Tema 41 – Acabados y tratamientos de los metales

TEMA 41: ACABADOS Y TRATAMIENTOS DE LOS METALES.

INTRODUCCIÓN.

I. ACABADOS DE LOS METALES.

A. ESMERILADO.

B. RASQUETEADO. C. BRUÑIDO.

D. PULIDO.

E. BARNIZADO.

II. TRATAMIENTOS DE LOS METALES.

II.1. TRATAMIENTOS PARA MEJORAR LAS PROPIEDADES MECÁNICAS.

A. TRATAMIENTOS TÉRMICOS.

1. Temple.

2. Revenido.

3. Recocido.

4. Normalizado.

B. TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS.

1. Cementación.

2. Nitruración.

II.2. TRATAMIENTOS DE PROTECCIÓN CONTRA LA CORROSIÓN.

A. PROTECCIÓN CATÓDICA. B. PROTECCIÓN ANÓDICA.

C. TRATAMIENTOS SUPERFICIALES.

CONCLUSIÓN. BIBLIOGRAFÍA.

INTRODUCCIÓN.

Todos los elementos metálicos utilizados en aplicaciones domésticas e industriales se obtienen a partir de metales en estado líquido, bien por fusión directa en un molde con la forma definitiva del utensilio o bien porque para su purificación a partir de los minerales existentes en la corteza terrestre resulta necesario tratarlos en estado líquido para solidificarlos en forma de lingotes que mas tarde se conformarán mecánicamente.

¿Cómo es el proceso de solidificación de un material metálica? ¿Influirá este proceso en la estructura interna y, por consiguiente, en las propiedades mecánicas del material? ¿Se producirán cambios en sus estructura interna si después de la solidificación se modifica la temperatura? En este tema se pretende responder a estas y otras preguntas acerca del procesos de solidificación en los materiales metálicos y se analizan los diagramas de equilibrio como medio auxiliar para el estudio de las transformaciones de la estructura interna de los materiales metálicos.

I. ACABADO DE LOS METALES.

A. ESMERILADO.

Es una operación que consiste en perfeccionar, con la ayuda de un producto especial (abrasivo), dos superficies, las cuales deben desplazarse una respecto a la otra. Las partes sometidas a frotamiento han de estar limpias y bien lubricadas.

Se aplica a superficies de acero o de fundición.

Los diferentes productos utilizados en el esmerilado son el esmeril propiamente dicho, la pasta de esmeril (polvo de esmeril muy fino) y el rojo de Inglaterra. Por lo general, todos los productos de limpieza del Cu son muy buenos esmeriladores.

B. RASQUETEADO.

Es una operación que consiste en reforzar o repasar a mano una superficie plana o curva con la ayuda de un útil cortante llamado rasqueta, cuyas aristas forma un bisel que permite arrancar delgadas virutas de metal. Su finalidad es eliminar imperfecciones.

C. BRUÑIDO.

Es una operación que consiste en hacer desaparecer por frotamiento todas las señales o asperezas susceptibles de alterar el pulido de una superficie de deslizamiento. Este trabajo se ejecuta con la ayuda de útiles especiales llamados bruñidores, cuya forma variada es similar generalmente a la de limas.

Con el bruñido se obtienen superficies de deslizamiento perfectas, mediante el pulido prolongado resultante del contacto forzado de la pieza con la superficie del útil.

D. PULIDO.

Consiste en el frotamiento o roce de la superficie con un útil que puede ser, una lima, una lija o con correa. Es un acabado con defectos, inapreciables “a primera vista” pero que con el reflejo de la luz se pueden ver.

E. BARNIZADO.

Consiste en recubrir la superficie de las piezas pulidas con un producto especial denominado barniz. Esta ligera película da a la pieza un aspecto brillante o mate, según los barnices, que es agradable a la vista y que evita la oxidación. La superficie de las piezas pulidas en contacto con el aire o con los dedos, se oxida muy rápidamente.

