9. Tratamientos termoquímicos

Tratamientos Trmicos

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TRATAMIENTOS TERMOQUIMICOSMsc. Jess Ruiz Saavedra

Pontificia Universidad Catlica del Per

La razn de modificar la composicin y estructura, ypor tanto las propiedades de los materiales son a ra-zn de responder en mejor performance a solicitacio-nes mecnicas y o ambientales. Dependiendo del re-querimiento: desgaste abrasivo, desgaste erosivo,desgaste adhesivo, dureza, resistencia mecnica, re-sistencia a la corrosin, etc.; existe un material de ca-ractersticas metlicas y/o cermicas que presente lamejor performance en servicio.

Existe hoy en da una amplia variedad de tratamien-tos para incrementar las propiedades de los materia-les a travs de tratamientos que podemos clasificar-los en funcin de su forma de aplicacin.

"listn", este tipo de transformacin Martenstica esmasivo y la morfologa es de un "paquete" de listonesorientados paralelamente.

La Martensita tipo "Laht" es la Martensita con lasmejores propiedades de "Tenacidad"

TECNICAS DE PROCESAMIENTO POR

TECNICAS DE RECUBRIMIENTO POR

TECNICAS DE RECUBRIMIENTO POR PVD -

TECNICAS DE TRATAMITNTOS

TRATAMIENTOS PARA INCREMENTAR CIERTAS PROPIEDADES EN LOS MATERIALES

Fig. 1.-. Tratamientos utilizados para mejorar larespuesta de los materiales a las solicitaciones

de servicio.

Para el caso de las aleaciones ferrosas, los tratamien-tos aplicados generalmente se destinan a la de pro-ducir un endurecimiento superficial. Para esto debe-mos recordar que de las microestructuras que ofrecenel sistema Fe-Fe3C en sus condiciones de enfriamientoen equilibrio y en no-equilibrio las Martensita son lasque ofrecen la mayor tenacidad (Martensita de mediocarbono en condicin revenida) y la mayor dureza(Martensita de alto carbono.

La figura 2. Nos muestra la variacin de las Martensitaen funcin del contenido de carbono. Para bajos ymedios contenidos de carbono (< 0,4% C) la Martensitaes del tipo "Laht", que podemos traducirla como tipo

Fig. 2.-. Transformacin Martenstica en funcin delcontenido de Carbono.

A mayores contenidos de carbono (< 0,6%C) la mayortensin cizallante ejercida durante la transformacinproduce una cambio en la morfologa Martenstica,ahora se trata de la tipo "Plate" traducida como tipo"placa" ya que se presentan agujas individuales deMartensita orientadas segn la direccin cristalogrficade menor energa libre.

A la Martensita tipo "Plate" le corresponde las ma-yores durezas (y por tanto resistencia al desgaste.En la mayora de aplicaciones en los componentes demaquinas para la de transmisin de movimiento y/opotencia las solicitaciones son complejas requiriendomateriales con propiedades particulares. Es comnen estas aplicaciones requerir componentes que po-sean un comportamiento tenaz capaz de soportar de-formaciones elsticas, esfuerzos de flexin, resisten-cia a la fatiga, a la compresin, etc., De acuerdo conlo establecido anteriormente estas caractersticas pue-den ser satisfechas con aceros con estructura deMartensita del tipo "Laht", ejemplos tpicos, tenemospernos de lata tensin, ejes y pines.

HRC

%C

56

60

LATH PLATE

L + P

Avances en tratamientos trmicos

90

Adicionalmente a este comportamiento tenaz tambines requisito en estos componentes una superficie ca-paz de soportar desgaste por friccin contra las otrassuperficies de trabajo. Como la capacidad de sopor-tar desgaste esta asociado con la dureza en a mayo-ra de los casos, entonces colocar una microestructurade Martensita tipo "Plate" es a ms conveniente en lasuperficie de trabajo. Eventualmente tambin se pue-de colocar alguna fase con caractersticas de uncermico (materiales duros y resistentes a la friccin).

A eleccin de la mejor microestructura a colocar en lasuperficie de trabajo, se designa el tratamientotermoqumico, as por ejemplo: para aumentar el con-tenido de carbono y obtener Martensita "Plate", el pro-ceso se llama "CARBURACION O CEMENTACION",si lo que deseamos es colocar una fase cermica comoel Fe2N que es dura y resistente a la corrosin, elproceso se llama "NITRURACION", un proceso mixtoentre ambos "CARBONITRURACION oNITROCARBURACION" dependiendo que procesoprima en el tratamiento. Si deseamos formar compues-to con Azufre el proceso se llama "SULFIDIZACION".

