RECOCIDO Y NORMALIZADO DE ACEROS
MANUAL
ING. WALTER ROLANDO ALIAGA GARCIA
TRATAMIENTO TERMICO SUPERFICIAL PROCESOS TERMICOS HUANCAYO - SAN AGUSTIN DE CAJAS 2020
RECOCIDO Y NORMALIZADO DE ACEROS
RECOCIDO Y NORMALIZADO DE ACEROS
ING. WALTER ROLANDO ALIAGA GARCIA
TRATAMIENTOS SUPERFICIALES MEDIANTE LA MODIFICACIÓN DE LA MICROESTRUCTURA SUPERFICIAL
PROCESOS TERMICOS
ENDURECIMIENTO SUPERFICIAL DEL ACERO INTRODUCCION Los individuos percibimos estar metidos en un mundo elaborado a partir de materiales de naturaleza met€lica, polim•rica, cer€mica y todas sus posibles combinaciones. Estos materiales sustentan nuestro presente bienestar y hacen factibles nuestro progreso futuro. Las actuales exigencias tecnol‚gicas ponen de manifiesto la necesidad de disponer de materiales met€licos con elevadas prestaciones bajo condiciones de servicio crƒticas. Los tratamientos superficiales de los metales son procedimientos para mejorar determinadas caracterƒsticas de la superficie de las piezas terminadas, como la dureza, el brillo, la resistencia al desgaste o la resistencia a la corrosi‚n y la oxidaci‚n, entre otras. En el caso del acero el tratamiento superficial puede consistir en la aplicaci‚n de un recubrimiento superficial o bien en la modificaci‚n de las propiedades en una capa superficial de la propia pieza de acero. Generalmente los tratamientos t•rmicos superficiales tienen por objeto el endurecimiento de la superficie de los metales y, por consiguiente, el aumento de la resistencia al desgaste, conservando la ductilidad y tenacidad del n„cleo. El endurecimiento superficial es un t•rmino general que abarca una amplia variedad de t•cnicas, todas ellas con el mismo objetivo. Esta combinaci‚n de superficie dura y resistencia al impacto, dos propiedades en general opuestas entre sƒ, es „til en piezas tales como engranajes, ejes y piezas sometidas al desgaste mec€nico. Hay tres enfoques diferentes a los diversos m•todos de endurecimiento superfic ial. Estos son: Procesos Termoquƒmicos, Procesos T•rmicos y Revestimientos. Y en este caso solo trataremos los procesos termicos.
TRATAMIENTOS SUPERFICIALES MEDIANTE LA MODIFICACI€N DE LA MICROESTRUCTURA SUPERFICIAL
1. PROCESOS TERMICOS En el PROCESO T…RMICO, el m•todo no modifica la composici‚n quƒmica de la superficie, se modifica la MICROESTRUCTURA superficial sin la adici‚n de especies endurecedoras. La modificaci‚n de la microestructura superficial y las propiedades de los materiales de la ingenierƒa de superficies, puede desempe†ar un papel importante en el control del inicio de una falla.
Los principales Tratamientos Superficiales mediante PROCESOS T…RMICOSson: 1. Endurecimiento por llama 2. Endurecimiento por inducci‚n 3. Endurecimiento por laser 4. Endurecimiento por haz de electrones El temple superficial se realiza calentando la capa superficial del acero hasta una temperatura superior al punto crƒtico (para austenitizaci‚n), y con el enfriamiento posterior a una velocidad superior a la crƒticapara obtenci‚n de la martensita. El objetivo fundamental del temple superficial es: aumentar la dureza superficial, la resistencia al desgaste y el lƒmite de fatiga de la pieza que se trata. El n„cleo de la pieza se conserva d„ctil y tenaz y soporta las cargas de impacto. Los aceros de medio y alto carbono pueden endurecerse en la superficie por endurecimiento mediante flama, por inducci‚n y en electrolito
TEMPLE POR LLAMA
Este proceso es tambi•n conocido como ‡shorter processˆ, ‡shorteringˆ, ‡flameadoˆ, se emplea para endurecer superficialmente ciertas piezas de acero, que por su forma o dimensiones, no pueden ser endurecidas por otros m•todos, se puede utilizar la llama de oxiacetileno, gas del alumbrado, gas natural y otros gases derivados del petr‚leo y de la gasolina. El temple por llama oxiacetil•nica es el m€s utili zado.
El procedimiento consiste en templar determinadas zonas de las piezas, calent€ndolas con una llama oxiacetil•nica r€pidamente.
como se muestra en la figura 1 y enfri€ndolas luego
Figura 1. Temple superficial mediante flama Para conseguir que las capas duras queden bien adheridas el resto del material y para evitar posibles desconchamientos superficiales,
debido a una transici‚n
demasiado brusca en las zonas duras a las blandas, conviene que el contenido de carbono de los aceros este comprendido entre 0.30 % al 0.60 % de C. Las instalaciones comprenden de uno a varios sopletes y varios chorros de agua que proviene de
dep‚sitos
auxiliares. El foco de calor o la pieza se mueven
constantemente o alternativamente para calentar y templar sucesivamente todas las zonas. El enfriamiento se hace generalmente como ya se dijo, con chorros de agua, aunque algunas veces tambi•n se realiza con corrientes de aire a presi‚n o introduciendo las piezas en dep‚sitos de agua o aceite. Las diferentes clases de instalaciones que se utilizan para este tratamiento se pueden clasificar en cuatro grupos: 1. M€quinas en las que la pieza permanece quieta y la llama de mueve sobre la superficie que se va a templar, seguida m€s o menos inmediatamente del aparato de enfriamiento. 2.
