Tratamientos mecánicos de los metales

Generalidades acerca de los materiales:

Elevada conductividad térmica y eléctrica. Considerable resistencia mecánica. Gran plasticidad, es decir, considerable capacidad de deformación antes de la rotura. Elevada maleabilidad (capacidad de laminación). Carácter reciclable, ya que se pueden fundir y conformar de nuevo.

Estructuras cristalinas: Cristalino:

Cuando están constituidos por átomos perfectamente ordenados en el espacio.

Amorfo:

Cuando solamente presentan una ordenación espacial a corta distancia. La estructura espacial de un sólido cristalino se construye a partir de una unidad repetitiva o celda unidad. Se define mediante: Las distancias a, b y c, que son las aristas del paralelepípedo. Los tres ángulos á, â y ? Que forman entre si dichas aristas. Según los valores de estas aristas y ángulos, existan siete sistemas cristalinos diferentes: Conviene destacar que la mayor parte de los metales de interés industrial únicamente cristalizan en tres tipos de redes:

Cúbica centrada en el cuerpo

Cúbica centrada en las caras

Hexagonal compacta. Soluciones sólidas:

En los tres tipos de redes cristalinas frecuentes en los metales (BCC, FCC y HCP) existen una serie de huecos en los que se pueden introducir átomos extraños a la red, originándose de esta forma las llamadas soluciones sólidas de inserción. También se pueden formar otro tipo de soluciones sólidas, llamadas de sustitución, en las que los átomos extraños desplazan a los originales de sus posiciones.

Defectos en la red cristalina: Imperfecciones puntuales:

Debidas a átomos del mismo o de otro metal situados en un punto que no pertenece a la red (átomos intersticiales), o a lugares vacantes, que son puntos de la red vacíos.

Imperfecciones lineales o Dislocaciones:

Que disminuyen la resistencia mecánica de los metales. Estas imperfecciones son las causantes de la deformación plástica en los metales.

Imperfecciones superficiales:

Si bien la estructura de un material cristalino es una red tridimensional homogénea ordenada, la de un metal o aleación está compuesta por múltiples zonas ordenadas, dispuestas de tal forma que sus ejes cristalográficos respectivos no coinciden entre sí. A estas zonas se las denomina cristales o granos, y a la zona límite entre dos de ellos (imperfección a nivel superficial) se la conoce como junta de grano.
La orientación de los granos es habitualmente aleatoria, originándose de esta manera materiales isótropos (con las mismas propiedades en todas las direcciones). En ocasiones, debido a procesos de deformación plástica (laminación, estirado, extrusión), se observa en los granos una orientación preferente. En algunos casos esta orientación preferente da a lugar a un material anísótropo. Mecanismos de endurecimiento en metales: Endurecimiento por deformación en frío:
Este endurecimiento viene acompañado de una acusada fragilidad y, por eso, es habitual que un metal que haya experimentado una deformación en frío (a temperatura ambiente) se someta posteriormente a un tratamiento térmico, denominado recocido, con objeto de devolverle su plasticidad.

Endurecimiento por afino de grano:

Se deduce que cuanto menor sea el tamaño medio del grano, mayor será el límite elástico del material.

Endurecimiento por solución sólida:

Este endurecimiento se explica por la deformación mecánica que se produce al no coincidir exactamente los átomos de disolvente y de soluto en las soluciones de sustitución, o a causa del pequeño tamaño de los huecos intersticiales en las soluciones sólidas de inserción.

Tratamientos de los metales para mejorar sus propiedades: Tratamientos térmicos:

El metal es sometido a procesos térmicos en los que no varía su composición química, aunque sí su estructura.

Tratamientos termoquímicos:

Los metales se someten a enfriamientos y calentamientos, pero además se modifica la composición química de su superficie exterior.

Tratamientos mecánicos:

Se mejoran las carácterísticas de los metales mediante deformación mecánica, con o sin calor.

Tratamientos superficiales:

Se mejora la superficie de los metales sin variar su composición química másica. En estos tratamientos, a diferencia de los termoquímicos, no es necesario llevar a cabo calentamiento alguno.

Tratamientos térmicos:

Los tratamientos térmicos son operaciones de calentamiento y enfriamiento de los metales que tienen por objeto modificar su estructura cristalina (en especial, el tamaño del grano). La composición química permanece inalterada. Existen tres tratamientos fundamentales:

Recocido:

El metal se calienta durante cierto tiempo a una temperatura determinada y, a continuación, se enfría lentamente. De esta manera se consigue una mayor plasticidad para que pueda ser trabajado con facilidad.

Temple:

Consiste en el calentamiento del metal, seguido de un posterior realizado de forma brusca. Con esto se consigue obtener un metal muy duro y resistente mecánicamente, con su estructura cristalina deformada.

Revenido:

Se aplica exclusivamente a los metales templados, pudiendo considerarse como un tratamiento complementario del temple.
Con ello se pretende mejorar la tenacidad del metal templado, a costa de disminuir ligeramente su dureza.

Tratamientos termoquímicos:

Los tratamientos termoquímicos consisten en operaciones de calentamiento y enfriamiento de los metales, completadas con la aportación de otros elementos en la superficie de las piezas. Los más relevantes son:

Cementación:

Consiste en la adición de carbono a la superficie de un acero que presente un bajo contenido en este elemento. Se obtiene así una dureza superficial muy elevada.

