Fundamentos de la Ciencia de Materiales: Aleaciones, Polímeros y Tratamientos Termoquímicos

Clasificación y Propiedades de Aleaciones Metálicas

Aleaciones de Cobre

• Bronces:
  • Ordinarios: Cobre + Estaño (5-30%).
  • Especiales: Contienen Cinc, Aluminio, Plomo o Fósforo.
• Latones:
  • Ordinarios: Cobre + Cinc (>50%).
  • Especiales: Contienen Aluminio, Hierro, Plomo o Manganeso.

Aleaciones Ligeras y Especiales

• Aleaciones Ligeras: Son 1/3 menos pesadas que el acero. Se forman principalmente con Aluminio. Su principal ventaja es la excelente relación entre peso y resistencia.
• Aleaciones Ultraligeras: Son 2/3 menos pesadas que el acero.
• Titanio: Material altamente resistente a la corrosión. Cuando se expone a condiciones ambientales, genera una capa protectora.
• Aleaciones Antifricción: Resistentes al desgaste, poseen un coeficiente de rozamiento y punto de fusión bajos. Se utilizan como metal blanco para recubrimiento interior (compuestas de Estaño, Antimonio, Plomo y Cobre).

Materiales Compuestos y Polímeros

Materiales Compuestos

Materiales formados por componentes insolubles entre sí, con composición química distinta, que están reforzados por fibras o compuestos estructurales. Sus características principales son: son caros, muy resistentes y de poco peso.

Compuestos de Origen Orgánico (Polímeros)

Derivados del petróleo, se forman con resina y otros derivados. Presentan las siguientes propiedades:

• Rango de trabajo: Se forman entre 70°C y 200°C.
• Moldeado: Se pueden moldear hasta 300°C.
• Descomposición: Se descomponen entre 300°C y 500°C.
• Ventajas: Buenos aislantes, plasticidad, fácil de moldear y resistencia a la corrosión.

Clasificación de Polímeros

• Termoplásticos: Al calentarse, recuperan su forma inicial.
• Termoestables: No recuperan su forma inicial al calentarse.

Metalurgia de Polvos

Técnica utilizada para conformar y obtener materiales mediante la compactación de polvos.

Proceso de Fabricación

1. Prensado: Se aplica presión para generar una unión atómica inicial (fácil de romper).
2. Sinterización: Se aplica calor, lo que aumenta la movilidad atómica y establece la recristalización, consolidando la pieza.
3. Acabado: A veces no es necesario. Puede incluir procesos como el temple.

Ventajas: Se puede aplicar en grandes piezas que requieren gran precisión y buenas propiedades mecánicas.

Tratamientos Térmicos

Procesos de calentamiento y enfriamiento controlados que modifican la estructura interna de un material. Objetivos principales:

• Mejorar la dureza y la maquinabilidad.
• Eliminar tensiones residuales.
• Eliminar la acritud.

Fases del Tratamiento Térmico

1. Calentamiento: Debe ser progresivo para evitar la formación de grietas. La velocidad depende del espesor y del tipo de acero. Un calentamiento excesivo aumenta el tamaño del grano (acero sobrecalentado).
2. Mantenimiento (a temperatura).
3. Enfriamiento (controlado).

Tipos de Tratamientos Térmicos

Recocido

Proceso que dulcifica el material. El tiempo de mantenimiento es de aproximadamente 1 hora por cada 25 mm de espesor. El enfriamiento se realiza apagando el horno o utilizando baños de sales, cenizas o arena caliente.

Temple (Quenching)

Objetivo: Aumentar la resistencia y la dureza. Se calienta el material a una temperatura elevada hasta crear austenita y luego se enfría rápidamente para obtener martensita.

• Velocidad Crítica de Temple: 250°C a 750°C por segundo (depende del acero, la pieza y la forma).
• Inconvenientes: Puede causar fragilidad, agrandar el tamaño del grano y existe el riesgo de no obtener la dureza deseada.

Medios de Enfriamiento (Temple)

• Agua: Produce temples fuertes y rápidos. Se puede añadir 10% de cloruro sódico.
• Aceite: Es el medio más empleado. Proporciona un temple más suave y uniforme, ideal para piezas de poca sección y aceros con alto contenido de carbono.
• Metales y Sales Fundidas: Utilizado para aceros especiales, muelles y alambres.
• Aire: Se utiliza cuando se requiere una velocidad de temple muy baja; no tiene gran aplicación general.

Revenido (Tempering)

Proceso posterior al temple, realizado entre 200°C y 300°C. Su objetivo es eliminar tensiones y disminuir la fragilidad, aumentando la tenacidad.

• Tiempos típicos: 1.5 horas para austenita y 2.5 horas para bonificado.

Tratamientos Termoquímicos

Estos tratamientos varían las propiedades mecánicas, la estructura y la composición química superficial del material mediante un proceso de difusión, introduciendo elementos químicos.

Tipos de Tratamientos Termoquímicos

Cementación

Consiste en aumentar la concentración de carbono en la superficie del acero. Se calienta hasta que la austenización es rica en carbono. Posteriormente, se realiza un temple y un revenido.

Beneficios: Mejora la dureza, la resistencia al desgaste, la ductilidad y la resiliencia.

Nitruración

Introducción de nitrógeno en la superficie del acero (500°C - 525°C, durante 24 a 96 horas).

• Resultados: Capas superficiales más duras, mayor resistencia al desgaste y menor coeficiente de rozamiento.
• Restricción: No se realiza en aceros con menos de 0.1% de carbono.
• Elementos de aleación favorables: Cromo (Cr), Aluminio (Al), Vanadio (V), Molibdeno (Mo).

Cianuración

Creación de una capa superficial enriquecida con carbono y nitrógeno. Se utiliza un baño de cianuro, cloruro y carbonato sódico (800°C - 900°C, durante 1 hora). Se logra una penetración superior a 0.5 mm, seguida de un temple.