1. RECOCIDO Y TRABAJO EN CALIENTE1.1 Recocido

El recocido es un tratamiento térmico diseñado para eliminar los efectos del trabajo en frio. Puede utilizarse para eliminar totalmente el endurecimiento por deformación conseguido durante el trabajo en frio; el componente final será blando y dúctil, pero conservando el terminado superficial y una precisión dimensional satisfactorios. O bien, después del recocido, podría seguir aplicándose trabajo adicional en frio, ya que la ductilidad ha sido restablecida. Combinando ciclos repetido de trabajo en frio y de recocido, se pueden alcanzar grandes deformaciones totales. Finalmente, el recocido a baja temperatura puede utilizarse para eliminar esfuerzos residuales producidos durante el trabajo en frio, sin afectar las propiedades mecánicas de la pieza terminada.

1.2 Etapas del recocido

Recuperación

La microestructura original trabajada en frio está compuesta por granos deformados con gran número de dislocaciones entrelazadas. Cuando al principio se calienta el metal, la energía térmica adicional permite que las dislocaciones se muevan y formen los bordes de una estructura subgranular poligonizada. Sin embargo, la densidad de las dislocaciones se mantiene virtualmente sin modificación. Este tratamiento a baja temperatura se llama recuperación.

Como durante la recuperación no se ha reducido el número de dislocaciones, las propiedades mecánicas del metal quedan relativamente igual; sin embargo, al reordenar las dislocaciones se han reducido o incluso se han eliminado los esfuerzos residuales; esta recuperación a menudo se conoce como recocido para eliminación de esfuerzos.

Además, la recuperación restablece una alta conductividad eléctrica al metal, permitiendo producir alambres resistentes de cobre o de aluminio para transmisión de

energía eléctrica con una conductividad elevada. Finalmente, la recuperación a menudo mejora la resistencia del material a la corrosión.

Recristalizacion

La recristalización ocurre debido a la nucleación y crecimiento de nuevos granos que contienen pocas dislocaciones. Cuando se calienta el metal por encima de la temperatura de recristalización, una rápida recuperación elimina los esfuerzos residuales, produciendo una estructura de dislocación poligonizada. En este momento ocurre la nucleación de granos pequeños en los bordes de celda de la estructura poligonizada, eliminando la mayoría de las dislocaciones. Dado que se ha reducido de manera importante el número de dislocaciones, el metal recristalizado tiene baja resistencia, pero una elevada ductilidad.

Crecimiento granular

A temperatura de recocido aún mayores, tanto la recuperación como la recristalización ocurren con rapidez, produciendo una estructura granular recristalizada fina. Los granos empiezan a crecer, sin embargo, el crecimiento de ciertos granos es favorecido, lo cual elimina a los más pequeños. Este fenómeno, que se conoce como crecimiento de grano es indeseable en todos los casos

.

1.3 Efectos del recocido sobre las propiedades de los metales

Con el recocido se logra:

- Aumentar la elasticidad, mientras se disminuye la dureza. Es decir, al ser aplicado el recocido a un metal este desarrolla su capacidad de recobrar su forma y dimensiones primitivas cuando cesa el esfuerzo que había determinado su deformación; y de acortar su resistencia a la penetración o a ser rayado por otro cuerpo.

- Eliminar la acritud que produce el trabajo en frio y las tensiones internas. El recocido es capaz de otorgarle al metal sus propiedades iniciales antes de que se le trabajara en frio.

- Aumentar las plasticidad, ductilidad y tenacidad del metal. Gracias al recocido el metal incrementa su aptitud de adquirir deformaciones permanentes, bajo la acción de una presión o fuerza exterior sin que se produzca una rotura. Además es capaz de mejorar su capacidad de deformase mediante esfuerzos de tracción.

1.4 Trabajo en caliente

El trabajo en caliente se define como la deformación plástica del metal a una temperatura superior a la temperatura de recristalización. Durante el trabajo en caliente el metal se está recristalizando continuamente. Una de las propiedades más importantes de los metales es su maleabilidad, este término indica la habilidad de un metal para ser deformado mecánicamente por encima de su límite elástico, sin deformarse y sin incremento considerable en la resistencia a la deformación. La materia prima (para los procesos de formado), es el acero del lingote, este, con su estructura cristalina típica gruesa y dendrítica, no es útil para las aplicaciones en las que se requiera resistencia mecánica. Las partes fabricadas directamente de acero de lingote pueden estrellarse al recibir fuerzas de trabajo y cargas de impacto. Los granos dendríticos que contiene un lingote vaciado deben recristalizarse para dar al acero la resistencia necesaria, esto se logra mediante procesos de trabajo en caliente como forjado o laminación.