Nitruración:

Es un proceso de endurecimiento del acero por absorción de nitrógeno a una temperatura determinada. Además, proporciona una buena resistencia a la corrosión.

Cianuración:

Se utiliza no solamente en aceros con bajo contenido en carbono, sino también en aquellos cuyo contenido en carbono sea medio o alto, cuando se pretende que adquieran una buena resistencia.

Carbonitruración:

Consigue aumentar la dureza de los aceros mediante la absorción simultánea de carbono y nitrógeno a una temperatura determinada, igual que la Cianuración. La diferencia con el tratamiento anterior radica en que la Carbonitruración se realiza mediante gases, y la Cianuración por medio de baños. Se emplea en piezas en gran espesor.

Sulfinización:

Mediante la inmersión del metal en un baño especial se consigue incorporarle una capa de carbono, nitrógeno y, sobre todo, azufre. Con este tratamiento se aumenta considerablemente la resistencia al desgastarse de los metales, a la vez que se disminuye su coeficiente de rozamiento.

Tratamientos mecánicos: Tratamientos mecánicos en caliente o forja:

Consisten en calentar un metal a una temperatura determinada para, luego, deformarlo golpeando frecuentemente. Con esto se afina el tamaño del grano y se eliminan del material sopladuras y cavidades interiores, con lo que se mejora su estructura interna.

Tratamientos mecánicos en frío:

Consisten en deformar el metal a la temperatura ambiente, golpeando o sometíéndolo a trefilado o laminación. Estos tratamientos incrementan la dureza y la resistencia mecánica del metal y, también, acarrean una disminución en su plasticidad.

Tratamientos superficiales: Metalización:

Se proyecta un metal fundido, pulverizándolo sobre la superficie de otro. Con esto se consigue comunicar a la superficie de un metal las carácterísticas de otro diferente.

Cromado:

Se deposita cromo electrolíticamente sobre el metal; de esta manera se disminuye su coeficiente de rozamiento y se aumenta su resistencia al desgaste.

Metales Ferrosos:

Los metales ferrosos o férricos son los que contienen, como elemento base, el hierro (Fe). El hierro técnicamente puro es un material metálico magnético, de color blanco azulado, dúctil y maleable. Su punto de fusión es aproximadamente de 1535ºC.

Tipos de metales ferrosos: Hierro industrial:

Cuando el contenido en carbono es menor del 0,03%.

Acero:

Cuando el contenido en carbono está comprendido entre el 0,03 y el 1,67%.

Fundición:

El porcentaje de carbono está comprendido entre el 1,67 y el 6,67%. Las aleaciones con un contenido en carbono mayor del 5% carecen de interés industrial, ya que son extremadamente frágiles.

Hierro industrial:

El hierro con un contenido en carbono bajo (< 0,03%) posee una carácterísticas mecánicas inadecuadas y, por ello, se emplea industrialmente.

Acero:

En general, se puede decir que los aceros presentan las siguientes propiedades: Son dúctiles y maleables. Su resistencia mecánica, dureza y fragilidad se incrementan con el contenido en carbono. De acuerdo con ello, los aceros se pueden clasificar en: extradulces, muy dulces, semidulces, semiduros, duros, muy duros y extraduros. La soldabilidad disminuye con el porcentaje en carbono. Se oxidan fácilmente (salvo los aceros inoxidables) Por regla general, además de hierro y carbono, en los aceros se encuentran presentes otros elementos que modifican notablemente sus propiedades. Así, se tiene: Aceros al carbono, Aceros aleados. Estos elementos comunican al acero una serie de propiedades:

Azufre:

Confiere una gran fragilidad a los aceros. Su efecto es perjudicial y se contrarresta añadiendo manganeso.

Cobalto:

Aumenta la dureza del acero en caliente y su resistencia a la corrosión, a la oxidación y al desgaste.

Cromo:

Aumenta también la dureza, la resistencia a la corrosión y tenacidad del acero.

Manganeso:

Hace más factible el proceso del temple e incrementa la dureza de los aceros templados.

Molibdeno:

Es el elemento más eficaz, junto con el carbono, para incrementar la dureza a los aceros.

Níquel:

Constituye un componente fundamental del acero inoxidable y aumenta su resistencia a la tracción.

Plomo:

Favorece el mecanizado del acero por procedimientos de arranque de viruta, puesto que el plomo hace de lubricante.

Silicio:

Elimina el exceso de oxígeno en los aceros y les comunica una gran elasticidad.

Vanadio:

Elimina el oxígeno.

Wolframio:

Le confiere una gran dureza a todas las temperaturas.

Fundiciones:

Se denomina fundición a la aleación de carbono y hierro con un contenido entre el 1,67 y el 6,67% de carbono. Las fundiciones presentan las siguientes ventajas:
Su fabricación es más sencilla que la del acero, ya que su punto de fusión es más bajo y, por lo tanto, la mecanización resulta más fácil.

Poseen carácterísticas mecánicas aceptables:

resistencia a la tracción de 90 kg/mm², buena resistencia al desgaste, mayor resistencia a la oxidación que el acero…
Las piezas de fundición, por su fácil fabricación, son más baratas que las del acero.