TRATAMIENTOS TÉRMICOS PARA METALES NO FERROSOS ASPECTOS GENERALES: Las propiedades de un metal dependen tanto de su composición como de las fases y microconstituyentes presentes, las cuales, a su vez, dependen del tratamiento térmico. Los principios más importantes en el estudio de los tratamientos térmicos de los no ferrosos son: - Difusión (incide en la mayoría de los tratamientos térmicos). - Recocido post trabajo en frio: Homogenización. - Endurecimiento por precipitación.
Difusión: La razón de los cambios de estructura es usualmente controlada por la razón en que cambian de posición los átomos en la red cristalina. La difusión puede ocurrir por distintos mecanismos, por ejemplo, en algunas aleaciones se puede ver difusión por intercambio directo o por intercambio de anillo. Sin embargo, en la mayoría de los metales y aleaciones, la difusión ocurre por el movimiento de vacancias. Las vacancias están presentes en una red cristalina en equilibrio como consecuencia de la diferencia de energía libre que favorece su estabilidad. Al existir una vacancia, se necesita mucho menos energía para que un átomo cambie de posición que en el caso del intercambio directo o el de anillo.
Difusión en Aleaciones: En el siguiente esquema, los metales son solubles el uno al otro, de no ser así, al haber una cantidad suficiente de aleante para sobrepasar el límite de solubilidad, este comienza a precipitar en una segunda fase.
Difusión en el borde de grano: La difusión en bordes de grano, o en general, en superficies libres, es mucho más veloz que aquella que se da dentro del interior del cristal. En los bordes de grano, se hace importante su influencia en la precipitación y los cambios de fase en el borde. A medida que la temperatura decrece, la difusión en el borde de grano se hace más importante
Recocido:
Dislocaciones: juegan un papel fundamental en la deformación plástica, pues disminuyen la energía necesaria para que se produzca el deslizamiento de los átomos en la red cristalina.
Efectos del trabajo en frio en las propiedades y microestructura: aumento de las dislocaciones, las cuales se encuentran entre ellas, restringiendo su movimiento, luego, se requiere un aumento en la carga para continuar deformando.
En general, el trabajo en frio aumenta la dureza y resistencia y disminuye la ductilidad. También incrementa la resistencia eléctrica, debido a que al aumentar la densidad de dislocaciones esto dispersa a los electrones.
Recuperación, Recristalización y Crecimiento de Grano: en los metales o aleaciones deformadas en frio, existe un límite de deformación plástica que pueden aguantar sin fracturarse. Sin embargo, es posible devolver al metal o aleación una estructura similar a la anterior al trabajo en frio mediante un tratamiento térmico, permitiendo así que el material pueda seguir siendo deformado. Este tratamiento es el recocido.
En la región de recuperación, que corresponde a cortos tiempos de mantención a la temperatura de recocido o bien bajas temperaturas de recocido, se mantiene constante la dureza o incluso puede aumentar levemente, esto se debe a que las dislocaciones se reacomodan por activación térmica en lugares un poco más estables, dificultando así aun más su movimiento. Estos reacomodamientos permiten también recuperar algunas propiedades propias del metal antes de la deformación en frio, como por ejemplo la resistencia eléctrica.
Los cambios más importantes se dan en la etapa de recristalización, en la cual se ve que aparecen pequeños núcleos de cristales en las regiones de alta densidad de dislocaciones. Estos contienen una baja densidad de dislocaciones (como antes de la deformación en frio). Con el tiempo, aparecen más núcleos y los que estaban comienzan a crecer en la matriz deformada en frio, llegando eventualmente a encontrarse unos con otros y así desapareciendo la matriz original deformada. En este periodo, las tensiones disminuyen drásticamente. Al seguir creciendo el tamaño de grano, disminuye el área de bordes de grano y disminuye la dureza del metal o aleación.
