Tema 41

TEMA 41.- ACABADOS Y TRATAMIENTOS DE LOS METALES

INDICE

1.-. INTRODUCCIÓN 2.- TRATAMIENTOS TÉRMICOS 2.1.- Temple 2.2.- Recocido y normalizado 2.3.- Revenido 3.- TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS 4.- TRATAMIENTOS ANTICORROSIVOS 5.- OPERACIONES DE ACABADO

TEMA 41.- ACABADOS Y TRATAMIENTOS DE LOS METALES 1.- INTRODUCCIÓN Actualmente, las posibilidades de modificar la estructura, constitución e incluso la composición química de los metales y aleaciones, se han extendido considerablemente. Pero siguen siendo los tratamientos térmicos, los que más se utilizan en la metalurgia actual. Los tratamientos térmicos son procesos donde únicamente se utiliza la temperatura como magnitud variable modificadora de la microestructura y constitución de metales y aleaciones, pero sin variar su composición química. El objetivo de los tratamientos térmicos consiste en mejorar las propiedades mecánicas de metales y aleaciones, de tal forma que unas veces interesa aumentar la dureza y resistencia mecánica, y otras veces la ductilidad o plasticidad para facilitar su conformación. Por extensión, también se emplea la denominación de tratamientos a otras técnicas, donde además de utilizar la temperatura como única variable a considerar, se modifica también la composición química de una capa superficial de la pieza. A estos tratamientos se les conoce con el nombre de tratamientos termoquímicos. Ambos tipos de tratamientos se pueden clasificar, atendiendo a los diversos métodos que emplean: a)Tratamientos térmicos: •

Temple

•

Recocido

•

Revenido

• Normalizado b)Tratamientos termoquímicos: •

Cementación

• Cianuración • Nitruración • Carbonitruración

• Sulfinización

2.- TRATAMIENTOS TÉRMICOS Los tratamientos térmicos se proponen modificar la estructura de los materiales metálicos mediante calentamiento y dar con ello a los materiales otras propiedades. Las herramientas y las piezas de máquina tienen que tener una dureza, una permanencia de poder cortante y una resistencia adecuadas a la utilización que han de tener. El filo de un cincel, por ejemplo, ha de estar enteramente templado. Los dientes de una rueda dentada, por el contrario, deben tener capas exteriores duras y con ello resistentes al desgaste. Los núcleos de los dientes, sin embargo, tienen que permanecer tenaces con objeto de que puedan responder elásticamente ante las solicitaciones a choques y a la flexión. Estas diferentes propiedades pueden obtenerse mediante la elección de un material apropiado y de un conveniente tratamiento térmico. Para las variaciones de propiedades en el acero no aleado el contenido de carbono es una circunstancia de carácter decisivo. Según sea el contenido de carbono se pueden distinguir tres grupos principales de aceros no aleados: Acero con un 0,77 % de contenido do C, acero eutectoide del griego (eu-~ tectoide, nivelado, igualado) tiene una cantidad equilibrada de ferrita y carburo de hierro y forma por esta causa cristales homogéneos, uniformes. Estos cristales se llaman perlita, a causa de su aspecto perlado, nacarado, en la micrografía metalográfica Acoro con menos de un 0,77% do C, acero hipoeutectoide que contiene demasiado poco C para poder formar estructura que esté constituida únicamente por cristales de perlita; queda todavía ferrita sobrante. Son estructuras no equilibradas que se designan como ferrita-perlita . Los cristales de hierro puro (Fe) se llaman ferrita El acero con más de un 0,77% de C. acero hipereutectoide, contiene tanto C que después de la formación de perIita queda todavía carburo de hierro sobrante

(cementita). Es una estructura no equilibrada y se designa con el nombre de perlitacementita. Los cristales de hierro y carbono (carburo de hierro Fe3C) se llaman cementita. La cementita es el componente más duro de la estructura del acero. Los diferentes estados de la estructura, que son dependientes del contenido de C y de la temperatura, aparecen representados en el diagrama hierro-carbono de la figura siguiente:

En el caso del acero con un 0,77% de O se realiza la transformación de estructura repentinamente al llegar, el calentamiento a los 723 ºC (punto de transformación). En este punto se descompone la perlita y el carbono se disuelve completamente en el hierro. Este proceso se consuma en el estado sólido, se forma una disolución sólida. La nueva estructura formada se llama austenita, por el nombre del investigador inglés Austen. En los aceros con menos de un 0,77 % de C al llegar con el calentamiento a los 723 ºC, línea P-S, pasa toda la perlita a solución sólida, mientras que la ferrita restante se transforma en austenita en el campo de temperaturas comprendido entre las lineas P-S y G-S. Por encima de la línea G-S ha pasado a austenita toda la ferrita restante.

Los aceros con más de un 77% de C cambian su estructura al sobrepasar la línea SK. La perlita pasa a austenita; la cementita no se transforma. Para el temple se calientan los aceros unos 30 a 60 ºC por encima de la línea G-S-K para tener plena garantía de haberse obtenido una suficiente transformación estructural (línea de temperaturas de temple H-J). En el enfriamiento lento vuelve la estructura a su estado de partida. Pero si el acero se hace enfriar bruscamente desde un estado por encima de la línea H-J no hay tiempo para la evolución regresiva de la estructura, sino solamente para la transformación. De la austenita se forma una estructura que va desde estructura de agujas finas hasta una estructura finamente granulada que es de dureza varias veces mayor que la de la ferrita. Esta nueve estructura se llama martenslta, nombre dado en recuerdo del investigador alemán Martens. En este proceso se apoya el templado de los aceros. Para los aceros aleados no es aplicable el diagrama hierro-carbono, ya que la influencia de los componentes de la aleación y la del carbono se sobreponen frecuentemente. 2.1.- TEMPLE Tratamiento térmico de un material que consiste en calentarlo hasta la temperatura de austenización durante un tiempo también previsto, y posteriormente enfriarlo rápidamente para favorecer la conversión de la austenita en martensita. Es el tratamiento térmico convencional, y se usa para la obtención de aceros martensíticos. Se caracteriza por enfriamientos rápidos y continuos en un medio adecuado de temple: agua, aceite o aire. Las propiedades óptimas de un acero templado se consiguen durante el tratamiento térmico del temple si la muestra adquiere un alto contenido en martensita. La capacidad de un acero aleado para transformarse en martensita durante un determinado temple depende de la composición química y de un parámetro que denominaremos templabilidad, que se define como la aptitud de la aleación para

endurecerse por formación de martensita, como consecuencia de un tratamiento térmico.