M€quina en que la llama y el aparato de enfriamiento son estacionarios y
la pieza se mueve, figura 2.
Figura 2. Temple oxiacetil€nico en espiral 3.
M€quina en que la llama y el aparato de enfriamiento se mueven a una
determinada direcci‚n y la pie za a la otra direcci‚n.
4. M€quina en la que se aplica la llama durante el tiempo necesario para que el acero alcance la temperatura de temple y entonces se alcanza el dispositivo enfriamiento, y asƒ sucesivamente, figura 3.
de
Figura 3. Temple oxiacetil€nico general instant•neo Las intensidades del temple se regulan por las distancias del chorro de agua al quemador en los tres primeros grupos, en el cuarto, la velocidad de calentamiento es regulada por el tama†o de la flama y la intensidad del temple. El temple oxiacetil•nico es muy utilizado en el caso de piezas grandes, que por su volumen no pueden introducirse en los hornos de temple, adem€s, empleando este sistema se puede endurecer, si se desea, solo la parte superficial de las piezas, sin afectar las propiedades del n„cleo. Cuando se utiliza este m•todo
para templar piezas de gran tama†o las
deformaciones que se producen son muy peque†as. Este procedimiento es muy „til cuando se desea endurecer s‚lo determinadas zonas. Aunque puede emplearse el procedimiento oxiacetil•nico para templar todos los aceros de m€s de 0.30% de carbono, no se suelen utilizar contenidos de carbono superiores a 0.60% por el peligro de que se desconchen las capas duras. Sin embargo, cuando adem€s de la dureza superficial, interesa que el n„cleo quede con caracterƒsticas relativamente elevadas, deben utilizarse aceros aleados.
En la tabla 1 se proporciona una lista de algunos de los aceros m€s empleados para el temple por llama oxiacetil•nica y las dure zas que con ellos se pueden conseguir. Tabla 1. Aceros m•s empleados para el temple por llama oxiacetil€nica C
Mn
Si
Rockwell C
0.3
0.8
0.2
53
0.3 5 0.4 5 0.4 6 0.5 8 1.0 5
1.4 0 0.6 5 0.6 8 0.7 9 0.3 4
0.3 5 0.1 0 0.3 8 0.2 0 0.2 2
55
0
0
6
59 60 62 63
Las profundidades de la capa dura que se obtienen industrialmente, suelen variar de 1 a 6 mm y dependen en cada caso de la clase de acero o de la forma de efectuar el tratamiento. La velocidad de avance de la llama suele variar de 50 a 200 mm por minuto y la m€xima dureza que se alcanza superficialmente, depende siempre del contenido en carbono del acero. Cuando se emplean aceros de alta aleaci‚n, la profundidad de dureza es mayor que en los aceros al carbono, ya que la penetraci‚n del temple aumenta con los elementos aleados y la variaci‚n de la dureza de la periferia al centro es menos brusca. El tiempo requerido para el calentamiento depende de la profundidad deseada.
ENDURECIMIENTO POR INDUCCI€N Este procedimiento se utiliza para endurecimiento superficial de peque†as piezas de acero, por temple de su zona perif•rica. El calentamiento por corriente de alta frecuencia se efect„a en muy pocos segundos, pudi•ndose adem€s si se desea, locali zar el tratamiento en zonas muy limitadas.
Las piezas se colocan en el interior de una espira o conjunto de espirales de forma apropiada, a trav•s de la cual se hace pasar una corriente el•ctrica de alta frecuencia que calienta las piezas a temperaturas elevadas como se aprecia en la figura 4, luego se enfrƒa r€pidamentecon una ducha de agua o introduci•ndolas en recipientes de agua o aceite. Las espirales est€n constituidas por un tubo de cobre refrigerado interiormente por agua. La corriente el•ctrica crea en el interior de las espirales un campo magn•tico alternativo, que a su vez da lugar a corrientes el•ctricas alternativas de alta frecuencia en las piezas, que son suficientes para calentar el acero.
Figura 4. Calentamiento de piezas con corrientes de alta frecuencia.
Los sistemas de calentamiento por inducci‚n se basan en la aplicaci‚n de la inducci‚n electromagn•tica. Los componentes b€sicos de un sistema como •ste incluyen: una fuente de poder de corriente alterna, un inductor (bobina de cobre), y una pieza met€lica de trabajo.
La fuente de poder manda una corriente alterna a trav•s del inductor produciendo un campo magn•tico que induce en la pieza una corriente el•ctrica que genera un calentamiento de la misma sin contacto fƒsico.
