CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES

IBQ. OMAR ALEJANDRO MENDOZA AGUILAR

ARREOLA HERÁLDEZ MARIA NAYELY

GARCÍA VÁZQUEZ BETSABÉ

IBARRA ESTRADA JESÚS GUILLERMO

MEZA BELTRÁN PEDRO

QUIROZ CHÁVEZ LUIS ALFONSO

PEÑA COVARRUBIAS RODRIGO

RAMOS BURGOS DANIEL HUMBERTO

CONTROL DE LA MICROESTRUCTURA

Viernes 24 de abr. de 15

Introducción

La presente investigación se refiere a los temas sobre el control de la microestructura los cuales son endurecimiento por deformación, temple, revenido, carbonizado y nitrurizado.

Que se pueden definir por separado tal como es el endurecimiento por deformación (también llamado endurecimiento en frio o por acritud) que se define como el endurecimiento de un material por una deformación plástica a nivel microscópico que tiene efecto a incrementar la densidad de dislocación del material, así como el temple puede ser un tratamiento del acero o bien un tratamiento de vidrio al igual que el revenido es un tratamiento térmico a un material con el fin de variar su dureza y cambiar la resistencia mecánica de dicho material.

El carbonizado o carnificación es el proceso en virtud del cual restos orgánicos acumulados en estratos de la corteza terrestre y por último el nitrurizado es un tratamiento térmico que se le da al acero su proceso modifica su composición añadiendo nitrógeno mientras es calentado.

Por lo que viene siendo sobre estos temas ya mencionados se hablara de ellos para conocer más a fondo lo que son en sí.

Por último para analizar los temas ya mencionados anteriormente es necesario de mencionar sus causas, procedimientos, aplicaciones, tipo de materiales que pueden utilizarse para realizar dicho proceso, como también sus enlaces externos, se entiende por procedimiento como un método o modo de tratar o ejecutar una cosa.

Endurecimiento por deformación

El endurecimiento por deformación plástica o en frío es el fenómeno por medio del cual un metal dúctil se vuelve más duro y resistente a medida es deformado plásticamente. Generalmente a este fenómeno también se le llama trabajo en frío, debido a que la deformación se da a una temperatura "fría" relativa a la temperatura de fusión absoluta del metal.

Distintos metales tienen diferente capacidad para endurecerse cuando se deformación plásticamente. Esa habilidad de endurecerse se mide con el coeficiente de endurecimiento por deformación (n). Entre mayor es n para un metal, más se endurece al ser deformado plásticamente.

Para que el endurecimiento de un metal se mantenga, es necesario que las dislocaciones que fueron creadas durante la deformación se mantengan en la estructura de metal. La estructura cristalina del metal tiene un número "normal" de disoluciones. La deformación plástica ha causado que haya más disoluciones que ese número "normal", por lo que la estructura cristalina tendrá a hacer desaparecer a las disoluciones "extras".

Si se aumenta la temperatura del material hasta el grado que se permita la difusión atómica, las disoluciones "extras" desaparecerán del material, haciendo que este recupere las propiedades mecánicas que tenía antes de ser deformado. Sabemos que la difusión se activa a una temperatura mayor a 0.4 veces la temperatura de fusión del material en grados absolutos por lo tanto se tendrá lo siguiente:

● Trabajo en frío. Existe endurecimiento por deformación. Se crean disoluciones y estas se quedan en el material. El material se endurece.

● Trabajo caliente. No existe endurecimiento por deformación, se crean dislocaciones pero estas desaparecen por difusión. El material no endurece.

El trabajo en frío no solo causa un aumento de las disoluciones en la estructura del metal, sino que también causa la deformación de sus granos. La combinación de los granos deformados con el aumento de disoluciones causa esfuerzos residuales dentro del material. Los esfuerzos residuales no son más que zonas de tensión o compresión que existen dentro del material sin que sean generados por fuerzas externas. Los esfuerzos residuales pueden causar debilitamiento del material, haciendo que falle a esfuerzos aplicados menos a su resistencia nominal.

