Problema 2 · Ciencia de Materiales UB 2019

Problema 2 (2 puntos). Proceso de nitruración en un acero

La nitruración es un tratamiento termoquímico industrial en el que se difunde nitrógeno desde la atmósfera superficial hacia el interior de un acero. La temperatura habitual del tratamiento es de $570^\circ\text{C}$.

Nota: Para simplificar los cálculos se asume que el acero se comporta como hierro puro en las condiciones del tratamiento y que la concentración inicial de nitrógeno en la matriz es nula ($C_0 = 0$).

Tablas y diagrama de apoyo:

$z$

$\text{erf}(z)$

$z$

$\text{erf}(z)$

$z$

$\text{erf}(z)$

$z$

$\text{erf}(z)$

0,10 · 0,1125

0,15 · 0,1680

0,50 · 0,5205

0,55 · 0,5633

0,60 · 0,6039

0,65 · 0,6420

0,70 · 0,6778

0,75 · 0,7112

0,80 · 0,7421

0,85 · 0,7707

0,90 · 0,7969

1,00 · 0,8427

1,10 · 0,8802

1,20 · 0,9103

a)

A partir del diagrama de fases Fe-N, determinar el porcentaje máximo de nitrógeno en peso que puede fijarse en la superficie de la pieza para evitar rigurosamente la formación de fase $\text{Fe}_4\text{N}$ en cualquier región superficial.

% N

b)

Calcular el coeficiente de difusividad del nitrógeno en la red de ferrita ($\text{Fe}-\alpha$) a la temperatura normal de tratamiento de $570^\circ\text{C}$ ($R = 8{,}314\text{ J/(mol}\cdot\text{K)}$).

c)

Suponiendo que el porcentaje de nitrógeno en la superficie se mantiene constante en un $5{,}2\%$ en peso, determinar el tiempo de tratamiento necesario (en segundos y horas) para alcanzar una concentración de $4{,}5\%$ de nitrógeno a una profundidad de $0{,}7\text{ mm}$.

s

h