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Tecnología Industrial II, 2º BACTema 4. Tratamientos térmicos y termoquímicos. El fenómeno de la corrosión.

Tema 4. TRATAMIENTOS TÉRMICOS Y TERMOQUÍMICOS. EL F ENÓMENO DE LACORROSIÓN.

1. TRATAMIENTOS TÉRMICOS.......................................................................................................2

1.1 TEMPLE....................................................................................................................................2

1.2 REVENIDO...............................................................................................................................2

1.3 NORMALIZADO......................................................................................................................2

1.4 RECOCIDO...............................................................................................................................2

2. TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS.........................................................................................4

2.1 CEMENTACIÓN.......................................................................................................................4

2.2 NITRURACIÓN........................................................................................................................4

2.4 CARBONITRURACIÓN..........................................................................................................4

2.5 SULFINIZACIÓN.....................................................................................................................4

3. EL FENÓMENO DE LA OXIDACIÓN..........................................................................................6

3.1 DEFINICIÓN DE OXIDACIÓN...............................................................................................6

3.2 TRATAMIENTOS.....................................................................................................................6

4. EL FENÓMENO DE LA CORROSIÓN..........................................................................................6

4.2 TIPOS DE CORROSIÓN..........................................................................................................7

4.2 MEDIDAS DE PROTECCIÓN CONTRA LA CORROSIÓN.................................................7

4.2.1 MÉTODOS DE BARRERA..............................................................................................7

4.2.2 PROTECCIÓN CATÓDICA.............................................................................................8

4.2.3 INHIBIDORES DE LA CORROSIÓN..............................................................................8


1. TRATAMIENTOS TÉRMICOS

Los tratamientos térmicos son operaciones de calentamiento y enfriamiento más o menos rápidocon objeto de conseguir cambios en la estructura cristalina de los metales sin que la composiciónquímica resulte modificada. Tienen por finalidad mejorar las características mecánicas de losmetales y aleaciones, de tal forma que algunas veces interesa aumentar la dureza y resistenciamecánica, y otras veces la ductilidad o plasticidad para facilitar su conformación.

1.1 TEMPLE Tratamiento típico de los aceros que consiste en calentarlos hasta una temperatura superior a lade austenización, seguido de un enfriamiento continuo y lo suficientemente rápido (el hierro γ,estructura FCC, no tiene tiempo suficiente para pasar a hierro α, estructuta BCC) para obtener unaestructura conocida como martensítica. El enfriamiento se realiza en un medio adecuado de temple:agua, aceite o aire. Se obtienen aceros, denominados martensíticos, caracterizados por su dureza y resistenciamecánica.De los tres medios que se utilizan para templar, el agua es el que produce temples más rápidos oseveros, seguido del aceite, que es más efectivo que el aire.

1.2 REVENIDO Tratamiento complementario al de temple, con el que se pretende eliminar tensiones internasproducidas durante el temple; mejora la tenacidad, aunque se reduce la dureza.

Consiste en un calentamiento de las piezas previamente templadas a una temperatura inferior ala de austenización para lograr que la martensita se transforme en una estructura más estable. Elproceso termina con un enfriamiento relativamente rápido.

1.3 NORMALIZADOCon este tratamiento se afina el acero (disminuye su tamaño de grado medio) y se provoca una

distribución de grano más uniforme (se unifica el tamaño del grano).Consiste en un calentamiento del acero, 50 grados por encima de la temperatura de

austenización, seguido de un enfriamiento al aire. La velocidad de enfriamiento no es losuficientemente elevada como para formar martensita, y la estructura resultante es perlita y ferrita(aceros hipoeutectoides) o perlita y cementita (aceros hipereutectoides) de grano fino.

1.4 RECOCIDOConsiste en calentar el material hasta un temperatura determinada y mantenerlo a dicha

temperatura durante un tiempo y posteriormente enfriarlo lentamente. Los objetivos que sepersiguen son: eliminar tensiones del temple, aumentar la plasticidad, ductilidad y tenacidad(objetivo: “ablandar y dulcificar el metal”).

