Materiales compuestos

Química. Recubrimientos. Sustrato. Ajustes. Tratamientos térmicos. Carburación. Inducción

  • Enviado por: John
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MATERIALES COMPUESTOS

Los recubrimientos pueden ser para propositos de decoracion, proteccion o resistencia al desgaste, pueden ser metalicos, polimeros o ceramicos.

TIPO COMPOSICCION SUSTRATO USO PRINCIPAL

pintura Polimero Metal o madera Proteccion, apariencia

esmalte - vitreo vidrio Metal Proteccion, apariencia

galvanizado Zn Metal Proteccion

galvanoplastia Metal noble Metal Apariencia

barniz vitreo Vidrio Ceramico Apariencia y sellado

anonizado Al2O3 Aluminio Proteccion

abrasivo Metal duro o Metal Resistencia al desgaste

ceramico duro

Se utiliza para modificar la composicion de la superficie de un material, los materiales deben ser compatibles involucrando la adherencia. Esta puede ser de tipo quimico en la que las uniones se conectan directamente entre atomos del recubrimiento o bien del tipo metalico en el que el recubrimiento pega sobre una superficie aspera o bien alrededor de filetes y bordes.

Cuando un material va a ser sometido a contracciones termicas o la expancion como en refrigeracion puede escoger un acabado vitreo para cubrir la lamina. Un esmalte vitreo que posea una expancion o contraccion termica menor que la del metal subyacente. Así despues de fundido el vidrio sobre el acero, el vidrio (la frita) estara en compresion y el metal en tencion debido a las diferencias de contraccion termica. Esta combinacion reduce las posibilidades de que la cubierta protectora se agite y exponga el metal, ya que cualquier fuerza adicional de traccion tendra primero que compensar la compresion residual. Ademas la frita es resistente en cuanto a compresion, así que las cargas que se apliquen bajo estas circunstancias no provocan agrietamientos.

COMPUESTOS REFORZADOS CON PARTICULAS

La superficie de un material es lo que se expone al medio ambiente. Por ello usamos recubrimientos protectores para producir un material compuesto que aisle a la superficie del ataque quimico o del desgaste mecanico. Podemos producir un compuesto aplicado por soldadura, recubrimientos metalicos resistentes a la abración y óxidos por aspercion, a la flama. otros procedimientos modifican la superficie (1.- Por ajustes quimicos y 2.- por tratamientos diferenciales.)

AJUSTES QUIMICOS.- Las composiciones superficiales pueden ser modificadas difundiendo a los elementos deseados en un material. La carburacion, el carbono incrementa la dureza del acero, con esto se incrementa la resistencia al desgaste como en el caso del cojinete de un cigüeñal.

Cuando se calienta en el rango de la austenita (1538°C) en presencia del CO (o metano CH4) el hierro se disuelve al carbono.

2CO --- CO2+C(γ).

Los vidrios pueden reforzarse. El vidrio recosido se produce por medio de tratamientos que introducen esfuerzos residuales controlados. Por que el intercambio ionico se puede introducir esfuerzos de compresion similares (el potasio y el sodio refuerzan al vidrio).

TRATAMIENTOS TERMICOS DIFERENCIALES

TRATAMIENTO TERMICO. Es una combinacion de operaciones de calentamiento y enfriamiento con tiempos determinados. Aplicados a un metal o aleaciones en su estado solido, de tal forma que se produciran las propiedades deseadas.

Todos los procesos basicos para aceros influyen la transformacion y descomposicion de la austenita.

El endurecimiento superficial se utiliza en piezas de acero de bajo carbono, medio carbono, al carbono o aleados y se pueden aplicar los procesos siguientes:

a)Carburacion

b)Nitruracion

c)Cianuracion

d)A la flama

e) Por induccion

CARBURACION.- Se puede fabricar piezas con nucleo suave y ductil, y superficie muy dura, por la carburacion de un acero de bajo contenido de carbono y una temperatura elevada, con un enfriamiento brusco por inmersion.

El proceso de carburación seguido por un enfriamiento brusco se conoce como temple o endurecimiento superficial o cementación.