Factores que afectan la recristalización: en general, se debe determinar la temperatura de recocido. Dos de los factores que más influyen en este parámetro son el tiempo de recocido y la cantidad de trabajo en frio previo.
La composición química también influye en la temperatura de recocido. En soluciones sólidas existen casos en que la presencia de un pequeño porcentaje de soluto puede causar cambios importantes en la temperatura de recristalización; por ejemplo, un 0,05% de plata en el cobre puede aumentar de 140ºC a 340ºC o más la temperatura de recristalización. Luego, esta aleación se puede utilizar cuando el metal es trabajado en frio y luego calentado para eliminar las tenciones, de esta manera es posible evitar la recristalización.
Endurecimiento por Precipitación: cuando se necesita obtener altas resistencias, es común desarrollar aleaciones en las cuales su estructura consiste en partículas que impiden el movimiento de las dislocaciones en una matriz dúctil. Mientras mayor es la dispersión para una misma cantidad de partículas, mayor es la resistencia del material. Esto se puede lograr al elegir una aleación en la cual a altas temperaturas exista una sola fase, pero que al disminuir la temperatura precipite otra fase en la matriz. A partir de esto, se desarrolla un tratamiento térmico específico para poder lograr la distribución correcta del precipitado en la matriz. Este es el proceso llamado endurecimiento por precipitado o envejecimiento. Consiste en la formación de grupos de átomos solutos coherentes, es decir en la misma fase que el solvente. Esto creará un aumento en las tensiones internas debido a la diferencia de tamaño entre los átomos del soluto y del solvente. Esta situación provoca una estabilización de las dislocaciones, que al quedar atrapadas, pierden movilidad aumentando la dureza de la aleación. Sin embargo, si los precipitados son semicoherentes o incoherentes (formación de subgranos con estructura diferente a la del soluto), o simplemente no son capaces de reducir la plasticidad, las dislocaciones pueden fácilmente pasar por entre las partículas bajo la acción impulsora de un esfuerzo cortante. Se determina si una fase
de precipitado es coherente o no a partir de las diferencias entre las distancias atómicas de la red de la matriz y la del precipitado.
Tratamiento Térmico de Solución: un prerrequisito para lograr endurecimiento por precipitación es la capacidad de una aleación de lograr dentro de algún rango de temperatura que el soluto se disuelva completamente en el solvente consiguiendo así una estructura monofásica.
Luego, esta estructura se obtiene a temperatura ambiente a través de un enfriamiento rápido (temple), quedando una estructura inestable debido a una sobresaturación respecto del soluto. Proceso de Precipitación: luego del enfriamiento, la precipitación se obtiene por envejecimiento natural (a temperatura ambiente) o al recalentar hasta una cierta temperatura, menor a la de transformación, y mantener por un cierto tiempo (envejecimiento artificial). En ese momento, en regiones localizadas comienza a nuclear el precipitado, empobreciendo del aleante a sus alrededores. De esta forma, se crea un gradiente de concentración que estimula la difusión de los átomos de soluto adyacentes de la matriz, consecuentemente el tamaño del precipitado aumenta (ley de Fick).
