntamente, los líquidos resultantes pueden ser:

• no miscibles
• parcialmente miscibles
• completamente miscibles

Los diagramas de fases de los sistemas pueden damos información útil acerca de estos fenómenos. En el caso de substancias no miscibles, el diagrama de fases es muy simple, siempre que no se formen compuestos intermedios. En el caso de la figura 1.3, que representa el caso de una mezcla de A y B en diferentes proporciones, el componente B se separa cuando la mezcla tiene una composición de 0% a 40% de A. Inversamente, si la mezcla está constituída por 0% a 60% de B, se observará solamente la separación del producto A.

El punto de congelamiento inicial para toda composición cae sobre la línea que marca el límite del área líquida. A una composición líquida determinada y a una temperatura correspondiente a un punto en esta línea, puede existir un equilibrio entre dos fases y el líquido debe tener la composición indicada a cada temperatura cuando está en equilibrio con la fase sólida.

Cuando el sistema se encuentra a una temperatura dada o a una composición que está comprendida en las regiones marcadas "líquido + sólido" (A+ líquido o B + líquido), éste está formado por dos fases en equilibrio. Por ejemplo, en el diagrama de fases de la figura 1.3, a una temperatura tÂ’ corresponde una mezcla de B puro y de un líquido que contiene 40% de A 60% de B.

El punto de intersección, E, de las dos curvas que separan la zona líquida y la zona donde el líquido se encuentra en equilibrio con el sólido, se llama "punto eutéctico" (del griego: "fusión fácil") y es la temperatura más baja a la cual puede existir la fase líquida. A este punto corresponde una temperatura y una composición determinada que, para la mezcla del diagrama de la figura 1.3, corresponde a 40% de A y 60% de B. Un líquido de esta composición, al enfriamiento forma dos fases sólidas separadas, A y B puras. Cuando una mezcla fundida posee un diagrama de fases como éste, la última gota de líquido contiene siempre la composición eutéctica y es solamente en el punto eutéctico que los dos sólidos se separan. El enfriamiento de las mezclas para cualquier otra composición no dará lugar a la separación de una sola fase sólida.