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Mayo 2018

Aplicaciones en manufactura de los mecanismos de difusión Bocanegra González Angie Marcela. Cód. 1611020114, Castañeda Cardona Ángela María. Cód.1521024898, Chaparro Figueroa Erika María Cód. 15210212211, Domínguez Lina María. Cód.1511024565, Plata Martínez Ana María. Cód. 1221070225, Chaverra Mazo Maribel. Cód. 1521022629 Politecnico Grancolombiano, Institución Universitaria Bogotá D.C, Colombia

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Abstract - El presente trabajo consiste en un compendio de diferentes estudios sobre la aplicación en manufactura de los mecanismos de difusión, a partir de la cual se realizó un análisis de los movimientos de los átomos en los diferentes materiales utilizados en manufactura.

Índice de términos A. Alotrópico: estructura que tiene distintas propiedades físicas y químicas causadas por agrupaciones de átomos que constituyen sus moléculas. B. Átomos: Unidades básicas de materiales con propiedades químicas bien definidas. C. Difusión Intersticial: Traslado de partículas de un lugar intersticial a otro. D. Difusión Vacancia: Movimiento de átomos por sustitución o donde hay vacantes. E. Difusión: En física significa el proceso por el cual se mueven los átomos. F. Manufactura: proceso de fabricación de productos de forma manual o industrial con diferentes materias primas de acuerdo a los productos que se quieran fabricar.

El estudio radicó en construir un marco referencial donde se observó el entorno y los antecedentes en la industria que definen cada concepto con base en fundamentos científicos, empleando una metodología de análisis de contenidos, verificando en fuentes autorizadas tomando como partida cinco documentos donde se aborda el tema de la manufactura y sus procesos específicos en torno a la industria. Los resultados del análisis permitieron detectar los diferentes empleos de la difusión en la industria, como se fueron adaptando y tecnificando con el paso del tiempo, así como el mejoramiento continuo de acuerdo a las necesidades específicas.

TABLA I “ARTÍCULOS CIENTÍFICOS”

Palabras Claves: Difusión, manufactura, movimiento I.

INTRODUCCIÓN

Este artículo está basado en estudios que desglosan las diferentes aplicaciones en manufactura de los mecanismos de difusión se realiza con fines educativos, donde el equipo debe desarrollar competencias de trabajo en equipo, identificando operaciones en procesos industriales en documentos científicos, para desarrollar resúmenes compactos, pero claros, poniendo una postura crítica, realizando análisis, comparaciones del comportamiento físico de los materiales en procesos industriales. 1

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N °

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DOCUMENTO

Endurecimiento Superficial del Acero

RESUMEN

BIBLIOGRAFÍA

Llamamos difusión al movimiento de átomos en un material, en un sólido metálico tenemos difusión propia y sustitucional, Necesarios para tratamientos térmicos de metales, conductividad

[1]. M en I. F. Castillo, “Endurecim iento superficial del acero”, Laboratorio de

Mayo 2018 eléctrica y manufactura de cerámicos. Los factores que afectan el flujo de átomos son gradiente de concentración, energía de activación, mecanismos y tiempos de difusión, etc.

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Procesos Básicos de Manufactura

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LIBRO Fundamentos manufactura moderna: materiales, procesos sistemas.

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Capítulo 1 La estructura de los metales

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de

y

En los procesos de manufactura hay varios relacionados a los mecanismos de difusión, entre ellos se encuentra el de endurecimiento, soldadura, donde se logra estabilidad, esto teniendo como principio estructuras en equilibrio, obteniendo composiciones homogéneas y uniformes, donde el tratamiento tiene estrecha relación entre la temperatura vs tiempo de tratamiento. Los procesos de difusión son operaciones que buscan el ensamble de componentes, para lo cual la capacidad tecnológica de los procesos está estrechamente relacionada con el tipo de material, presión y temperatura. Algunos procesos de manufactura requieren de aleaciones de materiales que permitan generar otras donde se distribuyen los átomos buscando equilibrio. La difusión de los metales la podemos evidenciar en su estructura cristalina, pues los átomos se organizan en varias formas ordenadas. Los metales utilizan varios arreglos atómicos los cuales se conocen como celda unitaria, y los cristales en su composición pueden tener varias de ellas. Y la organización de estos átomos determina las