Dentro de los tratamientos termoqumicos ms difun-didos para incrementar las propiedades de los acerosl mas conocido es el del carburacin o cementacin.En este proceso el endurecimiento se producir porincremento del contenido de carbono en la superficiedel material hasta 0,9%C aproximadamente (63 HRC),luego se realiza el enfriamiento de temple y el cualpuede ser seguido por un tratamiento de revenido.

Para que exista la transferencia de masa necesita-mos de una fuente (infinita) de tomos de carbono quemantengan la diferencia de concentracin entre lasuperficie y el ncleo y promueva el desplazamientoatmico. Fick ha planteado el estudio de tal mecanis-mo a travs de sus leyes

Primera ley (flujo estacionario)

Alto contenido de carbono ( 0,9

%C)

bajo contenido de carbono ( 0,2%C)

Fig. 3.- Cementacin de un engranaje de acero

Los procesos por los cuales podemos adicionar (di-fundir) el carbono u otra especia atmica a la superfi-cie del componente sern controlados por dos par-metros principalmente. La transferencia de tomos decarbono a la superficie esta controlado por la DIFU-SION y como es razonablemente lgico a mayor TEM-PERATURA mayor difusin, a pesar que el coeficien-te de difusin es mayor en el Fe- a es superior que enel Fe-g, posee un limite muy bajo de solubilidad. 0,025%C a 723C. Esta es la razn por lo que es necesarioaumentar la temperatura para conseguir la faseAustentica la cual posee la capacidad de absorberun mayor contenido de carbono (aprox. 2%C).

Acero

C Fig.4.- 1ra Ley de Fick

Como el proceso de cementacin es un proceso porel cual el material va enriquecindose de carbono esun proceso no estacionario de difusin, para lo cualresolviendo la ecuacin de la primera Ley en funcindel tiempo:

Segunda ley

Fig.5.- 2da Ley de Fick

Para el caso especifico de la cementacin la ecuacinde segundo orden tiene una solucin del tipo:

Donde:CS = concentracin de la superficieCo = concentracin uniforme inicial en el componen-

teCx = concentracin de elementos a una distancia x

desde la superficie en el tiempo tx = distancia a la superficieD = Difusividad de las especies en difusin en la red

matrizt = tiempoerf = funcin error = erf (x/////2 Dt) es la funcin error

Gausiana - esta es como una funcin densidadde probabilidad continua desde 0 a x/2 Dt


91

Si establecemos un penetracin efectiva o difusin detomos de carbono del 50% de la concentracin su-perficial Xeff la ecuacin se reduce sustancialmente:

Donde es un factor que depende de la geometra dela pieza.F.E Harris desarrollo una formula en funcin del tiem-po y la temperatura sobre la profundidad decementacin, para las unidades inglesas, es:

atmsfera interior de la caja se enriquece de oxido decarbono la cual en presencia de activadores comocarbonatos de bario, de sodio, de potasio, demagnesio, de estroncio, producen la adicin de car-bono al material.

Reacciones Bsicas:

X = 31,6 t

10 (6700/T)

la formula equivalente para el sistema SI:

X = 660. e -8287/T

Donde x, en mm, t en horas y T en grados K ( T + 273)X = 0,635 t para 925CX = 0,533 t para 900CX = 0,457 t para 870C

Esta ecuacin puede usarse con buenos resultadosen la aplicacin de los procesos comerciales/ indus-triales de cementacin gaseosa.

En cuanto a las formas como comerciablemente po-demos "introducir" los tomos de carbono en el acerode los componentes que queremos tratar estos puedeser procesados por:

- Cementacin Slida (en cajas)- Cementacin Gaseosa- Cementacin en sales fundidas

CEMENTACION EN CAJA

La pieza se coloca dentro de una caja la cual contieneun cementante slido (carbn vegetal. El aire presen-te se combina con el carbn formando CO, esta reac-cin es favorecida con el aumento de temperatura, La

Fig. 6 (a) Cementacinslida.

6 (b).- Caja deCementacin slida.

