Tipos de metales ferrosos

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TRATAMIENTOS Térmicos

Proceso al que se someten los metales y algunos cerámicos con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas (dureza, la resistencia y la tenacidad)

Se logra  mediante una serie de operaciones de calentamiento y enfriamiento

Clasificación:

Sin cambios de composición: consisten en variar la temperatura para cambiar las propiedades mecánicas (Temple, Recocido, Revenido y Normalizado)

Con cambios de composición: También conocidos como tratamientos termoquímicos, en donde se varía la temperatura pero también se agregan en el proceso diferentes productos químicos con el fin de modificar no solo la microestructura de los metales sino también su composición química. (Nitruración, Cementación, Cianurizacion y Sulfinizacion)

Temple


Se caracteriza por enfriamientos rápidos (continuos o escalonados)

Transforma toda la masa en Austenita con el calentamiento y después, por medio de un enfriamiento brusco (con aceite, agua o salmuera), se convierte en Martensita, que es el constituyente duro típico de los aceros templados.

Mediante el temple se consigue:

-Aumentar la dureza y la resistencia mecánica.                                                                             -Disminuir la tenacidad (aumento de la fragilidad).                                                                                                                            -Disminuir el alargamiento unitario.                                                                                                                                                       

La temperatura para el calentamiento óptimo debe ser siempre superior a la crítica para poder obtener de esta forma la Martensita.

Tipos de temple


Temple continúo de austenizacion completa: Se aplica a aceros hipoeutectoides. Su componente estructural es la  martensita.

Temple continúo de austenizacion incompleta: Se aplica a los aceros hipereutectoides. La estructura resultante será martensita y cementita.

Temple superficial: Consiste en calentar superficialmente un material para luego enfriarlo rápidamente de manera que el núcleo de la pieza quede blando y tenaz, mientras que la superficie queda dura y resistente al rozamiento.

Temple escalonado (Martempering)
: Se enfría la austenita en un baño de sales a temperatura constante. La martensita obtenida es muy dura, resistente al rozamiento y frágil.

Temple isotérmico (Austempering): Es similar al anterior pero con mayor tiempo de permanencia en las sales para que el resultado final sea bainita.

Templabilidad

Capacidad de un acero para endurecerse por formación de martensita, como consecuencia de un tratamiento térmico.

Para determinar el grado de templabilidad de un acero se realiza el ensayo de Jominy. El ensayo consiste en realizar el templado de una probeta de dimensiones determinadas según un proceso definido.

Ensayo de Jominy


Se calienta la probeta cilíndrica a la temperatura de austenizacion durante 30 minutos.

Tras finalizar el calentamiento, se cuelga la probeta por un extremo de modo que un chorro de agua, a temperatura constante, incida directamente sobre su extremo inferior durante 10 minutos.

La probeta se irá enfriando a distinta velocidad según la distancia respecto al punto de incidencia del chorro de agua.

El extremo inferior de la probeta se enfriara rápidamente, sufriendo un temple más severo y será más duro que el otro extremo.

Una vez que la probeta se ha enfriado a temperatura ambiente, se desbasta y se determina la dureza Rockwell C.

Después se traza una curva de templabilidad representando los valores de dureza en función de la distancia al extremo templado, obteniéndose así la curva de templabilidad.

Si la dureza disminuye rápidamente conforme nos alejamos del extremo templado, el acero tendrá una templabilidad baja, mientras que los aceros cuyas curvas son casi horizontales serán de alta templabilidad, es decir, serán susceptibles de endurecerse rápido cuando sufren temple.

Recocido

Se trata de calentar un material metálico hasta una determinada temperatura y enfriarlo después muy lentamente (incluso en el horno donde se calentó). De esta forma se obtienen estructuras de equilibrio. Son generalmente tratamientos iniciales mediante los cuales se ablanda el acero.

Su finalidad es suprimir los efectos del temple.

Mediante el recocido se consigue:

-Aumentar la plasticidad, ductilidad y tenacidad.                                                                                         -Afinar el grano y homogeneizar la estructura.

Según las temperaturas que se alcanzan se pueden tener los siguientes tipos:

Recocido completo: Se realiza en aceros hipoeutectoides. Afina el grano cuando ha crecido producto de un mal tratamiento.

Recocido incompleto: Es más económico que el anterior, elimina tensiones pero solo recristaliza la perlita.

Recocido de globalización: Mejora la mecanibilidad en los aceros eutectoides e hipereutectoides.