tecnología de materiales, Dep. de Ingeniería, Facultad de estudios superiores Cuautitlán Izcalli 2007 [2].H. C. Kazanas, Glenn E. Baker, and Thomas Gregor, “Procesos básicos de manufactur a”. F.G. Noriega, McGrauw Hill, México S.A., 1983. pp 106, 306, 309 [3].M.P. Groover, “Fundamen tos de manufactur a moderna”. M.A. Martínez, Pearson Prentice Hall, México. 1997. Pp 103, 755.

[4]. S. Kalpakjian, S. R. Schmid, “Manufactu a, ingeniería y tecnología – Cuarta edición”. J. Tujano, Pearson Educación, México. 2002. Pp. 814 - 843

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Sintonización reactiva en estado sólido controlada por difusión de cerámicas transparentes

II.

propiedades de cada metal. La sintonización reactiva de estado sólido se controla por medio de la difusión, esto es debido a que es uno de los procesos más importante al momento de realizar la fabricación de cerámicas, donde las principales partículas de polvo son a temperatura elevada junto con el movimiento de átomos por disfunción.

[5]. [1]B. Liu, J. Li, M. Ivanov, W. Liu, L. Ge, T. Xie, H. Kou, S. Zhuo, Y. Pan and J. Guo, "Diffusioncontrolled solid-state reactive sintering of Nd:YAG transparent ceramics", Ceramics International , vol. 41, no. 9, pp. 1129311300, 2015.

GENERALIDADES

Muchos de los procesos involucrados, en la producción y utilización de ingeniera, están relacionados a la velocidad a la cual los átomos se mueven en estado sólido, donde estos procesos implican reordenamientos espontáneos de átomos a nuevas y más estables disipaciones atómicas, es importante tener en cuenta que la difusión es el fenómeno de transporte de masa por movimiento de átomos que se realiza dentro de una red cristalina y no cristalina. [1] En la red cristalina cuando los átomos se localizan en posiciones regulares y en tres dimensiones las cuales son: cúbica centrada en el cuerpo, cúbica centrada en las caras y hexagonal de empaquetamiento compacto, estos cambian de estructura dependiendo de la temperatura en que se encuentren, este cambio de estructura se conoce como alotrópico. En la red no cristalina existe ausencia de un orden de largo alcance en su estructura molecular y las diferencias de la fusión y la expansión térmica. La principal diferencia entre los metales cristalinos y no cristalinos se evidencia en la respuesta de sus estructuras atómicas ante los cambios de temperatura. Dichos movimientos son necesario para los tratamientos llevados a cabo sobre los materiales, dentro de los cuales se encuentran los térmicos de metales, manufactura de cerámicos, solidificación de metales, fabricación de celdas solares. Dependiendo de los factores de estructura e imperfecciones cristalinas, donde el tamaño del grano es más pequeño ocupando

Mayo 2018 un espacio intersticial y se mueve de un sitio a otro, donde es importante tener en cuenta que las estructuras atómicas y moleculares, de acuerdo al volumen de producción.

superficial, Los tratamientos más comunes son: carburización, nitruración, carbonitruración y boración.

Adicionalmente y de acuerdo a la estructura se da el movimiento de los átomos en espacios vacíos hasta encontrar una estabilidad en los materiales, motivo por el cual se le da el nombre de difusión por vacancia o sustitución.

Entre los métodos empleados para obtener el endurecimiento superficial del acero se detallan los siguientes: Cementación o carburación (solida, gaseosa y liquida), cianuración (liquida y gaseosa), Nitruración (gaseosa), Soliciado, Borado, Cromizado.

