Endurecimiento por Precipitación

El envejecimiento térmico, también conocido como endurecimiento por precipitación es un tratamiento térmico para endurecer, es decir, aumentar la dureza y resistencia de las aleaciones. Se basa en la deposición de fases metaestables en forma finamente dividida, de modo que forma una barrera eficaz contra los movimientos de las dislocaciones. La resistencia a la fluencia de las aleaciones así tratadas puede aumentar hasta 300 MPa.

Algunas aleaciones endurecidas por envejecimiento térmico:

• La serie 2000 de aleaciones de aluminio (ejemplos importantes: 2024 y 2019, también de aleación de Y y Hiduminium)
• La serie 6000 de aleaciones de aluminio (ejemplo importante: 6061 para los cuadros de bicicleta y de las estructuras aeronáuticas)
• La serie 7000 de aleaciones de aluminio (ejemplos importantes: 7075 y 7475)
• Acero inoxidable 17-4PH (UNS S17400)
• Acero martensítico
• Inconel 718
• Aleación X-750
• René 41
• Waspaloy.

Endurecimiento superficial del acero

El endurecimiento superficial es un término general que abarca una amplia variedad de técnicas, todas ellas con el mismo objetivo: Aumentar la dureza superficial de la pieza, incrementando la resistencia al desgaste y conservando la tenacidad en el interior de la misma. En algunas aplicaciones se busca, además, incrementar la resistencia a la fatiga.

Esta combinación de superficie dura y resistencia al impacto, dos propiedades en general opuestas entre sí, es útil en piezas tales como engranajes, ejes y piezas sometidas al desgaste mecánico. Hay tres enfoques diferentes a los diversos métodos de endurecimiento superficial. Estos son: Procesos Termoquímicos, Procesos Térmicos y Revestimientos. Las principales diferencias entre ellos se muestran en la tabla a continuacion.

Tabla 1. Métodos ingenieriles para el endurecimiento superficial de los aceros y algunos no ferrosos.

Procesos Termoquímicos

 Son procesos de endurecimiento superficial por difusión. En este caso, se modifica la composición química de la superficie de la pieza mediante un proceso termoquímico, el cual necesita calor para promover la disfusión de una especie endurecedora hacia la superficie y regiones subsuperficiales de la pieza a tratar. Este proceso de difusión modifica la composición química de la superficie de la pieza, formando una capa dura.

Tabla 2. Clasificación de los procesos de endurecimiento por difusión (procesos termoquímicos). 

Carburización

Es un proceso de endurecimiento superficial en el que la especie endurecedora es el carbono. Se emplea para endurecer principalmente superficies de piezas de acero de bajo carbono y aceros aleados de bajo carbono, generalmente de 0.08 a 0.25 %C.

El proceso de carburización puede resumirse en los siguientes pasos:

a) Calentar la pieza hasta la temperatura de austenización (815-1090 ºC).

b) Someter la pieza a un medio carburante (sólido, líquido o gaseoso) por un determinado tiempo (de algunas horas a días, dependiendo del medio carburante).

c) Temple la pieza: La superficie carburada, de mayor templabilidad, forma martensita. El núcleo de la pieza, cuya composición química no es alterada, posee menor templabilidad y no forma martensita.

d) Revenido de la microestructura martensítica superficial.

De esta forma, se obtiene en la pieza un gradiente superficial en la concentración de carbono. Como consecuencia, se genera un gradiente de dureza, que es mayor en la superficie y decrece hacia el interior. Así se genera una superficie dura (50-65 HRC) y resistente al desgaste, conservando la tenacidad del interior de la pieza.

Fig 1. Gradiente en la concentración de carbono que resulta de la carburización gaseosa de un acero SAE 8620 para 4, 8 y 16 horas a 927 ºC. Der: Diferentes microestructuras de la carburización sólida de un acero 0.15% C, luego de un enfriamiento lento desde 940ºC por a) 1 hora, b) 2 horas y c) 4 horas. 

Nitruración

Es una técnica de endurecimiento superficial de aleaciones ferrosas en el que se consiguen durezas extraordinarias en la periferia de las piezas por absorción de nitrógeno en una atmósfera de amoníaco y sin la necesidad de un temple final.

Las piezas que se desean nitrurar son siempre templadas y revenidas antes de la nitruración. La nitruración se realiza en una atmósfera de amoníaco a 500-575 ºC, durante 20 a 80 horas. Se alcanzan profundidades de capa de 0.20 a 0.70 mm y durezas de hasta 70 HRC.