Debido a que el campo magn•tico aplicado es alterno, la corriente inducida no circula uniformemente en la secci‚n de la pieza, sino que es m€s intensa en la superficie y nula en el centro. La profundidad de penetraci‚n de esta corriente depende de la frecuencia
de la corriente inductora, resultando que el calentamiento es m€s superficial cuanto m€s alta es la frecuencia.
El calentamiento de las piezas de acero se efect„a consecuencia de dos fen‚menos distintos:
en este proceso como
1. Por Hist•resis: Bajo la acci‚n del campo magn•tico las peque†as partƒculas de hierro tienden a polarizarse en un determinado sentido, cre€ndose en cada uno de ellas un polo norte y un polo sur. Al variar el sentido del campo con mucha frecuenta, las peque†as partƒculas tienden a seguir esas variaciones, modific€ndose la situaci‚n de sus polos y cre€ndose una gran fricci‚n molecular interna que desarrolla calor y que al disiparse a trav•s de la pieza eleva su temperatura. En el temple de los aceros por alta frecuencia, el calentamiento por hist•resis tiene muy poca importancia.
2.Por corriente de Foucault: En la periferia de las piezas sometidas a cambios magn•ticos alternativos de alta frecuencia, nacen unas corrientes perif•ricas circulares llamadas ‡corriente de Foucaltˆ, que son capaces de calentar r€pidamente la zona perif•rica de las piezas, lleg€ndose a alcanzar en muy pocos segundos temperaturas del orden de los 800 a 1000 ‰C.
En el temple de los aceros, el efecto de hist•resis que es casi despreciable, no ejerce adem€s ning„n efecto cuando la temperatura de la pieza sobrepasa la temperatura de Curie (768 ‰C),porque a partir de esa temperatura el acero es amagn•tico. Entonces, el calentamiento se efect„a exclusivamente por corriente de Foucault, actuando el acero de la periferia de la pieza como una resistencia, que se calienta al paso de una corriente el•ctrica de acuerdo con la ley de Joule. El c alor desarrollado ser€ proporcional a la Ley de Ohm. Cuando la temperatura del acero sobrepasa los 768 ‰C, cesa el efecto aunque sus efectos se reducen a medida que aumenta la temperatura. Esto es una ventaja, pues autom€ticamente se evita el sobrecalentamiento excesivo de la periferia de las piezas. Para generar una corriente de alta frecuencia existen tres tipos de instalaciones: 1. a
Motor generador:
Se emplea para frecuencias relativamente bajas de 60
25000 ciclos por segundo, con capacidad variable desde 5 kW hasta varios cientos de kilowatts. Se utilizan, en general, para grandes profundidades de calentamiento, variables de 1.5 a 5 mm. Figura 5.
Figura 5. inducci‚n.
Sistema motor-generador para temple por
2. Generadores de V€lvulas: desde
Se emplean para frecuencias muy elevadas
100 000 a 5 000 000 de ciclos por segundo, con capacidades de 5 a 100 kW. 3. Generadores de chispa:
Se utiliza para frecuencias muy elevadas de 20
000 a 1 000 000 Hz, con peque†as cantidades de potencia, en el rango de 5 a 40 kW. Empleando instalaciones de alta frecuencia se pueden templar muchas piezas de peque†os motores y m€quinas en mucho menos tiempo que cualquier otro tipo de calentamiento, figura 6.
Figura 6. Calentamiento de una tapa de motor con corrientes de alta frecuencia.
Para el temple de resortes se emplea una instalaci‚n que consta de unas espirales de cobre que rodean el muelle, apoyado en dos cilindros m‚viles que le hacen girar alrededor de sus ejes durante el calentamiento. Terminado •ste, se separan los cilindros y cae el muelle al dep‚sito de enfriamiento, figura 7.
Figura 7. Tratamiento t€rmico de un resorte automotriz con corrientes de alta frecuencia. Los inconvenientes m€s importantes del temple por inducci‚n son: 1.
El elevado costo de las instalaciones.
2.
La necesidad de preparar en cada caso dispositivos adecuados para cada clase de trabajos.
3.
La gran velocidad de calentamiento
4.
La gran diferencia de temperatura que ocurre de un momento determinado en zonas muy pr‚ximas de las piezas, que luego da lugar a variaciones muy bruscas de dureza.
La profundidad de calentamiento depende principalmente de tres variables: frecuencia, potencia y tiempo. Modificando esas caracterƒsticas se pueden utilizar las m€s variadas combinaciones para conseguir, en cada caso, los mejores resultados.
ENDURECIMIENTO CON L‚SER
El objetivo de todos los procesos de endurecimiento de metal es asegurar una transformaci‚n estructural del acero y del hierro fundido con mayor resistencia. En primer lugar, la estructura de material ferrƒtico es austenitizada mediante calentamiento, y luego transformada en martensita dura mediante templado. El endurecimiento por l€ser tiene una ventaja decisiva, ya que posibilita una entrada de calor selectiva en zonas predefinidas. Asƒ, en componentes complejos, se puede producir un endurecimiento parcial manteniendo la mayor flexibilidad de la estructura ferrƒtica en otras zonas. En el endurecimiento por inducci‚n, este procesamiento selectivo n o es posible. Debido a que la pieza de trabajo debe ser calentada brevemente y disipa el calor sobre las capas de material adyacente, en la mayorƒa de las aplicaciones no se requiere enfriamiento adicional. Ya que pr€cticamente no se produce deformaci‚n de l material, a menudo, no hay necesidad de aplicar m•todos adicionales para corregir las deformaciones de la pieza de trabajo.