2C(carbn) + O2(aire) = 2 CO

BaCo3 + Calor = BaO + CO2

CO2 + C = 2 CO precursor

C (precursor) + Fe = Fe3C

El proceso de Cementacin slida o en cajas se pue-de representar grficamente a travs de la Fig. 7 quemuestra el efecto de la temperatura y del tiempo en elproceso.

Fig. 7.- Efecto de la temperatura y del tiempoen el espesor de cementacin.

Cementacin en cajas:Rango de Temperatura: 850 a 1000 CPromedio de penetracin 0,22mm por hora

La Cementacin en caja no se aplica a piezas quehan de templarse inmediatamente y que deben teneruna capa gruesa de Cementacin, espesores de 3 mmson normales en este proceso. As mismo por las gran-des permanencias a altas temperaturas pueden origi-nar grandes deformaciones y el crecimiento del ta-mao de grano.

CEMENTACION GASEOSA

En los procesos de cementacin gaseosas se empleaun gas obtenido en una instalacin especial de prepa-racin. Donde la cantidad de gas cementante depen-de de factores como la produccin horaria media de


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productos cementados, la magnitud de la superficie acementar el tipo y forma de los hornos empleados parala cementacin de gas.

La reaccion principal tpica en la Cementacin gaseo-sa es:

CH4 = C (precursor) + 2 H2

sin de este al nucleo, con esta forma se consigueprofundidades grandes en tiempos breves.Normalmente se deja enfriar hasta 860 a 840 C antesde realizar el temple para evitar perdida de tenacidady resistencia.

Tabla 1. Composicin de la mezcla de gases tpicos para la cementacin gaseosa

Posicin de piones para tratamiento de Cementacin

Fig. 8 (a) Efecto de la temperatura en el espesor depenetracin. 8 (b) disposicin de un pin para

Cementacin gaseosa.

Para la Cementacin con gas se recomienda tempe-raturas de 900 a 930 CEn primer se carbura rpidamente con un gas muyactivo y se consigue un contenido de 1,2% a 1,3% Cen la capa cementada, despus de cierto tiempo sepasa la actividad del cementante del gas para alcan-zar el equilibrio con un contenido de 0,8% den la capa.El contenido de carbono inicial baja a 0,8% C por difu-

Fig. 9.- Sistema de generacin de gas deCementacin comercial

CEMENTACION LIQUIDA EN BAOS DE SALES

La cementacin del acero en un agente cementanteliquido se realiza en baos de sales de diferentes com-posiciones a temperaturas comprendidas entre 820 y930 C. Las sales a emplearse suelen llamarse salespara cementar. Se les denomina sales activadas y noactivadas en funcin s pueden producir una carbura-cin profundo o solo superficial.

Todas las sales para cementar, activadas, contienen


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cloruros de bario o de estroncio o una mezcla de am-bos cloruros alcalinotrreos. El cianuro sdico reac-ciona con estos cloruros para formar cianuro.Reaccione Tpicas:

2 NaCN = 2 Na + 2 C (precursor) + N2

Para lograr profundidades de 0,4 mm es econmicoemplear baos no activados y estas piezas tratadasno deben rectificarse porque se reduce su capacementada.

difusin del nitrgeno resultando en algo de nitruraciny mejora de propiedades.

La desventaja principal es la polucin y el peligro detrabajar con sales de cianuro.

TRATAMIENTO TRMICO DE TEMPLE DESPUSDE LA CEMENTACIN

Una vez realizada la Cementacin la superficie haadquirido mayor porcentaje de carbono el cual a susves se presenta en forma de Carburo de Hierro, Fe3C,el incremento de dureza es importante pero no signifi-cativo. La posibilidad de la transformacin Martensticade incrementar grandemente la dureza viene dada porun posterior tratamiento de temple este material. Lasposibilidades que se dan son:

Fig. 10(a) Hornos de Baos de Salespara Cementacin. (b) Utilaje paramanipuleo de piezas a cementar.

Los resultados tpicos obtenidos en la carburacin l-quida se muestran en la Fig. 11.

Fig. 11.- Efecto de la Temperatura y lacomposicin del bao de sales

Las ventajas principales del proceso de cementacinliquida radica en los tiempos muy cortos para obtenerespesores de Cementacin de hasta 0.4 - 0,5 mm. Alusar cianuro en el tratamiento siempre se realiza una

Fig.12.- Temple directo.

