Unidad 5 Ing de Materiales

Apuntes de Ingeniería de Materiales- ESIME Ticomán IPN Autores: Ing. Antonio Mosqueda Sánchez, Ing. Alfonso Espinosa Picazo

UNIDAD V TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS Y SUPERFICIALES DE LOS ACEROS 5.1 DIFUSIÓN Y AUTODIFUSIÓN Los distintos tipos de átomos o iones de una aleación metálica, por lo general se mueven m ueven dentro del material. La difusión se refiere a un flujo neto de átomos, iones o moléculas; la velocidad de difusión es función del gradiente de concentración y de la temperatura.

5.2 VARIABLES QUE INFLUYEN EN LA DIFUSIÓN La temperatura es uno de los principales parámetros que influyen en la difusión ya que a mayor temperatura, se acelera el proceso de la cinética de la difusión; también la diferencia en las concentraciones contribuye al flujo neto total de la difusión de los átomos, iones o moléculas.

5.3 PRIMERA LEY DE FICK La primera Ley de Fick describe un proceso cuantitativo de la difusión. La velocidad a la que los átomos, iones, partículas u otras substancias se difunden en un material, puede medirse por medio del flujo ( J ). El flujo ( J ), se define como el número de átomos que pasan a través de un plano por unidad de Área y por unidad de tiempo, como se muestra en la siguiente figura:

Figura 5.1 Flujo de átomos a través de un plano de área unitaria por unidad de tiempo.

La primera ley de Fick explica el flujo neto de los átomos:

Donde:

J = Flujo D = Difusividad o coeficiente de difusión (cm 2/s) dc/dx = Gradiente de concentración (átomos/cm3.cm) El signo (-) indica que la especie que se está difundiendo es de concentraciones mayores a menores, por lo que si el término dc/dx es negativo, J será positivo.

5.4 MECANISMO DE LA DIFUSIÓN Para que un átomo se mueva a una nueva posición, debe aplicarse energía de activación. Por lo general se requiere más energía para mover un átomo sustitucional que para un átomo intersticial. Ver figura siguiente:

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Figura 5.2 Difusión de átomos átomos en una estructura cristalina. Los átomos pequeños requieren menos energía para la difusión en comparación a los átomos más grandes.

En la tabla siguiente se muestran los valores comunes para las energías de activación para la difusión de distintos átomos en diferentes materiales; se utiliza el término “PAR DE DIFUSIÓN” para indicar una combinación de un átomo de un elemento dado que se difunde en un material (Ejemplo: C en hierro CCCa). VER TABLA SIGUIENTE: Tabla 5.1 Datos de difusión para materiales seleccionados seleccionados

Par de difusión Difusión intersticial C en Hierro CCC a C en Hierro CCC u N en Hierro CCC a N en Hierro CCC u H en Hierro CCC a H en Hierro CCC u

Q (Cal/mol)

D0 (cm3/s)

32 900 20 900 34 600 18 300 10 300 3 600

0.23 0.011 0.0034 0.0047 0.0063 0.0012

Autodifusión (difusión por vacancia) Pb en Pb CCCa Al en Al CCCa Cu en CuCC a Fe en Fe CCC a Zn en Zn CH Mg en Mg CH Fe en Fe CCC u W en w CCCu Si en Si Covalente C en C Covalente

25 900 32 200 49 300 66 700 21 800 32 200 58 900 143 300 110 000 163 000

1.27 0.10 0.36 0.65 0.1 1.0 4.1 1.88 1800.0 5.0

Difusión heterogénea (difusión por vacancia) Ni en Cu Cu en Ni Zn en Cu Ni en Fe CCC a Au en Ag Ag en Au Al en Cu Al en Al2O3 O en Al2O3 Mg en MgO O en MgO

57 900 61 500 43 900 64 000 45 500 40 200 39 500 114 000 152 000 79 000 82 100

2.3 0.65 0.78 4.1 0.26 0.072 0.045 28.0 1900.0 0.249 0.000043 62

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5.5 SEGUNDA LEY DE FICK (FUNCION ERROR) La segunda Ley de Fick describe la difusión dinámica, o de estado estacionario de átomos:

Si se supone que el coeficiente de difusión D no es una función de la localización difundiendo, se puede escribir una versión simplificada de la Segunda Ley de Fick:

x ni de la concentración (C) de la especie que se está

La solución para esta ecuación depende de las condiciones limitantes para una situación en particular. Una solución es la siguiente:

Donde:

Cs= Concentración constante de los átomos que se están difundiendo en la superficie del material. C0= Concentración uniforme inicial de los átomos que se están difundiendo en el material. local ización X debajo de la superficie después de un tiempo t Cx= Concentración del átomo que se está difundiendo en la localización

En la siguiente figura se ilustran estas concentraciones:

Figura 5.3 Difusión de átomos en la superficie superficie de un material ilustrando el uso de la segunda segunda ley de Fick.

