TRATAMIENTOS TERMOQUIMICOS DEL ACERO

JOSE LUIS RODRIGUEZ PEREZ

UNIVERSIDAD PEDAGOGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIA

FACULTAD SEDE SECCIONAL DUITAMA

INGENIERIA ELECTROMECANICA

2013

TRATAMIENTOS TERMOQUIMICOS DEL ACERO

JOSE LUIS RODRIGUEZ PEREZ

201210350

ING. LUIS SANDOVAL

UNIVERSIDAD PEDAGOGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIA

FACULTAD SEDE SECCIONAL DUITAMA

INGENIERIA ELECTROMECANICA

2013

INTRODUCCION

Los tratamientos termoquímicos son los procesos a los que se someten los metales y aleaciones ya sea para modificar su estructura, cambiar la forma y tamaño de sus granos o bien por transformación de sus constituyentes.

Encontramos distintos tratamientos termoquímicos los cuales se utilizan con diferentes objetivos, encontramos que el cementado da dureza a la parte exterior de la pieza al igual que el nitrurado pero este último es más recomendado en algunos metales como cromo y molibdeno, mientras el sulfinizado se utiliza en piezas que son sometidas a rozamiento debido a que mejora la resistencia al desgaste y reduce el rozamiento, encontramos además que el pavonado le da una coloración a la pieza dependiendo de la temperatura a la que sea sometida y el tiempo del tratamiento lo que previene la corrosión igualmente que el fosfatado el cual además sirve como base para futuras pinturas y como aislante eléctrico. Todos estos tratamientos son por proceso de difusión.

OBJETIVO GENERAL

Dar a conocer los distintos tratamientos termoquímicos que se pueden realizar a piezas aceradas además de realizar la práctica de algunos de ellos con el fin de comprobar los conocimientos teóricos y de esta manera conocer las aplicaciones de los tratamientos termoquímicos.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

Dar a conocer los tratamientos termoquímicos de pavonado, fosfatado, nitrurado, sulfinizado y cementado.

Reconocer el tratamiento de pavonado por medio de la realización de la práctica de este y comparar los distintos resultados obtenidos a distintas temperaturas.

Interpretar el procedimiento por el cual se desarrollan los tratamientos termoquímicos.

Conocer las diferentes aplicaciones que tiene cada tratamiento en la industria.

TRATAMIENTOS TERMOQUIMICOS DEL ACERO

Los tratamientos termoquímicos son tratamientos térmicos en los que, además de los cambios en la estructura del acero, también se producen cambios en la composición química de la capa superficial, añadiendo diferentes productos químicos hasta una profundidad determinada. Estos tratamientos requieren el uso de calentamiento y enfriamiento controlados en atmósferas especiales.

Entre los objetivos más comunes de estos tratamientos están: aumentar la dureza superficial de las piezas dejando el núcleo más blando y tenaz, disminuir el rozamiento aumentando el poder lubrificante, aumentar la resistencia al desgaste, aumentar la resistencia a fatiga o aumentar la resistencia a la corrosión.

CEMENTACION

Definición: La cementación es un tratamiento termoquímico que consiste en carburar una capa superficial de una pieza de acero, rodeándola de un producto carburante y calentándola a una temperatura adecuada mediante difusión, modificando su composición, impregnando la superficie y sometiéndola a continuación a un tratamiento térmico, un temple y un revenido, quedando la pieza con buena tenacidad en el núcleo y con mucha dureza superficial.

Objetivo: El objetivo de la cementación es que en el templado del acero proporciona dureza a la pieza, pero también fragilidad. Por el contrario, si no se templa el material no tendrá la dureza suficiente y se desgastará. Para conservar

las mejores cualidades de los dos casos se utiliza la cementación, que endurece la superficie de la pieza sin modificación del núcleo, dando lugar así a una pieza formada por dos materiales, la del núcleo de acero con bajo índice de carbono, tenaz y resistente a la fatiga, y la parte de la superficie, de acero con mayor concentración de carbono, más dura, resistente al desgaste y a las deformaciones, siendo todo ello una única pieza compacta.