Recocido de recristalizacion: reduce tensiones y elimina la acritud.

Recocido de homogenización: Elimina la segregación química y cristalina. Se obtiene grano grueso por lo que es necesario un recocido completo posterior.

Revenido


Es un proceso complementario del temple que generalmente prosigue a este.

Después del temple, los aceros suelen quedar demasiado duros y frágiles para los usos a los cuales están destinados. Lo anterior se puede corregir con el proceso de revenido, que disminuye la dureza y la fragilidad excesiva, sin perder demasiada tenacidad.

Consiste en calentar el acero, a una temperatura inferior al punto crítico, seguido de un enfriamiento controlado que puede ser rápido cuando se pretende resultados altos en tenacidad, o lentos cuando se pretende reducir al máximo las tensiones térmicas que pueden generar deformaciones.

Con la realización del proceso de revenido no se eliminan los efectos del temple, solo se modifican, ya que se consigue disminuir la dureza y tensiones internas para lograr de esta manera aumentar la tenacidad.

Normalizado


Se trata de calentar el material hasta su austenizacion y posteriormente dejarlo enfriar al aire.

La ventaja frente al recocido es que se obtiene una estructura granular más fina y una mayor resistencia mecánica. La desventaja es que la dureza obtenida es mayor.

Mediante este proceso se consigue:

-Subsanar defectos de las operaciones anteriores de la elaboración en caliente (colada, forja, laminación) eliminando las posibles tensiones internas.                                                                -Preparar la estructura para las operaciones tecnológicas siguientes (por ejemplo, mecanizado o temple).

El normalizado se utiliza como tratamiento previo al temple y al revenido, aunque en ocasiones puede ser un tratamiento térmico final.

En el caso de los aceros con bastante contenido en carbono y mucha templabilidad, este tratamiento puede equivaler a un temple parcial, donde aparezcan productos perliticos y martensiticos.

Para aceros con bajo contenido de carbono no aleados no existe mucha diferencia entre el normalizado y el recocido.

Cuando se trata de aceros de contenido medio en carbono, la diferencia de propiedades es mayor que en el caso anterior, en general, el proceso de normalizado da más dureza.

Diagrama TTT (tiempo-temperatura-transformación)


La curva TTT muestra cómo la velocidad de enfriamiento afecta la transformación de austenita en varias fases posibles. Las fases pueden dividirse en 1) formas alternativas de ferrita y cementita y 2) martensita

El tiempo se representa (logarítmicamente por conveniencia) a lo largo del eje horizontal y la temperatura en el eje vertical

A velocidades lentas de enfriamiento, la trayectoria pasa a través de la regíón, lo que indica una transformación en perlita o bainita que son formas alternativas de mezclas ferrita-carburo

La perlita es una mezcla de fases ferrita y carburo. Se obtiene por enfriamiento lento de la austenita

Endurecimiento por precipitación o envejecimiento

El endurecimiento por precipitación implica la formación de finas partículas (precipitados) que actúan para bloquear el movimiento de las dislocaciones y hacer más resistente y duro al metal.

Es el principal tratamiento térmico para hacer resistentes las aleaciones de aluminio, cobre, magnesio, níquel y otros metales no ferrosos.

El endurecimiento por precipitación puede usarse también para hacer resistentes las aleaciones de acero que no pueden formar martensita por medio del método usual.

Durante el paso de envejecimiento se logra una alta resistencia y dureza en la aleación

Tratamiento térmico del vidrio

Este material único se fabrica con un tratamiento especial a base de calor que transforma la mayor parte del estado vítreo en un cerámico policristalino.

Otros tratamientos térmicos que se le practican al vidrio son el recocido y el templado.

El recocidoinvolucra calentar el vidrio a temperatura elevada y mantenerlo así durante cierto periodo para eliminar los esfuerzos y gradientes de temperatura, para luego enfriarlo despacio a fin de eliminar la formación de esfuerzos, y seguir con un enfriamiento más rápido a temperatura ambiente.

TRATAMIENTOS SUPERFICIALES

Es un proceso de fabricación que se realiza para dar unas carácterísticas determinadas a la superficie de un objeto.

En función del material, pueden obtenerse unas carácterísticas u otras dependiendo del tipo de tratamiento empleado.

Procesos de limpieza química


La limpieza química usa diversos tipos de productos químicos para realizar la remoción de contaminantes superficiales.