Control de Precipitación a través del Tratamiento Térmico: para obtener propiedades específicas, el tratamiento térmico de precipitación está determinado empíricamente. Altas temperaturas de precipitación, en general, están asociadas a bajas frecuencias de nucleación y por lo tanto, a una distribución de precipitado poco fino. En la mayoría de las aleaciones, el endurecimiento por precipitado no es tan simple, debido a la aparición de una o más configuraciones o precipitados de no equilibrio. Ejemplo Aleación Aluminio-Cobre:
Endurecimiento por Precipitación: la alta resistencia se debe a la dispersión final de los precipitados como resultado del tratamiento de precipitación. En el caso del Al-4Cu se puede sobrepasar ampliamente la dureza de temple con el tratamiento de precipitación y las máximas durezas no se alcanzan al precipitar la fase estable θ, sino con las fases metaestables de transición, debido a su distribución más fina. A continuación se grafican los efectos de la temperatura y tiempo de envejecimiento:
En la mayoría de los casos, el endurecimiento por precipitación se obtiene a temperaturas cercanas a la ambiente (al poder obtenerse en un tiempo razonable) y recibe el nombre de endurecimiento por envejecimiento. Cuando se usan temperaturas superiores, recibe el nombre de endurecimiento por precipitación. (*)Sobre envejecimiento: aporta un crecimiento en la población de partículas precipitadas gruesas, lo que favorece la formación de subgrano desligado de la configuración cristalina del soluto. Muchas aleaciones comerciales contiene más de un aleante, por lo cual se hace más preciso utilizar diagramas ternarios (considerando los primeros 3 aleantes principales) como en el caso de la aleación base aluminio 2024 que contiene aproximadamente 4% Cu y 1% Mg más manganeso, silicio, hierro, cromo y zinc en pequeñas cantidades.
Homogenización de Piezas Fundidas: es uno de los tratamientos térmicos más importantes. Se lleva a cabo antes de la elaboración mecánica del lingote fundido. El tiempo y la temperatura son dimensiones fundamentales que definen el tratamiento y dependen de la razón de difusión y de la estructura inicial.
Formación de la dendrita:
En la mayoría de las aleaciones es común la formación de segregación química intersticial durante la formación de las dendritas.
Para el caso mostrado en la imagen, la solidificación comienza a la temperatura T0. Por regla de la palanca, al comenzar la solidificación, la composición del núcleo del cristal será de 10%B. En la medida que el cristal aumenta su tamaño dado un decremento en la temperatura, el porcentaje de B en el cristal irá aumentando (Ej.: a T1 tendrá 20%B). La solidificación continuará hasta temperaturas bajo la mínima, debido a los residuos que quedan, esto será hasta que el promedio de la composición de B en el cristal sólido alcance un 30% y por lo tanto la composición de la última capa solidificada será, en éste caso, de 40%B. Este es el caso para un enfriamiento rápido, pues cuando éste es lento, la permanencia a altas temperaturas fomenta la difusión, permitiendo que el cristal tenga una composición más homogénea.
ALUMINIO
Es el elemento metálico más abundante en la corteza terrestre. El más utilizado (de los no ferrosos) en la industria. Ventajas: buena apariencia, ligero (densidad = 2,7 [g/cm3] vs Acero: 7,85 [g/cm3]), maquinable, resistente a la corrosión.
No es ferromagnético, tiene buena conductividad eléctrica y térmica. Aluminio puro y algunas aleaciones en base a Al son de muy baja resistencia y dureza, pero algunas aleaciones poseen resistencia superior a la del acero estructural.
Aluminios Aleados: Se dividen en dos grandes grupos: Aleaciones de colada y Forjados. Muchas aleaciones responden a tratamientos térmicos basados en solubilidades de fases, las cuales incluyen Tratamiento Térmico de Solución, Temple, Precipitación, etc. Estos tratamientos de describen de manera particular para cada tipo de aleación (de colada o forjada). Muchas aleaciones forjadas basan su composición en el endurecimiento por trabajo a través de reducción mecánica, combinados con varios procedimientos de recocido para el desarrollo de las propiedades.
