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• Miguel Angel López Navarrete

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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE IRAPUATO. MATERIA: TRATAMIENTOS TÉRMICOS. PRÁCTICA: TRATAMIENTOS TÉRMICOS. PROFESOR: ING. MIGUEL ANGEL LÓPEZ NAVARRETE. ALUMNOS: ALVARADO GUZMÁN WENDY. AVILA LOZANO NESTOR. PARCIAL: TERCERO.

MATERIAL NO FERROSO: ALUMINIO. El aluminio es el elemento químico, de símbolo Al y número atómico 13. Con el 8,13 % es el elemento metálico más abundante en la corteza terrestre. Su ligereza, conductividad eléctrica, resistencia a la corrosión y bajo punto fusión le convierten en un material idóneo para multitud de aplicaciones, especialmente en aeronáutica. Sin embargo, la elevada cantidad de energía necesaria para su obtención dificulta su mayor utilización; dificultad que puede compensarse por su bajo coste de reciclado, su dilatada vida útil y la estabilidad de su precio. Características principales. El aluminio es un metal ligero, blando pero resistente, de color blanco brillante. Su densidad es aproximadamente un tercio de la del acero o el cobre. Es muy maleable y dúctil y es apto para el mecanizado y la fundición. Debido a su elevado calor de oxidación se forma rápidamente al aire una fina capa superficial de óxido de aluminio (Alúmina Al2O3) impermeable y adherente que detiene el proceso de oxidación proporcionándole resistencia a la corrosión y durabilidad. Esta capa protectora, de color gris mate, puede ser ampliada por electrólisis en presencia de oxalatos. El aluminio tiene características anfóteras. Esto significa que se disuelve tanto en ácidos (formando sales de aluminio) como en bases fuertes (formando aluminatos con el anión [Al(OH) 4]- liberando hidrógeno. La capa de oxido formada sobre el aluminio se puede disolver en ácido cítrico formando citrato de aluminio. El principal y casi único estado de oxidación del aluminio es +III como es de esperar por sus tres electrones en la capa de valencia (Véase también: metal pesado). Aplicaciones. Ya sea considerando la cantidad o el valor del metal empleado, su uso excede al del cualquier otro exceptuando el acero, y es un material importante en multitud de actividades económicas. El aluminio puro es blando y frágil, pero sus aleaciones con pequeñas cantidades de cobre, manganeso, silicio, magnesio y otros elementos presentan una gran variedad de características adecuadas a las más diversas aplicaciones. Estas aleaciones constituyen el componente principal de multitud de componentes de los aviones y cohetes, en los que el peso es un factor crítico. Cuando se evapora aluminio en el vacío, forma un revestimiento que refleja tanto la luz visible como la infrarroja; además la capa de óxido que se forma impide el deterioro del recubrimiento, por esta razón se ha empleado para revestir los espejos de telescopios, en sustitución de la plata. Dada su gran reactividad química, finamente pulverizado se usa como combustible sólido de cohetes y para aumentar la potencia de explosión, como ánodo de sacrificio y en procesos de aluminotermia (termita) para la obtención de metales. Otros usos del aluminio son: •

Transporte, como material estructural en aviones, automóviles, tanques, superestructuras de buques, blindajes, etc.

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Estructuras portantes de aluminio en edificios, ver Eurocódigo 9 Embalaje; papel de aluminio, latas, tetrabriks, etc. Construcción; ventanas, puertas, perfiles estructurales, etc. Bienes de uso; utensilios de cocina, herramientas, etc. Transmisión eléctrica. Aunque su conductividad eléctrica es tan sólo el 60% de la del cobre, su mayor ligereza dismunuye el peso de los conductores y permite una mayor separación de las torres de alta tensión, disminuyendo los costes de la infraestructura. Recipientes criogénicos (hasta -200 °C, ya que no presenta temperatura de transición (dúctil a frágil) como el acero, así la tenacidad del material es mejor a bajas temperaturas, calderería. Las sales de aluminio de los ácidos grasos (p. ej. el estearato de aluminio) forman parte de la formulación del napalm. Los hidruros complejos de aluminio son reductores valiosos en síntesis orgánica. Los haluros de aluminio tienen características de ácido Lewis y son utilizados como tales como catalizadores o reactivos auxiliares. Los aluminosilicatos son una clase importante de minerales. Forman parte de las arcillas y son la base de muchas cerámicas. Aditivos de óxido de aluminio o aluminosilicatos a vidrios varían las características térmicas, mecánicas y ópticas de los vidiros. El corindon (Al2O3) es utilizado como abrassivo. Unas variantes (rubí, zafiro) se utilizan en la joyería como piedras preciosas.

Aleaciones de aluminio: Duraluminio Historia Tanto en Grecia como en Roma se empleaba el alumbre (del latín alūmen, -ĭnis, alumbre), una sal doble de aluminio y potasio como moridente en tintorería y astringente en medicina, uso aún en vigor. Generalmente se reconoce a Friedrich Wöhler el aislamiento del aluminio en 1827. Aún así, el metal fue obtenido, impuro, dos años antes por el físico y químico danés Hans Christian Ørsted. En 1807, Humphrey Davy propuso el nombre aluminum para este metal aún no decubierto, pero más tarde decidió cambiarlo por aluminium por coherencia con la mayoría de los nombres de elementos, que usan el sufijo -ium. De éste derivaron los nombres actuales en otros idiomas; no obstante, en los EE.UU. con el tiempo se popularizó el uso de la primera forma, hoy también admitida por la IUPAC aunque prefiere la otra. Abundancia y obtención. Aunque el aluminio es un material muy abundante en la corteza terrestre (8,1%) raramente se encuentra libre. Sus aplicaciones industriales son relativamente recientes, produciéndose a escala industrial desde finales del siglo XIX. Cuando fue descubierto se encontró que era extermadamente difícil su separación de las rocas de las que formaba parte, por lo que durante un tiempo fue considerado un metal precioso, más caro que el oro; sin embargo, con las mejoras de los procesos los precios bajaron continuamente hasta colapsarse en 1889 tras descubrirse un método sencillo de extracción del metal. Actualmente, uno de los factores que estimula su uso es la estabilidad de su precio. Las primeras síntesis del metal se basaron en la reducción del cloruro de aluminio con potasio elemental. En 1859 Henri Sainte-Claire Deville publicó dos mejoras al proceso de obtención al sustituir el potasio por sodio y el cloruro simple por doble; posteriormente, la invención del proceso Hall-Héroult en 1886 abarató el proceso de extracción del aluminio a partir del mineral, lo que