Los pasos completos del proceso de nitruración suelen ser los siguiente:

a) Mecanizado de las barras laminadas o piezas en bruto de forja o estampado, dejando un exceso de 2 mm sobre las medidas finales.

b) Temple y revenido a una temperatura tal que el núcleo consiga la dureza o resistencia deseada.

c) Mecanizado final de las piezas, dejándolas casi exactamente a las medidas finaIes.

d) En algunos casos se somete a las piezas a un tratamiento a 500-600 ºC (temperatura inferior a la de revenido) para eliminar las tensiones de mecanizado.

e) Protección de las superficies que no se quiere endurecer y desengrasado.

f) Nitruración.

g) Ligero rectificado final (opcional).

Figura 21. Esquema y microestructura de la capa nitrurada. La microestructura de la derecha corresponde a un acero 0.4%C, 1.6%Cr, 0.35%Mo y 1.13%Al. El núcleo consiste de martensita revenida con 30 HRC de dureza.

TRATAMIENTOS ISOTÉRMICOS

Consisten en calentar el acero por encima de la temperatura crítica superior (A3) o inferior (A1) según los casos (generalmente 740 a 880°C) 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.

¿Qué es un Recocido?

 El recocido es un tratamiento térmico cuya finalidad es el ablandamiento, la recuperación de la estructura o la eliminación de tensiones internas generalmente en metales. Cualquier metal que haya sido tratado tiene como resultado una alteración de las propiedades físicas del mismo. El recocido consiste en calentar el metal hasta una determinada temperatura para después dejar que se enfríe lentamente, habitualmente, apagando el horno y dejando el metal en su interior para que su temperatura disminuya de forma progresiva. El proceso finaliza cuando el metal alcanza la temperatura ambiente. Mediante la combinación de varios trabajos en frío y varios recocidos se pueden llegar a obtener grandes deformaciones en metales que, de otra forma, no podríamos conseguir.

Los Objetivos 

Son eliminar las tensiones internas producidas por tratamientos anteriores (como el templado) como aumentar la plasticidad, la ductilidad y la tenacidad del material. Con el recocido de los aceros también se pretende ablandar las piezas para facilitar su mecanizado o para conseguir ciertas especificaciones mecánicas. A su vez, mediante el recocido, se disminuye el tamaño del grano y se puede producir una microestructura deseada controlando la velocidad a la que se enfría el metal.

                            Tipos de Recocido

Recocido De Regeneración Completa

·   Con el nombre de recocidos se conocen varios tratamientos cuyo objetivo principal es ablandar el metal. Dicha acción puede implicar la regeneración de su microestructura o simplemente, la eliminación de tensiones internas.

·  Consisten en calentamientos a temperaturas adecuadas, seguidos generalmente de enfriamientos lentos.

·       En este caso la temperatura se eleva para lograr la recristalización de la microestructura, lo que genera la formación de nuevos granos que reemplazan estructuras previas de granos grandes o deformados. La dureza se minimiza.

·      En el caso de los aceros, se ingresa en el estado austenítico, por encima de la temperatura crítica superior A3 y se enfría muy lentamente.

Objetivos Principales

·         Ablandar el acero.

·         Regenerar su estructura.

·         Otorgar elevada plasticidad.

·         Mejorar la maquinabilidad.

Recocido Subcritico

·      Con temperaturas moderadas se logra relajar tensiones resultantes de procesos previos como soldadura, fundición, deformación plástica, etc. En caso de aceros, se calienta por debajo de la temperatura crítica A1.

Objetivos Principales

·         Estabilidad dimensional a lo largo del tiempo.

·         Prevención de procesos de corrosión.

·         Mejora de la ductilidad.

Recocido de Globulización

·   Se aplican particularmente a aceros que demandan la mínima dureza y la máxima plasticidad.

·     Se emplean temperaturas cercanas a la crítica inferior A1 y se caracterizan por tiempos largos de permanencia para lograr la esferoidización o globulización del carburo de hierro (Cementita) en la matriz ferrítica.

Objetivos Principales

·         Preparación de materias primas para conformar en frío.

·         Aumento de permeabilidad magnética.

Normalizado en los recocidos.