II. TRATAMIENTOS DE LOS METALES.

Para potenciar sus propiedades, los metales –y en particular los aceros- se pueden someter a una serie de tratamientos. En unos casos se pretende mejorar su dureza y resistencia mecánica; en otros, aumentar su plasticidad para facilitar su conformado posterior.

Para el estudio de las transformaciones de la estructura interna de los materiales metálicos se analizan los diagramas de equilibrio como medio auxiliar.

Por su importancia y para comprender mejor este apartado vamos a analizar el diagrama de fases correspondiente a una aleación hierro carbono (en realidad se trata del diagrama hierro- cementita (Fe3C)).

En las aleaciones Fe-C se pueden encontrar distintos constituyentes. Los más importantes son:

* Austenita: Es el constituyente más denso de los aceros y está formado por la solución sólida de inserción de los átomos de carbono en los huecos octaédricos del hierro γ. ← Cristal de austerita. Cubo austenitico. Hierro con carbono interpuesto. (Perdón he puesto la figura al revés).

La máxima solubilidad del C en el Fe γ es de sólo un 2,11% a 1148ºC.

• Ferrita α. Es la solución sólida de inserción octaédrica del carbono en hierro α. La solubilidad del C es mucho menor que en la austenita, ya que los huecos son más pequeños. La solubilidad máxima se alcanza a los 727 ºC y su valor es de 0,0218%. Por este motivo, la ferrita se considera como hierro prácticamente puro, siendo el constituyente de los aceros más blando y dúctil.

• Ferrita δ: Es la solución sólida intersticial de C en Fe δ. Su estructura, al igual que la de la ferrita α, es BCC; pero, al ser mayor su constante de red, su solubilidad máxima también es mayor: 0,09 % a 1495ºC.

• Cementita: Se trata de un compuesto intermetálico cuya composición estequiométrica responde a la fórmula Fe3C (6,67%). Cristaliza en el sistema ortorrómbico y es el constituyente más duro y frágil de los aceros.

• Perlita: Es la estructura resultante de la solidificación de un acero eutectoide (punto B, del diagrama Fe-C). Si el enfriamiento se produce de forma lenta cada grano de perlita está formado por láminas alternadas de cementita y ferrita; su nombre se debe a la irisaciones, parecidas a las de las perlas, que presenta al ser iluminada.

En el diagrama se pueden observar las siguientes transformaciones:

ƒ Eutéctica (punto A). El líquido de 4,3 % de contenido en carbono se transforma a 1148 ºC conviertiéndose en austenita ( con un contenido en carbono del 2,11%) y cementita (6,67 % en carbono).

ƒ Eutectoide (punto B). La austenita sólida, de 0,77% en C, se convierte a 727 ºC en ferrita con un contenido en carbono de 0,0218 % y cementita con un 6,67 % C. Cuando se calienta un acero partiendo de la Tª ambiente, se comienza a formar austenita a 727 ºC (Temperatura crítica inferior -A1 en el diagrama-). A partir de la temperatura crítica superior (A3 para aceros hipoeutectoides (quedan a la izda del pto eutéctoide) y a Acm (quedan a la dcha. del pto eutéctoide)) la totalidad de la masa de un acero estará constiuida por cristales de austenita. Se puede observar a Tª ambiente unas estructura austenítica de los aceros cuando estos se enfría rápidamente; pero con esta estructura no es estable, con el tiempo se transformará en ferrita y perlita en el caso de aceros hipoeutectoides, o en perlita y cementita en aceros hipereutectoides.

ƒ Peritectica (punto C). El líquido con un contenido en carbono de 0,53% a 1495 ºC se combina con ferrita con un 0,09% de C para convertirse en austenita con un 0,17% de carbono. En una reacción peritéctica una fase líquida se conbina con otra sólida para originar una tercera fase sólida.

II.1. TRATAMIENTOS PARA MEJORAR LAS PROPIEDADES MECÁNICAS.