Ensayo de templabilidad El procedimiento empleado para determinar el grado de templabilidad se conoce como Ensayo Jominy. Este ensayo consiste en mantener constantes todos los factores que influyen en la profundidad del endurecimiento de la pieza, excepto la composición. El proceso se describe á continuación: 1. Una probeta normalizada de 25 mm de diámetro y 100 mm de longitud se austeniza a una cierta temperatura durante un tiempo determinado. 2. Se saca del horno, y el extremo de la pieza se templa mediante un chorro de agua de caudal y temperatura constante, de tal manera que la velocidad de enfriamiento es máxima en el extremo templado y disminuye a lo largo de la probeta. 3. Una vez que la probeta se ha enfriado a temperatura ambiente, se desbasta una tira de 0,4 mm de espesor y se determina la dureza a lo largo de los 50 mm primeros. Se traza una curva de templabilidad, representando los valores de dureza en función de la distancia al extremo templado.

Curvas de templabilidad En la Figura siguiente se representa una gráfica de templabilidad típica. El extremo templado se enfría más rápidamente y presenta un máximo de dureza. En este punto, y en la mayoría de los aceros, la microestructura coincide con el 100 por 100 de martensita. La velocidad de enfriamiento decrece con la distancia del extremo templado, y, en consecuencia, la dureza disminuye. Al disminuir la velocidad de enfriamiento, el carbono dispone de más tiempo para la difusión y facilita la formación de perlita más blanda, que puede estar mezclada con martensita.

La templabilidad es una medida cualitativa de la velocidad con que la dureza disminuye en función de la distancia al extremo templado. Un acero con alta templabilidad mantiene valores elevados de dureza durante distancias relativamente largas. Un acero aleado tiene una única curva de templabilidad. A veces resulta más conveniente relacionar la dureza con la velocidad de enfriamiento, en lugar de hacerlo con la distancia al extremo templado.

Factores que influyen en el temple La velocidad de enfriamiento de una muestra depende de la rapidez de eliminación de energía térmica, que es función a su vez de: 1. Composición del acero. 2. Temperatura a la que hay que calentar. 3. Tiempo de calentamiento. 4. Velocidad de enfriamiento. 5. Características del medio donde se realiza el temple. 6. Tamaño y geometría de la muestra. • Medios de temple De los tres medios más comunes que se utilizan para templar: agua, aceite y aire, el agua es el que produce temples más rápidos o severos, seguido a continuación del aceite que es más efectivo que el aire. El grado de agitación de los medios también influye en la velocidad de enfriamiento, y una mayor agitación implica una mayor velocidad de enfriamiento, lo que aumenta la efectividad del temple. Para aceros de alto contenido en carbono, el temple en agua puede resultar demasiado severo porque produce deformaciones y grietas. Para evitar este incremento se utilizan los aceites como medio de temple. El temple al aire de los aceros al carbono provoca una microestructura casi totalmente perlítica. • Agua. Es un medio rápido de enfriamiento, se consiguen temples muy fuertes y se utiliza para templar aceros al carbono. Es necesaria una cantidad de agua suficiente para que la temperatura de la misma no suba de los 30 0C. Las

piezas se han de agitar dentro del medio acuoso, para evitar la formación de una burbuja de vapor alrededor de la pieza, que actuaría de aislante térmico y retardaría el enfriamiento. • Aceite. Los aceites, como tienen un calor específico menor que el agua y son más viscosos, enfrían más lentamente que el agua y, por tanto, consiguen temples más suaves. Se emplean para aceros aleados. También es conveniente agitar para evitar la formación de vapor.

Tipo de temple Se clasifican según los resultados obtenidos y el proceso de ejecución que han seguido: • Temple continuo de austenización completa. Se aplica a los aceros hipoeutectoides. Se calienta el material 50 0C por encima de la temperatura crítica superior, y se enfría en el medio más adecuado. El principal componente estructural es la martensita • Temple continuo de austenización incompleta. Se aplica a los aceros hipereutectoides. La temperatura de calentamiento está 50 0C por encima de la temperatura crítica superior, Ac1, entonces, la perlita se transforma en austenita quedando intacta la cementita. Se enfría a velocidad superior a la crítica, con lo que la estructura resultante será mixta, a base de martensita y cementita. • Temple martensítico o martempering. Se calienta el acero a la temperatura de austenización, y se mantiene el tiempo necesario para que se transforme toda la austenita. Posteriormente, se enfría en baño de sales manteniendo la temperatura constante durante un tiempo por encima de M. [Fig. 5.4(d)]. En este período, la austenita no tiene que sufrir ninguna transformación. • Temple austempering. Es similar al anterior, con la única diferencia de que el tiempo de permanencia en las sales de enfriamiento debe ser suficientemente largo para que atraviese las curvas y la austenita se transforme en bainita.

• Temple superficial. Consiste en calentar rápida y superficialmente un material, de tal forma que sólo una capa delgada alcanza la temperatura de transformación austenística; seguidamente se enfría rápidamente. De esta forma, el núcleo de la pieza permanece inalterable, blando y con buena tenacidad, frente a la superficie que se transforma en dura y resistente al rozamiento. El calentamiento se puede realizar mediante soplete oxiacetilénico o por inducción eléctrica.

2.2.- RECOCIDO Tratamiento térmico de un material que consiste en calentarlo hasta una temperatura determinada durante un tiempo también previsto, y posteriormente enfriarlo lentamente. Las variables fundamentales que manejamos son el tiempo y la temperatura. Los objetivos que se persiguen con este tratamiento térmico son variados: reducir la dureza, eliminar tensiones residuales, mejorar la tenacidad, recuperar la ductilidad, afinar el tamaño del grano, reducir la segregación, o bien alterar las propiedades mecánicas, eléctricas o magnéticas del material.