Caracteristicas: Directo de temperatura deaustenizacin para el cementado, por tanto: Martensitagruesa, Austenita residual, mucha distorsin. Se apli-ca a piezas sencillas: pernos, tuercas, tornillos

Caracteristicas: Cuando se cementa en caja se dejaenfriar la pieza y cuando se realiza en sales se enfraen aire tranquilo aliviando tensiones. Luego se calien-ta a temperatura de temple de la capa cementada 780C y luego se templa en agua, aceite o baos de sa-les. Martensita muy fina sin cementita, maxima dure-za. Nucleo sin austenizacin completa, Ferrita gruesano transformada.

Fig. 13.- Temple nico


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Fig. 14.- Temple nico con recocido intermedio

Caracteristicas: para aminorar la distorsin se enfranlas piezas y se someten a un recocido intermedio.Luego un temple a temperatura de temple de la capacementada.

Fig.15.- Temple doble con afino intermedio

Caracteristicas: La mejor combinacin de dureza su-perficial y tenacidad del nucleo. Enfriamiento despusde la Cementacin luego temple a temperatura de tem-ple del nucleo seguido de un uno a temperatura detemple de la capa cementada. El segundo calentamien-to debe ser lo ms breve posible

Fig.16.- Temple doble de la temperatura deCementacin.

Apropiado para piezas con Cementacin gaseosa yen sales. Se templan inmediatamente de laCementacin, luego se calientan a temperatura de tem-ple de la capa cementada y se templa, en agua aceiteo bao de sales esta segunda debe ser lo ms breveposible para evitar disminuir las propiedades delnucleo.

Fig.17. Cementacin, Transformacin isotrmica temple.

El afino del material del nucleo sucede al momento deenfriar desde temperatura de Cementacin en un baoisotrmico mantenido a 550 C. Luego se calienta rpi-damente hasta la temperatura de temple de la capacementada para que el calor no afecte en exceso elncleo de la pieza, Este procedimiento se emplea enprocesos de Cementacin en sales o de maneragaseos y se realiza en piezas complicadas, sensiblesa la distorsin y agrietamiento que ha de ser sometidoen servicio a maxima solicitacin de la capa cementaday en el nucleo.

REVENIDO

Las piezas cementadas deberan someterse a 1 a 2horas a revenidos entre 140 y 200 C para transformarla austenita residual, liberar de tensiones la bainita ytransformar la martensita tetragonal a Martensita cubica,as mismo evitara el posterior cambio de dimensionesdebidas a las trasformaciones metalrgicas.

BIBLIOGRAFA

1. Transformaciones Martensticas...Curso de Maes-tra en Materiales - Comisin de Energa AtmicaBs AS Argentina .1994

2. Vol. 4. Heat Treating Metals Handbook AmericanSociety for Metals

3. Journal of Advanced Materials & Process.ASM .1998

4. Tratamiento trmico de los Aceros.... Apraiz Barreiro.1968

5. Temple del acero..... Klaus Wanke - Lauss Schramm


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TRATAMIENTOS

TERMOQUIMICOS

Jesus Ruiz [email protected]

Laboratorio de Materiales

Martensita Plate

DUREZA

Matrices de Extrusin Cuchillas

HRC

%C

56

60

LATH

PLATE

L + P

Transformacin Martenstica en funcin del contenido de Carbono.

PLATE

Acero debajo

carbono

Una solucion es llevar a cabo la DIFUSION de una especie atmica dentro del material

Tratamiento analitico segun la 1ra Ley de Fick

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DEL PERU

Martensita Lath

TENACIDAD

TECNICAS DE PROCESAMIENTO POR

PLASMA

TECNICAS DE RECUBRIMIENTO POR

SOLDADURA/THERMAL SPRAYING

TECNICAS DE RECUBRIMIENTO PORELECTRODEPOSICION,

PVD , CVD

TECNICAS DE TRATAMIENTOS

TERMOQUIMICOS

TRATAMIENTOS PARA

INCREMENTAR PROPIEDADES

EN LOS MATERIALES

Alto contenido de

carbono ( 0,9 %C)

Bajo contenido de carbono ( 0,2%C)

muchos componentes requieren propiedades compuestos


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Ejemplo: (2da Ley de Fick)Determine el tiempo que toma para obtener una concentracin de carbonode 0.24% a una profundidad de 0.01cm por debajo de la superficie de una barra de hierro a 1000oC. La concentracin inicial de carbono en la barrade hierro es de 0.20% ay la concentracin en la superficie es mantenida a 0.40%.El Fe tiene una estructura FCC y el coeficiente de el coeficiente de difusin es D = 2x10-5 m2/s .exp[ - (142,000 J/mol )/RT]

Conocemos: T=1000oC, profundidad x = 0.01cm, CX = 0.24%CO = 0.2%, CS = 0.4%D=2 x 10-5 m2/s exp[ - (142,000 J/mol )/RT]R = 8.314 J/KEncontrar: tiempo t = ?