A. TRATAMIENTOS TÉRMICOS.

Los tratamientos térmicos, cuya finalidad es comunicar a los productos siderúrgicos ciertas propiedades, consisten en calentar estos a una determinada temperatura y enfriarlo según una ley determinada. Los tratamientos térmicos modifican la microestrutura de los productos.

Estudios sobre las transformaciones de la austenita* a temperatura constante, dieron como resultado la curva de la S (TTT), de extraordinario interés en los tratamientos térmicos. En la curva de la S, se indican las transformaciones, que a una temperatura determinada, sufre la austenita de una barra de acero que ha sido calentada, hasta conseguir una estructura totalmente austenítica y enfriada después rápidamente.

El nombre de curva de la S, se debe a la forma de la cual también se denomina curva TTT( temperatura, tiempo, transformación).

*Austenita: Esta formada por la solución sólida de inserción de los átomos de carbono en los huecos octaédricos del hierro γ (estructura FCC).

Existen cuatro tratamientos térmicos continuos, es decir, en los que las transformaciones no se producen a temperatura constante, podemos diferenciar, de forma general: Recocido, Normalizado, Temple y Revenido.

La diferencia básica entre el recocido, el normalizado y el temple consiste en la velocidad de enfriamiento, según puede apreciarse en la figura 28.

1. Temple.

Es un tratamiento térmico característico de los aceros, consistente en su austenización; es decir un calentamiento hasta una temperatura superior a la de austenización (727 ºC), seguido de un enfriamiento lo suficientemente rápido para obtener una estructura martensítica.

La estructura martensitica se origina con un enfriamiento muy rápido ( Curva TTT curva 6). La martensita, solución sobresaturada de carbono en hierro α, es, si se exceptúa la cementita, el constituyente más duro de los aceros. No cristaliza en la red cúbica centrada en las caras, como lo hace le hierro α, su cristalización se verifica en la red tetragonal centrada en el cuerpo.El endurecimiento proporcionado por el temple se puede comparar al que se consigue por medio de la deformación en frío.

En el enfriamiento de una pieza en contacto con un líquido refrigerante se aprecian tras etapas características:

Etapa 1: El líquido refrigerante en contacto con el material entra en ebullición, se forma una capa de vapor que dificulta la transmisión de calor, por este motivo la velocidad de enfriamiento será lenta.

Etapa 2: El espesor de la capa de vapor disminuye y el líquido refrigerante entra en contacto con la superficie del material, produciéndose unas corrientes de convección que incrementan de forma notable la velocidad de enfriamiento. Etapa 3: La Tª superficial de la pieza de metal desciende por debajo de la de ebullición y la velocidad de enfriamiento vuelve a descender.

El temple del acero nunca constituye un tratamiento final, debido a que la estructura martensítica obtenida, pese a ser muy dura, es al mismo tiempo muy frágil y se encuentra en un estado alto de acritud, a causa de la fuertes tensiones internas generadas alrededor de los átomos de carbono. Por este motivo, una vez templado el acero, se le somete a tratamiento térmico de revenido.

Templabilidad

Es la capacidad de un acero para el temple; es decir, la facilidad con que se forma la martensita. La transformación completa de austenita en martensita sólo se consigue con velocidades de enfriamiento muy elevadas.

Dicho de una formas más técnica, es la capacidad de penetración, del temple que tiene un acero. La templabilidad depende:

ƒ Del diámetro o espesor de la pieza, así una pieza de más espesor tendrá menos templabilidad, y su interior no quedará templado, aunque el exterior lo este.

ƒ La calidad del acero. Una pieza de acero aleado de espesor notable puede dejar penetrar el temple, entonces se dice que es de mucha templabilidad.

2. Revenido.

Es un tratamiento térmico, que se lleva a cabo calentando el acero templado hasta una temperatura inferior a la temperatura crítica con objeto de obtener una estructura más dúctil y tenaz (las piezas templadas se hacen frágiles y muy duras). Los efectos de este tratamiento dependen en gran medida de la temperatura y del tiempo de duración del proceso. El tratamiento completo de temple más revenido recibe el nombre de bonificado.