El aumento de las dislocaciones y la deformación de los granos de la estructura cristalina puede causar cambios en las propiedades eléctricas y a la resistencia a la corrosión del metal. Todos los cambios asociados a la deformación plástica en frío pueden ser revertidos utilizando el tratamiento térmico apropiado. La restauración de las propiedades a los

valores previos a la deformación se logra a partir de dos procesos diferentes que ocurren a temperaturas elevadas.

● La recuperación y la re cristalización. Durante la recuperación, alguna de la energía interna guardada en la deformación de la estructura cristalina es liberada a causa del movimiento de las dislocaciones como resultado de la difusión atómica. Además, algunas propiedades físicas como la conductividad eléctrica y térmica se recuperan a los valores previos a la deformación.

La recristalización es la formación de un nuevo conjunto de granos libres de deformación con baja densidad en dislocaciones y característicos de la condición previa al trabajo en frío. Durante la recristalización, las propiedades mecánicas que fueron cambiadas como resultado del trabajo en frío son restauradas a sus valores previos a la deformación plástica, es decir, el metal se vuelve más suave, más débil y más dúctil.

● El crecimiento del grano.El fenómeno del crecimiento del grano ocurre a debido a que a medida el grano crece, disminuye el área total de las fronteras de los granos, disminuyendo por tanto la energía total almacenada en el material.

Temple

Temple, según la ASM, es el enfriamiento rápido del acero desde una temperatura elevada. En general, esto se logra sumergiendo la pieza en agua, aceite, sal o aplicando aire comprimido. Como resultado del temple, las partes deben desarrollar una microestructura aceptablemente dura (generalmente martensita), en el estado templado, y en las áreas críticas unas propiedades mecánicas mínimas. Luego de este tratamiento se recomienda revenir la pieza. El tratamiento de temple consiste en enfriar de manera controlada a la mayoría de las variantes de aceros aleados previamente calentados a temperaturas de entre 750 ºC y 1.300 ºC. Dependiendo del material base, la temperatura y tiempo de calentamiento, y severidad del enfriamiento se puede conseguir una amplia gama de durezas.

El tratamiento de temple se divide en dos pasos:

1. Calentamiento controlado en temperatura (entre 750 ºC y 1.300 ºC dependiendo del material base), rampa de calentamiento y tiempo de mantenimiento a temperatura máxima. Ajustando estos tres puntos de control podemos conseguir las condiciones idóneas previo al temple disolviendo los elementos aleantes de manera correcta y obteniendo una estructura austenítica deseada. De esta manera aseguramos unos resultados finales óptimos, uniformes y repetibles.

2. Enfriamiento controlado de la zona a templar. Es muy importante controlar el medio de temple (agua, agua + polímero, aceite…), caudal, presión y la tipología de sistema de ducha utilizado. Con un correcto ajuste del temple se consigue la transición estructural de austenita a martensita, mejorando notablemente la dureza de la zona templada.

Existe un tercer paso necesario asociado al temple en aceros con alto grado de fragilidad. Dureza y fragilidad son características directamente proporcionales por lo que hay que hacer un tratamiento posterior para equilibrar ambas.

En casos excepcionales para potenciar al máximo la transformación de austenita a martensita, al temple le sigue un proceso sub‐cero previo al revenido.

Casi todos los aceros destinados al uso industrial se pueden templar, por ejemplo los aceros para resortes, aceros para trabajo en frio, aceros de temple y revenido, aceros para rodamientos, aceros para trabajo en caliente y aceros de herramientas, así como una gran cantidad de aceros inoxidables de alta aleación y aleaciones de hierro fundido.

El enfriamiento rápido (temple) del acero desde la temperatura de temple hace la estructura cubica original más rígida. Este estado impuesto conlleva una distorsión tetragonal de la matriz produciendo una celda unitaria centrada en el cuerpo típica.

El nombre de este elemento constitutivo microestructural es “martensita”.

Este proceso supone un importante refuerzo de la matriz debido a la gran movilidad reducida de las dislocaciones dentro del material. Esto explica la alta dureza y la gran resistencia de la fase martensítica y también su baja tenacidad y su mala ductilidad.