Endurecimiento de la superficie con lƒseres diodo Los procesos de endurecimiento de superficie con l€ser generalmente se utilizan para todos los materiales en los que se pueden utilizar m•todos cl€sicos de endurecimiento
por el contenido de carbono adecuado. En el endurecimiento por l€ser, „nicamente las €reas especialmente bajo tensi‚n de los componentes se endurecen localmente, por ejemplo, aceros y hierro fundido en la fabricaci‚n de herramientas. El tratamiento t•rmico de €reas de componentes desgastados o bajo esfuerzo cƒclico, por ejemplo, en la producci‚n por pedido, se puede realizar de manera relativamente efectiva y flexible en combinaci‚n con Laserline €ptica del zoom OTZ .
Ventajas del proceso de endurecimiento con lƒser diodo El endurecimiento con l€seres diodo permite alcanzar la m€xima dureza especƒfica del material en los componentes de m€quinas, herramientas, piezas y productos b€sicos. La regulaci‚n de la temperatura durante el proceso de endurecimiento del metal garantiza que se alcancen los resultados de proceso ‚ptimos correspondientes a cada material y aplicaci‚n. No obstante, el tratamiento t•rmico con l€ser tambi•n puede emplearse para reducir localmente la firmeza de los materiales de alta resistencia para garantizar una mejor deformabilidad en esas €reas locales.
1.
Endurecimiento superficial
El endurecimiento con l€ser est€ relacionado con los procesos de endurecimiento de la superficie, y normalmente, aunque solo a nivel local, las €reas especialmente bajo tensi‚n de los componentes de acero o hierro fundido se endurecen, por ejempl o, en la fabricaci‚n de herramientas para chasis de autom‚viles. La estructura del haz solo se calienta y cambia en las €reas cercanas a la superficie de una pieza de trabajo, por ejemplo, en una capa superficial. Con aceros templados, se puede alcanzar hasta 1,5 mm de espesor. Como el haz del l€ser diodo puede dirigirse selectiva y flexiblemente sobre la pieza de trabajo desde casi cualquier direcci‚n y la temperatura puede controlarse con precisi‚n sobre la pieza de trabajo, es posible lograr el endurecimiento superficial de componentes geom•tricamente complejos. Desde engranajes y ruedas dentadas sobre levas y tornillos sin fin hasta herramientas de agarre y corte en tambores de cable, pr€cticamente todas las geometrƒas de superficie pueden endurecerse con •xito con los l€seres diodo de Laserline. 2.
Endurecimiento de ƒrboles de levas
Los €rboles de leva se utilizan principalmente en motores de combusti‚n. Su geometrƒa compleja necesaria para modificar los tiempos de control o la desactivaci‚n parcial del cilindro y su escenario de uso bajo tensi‚n extrema de los materiales exigen un endurecimiento selectivo y preciso, en el que s‚lo se endurece la estructura del haz de las capas superficiales exclusivamente a nivel local. En las capas de material subyacente, la estructura d„ctil debe mantenerse de manera tal que el eje en permanente tensi‚n pueda soportar cargas altamente est€ticas y din€micas.
Los €rboles de leva se utilizan principalmente en motores de combusti‚n. Su geometrƒa compleja necesaria para modificar los tiempos de control o la desactivaci‚n parcial del cilindro y su escenario de uso bajo tensi‚n extrema de los materiales exigen un endurecimiento selectivo y preciso, en el que s‚lo se endurece la estructura del haz de las capas superficiales exclusivamente a nivel local. En las capas de material subyacente, la estructura d„ctil debe mantenerse de manera tal que el eje en permanente tensi‚n pueda soportar cargas altamente est€ticas y din€micas. 3.
Endurecimiento De Cig„e…al
En el artƒculo anterior, analizamos las primeras etapas del tratamiento t•rmico en la fabricaci‚n de cigŠe†ales. Ciertamente, en la F‚rmula Uno, el tratamiento t•rmico m€s popular que se mencionar€ ser€ la nitruraci‚n. La nitruraci‚n, como la mayorƒa de ustedes sabr€, es un tratamiento de superficie que, si se especifica correctamente, no deberƒa tener ning„n efecto sobre la mayor parte del material, a menudo denominado n„cleo.