En estos tratamientos el tiempo constituye la variable fundamental a controlar. La temperatura,en los aceros, ha de estar entre la crítica inferior de austenización y la superior (no se supera latemperatura de austenización como ocurre en el normalizado y el el temple).


2. TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOSLos tratamientos termoquímicos consisten en operaciones de calentamiento y enfriamiento de

metales, que se complementan con la adición de nuevos elementos en la superficie de las piezas, demanera que se modifica la composición química superficial. Tienen por finalidad obtener piezasmuy duras superficialmente, capaces de resistir desgaste, y más blandas en el centro, lo que lespermite ser más tenaces.

El procedimiento general consiste en meter la pieza en un horno en el que controlamos laatmósfera, calentamos hasta una determinada temperatura, mantenemos esa temperatura el tiemponecesario para que se produzca una difusión atómica en la superficie de la pieza y enfriamos. Entrelos procedimientos más habituales están: cementación, nitruración, cianuración, carbonitruración ysulfinización.

2.1 CEMENTACIÓNConsiste en añadir carbono a la superficie del metal con objeto de aumentar su dureza

superficial. Para facilitar la difusión del carbono en el metal, se somete la pieza durante ciertotiempo a una determinada temperatura (900ºC, en el caso de los aceros) en una atmósferacarburante, lograda mediante agentes sólidos, líquidos o gaseosos que desprenden carbono.

Una vez sometida una pieza a un proceso de este tipo, puede considerarse constituida por doszonas:

• La zona exterior, que recibe en nombre de capa cementada y que posee mayor cantidad decarbono que el resto de la pieza.

• La zona central o alma, cuya composición química no ha variado. 2.2 NITRURACIÓN

Con este tratamiento se consigue un endurecimiento superficial extraordinario del acero mediantela incorporación de nitrógeno. La pieza que se pretende nitrura se somete en un horno a unacorriente de amoníaco a una temperatura próxima a los 500ºC.

El tratamiento de nitruración se diferencia del de cementación en dos aspectos fundamentales:• La temperatura a la que se realiza es muy inferior, lo que evita que se produzcan

distorsiones en el núcleo de la pieza, haciendo innecesario cualquier tratamiento térmicoposterior.

• El nitrógeno no se introduce en el acero en forma de solución sólida, como ocurre en lacementación, sino que debido a su afinidad por elementos químicos (como aluminio, cromo,vanadio, wolframio o molibdeno) presentes en los aceros aleados, se forman nitrurossubmicroscópicos insolubles.

2.4 CARBONITRURACIÓN Es un tratamiento intermedio entre los dos anteriores, con el que se consigue aumentar la dureza

de los aceros por medio de la absorción superficial simutánea de carbono y nitrógeno. La piezaque se desea carbonitrurar se somete a una atmósfera cementante a la que añade nitrógeno en formade amoníaco.

La carbonitruración se realiza mediante atmósferas gaseosas; cuando se lleva a cabo mediantebaños, se le da el nombre de cianuración.2.5 SULFINIZACIÓN

Con este tratamiento se incorpora al metal una capa de carbono, nitrógeno y, sobre todo, azufre,por medio de su inmersión en un baño a una temperatura cercana a los 600ºC.

Con este tratamiento el metal aumenta la resistencia al desgaste, disminuye su coeficiente derozamiento y se favorece la lubricación.


3. EL FENÓMENO DE LA OXIDACIÓN

3.1 DEFINICIÓN DE OXIDACIÓN (CORROSIÓN SECA) La oxidación es un proceso electroquímico en el que los átomos metálicos pierden electrones.Así, un metal M con valencia 2, puede experimentar una oxidación según la reacción:

M → M2+ + 2e- (reacción de oxidación)donde el metal M se oxida (pérdida de electrones), convirtiéndose en un ión con 2 cargas positivasal perder sus 2 electrones de valencia.

La zona donde se produce la oxidación se denomina ánodo, por lo que la oxidación también seconoce como reacción anódica.