Tipos de temple:

1. Temple ordinario o directo.- Es el método más ampliamente usado para tratar el acero. Se realiza calentando el acero hasta una temperatura por encima de A3 o Acm y enfriando con una velocidad mayor que la crítica de temple, de modo que se produzca un endurecimiento notable, el cual se debe a la formación de martensita y sucede en la superficie solamente o en toda la pieza, dependiendo de la capacidad de temple del acero y de su espesor. El enfriamiento se hace hasta temperaturas menores a A1 y en general por debajo de Ms.El temple directo es relativamente simple y económico cuando se aplica a piezas cuyo servicio no es demasiado exigente o a herramientas en las que se busca penetración del temple. No se aplica a piezas de formas complicadas y a materiales sensibles a la distorsión y el agrietamiento debido a lo brusco del enfriamiento. A veces se realiza por enfriamiento desde la temperatura de laminación o de forja inmediatamente después de la deformación en caliente.

2. Temple escalonado.- Esta forma de temple se usa cuando la velocidad de enfriamiento de la pieza que se templa debe cambiarse abruptamente en un momento dado durante el enfriamiento. Este cambio puede ser un aumento o una disminución de la velocidad de enfriamiento, dependiendo de los resultados deseados. Lo más común es disminuir la velocidad de enfriamiento, esto se hace primero en un medio, por ejemplo agua, por corto tiempo hasta unos 400°C, de modo que la pieza esté a una temperatura por debajo de la nariz perlítica de la curva TTT, entonces se retira la pieza y se enfría en un segundo medio, por ejemplo aceite, de modo que se enfríe más lentamente en el intervalo de transformación martensítica hasta la temperatura ambiente. El segundo medio puede ser aire tranquilo en muchos casos.

Medio de enfriamiento o medios de temple

En vista del mecanismo de eliminación de calor, el medio de temple ideal mostraría una alta rapidez de enfriamiento inicial para evitar la transformación en la región de la nariz del diagrama TTT y luego una lenta rapidez de enfriamiento para todo el intervalo inferior de temperatura a fin de minimizar la distorsión. Desafortunadamente, no hay un medio de temple que muestre estas propiedades ideales. El agua y las soluciones acuosas de sales inorgánicas tienen altas rapideces de enfriamiento inicial a través de las etapas A (enfriamiento por medio de una capa de vapor) y B (enfriamiento por transporte de vapor), pero estas rapideces persisten a bajas temperaturas, donde la distorsión y el agrietamiento tienden a ocurrir. Los aceites de temple convencionales tienen una mayor etapa A, o capa de vapor y una etapa B más corta con una rapidez de enfriamiento menor.

Los siguientes medios de temple industriales se enumeran en orden de disminución de la severidad de temple.

● Solución acuosa del 10% de cloruro de sodio (salmuera);● Agua del grifo;● Sales fundidas o líquidas;● Aceite soluble y soluciones acuosas;● Aceite, y● Aire.

Temperatura del medio de temple

Generalmente, conforme la temperatura del medio aumenta, la rapidez de enfriamiento disminuye, lo cual se debe al aumento en persistencia de la etapa de la capa de vapor. Como el medio está más cercano a su punto de ebullición, se necesita menos calor para forma la película de vapor. Esto es particularmente cierto en agua y salmuera.

En el caso del aceite, hay dos factores opuestos a considerar. Conforme la temperatura del aceite aumenta, hay una tendencia a que la rapidez de enfriamiento disminuya, debido a la persistencia de la película de vapor; sin embargo, conforme la temperatura del aceite aumenta, también se hace más fluido, lo cual incrementa la rapidez de conducción del calor a través del líquido. Lo que sucede a la rapidez de enfriamiento lo determina el factor que ejerce la mayor influencia. Si el incremento en la rapidez de conducción de calor es mayor que el decremento debido a la persistencia de la película de vapor, el resultado neto será un aumento en la rapidez real de enfriamiento como en el caso de la Gulf super quench-. Sin embargo, si lo contrario es cierto, entonces el resultado neto será un decremento en la rapidez real de enfriamiento como lo indican las cantidades para aceite lento. Las rapideces óptimas de enfriamiento se obtienen con aceites de temple convencionales en baños a temperaturas entre 49 y 65.5°C. Para prevenir un aumento de temperatura en el medio durante el temple, siempre es necesario proporcionar suficiente volumen del medio. En algunos casos, se insertan serpentines de enfriamiento en el tanque de temple, para controlar la temperatura del medio.