Cuando especificamos el material para el cigŠe†al, debemos tener cuidado no solo de especificar la composici‚n del material, sino tambi•n el nivel de propiedades mec€nicas que podemos esperar. En general, hacemos esto ordenando el material con una propiedad determinada o una combinaci‚n de propiedades dentro de un rango con el
que estamos contentos. Podemos considerar que queremos un cierto nivel de resistencia m€xima a la tracci‚n (UTS), o lƒmite el€stico, o alargamiento, etc. Particularmente con referencia a UTS, existe una relaci‚n muy bien conocida entre esta propiedad mec€nica y la dureza. Esto nos permite especificar un nivel de dureza para el material que tiene la ventaja de que la prueba se puede realizar con un equipo (relativamente) econ‚mico en cualquier superficie plana o redonda razonablemente limpia.
El m•todo por el cual logramos este nivel deseado de dureza o resistencia es mediante los procesos de endurecimiento y revenido. Nuevamente, muchos de nosotros aquƒ entenderemos este proceso en detalle y especificaremos este tipo de tratamiento como parte de nuestro trabajo diario. Sin embargo, cubriremos los conceptos b€sicos del proceso aquƒ sin entrar en el "meollo de la cuesti‚n". Hay muchos libros de texto excelentes sobre el tema, y podemos cubrirlo en artƒculos posteriores si hay alg„n comentario o comentario que lo solicite.
El proceso de endurecimiento implica calentar mucho el acero: cada grado de acero tendr€ una temperatura determinada por encima de la cual toda la estructura se conoce como 'austenita'. Esto generalmente es superior a 900 grados C (> 1650 grados F) y depende del grado de acero y las propiedades deseadas. En general, para la mayorƒa de los aceros, la austenita no es una fase de equilibrio y con el tiempo (en algunos casos, mucho tiempo) se transformar€ en otra fase. La austenita es una fase relativamente blanda y no muchos aceros utilizados en los componentes del motor utilizan este tipo de acero (aunque las v€lvulas de asiento son una excepci‚n notable). Sin embargo, en el proceso controlado de endurecimiento, nos aseguramos de que este cambio se produzca templando el acero. Cuando el grado de acero requiera que el cambio de temperatura sea muy r€pido, el acero puede sumergirse en agua, aceite o un polƒmero templador. Sin embargo, para algunos aceros que est€n muy aleados, el temple se puede hacer al aire, lo que conduce a una menor distorsi‚n. Generalmente, lo que se produce (o al menos se desea) es una fase denominada martensita.
La martensita es una fase de equilibrio, pero es extremadamente dura y quebradiza y requiere un proceso adicional para que el acero se pueda utilizar como cigŠe†al. Este proceso se llama templado e implica calentar moderadamente el acero en el caso de un cigŠe†al (en alg„n lugar entre 500 y 700 grados C (aproximadamente 930 -1300 grados F) para un acero de nitruraci‚n, dependiendo del gr ado exacto y el nivel de resistencia deseado. ). Los aceros para otras aplicaciones se templar€n a temperaturas m€s altas o mucho m€s bajas (por ejemplo, los aceros comunes para engranajes se templan a alrededor de 150 grados C). En cuanto a la estabilizaci‚n (alivio de la tensi‚n), el revenido depende de una combinaci‚n de tiempo y temperatura. Si la temperatura en servicio (o durante el resto del proceso de fabricaci‚n) excede la temperatura de revenido, existe el peligro de p•rdida de propiedades mec€nic as.
El endurecimiento por nitruro puede afectar la fabricaci‚n de cigŠe†ales de esta manera. Las temperaturas de revenido m€s bajas, en general, conducen a una mayor dureza y resistencia y una menor ductilidad. Si se especificara una dureza alta, que requiriera una temperatura de templado baja, es posible que el material del n„cleo se ablandara con el tratamiento de nitruraci‚n. Este efecto puede mitigarse mediante la elecci‚n cuidadosa de la aleaci‚n si se considera que la alta resistencia del n„cleo es un requisito.
Sin embargo, es bastante com„n que los espacios en bruto del cigŠe†al se soliciten templados previamente y revenido a la dureza del n„cleo deseada; una fabricaci‚n cuidadosa minimiza la cantidad de alivio de tensi‚n requerida, y la especifi caci‚n adecuada del proceso de nitruraci‚n no representa peligro de disminuir las propiedades requeridas. 4.
Ordenes de trabajo de endurecimiento
Las empresas de producci‚n dependen de las ‚rdenes de trabajos de endurecimiento ya que la compra de su propio equipo de endurecimiento no se justifica por diversas razones. Estas empresas operan en diferentes €reas, de manera tal que los agentes endurecedores deben cumplir varios requisitos. Los l€seres diodo de Laserline son una herramienta excelente por la posibilidad de guiar el haz flexible y la temperatura precisa en la que se pueden tratar casi cualquier pieza con •xito. Cuando se trata de comprar, son los l€seres m€s econ‚micos comparados con todas las fuentes de haz disponibles. Adem€s, poseen una eficiencia excepcional durante el funcionamiento debido a su alta eficiencia energ•tica, larga vida „til y bajos costos de mantenimiento.
MATEX PM, una empresa de Pilsen emplazada en la Rep„blica Checa, ofrece soluciones a demanda para diferentes aplicaciones de metal con l€ser diodo. Junto con Laserline, MATEX PM busc‚ el modo de proteger un tambor para cable de hierro fundido (con un di€metro de dos metros y un peso de 2,5 toneladas) del desgaste excesivo cuando se utiliza.