3. Normalizado.

homogénea.

Consiste en el calentamiento del acero hasta una total austenización, enfriando al aire libre. Con ello se consigue que la estructura resultante sea de perlita y ferrita o cementita de grano fino. Este tratamiento se puede utilizar para eliminar tensiones internas en piezas que han sufrido procesos de deformación, como laminado en frío o en caliente, y lograr una estructura

4. Recocido.

Es un tratamiento que consiste en calentar al acero hasta alcanzar una temperatura similar a la utilizada en el normalizado y a continuación someterlo a un enfriamiento muy lento (por lo general se apaga el horno y se deja que se enfríe en su interior). Tiene por objeto ablandar el acero y eliminar tensiones internas que hayan podido producirse por diversas causas (laminación, etc). El constituyente típico obtenido es la perlita.

B. TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS.

Los tratamientos termoquímicos consisten en operaciones de calentamiento y enfriamiento de metales, que se complementan con la adición de nuevos elementos en la superficie de las piezas, de manera que se modifica la composición química superficial.

1. Cementación y cianuración.

La cementación y la cianuración son tratamientos que implican cambios en la composición, aplicándose a las superficies de las piezas, con objeto de compaginar diferentes propiedades mecánicas en éstas. Existen situaciones en las que se requiere un mínimo de tenacidad y una gran dureza superficial, es el caso, por ejemplo, de cojinetes.

Sin embargo, es difícil compaginar ambas propiedades en una pieza de composición homogénea, ya que el porcentaje elevado de carbono, óptimo para obtener elevada dureza en el temple, no permite conseguir una tenacidad adecuada. Por tanto. Se adopta como solución partir de una pieza con bajo contenido en carbono, procediéndose, posteriormente, a la obtención de u una superficie carburada que permita obtener las propiedades que se derivan de un temple.

El enriquecimiento en carbono de la superficie (cementación de los aceros) se logra introduciendo la pieza en un medio (por ejemplo, CO gaseoso) que sea capaz de cederlo, alcanzando mediante calentamiento una estructura austenítica, ya que este constituyente es el que lo fija más fácilmente.

La carburación se efectúa generalmente por el CO, formado por reacción del C con el O2, o mediante cianuración, por la acción conjunta del carbono y el nitrógeno resultante de la reacción del cianuro sódico (NaCN) con carbonatos.

2. Nitruración.

También se emplea para el endurecimiento superficial de las piezas, basándose el fenómeno en la capacidad que tiene el nitrógeno (procedente de una corriente de amoníaco) para combinarse con el hierro y otros elementos que lleve aleados, formádose nitruros de gran dureza que se disponen en los espacios intercristalicios del acero.

El nitrógeno no se introduce en el acero en forma de solución sólida, como ocurría en el caso de la cementación, sino que debido a su afinidad por elementos como el Al, Cr, V, Wo, Mo en el acero aleado se forman nitruros submicroscopicos insolubles.

Este procedimiento tiene una serie de ventajas sobre la cementación:

– La temperatura de calentamiento es relativamente baja (500ºC), por lo que se reducen los riesgos de deformaciones.

– No es necesario ningún tratamiento térmico posterior.

– Se obtienen durezas mayores que en la cementación.

– Las piezas nitruradas son muy resistentes a la corrosión.

3. Maleabilización.

Es un tratamiento encaminado a eliminar la fragilidad de la fundición. Consiste en someter las piezas a un recocido prolongado en atmósfera oxidante, con lo que se consigue descarburar la superficie, quedando tan maleable como los aceros de bajo contenido en carbono.

II.2. TRATAMIENTOS PARA MEJORAR LAS PROPIEDADES MECÁNICAS.