Procedimiento: Consiste en recubrir las partes a cementar de una materia rica en carbono, llamada cementante, y someterla durante varias horas a altas temperatura de 900 °C. En estas condiciones es cuando tiene mayor capacidad de disolución el carbono, que irá penetrando en la superficie que recubre a razón de 0,1 a 0,2 milímetros por hora de tratamiento. Una vez absorbido por la capa periférica del acero, comienza el proceso de difusión del carbono hacia el interior de la pieza (el espesor de la capa cementada depende de la temperatura y del tiempo que dure la operación). La pieza así obtenida se le da el tratamiento térmico correspondiente, de temple y revenido, y cada una de las dos zonas de la pieza, adquirirá las cualidades que corresponden a su porcentaje de carbono. En ocasiones se dan dos temples, uno homogéneo a toda la pieza y un segundo temple que endurece la parte exterior.

Aplicaciones: La cementación encuentra aplicación en todas aquellas piezas que tengan que poseer gran resistencia al choque y tenacidad junto con una gran resistencia al desgaste, como es el caso de los piñones, levas, ejes, etc.

Podemos diferenciar tres tipos de materiales cementantes:

Sólidos, líquidos y gaseosos.

Sólidos: Para la cementación en medio sólido, las piezas limpias y libres de óxidos se colocan en la mezcla de cementación, dentro de cajas de chapas de acero soldadas y selladas. Estas cajas se cargan luego al horno de cementación, y se mantienen ahí durante varias horas a una temperatura entre 900 ºC y 950 ºC aproximadamente, hasta obtener la profundidad de la capa de difusión deseada. Como mezcla de cementación se puede utilizar la de 70 % a 80 % de carbón vegetal finalmente pulverizado, con un 20 % a 30 % de alguno de los siguientes carbonatos: carbonato de bario (BaCO3), carbonato de sodio (Na2CO3) o carbonato de potasio (K2CO3) que actúan como catalizador y que contribuyen al desprendimiento del carbono en estado elemental, necesario para la cementación. Para el sellaje de la tapa de la caja de cementación puede utilizarse una masilla hecha con arena de fundición mezclada con silicato de sodio (vidrio soluble).

Los equipos utilizados para la cementación sólida son cajas donde se cementa con mezcla cementante que rodea a la pieza en un recipiente cerrado, el cual se

calienta a la temperatura adecuada durante el tiempo requerido y luego se enfría con lentitud. Este equipo no se presta para alta producción, siendo sus principales ventajas su economía, eficiencia y la no necesidad de una atmósfera preparada. En realidad, el agente cementante son los gases, que ésta pasta rodea al material que desprende cuando se calienta en el horno.

Líquidos: Para la cementación en medio líquido, las piezas se introducen en un baño de sales fundidas a 950 °C aproximadamente, constituidas por una sal base generalmente cloruro o carbonato de sodio, con adición de una sal aportadora de carbono, cianuro de sodio o de potasio y de una sal activante, cloruro de bario, mezclados en porcentajes adecuados, según los resultados que se deseen obtener. La presencia de nitrógeno en los cianuros provoca también la formación de productos de reacción (nitruros) de elevada dureza pero limitados a una finísima capa exterior.

Gaseosos: La cementación gaseosa necesita de un equipo especial más complicado y se aplica a la producción en masa de piezas cementadas. Esta cementación tiene ventajas considerables con respecto a la cementación en medio sólido y líquido, el proceso es dos o tres veces más rápido, la tecnología es menos perjudicial a la salud, y las propiedades del núcleo sin cementar resultan mejores debido al menor crecimiento del grano. El proceso se realiza en hornos especiales, en cuyo interior se inyecta como gas cementante algún hidrocarburo saturado tales como metano, butano, propano y otros. Al calentar a unos 900 ºC y 1000 ºC aproximadamente, se desprende el carbono elemental que cementa el acero. Por ejemplo al calentar metano.

