Tema 10 Tratamientos de los materiales

Tema 10
Tratamientos de los
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2º de Bachillerato
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Guión
1. Clasificación del acabado y tratamiento de los metales.
2. Tratamiento de los metales.
 Tratamientos térmicos.
 Temple.
 Recocido.
 Normalizado.
 Revenido
 Tratamientos termoquímicos.
 Cementación.
 Nitruración.
 Cianuración.
 Sulfinización.
3. La oxidación, corrosión y sus efectos.
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2. Tratamientos de los metales
 Tratamientos térmicos
Consisten en operaciones de calentamiento y enfriamiento a los que se
somete a los metales para conseguir determinados cambios en la estructura
cristalina pero sin variar la composición química.
OBJETIVO: Mejorar las propiedades de los metales y aleaciones, por lo
general, de tipo mecánico. En ocasiones se utiliza este tipo de tratamientos
para, posteriormente, conformar el material.

Temple
El temple se utiliza para obtener un tipo de aceros de alta dureza llamado
martensita. Se trata de elevar la temperatura del acero hasta una
temperatura cercana a 1000 ºC y posteriormente someterlo a enfriamientos
rápidos o bruscos y continuos en agua, aceite o aire.
La capacidad de un acero para transformarse en martensita durante el
temple depende de la composición química del acero y se denomina
templabilidad.
Al obtener aceros martensíticos, en realidad, se pretende aumentar la
dureza. El problema es que el acero resultante será muy frágil y poco dúctil,
porque existen altas tensiones internas y disminuye el alargamiento unitario.
Ensayo de templabilidad o ensayo de Jominy
El ensayo de Jominy consiste en templar una muestra estándar de acero
llamada probeta con un chorro de agua de caudal y temperatura
constante.
La temperatura de la probeta se eleva y se proyecta el chorro de agua
por uno de los extremos de la probeta. Ese extremo de la probeta se
enfriará rápidamente, sufriendo el temple y será más duro que el otro
extremo. Luego se mide la dureza de la probeta cada 1,5 mm a lo largo y
se traza la curva de templabilidad.
La curva de templabilidad asegura que si la dureza disminuye
rápidamente conforme nos alejamos del extremo templado, el acero
tendrá una templabilidad baja, mientras que los aceros cuyas curvas son
casi horizontales serán de alta templabilidad, es decir, susceptibles de
endurecerse rápido cuando sufren temple.
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Fíjate en el siguiente diagrama:
Corresponde a dos ensayos de Jominy con dos materiales diferentes.
En vertical se presenta la dureza y en horizontal se presenta la distancia
desde el extremo templado.
Se observa que, a media que nos alejamos del extremo templado, la
dureza (HRC) disminuye. Se puede observar que el descenso de la
dureza en la curva inferior es más rápido, con lo cual podemos afirmar
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que en ese caso, la probeta tendrá baja templabilidad, es decir, que ese
acero tiene menos capacidad para transformarse en un acero de alta
dureza (martensita) cuando se enfría rápidamente con un líquido
(normalmente agua).

Revenido
El revenido es el tratamiento térmico que sigue al temple y es por tanto un
tratamiento complementario del temple. Recuerda que un acero templado es
aquel que tiene una dureza muy alta (llamado martensita), pero tiene el
inconveniente de ser frágil y poco dúctil porque tiene tensiones internas.
El revenido consiste en calentar la pieza templada hasta cierta temperatura,
para reducir las tensiones internas que tiene el acero martensítico (de alta
dureza). De esto modo, evitamos que el acero sea frágil, sacrificando un poco
la dureza. La velocidad de enfriamiento es, por lo general, rápida.

Recocido
El recocido consiste en calentar un material hasta una temperatura dada y,
posteriormente, enfriarlo lentamente. Se utiliza, al igual que el caso anterior,
para suprimir los defectos del temple.
Se persigue:
 Eliminar tensiones del temple.
 Aumentar la plasticidad, ductilidad y tenacidad del acero.
¿Cómo se practica el recocido?
1. Se calienta el acero hasta una temperatura dada.
2. Se mantiene la temperatura durante un tiempo.
3. Se enfría lentamente hasta temperatura ambiente, controlando la
velocidad de enfriamiento.
Si la variación de temperatura es muy alta, pueden aparecer tensiones
internas que inducen grietas o deformaciones. El grado de plasticidad
que se quiere dotar al metal depende de la velocidad de enfriamiento y
la temperatura a la que se elevó inicialmente.