Este metodo se divide en tres grupos segun sea el agente carburizante:

1.-CARBURACION DE EMPAQUE: eL COMPUESTO USADO COMUNMENTE CONTIENE 20% DE CARBONATOS METALICOS ( EN SU MAYORIA carbonato de bario) aglutinados por carbon de madera por medio de aceite, alquitran o melaza; algunas veses se agrega hasta el 20% de coque para incrementar la rapidez de tranmision de calor.

Las cajas de carburacion o cementacion se fabrican de una aleacion resistente al calor de alto contenido de Niquel y Cromo; la pieza debe empacarse en su dimencion mas larga en sentido vertical.

las temperaturas normales de carburacion fluctuan alrededor de 925°C pero para el acero al niquel se usa una temperatura de 900°C y para cementacion poco profunda la temperatura es baja de 845°C.

Para una profundidad de temple de 1 a 1.3mm se ocupan aproximadamente 9 horas, la deformacion o alabeo por calentamiento es limitado al minimo. Las desventajas son el tiempo de consumido en el calentamiento y el elevado costo de la mano de obra al empacar las piezas.

2.-CARBURACION CON GAS: Los gases carburizantes son el monoxido de carbono, el metano, el etano y el propano, los hidrocarburos se descomponen si no esta diluidos, librando una cantidad excesiva de carbono en forma de hollin que se deposita sobre toda la superficie descubierta.

se puede obtener profundidades de temple superficial de 1 a 1.3mm en 4 horas a 925°C.

3.-CARBURACION LIQUIDA: Se efectua en baños activadosde cianamida calcica de cianuro de sodio o de potacio. Los baños son operados a temperaturas de 815 a 900°C y se obtiene profundidades de temple superficial de 0.51mm en 90 minutos; para profundidades mayores de 0.76mm es mas economico efectuar la carburación de empaque o por gas.

NITRURACION.- La introduccion de nitrogeno en la superficie exterior de las piezas de acero con el fin de darles una envolvente o corteza extremadamente dura y resistente al desgaste se denomina nitruracion.

El acero se calienta de 510 a 540°C dentro de una camara , en lo que se hace pasar una corriente regulada de gas amoniaco, el proceso dura de 50 a 90 horas dependiendo de la composicion del acero y de la profundidad a la que se desea efectuar la nitruracion.

La temperatura de nitruracion es inferior al intervalo de temperatura critico y aun a la temperatura ordinaria de revenido de manera que las propiedades mecanicas del carbon de la pieza no se vean afectadas.

La ventaja de este proceso es que el endurecimiento o temple se realiza sin la operacion de enfriamiento por inmersion. Se puede dar tratamiento a articulos de seccion transversal desigual.

Ademas de aumentar la resistencia al desgaste, la nitruracion ayuda a la retención del temple a temperaturas elevadas y en cierto grado aumenta la resistencia a la corrosion, a la fatiga; las desventanjasson elevado costo por operación y atención del personal experto.

Se ha encontrado que el cromo y el aluminio resultan convenientes en los aceros para nitruracion.

CIANURACION

Cuando se desea obtener untemple superficial en forma rapida se emplea un baño de cianuro fundido; el baño consta generalmente de cianuro de sodio con cloruro de sodio y carbonato de sodio para retardar la descomposicion del cianuro.

La cianuracion se afecta a una temperatura por encima de la critica del corazon de la pieza y el acero debe enfriarse directamente por inmersion al salir del baño de cianuro; se obtien una profundidad superficial uniforme de 0.28mm en una hora.

Los baños de cianuro se usan generalmente en los procesos de temple de acero para impedir la descarburacion de la superficie.

A LA FLAMA.- Es el calentamiento local del acero de modo que con el enfriamiento se produzca un temple localizado en la region afectada.

La profundidad de temple con este proceso varia de 1.5 a 6.5mm este metodo se emplea en superficies de piezas grandes por su deformacion que es minima. Para aceros al carbono el contenido de este debe ser de 0.35 a 0.70%, aunque tambien puede templarse a la llama aceros contenido de carbono mas alto si se tiene cuidado de impedir el agrietamiento de la superficie.