Designación comercial del aluminio y sus aleaciones: Aluminios de Forja: De acuerdo con el sistema adoptado por la Aluminium Association las aleaciones de aluminio se designan con un número de 4 dígitos (YXXX). El primero designa el tipo de aleación como se indica en la siguiente tabla:
Aquellas que comienzan en 2, 6 y 7 son las series tratables térmicamente, de las cuales la 6 es la más comúnmente usada en aplicaciones estructurales. Los tres siguientes dígitos designan la pureza del aluminio en el primer caso, y en los demás indica el porcentaje de aleación. Además, esta designación puede ir acompañada de letras y números para especificaciones más completas: -
O: la pieza ha sido recocida (O1: Alta temperatura y enfriamiento lento; O2: Tratamiento Termomecánico; O3: Homogeneizado) H: indica el estado de acritud de una pieza T: la aleación ha sido endurecida mediante un tratamiento térmico
-
F: indica que se trata de una aleación en estado bruto W: se usa cuando los materiales, después de haber pasado por un tratamiento térmico quedan con una estructura inestable y sufren envejecimiento natural
Aluminios Fundidos:
-
Adicionalmente a los tres dígitos que indican un rango de composición de los elementos en la aleación, también se adiciona una letra previa para distinguir pequeñas diferencias en el porcentaje de aleación o en el porcentaje de impurezas, las cuales tienen efectos considerables en la aleación. También se diferencian con un digito decimal posterior que designa la aplicación de la aleación: XXX.0: fundición. XXX.1: lingote usado para hacer la fundición. XXX.2: lingote usado para fundición (cuando existen limitaciones químicas más estrictas que en XXX.1)
Ejemplo para la designación 356:
Tratamiento térmico:
Tratamientos Térmicos en el Aluminio Usualmente el término se aplica para tratamientos que tienen como objetivo endurecer la aleación o aumentar su resistencia, a excepción del recocido. A partir de ahí, se pueden dividir las aleaciones de aluminio en aquellas que son “tratables térmicamente” y aquellas que son “no tratables térmicamente”. Por lo tanto, aquellos que son tratables térmicamente responderán a cierto tipo de estos tratamientos aumentando de manera considerable su dureza y resistencia. El único tipo de tratamiento térmico aplicable a una aleación no tratable térmicamente es el recocido.
Precipitación de una solución sólida: Una aleación será enduresible por precipitación siempre que, en el equilibrio, ésta aumente la solubilidad al aumentar la temperatura (temperaturas menores a la de fusión). Luego, aquellos que no cumplan con esta condición son considerados en su mayoría como aleaciones no tratables térmicamente (Ejemplo: Aluminio-Silicio y Aluminio-Manganeso). Las aleaciones que mejor responden a este tipo de tratamiento son:
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Sistemas de Aluminio-cobre debido a CuAl 2 Sistemas de Aluminio-Cobre-Magnesio (el magnesio intensifica la precipitación) Sistemas de Aluminio-Magnesio-Silicio debido a Mg 2Si Sistemas de Aluminio-Zinc-Magnesio debido a MgZn 2 Sistemas de Aluminio-Zinc-Magnesio-Cobre. En general, para el endurecimiento por precipitación se requiere la formación de un precipitado que quede finamente disperso luego de un proceso de envejecimiento. Esto no solo se logra bajo la temperatura de solubilidad de equilibrio, pues también es posible bajo una brecha de miscibilidad metaestable conocida como línea de solubilidad de la zona Guinier-Preston (GP). Su formación se ve favorecida al haber una sobresaturación de vacancias, las cuales mejoran la difusión. Es necesario también que el precipitado quede en la misma configuración cristalina que la del solvente (coherente), debido a que de esta forma es posible lograr desajustes en la red cristalina del solvente debido a la diferencia en el tamaño de los átomos y como consecuencia de esto, un aumento en las tensiones internas. El tamaño de las zonas GP está en el rango de las decenas de Angstroms (10-10 [m]) en su diámetro y tienen un efecto de distorsionamiento de la red cristalina superior al de fases distintas. Su posicionamiento en la estructura cristalina produce grandes tensiones, las cuales derivan en grandes cambios en las propiedades mecánicas de la aleación. Las zonas GP, al ser metaestables, se disuelven con la presencia de precipitados más estables, resultando en una estructura final solo con precipitado estable (de equilibrio), el cual no contribuye de manera tan considerable al endurecimiento.