Todo proceso de recocido consta de tres etapas fundamentales: 1. Calentamiento hasta una temperatura prefijada. 2. Mantenimiento de la temperatura anterior durante un tiempo conveniente. 3. Enfriamiento lento hasta temperatura ambiente, pero también realizado a una velocidad conveniente. Como se puede observar, el tiempo constituye la variable fundamental a controlar. Tanto en el calentamiento como en el enfriamiento, existen variaciones

de temperatura entre el interior y el exterior de las piezas a tratar. Por consiguiente, el tiempo y la velocidad de variación de temperatura estarán en función del tamaño y geometría de la pieza. Si la velocidad de variación de temperatura es muy grande, provoca tensiones internas en las piezas, que inducen a la aparición de deformaciones e incluso de agrietamientos. El tiempo de recocido debe ser lo suficientemente largo para permitir la transformación estructural deseada. Los tratamientos de recocido se utilizan para eliminar los defectos del conformado en frío, es decir, para ablandar y ductilizar un metal agrio. Se aplica en las conformaciones de hechurado que necesitan gran deformación plástica. Durante su aplicación tienen lugar fenómenos de recristalización. Generalmente, las temperaturas de recocido son relativamente bajas, con el fin de eliminar los efectos de las deformaciones en el enfriamiento.

La línea de fase A1 la denominamos de temperatura crítica inferior. Por debajo de ella, y en condiciones de equilibrio, la austenita se convierte en ferrita y cementita. Las líneas de fase A3 y Acm representan las líneas de temperatura crítica superior para los aceros hipoeutectoides e hiperutectoides, respectivamente. En un recocido de regeneración, se calienta un acero hipoeutectoide hasta 30 a 600C por encima de la temperatura A3, para que la estructura se transforme toda en una fase única de austenita, homogénea, de composición uniforme y a temperatura constante, a la que se mantiene durante un tiempo, para luego enfriarlo lentamente a velocidad controlada por debajo de la temperatura A1. Como regla general, la permanencia a alta temperatura suele ser de dos horas por cada cinco centímetros de espesor en la sección más gruesa, aunque la necesidad de ahorrar energía ha motivado la reducción de este tiempo. El enfriamiento desde la temperatura de recocido suele hacerse dentro del horno, haciendo que la temperatura disminuya a

razón de 10 a 300C por hora, hasta unos 300C por debajo de la temperatura A1, a lo que sigue un enfriamiento al aire hasta la temperatura ambiente. La estructura resultante es perlita basta (láminas muy espaciadas) con el excesode ferrita que prediga el diagrama. El material queda muy blando y dúctil. Para los aceros hipereutectoides el procedimiento es básicamente el mismo, salvo que el calentamiento llega sólo hasta la zona de austenita con cementita (de 30 a 600C por encima de A1), pues si el metal se enfriase lentamente desde la zona de austenita pura, en los bordes de grano podría formarse una red perlítica que lo haría frágil. Correctamente recocido, un acero hipereutectoide debe presentar una estructura perlítica basta, con el exceso de cementita disperso en forma esferoidal. Los recocidos de regeneración son procesos largos y consumen una energía considerable al tener que mantener temperaturas elevadas. Cuando no es preciso ablandar demasiado y se busca ahorrar energía, puede hacerse un normalizado. Éste consiste en calentar el metal hasta 600C por encima de A3 (hipoeutectoide) o de Acm (hipereutectoide), temperatura en la que se mantiene hasta conseguir austenita uniforme, para sacarlo a continuación del horno y dejarlo enfriar en aire encalmado.

Con este tratamiento pueden conseguirse una gran variedad de estructuras; sin embargo, lo que se produce generalmente es perlita fina con ferrita o cementita en exceso. Cuando un acero ha sufrido un trabajo en frío y se ha endurecido fuertemente por acritud, es muchas veces deseable recuperar la ductilidad, bien para servicio o para que en los procesos posteriores no haya peligro de fractura. A este objeto es frecuente el recocido de ablandamiento. En este caso, el metal se calienta hasta una temperatura levemente inferior a A1, a la que permanece el tiempo suficiente para conseguir el ablandamiento, y luego se enfría a la velocidad conveniente (habitualmente al aire). Aquí no se forma austenita y, por ello, lo único que ocurre es que las fases existentes cambian de morfología. Como el material no se calienta a una temperatura tan alta como en otros tratamientos, los recocidos de ablandamiento son algo más baratos, más rápidos y no propenden a formar tanta cascarilla. Para eliminar tensiones residuales en grandes piezas de acero fundido y en estructuras soldadas se recurre al recocido de alivio de tensiones. En éstos se calienta la pieza hasta una temperatura inferior a A1 (de 550 a 6500 C), se mantiene así un tiempo y luego se enfría lentamente. Según sea la pieza, varían tiempos y temperaturas. Cuando un acero de carbono alto debe prepararse para mecanizado o conformado, se hace uso de un tratamiento llamado recocido globular. El objeto de éste es producir una estructura en la cual toda la cementita aparezca en forma de esferoi. des o glóbulos pequeños y bien dispersos en una matriz ferrítica. Existen varias técnicas para conseguirlo; entre ellas: (1) calentamiento largo a una temperatura ligeramente inferior a A1, seguida de un enfriamiento relativamente lento, (2) ciclado de larga duración entre una temperatura un poco superior a A 1 y otra un poco menor que ésta, o bien (3), en el caso de aceros para herramientas y de alta aleación, calentamiento hasta los 750 u 8000C, o más, permanencia a esta temperatura durante varias horas y luego enfriamiento lento. Aunque la elección de un tratamiento térmico de preparación suele ser dependiente de los objetivos, el factor predominante es la composición del acero. Los aceros de carbono bajo (menos del 0,3% de C) preferentemente se normalizan o sufren recocidos de ablandamiento. En los aceros de contenido de carbono medio (del 0,4 al 0,6%) se recurre al recocido de regeneración. Los aceros con un contenido de car-

bono superior al 0,6% requieren generalmente recocidos globulares. En la figura 6-2 se resumen gráficamente los tratamientos térmicos industriales.

Normalizado Los aceros que se han deformado plásticamente por laminación, por ejemplo, tienen una microestructura perIítica, con tamaños de grano relativamente grandes y de forma irregular. Se les aplica un tratamiento térmico al que llamamos normalizado, mediante el cual se afina el acero (disminuye su tamaño de grano medio) y se provoca una distribución de tamaños más uniforme. El normalizado se realiza calentando el material a una temperatura entre 55 y 85 0

C superior a la temperatura crítica superior. El valor exacto depende de la

composición. Transcurrido un tiempo conveniente, hasta convertir la ferrita en austenita, se finaliza el proceso de normalizado, con un enfriamiento relativamente rápido al aire.

