¿Qué es el endurecimiento por precipitación?
El endurecimiento por precipitación, también conocido como endurecimiento por partículas o envejecimiento, es un método de tratamiento térmico utilizado para aumentar la resistencia a la fluencia de muchos metales diferentes, incluyendo la mayoría de las aleaciones estructurales.
El proceso fue descubierto originalmente por Alfred Wilm, quien buscaba fortalecer las aleaciones de aluminio. Decidió aplicar el método de templado utilizado para los aceros al carbono a las aleaciones de aluminio. El proceso de envejecimiento del aluminio fue patentado por él en 1906. Su investigación también llevó al descubrimiento de los primeros tipos de aleaciones de aluminio-cobre que pueden endurecerse por envejecimiento, Duraluminio.
Desde entonces, el endurecimiento por envejecimiento también ha sido adoptado para los aceros al carbono y otras aleaciones metálicas para mejorar su resistencia, dureza, resistencia a la corrosión y otras propiedades mecánicas.
Aspectos clave
El endurecimiento por precipitación es un proceso de tratamiento térmico ampliamente utilizado que aumenta la resistencia y dureza de varias familias de aleaciones.
El endurecimiento por envejecimiento funciona mediante la precipitación de microestructuras específicas de ciertos compuestos que mantienen unida la red cristalina y previenen los movimientos de dislocaciones. Esto, en efecto, evita que las grietas se propaguen.
El proceso de endurecimiento por precipitación puede mejorar la resistencia a la oxidación y la corrosión en algunas aleaciones.
Tabla de Contenidos ocultar
I ¿Qué es el endurecimiento por precipitación?
II ¿Cómo funciona el proceso de endurecimiento por precipitación?
III Beneficios del envejecimiento por edad
IV Conclusión
¿Qué es el endurecimiento por precipitación?
El endurecimiento por precipitación es un tipo de proceso de tratamiento térmico utilizado para aumentar la resistencia a la fluencia y a la tracción de las aleaciones metálicas, en el cual la dureza del material mejora en función del tiempo.
El proceso utiliza impurezas disueltas para mejorar las propiedades mecánicas de un material. Funciona separando ciertos componentes que unen la mezcla y inhiben el movimiento relativo.
El mecanismo es algo similar al concreto reforzado con acero. Añadir barras de acero a una mezcla de concreto aumenta la resistencia a la tracción del concreto. Cuando la columna de concreto soporta una carga de tracción, las vigas de acero restringen la expansión del concreto al absorber la tensión de tracción. Las impurezas en el proceso de endurecimiento por precipitación mejoran la resistencia general de la aleación de manera similar.
El envejecimiento por edad puede conducir a una mejora significativa en la resistencia a la fluencia y la dureza de las aleaciones. Por ejemplo, la resistencia a la fluencia del acero al carbono 0.3%, cuando se recocido, es de aproximadamente 300 MPa. El mismo acero, cuando se trabaja en frío, tiene una resistencia a la fluencia de alrededor de 600 MPa. Cuando se endurece por precipitación, la resistencia a la fluencia aumenta a 1500 MPa. Por lo tanto, el endurecimiento por precipitación proporciona un aumento de cinco veces en la resistencia a la fluencia en este caso.
¿Cuál es la diferencia entre templado y endurecimiento por precipitación?
Ambos procesos parecen muy similares en términos de calentar la aleación a un rango determinado, mantenerla allí, seguido de un enfriamiento rápido y luego calentarla nuevamente por debajo de la temperatura crítica. Sin embargo, el templado y el envejecimiento son termodinámicamente muy diferentes, se realizan en diferentes tipos de metales y resultan en propiedades diferentes dependiendo del tiempo y la temperatura a los que se llevan a cabo.
En términos de los efectos en las propiedades mecánicas, el temple aumenta la tenacidad y la ductilidad y disminuye ligeramente la dureza del material. Por otro lado, el envejecimiento incrementa la dureza y la resistencia, haciendo que el metal sea algo frágil.
