EVAP-1

INTRODUCCIÓN

La termodinámica es la parte de la física que los estados de los sistemas materiales microscópicos y los cambios que pueden darse entre esos estados, en particular a lo que respecta a temperatura, calor y energía. En este documento repasaremos todo la teoría de TERMODINÁMICA, en él se anuncia las leyes de termodinámica y los conceptos relacionados a ella.

Es importante desde el principio definir nuestros sistemas, que es una porción definida de material a elegir para su estudio, se separa de todo lo demás por una superficie o frontera conceptual. Existen varios tipos de sistemas, aislados, cerrados, abiertos; pero con ella podemos definir la muestra que se está analizando y comprender hacia dónde va la energía del sistema.

Algunos ejemplos de lugares donde se encuentra la termodinámica:

    *En las máquina de vapor
    *Destilación
    *Un cerillo encendido
    *Motor de gasolina

TRATAMIENTO TÉRMICO

1. OBJETIVOS

     *Identificar las leyes y los conceptos del tratamiento térmico

     *Comprender los tipos de tratamiento térmico

     *Dar a conocer al alumnado las propiedades mecánica

     *Una investigación profunda acerca de la termodinámica y sus ramas

2. ALCANCE

    *Aplicar todos los principios del tratamiento térmico

3. MARCO TEÓRICO

Se conoce como tratamiento térmico al conjunto de operaciones de calentamiento o enfriamiento bajo condiciones controladas de temperatura, tiempo de permanencia, velocidad, presión de los metales o aleaciones en estado sólido, con el fin de mejorar sus propiedades mecánica, especialmente la dureza, la resistencia y la elasticidad. Los materiales a los que se aplica el tratamiento térmico son básicamente el acero y la fundición, formados por hierro y carbono. También se aplican tratamientos térmicos diversos a los cerámicos.

PROPIEDADES MECÁNICAS

Las características mecánica de un material dependen tanto de su composición química como de la estructura cristalina que tenga. Los tratamientos térmicos modifican esa estructura cristalina sin alterar de composición química, dando a los materiales unas características mecánicas concretas, mediando un proceso de calentamientos y enfriamientos sucesivos hasta conseguir la estructura cristalina deseada.

Entre estas características están:

*RESISTENCIA AL DESGASTE: Es la resistencia que ofrece un material a dejarse erosionar cuando está en contacto de fricción con otro material.

*TENACIDAD: Es la capacidad que tiene un material de absorver energía sin producir fisuras (resistencia al impacto)

*MAQUINABILIDAD: Es la facilidad que posee un material de permitir el proceso de mecanizado por arranque de viruta.

PROPIEDADES MECÁNICAS DEL ACERO

El acero es una aleación de hierro y carbono que contiene otros elementos d aleación, los cuales le confieren propiedades mecánicas específicas para su utilización en la industria metal mecánica. Los otros principales elementos de composición son el cromo, wolframio, manganeso, níquel, vanadio, cobalto, molibdeno, cobre, azufre y fósforo. A estos elemento químicos que forman parte del acero se les llama componentes, y a las distintas estructuras cristalinas o combinación de ellas constituyentes.

Los elementos constituyente, según el porcentaje, ofrecen características específicas para determinar aplicaciones, como herramientas, cuchillas, soportes, etc. La diferencia entre los diversos aceros, tal como se ah dicho depende tanto de la composición química de la aleación de los mismos, como del tipo de tratamiento térmico.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS DEL ACERO

El tratamiento térmico en el material es uno de los pasos fundamentales para que pueda alcanzar las propiedades mecánicas para las cuales está creado. Este tipo de procesos consisten en el calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado sólido para cambiar sus propiedades físicas. Con el tratamiento térmico adecuado se pueden reducir los esfuerzos interno, el tamaño del grano, incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un interior dúctil. La clave de los tratamientos térmicos consiste en las reacciones que se producen en el material, tanto en los aceros como en las aleaciones no férreas, y ocurren durante el proceso de calentamiento y enfriamiento de las piezas, con unas pautas o tiempos establecidos.

Los tratamientos térmicos han adquirido gran importancia en la industria en general, ya con las constantes innovaciones se van requiriendo metales con mayores resistencias tanto al desgaste como a la tensión.
Los principales tratamientos térmicos son:

1. TEMPLE: Su finalidad es aumentar la dureza y la resistencia del acero. Para ello, se calienta el acero a temperatura ligeramente mas elevada que la crítica superior Ac (entre 900-950 °C ) y se enfría luego a más o menos rápidamente en un medio con agua, aceite, etc.