ENDURECIMIENTO POR HAZ DE ELECTRONES Elektronenstrahlh†rten
Endurecimiento superficial: endurecimiento por haz de electrones del acero monitor
El endurecimiento por haz de electrones es uno de los métodos de endurecimiento de la superficie o endurecimiento de la superficie. Se utiliza para endurecer las capas exteriores de áreas de superficie definidas de componentes metálicos. Otros procesos, que según DIN 10052 pertenecen a las tecnologías de endurecimiento de superficies, son el endurecimiento por llama, el endurecimiento por inducción y el endurecimiento por rayo láser. Con el endurecimiento por haz de electrones, a diferencia de otros métodos, el haz de electrones controlable con mucha precisión permite que la modificación de la superficie deseada se lleve a cabo precisamente donde es realmente necesario funcionalmente. Dentro de este procedimiento, se hace una distinción entre procesos en fase líquida y procesos en fase sólida. En el proceso de fase líquida, la superficie se funde, pero no en el proceso de fase sólida. Los procesos en fase líquida permiten incrustar o alear materiales adicionales en la superficie correspondiente. Con él también es posible una cierta estructuración. Por el contrario,
los procesos en fase sólida se utilizan principalmente para el endurecimiento. Estos también tienen el mayor ámbito de aplicación.
C‡mo funciona el proceso de endurecimiento por haz de electrones En el caso del proceso de endurecimiento superficial endurecimiento por haz de electrones, haces de electrones de alta energía calientan las superficies a endurecer puntualmente y en un tiempo muy corto hasta su temperatura de austenización. Debido a la inercia de la conducción de calor, el temple tiene lugar directamente después del calentamiento rápido de la propia pieza de trabajo, proceso que se denomina auto-temple.
Estructura y proceso: endurecimiento por haz de electrones El endurecimiento por haz de electrones solo se lleva a cabo en vacƒo.Dado que el haz de electrones se puede desviar f€cilmente, es posible un endurecimiento preciso de ciertos patrones o €reas de superficies. Las posibles profundidades de transformaci‚n son unos milƒmetros en la fase lƒquida y solo unas d•cimas de milƒmetro en la fase s‚lida. monitor
El proceso de endurecimiento en fase s‚lida es el m€s utilizado. En aceros, la entrada de energƒa del haz puede austenitizar la estructura en la pieza de trabajo hasta una profundidad m€xima de 1 mm. Despu•s de eso, la martensita se forma inmediatamente por autoapagado. Ventajas y desventajas del endurecimiento por haz de electrones Beneficios: mayor resistencia a la fatiga Mejora de la resistencia al desgaste. La distorsi‚n en la pieza de trabajo es muy baja e insignificante especialmente aplicable a componentes mecanizados a un cierto tama†o de acabado Desventaja: tecnologƒa de sistema complejo costos correspondientemente altos Materiales adecuados para el endurecimiento por haz de electrones Casi todos los tipos de acero son adecuados para el endurecimiento con haces de electrones, como: Acero d„plex Acero fundido acero inoxidable Acero estructural Ejemplos de ƒreas de aplicaci‡n para el endurecimiento por haz de electrones cuchillos t•cnicos
Alta resiliencia y mayor vida „til El endurecimiento por haz de electrones protege contra el desgaste y mejora el comportamiento de corrosi‚n de los componentes. Temple Por Haz De Electrones Los electrones se producen en un filamento en espiral (figura 70) incandescente que act„a de c€ todo. Los electrones que abandonan el c€todo son acelerados por un campo el•ctrico y se dirigen al segundo € nodo que es la pieza a tratar t• rmicamente. La focalizaci‚ n de los electrones se realiza mediante campos magn• ticos. Modificando los campos el• ctrico y magn• tico se hace variar la energƒa y la concentraci‚n de los electrones, los cuales chocan con la superficie met€lica a tratar y le ceden su energƒa. Los ciclos de los calentamientos por haz de electrones suelen ser de 0,5 a 2,5 segundos de duraci‚ n. La superficie de la pieza calentada por haz de electrones se enfrƒa por conducci‚n t• rmica, y queda templada. Para ello se suelen utilizar haces de electrones de 42 kW de energƒa. Capas Duras Superficiales Obtenidas En Vacˆo Mediante Plasma Las actuales exigencias tecnol‚ gicas ponen de manifiesto la necesidad de disponer de materiales met€licos con elevadas prestaciones de trabajo bajo condiciones de servicio
crƒticas. Pero no puede olvidarse que en todos los casos las prestaciones de un material son debidas a su composici‚n quƒmica y a su estructura reticular, sea esta la de equilibrio en las condiciones de servicio, o una modificada por tratamientos aplicados a este fin, y que solo estas dos variables permitir€n obtener las propiedades necesarias. Por otra parte, seg„ n el tipo de exigencias a satisfacer, las propiedades necesarias deben ser extensivas a todo el volumen del material o solamente pueden serlo a su zona superficial. Asƒ, en los casos de solicitaciones detenci‚n, torsi‚n o flexi‚ n de estructuras met€licas donde est€ comprometido todo el volumen del material, las propiedades determinantes del comportamiento son las del conjunto, mientras que, en condiciones de erosi‚n, corrosi‚n o desgaste, so lo intervienen la zona superficial y son las propiedades de esta zona las determinantes. Adem€s, no es extra†o el caso de las solicitaciones que requieran propiedades del n„ cleo contradictorias a las necesarias en la zona superficial, o bien propiedades de materiales excesivamente costosos. Por lo tanto, es necesario disponer de m• todos que permitan modificar la zona superficial sin alterar las propiedades del n„ cleo, o depositar materiales met€licos sobre otros materiales con un fuerte anclaje entre ambos o sinterizar in situ aleaciones con propiedades especiales.
