Tanto si es nuevo en el tratamiento térmico como si desea ampliar sus conocimientos técnicos, este recurso educativo le ofrece una visión clara de los eutécticos y su papel en el tratamiento térmico.
Lo que aprenderá:
- Qué son los eutécticos y por qué son importantes
- Cómo leer e interpretar los diagramas de fases
- Cómo las reacciones eutécticas pueden favorecer o alterar el rendimiento de los hornos
Desde los fundamentos de la soldadura fuerte hasta consejos para evitar costosos fallos en los materiales, esta guía está pensada para operadores de hornos, ingenieros y cualquier persona involucrada en la industria del tratamiento térmico o que esté explorando una carrera profesional en este sector.
Conceptos básicos
En la Universidad de Ciencias de la Salud y Farmacia de Saint Louis destaca la mascota deportiva: Mortarmer "Morty" McPestle, el eutéctico luchador. Mortarmer "Morty" McPestle, el eutéctico luchador, representa la mezcla de rigor académico y competitividad deportiva de la universidad. eutéctico tiene un significado muy diferente -y más científico- para los alumnos del laboratorio de química.
En química, eutécticos se refiere a la forma en que dos sustancias pueden interactuar para crear un punto de fusión más bajo que el que tendría cualquiera de ellas por sí sola. La palabra eutéctico proviene de raíces griegas y significa "bien fundido". Fue acuñado en 1884 por el físico y químico británico Frederick Guthrie.
Las reacciones eutécticas están a nuestro alrededor. Un ejemplo común es la adición de sal al agua, que reduce el punto de congelación, lo que resulta útil para hacer helados o despejar carreteras heladas. Las impresoras de chorro de tinta utilizan materiales eutécticos para funcionar a bajas temperaturas, y algunos anestésicos tópicos emplean una mezcla eutéctica de lidocaína y prilocaína que se convierte en líquido a temperatura ambiente.
El papel de los eutécticos en la metalurgia
Cuando se combinan correctamente a determinadas temperaturas, las reacciones químicas eutécticas crean importantes aleaciones metálicas. Los metalúrgicos pueden optimizar la resistencia, dureza, ductilidad, limpieza, densidad y otras cualidades importantes de estas aleaciones mediante una serie de pasos de procesamiento térmico. Pero las reacciones eutécticas deben gestionarse con cuidado.
Cuando se produce un acontecimiento eutéctico inesperado en un horno de vacío, El proceso puede deformar las piezas, crear fragilidad o dureza inesperada, fundir las piezas y accesorios en un charco en el fondo de la zona caliente, o causar cualquiera de una serie de otros problemas que van desde ligeramente inconveniente a catastrófico.
Por eso es esencial comprender un diagrama de fases.
Lectura de un diagrama de fases básico
Las transformaciones de fase son una parte fundamental del proceso de tratamiento térmico. Un conocimiento básico de las reacciones eutécticas y los diagramas de fases ayuda a los operarios de hornos a comprender lo que ocurre detrás de las paredes selladas y refrigeradas por agua de un horno de vacío. (para quienes ya estén familiarizados con los diagramas de fases, pueden pasar a la sección siguiente.)
Para comprender mejor la eutéctica, repasemos el escenario de la sal y el hielo y veamos cómo funciona ese diagrama de fases.
En este ejemplo del Departamento de Transporte de EE.UU., se comparan dos sales diferentes que pueden utilizarse para deshelar las carreteras nevadas en invierno: NaCl (sal de mesa) y CaCl₂ (sal de cloruro cálcico). Tenga en cuenta que tanto la sal de mesa como el cloruro cálcico son sólidos a temperatura ambiente (70 °F/20 °C).
En ambas situaciones, la reacción y los resultados documentados pueden producirse cuando el agua comienza como líquido o como sólido. Por eso la sal es una herramienta eficaz para derretir el hielo en carreteras, calzadas, aceras y carriles bici.
Aunque la temperatura de congelación del agua pura es bien conocida (32 °F/0 °C), podemos observar que la disolución de sal de mesa en agua disminuye significativamente el punto de fusión del agua, hasta una concentración de aproximadamente el 23 por ciento de sal. En una solución ideal a esa concentración, el punto de congelación desciende (-4 °F/-21 C). Añadir más sal a esa concentración no bajará más el punto de congelación, sólo dejará residuos de sal sin disolver. Sin embargo, las sales de cloruro cálcico pueden disolverse en agua a una concentración mucho mayor, creando una solución que tiene hasta un 29% de CaCl₂ disuelto. Como resultado, esa solución tiene un punto de congelación aún más bajo (-60 °F/-52 °C).