En aceros y fundiciones se aplica para regenerar la estructura de granos con el objetivo de eliminar distorsiones ocasionadas por procesos productivos previos, como en piezas que han sufrido trabajos en caliente o en frío, soldadura, etc.

Consiste en un calentamiento a temperaturas ligeramente por encima de la crítica superior (A3), seguido de un enfriamiento en aire hasta temperatura ambiente. Dicho ciclo es asumido como condición “normal” de enfriamiento de donde deriva el nombre del proceso.

Objetivos Principales

·         Recristalizar micro-estructura.

·         Afinar tamaño de grano.

·         Mejorar propiedades mecánicas.

·         Mejorar maquinabilidad.

El Temple

En numerosos aceros y en bronces al aluminio, es el proceso que permite incrementar la dureza del material a su máximo nivel. Normalmente, este proceso va complementado con un posterior “revenido”, a fin de hallar un punto de equilibrio entre alta dureza y buena tenacidad ya que si la dureza se maximiza, se tiene el riesgo de rotura por fragilidad. 

Las temperaturas necesarias para templar superan a la crítica superior, para “austenizar” el acero previo al enfriamiento. La velocidad del enfriamiento deberá ser suficientemente rápida para llegar a la máxima dureza. En general los medios de temple son líquidos (agua, aceite, sal o polímeros), aunque en algunas aleaciones, el temple puede lograrse en aire o con gases, siendo los elementos de aleación del acero lo que permiten tal operación.

Objetivos Principales

·         Aumentar resistencia mecánica.

·         Mejorar respuesta al desgaste.

·         Incrementar la tenacidad.

                           El Revenido

En numerosos aceros y en bronces al aluminio, es el proceso que permite incrementar la dureza del material a su máximo nivel. Normalmente, este proceso va complementado con un posterior “revenido”, a fin de hallar un punto de equilibrio entre alta dureza y buena tenacidad ya que si la dureza se maximiza, se tiene el riesgo de rotura por fragilidad. 

Las temperaturas necesarias para templar superan a la crítica superior, para “austenizar” el acero previo al enfriamiento. La velocidad del enfriamiento deberá ser suficientemente rápida para llegar a la máxima dureza. En general los medios de temple son líquidos (agua, aceite, sal o polímeros), aunque en algunas aleaciones, el temple puede lograrse en aire o con gases, siendo los elementos de aleación del acero lo que permiten tal operación.

Objetivos Principales:

·         Aumentar resistencia mecánica.

·         Mejorar respuesta al desgaste.

·         Incrementar la tenacidad.

                          Proceso Isotérmico

En este proceso la temperatura permanece constante. Como la energía interna de una gas ideal sólo es función de la temperatura, en un proceso isotérmico de un gas ideal la variación de la energía interna es cero (∆U= 0) La curva hiperbólica se conoce como    isotérmica.

De acuerdo con la primera ley de la termodinámica tenemos:

Q    = ∆U +W. Como ∆U    = 0, entonces,            Q = W

Este proceso se observa cuando en un    pistón que contiene un gas, después de suministrarle calor y producir cambios tanto en la presión como en el volumen su temperatura permanece    constante.

TRATAMIENTOS TERMICOS

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.
Por medio de la representación gráfica temperatura frente a tiempo se puede caracterizar cualquier tratamiento térmico. De una manera muy generalizada se pueden considerar los siguientes puntos importantes: la temperatura máxima de calentamiento, Tmax, hasta la cual se calienta el material durante el tratamiento térmico, el tiempo que se mantiene a la temperatura máxima, tm, y las velocidades de calentamiento y de enfriamiento.
fig 4.1

Hay dos valores de temperatura durante el calentamiento que son importantes de destacar: la temperatura AC₁, o aquella en la que empieza a aparecer el constituyente austenita (723^oC), y la temperatura AC₃ o aquella en la que toda la masa de acero se ha transformado ya en austenita (entre 723^oC y 1.148^oC); los valores concretos de estas temperaturas varían según la proporción de carbono que contienen el acero.