Los equipos utilizados para la cementación gaseosa son más eficientes y complejos que los anteriores, los ciclos son más controlados, el calentamiento más uniforme, es más limpio y requiere de menos espacio. La pieza se calienta en contacto con CO y/o un hidrocarburo, por ejemplo alguna mezcla de gases que contenga butano, propano o metano, que fácilmente se descompone a la temperatura de cementación. El gas tiene una composición típica de: CO 20 %, H2 40 % y N2 40 %, pudiendo modificarse la composición de éste para controlar el potencial de carbono.

NITRURACION

Definición: La nitruración es un tratamiento térmico empleado para el endurecimiento superficial de ciertas piezas, principalmente aceros. Es especialmente recomendable para aceros aleados con cromo, vanadio, aluminio, wolframio y molibdeno, ya que forman nitruros estables a la temperatura de tratamiento. Son estos nitruros los que proporcionan la dureza buscada.

Objetivo: La penetración de este tratamiento es muy lenta, del orden de un milímetro de espesor por cada 100 horas de duración, aunque después de esto, la pieza no precisará de temple. Este tratamiento se realiza normalmente en hornos eléctricos a temperaturas aproximadas de 500 ºC, por cuya cámara circula el gas de amoníaco. Tanto la temperatura como la concentración del gas en amoníaco, deben mantenerse constante durante todo el proceso. Además, en caso de existir alguna parte de la pieza que no se desee nitrurar, se introducen dichas partes en una solución de estaño y plomo al 50 %, que evitará que la atmósfera de nitrógeno les afecte.

Procedimiento: La preparación previa al proceso consistirá en la limpieza de la pieza mediante, por ejemplo, ultrasonidos en un baño de alcohol. También se purgará la atmósfera del horno durante su calentamiento, haciendo circular un caudal de nitrógeno con un volumen igual a 100 veces el volumen del horno. Así, se asegura la eliminación de la humedad absorbida en el tubo de cerámica, y si se introduce la muestra en el horno durante la fase de calentamiento, pero fuera de la zona caliente, se aprovechará dicho caudal para eliminar también la posible humedad existente en ella. Para la mejor manipulación de la muestra, se introducirá previamente en una caja de aluminio. Cuando el horno alcance la temperatura de tratamiento, se mueve la pieza a la zona caliente evitando la contaminación de la atmósfera del horno, y se procede a la aplicación del tratamiento. Una vez se haya aplicado el tratamiento completo, el enfriamiento se

hará siempre bajo una atmósfera controlada para evitar la contaminación superficial u oxidación de la pieza.

Aplicaciones: La nitruración se aplica principalmente a piezas que son sometidas regularmente a grandes fuerzas de rozamiento y de carga, tales como pistas de rodamientos, camisas de cilindros, etc. Estas aplicaciones requieren que las piezas tengan un núcleo con cierta plasticidad, que absorba golpes y vibraciones, y una superficie de gran dureza que resista la fricción y el desgaste. Las piezas que se hayan pasado por un proceso de nitruración se pueden usar en trabajos con temperaturas de hasta 500 °C (temperatura de nitruración), temperatura a la cual el nitrógeno comienza a escaparse de la pieza, eliminando los efectos de la nitruración y disminuyendo la dureza de la pieza.

Podemos diferenciar cuatro tipos de nitruración:

Nitruración gaseosa, nitruración liquida, nitruración solida y nitruración iónica.

Nitruración gaseosa: La nitruración gaseosa se realiza en hornos de atmósfera controlada en los que la pieza se lleva a temperaturas entre 500 ºC y 575 ºC en presencia de amoníaco disociado. Este proceso se basa en la afinidad que tiene los elementos de aleación del acero por el nitrógeno procedente de la disociación del amoníaco.