La reacción inversa a la oxidación es la reacción de reducción y es aquella que toma loselectrones de la oxidación. La zona donde se produce se denomina cátodo.

½ O2 + 2e-→ O2- (reacción de reducción)Aunque el más populares de los oxidantes es el oxígeno, la oxidación de los metales puede ser

provocada por otras sustancias como el cloro, el hidrógeno, el azufre, etc.La oxidación, entendida como la combinación de las reacciones químicas de oxidación y

corrosión (M + ½ O2→ MO), implica el deterioro del material, al formarse una capa de óxido (MO)y la pérdida progresiva de sus propiedades iniciales.3.2 TRATAMIENTOS

AleacionesPara evitar la oxidación de un metal se puede alear con otros que posean una energía de

oxidación mayor y cuya velocidad de oxidación sea menor. De esta manera, el material añadido seoxida primero , debido a su mayor energía de oxidación, formando una capa protectora, lo quefrena el posterior proceso de oxidación, que seguirá produciéndose pero a una velocidad muy lenta.

El mejor aleante para evitar la oxidación del acero es el cromo.Recubrimientos supeficiales: CromadoEl cromado es un tratamiento utilizado para endurecer de forma superficial a distintos metales y

protegerlos de la oxidación. Consiste en difundir átomos de cromo en la superficie del metal a unatemperatura elevada.

Estos tratamientos resultan menos efectivos que la protección por medio de aleantes, pues si seproduce una rayadura en el recubrimiento, el material queda en contacto directo con la atmósfera yse oxidará fácilmente.

4. EL FENÓMENO DE LA CORROSIÓNCuando la oxidación (corrosión seca) se produce en un ambiente húmedo o en presencia de

otras sustancias agresivas, se denomina corrosión, y es mucho más peligrosa para la vida de losmateriales que la oxidación simple, pues en un medio húmedo la capa de óxido no se deposita sobreel material, sino que se disuelve en el vapor de agua de la atmósfera, acabando por desprenderse.

La mayoría de los fenómenos de corrosión que experimentan los metales se deben a reaccioneselectroquímicas, corrosión electroquímica. En la corrosión electroquímica los átomos metálicos soneliminados del material sólido debido a que se origina un circuito eléctrico (equivalente al de unpila o celda electroquímica).

Celda electroquímica Una celda electroquímica se forma cuando se introducen dos metales en un líquido conductor de

la electricidad y en ella se distinguen:a) Cátodo: recibe electrones por el circuito externo a causa de la reacción química que sufre el

ánodo.


b) Ánodo: cede electrones al circuito y se corroe al abandonar iones metálicos positivos susuperficie.

c) Circuito externo: el ánodo y el cátodo deben estar conectados para que los electronescirculen del ánodo al cátodo.

d) Electrólito: es el conductor que completa el circuito. Es un líquido que sirve de medio paraque los iones metálicos que abandonan el ánodo puedan desplazarse hacia el cátodo.

El ánodo reduce su tamaño mientras que el cátodo puede aumentar o quedarse igual, ya que el ional juntarse con el electrón puede depositarse sobre el cátodo (electrodeposición), unirse a otrosiones procedentes del ánodo y precipitar al fondo de la pila o combinarse con elementos delelectrolito formando, por ejemplo, un gas que saldría de la pila electroquímica.

4.2 TIPOS DE CORROSIÓNLa corrosión no se produce siempre de la misma forma ni ocasiona los mismos efectos, de forma

que se pueden distinguir tres tipos principales de corrsión: uniforme, localizada e intergranular.Corrosión uniformeEl espesor de la zona afectada es igual en toda la superficie del metal. Al disminuir el espesor de

la pieza, también decrece su resistencia mecánica. Es el caso típico de los metales atacados con ácidos.Corrosión localizadaProduce picaduras, hoyos y surcos en la superficie del metal. En esta corrosión, disminuye la

capacidad de deformación y es muy difícil de prevenir.El hierro atacado por el agua del mar es el ejemplo más típico.Corrosión intergranularEl ataque se localiza en la unión de los granos de los constituyentes de los metales y provoca

pérdida de cohesión entre ellos.El metal puede llegar a desintegrarse totalmente sin que se aprecie ninguna alteración superficial.