El diagrama de fases Fe-Fe₃C (figura 4.2) es la base para el estudio de los tratamientos térmicos de los aceros, en particular solo la parte del diagrama correspondiente a las aleaciones cuya concentración no supera el 2% de C, de manera que la parte que realmente interesa es la coloreada. 

fig 4.2

Importancia de los tratamientos térmicos del acero

El acero es el más importante de todos  los productos siderúrgicos y esto lo confirma el hecho de que se dedique a su obtención el 80% del hierro líquido producido en los altos hornos. Uno de los hechos que justifica la importancia del acero en la industria es la posibilidad de obtener una gran variedad de propiedades con el mismo tipo de material. Por ejemplo, podemos disponer de aceros maleables para chapas, de aceros inoxidables para trabajos en ambientes húmedos, de aceros magnéticos para aplicaciones electromecánicas, de aceros de elevada dureza y resistencia al desgaste y a las altas temperaturas para herramientas de corte, etc.
Gran parte de la variabilidad de las propiedades se debe a los distintos tratamientos a que se somete el acero entre los que destacan la laminación, el forjado, los tratamientos térmicos como el temple, el recocido, el revenido y el normalizado, tratamientos superficiales como la cementación y la nitruración, etc.

Intersticios Tetraédricos y Octaédricos

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

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)

Regla de la Palanca

Los porcentajes en peso de las fases en las regiones bifásicas de un diagrama de fases en equilibrio binario se calculan mediante la regla de la palanca. Por ejemplo, usando la regla de la palanca, el tanto por ciento en peso de líquido y el tanto por ciento en peso de sólido para una temperatura determinada se calcula para una aleación de composición media en la región bifásica (líquido más sólido) en el diagrama de fases binario Cu-Ni.

Para obtener las ecuaciones de la regla de la palanca se considera el diagrama de fases en equilibrio binario de dos elementos A y B, que son completamente solubles entre sí, corno muestra la Figura.

Sea la composición de la aleación de interés y w0 la fracción en peso de B en A. Sea T la temperatura de interés. Si se traza una isoterma a esa temperatura T desde la línea de líquidos hasta la de sólidos (línea LS), a la temperatura T la aleación x consta de una mezcla de líquido de fracción en peso wl de B y sólido de fracción en peso ws de B. 

Las ecuaciones de la regla de la palanca se obtienen usando balances de peso. Una ecuación para la obtención de dichas ecuaciones se obtiene al sumar la fracción de peso de la fase liquida, Xl y la fracción de peso la fase sólida, Xs, e igualar dicha suma a la unidad. De este modo:

Una segunda ecuación para la deducción de la regla de la palanca se obtiene por balance de peso de B en la aleación como un todo y la suma de B en las dos fases por separado. Considérese 1 g de la aleación y efectúese el balance de peso:

DEFECTOS CRISTALINOS 2

Un defecto cristalino es cualquier perturbación en la periodicidad de la red de un sólido cristalino. El cristal perfecto es un modelo ideal, en el que las diferentes especies (ya sean moléculas, iones o átomos neutros) están colocados de forma periódica y regular, extendiéndose hasta el infinito. En la realidad, cualquier cristal presenta defectos en este modelo ideal, empezando por el hecho de que no hay cristales infinitos.

Defectos puntuales

Son discontinuidades de la red que involucran uno o quizá varios átomos. Los defectos puntuales alteran el arreglo perfecto de los átomos circundantes, distorsionando la red a lo largo de quizás cientos de espaciamientos atómicos, a partir del defecto. Una dislocación que se mueva a través de las cercanías generales de un defecto puntual encuentra una red en la cual los átomos no están en sus posiciones de equilibrio. Esta alteración requiere que se aplique un esfuerzo más alto para obligar a que la dislocación venza al defecto, incrementándose así la resistencia del material.

Vacancias: Una vacancia se produce cuando falta un átomo en un sitio normal.

Defectos intersticiales: Se forma un defecto intersticial cuando se inserta un átomo adicional en una posición normalmente desocupada dentro de la estructura cristalina. Los átomos intersticiales, mucho más pequeños que los átomos localizados en los puntos de la red, son mayores que los sitios intersticiales que ocupan; en consecuencia, la red circundante aparece comprimida y distorsionada.

Defectos sustitucionales: Se crea un defecto sustitucional cuando se remplaza un átomo por otro de un tipo distinto. El átomo sustitucional permanece en la posición original. Cuando estos átomos son mayores que los normales de la red, los átomos circundantes se comprimen; si son más pequeños, los átomos circundantes quedan en tensión.

Defecto Frenkel: Se da cuando un ion salta de un punto normal de la red a un sitio intersticial, dejando detrás una vacancia.