Nitruración en baño de sales: La nitruración en baño de sales se realiza a la misma temperatura que la nitruración gaseosa, entre 500 ºC y 575 ºC. Para ello se introduce la pieza en un baño de sales fundidas compuesto por cianuros (CN-) y cianatos (CON-) en estado fundido. Durante este tratamiento, el material absorbe C y N del baño. Dadas las bajas temperaturas a las que se opera, la carburación es muy pequeña, dando paso a la nitruración. Así, se forma una capa cuya composición química es de un 25 % de carburos y de un 75 % de nitruros de hierro.

Nitruración sólida: En la nitruración sólida las piezas se colocan cubiertas por una pasta se sustancia nitrurante que se eleva a una temperatura entre 520 ºC y 570 ºC durante 12 horas.

Nitruración iónica o por plasma: Es un tipo de nitruración gaseosa dirigida a aumentar la velocidad de difusión del nitrógeno y reducir el tiempo de tratamiento. Se realiza dentro de un reactor donde se ha hecho vacío antes de introducir los gases de nitruración. Estableciéndose un circuito eléctrico en el que la pieza a nitrurar es el ánodo, por efecto del calor, el nitrógeno molecular se descompone e ioniza. Con ello se produce la difusión del nitrógeno por la superficie y la

consiguiente formación de nitruros. Otros gases presentes y que actúan como soporte son el gas carburante, argón, etc.

SULFINIZACION

Definición: El sulfinizado es un tratamiento termoquímico, que consiste en calentar el acero, fundición y otros metales en un baño de sales alrededor de 570ºC, durante cierto tiempo en un medio capaz de cederle carbono, nitrógeno y azufre.

Objetivos: Entre los objetivos que se logran con el sulfinizado, se citan los siguientes:a) Mejorar la fricción, reduciendo el coeficiente de rozamiento. b) Aumentar considerablemente la resistencia a la fatiga, por efecto de la microdureza que origina una caparazón dura. c) Eliminar, en la mayoría de los casos, el agarre o gripado por frotamiento de metal con metal en virtud de la autolubricación por el azufre. d) Tratar piezas rectificadas sin necesidad de una operación mecánica o térmica posterior. e) Mejorar considerablemente la resistencia a la corrosión. Es necesario, sin embargo, realizar una limpieza muy cuidadosa para eliminar toda traza de sal. f) Mejorar la resistencia al desgaste del acero rápido tratado, en particulas por la no adherencia en el útil, por frotamiento de la viruta del corte. g) Mejorar las condiciones de trabajo de los bronces, cuando no tienen aleantes de punto de fusión inferior a 500ºC.

Procedimiento: Se utiliza en aceros de bajo carbono donde la viruta no se corta sino que se deforma y es arrastrada acumulándose frente al ataque. La incorporación superficial del azufre genera sulfuro de hierro (S2Fe) como inclusión no metálica (impurezas), y se aloja en los bordes de grano lo que fragiliza al metal, lo cual hace que disminuya el punto de fusión. Después de la sulfinización las

dimensiones de las piezas aumentan ligeramente, aumentando su resistencia al desgaste, favoreciendo la lubricación y evitando el agarrotamiento.

Aplicaciones: Para mejorar la resistencia al desgaste, al favorecer la lubricación y reducir el rozamiento. (Partes de herramientas sometidas a rozamiento).

PAVONADO

Definición: Proceso de formación en las superficies de las piezas de acero de una capa de oxido adherente y con cierta capacidad de protección contra corrosión. Dependiendo del modo de proceder las capas pueden variar de color azul hasta negro.

Las propiedades de protección contra la corrosión en un ambiente húmedo no son altas, por lo que las piezas pavonadas es recomendable engrasarlas para evitar el contacto con la humedad

Se pueden usar dos métodos:

Pavonado por calentamiento y pavonado por inmersión.

