TRATAMIENTOS TERMOQUIMICOS

ARLEY FERNANDO AVILA GARZÓN

UNIVERSIDAD PEDAGOGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIAINGENIERIA ELECTROMECANICA

DUITAMA2012

TRATAMIENTOS TERMOQUIMICOS

ARLEY FERNANDO AVILA GARZÓN Cod: 201020570

Trabajo presentado en el area de:METALES Y TRATAMIENTOS TERMICOS

Al profesorIng. LUIS ANTONIO SANDOVAL ALVAREZ

UNIVERSIDAD PEDAGOGICA Y TECNOLOGICA DE COLOMBIAINGENIERIA ELECTROMECANICA

DUITAMA2012

TABLA DE CONTENIDO

1. Introducción

2. Pavonado. 2.1. Procedimiento, practica de laboratorio.

3. Fosfatado.

4. Nitrurado

5. Sulfinuzado

6. Cementado

1. INTRODUCCION: TRATAMIENTOS TERMOQUIMICOS

Son los procesos a los que se somete 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.

El objeto de los tratamientos es mejorar las propiedades mecánicas, o adaptarlas, dándole características especiales a las aplicaciones que se le van a dar la las piezas de esta manera se obtiene un aumento de dureza y resistencia mecánica, así como mayor plasticidad o maquinabilidad para facilitar su conformación.

Son tratamientos de recubrimiento superficial en los cuales interviene un elemento químico el cual se deposita por proceso de difusión en la superficie del material.

2. PAVONADO:

DEFINICION:

El pavonado consiste en la aplicación de una capa superficial de óxido abrillantado, compuesto principalmente por óxido férrico (Fe2O3) de color azulado, negro o café, con el que se cubren las piezas de acero para mejorar su aspecto y evitar su corrosión.

CARACTERISTICAS:

Los aceros pueden pavonarse o colorearse térmicamente como forma de protección frente a la oxidación o simplemente para mejorar su aspecto estético. Coloración térmica: Al calentar un acero toma una coloración que depende de la temperatura a que está sometido, de acuerdo con la siguiente tabla:

TEMPERATURA ºC COLOR220 Amarillo paja240 Amarillo dorado255 Rojizo pardo265 Rojo purpura285 Azul claro295 Azul índigo315 Azul oscuro332 Verde agua

Como se ve el color es función de la temperatura, por lo que al realizar el coloreado es imprescindible disponer de un equipo que permita una gran uniformidad de temperaturas y un perfecto control de las mismas.

OBTENCIÓN:

Se prende el horno a la temperatura que se desee en función de la tabla anterior y una vez alcanzada la temperatura se procede a introducir la pieza en el horno, dejándola unos minutos (el tiempo dependerá de la masa y forma de la pieza). Transcurrido el tiempo se puede observar que se ha conseguido el color deseado, llegado el caso en que no sea así, se deja la pieza unos minutos más. Conseguido el color la pieza es sacada del horno y sumergida en aceite mineral para detener y fijar el proceso.

PAVONADO EN BAÑO DE SALES:

Se utilizan dos tipos de sales. Uno es una mezcla de dos partes de nitrato de potasio y una de nitrato de sodio, con aditivos, que se calienta hasta fundición (unos 350ºC) y se sumergen en él las piezas a tratar. Como el líquido formado por las sales fundidas es transparente se puede observar el cambio de color. Al obtener el deseado se retira la pieza del baño, se lava en agua caliente, es secada y posteriormente engrasada. Debemos evitar el contacto directo con la piel, para lo que se utilizará la protección personal adecuada y se requieren ganchos de alambre para manejar las piezas a tratar.

Otro tipo de baños utilizan una parte de agua, una de NaOH y 0’3 partes de nitrato de sodio, con sus correspondientes aditivos, y trabajan a unos 100 ºC para lo que se utilizan los baños de apagado utilizados en tratamientos térmicos, de las dimensiones adecuadas a las piezas a tratar. El proceso es parecido al anterior con tiempos de tratamiento de unos 15 minutos.

APLICACIONES:

Las aplicaciones más frecuentes de este tipo de materiales son:

Tubos de estufas armas Usos que requieran el contacto con alimentos, salvo fabricación de envases Moldes de repostería y pastelería Placas para horneado Revestimiento de hornos de panadería a escala industrial

2.1. PROCEDIMIENTO, PRACTICA DE LABORATORIO:

ACERO:

ACERO AISI-SAE 1045 (UNS G10450)

Descripción: Es un acero utilizado cuando la resistencia y dureza son necesarios en condición de suministro. Este acero medio carbono puede ser forjado con martillo. Responde al tratamiento térmico y al endurecimiento por llama o inducción, pero no es recomendado para cementación o cianurado. Cuando se hacen prácticas de soldadura adecuadas, presenta soldabilidad adecuada.