Recocido total Es un procedimiento que se aplica a los aceros de contenido de carbono bajo y medio, que se han conformado por mecanizado o se han deformado mucho en un proceso de hechurado en frío. La aleación se austeniza calentando de 1 5 a 40 0C por encima de las líneas GS o PS. Se deja enfríar lentamente dentro del horno, proceso que suele durar varias horas. La microestructura que resulta de dicho proceso es la correspondiente a perlita gruesa.

.

Recocido de Globulización

Los aceros medios y altos en carbono tienen una microestructura consistente en perlita gruesa, demasiado dura para la deformación plástica y para el mecanizado. Estos aceros se pueden recocer para desarrollar la microestructura de esferoiditas. Este acero globulizado tiene la máxima blandura y ductilidad, y es fácilmente mecanizable o deformable. El tratamiento térmico consiste en calentar la aleación a

una temperatura justo por debajo de la S-K, a 700 0C. El tiempo de globulización suele durar de 1 5 a 25 horas. 2.3.- REVENIDO Es un tratamiento que sigue al temple con objeto de eliminar la fragilidad y las tensiones ocasionadas. Consiste en un calentamiento de las piezas templadas a una temperatura inferior al punto Ac1, para lograr que la martensita se transforme en una estructura más estable. El proceso termina con un enfriamiento más bien rápido. Los factores que más influyen en los resultados del revenido son la temperatura y el tiempo de calentamiento.

3.-

TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS

Con estos tratamientos se modifica la composición química de la superficie de la pieza, introduciéndole ciertos elementos mediante el proceso de difusión, fundado en la movilidad de los átomos en estado sólido a temperaturas elevadas. El fenómeno se conoce con el nombre general de cementación. Mediante estos procesos se trata de conseguir algunos de los siguientes fines: -Aumentar la dureza superficial, sin alterar la ductilidad y resiliencia del núcleo -Favorecer las cualidades de lubricación y rozamiento -Aumentar la resistencia al desgaste -Aumentar la resistencia a los esfuerzos de fatiga -Mejorar la resistencia a la corrosión Dependiendo la naturaleza del agente cementate distinguimos entre cementación sólida, líquida o gaseosa. CEMENTACIÓN SÓLIDA • Cementación con C: se denomina también cementación y carburación. Consiste en aumentar la concentración de C en la superficie de un acero, calentándolo a la temperatura de austenización en presencia de un medio cementante. Éste ha de ser capaz de cederle C en estado atómico, el cual se difunde por su interior formando una solución sólida, cuyo espesor varía en función del tiempo. Por temple posterior se consigue la dureza superficial y resistencia al desgaste, junto a elevadas características de ductilidad y resiliencia. Factores que influyen en el proceso: -Composición del acero: suelen ser de bajo contenido en C -Agente cementante: ha de poder suministrar carbono atómico. Se utiliza frecuentemente CO. 2CO + Fe ϒ

=

Fe ϒ

(C) + CO2

-Temperatura de cementación: debe mantenerse por encima de la temperatura crítica a fin de que el acero se encuentre como austenita.

-Tiempo de cementación: a igualdad de los restantes factores, el espesor de la capa cementada crece con la duración del proceso. A medida que aumenta la concentración de C en la superficie, el proceso se hace más lento. El proceso de cementación se realiza de la siguiente manera: se introducen las piezas ya maquinadas con sobreespesores de 0.2-0.3 mm, completamente rodeadas de agente cementante sólido en cajas metálicas herméticamente cerradas, taponando las juntas con arcilla refractaria. Las cajas así preparadas se introducen en un horno a temperaturas comprendidas entre 900-1000 ºC y se mantienen en él durante el tiempo necesario para conseguir el espesor de capa que se desee. Se sacan las cajas del horno y cuando están frías, se extraen las piezas y se les da el tratamiento térmico adecuado. En las piezas en que sólo se desea cementar determinadas zonas, hay que proteger las restantes recubriéndolas con agentes anticementantes como hilo de amianto, tierra refractaria, etc. Como la cementación en cajas es un proceso largo y costoso, que no permite el empleo de dispositivos automáticos ni el tratamiento de piezas muy voluminosas, está siendo cada vez más desplazado por la cementación con líquidos y gases.

CEMENTACIÓN LÍQUIDA - Carburación:

se

trata

de

una

cementación

en

líquido. Las piezas

completamente limpias y exentas de humedad, se introducen en una mezcla de sales fundidas entre las que siempre se encuentra como componente fundamental del cianuro sódico (CNNa) y otras que actúan como diluyentes o agentes catalíticos. La acción carburante de estas sales fundidas es muy rápida, pero la capa que se obtiene es relativamente delgada y muy dura, aunque también es posible obtener penetraciones de hasta 3 mm. Terminada la cementación, se sacan las piezas del baño y se sumergen en agua o aceite fríos. Este procedimiento presenta la ventaja de poder emplear dispositivos automáticos, tanto para la cementación como para el temple, además de ser más rápido, permite un

mejor control sobre la penetración, da piezas más limpias y mayor homogeneidad en la capa cementada.