Precipitación en aleaciones Aluminio-cobre:
Se puede observar un aumento en la solubilidad del cobre en el aluminio a medida que aumenta la temperatura, desde 0.20% a 250 ºC hasta un máximo de 5.65% a la temperatura eutéctica y de fusión de 548 ºC. Dentro de ese rango de composición es posible encontrar dos tipos de estados de equilibrio sólidos: sobre la línea “solvus” el cobre es totalmente soluble, y bajo la línea “solvus” es posible observar dos fases sólidas, la solución sólida α y el compuesto intermetálico θ (Al2Cu). Luego, cuando esta aleación es calentada a la temperatura de solubilidad completa, y luego de permanecer un tiempo es enfriada bajo solvus, la solución sólida comenzará a sobresaturarse y la aleación buscará la doble fase de equilibrio, entonces habrá una tendencia de la aleación de formar la segunda fase mediante la precipitación. En la realidad, también se forma una variedad de otras estructuras de precipitación de no equilibrio durante el enfriamiento. Para las aleaciones Aluminio-cobre se desarrolla una sucesión de precipitados a partir de una solución sólida sobresaturada (SSS) enfriada rápidamente. Esto puede ser de manera secuencial o con un aumento de temperatura luego del enfriamiento. SSS
zonas GP
θ’’
θ’
θ (Al 2Cu)
A altas temperaturas se forman estructuras aproximadas a Al 2Cu, las cuales incrementan la resistencia. En la condición de mayor resistencia están presentes las fases θ’’ y θ’. Cuando el tiempo y/o la temperatura se incrementan lo suficiente para lograr altas concentraciones del precipitado de equilibrio, la aleación se ablanda y se dice que está sobre envejecida.
Aleaciones de aluminio tratables térmicamente:
La mayoría se basa en sistemas ternarios o cuaternarios en referencia a los solutos involucrados en el aumento de la resistencia por precipitación. Las que mejor responden al tratamiento de precipitación son las pertenecientes a las series comerciales 2xxx, 6xxx y 7xxx en aleaciones forjadas (excepto 7072), y en las de colada, 2xx.0, 3xx.0 y 7xx.0. La mayoría de las aleaciones tratables térmicamente contienen como aleante al magnesio, combinado con uno o más elementos como cobre, silicio y zinc. En algunos casos, el magnesio está presente en pequeñas cantidades para acentuar el efecto de los otros elementos, y en otros casos, como en las aleaciones de la serie 6xxx, el magnesio y el silicio están presentes en una proporción suficiente para poder formar Mg2Si. Algunas otras contienen solo cobre o cobre y silicio como principales aleantes. Las aleaciones de la serie 6xxx no son tan enduresibles como las 2xxx y 7xxx, pero sí tienen la ventaja de tener buena conformabilidad, soldabilidad, maquinabilidad y resistencia a la corrosión, con valores medios de resistencia. La mayoría de las aleaciones tratables térmicamente exhiben múltiples etapas de precipitación, las cuales inducen cambios en la resistencia (tal como el caso del aluminio-cobre). Efectos en las propiedades físicas y electroquímicas: La precipitación no solo afecta a las propiedades mecánicas de las aleaciones, sino que tiene repercusiones en las propiedades físicas (densidad, conductividad eléctrica y térmica) y electroquímicas (potencial de solución). A nivel submicroscópico, en la microestructura, las propiedades electroquímicas desarrollan cambios punto a punto que resultan en una microestructura no uniforme, lo cual explica cambios en la resistencia a la corrosión. La medida de los cambios en las propiedades físicas y electroquímicas ha jugado un rol importante en la completa descripción de las reacciones en la precipitación y, por lo tanto, es comúnmente usado para determinar si una aleación ha sido correctamente tratada térmicamente. Pero, aunque estas propiedades pueden ser indicativas del nivel de resistencia mecánica del producto debido al tratamiento térmico, no es posible basarse en ellas para determinar si un producto cumple o no con los límites especificados en sus propiedades mecánicas. Los elementos en solución sólida son siempre más perjudiciales para la conductividad eléctrica que los mismos elementos formando compuestos intermetálicos.