Figura. Principio del haz de electrones: 1) cátodo; 2) electrodo de focalización; 3) primer ·nodo; 4) lente magnética de concentración; 5) lente magnética de desviación; 6) pieza a tratar térmicamente; 7) fuente de corriente continua Son m• todos que, aplicados sobre la zona superficial de los materiales, permiten modificar la microestructura por calentamiento y enfriamiento r€pido, sin afectar la composici‚n quƒmica; otros depositan capas de otros metales sobre una base met€lica sin alterarla bien por inmersi‚ n en un ba†o de metal fundido, bien por aplicaci‚ n de la corriente el• ctrica continua en ba†o de sales o bien por proyecci‚ n de gotas de metales fundidos. Igualmente puede modificarse la composici‚n quƒmica y la microestructura de la zona superficial debido a la capacidad de difusi‚ n que elementos de radio at‚ mico peque†o como boro, carbono o nitr‚ geno, presentan a elevada temperatura.
El presente apartado se centra en aquellos tratamientos que modifican el comportamiento de los materiales mediante la deposici‚ n de capas met€licas o la modificaci‚n de la composici‚ n y microestructura de la zona superficial del material base utilizando el bombardeo de partƒculas cargadas de un plasma sobre la superficie del propio material que se deposita. Es conveniente recordar aquƒque se considera estado de plasma a aquel estado fƒsico formado por partƒculas de materia el•ctricamente cargadas (iones y electrones) que conservan la neutralidad el• ctrica del conjunto. La ionizaci‚n puede producirse por descargas el•ctricas a trav •s de una atmo sfera de gas y, una vez reducida, las partƒculas pueden confinarse en una zona reducida del espacio o ser aceleradas contra otras porciones de materia, debido a la aplicaci‚n de campos el•ctricos y magn• ticos.
Figura 71. Esquema del procedimiento de la pulverizaci‚n cat‚ dica. Pulverizaci‡n Cat‡dica El recubrimiento por pulverizaci‚n cat‚ dica sputtering (por su designaci‚n en ingl•s ) es un proceso donde se utiliza el intercambio de momento que tiene lugar entre las partƒculas aceleradas del plasma y los ‹tomos que forman el material que act„ an como blanco. De esta forma los ‹tomos que adquieren suficiente energƒa para abandonar el material produciendo un efecto macrosc‚ pico de pulverizaci‚ n del material. Este material, que puede ser un metal o una aleaci‚ n, suele presentarse en forma de peque†as tarjetas intercambiables conectadas al c€todo del campo el• ctrico aplicado al plasma atrayendo hacia si las partƒculas cargadas positivamente. La superficie a recubrir debe colocarse en posici‚ n tal que intercepte el flujo de ‹tomos que abandonan la tarjeta y dotada, en su caso, de movimiento para que toda la superficie sea expuesta de igual forma, evitando, asƒ, la deposici‚n no uniforme en las zonas ocultas al flujo. El proceso se realiza en c€maras del tipo presentado en la figura 71, donde primeramente se cargan las piezas a recubrir y las tarjetas del material que se utilizar‹ y se realiza la evacuaci‚n de los gases en la c€ mara hasta presiones que oscilan entre 10-3 y 10-5 Pa. Alcanzada esta presi‚ n, la c€mara se llena parcialmente con el gas utilizado hasta la presi‚ n de trabajo entre 0,1 y 10 Pa. En estas condiciones se produce
una descarga el• ctrica al aplicar la diferencia de potencial de 0,5 y 5 kv entre el €nodo y el c€todo y los iones de gas son acelerados por el campo el• ctrico existente en forma de cargas positivas que chocan contra las tarjetas produciendo la salida de ‹tomos del material con una energƒa que se distribuye entre 10 y 40 eV. El gas utilizado normalmente es el arg‚n, debido a que su peso at‚ mico es suficientemente alto para alcanzar un elevado momento durante la aceleraci‚ n y suficientemente inerte para no interferir en la composici‚ n quƒmica del material de la tarjeta y formar un recubrimiento de conjunto sobre la superficie. Este es el caso, por ejemplo, de recubrimientos con nitruro de titanio a partir de una mezcla de arg‚n y nitr‚ geno que bombardean titanio, o bien recubrimientos con sulfuras de cadmio a partir de cadmio y una mezcla de arg‚n y sulfuro de hidrogeno. La temperatura del material que se recubre depende de la velocidad de deposici‚ n, por cuanto la energƒa de los €tomos pulverizados es cedida al sustrato, y de la proximidad del plasma. En las condiciones del proceso anteriormente descrito, donde el plasma est€ muy cercano al sustrato, este puede alcanzar temperaturas de 300 a 500 ‰C. La utilizaci‚ n de campos magn• ticos permite confinar el plasma en las proximidades del c€todo y adem€s de aumentar la eficacia del