permitió, junto con el proceso Bayer del mismo año, que se extendiera su uso hasta hacerse común en multitud de aplicaciones. La recuperación del metal a partir de la chatarra (reciclado) era una práctica conocida desde principios del siglo XX. Es, sin embargo, a partir de los 60 cuando se generaliza, más por razones medioambientales que estrictamente económicas. El proceso ordinario de obtención del metal consta de dos etapas, la obtención de alúmina por el proceso Bayer a partir de la bauxita, y posterior electrólisis del óxido para obtener el aluminio. La elevada reactividad del aluminio impide extraerlo de la alúmina mediante reducción, siendo necesaria la electrólisis del óxido, lo que exige a su vez que éste se encuentre en estado líquido. No obstante, la alúmina tiene un punto de fusión de 2000 °C, excesivamente alta para acometer el proceso de forma económica por lo que era disuelta en criolita fundida, lo que disminuía la temperatura hasta los 1000°C. Actualmente, la criolita se sustituye cada vez más por la ciolita un fluoruro artificial de aluminio, sodio y calcio. Isótopos. El aluminio tiene nueve isótopos cuyas masas atómicas varían entre 23 y 30 uma. Tan sólo el Al27, estable, y Al-26, radiactivo con un periodo de semidesintegración de 7'2×105 años, se encuentran en la naturaleza. El Al-26 se produce en la atmósfera al ser bombardeado el argón con rayos cósmicos y protones. Los isótopos de aluminio tienen aplicación práctica en la datación de sedimentos marinos, hielos glaciares, meteoritos, etc. La relación Al-26/Be-10 se ha empleado en el análisis de procesos de transporte, deposición, sedimentación y erosión a escalas de tiempo de millones de años. El Al-26 cosmogénico se aplicó primero en los estudios de la Luna y los meteoritos. Éstos últimos se encuentran sometidos a un intenso bombardeo de rayos cósmicos durante su viaje espacial, produciéndose una cantidad significativa de Al-26. Tras su impacto contra la Tierra, la atmósfera, que filtra los rayos cósmicos, detiene la producción de Al-26 permitiendo determinar la fecha en la que el meteorito cayó. Precauciones. El aluminio es uno de los pocos elementos abundantes en la naturaleza que parecen no tener ninguna función biológica beneficiosa. Algunas personas manifiestan alergia al aluminio, sufriendo dematitis por contacto, e incluso desórdenes digestivos al ingerir alimentos cocinados en recipientes de aluminio; para el resto de personas, no se considera tan tóxico como los metales pesados, aunque existen evidencias de cierta toxicidad si se consume en grandes cantidades. El uso de recipientes de aluminio no se ha encontrado que acarree problemas de salud, estando éstos relacionados con el consumo de antiácidos o antitranspirantes que contienen aluminio. Se ha sugerido que el aluminio puede estar relacionado con el Alzheimer, aunque la teoría ha sido refutada. Reciclaje. En primer lugar el producto de Aluminio a reciclar se clasifica y compacta. Luego en un horno, se le saca la pintura y en algunos casos se las muele en pequeñas láminas. Por último el material va a un horno de fundición y de esta manera se obtienen nuevos lingotes o láminas para hacer más productos de aluminio. Cabe destacar que este material, al igual que el vidrio puede ser reciclado infinad de veces, ya que no pierde calidad en los distintos procesos. El aluminio no cambia sus características químicas durante el reciclado. El proceso se puede repetir indefinidamente y los objetos de aluminio se pueden fabricar enteramente con material

reciclado. Muchos desechos de aluminio como las latas se pueden prensar fácilmente, reduciendo su volumen y facilitando su almacenamiento y transporte, las latas usadas de aluminio tienen el valor más alto de todos los residuos de envases y embalajes, lo anterior es un incentivo para su recuperación. Algunos beneficios del reciclaje de aluminio son: • • •

Al utilizar aluminio recuperado en el proceso de fabricación de nuevos productos existe un ahorro de energía del 95% respecto a si se utilizara materia prima virgen (bauxita). El proceso de reciclado es normalmente fácil, ya que los objetos de aluminio desechados están compuestos normalmente sólo de aluminio por lo que no se requiere una separación previa de otros materiales. Un residuo de aluminio es fácil de manejar: es ligero, no se rompe, no arde y no se oxida, por lo mismo es también fácil de transportar.

El aluminio es un material cotizado y rentable con un mercado importante a nivel mundial. Por ello todo el aluminio recogido tiene garantizado su reciclado. El reciclaje de aluminio produce beneficios ya que proporciona fuente de ingresos y ocupación para la mano de obra no calificada.

Magnesio - Aluminio - Silicio

B Al Ga Tabla completa General Nombre, símbolo, número

Aluminio, Al, 13

Serie química

Metales del bloque p

Grupo, periodo, bloque

13, 3 , p

Densidad, dureza Mohs

2702 kg/m³, 2,75

Apariencia Plateado Propiedades atómicas Peso atómico

26,981538 uma

Radio medio†

125 pm

Radio atómico calculado

118 pm

Radio covalente

118 pm

Radio de Van der Waals

Sin datos

Configuración electrónica

[Ne]3s²3p¹

Estados de oxidación (óxido)

3 (anfótero)

Estructura cristalina

Cúbica en las caras

centrada

Propiedades físicas Estado de la materia

sólido

Punto de fusión

933,47 K(660°C)

Punto de ebullición

2792 K

Entalpía de vaporización

293,4 kJ/mol

Entalpía de fusión

10,79 kJ/mol

Presión de vapor

2,42x10-6 Pa a 577 K

Velocidad del sonido

5100 m/s a 933 K

Información diversa Electronegatividad

1.61 (Pauling)

Calor específico

900 J/(kg·K)

Resistividad eléctrica a 20 °C

2,850/cm²/cm.

Conductividad eléctrica

37,7x106/m Ω

Módulo de elasticidad

6.700 kg/mm²

Carga de ruptura

de 16 a 20 kg/mm²

Conductividad térmica

237 W/(m·K)

Potenciales de ionización 1º = 577,5 kJ/mol

6º = 18379 kJ/mol

2º = 1816,7 kJ/mol

7º = 23326 kJ/mol

3º = 2744,8 kJ/mol

8º = 27465 kJ/mol

Aleantes y clasificación de las aleaciones del aluminio: Las propiedades del aluminio dependen de un conjunto de factores, de estos, el más importante es la existencia de aleantes. Con la excepción del aluminio purísimo ( 99,99 % de pureza ), técnicamente se utilizan sólo materiales de aluminio que contienen otros elementos. Aún en el aluminio purísimo, las impurezas ( Fe y Si ) determinan, en gran medida, sus propiedades mecánicas. Los elementos aleantes principales del aluminio son: cobre (Cu), silicio (si), magnesio (Mg), zinc (Zn) y manganeso (Mn): En menores cantidades existen, frecuentemente, como impurezas o aditivos: hierro (Fe), cromo (Cr) y titanio (Ti). Para aleaciones especiales se adiciona: niquel (Ni), cobalto (Co), plata (Ag), litio (Li), vanadio (V), circonio (Zr), estaño (Sn), plomo (Pb), cadmio (Cd) y bismuto (Bi). La clasificación del aluminio y sus aleaciones se divide en dos grandes grupos bien diferenciados, estos dos grupos son: forja y fundición. Esta división se debe a los diferentes procesos de conformado que puede sufrir el aluminio y sus aleaciones. Dentro del grupo de aleaciones de aluminio forjado encontramos otra división clara, que es la del grupo de las tratables térmicamente y las no tratables térmicamente. Las no tratables térmicamente solo pueden ser trabajadas en frío con el fin de aumentar su resistencia. A continuación aparecen dos cuadros con los grupos básicos para las aleaciones de forja y fundición, además hay unas designaciones para especificar el grado de endurecimiento que no serán comentadas por ser demasiado específicas y no venir al caso en el tema de este trabajo. Conviene señalar que, dentro de las aleciones para forja, los grupos principales de las no tratables térmicamente son : 1xxx, 3xxx y 5xxx. Dentro de las tratables térmicamente los grupos principales son : 2xxx, 6xxx y 7xxx. En esta ultima división, se encuentran las aleaciones de aluminio con mayores resistencias mecánicas, los grupos 2xxx y 7xxx, por lo que son las aleaciones más indicadas para este trabajo. Al final de este, se hará una mención especial a estos dos grupos y sus características mecánicas. A continuación se adjunta un cuadro con aleaciones de aluminio para forja y fundición con sus composiciones químicas y propiedades mecánicas más típicas. Especial mención , como se comentaba antes, a las aleaciones 2024 y 7075 que son muy utilizadas en situaciones que requieren máxima resistencia mecánica junto con ligereza. Propiedades mecánicas: Las propiedades mecánicas o propiedades de resistencia mecánica sirven en la mayoría de los casos como base para dictaminar sobre un material metálico, con vistas a a un fin de aplicación concreto. A continuación se da un resumen de las propiedades mecánicas más importantes del aluminio no sólo sometido a esfuerzo continuo sino también , oscilante y por golpe. Dureza: la mayoría de las veces se da en los materiales de aluminio la dureza Brinell, a causa de la sencillez de su determinación. los valores de la dureza Brinell se extienden desde HB=15 para aluminio purísimo blando hasta casi HB=110 para AlZnMgCu 1,5 endurecido térmicamente, es decir, aleación 7075. Los valores de la dureza determinados por otros métodos, como el Vickers o el de Knoop, apenas tienen significado práctico en este metal. De vez en cuando se utiliza la microdureza, una variante del método Vickers, para determinar la dureza de capas anodizadas. Resistencia en el ensayo de tracción: los importantísimos valores característicos que se obtienen en el ensayo de tracción para juzgar las propiedades resistentes de los materiales metálicos en