Normalizado
Este tratamiento se emplea para eliminar tensiones internas sufridas por el
material tras una conformación mecánica, tales como una forja o laminación
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para conferir al acero unas propiedades que se consideran normales de su
composición.
El normalizado se practica calentando rápidamente el material hasta una
temperatura crítica y se mantiene en ella durante un tiempo. A partir de ese
momento, su estructura interna se vuelve más uniforme y aumenta la tenacidad
del acero.
 Tratamientos termoquímicos




Cementación: Consiste en aumentar la cantidad de carbono de la capa
exterior de los aceros. Se mejora la dureza superficial y la resiliencia. Se
aplica a piezas que deben ser resistentes a golpes y la vez al desgaste.
Se aplica a los aceros.
Nitruración: Consiste en endurecer la superficie de los aceros y
fundiciones. Las durezas son elevadas y tienen alta resistencia a la
corrosión. El componente químico añadido es nitrógeno, que se obtiene
del amoniaco.
Cianuración o carbonitruración: Se trata de endurecer la superficie del
material introduciendo carbono y nitrógeno. Es una mezcla de
cementación y nitruración. La temperatura es intermedia entre la
utilizada para la cementación y la nitruración, que es mucho menor que
aquella. Se aplica a los aceros.
Sulfinación: Se trata de introducir en la superficie del metal azufre,
nitrógeno y carbono en aleaciones férricas y de cobre. Se aumenta la
resistencia al desgaste, favorece la lubricación y disminuye el coeficiente
de rozamiento.
4. La oxidación, la corrosión y sus efectos.
Proceso de oxidación y corrosión.
En primer lugar vamos a hacer la distinción entre oxidación y corrosión:
Oxidación: reacción química en la cual el elemento que se oxida cede
electrones al elemento oxidante. De forma esquemática se puede expresar la
oxidación como:
Material + Oxígeno  Óxido del material ± Energía
El más popular de los oxidante por su presencia en el aire atmosférico es el O 2,
aunque existen muchos otros como el cloro, el bromo, el hidrógeno ,etc.
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Algunos metales son especialmente resistentes a la oxidación, como el níquel,
cromo, aluminio o cobre, al igual que las aleaciones de las que forman parte. El
bronce como ejemplo de aleación de cobre, y el acero inoxidable como ejemplo
de aleación de acero, níquel y cromo, son muestras de aleaciones resistentes a
la corrosión.
Hasta ciertos límites de espesor y temperatura, la capa de óxido que se forma y
recubre el material puede servir de protección e impedir que esta siga
avanzando. Pero al elevar la temperatura, su puede agrietar la capa de óxido y
permitir el paso de oxígeno facilitando el avance de la oxidación hasta el
interior del material.
Corrosión: es la destrucción lenta y progresiva de un material, producida por el
oxígeno del aire cuando aparece combinado con la humedad. Los agentes
corrosivos más habituales son el cloruro de sodio presente en el agua del mar,
y el dióxido de azufre que se produce en las combustiones.
En este caso, el metal es atacado por un agente corrosivo en presencia de un
electrolito. Un electrólito es cualquier sustancia, normalmente líquida, que
contiene iones libres, que se comportan como un medio conductor eléctrico.
Normalmente un electrolito es una disolución, en la que el disolvente suele ser
agua y el soluto otra sustancia. El ejemplo más conocido es el agua del mar (el
cloruro sódico es un agente corrosivo), que actúa como electrolito.
Los procesos de corrosión son procesos electroquímicos, ya que en la
superficie del metal se generan “micropilas galvánicas” en las que la humedad
actúa como electrólito. El metal actúa como ánodo (polo positivo) y, por lo
tanto, se disuelve. Así, el electrólito actúa como medio conductor a través del
cual viajan las cargas que abandonan los electrones del ánodo que se corroe,
el metal.
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Ánodo: Metal que cede electrones y
se corroe.
Cátodo: Receptor de electrones.
Electrolito: Líquido que está en
contacto con el ánodo y el cátodo.
Debe ser conductor eléctrico. Este
líquido proporciona el medio a través
del cual se asegura el desplazamiento
de cargas eléctricas desde el ánodo
hasta el cátodo.
Existe un tipo de corrosión de tipo electroquímico que aparece cuando se
juntan metales diferentes o son conectados eléctricamente. Al producirse el
contacto, el metal más electronegativo desempeña el papel de ánodo y, por
tanto, sufre la corrosión.
Por último decir que la corrosión puede ser uniforme, localizada e intergranular:
En la corrosión uniforme (figura a), el espesor de la zona afectada es igual en
toda la superficie del metal. Al disminuir el espesor de la pieza, también
decrece su resistencia mecánica. Es el caso típico de los metales atacados con
ácidos.
La corrosión localizada (figura b) produce picaduras, hoyos, surcos en la
superficie del metal. En este tipo de corrosión, disminuye la capacidad de
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deformación y es muy difícil de prevenir. El hierro atacado por el agua del mar
es el ejemplo más conocido.
En la corrosión intergranular (figura c), el ataque se localiza en la unión de
los granos de los constituyentes de los metales y provoca perdida de cohesión
entre ellos. El metal puede llegar a desintegrarse totalmente sin que se aprecie
ninguna alteración superficial.
 Técnicas de protección frente a la oxidación y la corrosión
Impedir la corrosión implica impedir reacciones electroquímicas. Es decir,
eliminar la posible presencia de un electrolito que actúe como medio conductor
para facilitar una reacción de transferencia de electrones desde un metal
anódico. Así, las soluciones podrían ser:
1. Selección adecuada de materiales: elegimos un material lo
suficientemente resistente a la corrosión para las condiciones en las que
va a ser utilizado. A este respecto se pueden mencionar los aceros
inoxidables y también algunos tipos de materiales cerámicos, si bien
estos últimos presentan el inconveniente de su fragilidad.
2. Protección por recubrimiento: Es decir, crear una capa o barrera que
aísle el metal del entorno. Dentro de este tipo de protección podemos
hallar:
 Recubrimientos no metálicos: siendo los más comunes...
o Pinturas y barnices: Es económico y exige que la superficie
esté limpia de óxidos y grasas
o Plásticos: Son muy resistentes a la oxidación y son
flexibles, pero apenas resisten el calor. El más empleado
es el PVC.
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o Esmaltes y cerámicos: Tiene la ventaja de resistir las altas
temperaturas y el desgastes.