En estas ecuaciones se ha supuesto básicamente un modelo unidimensional (se supone que los átomos, iones, partículas u otra especies se mueven en la dirección x).

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“erf ” es la función de error y puede evaluarse a partir de la siguiente tabla La función “erf ” Tabla 5.2 Función error correspondiente correspondiente a la segunda ley de Fick .

FUNCION DE ERROR (erf) (erf) 0 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80 0.90 1.00 1.50 2.00

0 0.1125 0.2227 0.3286 0.4284 0.5205 0.6039 0.6778 0.7421 0.7969 0.8427 0.9661 0.9953

5.6 TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS Numerosas aplicaciones industriales requieren una superficie dura resistente al desgaste, llamada capa o región superficial, y una relativamente suave y tenaz en su interior, llamada parte interna. Hay cinco métodos principales de tratamiento térmico superficial: 1.-Carburización 2.-Nitruración 3.-Cianuración o Carbonitruración 4.-Endurecimiento por flama 5.-Endurecimiento por inducción. La Carburización, Nitruración y Cianuración cambian la composición química en la superficie externa de la pieza; la carburización por la adición de carbono, la Nitruración por la adición de Nitrógeno y la Cianuración por la adición de Carbono y Nitrógeno. El endurecimiento por flama y endurecimiento por inducción no cambian la composición química del acero y son esencialmente métodos de endurecimiento poco profundo. En los métodos de endurecimiento por flama y por inducción, el acero debe ser capaz de endurecerse, por tanto, el contenido de carbono debe ser del 0.30% o mayor.

5.7 CEMENTACIÓN O CARBURIZACIÓN CARBURIZACIÓN DEL ACERO (CEMENTACIÓN (CEMENTACIÓN SÓLIDA, LÍQUIDA Y GASEOSA) Cementación sólida.- Los compuestos comerciales para realizar la carburización sólida son: 1) Carbón vegetal de madera dura 2) Coque 3) 20 % de Carbonato de Bario como activador Una vez maquinada la pieza con acero bajo carbono (SAE 1018 ó SAE 8620 por ejemplo), se coloca una capa de la mezcla carburante en un recipiente cerrado de placa de acero, se coloca la pieza en la caja y se agrega más mezcla carburante alrededor y sobre la pieza; a continuación se coloca la tapa y se sella por completo. Como el compuesto de carburización está en la forma de gruesas partículas, hay suficiente aire atrapado para formar monóxido de carbono a alta temperatura. Posteriormente se introduce la caja al horno y se calienta hasta los 1700 ºF; se mantiene a esta temperatura y se enfría dentro del horno; finalmente se saca la pieza y se prepara para el tratamiento térmico de Temple y Revenido. Las principales ventajas de este método son que no se requiere una atmósfera preparada, pr eparada, es eficiente y económico.

Cementación líquida Es un método de endurecimiento superficial del acero que consiste en colocar la pieza en un baño de cianuro fundido, de modo que el carbono se difundirá desde el baño hacia dentro del metal y producirá una parte superficial con alto porcentaje de carbono. Los baños de carburización por líquido permiten endurecimientos tan profundos como 0.250 pulgadas. 64

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Cementación gaseosa En este tipo de carburización las piezas se calientan en contacto con monóxido de carbono y/o hidrocarburo; el hidrocarburo puede ser Metano, propano, gas natural o hidrocarburo fluido vaporizado En la siguiente figura se puede observar la zona hipereutectoide (zona en contacto con la mezcla carburante), la zona eutectoide (zona intermedia debajo de la superficie) y zona hipoeutectoide (zona más alejada de la superficie), de un acero SAE 1020 (0.20%C) carburizado por 6 horas a 1700°F y enfriado en horno.

Figura 5.4 Acero al 0.2% de carbono, carburizado carburizado por empaquetamiento empaquetamiento a 1700ºF 1700ºF durante 6 horas y enfriado enfriado en horno. Atacado químicamente químicamente en nital al 2%. 30X.