Defecto Schottky: Es un par de vacancias en un material de enlace iónico; deben faltar tanto un anión como un catión de la red si se ha de preservar la neutralidad eléctrica del cristal.

Defectos de línea (Dislocaciones)

Es un defecto lineal o unidimensional en torno a algunos átomos desalineados.

Dislocación de arista o de borde: Un semiplano extra de átomos se inserta en la estructura cristalina

Dislocación helicoidal o de tornillo: Los planos atómicos trazan un camino espiral o helicoidal al redor de la línea de dislocación.

Defectos de superficie

Son las fronteras o planos que separan un material en regiones de la misma estructura cristalina pero con orientaciones cristalográficas distintas.

Superficie del material: En las superficies externas del material la red termina de manera abrupta. Cada átomo de la superficie ya no tiene el mismo número de coordinación y se alterar el enlace atómico. Asimismo, la superficie puede ser muy áspera y contener pequeñas muescas.

Fronteras de grano: La microestructura de la mayor parte de los materiales está formada por muchos granos. Un grano es una porción del material dentro del cual el arreglo atómico es idéntico.

Sin embargo, la orientación del arreglo atómico, o de la estructura cristalina, es distinta para cada grano. La frontera de grano, que es la superficie que separa los granos, es una zona estrecha en la cual los átomos no están correctamente espaciados. Esto quiere decir que, en algunos sitios, los átomos están tan cerca unos de otros en la frontera de grano que crean una región de compresión y en otras áreas están tan alejados que crean una región de tensión.

Bordes de macla: Un límite de macla es un tipo especial de límite de grano a través del cual existe una simetría de red especular; esto es, los átomos de un lado del límite son como imágenes especulares de los átomos del otro lado. La región de material entre estos límites se denomina macla. Las maclas se generan por desplazamientos atómicos producidos al aplicar fuerzas mecánicas cizallantes (maclas mecánicas) y también durante tratamientos térmicos de recocido posteriores a la deformación (maclas de recocido). Los bordes de macla interfieren con el proceso de deslizamiento incrementando la resistencia del metal.

SOLUCIONES SOLIDAS Y DIAGRAMA DE FASES

Soluciones Solidas

Es una solución en estado sólido de uno o más solutos en un disolvente.

 INTERSTICIALES 

Un compuesto intersticial o aleación intersticial son compuestos no- estequiométrico de al menos dos elementos. Se trata de un compuesto o una aleación en la que una parte de las cavidades intersticiales en la red cristalina están ocupados por los átomos o iones de un elemento de aleación.

·         

Sustitucionales

Son en las que el átomo o ion que se introduce sustituye a otro átomo o ión de la misma carga en la estructura huésped

Diagrama de Fase

Sustancias Puras: Una sustancia pura es aquella cuya composición no varía, aunque cambien las condiciones físicas en que se encuentre. Por ejemplo, el agua tiene una fórmula que es H₂O y es siempre la misma, lo que indica que está formada por moléculas en las que hay 2 átomos de hidrógeno y 1 átomo de oxígeno. Si cambiara esa fórmula, sería otra sustancia diferente. 

·         Sistemas Isomorfos: En los sistemas isomorfos, sólo se forma una fase sólida; los dos componentes del sistema presentan solubilidad sólida ilimitada. Diagramas de fase: Son representaciones gráficas de las fases que están presentes en un sistema de materiales a varias temperaturas, presiones y composiciones.

·         Sistemas Eutécticos: Se entiende por eutéctico a la mezcla homogénea de sólidos íntimamente conectados, formando una  retícula, al alcanzar una proporción de porcentaje atómico única entre los componentes, que posee un punto de fusión más bajo que el que poseen los compuestos individualmente.

Eutéctico es una mezcla de dos componentes con punto de fusión (solidificación) o punto de vaporización (licue facción) mínimo, inferior al correspondiente a cada uno de los compuestos en estado puro. Esto ocurre en mezclas que poseen alta estabilidad en estado líquido, cuyos componentes son insolubles en estado sólido.

Dados un disolvente y un soluto insolubles en estado sólido, existe para ellos una composición llamada mezcla eutéctica en la que, a presión constante, la adición de soluto ya no logra disminuir más el punto de fusión. Esto hace que la mezcla alcance el punto de congelación (en caso de líquidos, licue facción) más baja posible y ambos se solidifiquen a esa temperatura (temperatura eutéctica).