• Cianuración. Consiste en crear en las piezas de acero una capa superficial rica en C y N, introduciéndolas en un baño líquido (mezcla de cloruro, cianuro y carbonato sódico). A la temperatura del proceso (800-900 ºC), en presencia de oxígeno del aire se forma una difusión de C y N en la superficie del acero. Posteriormente se da un temple para aumentar la dureza. • Sulfinización. Es un tratamiento termoquímico que consiste en introducir una pequeña capa superficial a base de azufre, nitrógeno y carbono en aleaciones férricas y de cobre. De esta manera, se consigue mejorar la resistencia al desgaste, favorecer la lubricación y evitar el agarrotamiento. Las herramientas sometidas a este tratamiento tienen una duración cinco veces mayor que sin sulfinizar. Se introducen las piezas en baños a 560-570 ºC formados por una mezcla de cianuro, sulfito o hiposulfito anhidro, carbonato sódico y cloruro bárico. La capa sulfinizada, sin aumento de dureza con respecto a la del metal base favorece la lubricación, mejora las características de resistencia al desgaste, evita el agarrotamiento y se autopropaga hacia el interior. CEMENTACIÓN EN GASES -Carburación gaseosa: se colocan las piezas en un horno a temperaturas de 850-950 ºC en presencia de una atmósfera carburante a base de CO y diversos gases diluyentes, cuya misión es impedir la tendencia de los hidrocarburos a la formación de hollín sobre las piezas. Este método presenta ventajas cuando se tienen que tratar un gran número de piezas o si son muy voluminosas. Por otra parte las piezas salen completamente limpias, y es posible un control riguroso de la temperatura del horno, así como de la composición y dosificación de los gases. • Nitruración. Es un tratamiento de endurecimiento superficial aplicado a ciertos aceros y fundiciones. Se obtienen durezas muy elevadas, del orden de 1200 unidades Brinell. Los aceros o fundiciones nitrurados son superficialmente muy

duros y resistentes a la corrosión. La nitruración se efectúa en hornos especiales, exponiendo las piezas a una corriente de amoníaco a una temperatura de 500 a 525 0C. El amoniaco se disocia en la superficie de las piezas y el N atómico liberado se difunde con facilidad en el hierro. Este procedimiento se aplica a aquellas piezas que se hallan sometidas simultáneamente a esfuerzos de choque y rozamiento tales como engranajes, cigüeñales, bulones, camisas de cilindros, árboles de levas, ejes de cardán, piñones y aparatos de medida. Además de gran dureza se consiguen superficies resistentes al desgaste y disminución en el coeficiente de rozamiento. -Carbonitruración: tiene por objeto la formación de una capa rica en C y N en un producto siderúrgico, calentándolo a temperaturas entre 650-850 ºC, en una atmósfera gaseosa formada por una mezcla de hidrocarburos, amoniaco y óxido de carbono.

4.- TRATAMIENTOS ANTICORROSIVOS Los materiales están expuestos continuamente a los más diversos ambientes. La interacción material-ambiente provoca, en muchos casos, la pérdida o deterioro de las propiedades físicas del material. Los mecanismos de deterioro son diferentes según se trate de materiales metálicos, cerámicos o polímeros. En los materiales metálicos, el proceso de deterioro se denomina oxidación y corrosión. Podemos definir la corrosión como el deterioro lento de un material por la acción de un agente exterior. En los procesos de oxidación, los metales pasan de su estado elemental a formar iones positivos (cationes) por pérdida de electrones: M —Mn+ + ne-

donde n es el número de electrones que se pierden. En el deterioro de materiales, podemos distinguir dos procesos: •

Oxidación directa: muchos metales pueden ser alterados desde la superficie por ataques químicos. En estas reacciones juegan un papel importante el oxígeno u otros agentes oxidantes. 2 Fe + 0 2 — 2 FeO Fe + S —> FeS Si con la oxidación se forma una capa densa y consistente, como pasa por ejemplo con el cobre y aluminio, esa capa actúa como protección contra el proceso de la corrosión. Si por el contrario, en la corrosión química se produce una capa suelta y porosa, por ejemplo la herrumbre u orín, no se obtiene ninguna protección y el proceso continua

•

Corrosión

electroquímica:

se

origina

por

la

presencia

de

pilas

electroquímicas en las que el metal actúa como ánodo, y por tanto, se disuelve. Este tipo de corrosión exige la presencia de ambientes acuosos, y en general con medios electrolíticos. En el caso de la oxidación directa toda la superficie de la pieza es prácticamente afectada por igual, en cambio en la corrosión electroquímica solamente se ven afectadas las partes anódicas, pero no las catódicas. Una pila electroquímica se forma cuando dos piezas de metal se ponen en contacto a través de un líquido conductor o electrolítico. El circuito eléctrico que se forma produce fenómenos de electrodeposición como la corrosión electroquímica, en la que el metal que actúa como ánodo cede electrones al circuito y se corroe. En el caso de la oxidación directa, toda la superficie metálica es afectada prácticamente por igual. En cambio, en las piezas que sufren corrosión electroquímica, solamente son afectadas las áreas anódicas, pero no las catódicas.

Medidas de protección contra la corrosión La problemática de la corrosión es importante, pero no imposible de solucionar. Se utilizan diversas técnicas para controlar y evitar la corrosión. A continuación citaremos algunos factores que es preciso tener en cuenta para aminorar el efecto de la corrosión, e incluso para evitar la misma: 1. Impedir la formación de pilas galvánicas, utilizando aislantes eléctricos. 2. Tratar siempre de que el área del ánodo sea siempre mucho mayor que la del cátodo. De esta forma, las reacciones catódicas pueden minimizarse. 3. Diseñar recipientes para la contención de líquidos cerrados y procurar que no se acumule líquido estancado. Los depósitos parcialmente llenos experimentan la corrosión de línea de nivel. Los depósitos abiertos disuelven continuamente gases, proporcionando iones que intervienen en la reacción catódica y aumentan las celdas por concentración. 4. Evitar hendiduras o grietas entre los materiales armados o unidos.

Medios de protección • Recubrimientos Se utilizan para guardar las regiones del cátodo y del ánodo. Los de tipo temporal, como la grasa o aceite, proporcionan cierta protección, pero se eliminan fácilmente. Las pinturas, o los de tipo cerámico, dan una mayor protección. Si se interrumpe ésta, aunque sea puntualmente, tiene lugar una corrosión rápida y localizada. Los recubrimientos metálicos incluyen el acero galvanizado (deposición de Zn) y la deposición de Sn, y se comportan de manera contraria. Si se produce cualquier interrupción en la protección de Zn, el acero sigue protegido porque el Zn es anódico con respecto al acero. Sin embargo, en la misma situación, el Sn no protege al acero, ya que éste es anódico con respecto al Sn. • Inhibidores