Los principales métodos de limpieza química son:

Limpieza Alcalina: es el método de limpieza industrial con un uso más extendido. Emplea un álcali para remover aceites, grasa, cera y diversos tipos de partículas (residuos metálicos, sílice, carbono e incrustaciones ligeras) de una superficie metálica. Después de la aplicación de la solución alcalina, se usa un enjuague con agua para remover los residuos de álcalis.

Limpieza con Emulsión: Este método de limpieza usa solventes orgánicos (aceites) dispersos en una solución acuosa. El proceso puede usarse sobre piezas metálicas o no metálicas. Después de la limpieza con emulsión debe hacerse una limpieza alcalina para eliminar todos los residuos del solvente orgánico antes de aplicar el chapeado.

Limpieza con Solventes: la suciedad orgánica, como el aceite y la grasa, se remueve de una superficie metálica mediante productos químicos que la disuelven. Las técnicas de aplicación comunes incluyen el frotamiento manual, la inmersión, la aspersión y el desengrasado con vapor. El desengrasado con vapor usa vapores calientes de solventes para remover aceites y grasas de las superficies de las piezas.

Limpieza y baño químico con ácido:remueve aceites y óxidos ligeros de las superficies de metal mediante inmersión aspersión, aplicación con brocha o frotamiento manual. El proceso se realiza a temperatura ambiente o a temperaturas elevadas.

La diferencia entre la limpieza con ácido y el baño químico con ácido es una cuestión de grado. El baño químico con ácido implica un tratamiento más severo para remover óxidos, herrumbres e incrustaciones más gruesas; por lo general produce algún ataque químico a la superficie metálica, que sirve para mejorar la adhesión de la pintura orgánica.

Limpieza ultrasónica: combina la limpieza química y la agitación mecánica del fluido de limpieza para proporcionar un método muy eficaz para la remoción de contaminantes superficiales. Por lo general, el fluido de limpieza es una solución acuosa que contiene detergentes alcalinos. La agitación mecánica se produce mediante vibraciones de alta frecuencia y amplitud suficiente para ocasionar formación de burbujas o cavidades de vapor a baja presión.

Limpieza mecánica y preparación superficial

Acabado a chorro:Usa el impacto a alta velocidad de partículas para limpiar y acabar una superficie. El más conocido de estos métodos es la limpieza con chorro de arena (arenado), que usa granos de arena como medio de limpieza. El medio se impulsa a la superficie objetivo mediante aire a presión o fuerza centrífuga.

Granallado: Se dirige una corriente a alta velocidad de pequeñas partículas de acero fundido (llamadas perdigones) hacia una superficie metálica con el fin de trabajar en frío e inducir tensiones de compresión sobre las capas superficiales. El granallado se usa primordialmente para mejorar la resistencia a la fatiga de las piezas metálicas. Por lo tanto, su propósito principal es diferente al del acabado a chorro, aunque la limpieza de la superficie se logra como un subproducto de la operación.

Acabado masivo:implica el acabado de piezas en conjunto mediante una acción de mezcla dentro de un contenedor, por lo general en presencia de un medio abrasivo. La mezcla provoca que las partes se froten contra el medio y entre sí para obtener la acción de acabado deseada.

Los métodos de acabado masivo se usan para remover rebabas, quitar incrustaciones, retirar virutas, pulir uniformemente las curvaturas, bruñir y limpiar. Las piezas incluyen: piezas troqueladas, fundiciones, forjados, extrusiones y piezas maquinadas.

Los métodos de acabado masivo incluyen la rotación a tambor, el acabado vibratorio y varias técnicas que utilizan fuerza centrífuga.

Rotación a tambor: También llamado acabado en barril y acabado en barril por rotación, este proceso es relativamente lento en comparación con otros métodos de acabado masivo. Otras desventajas son los altos niveles de ruido y los grandes espacios que se requieren para realizarlo

Clasificación de los tratamientos superficiales:


Podemos clasificar los tratamientos superficiales según la naturaleza de los mismos en:

Tratamientos superficiales que no alteran la composición del material base:

Tratamientos Térmicos:

Temples: Se trata del rápido enfriamiento de una pieza previamente calentada, consiguiendo así modificar las propiedades de los materiales.