La zona hipoeutectoide es menor de 0.8%C La zona eutectoide contiene 0.8%C La zona hipereutectoide es mayor a 0.8%C y su dureza es mayor a la de un acero sin cementar.

5.8 TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS DE LAS PIEZAS CEMENTADAS Cuando una pieza carburizada se endurece, la parte exterior aparecerá como una zona de martensita clara, seguida por una zona más oscura de transición; ver siguiente figura.

Figura 5.5 Engrane apropiadamente carburizado (cementado), endurecido y revenido. Atacado químicamente en nital al 2%. 7X.

5.9 CIANURACIÓN Y CARBONITRURACIÓN Cianuración Para este tratamiento termoquímico se dispone de diversas mezclas de Cianuros para el baño; aunque se emplean los baños de más altas concentraciones de Cianuro de sodio, la mezcla que más se utiliza está formada por 30% de Cianuro de sodio, 40% de Carbonato de sodio y 30% de Cloruro de Sodio. Esta mezcla tiene un punto de fusión de 1 140 °F y se conserva estable, en condiciones de operación continuas. Los agentes activos de endurecimiento de los baños de Cianuración, Carbono y Nitrógeno, no se producen directamente del Cianuro de Sodio (NaCN). El cianuro fundido se descompone ante la presencia de aire en la superficie del baño para producir el compuesto de NaCNCO el cual a su vez se descompone como sigue: 65

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2 NaCN + O2 = 2 NaNCO 4 NaNco = Na2CO3 + 2NaCN + CO + 2N El contenido de Carbono de la superficie endurecida desarrollado en el baño de Cianuro aumenta al incrementarse la concentración de cianuro del baño, proporcionando de este modo considerable flexibilidad. flexibil idad. Un baño que opera a 1550 °F y contiene aproximadamente 3% de Cianuro puede utilizarse para restablecer el carbono en los aceros descarburizados, mientras que un baño con 30% de Cianuro a la misma temperatura desarrollará una capa dura de 0.005” en la superficie  de un acero al 0.65% de Carbono en 45 minutos. Este proceso es particularmente útil para aquellas piezas que requieren una porción porci ón externa muy dura y delgada, como tornillos, pequeños engranes, tuercas y pernos.

Carbonitruración Es un proceso de endurecimiento superficial en el cual un acero se calienta en una atmósfera gaseosa de tal composición que el carbono y el nitrógeno se absorben simultáneamente. Las atmosferas utilizadas en la carbonitruración generalmente incluyen una mezcla de gas portador, gas enriquecedor y amoniaco. El gas portador suele ser una mezcla de Nitrógeno, Hidrógeno y Monóxido de Carbono producido en un generador endotérmico, como el de carburización por gas. El gas enriquecedor es generalmente propano o gas natural y constituye la principal fuente para el carbono agregado a la superficie. A la temperatura del horno, el amoniaco agregado (NH 3) se disocia para proporcionar Nitrógeno a la superficie del acero. A continuación se puede observar en la siguiente figura, la porción externa carbonitrurada sobre un acero C1213.

Figura 5.6 Porción externa carbonitrurada sobre un acero AISI C1213. Calentado a 1550ºF durante 20 minutos en una atmósfera de amoniaco  – propano, y luego templado en aceite. aceite. Atacado químicamente químicamente en nital al 2%, 125X. Profundidad de la porción externa: aproximadamente 0.0025 pulgadas.

5.10 NITRURACIÓN, SULFINIZACIÓN Nitruración Este es un proceso de endurecimiento superficial de aceros aleados en una atmosfera constituída por una mezcla en proporciones adecuadas de gas amoniaco y amoniaco disociado. La efectividad del proceso depende de la formación de nitruros en el acero por la reacción del Nitrógeno con ciertos elementos de aleación. Las piezas que se nitrurarán se colocan en un recipiente hermético, a través del cual se proporciona continuamente la atmosfera de nitruración, mientras que la temperatura se eleva y mantiene entre 925 y 1050 ºF. El ciclo de nitruración es muy largo, dependiendo de la profundidad de la superficie deseada. En la siguiente figura para un ciclo cicl o de 60 horas a 975 °F ° F y de acuerdo a la gráfica se puede obtener una superficie dura a aproximadamente 0.024 pulgadas de profundidad. 66