general, son aplicables a los materiales de aluminio. Generalmente estos valores son el límite elástico 0,2%, la resistencia máxima a la tracción, el alargamiento a la rotura, así como la estricción de ruptura. En general, la resistencia aumenta con el aumento en elementos de aleación. Los dominios de la resistencia en cada aleación surgen, ante todo, como consecuencia delos aumentos de resistencia que se consiguen por deformación en frío o endurecimiento por tratamiento térmico. Los distintos elementos de aleación actúan de modo muy diferente en cuanto al aumento de resistencia. A continuación se muestran dos gráficos que resumen la resistencia a latracción de las aleaciones de aluminio, tanto para forja como para fundición. Al aumentar la resistencia, aumenta el límite 0,2% más deprisa que la resistencia a la tracción, independientemente del mecanismo que motive el aumento de la resistencia. este aumento se nota especialmente cuando el aumento de resistencia tiene lugar por deformación en frío. En general no se desean altas relaciones entre los límites elásticos ( límite 0,2% y resistencia máxima) ya que expresan un comportamiento relativamente quebradizo del material, razón fundamental por la que no se puede aumentar de forma arbitraria la resistencia de un material metálico. A continuación se muestra un gráfico con un ejemplo de esta relación para diferentes aleaciones de aluminio para forja: Resistencia a la compresión, a la flexión, al corte y a la torsíon: en los materiales alumínicos se puede admitir que el valor del límite de aplastamiento 0,2% ( parámetro de la resistencia a la compresión ) es igual al valor del límite elástico 0,2% de tracción. La resistencia a la compresión o el límite de aplastamiento 0,2% tienen importancia principalmente en las piezas sometidas a compresión tales como cojinetes de fricción. La resistencia a la flexión en las aleaciones de aluminio se tiene en cuenta para las de fundición, en aquellos casos en que, al realizar el ensayo de tracción no es posible determinar el límite elástico con suficiente exactitud a causa de su pequeño valor. La resistencia al cizallamiento es importante para el cálculo de la fuerza necesaria para el corte y para determinadas construcciones. No existen valores normalizados. Generalmente está entre el 55 y 80 % de la resistencia a la tracción. Casi nunca se determina la resistencia a la torsión, si se considera unadistribución lineal de tensiones, puede considerársela igual a la reistencia al cizallamiento. Propiedades resistentes a temperaturas elevadas: al aumentar la temperatura, disminuyen la resistencia a la tracción, el límite elástico y la dureza, en tanto que, en general, aumenta el alargamiento de rotura y la estricción de rotura. El factor tiempo juega un papel esencial en la determinación de valores de resistencia para altas temperaturas. Esta influencia se exterioriza de dos maneras: Cambios de estado. Bajo la influencia de temperaturas elevadas se pueden producir modificaciones permanentes en la estructura de los materiales que han experimentado endurecimineto por deformación en frío, estas traen consigo una disminución de la resitencia mecánica. Procesos de fluencia. A temperaturas elevadas el material puede experimentar deformaciones lentas bajo la acción de cargas en reposo, aumentando la velocidad en el cambio de forma con el incremento de la temperatura y de la tensión. Al mismo tiempo pueden surgir tensiones por debajo de la reistencia a la tracción o del límite elástico 0,2%. En la figura hay ejemplos de los diversos valores obtenidos de la dependencia entre la temperatura y el tiempo.

Características de resistencia a bajas temperaturas: el comportamiento de los metales a bajas temperaturas depende fundamentalmente de la estructura de su red cristalina. El aluminio con su red FCC ( ó CCC ) tiene la misma estructura que el cobre, el níquel o los aceros austeníticos, por eso no se presentan nunca en las aleaciones de aluminio a temperaturas bajas las complicaciones ( rápido descenso de la resiliencia, entre otras ) que tienen lugar en los metales BCC, sobretodo en los aceros ferríticos. En las dos primeras figuras se representan la variación de la resistencia a la tracción, del límite 0,2% y del alargamiento de rotura del aluminio puro a bajas temperaturas. En las siguientes tres figuras se representa la influencia de la temperatura hasta -196 C, sobre las propiedades resistentes de algunas aleaciones AlMg y AlMgMn en estado blando. Resistencia a la fatiga: la fatiga depende de una serie de factores. Además de la composición, estado y procedimiento de obtención del material, hay que considerar la clase y frecuencia de las solicitaciones y, especialmente, la configuración de los elementos constructivos ( distribución de fuerzas, tensiones máximas, superficie ). La denominación "resistencia a la fatiga" se utiliza como concepto genérico para todos los casos de solicitud alternativas. Para el aluminio el límite de ciclos de carga está fijado en 10. Los ensayos se hacen casi siempre con 5 10 ciclos. Los resultados de los ensayos de fatiga alternativa presentan siempre una dispersión que no se disminuye aunque se utilicen métodos más precisos de medición. Se deben, principalmente, a contingencias casuales que intervienen al originarse la primera fisura y prosiguen en las fases iniciales de su expansión. Influencia del material. La resistencia a la fatiga se aumenta mediante la formación de soluciones cristalinas, la conformación en frío y el endurecimiento. En las aleaciones de aluminio para laminación y forja existe una clara diferencia entre las no endurecibles y las endurecibles. Esto se manifiesta en el siguiente gráfico, donde la aleación AlMg es la no endurecible térmicamente y la AlZnMgCu es la endurecible térmicamente. Influencia de la solicitación. Al juzgar los valores de la resistencia a la fatiga se ha de tener en cuenta el tipo de solicitación ( tracción, compresión, flexión alternativa o rotativa )y, ante todo, la posición de la tensión media o la relación de tensiones respectivamente. Además, se ha de observar atentamente si se da la amplitud de resistencia a la fatiga o a la máxima tensión superior. Además de los anteriores factores, también influyen en la resistencia a la fatiga, los máximos de tensión o efectos de entalladura, el estado superficial y del ambiente, la soldadura y la temperatura. Mecánica de la rotura. Tenacidad: el comportamiento en cuanto a la resistencia a la rotura de un material es importante. En los elementos de construcción se presupone que existen siempre fisuras de un determinado tamaño y que se dimensionan los elementos de tal modo que estas fisuras no sobrepasan una magnitud crítica , dentro de un período de vida previsto y sobre todo, que no aumenten de modo inestable. La carga puede ser monotona estática u oscilante. También se puede tener en cuenta la carga de fluencia ( método más apropiado para los materiales de aluminio ) o las grietas de corrosión bajo tensión. El valor característico utilizado con más frecuencia es el de la tenacidad a las fisuras K , definido para el estado de tensiones uniforme como la concentración de tensiones crítica en la punta de la fisura, que ocasiona la continuación del crecimiento de la misma. Los valores altos de K significan alta tenacidad, siendo favorables, cuando también son elevados los valores de resistencia a la tracción y el límite elástico. Entre los valores de resistencia habituales obtenidos del ensayo de tracción y la tenacidad a las fisuras no existe, en general, ninguna dependencia. Desde el punto de vista cualitativo, la tenacidad alas fisuras desciende al aumentar la resistencia. El objetivo de la investigación de los