Los beneficios obtenidos con el trabajo en caliente son: mayores modificaciones a la forma de la pieza de trabajo, menores fuerzas y esfuerzos requeridos para deformar el material, opción de trabajar con metales que se fracturan cuando son trabajados en frío, propiedades de fuerza generalmente isotrópicas y, finalmente, no ocurren endurecimientos de partes debidas a los procesos de trabajo.

El trabajo en caliente se caracteriza por su carencia de endurecimiento, debido a esto es ilimitada la deformación plástica. En este sentido una placa muy gruesa puede ser reducida a una hoja delgada en una serie continua de operaciones. Es posible además eliminar o minimizar algunas imperfecciones del metal original; sin embargo, el acabado superficial por lo general es pobre junto al obtenido mediante el trabajo en frio, y la precisión dimensional también es más difícil de controlar, debe tomarse en consideración una mayor deformación elástica, ya que a las temperaturas de trabajo en caliente el modelo de elasticidad es bajo y además, el metal se contrae al enfriarse. A consecuencia de estas

variables térmicas se requiere que la pieza se fabrique sobredimensionada durante la deformación; los dados de conformación deben diseñarse cuidadosamente y es necesario un control preciso de la temperatura si se han de lograr dimensiones exactas.

Existen diversos procesos para la conformación de materiales:

Laminado en caliente: se usa por lo general para obtener una barra de material con forma y dimensiones particulares (laminas)

Extrusión: es el proceso por el cual se aplica una gran presión un lingote metálico caliente, haciendo que fluya en estado plástico a través de un orificio restringido.

Forjado o forja: es el trabajo en caliente de metales mediante martinetes, prensas o máquinas de forja. En común con otros procesos de labrado en caliente, la forja produce una estructura de grano refinado que da por resultado una mayor resistencia y ductilidad. Las piezas forjadas tienen mayor resistencia por el mismo peso.

Estampado: El estampado difiere de la forja con martillo en el que se usa más bien una impresión cerrada que dados de cara abierta. La forja se produce por presión o impacto. Lo cual obliga al metal caliente y flexible a llenar la forma de los dados.

1.5 Diferencias entre el trabajo en caliente y el trabajo el frio

Línea divisora entre trabajo en caliente y en frio: cuando un material se deforma plásticamente tiende a hacerse más duro, pero la intensidad del endurecimiento por trabajo disminuye conforme la temperatura aumenta. Cuando un material se deforma plásticamente a una temperatura elevada, dos efectos opuestos tienen lugar al mismo tiempo: uno de endurecimiento debido a la deformación plástica, y otro de reblandecimiento debido a la recristalización. Para un grado de intensidad de trabajo dado, debe haber alguna temperatura a la cual estos dos efectos se balancearan. Si se trabaja el material por encima de esta temperatura se conoce como trabajo en caliente; por debajo de esta temperatura se conoce como trabajo en frio.

Trabajo en caliente contra trabajo en frío: la mayoría de las formas metálicas se produce a partir de lingotes colados. Para fabricar hojas, placas, varillas, barras, alambres, etc., de los lingotes, el método más económico es el trabajo en caliente; sin embargo, en el caso de acero trabajar en caliente el material hace que reaccione el oxígeno conforme se enfría hasta la temperatura ambiente y se le forma una capa de óxido oscuro característica, llamada escama. Ocasionalmente, esta escama puede producir dificultades durante las operaciones de maquinado o de formación.

No es posible fabricar material trabajado en caliente a un tamaño exacto debido a los cambios dimensionales que tienen lugar durante el enfriamiento. Por otro lado, el material trabajo en frio puede mantenerse a estrechas tolerancias; está libre de escamas

superficiales, pero requiere de más potencia para deformarse; por tanto, es más costoso producirlo. Comercialmente, las reducciones iniciales en dimensiones se llevan a cabo el material a alta temperatura, y las reducciones finales se efectúan en frio para utilizar ventajosamente ambos procesos

2. CONSTITUCIÓN DE LAS ALEACIONES2.1 Clasificación de las aleaciones

Una aleación es una combinación de propiedades metálicas que está compuesta de dos o más elementos, de los cuales, al menos uno es un metal. Las aleaciones están constituidas por elementos metálicos como Fe (hierro), Al (aluminio), Cu (cobre), Pb (plomo), ejemplos concretos de una amplia gama de metales que se pueden alear. El elemento aleante puede ser no metálico, como: P (fósforo), C (carbono), Si (silicio), S (azufre), As (arsénico).