La rapidez de enfriamiento puede mejorarse y la temperatura del medió mantenerse constante por circulación del medio y agitación de la pieza. Esto quita efectivamente la película de vapor tan rápidamente como la forma, reduce la longitud de la etapa de la capa de vapor, y resulta un enfriamiento más rápido.

Revenido

Los aceros suelen quedar excesivamente duros y sobre todo muy frágiles después del temple, por lo que se le somete a continuación para evitar dichos efectos a otro tratamiento llamado revenido.

El revenido consiste en un nuevo calentamiento a una temperatura variable, según el resultado que se desea obtener, seguido de un enfriamiento.

Las temperaturas del revenido, se pueden medir aproximadamente por medio del color. Cuando las piezas que se revienen, están pulidas, se forma en la superficie una fina capa de óxido que va coloreándose según la temperatura.

Las temperaturas de revenido las proporciona el fabricante de aceros aleados.

Tabla de colores de revenido

220°C Amarillo   claro

240°C Amarillo   paja

250°C Amarillo   pardusco

260°C Rojo   oscuro

270°C Rojo   púrpura

280°C Violeta

290°C Azul   claro

300°C Azul   obscuro

Tabla de colores para el revenido.

Amarillo claro.

Herramientas que necesitan gran dureza y no están sometidas a golpes bruscos: buriles de grabar, rasquetas y ralladores.

Amarillo pardusco.

Herramientas de corte expuestas a ciertos golpes; buriles para torno, cepillo, martillos de forjador, punzones, cinceles.

Rojo obscuro.

Machuelos, brocas.

Violeta o azul claro.

Herramientas que necesitan gran tenacidad, aunque menos dureza; desarmadores, hachas, hojas de tijera.

Azul obscuro.

Muelles y resortes.

Con respecto al normalizado es un tratamiento térmico que se emplea para dar al acero una estructura y características tecnológicas que se consideran el estado natural o final del material que fue sometido a trabajos de forja, laminación o tratamientos defectuosos. Se hace como preparación de la pieza para el temple.

El procedimiento consiste en calentar la pieza entre 30 y 50 grados centígrados por encima de la temperatura crítica superior, tanto para aceros hipereutectoides, como para aceros hipoeutectoides, y mantener esa temperatura el tiempo suficiente para conseguir la transformación completa en austenita. A continuación se deja enfriar en aire tranquilo, obteniéndose una estructura uniforme.

Carbonizado

La carbonización o de carbonización es el término para la conversión de una sustancia orgánica en carbono o un resto que contiene carbono a través de pirólisis o destilación destructiva. Se utiliza a menudo en la química orgánica con referencia a la generación de gas de carbón y alquitrán de hulla de carbón en bruto. Los combustibles fósiles, en general, son los productos de la carbonización de la materia vegetal.

Desde la carbonización es una reacción pirolítica, se considera un proceso complejo en el que muchas reacciones tienen lugar al mismo tiempo como deshidrogenación, la condensación, la transferencia de hidrógeno y la isomerización.

La carbonización se diferencia de carbonización en que se produce mucho más rápido, debido a su velocidad de reacción es más rápida en muchos órdenes de magnitud.

La carbonización produce sustancias que pueden resultar se deben tomar precauciones nocivas y simple para reducir los riesgos.

