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PROCESOS DE DIFUSION SUPERFICIALPresentado por:

Edgar Leonardo Alonso lvarez

Bogot D.C octubre del 2014

CONTENIDO

INTRODUCCION

PROCESO DE CEMENTACIN (CARBURIZACION) - Mtodos de carburizacin - Variables de control - Caracterizacin de la capa cementada

PROCESO DE NITRURACIN - Mtodos de nitruracin - Variables de Control - Caracterizacin de la capa nitrurada

PROCESO DE NORMALIZADO - Caractersticas - Caracterizacin de la capa normalizada

INTRODUCCION

Figura 1: Esquema del proceso de extraccin de un tomo de una superficie de Germanio (111)-c(2x8)); antes (izquierda) y despus (derecha) de la extraccin. El tamao de las imgenes es 4.7nmx4.7nm (Brihuega, 2004)

Figura 2: Microscopia electrnica dos partculas esfricas de polvo de Nquel / procesado y puesta en servicio de materiales / Universidad Nacional de educacin a distancia Madrid / Segundo Barroso H y Manuel Cars C

PROCESO DE CEMENTACION(CARBURIZACION)

consiste en la carburacin superficial de aceros con bajo contenido de carbono (menor que 0.2%), durante la cementacin, el acero es calentado por encima de su temperatura crtica superior, hasta la regin austentica, en un medio con alto contenido de carbono, generndose una capa de alto carbono en la superficie.

PROCESO DE CEMENTACION(CARBURIZACION)

Aceros de bajo C (0.08 a 0.25%C). Capa carburada hasta 1%C

Profundidad de capa: 125m a 1.5mm.

Dureza superficial: 50-65 HRCFigura 3: Tabla de escalas de dureza Rockwell / Tecnologa de materiales / Editorial Universidad Politcnica de Valencia / Carlos Ferrer G. , Vicente Amig B. METODOS DE CARBURIZACION

CARBURIZACION SOLIDA

Figura 4: Diagrama de carburizacion solida con contenedor cerrado / Tecnologa de materiales / Editorial Universidad Politcnica de Valencia / Carlos Ferrer G. , Vicente Amig B.Figura 5: Modelo de proceso de Carburizacion / procesado y puesta en servicio de materiales / Universidad Nacional de educacin a distancia Madrid / Segundo Barroso H y Manuel Cars C

METODOS DE CARBURIZACIONCompuesto de carburizacion = Carbn vegetal / Coque de petrleo /alquitrn + 10-20% de carbonatos de Ba, Ca y Na 2C + O2 2CO

BaCO3 + calor BaO + CO2

2CO C + CO2 CO2 + C 2COTipos de hornos + variables de procesoMETODOS DE CARBURIZACION

CARBURIZACION LIQUIDA (Bao de sales)

Figura 6: Calentados con gas o fuel ol / Manufacturing processes / Editorial Mc Graw Hill / Second Edition/ Harold V. Johnson.

Figura 7: Calentados con resistencia elctrica / Manufacturing processes / Editorial Mc Graw Hill / Second Edition/ Harold V. Johnson.

Figura 8: Con electrodos sumergidos / Manufacturing processes / Editorial Mc Graw Hill / Second Edition/ Harold V. Johnson.

METODOS DE CARBURIZACIONFigura 9: Tabla de escalas de dureza Rockwell; Fuente: Tecnologa de materiales / Editorial Universidad Politcnica de Valencia / Carlos Ferrer G. , Vicente Amig B.

La mayora de las sales de carburizacin contiene compuestos de cianuro.

Si contiene cianuro se introduce C y algo de N a la capa. (el efecto del N es despreciable)

Si no contiene cianuro Solo se introduce C a la pieza.

La absorcin de nitrgeno aumenta el contenido de NH3 y con la disminucin de temperatura de procesosFigura 10: Dependencia del N absorbido en funcin de la temperatura T y contenido de amoniaco; Fuente: Tecnologa de materiales / Editorial Universidad Politcnica de Valencia / Carlos Ferrer G. , Vicente Amig B

Figura 11: Correlacin C y N en funcin de la profundidad de capa; Fuente: Tecnologa de materiales / Editorial Universidad Politcnica de Valencia / Carlos Ferrer G. , Vicente Amig B.

METODOS DE CARBURIZACIONVARIABLES DE CONTROLEl tiempo es la variable mas importante en el proceso de cementacin. El tiempo requerido por el procesos en funcin de la capa

Los tomos se mueven de manera ordenada, tendiendo a eliminar las diferencias de concentracin y producir una composicin homognea en el material.Figura 12: Correlacin espesor con el tiempo de cementacin; Fuente: Tecnologa de materiales / Editorial Universidad Politcnica de Valencia / Carlos Ferrer G. , Vicente Amig B.