materiales es desarrollar los que tengan más resistencia y al mismo tiempo mayor tenacidad a la rotura. Resistencia al desgaste:la resistencia a la abrasión o al desgaste de los materiales de aluminio es particularmente baja en el rozamiento en seco. No existe relación entre dureza y resistencia mecánica por un lado y resistencia a la abrasión por el otro. Los materiales de aluminio sometidos a rozamiento, en determinadas circunstancias de funcionamiento, muestran un comportamiento aceptable como prueban las numerosas aplicaciones que tienen en cojinetes de fricción y émbolos. Debe mencionarse también que el desgaste se puede reducir drásticamente por un tratamiento superficial apropiado. Influencia de los tratamientos térmicos y mecánicos en las propiedades mecánicas: Deformación en frío: la resistencia a la tracción, el límite elástico 0,2% y la dureza aumentan por deformación en frío, mientras que el alargamiento a la rotura y la estricción a la rotura, disminuyen. El curso típico, en función del grado de deformación, lo muestra la siguiente figura: Se reconoce en ella que el límite elástico 0,2% sube con la deformación en frío más fuertemente que la resitencia a la tracción, aproximándose cada vez más a esta de modo que se llega casi a a una rotura por fragilidad sin deformación, lo que supone que la deformación en frío tiene sus limitaciones. El comportamiento en cuanto al aumento de resistencia por deformación en frío depende de la composición. También juegan un papel importante el estado de la estructura antes de la deformación y el tipo de deformación, la velocidad y la temperatura de trabajo. Mediante la deformación en frío se pueden modificar también otras características como la conductividad eléctrica, que disminuye muy poco. La influencia de una deformación en frío sobre la resistencia a la corrosión es escasa. Ablandamiento: mediante recocido a elevadas temperaturas se elimina la acritud en los metales deformados en frío, lo que supone, que el aumento de la resistencia conseguida con la deformación en frío, se puede aminorar en mayor o menor medida. Una eliminación total de la acritud hasta conseguir el estado inicial se produce cuando el recocido se realiza a temperaturas por encima del umbral de la recristalización. A temperaturas por debajo de este umbral aparece solamente una eliminación parcial del ablandamiento ( regeneración). La siguiente figura muestra una curva típica de ablandamiento basada en el curso de la curva de resistencia a la tracción, del límite elástico 0,2% y del alargamiento a la rotura para AlMg3 como función de la temperatura de recocido para una duración constante de recocido. Bajo estas circunstancias se supone que comienza la recristalización a unos 240 C. El curso exacto de la curva de ablandamiento depende, además del material, muy fuertemente del nivel de la deformación en frío sufrida. Otras magnitudes que influyen son: el tiempo de recocido, la velocidad de calentamiento y el estado de la estructura antes de la conformación, es decir, los tratamientos térmicos y mecánicos sufridos, a los que se le puede añadir el procedimiento de fundición que se haya seguido en el material de partida. Recocido de ablandamiento, estabilización: el recocido de ablandamiento sirve para transformar materiales a un estado de resistencia muy baja y alto alargamiento. Se realiza de ordinario para facilitar trabajos de conformación o para hacerlos posible. En los materiales endurecidos en frío, el recocido de ablandamiento consiste en un recocido de recristalización, habiendo de tenerse en cuenta el tamaño de grano, la duración del recocido, el nivel del grado de deformación en frío y los recocidos intermedios. Normalizado: el normalizado sirve para la eliminación de tensiones propias, que pueden surgir debido a un rápido enfriamiento de las piezas al colarlas, por enfriamiento rápido después del proceso de endurecimiento o por trabajo mecánico. Debido a las tensiones propias, pueden producirse deformaciones en las piezas.

Las temperaturas a aplicar en el normalizado térmico son relativamente bajas, ya que de otro modo hay que contar con una merma de la resistencia mecánica no tolerable. El tratamiento de normalizado es tanto más activo cuando más alta es la temperatura y más largo el tiempo de recocido, aunque deben tenerse en cuenta las posibles modificaciones permanentes de las propiedades del material. El normalizado debe realizarse siempre antes de mecanizar la pieza o al menos antes de la última operación, debido a que está ligada a una deformación permanente. Recocido total, homogeneización: con los recocidos totales se pretende conseguir una eliminación de las tensiones propias del producto fundido, un equilibrio de los granos segregados y una disolución de los constituyentes estructurales eutécticos en los bordes de los mismos. Además el recocido total sirve con frecuencia para conseguir una disgregación regular de elementos disueltos en estado de sobresaturación , especialemente Mn y Fe, que influyen sobre el comportamiento en la recristalización y en la conformabilidad en caliente. Finalmente en las aleaciones endurecibles se consigue disolver los elementos de aleación que provocan el endurecimiento. Estos se depositan de nuevo, en el siguiente enfriamiento, que no suele ser rápido. Además si se realiza correctamente el proceso, la distribución tiene lugar de tal forma que, mediante un temple posterior, la disolución tiene lugar de forma rápida y total. El recocido total puede colaborar, por lo tanto, a la disminución de las fuerzas necesarias para la conformación en caliente, a una tendencia hacia el ablandamiento uniforme y recocido de ablandamiento y a un mejoramiento de la conformabilidad en frío. Endurecimiento por precipitación: es el tratamiento térmico más importante que se aplica a las aleaciones de aluminio. Este tratamiento eleva notablemente la resistencia mecánica de las aleaciones de aluminio endurecibles por tratamiento térmico.

El endurecimiento por precipitación tiene lugar, fundamentalemente en tres fases: 1. Por calentamiento a temperatura elevada se disuelven en la solución sólida de aluminio la mayor parte de los componentes de la aleación, que provocan el endurecimineto ( recocido de disolución ). 2. Por enfriamiento rápido, la solución sólida, enriquecida en estos componentes de la aleación se transforma, en primer lugar, en un estado sobresaturado ( temple). 3. Por permanencia, a la temperatura ambiente o a una temperatura más elevada, se producen precipitaciones de la solución sólida sobresaturada, que provocan un aumento de la resistencia a la tracción, del límite elástico 0,2% y de la dureza ( envejecimiento o maduración ).

TRATAMIENTO ISOTERMICO: ACERO 4140. 4140 -Es un acero de buena penetración de temple y con buenas características de estabilidad en caliente hasta 400ºC. -Sin fragilidad de revenido, muy versátil y apto para esfuerzos de fatiga y torsión. -Piezas templadas a inducción pueden dar una dureza de 57-69 Rockwell C. -Tiene amplia aplicación en construcción de vehículos por ejeplo para cigüeñales, brazos de ejes, bielas, pernos, ejes de contramarcha, ejes de bombas y engranajes. -Muy utilizado en piezas forjadas como herramientas, llaves de mano, destornilladores, etc. -Se usa también para espárragos y tornillos den la construcción de plantas que trabajen a temperatura entre 150ºC y 300ºC, como calderas, turbinas de vapor, plantas químicas, etc. CURVAS TTT PARA TRATAMIENTOS ISOTÉRMICOS Y DE ENFRIAMIENTO CONTINUO TEMPLABILIDAD DE LOS ACEROS La templabilidad de un acero es la propiedad que determina la profundidad y distribución de la dureza producida por temple, i.e., es la facilidad para formar martensita dificultando la aparición de productos de transformación y depende de: 3. La composición química del acero 4. Del tamaño del grano austenítico 5. De la estructura del acero antes del temple

La templabilidad se determina usualmente por dos métodos: 3. Método Grossmann o del Diámetro Crítico ideal 4. Método Jominy Método de Grossmann o del Diámetro Crítico Ideal Para aplicar este método se deben templar barras de acero de diferentes diámetros entre 0,5 y 2,5 in, en un cierto medio de temple, luego se examinan metalográficamente cortes transversales de éstas y la barra que contiene 50% de martensita en el centro define el diámetro crítico real, D0. D0 depende ciertamente del poder de extracción de calor del medio de temple, por esta razón, se define como templeideal aquel en cual la temperatura de la superficie de la barra se enfría instantáneamente a la temperatura del medio enfriante, así se determina un diámetro crítico ideal, DI. La severidad del refrigerante se caracteriza por un coeficiente H, el cual en el caso del temple ideal es infinito.