El gas producido por carbonización tiene un alto contenido de monóxido de carbono que es tóxico cuando se inhala. Por lo tanto, al trabajar cerca del horno o fosa durante la operación y cuando el horno se abre para la descarga, se debe tener cuidado de que exista una ventilación adecuada para permitir que el monóxido de carbono, que también se produce durante la descarga a través de inflamación espontánea del carbón de leña caliente, para ser dispersada.

Los alquitranes y licores piroleñosos también pueden contaminar gravemente arroyos y afectar el suministro de agua potable para los seres humanos y los animales. Los peces también pueden verse afectados. Los efluentes líquidos y las aguas residuales de las operaciones de carbón de leña mediana y gran escala deben ser atrapados en grandes balsas de decantación y se deja que se evapore para que esta agua no pasa hacia el sistema de drenaje local y contaminan arroyos. Afortunadamente hornos y pozos, a diferencia de los autoclaves y otros sistemas sofisticados, normalmente no producen efluentes líquidos - los subproductos son en su mayoría dispersos en el aire en forma de vapores. Precauciones contra la contaminación en el aire del medio ambiente son de mayor importancia en este caso.

En un estudio, se utilizó la carbonización para crear un nuevo catalizador para la generación de biodiesel a partir de etanol y ácidos grasos. El catalizador fue creado por carbonización de azúcares simples como la glucosa y sacarosa. Los azúcares se procesaron durante 15 horas a 400 º C bajo un flujo de nitrógeno para dar un residuo negro de carbono que consiste en una mezcla compleja de hojas de carbono aromáticos policíclicos. A continuación, este material se trató con ácido sulfúrico, que funcionaliza las hojas con sulfonite, carboxilo, hidroxilo y los sitios catalíticos.

La fase de la carbonización puede ser decisiva en la fabricación de carbón vegetal, si bien no se trata de la más costosa. A menos que se complete lo más eficientemente posible, puede crear un riesgo para la operación global de la producción de carbón, puesto que los bajos rendimientos en la carbonización repercuten a lo largo de toda la cadena de producción, en la forma de mayores costos y desperdicios de los recursos.La madera consiste de tres componentes principales: celulosa, lignina y agua. La celulosa, la lignina y algunas otras materias están fuertemente ligadas entre sí y constituyen el material denominado madera. El agua es absorbida o retenida como Moléculas de agua en la estructura celulosa/lignina. La madera secada al aire o "estacionada" contiene todavía 12-18% de agua absorbida. La madera en crecimiento, recientemente cortada o "no estacionada", contiene además agua líquida, llevando el contenido total de agua a alrededor del 40-100%, expresado en porcentaje del peso de la madera seca al horno.

Antes de que la carbonización ocurra, el agua en la madera tiene que ser totalmente eliminada como vapor. Se necesita una gran cantidad de energía para evaporar el agua, por lo que, si se usa lo más posible al sol para el presecado de la madera antes de la carbonización, se mejora mucho la eficiencia. El agua que queda en la madera que tiene que ser carbonizada, deberá ser evaporada o en la fosa o en el horno, y esta energía deberá proporcionarse quemando parte de la misma madera, que podría ser en vez transformada en carbón vegetal aprovechable.

El primer paso, en la carbonización en el horno, es secar la madera a 100° C, o menos, hasta un contenido cero de humedad se aumenta luego la temperatura de la madera secada al horno a alrededor de 280°C. La energía para estas etapas viene de la combustión parcial de parte de la madera cargada en el horno o en la fosa, y es una reacción que absorbe energía o endotérmica.

Cuando la madera está seca y calentada a alrededor de 280°C, comienza espontáneamente a fraccionarse, produciendo carbón más vapor de agua, mañanas, ácido acético y compuestos químicos más complejos, fundamentalmente en la forma de alquitranes y gases no condensables, que consisten principalmente en hidrógeno, monóxido y bióxido de carbono. Se deja entrar aire en el horno o fosa de carbonización para que parte de la madera se queme, y el nitrógeno de este aire estará también presente en el gas. El oxígeno del aire será gastado en la quema de parte de la madera, arriba de la temperatura de 280°C. libera energía, por lo que se dice que esta reacción es exotérmica.