bombardeo de las partƒculas, alcanzar temperaturas solamente de 50 a 250 ‰C en el sustrato, quepermiten recubrir materiales met€licos sin alterar las propiedades del n„ cleo o recubrir materiales tan sensibles a la temperatura como son los pl€sticos. Por otra parte, la utilizaci‚ n de una fuente adicional de calor permite alcanzar temperaturas superiores necesarias, por ejemplo, en la deposici‚ n de nitruro de titanio. La gran versatilidad en la temperatura del proceso y la posibilidad de tratar un amplio abanico de materiales permite la aplicaci‚ n de este procedimiento a multitud de finalidades, desde recubrimientos de herramientas de corte fabricadas en acero r€pido que posibiliten disminuir considerablemente el desgaste del filo por la deposici‚ n de una fina pelƒcula de sulfuro de molibdeno que disminuye notablemente la fricci‚ n de las superficies asƒ tratadas. Igualmente, su aplicaci‚ n forma parte del proceso de fabricaci‚ n de componentes electr‚nicos al permitir la deposici‚ n de capas de metales y semiconductores o de finas pelƒculas de materiales capacitivos. Su socio confiable para la soldadura por haz de electrones y el endurecimiento por haz de electrones para todos los materiales soldables, incluidos el titanio y el aluminio. Nuestra mediana empresa se dedica al desarrollo de tecnologƒa de sistemas de haz de electrones, asƒ como al desarrollo de tecnologƒa yproductos. La tecnologƒa de sistemas flexible y el personal bien capacitado hacen posible procesar pedidos y proyectos muy especiales. La empresa suelda e influye en estructuras en una amplia variedad de industrias, aplicaciones y materiales. El procesamiento del haz de electrones va acompa†ado de procedimientos de prueba reconocidos y certificados que se realizan internamente, incluida la documentaci‚n que cumple con los est€ndares. Entregamos componentes y ensamblajes completos, incluida la adquisici‚n de materiales y el acabado en nombre de los clientes. Endurecimiento por haz de electrones (endurecimiento EB). El curado por haz de electrones (curado por EB) es un proceso de endurecimiento parcial de la capa lƒmite t•rmica con una dureza alcanzable de 66 HRC y profundidades de endurecimiento de 0,3 a 1,5 mm. El principio es una aplicaci‚n continua y concentrada de calor a la superficie del componente a temperaturas por debajo del
punto de fusi‚n del material base. El proceso de auto -temple necesario para el endurecimiento se lleva a cabo mediante conducci‚n de calor hacia el componente.
Adecuado para una amplia variedad de metales. El endurecimiento por haz de electrones aumenta la resiliencia de las superficies de desgaste y las €reas de componentes muy utilizadas. Para ello, se suministra energƒa localmente brevemente y se cambia la estructura en la capa superficial (endurecimiento de la capa superficial). Las ventajas: menos desgaste y corrosi‚n y una vida „til significativamente m€s larga. El proceso es adecuado para endurecer el acero y todos los dem€s metales que contienen carbono. Estos incluyen hierro fundido y otros metales que no se pueden endurecer t•rmicamente, como aluminio, titanio, cobre, magnesio y aleaciones a base de nƒquel.No es necesario un procesamiento posterior elaborado con el endurecimiento por haz de electrones. Dado que es un proceso de endurecimiento controlable digitalmente, todos los procesos se pueden automatizar y reproducir f€cilmente. Ablandando y refundiendo previamente, se pueden conseguir durezas y profundidades de endurecimiento especialmente elevadas.
Endurecimiento por haz de electrones Un haz de electrones calienta la capa de la superficie exterior de las piezas de trabajo a la temperatura de austenizaci‚n, a la que se forma una estructura martensƒtica de alta dureza debido al fuerte gradiente de temperatura hacia el interior de la pieza a endurecer por auto empaquetado. Este tratamiento debe realizarse al vacƒo y no hay retardo de endurecimiento. Esto permite el endurecimiento local y el endurecimiento de la superficie de las piezas de precisi‚n.
El endurecimiento por haz de electrones (endurecimiento EB) es un proceso de endurecimiento t•rmico parcial de la superficie con durezas alcanzables de 66 HRC y profundidades de endurecimiento de 0,3 a 1,5 mm. El principio es una aplicaci‚n continua y concentrada de calor a la superficie del com ponente a temperaturas por debajo del punto de fusi‚n del material base. El proceso de auto temple necesario para el endurecimiento se lleva a cabo mediante conducci‚n de calor hacia el componente. Endurecimiento EB: tecnologƒas flexibles, especƒficas y pr ecisas