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Figura 5.7

Profundidad de nitruración contra el tiempo

5.11 TRATAMIENTOS SUPERFICIALES (TEMPLE A LA LLAMA) Temple a la llama. En este proceso el calor puede aplicarse con un soplete de oxiacetileno o puede formar parte de un equipo, el cual automáticamente caliente, temple y coloque las piezas. La profundidad de la zona endurecida puede controlarse mediante el ajuste de la intensidad de la llama, el tiempo de calentado o la velocidad de recorrido. Se necesita habilidad para ajustar y operar el equipo que funciona manualmente, a fin de evitar sobrecalentamiento de la pieza debido a la temperatura de la llama. El sobrecalentamiento puede producir tanto fisuras después del templado como excesivo crecimiento de grano en la región que está debajo de la zona endurecida. En general se utilizan cuatro métodos de endurecimiento por llama: a) Estacionario b) Progresivo c) Giratorio d) Progresivo - Giratorio A continuación se muestra el método progresivo de endurecimiento por llama.

Figura 5. 8 Método progresivo de endurecimiento por llama ama que muestra la forma de dureza obtenida.

ESTACIONARIO.- Tanto el soplete como la pieza son estacionarios; se utiliza para el endurecimiento rápido y cualitativo de pequeñas piezas como vástagos de válvula y llaves inglesas de extremo abierto. PROGRESIVO.- El soplete se mueve sobre una pieza de trabajo estacionaria, se emplea para endurecer piezas grandes, como las guías o bancadas de un torno, pero también se adapta al tratamiento de dientes de grandes engranajes. GIRATORIO.- En este proceso el soplete es estacionario y la pieza gira; se utiliza para endurecer piezas de sección transversal circular, como engranajes de precisión, poleas y componentes semejantes. PROGRESIVO –GIRATORIO.- El soplete se mueve sobre una pieza giratoria; se utiliza para endurecer la superficie de piezas largas y circulares, como ejes y rodetes. En todos los métodos, una vez calentada la zona, se debe templar rápidamente; esto puede hacerse mediante: 67

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a) Agua rociada. b) Templar la pieza completa en agua o aceite. c) Enfriado con aire (en algunos algunos aceros). Después del templado, la pieza debe de liberarse de esfuerzos esfuerzos residuales calentándola en el intervalo de 350 350 a 400 °F y enfriándola con aire. Este tratamiento no reduce considerablemente la dureza de la superficie. La zona endurecida suele ser mucho más profunda que la que se obtiene por carburación y varía de 1/8” a ¼” de profundidad. Superficies endurecidas delgadas, del orden de 1/16” pueden obtenerse aumentando la velocidad de calentamiento y templado. Entre las ventajas del endurecimiento por llama está su portabilidad y su adaptabilidad. El equipo puede llevarse al trabajo y ajustarse para tratar sólo el área que requiere r equiere endurecimiento. Desventajas.- Posibilidad de sobrecalentamiento dañando de esta manera la pieza y la dificultad para producir zonas endurecidas menores de 1/16” de profundidad.

5.12 TEMPLE POR INDUCCIÓN Este proceso depende, para su operación del calentamiento localizado que producen las corrientes inducidas en un metal bajo la acción de un campo magnético rápidamente cambiante. La operación es semejante a la de un transformador en el cual el primario o bobina de trabajo está constituido por varias vueltas de tubería de cobre enfriados por agua y la pieza que va a endurecerse desempeña el papel de secundario de un equipo de inducción de alta frecuencia.