Figura 13: Flujo de tomos en espacios intersticiales de una superficie; Fuente: Biofsica y Fisiologa Celular / Universidad de Sevilla / Ramn Latorre, Jos Lpez B, Francisco Bezanilla, Rodolfo Llins.

VARIABLES DE CONTROLECUACIONES DE FLUJOAdolf Fick (1829-1901): Mdico alemn que en 1855 deriv la ley de difusin , que se refiere a la difusin y osmosis de un gas a travs de una membrana.

[ Figura 14, Figura 15, Figura 16 ]: Ecuaciones de flujo ley de Fick ; Fuente: Biofsica y Fisiologa Celular / Universidad de Sevilla / Ramn Latorre, Jos Lpez B, Francisco Bezanilla, Rodolfo Llins.

[Figura 17] Fuente: Biofsica y Fisiologa Celular / Universidad de Sevilla / Ramn Latorre, Jos Lpez B, Francisco Bezanilla, Rodolfo Llins.

12VARIABLES DE CONTROL

Sistema infinitos: cementacin

CS : concentracin superficial del elemento del gas que difunde en la superficie.Co : concentracin inicial uniforme del elemento en el slido.Cx : concentracin del elemento a la distancia x de la superficie en el tiempo t.x : distancia desde la superficie.D : coeficiente de difusin.t : tiempo.[Figura 18 y Figura 19]: Ecuacin definida de Cementacin y esquema de flujo de cementacin Fuente: Biofsica y Fisiologa Celular / Universidad de Sevilla / Ramn Latorre, Jos Lpez B, Francisco Bezanilla, Rodolfo Llins.

VARIABLES DE CONTROL

La funcin error, fer, es una funcin matemtica que existe por definicin y se usa en algunas soluciones de la segunda ley de Fick, La funcin error puede encontrarse en tablas estndar.

[Fuente: Biofsica y Fisiologa Celular / Universidad de Sevilla / Ramn Latorre, Jos Lpez B, Francisco Bezanilla, Rodolfo Llins.

VARIABLES DE CONTROL

APLICACION

La superficie de un acero que contiene 0,1 % de carbono debe endurecerse por cementacin (carburizacin), el acero se coloca en una atmsfera que le proporciona 1,2 % C en la superficie a temperatura elevada. El carbn se difunde desde la superficie hacia el interior del acero. Para conseguir propiedades ptimas, el acero debe contener 0,45 % de C a una profundidad de 0,2 cm por debajo de la superficie. Disee el tratamiento trmico de cementacin (carburizacin) para producir estas propiedades. Suponga que la temperatura es lo suficientemente alta (por lo menos 910C) de manera que el hierro tenga una estructura fcc.

VARIABLES DE CONTROL

De la tabla de la funcin error, tenemos:

El coeficiente de difusin del C en Fe fcc esta dado por:

Por lo tanto, el tiempo y la temperatura de tratamiento estn relacionadas por:

Posibles soluciones:T=900C => t = 32,3 hT=1000C => t = 10,7 hT=1200C => t = 1,82 hCARACTERIZACION DE LA CAPA CEMENTADA

Endurecimiento del acero por gas carburizanteObjetivo: superficie dura, interior resistenteMaterial base: acero 0,10 0,25 % de CAtmosfera: CH4 o hidrocarburos gaseososTemperatura 927 C

[Figura 20] Fuente: Biofsica y Fisiologa Celular / Universidad de Sevilla / Ramn Latorre, Jos Lpez B, Francisco Bezanilla, Rodolfo Llins.

[Figura 21] Fuente: Biofsica y Fisiologa Celular / Universidad de Sevilla / Ramn Latorre, Jos Lpez B, Francisco Bezanilla, Rodolfo Llins.

PROCESO DE NITRURACION

Se trata de un tratamiento trmico realizado a temperaturas relativamente bajas (500-570 C), que proporciona nitrgeno en la superficie del acero y su difusin hacia el interior, consiguindose durezas elevadas.

PROCESO DE NITRURACION

Se aplica normalmente en piezas de acero previamente templado y revenido para lograr un ncleo resistente, capaz de soportar las cargas externas a que estn sometidas y que se tramiten a travs de la capa dura.

El nitrgeno que se incorpora al acero a 500-570C, tiene, a esa temperatura, una velocidad de difusin mayor que el carbono, disminuyendo con el incremento de la temperatura.