Se clasifican teniendo en cuenta el elemento que se halla en mayor proporción (aleaciones férricas, aleaciones base cobre, etc.). Cuando los aleantes no tienen carácter metálico suelen hallarse en muy pequeña proporción, mientras que si únicamente se mezclan metales, los aleantes pueden aparecer en proporciones similares.

Hay diversos tipos de aleaciones:

Aleaciones ferrosas: los metales ferrosos como su nombre lo indica su principal componente es el hierro, sus principales características son su gran resistencia a la tracción y dureza. Las principales aleaciones se logran con el estaño, plata, platino, manganeso, vanadio y titanio.

Aleaciones no ferrosas: por lo regular tienen menor resistencia a la tracción y dureza que los metales ferrosos, sin embargo su resistencia a la corrosión es superior. Su costo es alto en comparación a los materiales ferrosos pero con el aumento de su demanda y las nuevas técnicas de extracción y refinamiento se han logrado abatir considerablemente los costos, con lo que su competitividad ha crecido notablemente en los últimos años.

2.2 Metal puro

Son aquellos que están tal y como son en la naturaleza sin sufrir ningún cambio o alteración. Todos los materiales están integrados por átomos, los que se organizan de diferentes maneras, dependiendo del material que se trate y el estado en el que se encuentra; es decir, se conoce como metal nativo a cualquier metal que se encuentra en su forma metálica, ya sea puro o como una aleación en el medio ambiente. Los metales, que se pueden encontrar como depósitos nativos individualmente y/o en aleaciones y de zinc, así como dos grupos de metales: el grupo de oro, y el grupo del platino. El grupo de oro consiste en oro, cobre, plomo, aluminio, mercurio y plata. El grupo del platino consiste en platino, iridio, osmio, paladio, rodio y rutenio.

Entre las aleaciones que se encuentran en estado nativo han sido latón, bronce y amalgamas de plata-mercurio y oro-mercurio. Sólo el oro, la plata, el cobre y los metales del platino se producen en la naturaleza en grandes cantidades. Los elementos no-metálicos que se producen en el estado nativo incluyen carbono y azufre. El silicio, un semi-metal, se ha encontrado en el estado nativo en raras ocasiones como pequeñas inclusiones en oro.

Estructura de los metales puros: los metales, cuando están en su estado sólido, sus átomos se alinean de manera regular en forma de mallas tridimensionales. Estas mallas pueden ser reconocidas fácilmente por sus propiedades químicas, físicas o por medio de rayos X.

Propiedades de los metales puros:

- Densidad: relación entre la masa del volumen de un cuerpo y la masa del mismo volumen de agua.

- Estado físico: todos son sólidos a temperatura ambiente, excepto el mercurio.- Brillo: reflejan luz.- Maleabilidad: capacidad de los metales de hacerse laminas.- Ductilidad: propiedad de los metales de moldearse en alambres e hilos.- Tenacidad: resistencia que presentan los metales a romperse por tracción.- Conductividad: son buenos conductores de electricidad y calor

2.3 Fase intermedia de una aleación

Presentan un punto de fusión definido, dentro de márgenes estrechos de temperatura. Cuando se forma un compuesto, los elementos que lo forman pierden en gran medida sus características propias. El compuesto tiene entonces sus propias características físicas, mecánicas y químicas.

Como la razón para hacer referencia a este tipo de fase sólida como fase intermedia de una aleación será más obvia al estudiar diagramas de fase, resultará más sencillo llamarla en este punto simplemente compuesto.

Es necesario entender, en general, que son los compuestos. La mayoría de los compuestos químicos ordinarios son combinaciones de elementos con valencia positiva o negativa. Las diversas clases de átomos se combinan en una proporción definida, expresada mediante una fórmula química. Algunos ejemplos típicos son el agua, H2O (dos átomos de hidrogeno combinados con uno de oxigeno), y la sal común de mesa, NaCl (un átomo de sodio con uno de cloro). Los átomos combinados para formar la molécula, que es la unidad más pequeña que tiene las mismas propiedades del compuesto, se mantienen juntos por medio de un enlace definido. El enlace suele ser fuerte y los átomos no se pueden separar fácilmente.

Cuando se forma un compuesto, los elementos pierden en gran medida su identidad individual y sus propiedades características. Un buen ejemplo es la sal común. El sodio (Na) es un metal muy activo que se oxida rápidamente y por lo general se almacena junto con queroseno. El cloro (Cl) es un gas venenoso; aun así, un átomo de cada uno de ellos se combina para formar el importante e inofensivo compuesto, conocido como la sal común de mesa.