Procedimiento:

1. Cada una de las probetas se empieza a lijar con la lija 100, en un sentido, luego en el sentido totalmente perpendicular se sigue con la lija de 200, y así alternadamente hasta llegar a la lija 600, que va a ser la encargada ya de brillar el acero. No se debe olvidar que al ser lija de agua, el mojar la superficie es una tarea que no se debe ignorar.

2. Al tener las probetas con brillo espejo, proseguimos a marcarlas para que después cuando las recojamos no tengamos inconvenientes con no poder identificarlas.

3. Graduamos el horno a la temperatura que queramos en el panel de control.

4. Colocamos nuestra probeta dentro del horno, sobre una placa metálica, luego de eso lo sellamos y esperamos el tiempo establecido mientras se termina el proceso.

5. Repetimos los pasos 3 y 4, con una temperatura diferente y si se quiere también un tiempo diferente.

6. Procedemos a retirar nuestras probetas sin ignorar el hecho de que se va a trabajar con temperaturas que son dañinas para nuestro cuerpo por lo que, al sacarlas, las dejamos sobre una superficie.

7. Después de sacar las probetas ya podemos llegar a mirar cuales fueron las características físicas que cambiaron.

8. Durante el enfriamiento de la probeta, no debemos echarlas dentro de un medio líquido porque inmediatamente se modificarían las propiedades que ya obtuvimos.

9. Al tener listas nuestras probetas procedemos a limpiarlas, dependiendo de la temperatura a la que estuvieron deben tener un color determinado

Pavonado por calentamiento: Para ello hay que disponer de un horno que sea capaz de producir temperaturas en el orden de 400°C. El procedimiento es como sigue: Las piezas bien limpias de herrumbre y suciedad se cubren con una solución de 15-25% de asfalto o barniz de aceite en gasolina y luego, sobre una malla de hierro, se colocan en el horno a temperaturas entre 350 y 400°C por 10-12 minutos hasta obtener una “pintura” lisa y negra sobre la superficie.

Pavonado por inmersión: A este proceso también se le llama azulado, debido a que las piezas toman una tonalidad azul. Para ello las piezas se sumergen en una mezcla fundida a 310-350°C de nitratos sódico (NaNO3) y potásico (KNO3), también conocidos como salitre sódico y salitre potásico. Luego las piezas se lavan con una solución de jabón caliente al 2%. Si se le agrega un 25% de soda caustica (NaOH) la coloración final de las piezas se torna negra.

Aplicaciones: Este procedimiento se usa mucho en la conservación de las armas de fuego y en otras piezas menudas, como manecillas de relojes, muelles, cintas de acero, y otras.

PRACTICA

Materiales

Tres probetas:

Horno de mufla:

Lijas de agua:

Procedimiento

El tratamiento termoquímico del pavonado se desarrollo en forma practica en tres pruebas con distintas temperaturas y a distintos tiempos, esto con el fin de comprobar los conocimientos adquiridos en forma teórica, esta práctica se hizo con tres probetas las cuales fueron previamente adecuadas para poder aplicarles

el tratamiento deseado inicialmente cada una de las probetas se empieza a lijar con la lija 100, en un sentido, luego en el sentido totalmente perpendicular se sigue con la lija de 200, y así alternadamente hasta llegar a la lija 600, que va a ser la encargada ya de brillar el acero.

Terminado este proceso continuamos marcando cada una de las probetas y proseguimos a realizar cada uno de los tratamientos.

El primer tratamiento de pavonado realizado fue ingresar la probeta N°1 al horno de mufla con unas condiciones de tiempo de 80 minutos a una temperatura de 350°C, El segundo tratamiento de pavonado se realizo con unas condiciones de tiempo de 80 minutos y 300°C, esto con la probeta marcada con el N°2 y el tercer tratamiento se desarrollo con la probeta N°3 a 350°C con tiempo estimado de 60 minutos. Para cada uno de estos procedimientos fue necesario inicialmente dejar calentar el horno por un tiempo prudente esto con el fin de hacer el proceso adecuadamente si bien sabemos que este proceso se puede hacer mucho más rápido no es lo mas recomendado.