Algunos productos químicos, añadidos a la solución de electrólito, emigran preferentemente hacia la superficie del ánodo o del cátodo, formando un compuesto insoluble sobre la superficie del metal, y produciendo una polarización por concentración o por resistencia. Los inhibidores disminuyen la velocidad de corrosión. Las sales de Cr realizan esta función en los radiadores de los automóviles. Los inhibidores se emplean mucho en el decapado ácido, para disminuir la velocidad de ataque del ácido sobre la superficie del metal, sin interferir en la eliminación de la capa de óxido. Existen dos clases de inhibidores: los anódicos y los catódicos. • Pasivadores (protección anódica) En determinados metales se forma una superficie que detiene la erosión apenas iniciada. Se dice que estos metales tienen pasividad natural, como ocurre con el aluminio. Este efecto también se puede conseguir de forma técnica tratando previamente el material. Como ejemplo, el acero se sumerge en ácido nítrico concentrado, resultando así protegido frente al ataque del nítrico diluido, ya que sin esta pasivación provocada, el nítrico diluido ataca al acero. No se conocen a ciencia cierta los mecanismos de actuación de los pasivadores, únicamente se sabe que su acción se debe a la formación de películas protectoras, bien sean de gases oxígeno e hidrógeno o sólidos (óxidos). Los más utilizados son el minio (Pb304) y el cromato de cinc (ZnCrO4). • Protección catódica Se puede proteger un metal forzándolo a comportarse como un cátodo, suministrándole electrones. Para ello utilizamos un ánodo de sacrificio, el cual se corroe y acaba destruyéndose aportando electrones al metal, y evita, de esta manera, una reacción anódica en el mismo. Los materiales del ánodo de sacrificio son el cinc o el magnesio. Este método se emplea para la protección de tuberías enterradas, barcos, plataformas marinas, calentadores de agua, etc.

Otra forma de conseguir el mismo efecto consiste en obtener un potencial del circuito formado por una fuente de alimentación directa conectada entre un ánodo auxiliar y el metal a proteger que actúa de cátodo (Fig. 5.1 5). Se forma una batería, de forma que los electrones fluyen hacia la tubería (cátodo), mientras que el ánodo auxiliar se corroe. Protección por selección de materiales Un medio de proteger las piezas consiste en fabricarlas con materiales autoprotectores, es decir, metales que tengan la suficiente resistencia contra la oxidación y corrosión. El cromo, níquel, platino, oro y wolframio, entre otros, son muy resistentes a la corrosión atmosférica y a la acción de muchos ácidos. Se emplean mucho las aleaciones autoprotectoras, más económicas y de mejores prestaciones que los metales puros. Las más utilizadas son los aceros inoxidables y los aceros al níquel. Otras aleaciones que últimamente han introducido como autoprotectores son las basadas en níquel, cobre y aluminio. Por ejemplo, el inconel (80 por 100 Ni; 14 por 100 cr, y 6 por 100 Fe) se emplea en las industrias lecheras; otro material muy utilizado es el monel. • Decapado Antes de aplicar cualquier recubrimiento es imprescindible eliminar la capa de laminación y orín de las piezas de acero. Esta operación se denomina decapado. Puede realizarse por procedimientos mecánicos, químicos y electrolíticos. • Mecánico. Es un proceso que puede realizarse mediante un cepillo metálico (carda). La apariencia del metal tras el cepillado es la de un material que ha quedado completamente limpio. No obstante, siempre quedan residuos perjudiciales para los posteriores tratamientos. Se logra un decapado mecánico más intenso empleando un chorro de arena o de perdigones. • Químico. Es el procedimiento más utilizado, sobre todo como procedimiento previo al galvanizado. Se usan ácidos para la limpieza, como sulfúrico al 10 por 100, a temperatura de 80 0C, durante 5 minutos; o clorhídrico al 20 por 100, en frío. Como ya hemos dicho anteriormente, es necesario añadir inhibidores para

que el metal no sea atacado excesivamente. Los inhibidores más comunes son el agua-agar y el tan i no. • Electrolítico. En este caso utilizamos las piezas de acero como ánodos en una solución de ácido sulfúrico al 30 por 100, que contiene bicromato potásico. La densidad eléctrica empleada es de unos 10 amperios por dm2.

5.- OPERACIONES DE ACABADO Una buena proporción de la totalidad de los productos manufacturados deben recibir algún tipo de tratamiento superficial, por motivos de embellecimiento o de protección, antes de que puedan venderse o utilizarse. El manipuleo y las distintas operaciones de fabricación dejan en ellos arañazos, rebabas, puntos u otras imperfecciones que deslucen su aspecto o suponen un peligro potencial para el usuario. Los materiales más empleados, como son la mayoría de fundiciones y aceros, no poseen intrínsecamente los colores que los usuarios, con razón o sin ella, desean, particularmente en lo que respecta a los bienes de consumo producidos en grandes cantidades. Por otra parte, es frecuente que los materiales no sean suficientemente resistentes a los ambientes en los cuales van a prestar su servicio. Además, a medida que los materiales escasean y se encarecen más, apremia más la necesidad de sustituirlos por otros materiales básicamente inferiores modificando la superficie de éstos para que soporten las condiciones de servicio. Como resultado, una vez que alcanzan su geometría final, la mayoría de los manufacturados requieren una o más operaciones suplementarias para limpiarlos, protegerlos o colorearlos. Estos tratamientos, ornamentales o protectores, aumentan el costo de los manufacturados. Además, al igual que en otras operaciones de fabricación, muchas veces hay una relación definida entre el diseño y estas operaciones de acabado. En los últimos años, se ha dedicado mucha atención al desarrollo de operaciones y maquinaria de acabado que permita aplicarlas, a bajo costo, a fabricaciones en serie.

A) Pinturas: La pintura es, con mucho, el acabado que más reciben los productos manufacturados y en el mercado hay presente una extensísima gama de pinturas capaces de cumplir con los requerimientos más variados. Actualmente, la mayoría de las pinturas y esmaltes son compuestos orgánicos sintéticos que se secan por polimerización o por una combinación de polimerización y adsorción de oxígeno. El vehículo de suspensión de los pigmentos es frecuentemente agua. Para acelerar el secado puede aplicarse un calor suave, pero numerosas pinturas y esmaltes sintéticos se secan en menos de una hora sin necesidad de calor. Los antiguos esmaltes y pinturas al aceite tardan en secarse un tiempo excesivo para las fabricaciones en serie y, por ello, apenas se utilizan. Las lacas nitrocelulósicas, si bien se secan rápidamente y son capaces de dar unos acabados muy bellos, no resultan suficientemente duraderas para la mayoría de los usos comerciales. Las pinturas alquídicas son de uso general, pero carecen de durabilidad suficiente en condiciones de servicio rigurosas. Los esmaltes acrílicos se emplean mucho en carrocerías de automóvil. Las siliconas y los fluoropolímeros son productos especiales, por cuyo alto precio sólo se justifica su utilización cuando importan sus propiedades especiales. Las pinturas asfálticas, que son soluciones de asfalto en algún solvente, tal como bencina o toluol, siguen empleándose extensamente, particularmente en la industria eléctrica, donde se requiere resistencia a la corrosión pero no prima el aspecto.