Revenido: Sólo se aplica a aceros previamente templados, para disminuir ligeramente los efectos del temple, conservando parte de la dureza y aumentar la tenacidad. El revenido consigue disminuir la dureza y resistencia de los aceros templados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora la tenacidad, dejando al acero con la dureza o resistencia deseada. Se distingue básicamente del temple en cuanto a temperatura máxima y velocidad de enfriamiento

Tratamientos Mecánicos:

Granallado: es una técnica de tratamiento por impacto consiguiendo un excelente grado de limpieza y decapado, así como una correcta terminación superficial. El proceso de granallado se basa el bombardeo de partículas abrasivas a alta velocidad que al impactar con la pieza tratada produce la remoción de los contaminantes de la superficie (pintura, óxido, calaminas, residuos de fundición y arena, rebabas de material de fundición, estampación, inyección, etc.

Pulido: operación mecánica que se realiza en la superficie de varios materiales para mejorar su aspecto visual, su tacto y su funcionalidad. Consta del lijado con esmeriles para despojar el metal de cualquier tipo de asperezas y la fricción final con paños complementados con abrasivos. El brillo alcanzado es la resultante de la compresión y cerrado de los poros de la superficie del metal.

Las funciones del proceso de Pulido son:

Alisado

Eliminación de las irregularidades superficiales del metal.

Abrillantado

Remoción de pequeñas irregularidades y afinamiento de la superficie.

Recomendaciones

Tratamientos Químicos :

Desengrase: Eliminación de las grasas y aceites de protección de los aceros y aluminios, a través de etapas de inmersión o aspersión en medio habitualmente ácido o alcalino (reacciones de saponificación con obtención de los alcoholes y sal alcalina del ácido). Es necesaria la utilización de antiespumantes habitualmente de naturaleza polimérica. Los disolventes cada vez se utilizan menos, tanto por razones medioambientales como de seguridad. El desengrasado, junto con la limpieza, es la primera etapa del tratamiento de la chapa y debe de enlazarse con el proceso de fosfatación reduciendo al mínimo el tiempo de exposición al aire de la caja (riesgo de oxidación).

Lavado 1: Aplicación de agua industrial, por aspersión y/o inmersión de la caja en el medio acuoso teniendo como finalidad la eliminación de suciedades e impurezas de la superficie del substrato.

Lavado 2: Eliminación de los restos alcalinos procedentes del desengrasado. Habitualmente por inmersión y aspersión con agua desmineralizada.

Tratamientos superficiales que alteran la composición del material base:

Tratamientos Termo-químicos:

Nitruración: Al igual que la cementación, 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 ºC y 525 °C aproximadamente, dentro de una corriente de gas Amóníaco, más nitrógeno.

Carbonitruración: Es una alternativa a la nitruración con un proceso similar empleado en metales con bajo contenido en carbono. Se emplea en piezas que no necesitan una gran resistencia consiguiendo una reducción en los costes de fabricación.

Sulfinización: Aumenta  la  resistencia  al  desgaste  por  acción  del  azufre.  El  azufre  se  incorpora al metal por calentamiento, a la temperatura de 565 °C aproxima damente, en un baño de sales.

Tratamientos superficiales con formación de una nueva capa sobre el material base:

Recubrimientos químicos:

Cromado: se deposita cromo sobre la superficie del metal que se quiere proteger. El objetivo primordial de introducir cromo en su capa externa es potenciar su resistencia frente a la corrosión. El cromado se puede realizar por medios electrolíticos o por simple difusión a temperatura elevada.

Niquelado: consiste en la aplicación de una capa de níquel en la superficie de un objeto. La finalidad, generalmente, es mejorar la resistencia a la corrosión, o por cuestiones decorativas o como base para otros revestimientos galvanoplásticos. Debido a su carácterísticas especiales el níquel está particularmente bien adaptado para muchas aplicaciones como metal de revestimiento.

El níquel es resistente al aire, el agua, los ácidos y álcalis diluidos. El níquel no es resistente al ácido nítrico, ni al ácido clorhídrico o al amoniaco concentrados. Los recubrimientos de níquel se caracterizan por su aspecto ligeramente inferior de recubrimientos de cromo (peor brillo, posibilidad de puntos de luz), una menor resistencia a la corrosión y menor resistencia mecánica, pero que son más baratos.

Existen dos métodos para aplicar la capa de níquel:

Electrolítico, se emplea electricidad para la transferencia del níquel, generalmente puro.

Químico o no electrolítico, se emplea reacciones químicas para formar la película de níquel, generalmente aleado.