Este proceso de fraccionamiento espontáneo o carbonización, continúa hasta que queda sólo el residuo carbonizado llamado carbón vegetal. A menos que se proporcione más calor externo, el proceso se detiene y la temperatura alcanza un máximo de aproximadamente 400°C. Sin embargo, este carbón contiene todavía apreciables cantidades de residuos alquitranosos, junto con las cenizas de la madera original. El contenido de cenizas en el carbón es de alrededor del 30% en peso, y el balance es carbono fijo, alrededor del 67-70%. Un ulterior calentamiento aumenta el contenido de carbono fijo, eliminando y descomponiendo aún más los alquitranes. Una temperatura de 500°C da un contenido típico de carbono fijo de alrededor del 85% y un contenido de materia volátil de cerca del 10%. A esta temperatura, el rendimiento del carbón es de aproximadamente el 33% del peso de la madera secada al horno carbonizada, sin contar la madera que ha sido quemada para carbonizar la remanente. Por lo tanto, el rendimiento teórico del carbón vegetal varía con la temperatura de carbonización, debido al cambio de contenido de material volátil alquitranado (24, 26, 31). En el Cuadro 4 se muestra el efecto de la temperatura final de carbonización sobre el rendimiento y composición del carbón vegetal.

Efecto de la temperatura de carbonización sobre rendimientos y composición del carbón vegetal 

Temperatura de carbonización

°C

Análisis químico del carbón

Rendimiento de carbón sobre masa seca al horno

( 0% de humedad )

% carbono fijo

% material volátil

300 68 31 42

500 86 13 33

700 92 7 30

Las bajas temperaturas de carbonización dan un mayor rendimiento en carbón vegetal, pero que es de baja calidad, que es corrosivo, por contener alquitranes ácidos, y que no quema con una llama limpia sin humo. Un buen carbón vegetal comercial debería contener

carbono fijo en alrededor del 75% para lo cual se requiere una temperatura final de carbonización de alrededor de 500°C.

El rendimiento del carbón muestra también cierta variación con respecto al tipo de madera. Hay cierta evidencia de que el contenido de lignina en la madera tiene un efecto positivo sobre el rendimiento del carbón; un alto contenido de lignina da un elevado rendimiento de carbón vegetal. La friabilidad del carbón aumenta con el aumento de la temperatura de carbonización y el contenido de carbono fijo aumenta mientras que el contenido de substancias volátiles decrece. Una temperatura de 450 - 500°C ofrece un equilibrio óptimo entre friabilidad y el deseo de un elevado contenido de carbono fijo.

Las numerosas variables posibles en la carbonización rinden difícil especificar un procedimiento óptimo generalmente pueden obtenerse los mejores resultados usando latifoliadas sanas, de densidad media a elevada. La madera deberá ser lo más seca posible y por lo general bien hendida, para eliminar piezas mayores de 20 cm de grueso. La leña que debe ser quemada en los hornos o fosas, para secar e iniciar la carbonización de la remanente, puede ser de inferior calidad y de sección menor. Su única función es la de producir calor para secar y calentar la remanente a la temperatura de carbonización. Debería tratarse de alcanzar una temperatura final de alrededor de 500°C en el interior de toda la carga, lo que con las fosas se hace difícil, puesto que la circulación del aire y los efectos de enfriamiento son irregulares y se producen puntos fríos, obteniéndose tizones o madera no carbonizada. Por tratar de alcanzar una   temperatura final general de 500°C en una fosa u horno, donde la circulación del aire es pobre o irregular, puede resultar que parte del carbón se quema en cenizas, dejando otras partes de la carga carbonizadas sólo parcialmente. De allí la importancia de usar hornos bien diseñados, hechos funcionar correctamente para una producción eficiente de carbón vegetal.

Nitrurizado

La nitruración es un tratamiento térmico que se le da al acero. El proceso modifica su composición añadiendo nitrógeno mientras es calentado. El resultado es un incremento de la dureza superficial de las piezas. También aumenta la resistencia a la corrosión y a la fatiga. Una variante de este tratamiento, es el proceso tenifer.