2. REVENIDO: Sólo se aplica a aceros templados, para disminuir ligeramente los efectos del temple, conservando parte de la dureza y aumentar la tenacidad. El revenido consigue disminuir la dureza y resistencia de los aceros templados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora la tenacidad, dejando al acero con la dureza o resistencia deseas. Se distingue básicamente del temple en cuanto a temperatura máxima y velocidad de enfriamiento.

3. RECOCIDO: Consiste básicamente en un calentamiento hasta la temperatura de austenización ( 800-925 °C ) seguido de un enfriamiento lento. Con este tratamiento se logra aumentar la elasticidad, mientras que disminuye la dureza. También facilita el mecanizado de las piezas al homogenizar la estructura, afinar el grano y ablandar el material, eliminando la acritud que produce el trabajo en frío y las tensiones internas.

4. NORMALIZADO: Tiene por objetivo dejar un material en estado normal, es decir, ausencia de tensiones internar y con una distribución uniforme del carbono. Se suele emplear como tratamiento previo al temple y al revenido.

TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS DEL ACERO

Los tratamientos termoquímicos son tratamientos térmicos en los que, además de los cambios en la estructura del acero, también se producen cambios en la composición química de la capa superficial, añadiendo diferentes productos químicos hasta una profundidad determinada. Estos tratamientos requieren el uso de calentamiento y enfriamiento controlados en atmósferas especiales.
Entre los objetivos más comunes de estos tratamientos están aumentar la dureza superficial de las piezas dejando  el núcleo más blando y tenaz, disminuir el rozamiento aumentando el poder lubrificante, aumentar la resistencia al desgaste, aumentar la resistencia a fatiga o aumentar la resistencia a la corrosión. Tenemos:

A. CEMENTACIÓN (C): Aumenta la dureza superficial de una pieza de acero dulce, aumentando la concentración decarbono en la superficie. Se consigue teniendo en cuenta el medio o atmósfera que envuelve el metal durante el calentamiento y enfriamiento. El tratamiento logra aumentar el contenido de carbono de la zona periférica, obteniéndose después, por medio de temples y revenidos, una gran dureza superficial, resistencia al desgaste y buena tenacidad en el núcleo.

B. NITRURACIÓN (N): Al igual que la cimentación, aumenta la dureza superficial, aunque lo hace en mayor medida, incorporando nitrógeno en la composición de la superficie de la pieza. Se logra calentando el acero a temperaturas comprendidas entre 400 y 525°C, dentro de una corriente de gas amoniáco, más nitrógeno

C. CIANURACIÓN (C+N): Endurecimiento superficial de pequeñas piezas de acero. Se utilizan baños con cianuro, carbonato y cianato sódico. Se aplican temperaturas entre 760 y 950 °C

D. CARBONITRURACIÓN (C+N): Al igual que la cianuración, introduce carbono y nitrógeno en una capa supericial, pero con hidrocarburos como metano, etano o propano; amoniaco ymonóxido de carbono. En el proceso se requieren temperaturas de 650 a 850 °C y es necesario realizar un temple y un revenido posterior.

E. SULFINZACIÓN (S+N+C): Aumenta  la resistencia al desgaste por acción azufre. El azufre se incorporó al metal por calentamiento a baja temperatura (565°C) en un baño se sales.

EJEMPLOS DE TRATAMIENTO

↨ ENDURECIMIENTO DEL ACERO:
El proceso de endurecimiento del acero consiste en el calentamiento del metal de manera uniforme a la temperatura correcta y luego enfriarlo con agua, aceite o aire o en una cámara refrigerada. El endurecimiento produce una estructura granular fina que aumenta la resistencia a la tracción (tensión) y disminuye la ductilidad. El acero al carbono para herramientas se puede endurecer al calentarse hasta su temperatura crítica, la cual se adquiere aproximadamente entre los 790 y 830 °C, lo cual se identifica cuando el metal adquiere el color rojo cereza brillante. Cuando se calienta el acero la perlita de combina con la ferrita, lo que produce una estructura de grano fino llamado austenita. Cuando se enfría la austenita de manera brusca con agua, aceite o aire, se transforma en martensita, material que es muy duro y frágil.