En fabricación, la pintura se aplica casi toda por alguno de estos cuatro procedimientos: inmersión, rociado a mano, rociado automático o deposición galvánica. En la mayoría de los casos se requieren al menos dos manos de pintura. La primera mano, o capa de fondo, sirve principalmente para (1) asegurar la adhesión, (2) producir un efecto de enrasamiento, rellenando las porosidades leves y otras imperfecciones de la superficie, y (3) mejorar la resistencia a la corrosión y evitar así que las capas posteriores se desprendan en servicio. Estas propiedades las tienen menos las pinturas altamente pigmentadas que se emplean para dar las manos finales, a causa de sus mejores colores y apariencia. Cuando se aplican varias capas, hay que asegurarse de que los excipientes líquidos, o vehículos, de suspensión no ablanden indebidamente las capas anteriores.

La pintura por inmersión está muy extendida. Las piezas se sumergen a mano en la pintura, o bien se hacen pasar por el seno de ésta llevadas por un transportador. Así, evidentemente, se cubre toda la pieza, por lo que es ésta una técnica muy sencilla y económica en general cuando hay que pintar todas las superficies. Por tanto, se utiliza para dar las capas de fondo y para pintar piezas pequeñas cuando la pérdida de pintura por sobrerrociado resulte excesiva si se pinta por rociado ordinario. Por otra parte, la cantidad innecesaria de pintura puede hacer antieconómico este procedimiento cuando sólo algunas de las superficies necesitan realmente pintura, o bien cuando bastan unas capas muy tenues y uniformes de algunas de las imprimaciones modernas, especialmente en objetos grandes como carrocerías de automóvil. Otras dificultades de la técnica de inmersión son la tendencia de la pintura a correrse, produciendo así una superficie de aspecto ondulante, y la última gota de pintura que suele quedar en el punto de escurrimiento más bajo. Es además imprescindible que la pintura contenida en los tanques de inmersión se mantenga ininterrumpidamente agitada y sea de viscosidad uniforme. La pintura por rociado sea probablemente el proceso de pintura más utilizado; ello debido a su versatilidad y economía de material. Esta es pulverizada neumáticamente, por presión mecánica o electrostáticamente. La aplicación puede ser manual o automática. En el primer caso, la pulverización puede ser neumática o mecánica y la rociada se proyecta sobre la pieza con una pistola manejada a mano. El operario debe actuar con una destreza considerable para conseguir un cubrimiento adecuado sin que la pintura «se corra» o «chorree» hacia abajo. Por tanto, si se siguen los métodos tradicionales, sólo una película muy tenue puede depositarse cada vez, normalmente de no más de 0,02 mm. En consecuencia, usualmente deben aplicarse varias manos, con tiempos intermedios para secado. En el rociado en caliente pueden aplicarse en una operación capas más espesas. En esta técnica la pintura se rocía en caliente. Es evidente que la pintura por rociado a mano es cara desde el punto de vista de la mano de obra y, por tanto, se sustituye por métodos automáticos siempre que es posible. La instalación automática más simple consiste en un transportador de cadena que lleva las piezas a lo largo de una sucesión de rociadores. Sin embargo, si se emplean rociadores normales, los resultados no son siempre satisfactorios, ya que una buena cantidad de la pintura puede desperdiciarse y cuesta conseguir un cubrimiento uniforme. En la pintura por rociado ya se han empleado con éxito robots.

Estos se programan para que rocíen siguiendo un patrón, conectándose y desconectándose según las porciones, o piezas, a pintar. Así se elimina la presencia de personal de un ambiente desagradable e insano. Resultados muy buenos se consiguen con la pintura por rociado electrostático manual o automático. En este caso, la pistola pulveriza neumáticamente la pintura, comunicando a las partículas una carga electrostática y una velocidad considerable. Las partículas pulverizadas son atraídas por la pieza, que está conectada a tierra, y en ella se depositan. Con una regulación adecuada, se consiguen rendimientos del 75 al 95%. En un segundo procedimiento, no neumático, la pintura se hace entrar en el interior de un cono o disco que gira rápidamente y que constituye uno de los electrodos de un circuito electrostático de hipervoltaje. El giro de éste hace que la pintura fluya hacia su perímetro merced a la fuerza centrífuga. Cuando la película tenue de pintura alcanza el borde y es entonces proyectada y dispersada, las partículas se cargan electrostáticamente y se pulverizan sin necesidad de presión neumática. Como la pieza es el otro electrodo del circuito, a ella se transfiere la pintura, al igual que en el procedimiento antes descrito. Las ventajas primordiales de esta técnica son que, al usarse aire a presión para pulverizar, se pierde menos rociada, la instalación para neutralizar las emanaciones es menos cara y el rendimiento en la aplicación de la pintura es más alto, llegando éste hasta el 99%. Con los sistemas automáticos de pintura por rociado es a menudo necesario hacer algunos retoques manuales donde el cubrimiento no es del todo uniforme. Además, la pintura tiende a ir hacia el borde o superficie más cercano, dificultando pintar las concavidades hondas. La pieza, por supuesto, debe ser electroconductora. La pintura por deposición galvánica es el avance fundamental más reciente en el terreno de la aplicación de pintura. Permite alcanzar el grado de economía de la pintura por inmersión ordinaria, pero salva sus inconvenientes pues produce capas más tenues y uniformes y cubrimientos mejores en los huecos internos. Las panículas de pintura, en un solvente acuoso, reciben una carga electrostática merced a la aplicación de una tensión eléctrica continua entre el depósito (cátodo) y la pieza (ánodo). Las piezas, conforme entran y atraviesan el depósito, atraen las partículas de pintura, las cuales se depositan en un cubrimiento uniforme y tenue de 0,02 a 0,04 mm de espesor. Cuando la capa alcanza el grosor deseado, que se determina regulando las condiciones, ya no se deposita más pintura. El agua contenida en la