La nitruración puede ser en horno o iónica. En el primer caso la pieza se introduce en un horno en el que se llena la atmósfera con amoníaco y luego se calienta a temperaturas de aproximadamente 500°C. Esto hace que el amoníaco se descomponga en nitrógeno e hidrógeno; el hidrógeno se separa del nitrógeno por diferencia de densidad y el nitrógeno, al entrar en contacto con la superficie de la pieza, forma un recubrimiento de nitruro de hierro.

En el caso de la nitruración iónica, las moléculas de amoníaco se rompen mediante la aplicación de un campo eléctrico. Esto se logra sometiendo al amoníaco a una diferencia de potencial de entre 300 y 1000 V. Los iones de nitrógeno se dirigen hacia el cátodo (que consiste en la pieza a tratar) y reaccionan para formar el nitruro de hierro, Fe2N.

Si bien este tratamiento da gran dureza superficial a la pieza, la velocidad de penetración es muy lenta, aproximadamente 1 mm en 100 horas de tratamiento, pero no necesita de temple posterior. Las partes de la pieza que no se deseen nitrurar se deben cubrir con un baño de estaño-plomo al 50%.

Aplicaciones

La nitruración se aplica principalmente a piezas que son sometidas regularmente a grandes fuerzas de rozamiento y de carga, tales como pistas de rodamientos, camisas de cilindros, árboles de levas, engranajes sin fin, etc. Estas aplicaciones requieren que la piezas tengan un núcleo con cierta plasticidad, que absorba golpes y vibraciones, y una superficie de gran dureza que resista la fricción y el desgaste.

Microestructura del acero nitrurado

La Nitruración Iónica es un proceso de endurecimiento superficial de materiales metálicos, gracias al cual se incorpora nitrógeno en la superficie de las piezas tratadas. Debido a la naturaleza particular de la incorporación del nitrógeno, la nitruración iónica del acero y de las fundiciones grises es en muchos casos, muy superior a los procesos de nitruración simple conocidos hasta la fecha. Esta técnica mejora las propiedades mecánicas, como la resistencia al desgaste, la resistencia a la fatiga, la resiliencia, etc.

Las causas metalúrgicas de esta mejora de las características de superficie están asociadas a la particularidad de las capas superficiales que es posible conseguir con este proceso.

En la nitruración se emplean los medios nitrurantes más diversos. Con respecto a los distintos estados de la materia (sólido, líquido o gaseoso), se distingue entre la nitruración por polvo, la nitruración en baño y la gaseosa. Además de los tres estados de la materia ya citados, se conoce otro en física que es considerablemente más activo: el PLASMA.

Un plasma está compuesto por partículas cargadas eléctricamente, es decir, iones y electrones. Si queremos pasar por vía térmica del estado gaseoso al estado de plasma, hay que calentar el gas a decenas de miles de grados e incluso a más de cien mil grados.

La nitruración iónica utiliza dicho estado de plasma, de modo que también se podría llamar a este proceso nitruración por plasma, por analogía con las otras denominaciones de la nitruración.

Denominar el proceso nitruración con descarga luminiscente (término habitualmente recogido en la literatura técnica alemana) viene a ser lo mismo que ignorar lo fundamental del proceso.

¿Cómo funciona la nitruración iónica y cómo podemos producir el estado plasmático? La mejor manera de saberlo es examinar en primer lugar la estructura de la instalación de nitruración iónica.

Dicha instalación se compone básicamente de tres unidades:

- el horno de vacío

- el dispositivo de dosificación del gas

- la instalación eléctrica

En el horno de vacío, las piezas a tratar se cuelgan o colocan de tal modo que estén aisladas eléctricamente. El dispositivo de dosificación del gas permite, junto con una bomba de vacío, llevar al horno de vacío el gas de tratamiento necesario, por ejemplo amoníaco, así como regular la presión de dicho gas entre 0,1 y 10 torr.