Recubrimientos por solapado térmico de otros materiales fundidos sobre el material base, como son:

Carbonitruración: Al igual que la cianuración, introduce carbono y nitrógeno en una capa superficial, pero con hidrocarburos como metano, etano o propano; Amóníaco (NH3) y monóxido de carbono (CO). En el proceso se requieren temperaturas de 650 a 850 °C y es necesario realizar un temple y un revenido posterior.

Difusión


Los recubrimientos por difusión son una manera efectiva y de bajo coste para modificar la superficie de metales y aleaciones, que se usa para mejorar las propiedades de desgaste, corrosión y oxidación. Existe una variedad de métodos, tal como cementación en paquete, Deposición Química de Vapor y Deposición Química de Vapor en lecho fluidizado que se pueden utilizar para aplicar los recubrimientos por difusión.

Implantación iónica

Consiste en la aceleración y proyección de iones contra una superficie. Gracias a la energía cinética del ion, éste penetra en la red cristalina produciendo una alteración superficial en el comportamiento mecánico y químico, así como también en las propiedades eléctricas, o ópticas e, incluso, magnéticas.

Todo el proceso de generación, aceleración e implantación se realiza en alto vació

Aplicaciones

Moldes de Inyección de plástico: implantación de Cromo para problemas de desgaste con corrosión, o hasta de 9 veces mediante la implantación de Nitrógeno para el desgaste por inyección de plásticos cargados.

Útiles para fabricación de envases metálicos: implantación de Nitrógeno en troqueles, punzones y matrices

Prótesis de cadera o rodilla

 Cuchillas y otros útiles para corte de papel

Punzones, troqueles, matrices y útiles para estampación, deformación de chapa o conformado de tubos

Cuchillas, extrusores, rodillos y otros útiles empleados en la industria alimentaría

Procesos de recubrimiento térmico y mecánico

Los métodos de recubrimiento térmico usan energía térmica en diversas formas para aplicar un recubrimiento cuya función es proporcionar resistencia contra la corrosión, la erosión, el desgaste y la oxidación a altas temperaturas.

Aspersión térmica: se aplican materiales de recubrimiento fundidos y semifundidos sobre un sustrato, donde se solidifican y adhieren a la superficie. No todos los recubrimientos pueden aplicarse a todos los sustratos.

Cuando el proceso se usa para aplicar un recubrimiento metálico, se denomina metalización o aspersión metálica.

Las tecnologías usadas para calentar el material de recubrimiento son la flama de oxígeno y gas combustible, el arco eléctrico y el arco de plasma.

El material para recubrimiento inicial se encuentra en forma de alambre (o varilla) o polvos. La uníón de los recubrimientos aplicados con aspersión térmica se hace principalmente mediante el entrelazado mecánico de las partículas atomizadas y la superficie del sustrato. Por tanto, para una mejor adhesión, la superficie debe hacerse áspera como uno de los pasos de preparación.

Revestimiento duro: es una técnica de recubrimiento en la cual se aplican aleaciones a los metales del sustrato, como depósitos soldados. Lo que distingue al revestimiento duro es que ocurre una fusión entre el revestimiento y el sustrato, mientras que en la aspersión térmica sucede un entrelazado mecánico, el cual no es resistente al desgaste abrasivo. Por tanto, el revestimiento duro es muy conveniente para aplicaciones que requieren buena resistencia contra el desgaste.

Una ventaja del revestimiento duro es que se realiza con facilidad fuera del ambiente de fábrica, relativamente controlado mediante muchos de los proceso de soldadura comunes. 

Procesos de revestimiento flexible: es capaz de depositar un material de recubrimiento muy duro, tal como el carburo de tungsteno (WC), en una superficie del sustrato. En el proceso de revestimiento flexible, se coloca una tela impregnada con polvos cerámicos o metálicos duros y otra tela impregnada con una aleación de soldadura blanda sobre un sustrato, ambas se calientan para fundir los polvos sobre la superficie.

Chapeado mecánico: es un proceso de recubrimiento que no usa calor, reacción química ni energía electroquímica para realizar deposición. En lugar de eso, se usa energía mecánica para construir un recubrimiento metálico sobre la superficie. En el chapeado mecánico, se frotan en un tambor las partes que se van a recubrir, junto con polvos metálicos para chapeado, gotas de vidrio y productos químicos para promover la acción del recubrimiento. Los metales depositados deben ser maleables para obtener una uníón satisfactoria con el sustrato. El término galvanizado mecánico se usa para las partes recubiertas con zinc. Se recubren con mayor frecuencia los metales ferrosos, otros metales a los que se aplica el proceso son el latón y el bronce.

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