La protección contra la corrosión puede hacerse, bien aprovechado al máximo las posibilidades que para ello ofrezca el metal, o bien aislándolo de la atmósfera o del elemento corrosivo por diversos procedimientos.

A. PROTECCIÓN CATÓDICA.

El fundamento de la protección catódica está basado en que en el cátodo de una pila galvánica se produce siempre una reacción de reducción. Se hacemos que la pieza actúe de cátodo, ésta no sufrirá la corrosión.

Puede actuarse de dos formas distintas:

– Conectando la pieza a proteger a un material más electronegativo (Zn, Mg, Al, etc) que hará de ánodo. Es la llamada protección catódica por ánodo de sacrificio.

– Uniendo la pieza al polo negativo de un dispositivo que suministre corriente continua y el positivo a un ánodo consumible o no. Es la protección catódica por corriente impresa.

La protección catódica se utiliza en tuberías enterrada, depósitos enterrados, compuertas, diques, etc. El que se emplee la protección por ánodo se sacrificio o corriente impresa depende de consideraciones económicas.

B. PROTECCIÓN ANÓDICA.

La protección anódica sólo puede aplicarse a metales que son fácilmente pasivable, como el hierro y el acero. Hasta ahora sólo se ha empleado en reactores químicos de hierro a acero que contiene soluciones oxidantes.

Para el caso de un reactor de acero, el reactor hace de ánodo de una cuba electrolítica a la que previamente se ha llevado a pasividad mediante la aplicación de una densidad de corriente suficiente. Una vez conseguida la pasivación sólo se precisa de una densidad de corriente muy pequeña para mantener el ánodo exento de corrosión, a diferencia de la protección catódica que requiere una alta densidad de corriente.

El mayor inconveniente de este método es que pueden producirse rotura se la capa pasivada que puede dar lugar a una corrosión por picaduras muy intensa.

C. TRATAMIENTOS SUPERFICIALES.

La superficie de los metales es el límite entre ellos y el ambiente agresivo. Por ello un tratamiento superficial, es con frecuencia, un método adecuado de protección contra la corrosión.

Por su naturaleza física distinguiremos entre recubrimientos metálicos y recubrimientos no metálicos.

1. Recubrimientos no metálicos.

Impiden el contacto de la superficie de las piezas con los agentes que pudieran atacarlas. los recubrimientos más empleados son:

– Aceitado y engrasado.- Muchas piezas de acero y hierro tienen que permanecer brillantes con vistas a su utilización (aparatos de medición, superficies de desplazamiento, roscas, pernos,…), protegiéndose, durante el almacenaje, con aceites y grasa exentas de ácidos. Esta protección únicamente abarca el tiempo de almacenaje antes de la puesta en uso de la pieza. Antes del engrase tiene que estar la pieza metálicamente limpia.

– Pinturas a brocha o a pistola.- Se distingue entre la pintura de fondo (o de base) y la de cubrimiento, pudiendo ser ambas de varias capas. La de fondo tiene que comportarse como químicamente neutra respecto a la pieza, debe adherirse bien y ser un buen fondo adhesivo para las demás capas, con frecuencia se aplica el minio, óxido de plomo. La capa de recubrimiento debe ser impermeable al agua, resistente a la luz, dura, pero al mismo tiempo elástica y en algunos casos resistentes al calor.

– Esmaltado.- La masa de esmalte consta de polvo de vidrio (cuarzo, feldespato y arcilla) y sustancias colorantes. Los esmaltes se hacen por pulverización o inmersión y se somete la pieza, en el horno de esmaltar, a temperaturas entre 600-1000°C. La fundición vítrea obtenida es muy dura, resistente al calor y capaz de resistir ataques químicos, pero muy frágil. El esmalte se ha de aplicar tan fino como se pueda.

– Recubrimientos plásticos.- Se obtienen por inmersión en plástico líquido o bien por lacado. Sirven para proteger contra la corrosión y aíslan eléctricamente.