Por otra parte, mientras mayor sea DI, mayor será la templabilidad. Valores Típicos de H Agitación

Medio de Temple Aceite

Agua

Salmuera

Ninguna

0,25 - 0,30

0,90 - 1,0

2,0

Moderada

0,35 - 0,40

1,2 - 1,3

Fuerte

0,50 - 0,80

1,0 - 2,0

5,0

1.-Templabilidad Determinada por el Método Jominy

El método Jominy para la medición de la templabilidad es hoy uno de los más empleados por la facilidad de su ejecución y regularidad de resultados. Consiste en templar una probeta estandarizada, ( 1" de diámetro y 4" de largo, Figura 4.3-2), del acero en cuestión, previamente calentado a la temperatura de austenitización, enfriándola mediante un chorro de agua, también estandarizado, que sólo enfría su base inferior, Figura 4.3-3. Esta cara actúa como superficie templante que enfría la probeta longitudinalmente hacia su extremo superior sólo por conducción, obteniéndose así una gradación de velocidades de enfriamiento desde la máxima, en el extremo templado, a la mínima en el opuesto.

Una vez que la probeta está completamente fría, se rebaja con una fresa por ambos costados y se mide su dureza Rockwell C a lo largo de ella. El gráfico que se obtiene se muestra en la Figura 4.34 para un acero 1050.

La zona de la probeta que recibe directamente el chorro se enfría más rápido y se endurece más, al alejarse del extremo enfriado la dureza baja correlativamente con una disminución de la velocidad de enfriamiento, Figura 4.3-5. La templabilidad de diversos aceros se muestra en la Figura 4.3-6.

Como ya se mencionó, la templabilidad se ve afectada por: El tamaño de grano de la austenita Un grano muy fino tiene mucha área de borde de grano que facilita la nucleación de ferrita y perlita, disminuyendo la templabilidad del acero. Por otra parte, un grano grande de austenita no es deseable por que reduce la ductilidad final del acero y aumenta la tendencia al agrietamiento en el temple, así pues, no es buena práctica hacer crecer el grano de la austenita.

El aumento del contenido de carbono Un incremento del contenido de C en un acero aumenta fuertemente su dureza y su templabilidad. Sin embargo, un alto % de C no siempre es deseable, por eso, una alternativa para aumentar la dureza de un acero de bajo C es añadir elementos de aleación. La relación entre el %C, el tamaño del grano de la austenita y el Di, se muestra en la Figura 4.3-7. Elementos de aleación Ninguno de los factores anteriores se usa específicamente para aumentar la templabilidad, esto se logra principalmente mediante la adición de elementos de aleación al acero, exceptuando al Cobalto, Co. Como ya se dijo, DI depende del % de C, del tamaño de grano de la austenita y del % de elemento de aleación, i.e.: DI = DI (%C,  ASTM austenita) * f1 * f2 *... * fn donde: f = función del % del elemento de aleación i = 1, ..., n son los diferentes elementos de aleación Así, por ejemplo, para los aceros:  1040: 0,4% C y 0,6% Mn  4140: 0,4% C, 1,04% Mn,, 0,3% Si, 1,13% Cr, 0,15% Mo  Ambos con  ASTM austenita = 8 De la Figura 4.3-7, se tiene: DI (1040) = 0,2 in y DI (4140) = 0,2 in, dado que ambos tienen el mismo % de C y tamaño de grano de austenita. Conjuntamente, de la Figura 4.3-8 se obtienen los factores de multiplicación de los distintos elementos.

Para Acero 1040

Para Acero 4140

fMn = 3

fMn = 4,4

fSi = 1,15

fCr = 3,4

fMo = 1,6

Reemplazando tenemos que: Para acero 1040: DI = 0,2(in) * 3 = 0,6 (in)  es un acero poco templable. Para acero 4140: DI = 0,2(in) * 4,4 * 1,15 * 3,4 * 1,6 = 5,5 (in)  es un acero muy templable.

Para calcular las velocidades de enfriamiento y su equivalente en distancia Jominy al enfriar a diferentes profundidades en barras de distintos diámetros los siguientes gráficos son de gran utilidad, Figura 4.3-9 (a) y (b). REVENIDOS DE ACEROS TEMPLADOS La estructura martensítica obtenida por temple es muy dura y frágil. Mediante el revenido es posible aumentar significativamente su resistencia al impacto, aun cuando se disminuye la dureza.

El revenido consiste en calentar una pieza templada por períodos del orden de 1 a 3 horas a temperaturas menores que la de austenitización. Como se muestra en la Figura 4.4-1, primero se calienta el acero a temperatura levemente inferior a la de austenitización A e1, luego es enfriado rápidamente, de modo de no topar la nariz de las curvas TTT, para formar una estructura martensítica. Posteriormente, el acero es recalentado a una temperatura inferior a A e1 para obtener la dureza deseada.

La Figura 4.4-2 muestra la disminución de dureza en aceros revenidos a diferentes temperaturas. Se debe notar que en aceros de alto carbono revenidos a baja temperatura aumenta en algo la dureza, esto se explica por los cambios microestructurales que se producen con el revenido, lo que se detallará a continuación. 1.-Cambios microestructurales producidos por revenido Durante el proceso de revenido ocurren cambio microestructurales debidos a reacciones en estado sólido. Las más importantes son: 1. Segregación de átomos de C 1. Precipitación de carburos 1. Descomposición de la austenita retenida 1. Recuperación y recristalización de la matriz ferrítica

No todas estas reacciones ocurren a la misma temperatura y en el mismo período de tiempo. Muchas de ellas suceden simultáneamente, esto determina que las microestructuras resultantes sean muy complejas. Segregación de átomos de carbono En la red cristalina martensítica de aceros de bajo carbono hay una alta densidad de dislocaciones. Los espacios intersticiales de esta red, cercanos a las dislocaciones proveen de sitios de energía menor para los átomos de carbono que la de posiciones intersticiales en la red normal. Así, cuando un acero martensítico de bajo carbono es revenido desde 25 a 100ºC, los átomos de carbono se redistribuyen hacia estos sitios de menor energía. En realidad gran parte de la redistribución de los átomos de C se realiza durante el enfriamiento en el rango de temperatura donde se forma la martensita. 2.-Para aceros de bajo contenido de carbono, menor a 0,2% de C, la redistribución ocurre mayoritariamente, por segregación de los átomos de C hacia los defectos de la red, principalmente dislocaciones. 3.-Para aceros con alto contenido de C, la redistribución, en este caso, ocurre por agrupación de precipitaciones. La fuerza impulsora de esta reacción es la disminución de la energía elástica total de la red cristalina. El número de sitios de dislocaciones de baja energía es mucho menor en aceros de alto carbono, esto determina que la segregación de carbono por este mecanismo sea muy reducida. Precipitación de carburos En aceros al carbono se han identificado tres tipos de carburos que difieren en composición química y estructura cristalina. 2.-En revenidos entre 100 y 200°C, en aceros sobre 0,2%C, se produce precipitación de carburo , (composición Fe2-3C, con una estructura cristalina HCP), el cual es metaestable y se disuelve a altas temperaturas. Los carburos  se caracterizan por ser finos y muy pequeños, por lo cual es necesario mucho aumento para observarlos, además precipitan según ciertos planos cristalográficos específicos, Figura 4.4-3 (a). Es importante destacar el hecho que en aceros de bajo carbono, menos de 0,2% de C, estos carburos no precipitan. 3.-Para revenidos entre 250 y 700°C, precipita cementita, (composición Fe3C y estructura cristalina ortorrómbica), Figura 4.4-3 (b). En un comienzo y con revenidos a menores temperaturas, 200 a 300ºC, la cementita aparece en forma de agujas, en cambio, para revenidos a mayores temperaturas, entre 400 y 700°C, las partículas de cementita crecen por coalescencia y toman forma esférica. Si el tiempo de revenido se prolonga mucho los carburos crecen demasiado y se pierde completamente la dureza del temple, se obtiene de esta forma una matriz de ferrita con partículas gruesas de cementita, llamada esferoidita, Figura 4.4-3 (c). 2.-Existe un tercer tipo de carburo, denominado carburo Hägg (Fe5C2, y estructura cristalina monoclínica), éste precipita en algunos aceros de alto carbono revenidos entre 200 y 300ºC, es metaestable y de composición intermedia entre el carburo  y la cementita.