↨ TRATAMIENTO TÉRMICO DE LAS ALEACIONES DE ALUMINIO:
Los tratamientos térmicos básicos de mejora de propiedades de las aleaciones de aluminio son los tratamientos de precipitación. Constan de las etapas de puesta en solución. Temple y maduración o envejecimiento. También se realizan tratamientos de recocido.

↨ TEMPLE Y REVENIDO: BONIFICADO
Después que se ah endurecido el acero es muy quebradizo o frágil lo que impide su manejo pues se rompe con el mínimo golpe debido a la tensión interior generada por el proceso de endurecimiento. Para contrarrestar la fragilidad se recomienda el temple del acero. Este proceso hace más tenaz y menos quebradizo el acero aunque pierde algo de dureza. El proceso consiste en limpiar la pieza con un abrasivo para luego calentarla hasta la temperatura adecuada, para después enfriarla al intemperie en el mismo medio que se utilizó para endurecerla.

↨ RECOCIDO:
El recocido es el tratamiento térmico que, en general, tiene como finalidad principal el ablandar el acero u otros metales, regenerar la estructura de aceros sobrecalentados o simplemente eliminar las tensiones internas que siguen a un trabajo en frío. Esto es, eliminar los esfuerzos residuales producidos durante el trabajo en frío sin afectar las propiedades mecánicas de la pieza finalizada, o puede utilizarse el recocido para eliminar por completo el endurecimiento por deformación. En este caso, la parte final es blanda y dúctil  pero sigue teniendo un acabado de superficie y precisión.

↨CEMENTADO:
Consiste en el endurecimiento de la superficie externa del acero bajo carbono, quedando el núcleo blando y dúctil. Como el carbono es el que genera la dureza en los aceros en el método de cementado se tiene la posibilidad de aumentar la cantidad de carbono en los aceros de bajo contenido de carbono antes de ser endurecido. El carbono se agrega al calentar al acero a su temperatura crítica mientas se encuentra en contacto con un material carbonoso. Los tres métodos de cementación mas comunes son: EMPACADO, BAÑO LÍQUIDO Y GAS.

↨ CARBURIZACIÓN POR EMPAQUETADO:
Este procedimiento consiste en meter al material de acero con bajo contenido carbónico en una caja cerrada con material carnonáceo y calentarlo hasta 900 a 927 °C durante 4 a 6 horas. En este tiempo el carbono que se encuentra en la caja, penetra a la superficie de la pieza a endurecer. Cuanto más tiempo se deje a la pieza en la caja con carbono de mayor profundidad será la capa dura, Una vez caliente la pieza a endurecer a la temperatura adecuada enfría rápidamente en agua o salmuera.

↨ CARBURIZACIÓN EN BAÑO LÍQUIDO:
El acero a cementar se sumerge en un baño de cianuro de sodio líquido. También se puede utilizar cianuro de potasio pero sus vapores son muy peligrosos. Se mantiene la temperatura a 845 °C urante 15 minutos a 1 hora, según la profundidad que se requiera. A esta temperatura el acero absorberá el carbono y el nitrógeno del cianuro. Después se debe enfriar con rapidez al acero en agua o salmuera. Con este procedimiento se logran capas con espesores de 0,75mm.

↨ CARBURIZACIÓN CON GAS:
En este procedimiento se utilizan gases carburizantes para la cementación. La pieza de acero con bajo contenido carbónico se coloca en un tambor al que se introduce gas para carburizar como derivados de los hidrocarburos o gas natural. El procedimiento consiste en mantener al horno, el gas y la pieza entre 900 y 927 °C. Después de un tiempo predeterminado se corta el gas carburizante y se deja enfriar al horno. Luego se saca la pieza y se recalienta a 760 °C y se enfría con rapidez en agua o salmuera. Con este procedimiento se logran piezas cuya capa dura tiene un espesor hasta de 0,6 mm , pero por la regular no exceden de 0,7mm.

↨ CARBURADO, CIANURADO Y NITRADO:
Existen varios procedimientos de endurecimiento superficial con la utilización del nitrógeno y cianuro a os que por lo regular se les conoce como carbonitrurado o cianurado. En todos estos procesos con ayuda de las sales del cianuro y del amoniáco se logran superficies duras como en los métodos anteriores.

FÓRMULA DE TEMPERATURA TÉRMICA

T = (H-G)/C

Donde:

·        H= Entalpia

·        G= Energía libre

·        C= Calor

TRATAMIENTO TÉRMICO (TERMODINÁMICA)
FÓRMULA DE TRATAMIENTO TÉRMICO
PROCESO

PROCEDIMIENTO