2. Recubrimientos metálicos.

Para obtener una buena protección contra la corrosión mediante recubrimientos metálicos, es necesario conocer el comportamiento electroquímico del metal de protección respecto al metal de la base. Los principales procedimientos de aplicación de metales son:

– Procedimiento de inmersión en baño fundido.- Las piezas, una vez limpias y desengrasadas en un baño de ácido, se sumergen en el metal fundido, posteriormente se sacan y se deja escurrir el metal sobrante, quedando una capa delgada que es calentada para que se adhiera bien. Unos de los ejemplos más importante de este procedimiento es el: Metalizado galvánico(niquelado, cromado, cobreado). La pieza limpia se sumerge en una solución de sal metálica y se une por el polo negativo a una fuente de corriente continua. En el polo positivo se fija el metal de recubrimiento.

Por la acción de la corriente eléctrica los iones metálicos cargados positivamente emigran de la solución de sal depositándose en la superficie de la pieza.

– Pulverizado del metal.- El metal de recubrimiento se introduce, en forma de alambre, en la pistola de pulverizar y se licua mediante una llama de gas o por vía eléctrica. El metal líquido se aplica sobre la superficie con aire a presión.

– Chapeado.- Consiste en el laminado de capas metálicas finas sobre el metal base.

3. Recubrimientos químicos.

– Pavonado.- Se da a las piezas una protección superficial negra por combustión repentina de aceite a 400°C. Esta protección no es duradera.

– Fosfatado (bonderizado).- Por rociado o inmersión se aplica una solución acuosa de fosfatos de magnesio o de cinc (sales de ácido fosfórico) a la superficie metálica, previamente desoxidada y desengrasada. De este modo se forma una capa protectora de fosfato de hierro.

– Anodizado (procedimiento eloxal).- Este proceso se aplica sobre piezas de aluminio y sus aleaciones. En un baño de ácido sulfúrico empleado como electrolito se pone una placa de plomo (polo negativo) y la pieza de aluminio (polo positivo). Si se hace pasar una corriente continua, en la pieza se forma una capa de óxido (anonizado o capa eloxal) debido al oxígeno liberado. Esta capa posee una gran dureza, es muy resistente a influencias químicas y no es conductora de electricidad.

– Protección catódica.- Una varilla de magnesio se une mediante un conductor con el cuerpo de acero a proteger, el magnesio desprende iones (elemento galvánico). Los electrones liberados fluyen hacia el acero generando una tensión que evita que los iones se desprendan del hierro y destruyan el metal.

CONCLUSIÓN:

Actualmente, las posibilidades de modificar la estructura, constitución e incluso la composición química de los metales y aleaciones, se han extendido considerablemente. Pero siguen siendo los tratamientos térmicos, los que más se utilizan en la metalurgia actual.

Los tratamientos térmicos son procesos donde únicamente se utiliza la temperatura como magnitud variable modificadora de la microestructura y constitución de metales y aleaciones, pero sin variar su composición química. El objetivo de los tratamientos térmicos consiste en mejorar las propiedades mecánicas de metales y aleaciones, de tal forma que unas veces interesa aumentar la dureza y resistencia mecánica, y otras veces la ductilidad o plasticidad para facilitar su conformación.

Por extensión, también se emplea la denominación de tratamientos a otras técnicas, donde además de utilizar la temperatura como única variable a considerar, se modifica también la composición química de una capa superficial de la pieza, son los tratamientos termoquímicos.

BIBLIOGRAFÍA:

– Fidalgo Sánchez J.A., Fernández Pérez, M.R., Fernández Fernández N.; “TECNOLOGÍA INDUSTRIAL

1” Ed. Everest. León, 2002.

– Coca Rebollero P., Rosique Jiménez,; “CIENCIA DE MATERIALES: TEORÍA, ENSAYOS, TRATAMIENTOS”. Ed. Pirámide, 1996.

– Valverde Espinosa Ignacio; “METALES EN LA CONSTRUCCIÓN” Ed. CSV.