Exercicis: Tractaments de millora

Explica què és un tractament tèrmic i cita tres exemples amb el seu objectiu general: quin endureix, quin estova per facilitar el mecanitzat i quin redueix la fragilitat després d'endurir.

Descriu el procés de tremp d'un acer (temperatura aproximada, medi de refredament i microestructura resultant) i explica quines propietats guanya i quin inconvenient introdueix.

La figura mostra les corbes de refredament de dues peces d'acer idèntiques: una se submergeix en aigua i l'altra es deixa refredar dins del forn apagat. Indica quina corba correspon al tremp i raona quina diferència de duresa esperes entre ambdues peces.

Descriu el recuït: a quina temperatura s'escalfa l'acer, com es refreda i quin efecte té sobre la seva duresa i la seva estructura interna. En quina situació de taller s'aplica abans de continuar treballant una peça?

El normalitzat refreda a l'aire tranquil en comptes de dins del forn. Compara recuït i normalitzat: quin és més ràpid i barat, quin deixa l'acer una mica més dur i per a què s'utilitza el normalitzat després de la forja.

Ordena aquests medis de refredament de major a menor severitat (velocitat de refredament): oli, aire, aigua amb sal. Explica quina relació hi ha entre la severitat del medi, la duresa assolible i el risc d'esquerdes o deformacions.

Explica la idea bàsica de la cementació: quin element es difon a la superfície de l'acer, a quina temperatura aproximada es fa i per què després de cementar cal trempar i revenir la peça.

Distingeix entre tractament tèrmic total (afecta tota la peça) i tractament superficial (només la capa exterior). Posa dos exemples de cadascun i raona per què una dent d'engranatge sol necessitar només tractament superficial.

Després del tremp, els acers solen rebre un revingut. Explica en què consisteix el revingut, quin problema del tremp corregeix i per què una eina trempada sense revenir seria perillosa en servei.

Compara aquests tres tractaments de superfície: cementació, nitruració i recobriment amb cromat dur. Per a cadascun indica què s'afegeix o es modifica a la superfície, una aplicació típica i per què convé endurir només la capa exterior en comptes de tota la peça.

Una fulla de desbrossadora es desafila amb rapidesa i a més pateix cops contra pedres. Proposa una combinació de tractaments tèrmics per a l'acer de la fulla i justifica-la: quina duresa necessita el tall, quina tenacitat necessita el conjunt i com s'aconsegueixen totes dues.

Les corbes TTT (temps-temperatura-transformació) mostren quan comença i acaba la transformació de l'austenita en refredar. Explica qualitativament per què un refredament molt ràpid «salta» les corbes i produeix martensita, mentre que un de lent les travessa i produeix perlita, més tova.

Defineix la trempabilitat d'un acer i explica per què un acer al carboni només es trempa en capes fines mentre que un d'aliat (amb crom o molibdè) es trempa «en massa». Quina conseqüència pràctica té això en triar l'acer d'un eix gruixut?

Després del tremp, una peça llarga ha quedat bombada i una altra presenta microesquerdes. Explica què són les tensions residuals del tremp (diferència de refredament entre superfície i nucli), com produeixen distorsió i quines mesures de procés les redueixen (escalfament uniforme, medis menys severs, disseny de la peça).

Una molla de suspensió necessita duresa però, sobretot, elasticitat i resistència a la fatiga. Proposa la seva seqüència de tractament (tremp i revingut a temperatura mitjana) i raona per què un revingut a baixa temperatura (màxima duresa) seria contraproduent en una molla.

Compara un tractament termoquímic (cementació: modifica la composició de la superfície) amb un recobriment dur tipus PVD (capa dipositada de nitrur de titani): gruix típic, adhesió, temperatura del procés i una aplicació on cadascun és preferible (engranatges enfront de broques).