Leyendo el diagrama de fases, el gráfico de cada sal revela una forma de V que separa el estado de la solución. Dentro de la V se encuentra una solución totalmente líquida de sal y agua -la solución a estas concentraciones porcentuales y a estas temperaturas está totalmente fundida y disuelta-. A la izquierda de la V se encuentra una mezcla de hielo y solución, hielo parcialmente derretido. A la derecha de la V se encuentran las sales no disueltas y una solución líquida, como el residuo de sal que queda cuando el hielo derretido baja por la acera y llega al desagüe. Por debajo de la línea discontinua hay sal sólida y hielo sólido: el sistema está demasiado frío para que la sal se disuelva en el hielo.
Por tanto, la V refleja la zona eutéctica, la parte del sistema en la que la combinación de dos sustancias crea un cambio de fase de sólido a líquido a una temperatura determinada que ninguna de las sustancias experimentaría sin la presencia de la otra.
Los diagramas de fases también pueden incluir datos de reacción adicionales; por ejemplo, algunos gráficos muestran cómo afecta la presión atmosférica a los cambios de fase. Esta información es especialmente importante cuando se evalúan reacciones en un horno de vacío.
¿Qué tiene esto que ver con la metalurgia?
Cuando los metales se calientan a temperaturas suficientemente altas, se funden y pasan a estado líquido. La temperatura a la que un metal se funde sin que queden sólidos suspendidos en el líquido fundido se denomina temperatura de liquidus.
Las imágenes de metal fundido vertido en moldes -ya sea para fundir espadas o fabricar componentes- suelen mostrar una mezcla de hierro y carbono. Esta combinación forma una reacción eutéctica que produce hierro fundido o acero con propiedades específicas y deseables.
Desde los cuchillos de acero inoxidable hasta las sartenes de hierro fundido, todos los metales forjados y fundidos dependen de estas interacciones eutécticas tanto para determinar sus puntos de liquidez como la calidad del metal una vez que la pieza se ha enfriado a temperatura ambiente. Las principales diferencias en sus características vienen determinadas por la concentración de carbono en el hierro y la velocidad de enfriamiento de la pieza.
Eutécticos y soldadura fuerte
En el mundo de los hornos de vacío, un buen ejemplo de eutéctica prevista es la soldadura fuerte. Al igual que la típica soldadura de banco, las aleaciones de aportación para soldadura fuerte están diseñadas para tener un punto de fusión inferior al de las piezas a las que afectan, aunque compartan un elemento metálico primario.
Al fundir la aleación de relleno, el material utiliza la acción capilar para fluir en las costuras y huecos de las piezas metálicas, creando una conexión o sellado limpio, completo y visualmente atractivo.
Los hornos de vacío son excepcionales en procesos de soldadura fuerte de materiales muy susceptibles a la oxidación, como el aluminio y el titanio. Los controles de temperatura de precisión y los sistemas de supervisión dentro de un horno de vacío garantizan que el proceso funde el material de soldadura fuerte, dejando inalterados los materiales de las piezas.
Considera que soldadura fuerte de aluminio a menudo implica el uso de una aleación de aluminio y silicio. Este diagrama de fases muestra que el aluminio y el silicio, cuando se alean en una solución aproximada de 88% de Al y 12% de Si, tienen un punto de fusión eutéctico de 577 °C/1070 °F, casi 100 °C más frío que el punto de fusión del aluminio puro.
El uso de material de soldadura fuerte de aluminio-silicio en una pieza de aluminio puro garantizará la consistencia de las cualidades metálicas para su posterior fabricación y funcionamiento. El proceso de soldadura fuerte produce una unión resistente a la corrosión y de resistencia media. El ajuste de la concentración de silicio en la solución puede generar diversas ventajas y limitaciones, en función del uso final previsto del producto.
Control de las reacciones eutécticas en un horno industrial
En esta sección, examinaremos más detenidamente por qué los operadores de hornos son tan cautelosos con las interacciones eutécticas no deseadas durante un proceso de tratamiento térmico y cómo evitarlas.
Reacciones eutécticas que salen mal
Hablemos de dos metales comunes que suelen utilizarse en el tratamiento térmico: el níquel y el titanio.
En un horno de vacío, es bastante habitual que los operarios utilicen una fijación de níquel o de aleación de níquel. Las cestas y rejillas de níquel son duraderas, pueden soportar temperaturas de hasta 1400 °C/2500 °F y son relativamente baratas en comparación con otros materiales resistentes a altas temperaturas.