película es extraída por electro-ósmosis, dejando un cubrimiento compuesto por más de un 90% de resinas y pigmentos. Entonces, las piezas se sacan del depósito de inmersión, se enjuagan con agua rociada y se estufan durante unos 25 minutos a unos 1900C. La deposición galvánica se adapta especialmente bien a la aplicación de la capa de fondo a estructuras metálicas complicadas, como son las carrocerías de automóvil, en las que importa una buena resistencia a la corrosión. La llegada de la pintura hasta las zonas más recónditas puede facilitarse colocando electrodos en puntos estratégicos de las piezas. Además, como el solvente es agua, no hay peligro de incendio, como es el caso cuando se emplean depósitos de gran superficie llenos de las imprimaciones de inmersión normales. La deposición galvánica se adapta fácilmente a una cadena de producción con transportador. Secado. La mayoría de las pinturas y esmaltes que se emplean en fabricación requieren de 2 a 24 horas para secarse a las temperaturas ambiente normales. Ésto no es, evidentemente, práctico. A temperaturas de 125 a 235”C, pueden secarse en 20 minutos a una hora. Por tanto, acostumbra a efectuarse algo de secado a temperatura elevada, bien en horno o, más frecuente, en un túnel o panel de lámparas infrarrojas. Esto último supone una inversión relativamente baja, no demasiado espacio y es muy flexible. B) Revestimientos anticorrosivos: *Revest. Metálicos: Grandes cantidades de piezas metálicas reciben cubrimientos anticorrosivos por inmersión en ciertos metales fundidos. De éstos, los más utilizados son el cinc, el estaño y una aleación de plomo y estaño.

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El galvanizado en baño caliente es el procedimiento más utilizado para

proveer al acero de una capa protectora. Las piezas, o chapas, una vez limpias, se decapan sumergiéndolas en una solución de cloruro de cinc y ácido clorhídrico. Luego se sumergen en un baño de cinc fundido. El cubrimiento de cinc resultante es complicado y consta de una capa de FeZn2 en contacto con la superficie del metal, una capa intermedia de FeZn7 y una capa exterior de cinc puro. La galvanización en baño caliente proporciona una buena protección anticorrosiva. (La voz gaIvanizado sirve a la vez, para designar el cubrimiento de piezas metálicas con una capa anticorrosiva de cinc y para referirse a la aplicación de cualquier revestimiento metálico por electrólisis. En este último sentido merece la pena, para evitar confusiones, emplear el término galvanoplastia.)

El espesor del cubrimiento debe controlarse, pues si es excesivo, puede agrietarse o descortezarse. Con los tratamientos adecuados el aspecto del galvanizado puede hacerse variar entre limites amplísimos. Cuando se galvaniza correctamente, el material puede someterse a curvados y conformaciones considerables sin perjudicar el revestimiento. Sin embargo, el acero efervescente no debe galvanizarse. El estañado de la hojalata puede también hacerse por inmersión en un baño caliente. El acero, una vez limpio, se sumerge en estado fundido y su superficie adquiere un revestimiento de estaño. En este caso, el acero, antes de entrar en el estaño fundido, se hace pasar por cloruro de cinc. Luego, cuando sale del bailo de estaño, pasa por unos rodillos, inmersos en aceite de palma, que eliminan cl exceso de estaño. Sin embargo, en la actualidad la mayoría de la hojalata se obtiene en un proceso electrolítico que produce un estañado más uniforme con menos gasto de estallo. El emplomado es similar al estallado en baño caliente, pero empleando, en lugar de estaño puro, una aleación de plomo con un 15 al 20 % de estaño (aleación terne). Esta operación es, por tanto, más barata que el estañado y, para ciertos casos, proporciona una protección anticorrosiva suficiente. *Rev. Fosfatados:

Hay dos tratamientos de fosfatado que se utilizan ampliamente para conseguir protección anticorrosiva, normalmente en el acero. En ellos la superficie del metal se convierte en un fosfato cristalino insoluble tratándola en una solución diluída de ácido fosfórico y fosfatos de hierro y manganeso. El parkerizado produce un revestimiento bastante anticorrosivo de un espesor de 0,004 a 0,008 mm. Este tratamiento necesita unos 45 minutos y dota a las piezas que han de mantenerse pintadas de una resistencia a la corrosión muy buena. El bonderizado es similar al parkerizado, pero su objetivo primordial no es proporcionar resistencia a la corrosión, sino formar una superficie a la cual la pintura se adhiera firmemente. El cubrimiento es más tenue que en el parkerizado, pero reduce la actividad de la superficie metálica de modo que se retarda la corrosión en la separación entre pintura y metal. Como resultado, si se araña la pintura, es menor la probabilidad de que se inicie y progrese una oxidación por mojadura, haciendo que se afloje la pintura contigua al arañazo. C) Ennegrecimiento: Numerosas piezas de acero se tratan para producir en ellas una superficie negra y lustrosa que resista a la oxidación por mojadura cuando se manipulen. Estos revestimientos suelen conseguirse convirtiendo la superficie en óxido de hierro negro. Un método consiste en calentar las piezas dentro de una caja cerrada llena de producto de cementar consumido, a una temperatura de 6500C durante una hora y media, y luego enfriarlas bruscamente en aceite. En otro método se sumergen las piezas en un baño de sales especiales para ennegrecer calientes a 1500C, durante unos quince minutos. Un tercer método es calentar las piezas en un horno giratorio de retortas hasta unos 4000 C, para añadir entonces una pequeña cantidad de aceite de linaza o de pescado. Pasados unos minutos las piezas se sacan del horno, se desparraman y se dejan enfriar. Una vez frías se sumergen en un aceite que retarda la oxidación. El acabado bronce de cañón se consigue calentando las piezas en una retorta con una pequeña cantidad de carbón pizarroso carbonizado hasta los 4000C. Cuando las piezas se oxidan, se dejan enfriar hasta unos 340 6 3450C. Entonces se agrega una mezcla de carbón pizarroso con un poco de aceite

carbónico y se continúa el calentamiento varias horas. Entonces se extraen las piezas del horno y se bañan en aceite de esperma.

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