LA DIFFUSION EN UN ESTADO NO ESTACIONARIOEl flujo de difusin y el gradiente de concentracin en algn punto particular en un solido vara con el tiempo, con una acumulacin neta de reduccin de la especie que se difundeAplica la segunda Ley de Fick (cuando D es independientede la composicin)

Perfil de concentracin para estados dedifusin noestacionarios a tres diferentes tiempos t1, t2y t3.

2da Ley de Fick

La velocidad de cambio del nmero = El rate de tomos que de tomos queen el diferencial dV entran al diferencial el rate de tomos

que salen del diferencial

2da Ley de Fick

dondeCS = concentracion de la superficieCo = concentracin uniforme inicial en el material (bulk)Cx = concentracion de elementos a una distancia x desde la superficie en eltiempo tx = distancia a la superficieD = difusividad de las especies en difusin en la red matrizt = tiempo

erf = funcion error = erf (x/2 Dt) es la funcin error Gausiana esta es como una funcin densidad de probabilidad continua desde 0 a x/2 Dt

wLa ecuacin demuestra la relacin entre la concentracin, laposicin y el tiempow Cx es una funcin del parmetro sin dimensiones x/2Dt puede ser determinado a cualquier tiempo y posicin si los parmetros Co, Cx, y D son conocidos

Caso Especial Si deseamos mantener alguna concentracin especfica de solutos, C1 en una aleacin, entonces (CX Co)/(CS Co) = constante x/(2 Dt ) = constante o x2/Dt = constanteEjemploLa carburizacin de un engranaje de acero a una temperatura de1000oC en una mezcla gaseosa CO/CO2, tom 10 horas. Cuanto tomar carburizar el engranaje de acero para obtener condiciones desimilar concentration a 1200oC?For C in iron D = 0.2 exp{ - 34000 / 2T} cm2/s

Cementacinde

Aceros


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Solucin:

donde

2da Ley de Fick::

Distancia de Penetracin Efectiva : xeff(para 50% de concentracin)

Distancia de Penetracin EfectivaEn general, para la mayora de problemas de difusin

donde : un parmetro dependiente de la geometra = 1 para una placa plana = 2 para cilindros

Cementacin slida.

CEMENTACION EN CAJAS

Caja de Cementacin slida.

2C(carbn) + O2(aire) = 2 CO BaCo3 + Calor = BaO + CO2

CO2 + C = 2 CO

C (precursor) + Fe = Fe3C

Reacciones Bsicas:

catalizador

Efecto de la temperatura y del tiempo en el espesor de cementacin.

Estacin deGeneracin.

CEMENTACION GASEOSA


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Posicin de piones para tratamiento de Cementacin

(a) Efecto de la temperatura en el espesor de penetracin. (b) disposicin de un pin para Cementacin gaseosa.

CEMENTACION LIQUIDA EN BAOS DE SALES

(a) Hornos de Baos de Sales para Cementacin. (b) Utilaje para manipuleo

Efecto de la Temperatura y la composicin del bao de sales

siempre en estado slido, se somete el metal a un ciclo de calentamiento y enfriamiento que producen cambiosmicroestructurales..

los cuales modifican las propiedades...

Tratamiento Trmico de Temple despus de la Cementacin


Temple Directo. Temple nico



Temple nico con recocido intermedioTemple doble de la temperatura de Cementacin.



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Cementacin, Transformacin isotrmica temple


REVENIDO

HRC

Martensita Tetragonal

(metaestable)

Ferrita

+

Fe3C

(estable)Martensita revenida

Martensita Cubica

+

CarburoF 2.3 C

Variacin Microestructural

durante el Revenido

Temperatura

retenida Bainita


100

9. Tratamientos termoquímicos

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