Por su dureza y tenacidad es adecuado para la fabricación de componentes de maquinaria.

Normas involucradas: ASTM A108

Propiedades mecánicas:

Dureza 163 HB (84 HRb) Esfuerzo de fluencia 310 MPa (45000 PSI) Esfuerzo máximo 565 MPa (81900 PSI) Elongación 16% (en 50 mm) Reducción de área (40%) Módulo de elasticidad 200 GPa (29000 KSI) Maquinabilidad 57% (AISI 1212 = 100%)

Propiedades físicas: Densidad 7.87 g/cm3 (0.284 lb/in^3)

Propiedades químicas:

0.43 – 0.50 % C 0.60 – 0.90 % Mn 0.04 % P máx 0.05 % S máx

Usos: los usos principales para este acero es piñones, cuñas, ejes, tornillos, partes de maquinaria, herramientas agrícolas y remaches.

Tratamientos térmicos: se da normalizado a 900°C y recocido a 790°C

PROCEDIMIENTO:

1. Utilizaremos dos probetas de acero, de 1” x 1” 2. Para observar a plenitud el tratamiento, es importante que la probeta esta

pulida, para esto utilizaremos papel abrasivo(lijas), empezando por el más grueso, en este caso de numero 80, se procede a frotar la probeta contra el papel en un solo sentido y con la debida refrigeración en agua, hasta eliminar las imperfecciones, en cada cambio de papel abrasivo es importante lavar y secar la probeta, después de la lija numero 80 pasamos a una 120, luego una 320, una 600 y para dejar la probeta a brillo de espejo se utiliza una 1200.

3. Teniendo las probetas listas y a brillo de espejo procedemos a efectuar los tratamientos termoquímicos correspondientes, en este caso pavonado.

4. La probeta numero 1 se introduce en el horno a una temperatura de 350°C por una hora y la número 2 por 400°C a 45 minutos.

5. Las probetas son sacadas del horno, cuidadosamente y con las medidas de precaución correspondientes, y ahora podemos observar el resultado del tratamiento.

Probeta No 1.

Sin tratamiento. Después del tratamiento.

Probeta No 2.

Sin tratamiento. Después del tratamiento.

Nota: En la probeta número 2 no se presento el resultado indicado por lo que se procedió a retomar el tratamiento.

CONCLUSIONES:

Observamos el cambio de color en las probetas. Observamos también que este cambio depende de la temperatura a la que

se calienta el horno La calidad del resultado, además de el horno, depende mucho de la calidad

del pulido de las probetas Analizamos que es necesario el optimo manejo de el horno para obtener la

mejor coloración en el tratamiento Como conclusión general tenemos que el pavonado es un tratamiento

termoquímico muy usado para obtener piezas resistentes a la corrosión.

La capa magnetita resiste operaciones de plegado y embutición moderadas.

3. FOSFATADO:

DEFINICION:

Es un tratamiento químico que se realiza por contacto de las piezas ya desengrasadas con una solución de fosfatos ácidos de zinc, hierro o manganeso. En el fosfatado, la superficie de las piezas se recubre con una película de fosfatos de los metales citados, que posee una elevada resistencia a la corrosión y ofrece una muy buena base adherente para las pinturas.

Para que la duración del tratamiento sea la menor posible, se emplean acelerantes que pueden ser químicos, mecánicos y electrolíticos.

Los más usados son los acelerantes empleados por su carácter oxidante son los nitratos.

Los gases desprendidos durante la fosfatación del acero en un baño nuevo, acelerado con nitratos son: nitrógeno, hidrógeno, oxígeno y óxidos de nitrógeno.

La liberación de hidrógeno arrastra tras de sí nieblas de ácido fosfórico libre que junto a los óxidos de nitrógeno desprendidos en forma de gases, son los principales agentes tóxicos que se pueden encontrar en el fosfatado.

Los óxidos de nitrógeno producen irritación en ojos y mucosas, llegando a la formación del edema pulmonar agudo si no se atiende a su debido tiempo. Si la exposición es aguda provoca una gran dificultad en la respiración, cianosis, fiebre, dolor de cabeza, náuseas y vómitos que pueden llegar a producir la muerte en altas concentraciones de gas. El problema que presentan estos gases es que no advierten de su presencia, inhalándose sin grandes molestias.

En cuanto al ácido fosfórico, es irritante de piel y mucosas, aunque no tanto como el nítrico y sulfúrico.

CARACTERISTICAS:

Se aplica sobre piezas de acero, tales como tuercas, arandelas, casquillos, muelles, piezas de chapa, tornillos y espárragos de longitud máxima en torno a los 350mm, y sobre todo tipo de piezas susceptibles de recibir un recubrimiento químico de superficie.