Y es bastante habitual encontrar operadores de hornos de vacío que procesan titanio. La tendencia del titanio a crear óxidos estables significa que el tratamiento térmico del titanio en un horno de vacío es óptimo para evitar la creación de óxidos durante una receta.
Como se puede ver en el diagrama de fases anterior, el níquel y el titanio tienen muchísimos puntos eutécticos, todos los cuales pueden producir una fase líquida repentina y no deseada. Los termoprocesadores que han tenido la experiencia de nuevos operarios colocando una pieza de titanio en una cesta de aleación de níquel suelen contar historias de terror sobre metales fundidos que se acumulan en el fondo de la zona caliente.
Tampoco hace falta mucho para desencadenar una reacción eutéctica. Basta con que dos partes se toquen a la temperatura adecuada para que se desencadene una reacción que seguirá su curso hasta que los metales se fusionen o alcancen el equilibrio químico. En el caso del diagrama eutéctico níquel-titanio, existen varios estados de equilibrio eutéctico, hasta el punto de que el diagrama parece una pelota que rebota. Estos distintos puntos eutécticos nos recuerdan que la volatilidad química también afecta a los sólidos, como cuando se esparce sal sobre hielo.
La reacción níquel-titanio no es la única que crea problemas inesperados a los operadores de hornos de vacío. Otros metales que deben procesarse con cuidado cuando se encuentran adyacentes dentro de un horno de vacío son: níquel y carbono, hierro y titanio, carbono y titanio, y hierro y carbono. Utilización de barreras eutécticas y haciendo referencia a la tabla de temperaturas de materiales compatibles en casos relacionados con estos materiales.
Muchas empresas de tratamiento térmico hacen que los metalúrgicos revisen la composición de todo, desde las piezas hasta los accesorios, seleccionando los ajustes correctos del horno y el diseño de la zona caliente para optimizar las piezas que procesan con más frecuencia. Consultarán diagramas de fases y buscarán recursos como barreras eutécticas para proteger la inversión que hicieron al comprar el horno.
Hay que formar a los operarios de los hornos para que comprendan las consecuencias de no seguir los protocolos. Y los equipos de mantenimiento de los sistemas de hornos deben ser buenos vigilando e informando de los indicios de que se está produciendo una reacción química no deseada dentro de la cámara.
Barreras eutécticas
Los operarios de tratamiento térmico no tienen por qué saber leer un diagrama de fases para saber que tienen problemas de adherencia de piezas a las fijaciones. Tanto si utilizan cestas comunes de aleación de níquel como fijaciones de grafito, a veces los usuarios necesitan encontrar una respuesta rápida al problema y seguir adelante. La solución más común al problema es: la cerámica.
He aquí tres productos útiles que hay que conocer cuando se busca una solución cerámica a un problema eutéctico.
- Recubrimientos cerámicos antieutécticos - Los revestimientos cerámicos, que crean una barrera entre los componentes que se tratan y sus fijaciones, pueden resistir temperaturas muy elevadas y crear una barrera completamente inerte entre ambos. Aunque un revestimiento cerámico puede crear una barrera completa en cualquier punto en el que una pieza pueda entrar en contacto con el accesorio, el coste del revestimiento de sus accesorios de carbono-carbono (C/C) puede ser elevado, y el accesorio tendría que inspeccionarse periódicamente en busca de virutas o grietas provocadas por la carga y descarga de piezas.
- Placas cerámicas de alúmina - El apilamiento de piezas en una bandeja o cesta de compuesto de fibra de carbono (CFC) puede crear infiltraciones de carbono no deseadas en determinadas aleaciones. Las placas de alúmina cerámica pueden crear una barrera plana y agradable entre las piezas y la cesta, especialmente útil para piezas de metal en polvo.
- Tela de fibra cerámica - Se trata de una tela desechable de bajo coste que puede cortarse de un rollo como si fuera una hoja de papel gigante.th pulgadas de grosor. Es un producto de un solo uso que debe reponerse siempre mucho antes de que se consuma el último rollo. Los operarios también deben tener cuidado al cargar/descargar el accesorio de que la manta cubra todas las zonas donde las piezas puedan encontrarse con el accesorio, incluso si se desplazan mientras se cargan en el horno.
Si se ha producido una reacción eutéctica inesperada en su zona caliente y necesita reparar su horno, póngase en contacto con 1-844-GO-IPSEN para programar una visita de servicio.