Para obtener buenos resultados con este proceso se debe tener cuidado en la caracteristica de la flama, la distancia a la superficie, su velocidad de movimiento y el tiempo de enfriamiento por inmersion; es nesesario unrevenido para liberar el material de los esfuerzos, siendo suficiente por lo general una temperatura de 205°C.

Las aplicaciones tipicas son: El temple de dientes de engranes, levas, extremos de rieles, llantas metalicas de rueda.

POR INDUCCION.- Se efectua por calentamiento por corriente electrica, el calentamiento por resistencia es util para templar secciones localizadas de algunas piezas forjadas y de fundicion, pero en general su principal aplicacion es para calentar partes de seccion transversal uniforme. El proceso se usa para templar superficies de piezas cilindricas, los muñones de apoyo de los cigüeñales aplicando una corriente de alta frecuencia a la seccion de apoyo durante unos cuantos segundos y cuando se ha calentado el acero a la profundidad deseada, se rocia agua sobre la superficie calentada a traves de orificios echos, los bloques del inductor que rodea al apoyo; la amplitud de la zona calentada puede regularse con toda exactitud que las curvas o filetes puedan quedar perfectamente sin posibilidad de falla por fatiga y sin sacrificar la resistencia al desgaste.

COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS.

Actualmente tenemos compuestos formados de varios materiales; una llanta d automovil contiene 2 o 3 tipos de cauchos y uno mas tipos de cuerdas, ademas en el contorno del anillo interior contiene un acido (Haz de refuerzo en la orilla donde se coloca el rin de la llanta).

Los plasticos vitroreforzados, donde el vidrio funciona como un material de refuerzo l plastico, puesto que es mas rigido y puede soportar mejor las cargas. Una caña de pescar contiene fibras de vidrio unidas dentro de una matriz plastica. Si consideramos una carga puramente de traccion, el vidrio y el plastico deben alargarse la misma cantidad ya que estan perfectamente unidos. Pero se nesecitara un esfuerzo mucho mayor para alargar el vidrio 0.1% que para alargar el plastico en la misma proporción. El vidrio soporta una mayor proporcion de la carga que lo de su volumen relativo. pra que un material reforzado sea efectivo debe poseer un mayor modulo de elasticidad del que pueda tener la matriz.

CONCRETO, ASFALTO Y MADERA.

CONCRETO.- Es un material petreo artificialmente heterogeneo obtenido de la mezcla de cemento, agua y arena. La mezcla de cemento y agua es aglomerante que va a dar resistencia al conjunto, la grava y la arena tienen un papel inherente y no contribuyen en el endurecimiento del concreto.

El concreto tiene dos etapas, la etapa fluida en el que el concreto puede ser moldeado, operacion conocida como colada y la etapa de fraguado donde el concreto va endureciendo. Ya endurecido a adquirido la resistencia y endurecimiento de piedra.

ASFALTO.-MEZCLA DE HIDROCARBUROS Y ALGUNOS DERIVADOS OXIGENADOS QUE FORMAN MASAS AMORFAS.

Es producto aglomerado, es asfalto sirve de union y se puede mezclar en varias formas. La capa union arena (30 partes), y el asfalta (5 partes) llenan los intersticios que hay entre la piedra dura (55 partes), lo demas se rellena de complemento mineral y cenizas obteniendose una capa impermeable, tenaz que resiste el uso del trafico vehicular.

MADERA.- Tiene una relacion resistencia -peso, se procesa facilmente y es un recurso renovable polimerico compuesto. Las principales moleculas polimericas son la celulosa la cual puede procesar y obtener nitrocelulosa contiene 40 a 50% de fibra de madera y el resto de algodon, es moldeable. La nitrocelulosa plastificada se utiliza para fabricar cepillo de dientes, pegamentos, fibras sinteticas, vidrios para automovil y antiguamente para peliculas de camara.

Sobre algunas modificaciones en la estructura de la madera tenemos:

-Triplay contrachapeado en el cual la resistencia longitudinal se ha desarrollado en dos o mas direcciones.

- Madera aglomerada, en el cual se rellenan los poros con un polimero (por ejemplo el fenol formal dehido), proporciona una mejor union a traves de la estructura angular.

- La celulosa, la cual se extrae de la madera para hacer utilizada como materia prima en muchos productos polimeros.