4.2 MEDIDAS DE PROTECCIÓN CONTRA LA CORROSIÓNLas medidas de protección contra la corrosión tratan de evitar las causas que provocan la

corrosión, principalmente tratan de evitar la formación de pilas galvánicas y se pueden clasificaren tres grandes grupos: métodos de barrera, protección catódica e inhibidores.

4.2.1 MÉTODOS DE BARRERAA) MODIFICACIÓN QUÍMICA DE LA SUPERFICIE. Se crea, mediante procedimientos

químicos o electroquímicos, una capa protectora sobre la superficie del metal que se quiereproteger. En este grupo distinguimos el cromatizado y la fosfatación (procedimientos químicos). Sila capa protectora se crea mediante un proceso electrolítico, se conoce como oxidación o protecciónanódica.


En el cromatizado se aplica un solución que contiene ácido crómico o algún derivado con el finde provocar la aparición de una capa de de óxido compacta en la superficie del metal que impida sucorrosión. Si la solución que se aplica está hecha a bases de fosfatos ( fosfóricos o de Zn, Cd o Mn)hablamos de fosfatación, y en este proceso se origina un capa de fosfatos metálicos en la superficiedel metal que lo protegen.

La protección anódica consiste en la creación, mediante electrólisis, de una capa de óxido o dehidróxido metálico superior a la que se produce por oxidación natural en el metal a proteger, queactuará como ánodo en el proceso electrolítico. Este proceso también se conoce como anodizado.

B) APLICACIÓN DE CAPAS PROTECTORAS. Se aplican capas protectoras que aislan lasregiones del cátodo y del ánodo. Estos aislantes pueden ser de diferente tipo con una acción más omenos prolongada en el tiempo. Los aislantes a corto plazo son las grasas o aceites que se eliminancon facilidad. Los de medio plazo son las pinturas o los recubrimientos cerámicos. Los de largoplazo consisten en recubrir metales con un alto grado de corrosión con otros que tengan un grado decorrosión menor, por ejemplo el acero galvanizado que consiste en depositar en depositar Zn sobrela superficie del acero. En otros casos, como en la hojalata, al acero se recubre con una pequeñacapa de estaño.

4.2.2 PROTECCIÓN CATÓDICAConsiste en proteger al metal forzándolo a ser cátodo (absorción de electrones, reacción de

reducción) en vez de ánodo (cesión de electrones, reacción de oxidación) y evitar así la corrosión.Existen dos maneras: protección catódica por corriente continua exterior o ánodo de sacrificio.

La protección catódica se utiliza, principalmente, en tuberías o depósitos bajo tierra.A) PROTECCIÓN CATÓDICA POR ÁNODO DE SACRIFICIOSe fuerza un acoplamiento galvánico con otro material anódico respecto al que se quiere proteger.

Se suele utilizar el magnesio debido a su elevada tendencia a la oxidación. El medio entre ánodo ycátodo debe ser húmedo y conductor para producir el acoplamiento galvánico. Los ánodos desacrificio deben ser sustituidos cada cierto tiempo.

B) PROTECCIÓN CATÓDICA POR CORRIENTE CONTINUA EXTERIOR Se une la pieza que se quiere proteger al polo negativo de una fuente de corriente continua

externa. El polo positivo de la fuente se conectará a un ánodo consumible (por ejemplo, chatarra dehierro) o a un electrodo inerte (por ejemplo, titanio recubierto de platino).

4.2.3 INHIBIDORES DE LA CORROSIÓNConsiste en interrumpir el paso de iones desde el ánodo al cátodo. Para ello, se añaden al

electrolito productos químicos que se depositan en la superficie del ánodo o cátodo impidiendo oreduciendo la salida o llegada de los iones.

Se utiliza en recipientes que contienen fluidos que han de estar totalmente cerrados. Por ejemplo,las sales de cromo realizan esta función en los radiadores de los coches.

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