Mejora la adherencia y la resistencia a la corrosión de tratamientos posteriores de pinturas o recubrimientos orgánicos.

Con un aceitado posterior, aumenta sensiblemente la resistencia a la corrosión.

OBTENCION:

El fosfatado, fosfatizado o anteriormente llamado parkerización, es un proceso para depositar una capa delgada de fosfato sobre el acero, para actuar como base o “primer” para esmaltes y pinturas. En este proceso el acero o el hierro se sumerge en una solución caliente, a 90ºC. Aprox., de fosfato di hidrogenado, y después pasa a un proceso de inmersión en un baño fundido de nitrato de potasio, a 315ºC, de 1 a 15 minutos, que le da la consistencia final. Cabe señalar que entre los dos procesos, el metal debe ser sumergido, primero en un baño de algún solvente o desengrasante, para limpiar las impurezas, después en agua fría para quitar el solvente, pasa al primer proceso (fosfatado), en seguida otro baño de agua fría que quitara rezagos, y finalmente al proceso del baño de nitrato.

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

Activación de la superficie (mejora el 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:

Se aplica sobre piezas de acero, tales como tuercas, arandelas, casquillos, muelles, piezas de chapa, tornillos y espárragos de longitud máxima en torno a los 350mm, y sobre todo tipo de piezas susceptibles de recibir un recubrimiento químico de superficie.

TIPOS DE FOSFATADO:

TIPOS DE FOSFATADO

APLICACIONES INDUSTRIALES

Fosfato de HierroPrevio pintura en talleres de automóvil, piezas industriales, electrodomésticos.

Fosfato de CincLíneas de deformación en frio de aceros planos y productos tubulares, trefilado de alambres y varillas.

Fosfato de Cinc-Calcio

Tratamiento previo al pintado industrial.

Fosfato de Cinc-Níquel

Tratamiento previo al pintado de bobinas de acero.

Fosfato Tricatiónico

Tratamiento previo en líneas de acero plano para automóvil, línea blanca.

Fosfato de Manganeso

Como tratamiento antifricción en roscas y transmisiones.

4. NITRURADO:

DEFINICION:

Consiste en enriquecer la superficie de la pieza en nitrógeno calentándola en una atmósfera específica a temperatura comprendida entre 500 y 580 ºC, formándose una capa de muy poca profundidad pero de dureza muy superior a la capa de cementado. Durante el proceso no hay deformaciones y obtenemos una mayor resistencia a la corrosión.

CARACTERISTICAS:

Aumenta la dureza superficial, aunque lo hace en mayor medida, incorporando nitrógeno en la composición de la superficie de la pieza. Se logra calentando el acero a temperaturas comprendidas entre 400 – 525º C, dentro de una corriente de gas amoníaco, más nitrógeno.

OBTENCION:

Las piezas a nitrurar se mecanizan, y luego se templan y revienen, con objeto de que el núcleo adquiera una resistencia adecuada. Finalmente, una vez mecanizadas a las cotas definitivas, se procede a efectuar la nitruración.

Las piezas a nitrurar se colocan dentro de un horno eléctrico, con circulación de gas amoníaco por el interior, manteniendo la temperatura y la concentración de nitrógeno durante todo el tiempo que dure el proceso hasta su finalización.

A aquellas partes de la pieza que no se deban nitrurar se les da un baño de estaño y plomo al 50%, que cubre la superficie de la pieza aislándola del nitrógeno.

El proceso de nitrurado es parecido a la cementación pero difiere en que el material se calienta a los 510°C y se mantiene así en contacto de gas amoníaco. De esta manera los nitruros del amoníaco ayudan a endurecer el material. También existe la modalidad líquida en la cual, el material es sumergido en un baño de sales de cianuro a la misma temperatura del nitrurado normal.

Nitruración gaseosa: Proceso desarrollado intensamente en los últimos años, tanto técnicamente como en la calidad de las instalaciones. Confiere a los materiales un excelente “coeficiente de rozamiento” gracias a la capa dura aportada (desde 0.25 a 0.5 mm).

APLICACIONES:

Aceros que vayan a sufrir mucho roce y necesitan una excelente resistencia al desgaste.

Matrices de extrusión de aluminio.

Moldes, correderas, postizos, etc. que vayan a trabajar en inyección de plástico.

En definitiva cualquier pieza que necesite resistencia al desgaste. Ventajas:

Dada la baja temperatura a la que se realiza este tratamiento se producen deformaciones inapreciables.

Se consiguen altas durezas, pudiendo alcanzar los 1100 HV dependiendo del material utilizado.

Se puede realizar un endurecimiento parcial de la zona que desee. El acabado después de tratamiento es excelente ya que se realiza en

atmósfera con vacío previo.

