Materiales para ingeniería

Presentación del tema: "Materiales para ingeniería"— Transcripción de la presentación:

1 Materiales para ingeniería
Actividad 7

2 Actividad 7 Temple superficial por altafrecuencia
Tratamientos termoquímicoa

3 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

4 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 𝑄=0,239∗ 𝐼 2 ∗𝑅∗𝑡 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

5 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 Hz. El espesor dela capa calentada puede calcularse por 𝛿=5030∗ 𝜌 𝜇∗𝑓 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

6 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

7 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

8 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

9 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: 2𝐶𝑂↔𝐶 𝑂 2 +𝐶 y 𝑁 𝐻 3 ↔3𝐻+𝑁 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

10 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.

11 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% 𝐷=𝐴∗ 𝑒 − 𝑄 𝑅∗𝑇 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

12 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) %

13 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 2COCO2 + 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

14 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 ; COCO2 + 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

15 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

16 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

17 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

18 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

19 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

20 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.

21 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