El endurecimiento por precipitación se logra formando una fase de precipitado fino en la matriz de una aleación. Los precipitados aumentan la dureza al bloquear las dislocaciones en la red cristalina. El temple en realidad estira la red porque tienes una red tetragonal centrada en el cuerpo (BCT) que difunde carbono para reducir las tensiones internas.
El envejecimiento generalmente se realiza a temperaturas más bajas que el temple y lleva más tiempo para lograr los efectos deseados. Por lo general, el endurecimiento por precipitación es un proceso realizado principalmente en aluminio, aleaciones de níquel y aceros inoxidables, mientras que el temple es específico de los aceros aleados porque depende de la formación de la fase martensita.
Aplicaciones del endurecimiento por envejecimiento
Las aleaciones endurecidas por envejecimiento se utilizan en una amplia gama de aplicaciones. Son ideales para aplicaciones que requieren materiales rígidos que no se flexionan bajo estrés.
Por lo tanto, encontrarás que componentes, como válvulas, engranajes, ejes, partes de motor, palas de turbina, rodamientos de bolas, bujes, matrices y sujetadores, son endurecidos por precipitación. El proceso de endurecimiento por envejecimiento mejora la mayoría de las aleaciones de aluminio estructurales (series 2xxx, 6xxx y 7xxx), magnesio, níquel y titanio. El proceso también se utiliza con acero dulce, acero inoxidable y acero inoxidable dúplex.
Aquí hay algunos ejemplos de varias industrias que confían en aleaciones endurecidas por precipitación:
Aeroespacial y automotriz
Tanto la industria aeroespacial como la automotriz utilizan aleaciones de aluminio endurecidas por envejecimiento, ya que las piezas deben ser ligeras y resistentes. El endurecimiento por envejecimiento mejora aún más la excelente relación resistencia-peso del aluminio. Piezas de aeronaves, como alas y fuselajes, así como piezas de automóviles como bloques de motor, cubiertas de árbol de levas y otros componentes críticos del motor, utilizan aleaciones de aluminio endurecidas por precipitación.
Telecomunicaciones
El berilio de cobre endurece el cobre en el compuesto. El cobre comienza a comportarse como un resorte dentro del material. Los compuestos a base de cobre endurecidos por envejecimiento se utilizan en contactos eléctricos y equipos de conmutación, principalmente por su alta conductividad.
Minería y generación de energía
Los materiales endurecidos por envejecimiento con compuestos a base de cobre se utilizan en herramientas de minería ya que tienen una dureza muy alta y no producen chispas. Cuando se trabaja bajo tierra, prevenir chispas es fundamental para la seguridad.
Además de los sectores mencionados, las aleaciones endurecidas por precipitación se utilizan en muchos otros tipos de productos, como cuadros de bicicleta, rifles, herramientas de estampado y vasos de presión.
¿Cómo funciona el proceso de endurecimiento por precipitación?
Un proceso típico de endurecimiento por precipitación consta de tres etapas: tratamiento de solución, templado y envejecimiento.
1. Tratamiento de solución
La fase de tratamiento térmico de solución, o fase de solubilización, es donde se mejora la homogeneidad de la mezcla sólida con el metal constituyente. Esto podría ser berilio en cobre o cobre en aluminio.
La solución se calienta por encima de la temperatura de solvus para asegurar la máxima disolución del precipitado en la aleación. La mezcla permanece a esta temperatura durante un tiempo específico. Por lo tanto, esta etapa también se conoce como remojo.
Intentemos entender qué sucede exactamente en esta etapa: Imagina que quieres disolver azúcar en agua. Aumentar la temperatura del agua permite disolver más azúcar. Por otro lado, si disminuyes la temperatura del agua, parte de ese azúcar que previamente estaba disuelto podría salir de la solución.