Se continua poniendo las probetas sobre una lamina metálica la cual es puesta en el horno de mufla con esto se procede a esperar el tiempo programado para el tratamiento.

Terminado el tiempo establecido para el tratamiento se procede a sacar las probetas del horno de mufla y se dejan a temperatura ambiente un tiempo prudente de enfriado con lo que ya se tienen unos resultados obtenidos.

Resultados

Habiéndose enfriado cada una de las probetas se tienen unos resultados de los procesos de pavonado practicados y son los siguientes:

La probeta N°1 que fue expuesta a una temperatura de 350°C por un tiempo de 80 minutos muestra un color azul oscuro con una tendencia hacia el color negro.

La probeta N°2 que fue expuesta a 300°C de temperatura y 80 minutos

muestra un color dorado encendido muy llamativo.

La probeta N°3 que fue puesta durante 60 minutos a una temperatura de

350°C muestra un tono azul oscuro un poco más llamativo que el de la probeta N°1.

FOSFATADO

Definición: El fosfatado es un procedimiento químico para el tratamiento de la superficie de acero en el que se forman capas de fosfato metálico difícilmente solubles sobre el material base. Las capas producidas son porosas, absorbentes y se adecuan sin un tratamiento subsiguiente como capa de conversión para un recubrimiento de polvo posterior. También se adecuan temporalmente como protección anticorrosiva si se tratan posteriormente con aceite, cera o pasivaciones.

Los recubrimientos fosfatados pueden ser aplicados también en otros metales, como aluminio, cinc, cadmio y estaño.

Los principales tipos de fosfatos son de manganeso, hierro y zinc. El fosfato de manganeso se usa para prevenir la corrosión y mejorar la lubricación del metal y se aplica solo por inmersión. El fosfato de hierro se usa generalmente como base para recubrimientos posteriores y se aplica por inmersión o aspersión. El fosfato

de zinc se usa como protector de oxidación y como capa base lubricante o capa base para recubrimientos posteriores y puede ser también aplicado por aspersión e inmersión.

Objetivos: Los recubrimientos fosfatados son usados en piezas metálicas, principalmente de acero, para prevenir la corrosión, mejorar la lubricación en procesos de conformado o embutición, o como base para recubrimientos o pintados posteriores.

Procedimiento:

Limpieza de la superficie del metal, mediante un lavado o enjuague

con agua

Activación de la superficie (mejora el propio proceso de fosfatado, no

se aplica en todos los casos)

Fosfatado

Lavado Final

Lavado de neutralización (opcional)

Secado, para eliminar cualquier residuo de agua del lavado anterior.

Aplicación de recubrimientos complementarios: cromatado, sellado,

aceitado, etc.

Aplicaciones:

Protección anticorrosiva temporal del acero para su almacenamiento temporal

antes de un tratamiento posterior

Buena transmisión de la adherencia para un recubrimiento con pinturas

subsiguiente

Mejora las propiedades de deslizamiento durante la transformación en frío del

acero

Aislamiento eléctrico

CONCLUSIONES

Para los tratamientos termoquímicos de pavonado, fosfatado, sulfinizado, cementado y nitrurado se logro dar a conocer en qué consiste cada uno de ellos y el procedimiento por el cual se realizan

Se comprobó la afectación que tiene en el pavonado tanto el tiempo como la temperatura a la que sea expuesta la pieza tratada y su injerencia en el resultado que se obtiene.

Se aprendieron cada una de las aplicaciones que tienen los tratamientos termoquímicos investigados y las propiedades mecánicas que estos traen a las piezas afectadas.

Se observaron los diferentes cambios que se dan en las piezas al cambiar las condiciones de pavonado, los cuales se ven expresados en los distintos resultados obtenidos con las variaciones de las propiedades de cada resultado.