Descomposición de la austenita retenida En aceros de más de 0,4%C al templar a temperatura ambiente queda austenita retenida, Figura 4.4-4:  El revenido a temperaturas entre 200 y 300°C produce transformación de esta austenita en bainita, esto explica el aumento de dureza en aceros de alto C para revenidos de baja temperatura, debido a que la bainita es más dura que la austenita. Sobre 350°C la pérdida de dureza es causada también por un efecto de recristalización.

Recuperación y recristalización Es difícil determinar cuando comienza la recuperación de la estructura martensítica durante el recocido, pero se puede decir con certeza que lo afecta sobre los 400ºC. Durante la recuperación los bordes de las celdas y las dislocaciones se aniquilan mutuamente al azar, desarrollándose una estructura de grano fino. Después de largo tiempo a temperatura iguales o superiores a 600ºC, la martensita ya recuperada recristaliza, produciendo una estructura ferrítica, en la cual grandes partículas de Fe3C se introducen en los borde de grano o entre ellos, Figura 4.4-5. 1.-Fragilización por Revenido

Dos variedades de fragilización por revenido se han observado: 1. Fragilización de una etapa o fragilización de los 350ºC 1. Fragilización de dos etapas Fragilización de una etapa Los mecanismos que causan la fragilización de una etapa no están muy claros, pero se cree que podría ser causado por las impurezas del acero, ya que no se produce en aleaciones puras de bajo carbono como la 4340. Este tipo de fragilización afecta a aceros de baja aleación templados a martensita y luego revenidos en el rango de 250 a 350ºC. Se caracteriza porque la dureza decrece continuamente, y la resistencia al impacto pasa por un mínimo, justo a los 350ºC, para luego remontar. Además, la fragilización va acompañada de fractura predominantemente intergranular, Figuras 4.4-6 y 4.4-7. Aspectos importantes de la fragilización de una etapa, pueden ser resumidos como sigue: 2.-La ocurrencia de anomalías en la energía de impacto coincide con el comienzo de la precipitación de cementita. 3.-Este proceso puede comenzar con la precipitación de P, N y posiblemente S en los bordes de granos de la austenita previa, esta segregación sería esencial para la fractura intergranular que aqueja a la fragilización de una etapa. 4.-Elementos de aleación como el manganeso pueden tener un efecto indirecto en la promoción de segregación de elementos de fragilización en los bordes de grano. 5.-Cuando por el revenido comienza a precipitar cementita en los mismos bordes de grano de la austenita se incrementa la segregación de impurezas en éstos, debilitándolos y promoviendo la fractura intergranular.

Fragilización de dos etapas Mientras la fragilización en una etapa ocurre en aceros martensíticos de alta resistencia, por ejemplo: AISI 4340 y AISI 4140, la fragilización en dos etapas ocurre en aceros con menores tensiones de fluencia. Es causada por revenidos a altas temperaturas, entre 600 y 700ºC, seguidos de enfriamiento lento o cuando éstos aceros trabajan permanentemente en el rango de 350 a 600ºC. Esta fragilización se atribuye a la segregación de impurezas en los bordes de grano, la que genera una fractura frágil de tipo intergranular. La fragilización por revenido tiene ciertas características, entre las que destacan las siguientes:  No ocurre en aceros al carbono, ni en aceros de aleación de alta pureza.  La transición de temperatura dúctil-frágil es directamente proporcional a la concentración de impurezas en los bordes de grano.  La velocidad y cantidad de segregación de impurezas, y por tanto, la fragilización intergranular resultante, dependen de la composición total del sistema. Elementos de aleación pueden también segregar en los bordes de grano junto a las impurezas. Así, adiciones de Níquel (Ni), Manganeso (Mn), y Silicio (Si) promueven la fragilización causada, primariamente por Antimonio (Sb) y Fósforo (P), y secundariamente por Estaño (Sn) o Arsénico (As). Contrariamente, adiciones de Molibdeno (Mo), Titanio (Ti) y Zirconio (Zr) atrasan el inicio de la fragilización.  Es reversible, puede ser eliminada calentando a temperaturas sobre 600ºC y luego enfriando rápido. Es interesante el hecho que la fragilización retorna si se mantiene a temperaturas entre 350 y 550ºC.

ENDURECIMIENTO SECUNDARIO

Cuando aceros al carbono son revenidos, se observa que, si la temperatura a la cual se realiza este proceso es elevada entre 100 y 700ºC, ocurre una disminución progresiva de la dureza que va acompañada con un incremento en la ductilidad. La formación de cementita y su engrosamiento gradual en la matriz ferrítica son las causas principales de los cambios en las propiedades mecánicas. Por lo tanto, reemplazando la cementita por otros carburos más estables, como por ejemplo carburos de Molibdeno y/o Tungsteno, el ablandamiento observado en estos aceros puede reducirse significativamente y, si se agregan cantidades suficientes de elementos de aleación se producirá un incremento en la dureza en el rango de 500 a 650ºC; este reendurecimiento producto del revenido es llamado endurecimiento secundario. Los carburos de Mo y W son más estables que la cementita y se forman en su lugar si existe la suficiente energía de activación. La velocidad de crecimiento de estos carburos en martensita revenida es determinada principalmente por la energía de activación de la difusión de estos elementos en la ferrita. Como ésta es mucho más lenta que la de los átomos de carbono en aceros al carbono, los carburos producidos son más finos y su engrosamiento es lento. De este modo, la dureza de los aceros martensíticos revenidos es mucho más alta que la de aceros al carbono. El endurecimiento secundario en aceros que contienen Mo, Figura 4.5-1, es causado por una precipitación muy fina de partículas de Mo 2C, éstas refuerzan la ferrita alcanzando un máximo endurecimiento cerca de los 550ºC. El endurecimiento se debe principalmente a la nucleación y crecimiento de pequeñas agujas de Mo2C en las dislocaciones de la red formada al templar a martensita. De manera similar, el endurecimiento secundario en aceros que contienen W es causado por una precipitación muy fina de partículas de W 2C. La morfología de la precipitación de Mo y W es similar, si bien difieren en tamaño y densidad de los precipitados, siendo menor la densidad de partículas y mayor el tamaño y separación de las agujas en aceros que contienen W. Por lo tanto, los aceros con W 2C son más blandos que sus similares con Mo 2C, ya que, los primeros se engruesan más lentamente producto de la lenta difusión de los átomos de W. Las partículas de Mo y W, (Mo2C y W2C), son muy estables a temperaturas hasta 600°C y por tanto, mantienen la dureza en herramientas de acero para trabajo en caliente o a alta velocidad que produce calor. Este tipo de acero se conoce como acero rápido. Además, a estos aceros se les agrega Vanadio (V), para aumentar la resistencia a la abrasión, Cromo (Cr), para reducir la oxidación y aumentar la dureza y a veces se les agrega Cobalto (Co), para elevar la temperatura de endurecimiento.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE ENDURECIMIENTO SUPERFICIAL Hay piezas que conviene endurecerlas sólo en la superficie, para que resistan el roce, pero su interior debe ser más blando para resistir impactos. Para lograr esto existen varios procedimientos de uso habitual: 2. Cementación 3. Carbonitruración 4. Nitruración 5. Nitruración iónica 6. Temple por inducción Los cuatro primeros cambian la composición química de la superficie de la pieza: la cementación mediante la adición de C, la nitruración y la nitruración iónica con la adición de N y la carbonitruración por la adición de C y de N. En cambio, la última no cambia la composición química del acero y es esencialmente un método de endurecimiento poco profundo. 1.-Cementación o Carburización La cementación es un procedimiento en el cual un acero de bajo carbono, 0,2% C o menos, se austenitiza en una atmósfera o en un ambiente rico en C, el cual difunde hacia el interior de la pieza, permitiendo a la austenita disolver altos porcentajes de éste. La temperatura usual de cementación es cercana a los 950ºC y la profundidad de este tratamiento depende del tiempo y de la dureza deseada. Una vez obtenida la capa exterior rica en C, se endurece por temple. Cabe señalar que la cementación en lo posible debe usarse en aceros en los cuales no pueda crecer mucho el grano y se pueda templar directamente. Un acero cementado muestra las siguientes características: Dureza superficial