Al taller de desenvolupament d'un vehicle elèctric lleuger, un tècnic proposa fabricar un eix de transmissió d'acer aliat mecanitzant primer les dimensions definitives (incloent-hi xaveters i seients de coixinets) i aplicant després un tremp i revingut en massa a tota la peça. Afirma que «amb un tremp complet la peça resistirà tant el desgast en els suports com els esforços de torsió».\na) Rebat la proposta del tècnic justificant dos problemes greus que sorgiran: un de dimensional i geomètric durant el tractament i un altre de mecànic en servei sota torsió i càrregues cícliques.\nb) Dissenya un full de ruta alternatiu complet i ordenat per a la fabricació de l'eix (etapes de conformat o mecanització, tractaments tèrmics volumètrics i tractament superficial localitzat).\nc) Justifica cada etapa dissenyada relacionant-la amb la microestructura buscada i la propietat mecànica que confereix a l'eix.

Una factoria fabrica mensualment 1.000 arbres de transmissió de 8,5 kg cadascun. Per garantir la resistència al desgast dels suports i lleves, el departament de producció compara dues alternatives:\n- Opció A: Escalfament de la peça sencera en forn continu de gas durant 3,5 h a 870 °C, seguit de tremp i revingut total en forn elèctric (consum energètic equivalent: 12,0 kWh per peça).\n- Opció B: Tremp superficial per inducció localitzat exclusivament en els suports mitjançant inductor d'alta freqüència durant 8 s amb dutxa integrada i autorevingut, mantenint el nucli en estat de normalitzat previ (consum: 1,4 kWh per peça).\na) Justifica des del punt de vista del comportament mecànic per què l'opció B és preferible a l'opció A per a un component sotmès a fatiga i torsió.\nb) Calcula l'estalvi energètic anual (en kWh i en percentatge) que suposaria adoptar l'opció B enfront de l'opció A.\nc) Un informe ambiental afirma que «el tractament tèrmic més ecològic és aquell que no gasta energia, per la qual cosa convindria suprimir tot tractament tèrmic». Rebat aquesta afirmació avaluant l'impacte ambiental del cicle de vida de l'acer si l'absència de tractament redueix la vida útil de la peça a una quarta part.

Un lot de 500 cisells d'acer al carboni (0,80 % C) per a pedreria s'ha tractat al taller escalfant-los a 880 °C i refredant-los directament en un bany d'aigua amb salmorra a 15 °C. En treure'ls del bany, el 30 % dels cisells presenta esquerdes visibles al llarg del tall. A més, quan els operaris proven els cisells aparentment intactes a l'obra, el tall s'estella i fractura al primer impacte.\na) Analitza les causes metal·lúrgiques d'ambdues fallades (les esquerdes immediates després del bany i la ruptura fràgil en el primer ús), explicant quines fases cristal·lines i quins estats tensionals s'han generat.\nb) Identifica com a mínim dos errors crítics comesos en els paràmetres tèrmics i de refredament del procés.\nc) Dissenya el procediment tèrmic corregit (temperatura aproximada d'austenització, medi de refredament adequat i tractament tèrmic posterior amb el seu interval de temperatura) perquè els cisells presentin alta duresa al tall però la tenacitat requerida per resistir el cop de martell.

Per abaratir costos en la fabricació de pinyons de canvi sotmesos a forts xocs dinàmics i desgast per contacte a les dents, una empresa proposa substituir un acer de baix carboni (0,15 % C) amb tractament termoquímic de cementació per un acer hipereutectoide (0,95 % C) trempat i revingut en massa a 180 °C.\na) Prediu el comportament mecànic i el mode de fallada que patirà l'engranatge de 0,95 % C durant el canvi brusc de marxes al vehicle, comparant-lo amb l'engranatge cementat.\nb) Dissenya la ruta completa de fabricació del pinyó cementat (selecció del tipus d'acer, mecanització, fase termoquímica, tremp, revingut i acabat), justificant la funció microestructural de cada etapa.\nc) Descriu amb precisió el perfil qualitatiu de duresa (HRC) i de concentració de carboni (% C) des de la superfície de la dent fins al centre del seu nucli, justificant per què existeix aquesta variació.