La temperatura de solvus es la temperatura máxima a la que se puede disolver la mayor cantidad de un sólido en una solución. Por lo tanto, al mantener la aleación a una temperatura por encima de la temperatura de solvus, podemos asegurar que la máxima cantidad de soluto esté uniformemente disuelta en la solución sólida. Esta solución también se conoce como solución sólida supersaturada.
2. Templete
Una vez que ocurre la máxima disolución de la impureza, la aleación se enfría rápidamente hasta la temperatura ambiente. Este paso se conoce como temple. El temple permite atrapar la solución supersaturada como una fase metastable.
Una fase metastable es un estado de energía intermedio que no debería existir a temperaturas más bajas. Sin embargo, al enfriar rápidamente el material, podemos congelar la fase a temperaturas más bajas.
El temple logra esto al prevenir la difusión de los sitios de nucleación. El enfriamiento rápido evita que el soluto precipite de la solución, lo cual ocurriría normalmente durante procesos de enfriamiento lento. Los materiales que acaban de ser templados son soluciones sólidas blandas con baja resistencia.
3. Maduración
En la etapa de maduración, la solución se calienta nuevamente. Sin embargo, la temperatura es más baja que en la fase de tratamiento de la solución y no alcanza la temperatura de solvus. La temperatura elevada inicia la formación de precipitados, pero dentro de rangos muy cortos. Se desarrollan precipitados finos en la solución. Estos precipitados forman campos de deformación masivos y aumentan la resistencia y dureza del producto final.
La maduración también puede ocurrir a temperatura ambiente para algunas aleaciones. Esto se conoce como envejecimiento natural, mientras que el envejecimiento por encima de la temperatura ambiente se denomina envejecimiento artificial.
Debemos recordar que la maduración es una función del tiempo. A medida que pasa el tiempo, la dureza del material aumenta y alcanza un valor máximo. En ese momento, el material está madurado de manera óptima y presenta la mayor resistencia. Esto se debe a que un material madurado de manera óptima interfiere más en el movimiento atómico.
Si se calienta aún más el material, pasa el punto de máxima resistencia y la resistencia comienza a disminuir nuevamente. Esto se conoce como sobreenvejecimiento. Los materiales sobreenvejecidos no son tan duros como los materiales madurados de manera óptima.
El endurecimiento por envejecimiento proporciona los siguientes beneficios:
Mayor resistencia – Para muchos materiales, la resistencia puede aumentarse hasta cuatro o cinco veces. Esto ofrece muchos beneficios, como piezas más pequeñas, costos menores, peso reducido y operación más segura.
Mayor dureza – El endurecimiento por partículas hace que los metales sean más duraderos, ya que no se desgastan tan fácilmente.
Mejor resistencia a la corrosión – Dependiendo de la aleación, el endurecimiento por envejecimiento puede mejorar la resistencia a la corrosión. Esto es especialmente deseable en componentes que están frecuentemente expuestos a compuestos corrosivos, como productos químicos y agua de mar.
Mejor ductilidad – El endurecimiento por precipitación también puede mejorar la ductilidad de un producto. Esto aumenta la resiliencia y previene grietas y roturas.
Conclusión
El endurecimiento por precipitación es un proceso ampliamente utilizado para mejorar la resistencia de muchos tipos de metales y aleaciones. Sin embargo, hay dos limitaciones principales: el costo y el potencial de distorsión. El proceso es más costoso que muchos otros métodos de tratamiento térmico, ya que requiere un calentamiento adicional después del temple. Esto puede tomar desde unas horas hasta varios días en algunos casos. La distorsión del material es un riesgo con ciertas aleaciones en la fase de temple.
Sin embargo, los beneficios únicos que ofrece el endurecimiento por precipitación lo convierten en una opción atractiva. El proceso garantiza un metal más duro y resistente cuando se realiza correctamente, lo cual es especialmente útil para metales blandos como el aluminio.
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