50 a 62 Rc

Contenido de C superficial

0.85 - 1%

Espesor característico cementada

capa 2 - 20 mm

Es usual definir el espesor de cementación por la capa con dureza Rc > 50

El tratamiento completo de cementación varía de un acero a otro, por ello existen varios procedimientos, uno de los cuales es:  Normalizado, previo a la cementación  Cementación, a temperaturas entre 850 y 950°C  Temple. Existen tres tipos de temple:  En agua, los de la serie 10XX y 11XX  En aceite, la gran mayoría, como por ejemplo los de las serie 15XX, 40XX, 4118, 4320  Los de enfriamiento lento, como son los 4320, 48XX, 4720, 8822. 1. Calentamiento adicional: en un rango de 790 a 870°C, para producir difusión adicional del C y la redistribución de carburos. 1. Temple en agua o aceite 1. Revenido, a temperaturas que oscilan entre 120 y 180°C Equipos para Cementación Equipos típicos para cementación son los siguientes: 2.-Cajas: se cementa con carbón 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. 3.-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, que fácilmente se descompone a la temperatura de cementación El gas tiene una composición típica de: CO 20%, H 2 40% y N2 40%, pudiendo modificarse la composición de éste para controlar el potencial de C. 4.-Líquido: se cementa colocando las piezas en baños de mezclas de sales fundidas, (cianuro), de modo que el carbono difunde desde el baño hacia el interior del metal. Produce una capa más profunda, más rica en C y menos N. Sus principales ventajas son: eliminación de oxidación, profundidad de la superficie dura y contenido de C uniformes y gran rapidez de penetración; si bien posee ciertas desventajas como son: lavado de las piezas posterior al tratamiento para prevenir la herrumbre, revisión de la composición del baño en forma periódica y alta peligrosidad de las sales de cianuro, dado que éstas son venenosas. 1.-Carbonitruración Es un proceso de endurecimiento superficial de carácter gaseoso, en él se calienta un acero en una atmósfera gaseosa de composición tal que el C y N se absorben simultáneamente, obteniéndose una capa superficial muy dura. La atmósfera consiste en un "gas portador" enriquecido por gas natural, metano o propano (que proporcionan el C), y por amoníaco (que entrega el N necesario). El proceso de difusión de C y N se realiza entre 815 y 870ºC y luego se templa en aceite, para disminuir la distorsión y el peligro que se produzcan fisuras. El espesor de capa carbonitrurada es menor a 0,5 mm. Así por ejemplo, capas de 0,15 a 0,40 mm se obtienen con tiempo de carbonitruración que van de 1/2 a 3 horas a una temperatura de 815 °C.

1.-Nitruración Es un proceso para endurecimiento superficial de aceros aleados en una atmósfera constituida por una mezcla en proporciones adecuadas de gas amoníaco y amoníaco disociado. La efectividad de este proceso depende de la formación de nitruros en el acero por la reacción del N con ciertos elementos de aleación, principalmente Al, Cr y Mo. El N difunde en el acero y forma nitruros complejos. Las piezas que se nitrurarán se colocan en un recipiente hermético a través del cual se proporciona continuamente la atmósfera de nitruración, mientras que la temperatura se eleva y mantiene sobre los 500ºC. Se efectúa en hornos estancos calentados entre 500 y 550°C, en los cuales se genera una circulación de amoníaco. Por lo general es conveniente rectificar la pieza luego de la nitruración. Se obtienen capas de 0,1 a 0,5 mm de espesor y de alta dureza, 70 Rc. El proceso toma largo tiempo, (20 a 60 hrs) y depende de la profundidad de la superficie dura deseada. Las propiedades logradas con este tratamiento son: 1. 2. 3. 4.

Resistencia al desgaste Resistencia a la corrosión Escasa deformación. Aumento del límite de duración a la fatiga a causa de una cierta compresión superficial producida

1.-Nitruración iónica En este tipo de nitruración se usa una corriente eléctrica para ionizar el gas nitrógeno a baja presión en vacío. Los iones son acelerados hacia la pieza nitrurada por un potencial eléctrico, la pieza se calienta por el choque de iones, los que además son fuente de nitrógeno. El proceso es un 30 a 50% más rápido que la nitruración convencional.

1.-Temple por inducción Es un proceso de endurecimiento de acero en el cual las superficies de las piezas se calientan rápidamente a temperatura de austenitización mediante inducción electromagnética, (con un diseño adecuado del inductor, se puede confinar el calor a áreas pequeñas). Una vez alcanzada la temperatura de austenitización se aplica una ducha de agua fría que produce el temple. El principio del calentamiento por inducción es el siguiente: una bobina que conduce una corriente de alta frecuencia rodea o se coloca sobre la pieza, se inducen así corrientes alternativas y loops de histéresis que generan rápidamente calor en la superficie. Las corrientes inducidas de alta frecuencia tienden a viajar por la superficie del metal, por tanto, es posible calentar una capa poco profunda del acero sin necesidad de calentar el interior del material. La profundidad del calentamiento depende de la frecuenciade la corriente, la densidad de potencia y el tiempo de aplicación de ésta. Mientras mayor es la frecuencia, menor es la profundidad calentada, de forma que: altas potencias (100 kHz a 1 Mhz), y tiempos cortos (en segundos), calientan espesores de 0,25 mm; en cambio, potencias menores (25 kHz), y tiempos más largos calientan espesores de 10 mm. Se utiliza en aceros al carbono, con contenido medio de C, en éstos produce superficies endurecidas delgadas. También se puede utilizar en aceros aleados; los aceros de baja aleación se endurecen fácil y superficialmente mediante este método; en cambio, los aceros altamente

aleados son más lentos y pueden necesitar de un aumento de temperatura para lograr la estructura deseada, sin embargo, como el calentamiento mediante este método es muy rápido, se pueden calentar sin peligro de crecimiento excesivo de grano. Las piezas de aceros endurecidas mediante este procedimiento sufren menor distorsión total que si se las hubiese templado luego de calentarlas en un horno. La microestructura del acero antes del templado por inducción es importante para determinar el ciclo de calentamiento que se utilizará, así por ejemplo, las estructuras que después del templado y revenido tienen carburos pequeños y uniformemente dispersos se austenitizan más fácilmente, pudiéndose obtener superficies endurecidas de poca profundidad y de máxima dureza superficial mediante grandes velocidades de calentamiento. Entre las ventajas de este proceso podemos destacar el hecho que no necesita de personal especializado para su operación debido a que es un proceso prácticamente automático. Entre las desventajas resaltan el alto costo del equipo, el alto costo de mantenimiento y el hecho que no es económico si se desean endurecen pocas piezas. El tratamiento realizado fue el de temple en agua/aceite. Se obtuvieron durezas de : Iniciales: 98 HRb. Después del tratamiento: 63, 64, 64 HRc.