1.

Ilustración

Figura 1. Mecanismos de difusión en materiales (a) difusión de átomos por vacancia o por átomos de sustitución y (b) difusión intersticial.

También encontramos mecanismos cíclicos: donde más de tres átomos situados en un círculo se mueven coordinadamente a una distancia interatómica dado que la materia se transporta a través de la materia en estado sólido, líquido y gaseoso, siendo el movimiento de los átomos. Cuando los átomos se mueven de una posición a otra, están moviéndose en los materiales sólidos que son puros y a lo que se conoce como autodifusión. III.

APLICACIONES

Dentro de las aplicaciones mencionadas ampliaremos el tema con una aplicación puntual en la manufactura: 3.1 Endurecimiento Superficial del Acero:

Una razón principal para el endurecimiento del acero, es retardar el desgaste en superficies de soportes al frotamiento y al límite de fatiga de la pieza que se trata pero para lograr tal efecto se requiere la difusión al movimiento a través de átomos en un material, tratando de eliminar diferencias de concentración y de producir una composición homogénea y uniforme en un sólido metálico para endurecer las superficies exteriores seleccionadas de muchas partes de máquinas para soportar el desgaste, dejando sus núcleos suaves, dúctiles y tenaces. [3] El endurecimiento superficial del acero se puede conseguir, fundamentalmente, mediante dos procedimientos: modificando la composición química de la superficie mediante la difusión de algún elemento químico (carbono, nitrógeno, azufre, etc.) en cuyo caso se le conoce como tratamiento termoquímico o modificando sólo la micro-estructura de la superficie por tratamiento térmico, conociéndose entonces como tratamiento 3

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Debido a la variedad de los tratamientos térmicos es importante saber y distinguir las diferencias y características que se obtienen con cada uno de los diferentes tipos de tratamientos térmicos , ya que podemos obtener mejor resultado sabiendo aplicar cada uno de ellos y entender los procedimientos básicos que éste encierra para un mejor trabajo; hoy, mañana y siempre estos tratamientos estarán presentes porque este campo va a hacer infinito, el acero es una materia prima, podría existir diversas aleaciones pero acero estará presente y las características de este no se encajan del todo a nuestras necesidades y por eso es necesario el manipularlo hasta llevarlo a lo más extremo en lo que queremos obtener, mayor ductilidad, mayor dureza, entre otras propiedades presentes en los aceros. IV.

POSTURA CRÍTICA DEL GRUPO

Desde hace varias décadas los procesos de difusión presentan grandes beneficios en la manufactura ya que permite aleaciones de elementos, permitiendo estructuras sólidas y en equilibrio. Dependiendo de la necesidad se hacen procesos diferentes de forma manual e industrial debido a que tiene muchos ámbitos de aplicación en la industria [4]. V.

ANÁLISIS DE LA POSTURA CRÍTICA

Las propiedades térmicas de la manufactura, se considera como el manejo de calor en muchos procesos los cuales se llevan a cabo a temperatura de ambiente, elevando una función específica dentro de los metales, donde este con el calor implicado debe concentrarse en la unión para que el metal pueda fundirse. No obstante la difusión de la masa implica el movimiento de átomos o moléculas dentro del material donde se tiene un límite de movimiento entre los dos materiales en contacto, es importante tener en cuenta que el principio de ambos metales tienen su propia estructura atómica, pero a medida del tiempo se tiene un intercambio de átomos donde el ensamble de ambas piezas alcanzan una composición uniforme. La difusión de masa se utiliza en varios procesos donde se parte de un buen tratamiento con el fin de realizar endurecimientos, los procesos que más son usados son los de soldaduras donde permite realizar la unión de los dos