En una premsa industrial s'emboteixen carcasses cilíndriques profundes de xapa d'acer dolç (0,10 % C). El procés requereix dos cops successius d'embotició. Quan es realitzen les dues operacions seguides sense etapa intermèdia, la xapa s'esquinça sistemàticament en el segon cop, registrant-se un 100 % de peces defectuoses. El laboratori d'assajos extreu una proveta després del primer cop i comprova que el límit elàstic ha pujat de 210 MPa a 550 MPa, mentre que l'allargament a la ruptura ha descendit del 35 % al 3,5 %.\na) Interpreta els resultats de l'assaig de tracció explicant a nivell microestructural el mecanisme físic que ha alterat les propietats de l'acer.\nb) Proposa el tractament tèrmic específic que s'ha d'intercalar entre ambdues operacions de conformat, justificant la temperatura de treball adequada respecte als punts crítics del diagrama Fe-C i la transformació que experimenten els grans cristal·lins.\nc) Si incorporar el forn per al tractament intermedi consumeix 0,40 kWh per peça (a un cost de 0,15 €/kWh) i cada carcassa rebutjada per ruptura representa una pèrdua de material i processament de 3,60 €, calcula a partir de quin percentatge de reducció de defectes resulta econòmicament rentable encendre el forn.

Durant la unió per soldadura elèctrica per arc de dos perfils estructurals d'acer semidur (0,45 % C), la inspecció posterior revela la formació d'esquerdes fràgils longitudinals a la Zona Afectada Tèrmicament (ZAT), just al costat del cordó, sense que el material d'aportació presenti defectes. Un assaig microgràfic mostra que a la ZAT la microestructura ha passat de ser ferritico-perlítica a una martensita de gran duresa (59 HRC).\na) Explica com és possible que s'hagi produït un tremp a la ZAT si la unió es va deixar refredar de manera natural a l'aire ambient sense introduir-la en aigua ni oli.\nb) Analitza l'origen físic de les tensions residuals que, combinades amb la martensita, van provocar la fissuració sota cordó.\nc) Dissenya una estratègia operativa per realitzar la soldadura sense que es produeixi aquesta ruptura, justificant metal·lúrgicament la funció del preescalfament de les peces i d'un tractament tèrmic post-soldadura d'alleujament de tensions.

Un lot de passadors roscats d'acer al carboni (0,50 % C) s'escalfa a 850 °C en un forn de mufla amb aire atmosfèric durant 2 h abans del tremp en oli. Després del revingut, l'assaig de duresa superficial dona 32 HRC a la superfície dels filets de la rosca, però en seccionar la peça i mesurar a 0,6 mm de profunditat s'obtenen 52 HRC. A més, les rosques presenten una cascarilla rugosa que arruïna les toleràncies mètriques.\na) Explica mitjançant les reaccions químiques corresponents amb els gasos de l'aire per què s'ha produït aquesta caiguda de duresa superficial i la formació de cascarilla a alta temperatura.\nb) Prediu quines fallades mecàniques patirà el passador si entra en servei muntat en una màquina vibratòria sotmesa a càrregues alternes.\nc) Compara tècnicament i econòmicament dues solucions de forn per evitar aquests dos problemes: forns amb atmosfera controlada (gas reductor o inert) enfront de forns de buit, justificant quin triaries si la producció fos de gran sèrie amb exigències dimensionals estrictes.

En un taller de mecanització han adquirit un lot de broques d'acer per a eines que acaben de ser trempades i es troben a 65 HRC. Per estalviar-se el cost d'un tractament extern, proposen realitzar el revingut al forn elèctric domèstic de la cuina del taller, ajustant el termòstat a 250 °C durant 60 minuts. Com a responsable tècnic, sospites que les limitacions d'aquest electrodomèstic poden arruïnar el lot d'eines.\na) Justifica dues deficiències crítiques que presenta un forn domèstic enfront d'un forn industrial de tractament tèrmic respecte al control de la temperatura i la transferència de calor.\nb) Dissenya un protocol experimental per avaluar la viabilitat del forn abans d'arriscar el lot complet: defineix quines variables mesuraràs, quin instrumental auxiliar necessitaràs (més enllà del termòstat del forn), com distribuiràs les provetes testimoni a la cambra i quins assajos mecànics realitzaràs.\nc) Estableix els criteris quantitatius de dispersió de duresa (HRC) i tolerància tèrmica que determinaran de manera inapel·lable si el forn és apte o s'ha de rebutjar.