Tratamiento Térmico para el Endurecimiento por Precipitación :
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El aumento en la resistencia de una aleación se obtiene luego de tres pasos Tratamiento térmico de solución: disolución de las fases solubles. Enfriamiento rápido: obtención de la sobresaturación. Endurecimiento por envejecimiento: precipitación de los átomos de soluto (por método de envejecimiento natural o por tratamiento térmico de envejecimiento artificial).
Tratamiento térmico de solución Es un proceso estrictamente necesario para poder obtener un posterior endurecimiento por precipitación. Su objetivo es lograr en una solución sólida la mayor cantidad de elemento soluble para el endurecimiento. El proceso consiste en someter la aleación a una temperatura suficientemente alta y durante un tiempo considerable para lograr la solución sólida de manera homogénea en el material. La temperatura del tratamiento se determina de acuerdo a la cantidad de aleantes presentes y para la mayoría de los casos se permite un rango aceptable de variación en referencia a la temperatura nominal. Algunos casos de aluminios altamente aleados o de alta resistencia o en que se necesita controlar la tenacidad es necesario tener mayor precisión. Sobrecalentamiento: Se debe tener mucho cuidado de no sobrepasar la temperatura de fusión eutéctica, pues es posible afectar propiedades como resistencia a la tensión, ductilidad y tenacidad a tal punto de hacerlos inaceptables por especificación. Si el límite de grano se funde por el sobrecalentamiento, es imposible determinarlo si no se hace mediante una prueba destructiva.
Calentamiento insuficiente: Cuando las piezas o partes de piezas tratadas térmicamente quedan lejos del rango de temperatura necesario para la solubilidad, ésta es incompleta y por lo tanto, la resistencia queda por debajo de lo esperado.
Tiempo del tratamiento de Solución: El tiempo requerido a la temperatura nominal del tratamiento térmico de solución para lograr un grado satisfactorio de disolución (a partir de los constituyentes de la fase soluble no disueltos o precipitados) y conseguir una solución solida homogénea, depende de la microestructura anterior al tratamiento térmico. Este tiempo puede variar desde menos de un minuto para hojas delgadas hasta incluso unas 20 horas en el caso de grandes piezas fundidas en moldes de arena o yeso.
En el caso de las piezas forjadas, se debe tomar en cuenta los gradientes de temperatura entre el horno y la pieza y entre la superficie y el centro de la pieza. Los baños de sales se calientan rápidamente, por lo tanto el tiempo del tratamiento corre a contar de la inmersión; pero en un horno de aire, el tiempo del tratamiento comienza cuando todos los componentes del horo recuperan su temperatura original (antes de ingresada la carga). “Oxidación” de Alta Temperatura:
Al haber una atmósfera húmeda dentro del horno, es posible que, a altas temperaturas, el hidrógeno penetre las capas superficiales del aluminio por difusión, lo cual puede resultar en el deterioro de algunas propiedades en las aleaciones de aluminio. Algunas aleaciones son más vulnerables que otras a este tipo de falla dependiendo de la composición y de la forma. Las aleaciones de la serie 7xxx seguidas de las 2xxx son las más susceptibles; las piezas de extrusión son las que se ven más afectadas. Las aleaciones de baja resistencia y las láminas y placas “Alclad” son prácticamente inmunes. Los efectos de la HTO pueden afectar solamente la apariencia de la aleación, pero en algunos casos, cuando afectan zonas cercanas a concentraciones de esfuerzos, disminuyen dramáticamente la resistencia a la fatiga.