La mayoría de los compuestos, al igual que los metales puros, también exhiben un punto de fusión definido, situado dentro de estrechos límites de temperatura. Por tanto, la curva de enfriamiento para un compuesto es similar a la de un metal puro.

2.4 Tipos de fases intermedia

Las fases intermedias de una aleación más comunes son:

Compuestos intermetálicos o de valencia: estos generalmente se forman por metales no similares químicamente y se combinan siguiendo las reglas de valencia química. Como suelen tener fuerte enlace (iónico o covalente), sus propiedades son esencialmente no metálicas. Por lo general, muestran una deficiente ductilidad y una pobre conductividad eléctrica y pueden tener una estructura cristalina compleja.

Compuestos intersticiales: estos compuestos se forman por la unión entre los elementos de transición, como el escandio (Sc), el titanio (Ti), el tantalio (Ta) y el hierro (Fe), con el hidrógeno, el oxígeno, el carbono, el boro y el nitrógeno. La palabra intersticial significa “entre los espacios”, y los últimos cinco elementos tienen átomos relativamente pequeños que se acomodan en los espacios de la estructura cristalina del metal. Estos mismos elementos también forman soluciones sólidas intersticiales. Los compuestos intersticiales son metálicos, pueden tener un estrecho o reducido intervalo de composición, altos puntos de fusión y son extremadamente duros.

Compuestos electrónicos: el estudio de los diagramas de equilibrio de las aleaciones de cobre, oro, plata, hierro y níquel, con los metales cadmio, magnesio, estaño, zinc y aluminio muestran semejanzas notables. Un número de fases intermedias se forman en estos sistemas, con estructuras cristalinas similares. Muchos compuestos electrónicos tienen propiedades parecidas a las de las soluciones sólidas, incluyendo un amplio intervalo de composición, alta ductilidad y baja dureza.

2.5 Soluciones solidas

Una solución sólida es una solución en estado sólido de uno o más solutos en un disolvente.

El soluto puede incorporarse dentro de la estructura cristalina del disolvente bien mediante sustitución, reemplazando cada átomo del disolvente por un átomo del soluto (y

formará una solución sólida sustitucional), o bien de forma intersticial, encajándose los átomos de soluto dentro del espacio que hay entre los átomos del disolvente. Ambos tipos de solución sólida afectan a las propiedades del material ya que distorsionan, aunque sea poco, la estructura cristalina y porque perturban la homogeneidad física y eléctrica del material disolvente.

Algunas mezclas constituirán fácilmente soluciones sólidas en un determinado rango de concentraciones, mientras que otras mezclas no constituirán nunca soluciones sólidas. La propensión de dos sustancias a formar una solución sólida sustitucional es un asunto complicado que dependerá de las propiedades químicas, cristalográficas y cuánticas de los materiales en cuestión. Por regla general, se pueden formar soluciones sólidas (con solubilidad total) siempre que el disolvente y el soluto tengan:

- Similar radio atómico (menos del 15 % de diferencia, para tener solubilidad total): cuanto más similares sean, menor distorsión de red y por tanto mayor solubilidad.

- Igual estructura cristalina.- Similar electronegatividad: los metales deben tener poca afinidad electroquímica

para formar solución sólida. En caso de tener gran afinidad electroquímica se pierde el carácter metálico y se refuerza el carácter iónico o covalente en la aleación.

- Similar valencia: si el soluto aporta más electrones a la nube electrónica que el disolvente, se favorece la solubilidad.

2.6 Tipos de soluciones solidas

Existen 2 tipos de soluciones solidas:

Sustitucional: el átomo o ion del soluto, ocupa el lugar de los átomos o iones del solvente. Las condiciones que se deben cumplir son:

- Ambos metales han de cristalizar en el mismo sistema.- Debe tener la misma valencia y por tanto el número de electrones que ceden a la

nube electrónica es el mismo.- Electronegatividad: Deben ser lo más parecida posibles.- Los diámetros atómicos no deben diferir en más de un 15%.

Se puede dar el caso que aun cumpliéndose todas las condiciones anteriores, la solubilidad no sea total, o sea solo admita un determinado porcentaje.

Intersticial: él átomo o ion del soluto se coloca en el intersticio de la celda unitaria del solvente. Se cumple cuando el tamaño de los átomos del soluto son muy pequeño comparados con el disolvente. Ejemplos son carbono, oxígeno, nitrógeno o hidrógeno.