Recubrimientos metálicos:
o Inmersión: Se recubre el metal a proteger en un baño de
metal fundido. El metal al solidificar forma una fina capa
protectora. Los metales más empleados son...
a) Estaño (la técnica se llama estañado): latas de
conserva.
b) Aluminio (la técnica se llama aluminización): Es
económico y con calidad.
c) Plomo (la técnica se llama plombeado): Para
recubrir cables y tuberías.
d) Cinc (la técnica se llama galvanizado): Para vigas,
vallas, tornillos,...y otros objetos de acero.
o Electrodeposición (mediante electrólisis, que puede
considerarse como el fenómeno opuesto a la corrosión) :
En este caso se hace pasar corriente eléctrica entre dos
metales diferentes que están inmersos en un líquido
conductor que hace de electrolito. Uno de los metales será
aquel que hará de ánodo, el cual se oxidará y sacrificará. El
otro metal, el que se desea proteger, hará de cátodo y
ambos estarán inmersos en el electrolito que estarán en
una cuba. Cuando pasa la corriente eléctrica, sobre el
metal catódico se crea una fina capa protectora hecha del
material procedente del metal anódico, pues la pila obliga a
ceder electrones al ánodo que alcanzarán al cátodo.
Cuando el metal que hace de cátodo y se desea proteger
es acero y el otro que va a protegerlo (que hace de ánodo)
es cinc, el proceso se llama galvanizado. Controlando el
tiempo y la intensidad de la corriente se puede determinar
la cantidad de metal depositado según la ley de Faraday).
3. Protección por capa química: Se provoca la reacción de las piezas con
un agente químico que forme compuestos en su superficie que darán
lugar a una capa protectora. Por ejemplo:
 Cromatizado: Se aplica una solución de ácido crómico sobre el
metal a proteger. Se forma una capa de óxido de cromo que
impide su corrosión.
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Fosfatación: Se aplica una solución de ácido fosfórico y fosfatos
sobre el metal. Se forma una capa de fosfatos metálicos que la
protegen del entorno.
4. Protección catódica: Se fuerza al metal a comportarse como un
cátodo, suministrándole electrones. Se emplea otro metal que estará en
contacto con el metal que se desea proteger, llamado “ánodo de
sacrificio”, el cual se corroe y acaba destruyéndose aportando electrones
al metal. En definitiva, el metal “ánodo de sacrificio” se pone en contacto
con el metal a proteger el cual recibe electrones del primero. Se necesita
la presencia de un electrolito. Se emplea mucho en tuberías enterradas.
5. Inhibidores: Se trata de añadir productos químicos al electrolito para
disminuir la velocidad de la corrosión.
6. Buen diseño: podemos indicar las siguientes normas generales de
diseño:
 Para prevenir la corrosión por grieta son preferibles las uniones
soldadas que las remachadas. Y si han de emplear remaches,
estos han de ser de un material catódico respecto a los materiales
que se unen.
 En la medida de lo posible deben usarse metales galvánicamente
similares. Y en caso de no ser así, resulta conveniente utilizar una
arandela de material no conductor, que evite contacto eléctrico
entre los metales.
 No se deben diseñar ángulos pronunciados en tuberías por las
que circulen fluidos a alta velocidad, para evitar que se produzca
corrosión por erosión. También es importante que en las tuberías
no haya puntos calientes que potencien la corrosión generalizada.
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A la hora de calcular secciones de estructuras que vayan a estar
sometidas a atmósferas agresivas, se deben tener en cuenta los
efectos de la corrosión.
Los tanques y depósitos destinados al almacenamiento de
sustancias corrosivas deben estar provistos de un sistema de
desagüe que permita su limpieza y vaciado.
Los elementos sometidos a condiciones extremas de corrosión deben estar
situados de tal manera que resulte fácil su inspección y sustitución en caso.