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Enfriamiento: Es la etapa más crítica de toda la secuencia de pasos del tratamiento térmico para endurecer la aleación. El objetivo es preservar la solución solida obtenida en el tratamiento de solución mediante un enfriamiento rápido hasta temperaturas cercanas a la ambiente. A la vez, es necesario que se mantenga una cierta cantidad de vacancias mínima para promover la difusión a bajas temperaturas. Los átomos del soluto que precipitan en bordes de grano, o en otras partículas, así como las vacancias que migran a regiones desordenadas con mucha rapidez, quedan inútiles para los propósitos del tratamiento y no contribuyen al aumento en la resistencia. Para evitar este tipo de precipitado, que afecta las propiedades mecánicas y la resistencia a la corrosión, el enfriamiento debe ser rápido y sin interrupción hasta la temperatura ambiente, de manera de obtener una solución sólida sobresaturada (la condición óptima para el endurecimiento por precipitación). Pero la resistencia a la corrosión en algunas aleaciones (aluminio-cobre, aluminio-zinc-magnesio) es mejor en enfriamientos más lentos. Para evitar la precipitación durante el enfriamiento se requiere: Controlar el tiempo de traslado de la carga entre el horno y el medio de enfriamiento. Este debe ser lo suficientemente corto para evitar un pre enfriamiento a baja velocidad. Un medio de enfriamiento con buena capacidad de absorción de calor y con velocidad de flujo suficiente. Efecto de la velocidad de enfriamiento en las propiedades: En general, altas resistencias en conjunto con una óptima tenacidad están asociadas a mayores velocidades de enfriamiento, así como la resistencia a la corrosión (excepto en algunas aleaciones envejecidas artificialmente y en especial las de la serie 7xxx). Se debe tener en cuenta las diferencias de espesor, entre otros factores. Enfriamiento por inmersión en agua:
Se requiere controlar la velocidad de enfriamiento durante la transferencia al medio de enfriamiento. En el caso de las aleaciones de alta resistencia, el criterio se basa en una temperatura mínima de la pieza al ser sumergida por completo en el medio de enfriamiento.
Endurecimiento por Precipitación: Finalmente, el endurecimiento es obtenido en el proceso de precipitación, posterior al tratamiento de solución y al de temple. Ésta se puede obtener a temperatura ambiente después de algunos días, pudiendo ser suficiente para variados requerimientos. Es posible también agregar un tratamiento a altas temperaturas para aumentar resistencia y dureza en piezas de colada o forjadas. Otras aleaciones son enduresibles por precipitación solo a altas temperaturas. En otros casos, el trabajo en frio inmediatamente después del temple mejora la respuesta de la aleación al tratamiento térmico de precipitación (especialmente serie 2xxx). De las aleaciones tratables térmicamente, en general solo las de la serie 2xxx al ser endurecidas por precipitación natural obtienen valores de resistencia, tenacidad y resistencia a la fatiga (alta sobresaturación y retención de vacancias). Se especifican sus propiedades según las obtenidas al cuarto o quinto día, pues después de ese tiempo éstas se mantienen relativamente estables.
Tratamientos Térmicos de Precipitación:
Se llevan a cabo a relativamente bajas temperaturas (115-190ºC) y en periodos largos de tiempo. Se debe seleccionar un tamaño y distribución óptimos del precipitado. En general, solo una de las propiedades (resistencia mecánica, resistencia a la corrosión, límite elástico, etc.) podrá ser maximizada. Las propiedades varían dependiendo de la temperatura y tiempo de tratamiento, al afectar directamente el tamaño y distribución de los precipitados.
Se puede mejorar la resistencia combinando trabajo en frio con envejecimiento, debido a que aumentan la nucleación de partículas precipitadas debido al aumento de las tensiones, aunque se ve afectada la tenacidad.
COBRE
Es usado ampliamente debido a su buena conductividad eléctrica y térmica, resistencia a la corrosión, facilidad de fabricación, buena resistencia y resistencia a la fatiga. Son fácilmente soldables.