Temperatura, CRelacin de difusin, N/C5705072018000,2[Figura 22] Fuente: Biofsica y Fisiologa Celular / Universidad de Sevilla / Ramn Latorre, Jos Lpez B, Francisco Bezanilla, Rodolfo Llins.

METODOS DE NITRURACION

EN BAO DE SALES

El bao de sales de nitruracin esta compuesto de un 60% de NaCN, de un 40% de KCN y de activadores de la reaccin Na2CO y NaCNO

Las reacciones que facilitan la absorcin de nitrgeno y carbono son:

4NaCNO + Calor 2NaCN + Na2CO3 + CO + 2N

Figura 23: Esquema del proceso de nitruracin gaseosa; Fuente: Manufacturing processes / Editorial Mc Graw Hill / Second Edition/ Harold V. Johnson.

Figura 24: Proporciones de absorcin de N y C en el proceso de nitruracin en bao de sales; Fuente: Manufacturing processes / Editorial Mc Graw Hill / Second Edition/ Harold V. Johnson. METODOS DE NITRURACION

NITRURACION POR PLASMA

Plasma se denomina a gases ionizados que se tornan luminiscentes. Se obtiene plasma por calentamiento de gases a altas temperaturas y por conduccin de una intensidad elctrica, con una diferencia de potencial, entre un nodo y un ctodo.

METODOS DE NITRURACIONProceso a temperaturas entre 450 580 C.

La difusin ocurre en la ferrita. No hay cambio de fase = baja deformacin.50 400 micras de profundidad de capa.

2 10 micras de compuesto de nitruros de hierro. (capa blanca) Opcional. Alta resistencia a la corrosin: Con un minucioso control del proceso, se puede lograr una resistencia a la corrosin mayor que la del cromo duro.

Alta profundidad de capa: Se pueden hacer procesos por tiempo indefinido, logrando profundidades de capa nitrurada que ningn otro proceso alcanza.

Bajas deformaciones: Ningn proceso logra los resultados necesarios a temperaturas tan bajas como este, garantizando el mnimo de deformacin.

No utiliza gases corrosivos ni sales de cianuro contaminantes, solamente utiliza gases del aire.

METODOS DE NITRURACION

Bajo condiciones del proceso, temperatura, presin, tiempo, diferencia de potencial y atmsfera, se produce la capa nitrurada con las caractersticas de los procesos anteriores ms las siguientes ventajas:

Posibilidad de menores temperaturas

Menores tiempos

Despasivacin

Capas de compuestos y difusin metalrgicamente superioresNITRURACION IONICAFigura 24: esquema de Nitruracin inica; Fuente: Manufacturing processes / Editorial Mc Graw Hill / Second Edition/ Harold V. Johnson. VARIABLES DE CONTROLPara lograr una nitruracin efectiva en los aceros al carbono, es condicin necesaria cumplir con los siguientes factores:

La temperatura de nitruracin debe ser inferior a la del eutectoide.

Es necesaria la presencia de aleantes formadores de nitruros

Figura 24: Diagramas de fases con respecto a la penetracin en el proceso de nitruracin; Fuente: Manufacturing processes / Editorial Mc Graw Hill / Second Edition/ Harold V. Johnson. CARACTERIZACION DE LA CAPA NITRURADA

Capa blanca: constituida por la fase y . Espesor tpico hasta 25 m

Zona de difusin: Constituida por nitruros estables provenientes del N en elementos formadores Espesor tpico de 1mmZona de transicin: Gradiente de micro estructuras entre la zona de difusin y el ncleo de la pieza

Ncleo: Marstensita revenida. Se considera que la dureza del ncleo es la misma obtenida luego del temple y revenido

NORMALIZADO

CARACTERISTICAS

Tratamiento trmico para la regeneracin de las estructuras que pueden estar afectadas por deformaciones plsticas, transformaciones marstensiticas o incluso segregaciones dendrticasFigura 25: cintica del tratamiento de normalizado; Fuente: Manufacturing processes / Editorial Mc Graw Hill / Second Edition/ Harold V. Johnson.

Figura 26: Horno para tratamiento de normalizado; Fuente: Manufacturing processes / Editorial Mc Graw Hill / Second Edition/ Harold V. Johnson.

NORMALIZADO

Consiste en calentar el material ligeramente (50 C) por encima de la temperatura crtica hasta que todo se haya convertido en austenita.Posteriormente se deja enfriar al aire. Se diferencia de los dems en que la velocidad de enfriamiento es intermedia.Se le da a los materiales que han sufrido un tratamiento mecnico defectuoso, para normalizar su estructura.Se emplea para aceros de baja aleacin (