Análisis de endurecimiento superficial y transferencia de masa en sólidos

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UNIVERSIDAD DE GUAYAQUIL

Facultad de Ingeniería Química

Paralelo: IQI-S-CO-6-1

Análisis de Endurecimiento Superficial y Transferencia de Masa en Sólidos

Transferencia de Masa

Grupo 1:

Aguirre Cacao Scarlet Dayana

Baque Cabrera Bryan Alexander

Jimenez Zamora Adrián

Vaca Catute Melany Tatiana

Varón Guzmán Stiven

Villanueva Chila Nicole Alejandra

Docente:

Ing. Desirée Álvarez

Guayaquil, 23 de enero de 2025

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Análisis de Endurecimiento Superficial y Transferencia de Masa en Sólidos

Introducción

El endurecimiento superficial, es un proceso de tratamiento térmico que incrementa la dureza de la superficie de los materiales metálicos, preservando la ductilidad del núcleo. Este proceso es particularmente útil en piezas fabricadas con aceros de bajo contenido de carbono, como el acero 1018, que, por su composición, carecen de la dureza necesaria para aplicaciones de alto esfuerzo.

El proceso de endurecimiento superficial es ampliamente utilizado en aplicaciones industriales que requieren precisión y durabilidad, como en herramientas de maquinado, engranajes y componentes mecánicos expuestos a fricción. En el videoblog de Machine Tech, se presenta una demostración detallada de la carbonización, una técnica tradicional que permite agregar carbono al acero para mejorar su dureza. Este método consiste en exponer el acero a un ambiente rico en carbono a altas temperaturas, permitiendo que los átomos de carbono se difundan hacia la superficie del metal.

Este trabajo se centra en analizar los conceptos fundamentales del endurecimiento superficial, relacionándolos con los principios de transferencia de masa, los cambios físicos y químicos observados y los cálculos teóricos asociados al proceso. Además, se evalúan los factores que influyen en la profundidad de penetración del carbono, como la temperatura, el tiempo de exposición y la composición del acero.

Objetivo

Analizar el fenómeno de transferencia de masa durante el proceso de endurecimiento

superficial de materiales sólidos, utilizando como referencia el contenido visual del video

proporcionado sobre "Case Hardening".

Desarrollo

Proceso de endurecimiento superficial por el método de carbonización

En una caja metálica se añade carbón pulverizado, puede ser carbón vegetal, asegurándose la barra metálica tenga al menos una pulgada de carbón en todas las superficies. La caja se cierra, y los espacios son sellados con arcilla refractaria. Se usa esta arcilla porque tiene la capacidad de soportar hasta 1500°C (1773K) sin perder sus propiedades, siendo un perfecto material sellador para este trabajo. Es importante que el empaque esté sellado, manteniendo un sistema cerrado que evita el consumo de carbón como combustible, permitiendo que alcance los casi 1200°C de temperatura por las 8 horas necesarias en este proceso. Finalizadas las 8 horas, se deja enfriar a temperatura ambiente, sin inducir un choque térmico, debido a que esto cambiaría la estructura física de aleación, incrustando carbón no deseado. Luego de su enfriamiento lento, es regresado al horno a aproximadamente 800°C con el fin de consumir el cabrón en exceso y provocar una reacción química en la capa superficial, para luego generar un choque térmico en agua fría, permitiendo que el cementita se incruste en la capa externa de la aleación. Finalmente, se añaden las piezas nuevamente al horno, esta vez a una temperatura de 200°C durante una hora, dejando que se enfríe a temperatura ambiente, con la finalidad de fortalecer la aleación.

Principales cambios físicos y químicos

En este proceso, el principal cambio físico buscado es aumentar la dureza de la capa exterior del acero, pasando de 10 HRC a 60 HRC en la escala de Rockwell. Sin embargo, esta dureza es únicamente exterior, en el interior, conserva la dureza de 10HRC, lo que le permite una mayor flexibilidad del material, que significa una mayor resistencia a estrés, algo necesario en el acero usado para construcción.

Los cambios químicos que sufre el bloque de acero forman parte de un proceso llamado Carbonización, donde la capa exterior del bloque, con ayuda de un aumento de temperatura, reacciona el hierro con el carbono, formando Fe3C en la capa exterior. El primer paso en el horno también genera perlita, que luego de ser calentado, genera austenita, que al ser enfriada con un choque térmico, permite que la capa de Fe3C y austenita no puedan separarse, materiales que permiten que su dureza aumente en 50 HRC en la escala de Rockwell

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