5. SULFINIZADO

DEFINICION:

La Sulfinización es un tratamiento termoquímico que consiste en introducir una pequeña capa superficial de aleaciones de Azufre (S), Nitrógeno (N) y Carbono (C), en aleaciones férreas y de cobre.

CARACTERISTICAS:

Resistencia al desgaste, favorece la lubricación y evita el agarrotamiento.

OBTENCION:

Las piezas a tratar se introducen en baños de sales de Carbono, Nitrógeno y Socio en un 95% y de Azufre, Nitrógeno y Sodio en un 5% calentadas a 560-570 ºC.

En 3 horas de tratamiento se puede conseguir una capa sulfinizada de 0,3 mm.

Hay que tener en cuenta que después de la sulfinización las dimensiones de las piezas aumentan ligera- mente. Con la sulfinización se consigue mejorar la resistencia al desgaste, favorecer la lubricación y evitar el agarrotamiento.

Las piezas sulfinizadas tienen una duración de 5 a 6 veces más que sin dicho tratamiento.

La  NITRU-SULFINIZACION o Nitruración al azufre, no solamente permite obtener excelentes resultados, sino que además, por primera vez se obtiene un rozamiento sin desgaste entre dos piezas fabricadas exactamente del mismo material y que han soportado un idéntico tratamiento térmico.

Acción: La Nitru-Sulfinización obra sobre las piezas de dos maneras diferentes:

a) Acción de superficie y penetración (que es la acción propiamente dicha de la Nitru-Sulfinización).

b) Acción a corazón (que es una acción térmica derivada de la temperatura del baño, que quita las tensiones internas y aumenta la resistencia a la fatiga).

La acción de la Nitru-Sulfinización propiamente dicha puede dividirse en dos

1) Acción de una muy fina corrosión en la superficie del metal. 

2) Acción de penetración de elementos sulfurosos y Nitruros que alcanzan una profundidad de 3/10 mm.

APLICACIONES:

Se aplica a todos los metales ferrosos, fundiciones y aceros aleados o no, comprendidos los aceros “inoxidables”. La presencia de los metales nobles en las aleaciones ferrosas favorece en general la Nitru-Sulfinización. Se aplica a todas la piezas terminadas, es decir, después que esta se haya fabricado y esta apta para su servicio funcional.

Acción sobre los aceros especiales

En los aceros rápidos, el revenido habitual se encuentra ya realizado alrededor de 560ªC, para aumentar la resistencia de estos aceros por transformación de la austenitas residual. La Nitru-Sulfinización, constituye además de su acción propia un revenido suplementario que mejora extraordinariamente las cualidades de las herramientas fabricadas en acero rápido como ser: Machas, Fresas, Creadores de engranajes, machos, etc.

6. CEMENTADO

DEFINICION:

Consiste en el endurecimiento de la superficie externa del acero al bajo carbono, quedando el núcleo blando y dúctil. Como el carbono es el que genera la dureza en los aceros en el método de cementado se tiene la posibilidad de aumentar la cantidad de carbono en los aceros de bajo contenido de carbono antes de ser endurecido. El carbono se agrega al calentar al acero a su temperatura crítica mientras se encuentra en contacto con un material carbonoso. Los tres métodos de cementación más comunes son: empacado para carburación, baño líquido y gas.

Cementación gaseosa: proceso indicado para piezas de aceros de construcción que necesitan mucha resistencia al desgaste en el exterior y mucha tenacidad en el interior.

Se realiza una aportación de carbono a la pieza creándose una capa, la cual puede ir desde 0.8 hasta 2.5 mm de profundidad.

El potencial de carbono de este proceso es controlado a través de sondas de oxígeno, de esta forma se consigue una gran homogeneidad en la capa cementada.

CARACTERISTICAS:

Aumenta la dureza superficial de una pieza de acero dulce, aumentando la concentración de carbono en la superficie. Se consigue teniendo en cuenta el medio o atmósfera que envuelve el metal durante el calentamiento y enfriamiento. El tratamiento logra aumentar el contenido de carbono de la zona periférica, obteniéndose después, por medio de temples y revenidos, una gran dureza superficial, resistencia al desgaste y buena tenacidad en el núcleo.

Endurece la superficie No afecta al corazón de la pieza Aumenta el carbono de la superficie Se coloca la superficie en contacto con polvos de cementar ( Productos

cementantes) El enfriamiento es lento y se hace necesario un tratamiento térmico posterior Los engranajes suelen ser piezas que se cementan

OBTENCION:

Equipos para Cementación

Equipos típicos para cementación son los siguientes:

1. Cajas: 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 esta pasta que rodea al material desprende cuando se calienta en el horno.

2. Gas: es más eficiente que el anterior, 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 contengo 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 C.

APLICACIONES:

Piñones, coronas, ejes, levas, guías, chavetas, columnas, etc.