Tratamientos Térmicos en El Cobre
Se aplican al cobre y sus aleaciones los siguientes tratamientos: - Homogenización - Recocido - Eliminación de Tensiones - Tratamiento de Solución - Endurecimiento por Precipitación - Endurecimiento por Temple y Tempering
HOMOGENIZACIÓN: Se somete a altas temperaturas para eliminar segregaciones químicas o metalúrgicas. Se aplica normalmente a aleaciones con amplio rango de solidificación, como bronces al estaño, cuproníquel y bronces al silicio.
El tiempo requerido para la homogenización varía según la aleación, el tamaño de grano y el grado de homogenización deseado. Este proceso afecta ciertas propiedades mecánicas como la resistencia, dureza, límite elástico, elongación, etc.
RECOCIDO: Tratamiento térmico utilizado para aumentar la ductilidad y/o la tenacidad de un metal o aleación. Básicamente es calentar, mantener a temperatura y enfriar el material. Para describir un proceso particular, se debe especificar la velocidad de calentamiento, temperatura, tiempo de mantención a esa temperatura, atmósfera y velocidad de enfriamiento.
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Productos Forjados: la temperatura necesaria para aplicar el tratamiento a un metal o aleación trabajado en frio debe ser suficiente para lograr la recristalización.
Variables del tratamiento: Primarias: temperatura y tiempo de mantenimiento. Secundarias: tipo de fuente térmica y aplicación del calor, diseño del horno, atmósfera del horno y forma de la pieza. Afectan: terminaciones, costos, uniformidad y resultados obtenidos.
En muchos casos se aplica recocido a piezas fundidas con el objetivo de corregir los efectos de la solidificación.
ENDURECIMIENTO DEL COBRE Y SUS ALEACIONES Existen principalmente dos tipos de tratamientos para lograr endurecimiento del las aleaciones de cobre: calentando a altas temperaturas y luego endurecidos a baja temperatura mediante precipitación, o templando desde altas temperaturas a través de reacciones tipo martensíticas (bronces al aluminio y al níquel-aluminio).
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Aleaciones endurecidas a bajas temperaturas:
Principalmente, en las aleaciones endurecidas por precipitación se busca buena resistencia mecánica y buena conductividad eléctrica, para lo cual se debe efectuar un tratamiento que optimice ambas propiedades. Los principales problemas y su causa de especifican en la siguiente tabla:
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Endurecimiento por Temple y Revenido: Aplicable en bronces al aluminio con una composición entre 9 a 11.5% de aluminio y bronces al níquel-aluminio con 8,5 a 11,5% de aluminio, los cuales responden de manera práctica al endurecimiento por precipitación por una reacción tipo martensítica. A mayores contenidos de aluminio la aleación se vuelve susceptible a agrietamientos, y a menor composición de aluminio no se forma suficiente fase β a altas temperaturas, por lo cual no se logra una buena respuesta al tratamiento de temple.
Bronce al aluminio: La microestructura de esta aleación varía según el contenido de aluminio de manera similar a la variación del acero con el contenido de carbono. El temple se lleva a cabo sobre la temperatura normal de transformación, en el rango comprendido entre 565 y 675ºC. Para la selección de la temperatura de revenido se debe considerar las propiedades requeridas para la aleación aparte de no perder la dureza obtenida luego del temple. Normalmente se mantiene durante dos horas a la temperatura elegida. Es importante el enfriamiento rápido en el rango comprendido entre 565 y 275 ºC luego de terminar el revenido, para evitar la formación de α-β eutectoide, pues esta fase en considerables cantidades produce baja elongación, baja resistencia al impacto y, en alguna medida, disminuye la resistencia a la corrosión.
BIBLIOGRAFIA -
ASM Metals HandBook Volume 4, Heat Treating. London Metal Exchange http://ingemecanica.com/ http://www.afsinc.org/files/images/aluminum.pdf (The American Foundry Society Technical Dept.)