El gas de tratamiento pasa a estado plasmático gracias a la instalación eléctrica. Con esta última, se aplica entre las piezas a tratar y la pared del horno una corriente continua de varios centenares de voltios hasta unos 1500 V, de modo que la pieza a tratar sea negativa (cátodo) con respecto a las paredes del horno que representa el ánodo.

Los portadores de carga, acelerados en la caída de tensión entre el cátodo y el ánodo, disocian las moléculas del gas de tratamiento por un proceso de choques anelásticos, a la vez que excitan e ionizan los átomos y moléculas. Esto tiene el efecto de emitir continuamente nuevos portadores de carga: los electrones son acelerados hacia la pared del horno montada como ánodo y los iones positivos hacia la pieza a tratar que constituye el cátodo.

La tensión aplicada no disminuye de forma lineal entre la pared del horno y la pieza, como podría ocurrir en el caso de un alto vacío, pero sufre grandes alteraciones por la carga de espacio que nace cerca de la pieza, y ello de tal modo que prácticamente toda la tensión aplicada cae sólo unos milímetros antes de la superficie de la pieza. Esta caída de tensión cerca de la superficie del cátodo (pieza a tratar) se llama también caída catódica.

Así pues, todos los choques electrónicos de la nitruración iónica se limitan a esa estrecha franja de caída catódica. El estado perfecto de plasma del gas de tratamiento sólo aparecerá durante la caída catódica, es decir, en la inmediata proximidad de la superficie de la pieza, mientras que el resto de la cámara de tratamiento del horno de vacío está llana de gas de

tratamiento normal, enriquecido con portadores de carga. Por ello, el tratamiento superficial con descarga luminiscente es prácticamente independiente de la distancia entre la pieza y la pared del horno. Os fenómenos de choques catódicos, denominados aquí bordes luminiscentes, se limitan a una franja estrecha alrededor de la pieza. Esta representa el interior de un horno de vacío cargado con varias piezas durante un tratamiento de nitruración iónica. El borde luminiscente sigue los contornos de todas las superficies de cada pieza. Esto supone que todas las superficies (incluidas las muescas y escariados) están sometidas a un bombardeo iónico uniforme, que da lugar a un endurecimiento superficial uniforme.

Conclusión

El endurecimiento por deformación en quizás una de las técnicas mas antiguar utilizadas en el control de la microestructura, pues este data de hace mas de 2,500 años AC., gracias al cambio de temperatura de los metales ganan nuevas propiedades como un aumento en las dislocaciones de este, las cuales, mediante un proceso pueden permanecer en la estructura del metal, haciéndolo más resistente.

El temple es el proceso por el cual un metal pasa de un estado muy caliente a uno muy frío rápidamente, debido a que es sumergido en agua o fluidos semejantes que se encuentran a baja temperatura, este provoca alteraciones principalmente en la superficie, como una mejor resistencia a su desgaste, la dureza de la capa externa y la reducción a la fatiga, pero a su vez manteniendo el núcleo del metal en un estado sin alteraciones, sin embargo, debido a su dureza, los aceros pueden perder una elasticidad considerable dejándolos frágiles y con una facilidad de quiebre si se rebaza su umbral de resistencia.

El revenido es un nuevo calentamiento después del temple que puede proporcionar algunas de las propiedades que se han perdido por este, los resultados dependen de la temperatura aplicada al material.

La carbonización de la madera es un proceso para obtener carbón vegetal, este se logra mediante hornos, deshidratando la madera, después se le aplica una temperatura mayor para que esta comience a fraccionarse y se alarga hasta dejar solo un residuo carbonizado de carbón vegetal.

El nitrurizado es llevado a cabo aplicando diferentes líquidos al acero, lo cual lleva como resultado a una adición de nitrógeno mientras este esta siendo calentado, sus aplicaciones son aquellas tareas que someten a los materiales a altas fuerzas de rozamiento y de cargas.

El manejo y modificación de los materiales han brindado una mejor flexibilidad para las cuales estos podrán ser utilizados, desde la medicina hasta la fabricación de máquinas, nuevas técnicas prometen más avances tecnológicos.