Mayo 2018 componentes de una manera permanente, es importante tener presente que la manufactura es la responsable de analizar los procedimientos de cambios y su reducción de tiempos por medio del mejoramiento continuo. Después del estudio realizado podemos identificar que la manufactura es la transformación de los materiales en artículos después de operaciones de ensamblado, el fin es agregarles valor a los artículos. Estos los podemos clasificar en tres grupos de materiales: metales, cerámicos y polímeros. Los metales los encontramos como ferrosos tal como el hierro, el cual cuando se combina con carbono tiene más usos. También están los no ferrosos los cuales son los metales puros y aleaciones como aluminio, oro, plata entre otros. Los cerámicos son un compuesto que contienen elementos metálicos y no metálicos como el oxígeno, hidrógeno y carbono. Ejemplos de estos son la arcilla, alúmina y nitruros.[5] Los polímeros están formados por unidades estructurales repetidas las cuales se llaman meros en los cuales los átomos comparten electrones, los encontramos como termoplásticos o termoestables. VI.

CONCLUSIONES

Al desarrollar este trabajo hemos aprendido la importancia que tienen los procesos de difusión en la manufactura, dado que son muy frecuentes en la industria pues dependiendo de sus decisiones esto influirá positiva o negativamente en las utilidades de la empresa y la participación de mercado, además de que dependiendo de las aplicaciones y mejoramientos dependerá el cumplimiento de los compromisos adquiridos por la empresa . El trabajo en equipo permite fortalecer las habilidades administrativas, llegar a acuerdos realizando debates referentes a los temas asociados a los trabajos grupales, los cuales nos ayudan en la vida personal, profesional y laboral. El proceso de la difusión presenta grandes ventajas para la industria manufacturera, debido a que se obtienen elementos, materiales y compuestos que vienen siendo un factor esencial en la tecnología moderna, ciertos elementos son conformados por átomos que es lo que hace que los metales, cerámicos se dejen manipular y presentan diferentes formas, tamaños y colores, composiciones homogéneas y uniformes. Para la manufactura de hace varias décadas y la moderna se nos hace indispensable los procesos de difusión, en la industria y en la manufactura lograr un cerámico, una modificación de un metal, los ensambles son gracias a estos procesos industriales. Para tomar decisiones se deben realizar análisis exhaustivos para determinar consecuencias, medirlas, cuantificarlas y valorar su impacto. 4

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En los procesos de tratamientos de metales se encuentra la transferencia de masa esta, cuando los átomos de un metal difunden en otro a esto se le llama difusión de impurezas que es el cambio de concentración que ocurre con el tiempo. La difusión puede ser de forma rápida o lenta. En la rápida encontramos los mecanismos con baja densidad, átomos pequeños, materiales con enlaces secundarios y en la lenta se encuentran materiales con alta densidad, átomos grandes, materiales con enlaces covalentes. [6]

Referencias [1]. M.P. Groover, “Fundamentos de manufactura moderna”. M.A. Martínez, Pearson Prentice Hall, México. 1997. Pp 103, 755. [2]. S. Kalpakjian, S. R. Schmid, “Manufactura, ingeniería y tecnología – Cuarta edición”. J. Tujano, Pearson Educación, México. 2002. Pp. 814 – 843 [3]. M en I. F. Castillo, “Endurecimiento superficial del acero”, Laboratorio de tecnología de materiales, Dep. de Ingeniería, Facultad de estudios superiores Cuautitlán Izcalli 2007 [4]. H. C. Kazanas, Glenn E. Baker, and Thomas Gregor, “Procesos básicos de manufactura”. F.G. Noriega, McGrauw Hill, México S.A., 1983. pp 106, 306, 309

[5]. B. Liu, J. Li, M. Ivanov, W. Liu, L. Ge, T. Xie, H. Kou, S. Zhuo, Y. Pan and J. Guo, "Diffusion-controlled solid-state reactive sintering of Nd:YAG transparent ceramics", Ceramics International, vol. 41, no. 9, pp. 11293-11300, 2015.