TRATAMIENTO TERMICO A CERAMICAS.

Los avances rápidos en tecnología de circuitos integrados han conducido a la mejora del proceso y a la fabricación de la cerámica de múltiples capas (MLC) especialmente para los condensadores y los paquetes microelectrónicos. La fiabilidad creciente ha sido el resultado de una cantidad enorme de investigación dirigida e entender las diversas relaciones entre la microestructura y la s características implicadas en el proceso de fabricación total de MLC. Esto incluye el procesado del polvo, la formación fina de la hoja, las interacciones metalúrgicas, y su prueba final. Actualmente, los condensadores de múltiples capas y el empaquetado ocupan más de la mitad del mercado electrónico de la cerámica. Para los condensadores de múltiples capas, más de 20 mil millones de unidades se fabrican un año, excediendo en número y en gran medida cualquier otro componente de cerámica electrónico. La cerámica de múltiples capas y los paquetes híbridos consisten en alternar capas de electrodos del dieléctrico y del metal, según lo demostrado en los cuadros 5 y 6, respectivamente. La fuerza impulsora para estas configuraciones compactas es la miniaturización. Para los condensadores, la capacitancia c) medida en faradios, F, es

donde K es la constante dieléctrica (adimensional); e 0 la constante dieléctrica; A es el área del electrodo, m2; y t el espesor de la capa dieléctrica, m. C aumenta con el aumento de área y del número de capas y del espesor que disminuye. Los espesores típicos se extienden entre 15 y 35 milímetros. Semejantemente, para los paquetes del substrato, la configuración de múltiples capas incorpora líneas transversalmente integradas del conductor y las trayectorias verticales conductoras (vías) que permiten numerosas interconexiones entre los componentes a través de la distribución del sistema y de energía del dispositivo en un espacio relativamente pequeño. Los substratos de MLC capaces de proporcionar 12.000 conexiones eléctricas que contienen 350.000 vías se fabrican actualmente.

Figura. 5. sección transversal esquemática de un condensador convencional de MLC.

Figura 6. Diagrama esquemático de un substrato de MLC para el empaquetado microelectrónico. El número de etapas del procedimiento, mostrados en el cuadro 7, se utilizan para obtener la configuración de múltiples capas para los compuestos de cerámica- metal. Los pasos de procesado

básicos son:

preparación

de

las mezcla

y cintas,

fabricación

del verde,

empaquetamiento, impresión de electrodos internos o de la metalización, apilamiento y laminado, el corte en cubitos o control dimensional, quemadura de la carpeta, sinterización, acabado final, y encapsulado. Después de cada paso de proceso, el control de calidad en la forma de pruebas físicas y eléctricas no destructivas asegura un producto final uniforme.

Figura 7. Proceso de fabricación de los condensadores de MLC. Los pasos son (a) polvo; (b) preparación de la mezcla; (c) preparación de la cinta adhesiva; (d) electroding; (e) apilamiento; (f) laminación; (g) el cortado en cubitos; (h) calentamiento; y (i) etapa de acabado. El bloque de edificio básico, la hoja verde de cerámica, una mezcla de polvo dieléctrico suspendido en un sistema o un vehículo líquido acuoso o no acuoso abarcado de solventes, las carpetas, los plastificantes, y otros añadidos para formar el slip que se puede echar en hojas finas, son las “materias primas” de este prtoceso . El propósito de la carpeta (20.000-30.000 polímeros del peso molecular) es unir las partículas de cerámica bien juntas para formar las hojas verdes flexibles. Los electrodos se defienden en la cinta usando una goma apropiada de los polvos del metal. Los solventes

desempeñan

un

número

de

papeles

dominantes,

extendiéndose

desde

la

desaglomeración de partículas de cerámica para controlar la viscosidad de la cinta del molde, a la formación de la microporosidad en la hoja mientras que el solvente se evapora. Los plastificantes, los IE, las moléculas orgánicas clasificadas como pequeñas o medias y los entrecruzamientos entre las moléculas de la carpeta, proporcionan mayor flexibilidad a la hoja verde. Los dispersores, moléculas del polímero típicamente entre 1.000 y 10.000 de peso molecular, se agregan a las finas capas o slips, ayudando en la desaglomeración de partículas del polvo, teniendo en cuenta las densidades más altas en la cinta del molde. El slip que resulta debe tener comportamiento reológico seudoplástico. Hay varios métodos para hacer las grandes hojas de cerámica utilizadas en la fabricación de MLC. Los métodos incluyen el bastidor de la película del cristal, de la correa y del portador, y técnicas de colocación húmedas. Las ventajas y las limitaciones relativas de cada técnica se han repasado. Las dos técnicas empleadas comúnmente, bastidores de la correa y “blading doctor”, se representan esquemáticamente en el cuadro 8.

Figura 8. Diagrama esquemático de los métodos para la fabricación de MLC; arriba: bastidor de la correa; abajo: bastidor de la película del portador usando una lámina. La metalización de las hojas verdes es realizada generalmente por la pantalla que imprime, por lo que un metal de la tinta consistente en los polvos dispersados por vehículos de la resina y del solvente es forzado a través de una pantalla modelada. Las aleaciones del paladio y de platapaladio (Ag:Pd) son la forma más común de metalización; el tungsteno y el molibdeno se utilizan para altas temperatura en MLCs. Después de la investigación, las capas metalizadas se apilan y se laminan para colocar (alinear) y para fundir las hojas del verde en un componente monolítico. El registro apropiado es crucial para alcanzar y mantener el diseño de la capacitancia (condensadores de MLC) y para la colocación apropiada del corte en paquetes de MLC. La sinterización es el proceso más complejo de la fabricación de MLC. Idealmente, la calcinación o calentamiento de la carpeta y los pasos de la sinterización se realizan durante el mismo ciclo de la temperatura y en la misma atmósfera. La mayoría de las carpetas queman por 500°C, bien antes de encierro del poro en el densificación de la mayoría de las cerámicas. El comportamiento en la sinterización de los muchos y diversos componentes de MLC se debe reconciliar para alcanzar un material denso. La metalización interna y el dieléctrico deben quemarse en un solo proceso. Las temperaturas se relacionan con la composición del material y se pueden ajustar usando los añadidos. Las tarifas de densificación se relacionan con la temperatura de proceso y con las

características de la partícula (tamaño, distribución de tamaño, y estado de la aglomeración). Así, la quemadura y las condiciones de la sinterización dependen fuertemente del sistema. Después de la densificación, durante las etapas de terminación, los plomos externos del electrodo se unen para los componentes del condensador de MLC, y el montaje y ensamblado del módulo y de la viruta del IC se realizan para los paquetes de MLC. Los dispositivos entonces se prueban para asegurar su buen funcionamiento y fiabilidad total.