DISEÑOS BÁSICOS DE BOBINAS DE TRABAJO PARA EMPLEARLOS COMO UNIDADES DE ALTA FRECUENCIA: A).-SELENOIDE SIMPLE PARA CALENTAMIENTO EXTERNO. B).-BOBINA PARA UTIILIZARLA INTERNAMENTE EN EL CALENTAMIENTO DE DIÁMETROS INTERNOS. C.-BOBINA DEL TIPO “PLATO PARA PARA PASTEL”, DISEÑADA CON EL FIN DE PROPORCIONAR ALTAD DENSIDADES DE CORRIENTE EN UNA BANDA ANGOSTA PARA APLICACIONES EN LAS QUE Q UE ES NECESARIO RECORRER LA SUPERFICIE A LO LARGO. D).-BOBINA DE UNA SOLA VUELTA PARA RECORRER A LO LARGO UNA SUPERFICIE GIRATORIA, CON UN ADITAMENTO QUE AYUDARÁ A CALENTAR EL CHAFLÁN. E).-BOBINA TIPO “TORTA” PARA CALENTAMIENTO LOCALIZADO EN UN PUNTO ESPECÍFICO. Cuando la corriente alterna de alta frecuencia pasa por la bobina de trabajo o primario, se forma un campo magnético de alta frecuencia, el cual induce corrientes parásitas de alta frecuencia y corrientes de Histéresis en el metal. El calentamiento resulta de la resistencia del metal al paso de estas corrientes. Las corrientes inducidas de alta frecuencia tienden a viajar por la superficie del metal, lo cual se conoce como efecto de piel; por lo tanto es posible calentar el interior; sin embargo el calor aplicado a la superficie tiende a fluir hacia el centro por conducción; de este modo el tiempo de calentamiento es un factor importante para controlar la l a profundidad de la zona endurecida. La capa superficial, se calienta prácticamente al instante, a una profundidad que es inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la frecuencia. El intervalo de frecuencias comúnmente utilizado está es tá entre 10,000 y 50,000 Hz. Debido a que este método de control de temperatura es indirecto, las condiciones que producen la profundidad requerida de la superficie endurecida suelen determinarse experimentalmente. Un pirómetro de Radiación puede utilizarse para medir y controlar la temperatura real de la pieza y mejorar la uniformidad del endurecimiento. Como en el caso del endurecimiento por llama, debe hacerse de tal manera que sea posible templar rápidamente la pieza después de que ha  alcanzado la temperatura deseada. Las piezas de acero endurecidas en su superficie por inducción generalmente sufren menor distorsión total que si se hubieran templado después de calentarlas en un horno. Las estructuras Perlita  –  Ferrita, típicas de aceros normalizados, laminados en caliente y recocidos con 0.40 a 0.50 % de Carbono, responden en forma satisfactoria al endurecimiento por inducción. Otra ventaja de este método es la capacidad para instalar el equipo de manera directa en dentro de la línea de producción y emplear operarios relativamente inexpertos, ya que la separación es prácticamente práctic amente automática. Desventajas: costo del equipo, el hecho de que las pequeñas cantidades o piezas de forma irregular no pueden manejarse económicamente y los altos costos de mantenimiento. Las piezas típicas que se han endurecido por inducción son varillas para pistón, flechas para bombas, engranes para rueda dentada y levas. Ver siguiente figura con diferentes arrollamientos para unidades de alta frecuencia.

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Figura 5.9 Arrollamientos para para unidades de alta frecuencia y los modelos caloríficos obtenidos por cada una.

5.13 PROBLEMAS DE APLICACIÓN 5.13.1.-Se lleva a cabo un proceso de carburación en un acero con 0.10% de Carbono introduciendo 1.0 % de Carbono en la superficie a 980 °C, donde el Fe es CCCa. Calcule el contenido de Carbono a 0.01 cm, 0.05 cm y 0.10 cm debajo de la superficie después de 1 hora. 5.13.2.-Se calienta a 912 °C un hierro que contiene 0.05 % C en una atmósfera que produce 1.20 % C en la superficie y se mantiene durante 24 horas; calcule el contenido de Carbono a 0.05 cm debajo de la superficie si: a) El hierro es CCCu b) El hierro es CCCa Explique la diferencia.

5.13.3.-¿ Que temperatura se requiere para obtener 0.50 % C a una distancia de 0.5 mm debajo de la superficie de un acero con 0.20 % C en 2 horas, cuando está presente 1.10 % C en la superficie? Suponga que el hierro es CCCa. 5.13.4.-Se va a carburizar un acero con 0.15 % C a 1100 °C, lo que da 0.35 % C a una distancia de 1 mm debajo de la superficie. Si la composición de la superficie se mantiene a 0.90 % C, ¿Qué tiempo se requiere? 5.13.5.-Se va a carburizar un acero con 0.02 % C a 1200 °C en 4 horas, con el contenido de Carbono 0.6 mm debajo de la superficie que alcanza 0.45 % C, Calcule el contenido de Carbono requerido en la superficie del acero. 5.13.6.-Un acero con 0.80%C debe operar a 950ºC en un ambiente oxidante para el que el Carbono contenido en la superficie sea cero. Solo los o.02 cm de la parte más externa del acero puede bajar de 0.75%C ¿Cuál es el tiempo máximo que puede operar esa parte del acero? 5.13.7.-¿Qué tiempo se requiere para nitrurar un acero con 0.002%N a una distancia de 0.002” debajo de la superficie a 625ºC ? El contenido de Nitrógeno en la superficie es de 0.15%.

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