TRATAMIENTOS

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Tratamientos Térmicos para Aluminios *Ing. Químico MSc. Johnny F. Obando **Ing. Aeronáutico Esteban Sánchez

Para obtener durezas de hasta 180 Brinell.

Afianzar los conocimientos en cuanto a tratamientos térmicos aplicados a los aluminios es una de las tareas que el sector metalmecánico nacional debe asumir con mucho rigor en la actualidad, no sólo por la desinformación que existe en este campo, sino porque es un tema complejo de vital importancia para ampliar los usos y vida útil de este material y contribuir así al desarrollo de la industria.

Foto: www.constellium.com

Luisa Fernanda Castro Patiño Periodista Metal Actual

En el sentido más amplio de la palabra, un tratamiento térmico se refiere a la modificación de las propiedades mecánicas y la estructura metalográfica de un metal, a partir de aumentos y descensos controlados de temperatura. En el caso de los aceros, dichos procesos son el pan diario de la industria; todos los días cientos de fabricantes realizan o subcontratan la aplicación de tratamientos térmicos para que sus piezas adquieran las propiedades requeridas. En el caso del aluminio la historia es bien diferente, ya que, si bien es el segundo material más usado en la industria metalmecánica y la construcción, aún persiste un gran desconocimiento de este metal y sus características. Por lo general, la industria ignora las propiedades y condiciones del aluminio; es decir, cómo se ha fabricado y cómo emplearlos eficazmente. Desconoce las consecuencias

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que implica que hayan sido deformados en frío y las ventajas y limitaciones de usar tratamientos térmicos en este metal. Por esto, muchas veces los emplean en condiciones inadecuadas, los subutilizan o, peor, los estropean. Específicamente, la razón del desconocimiento de los tratamientos térmicos para aluminios en Colombia, puede deberse a que su aplicación es muy reciente (no más de 15 años); además, a la falta de información. Aunque los tratamientos térmicos para los aceros no son simples, para los aluminios son más complejos, no sólo porque la finalidad con la que se aplican es distinta –un temple en un material ferroso sirve para endurecer; mientras que, en el aluminio para estabilizar su estructura– sino porque los métodos, temperaturas y tiempos varían ostensiblemente. Por esta razón, es muy delicado contratar con cualquier empresa este tipo de procesos, pues el usuario puede perder su inversión. Básicamente, para fabricar (mecanizar) una pieza de aluminio que se comporte y resista las condiciones requeridas, es indispensable conocer e identificar exactamente con qué clase de procesos fue elaborado el material, entre éstos el tratamiento térmico que tiene. A su vez, es necesario saber el tipo aleación y los procesos de deformación a los cuales fue sometida la pieza, pues el conjunto de estos elementos establecen finalmente las propiedades finales del producto. En el aluminio y sus aleaciones el tratamiento térmico está íntimamente relacionado con la composición del material y los procesos de deformación. De hecho, para aumentar las tensiones internas, elevar la resistencia a la tensión y el esfuerzo de fluencia, el material debe recibir procesos combinados de temperatura y deformación física, junto a un reposo o maduración al medio ambiente o en ambientes artificiales. La diferencia entre cada tratamiento estriba en la secuencia y la combinación de dichos procesos.

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Los Aluminios Según su Estado La industria del aluminio utiliza un código de letras y números, establecido por la norma ANSI H35.1-1988, para indicar qué procesos físicos y térmicos han intervenido en la elaboración del material final. No sólo es importante percatarse del tipo de tratamiento térmico, también es vital establecer la deformación, pues la combinación de ambos es lo que se conoce como tratamiento final. El código inicia con cuatro dígitos que indican el tipo de aleación, posteriormente, viene una letra que identifica en qué estado se encuentra el material. (Ver artículo: Las Aleaciones de Aluminio y su Importancia en la Industria Aeroespacial. En la página 32 de esta edición). La letra mayúscula F es para un aluminio en bruto, tal como sale del proceso de fabricación; un cero indica el

F

recocido y la H significa que la pieza ha sufrido un proceso de deformación en frío, el cual se ha realizado desde fabricación. Después de la letra o el número cero se encuentran algunos dígitos que especifican el tipo y grado de deformación que pueden ser rolado, laminación, estirado y trefilado. Ejemplo aluminio 5086-H34. (Ver tabla: Clasificación de aluminios según su deformación previa). Esta información es relevante en la medida que el industrial debe adaptar sus procesos de manufactura con base en el conocimiento del aluminio, proceso de fabricación y tratamientos. Vale anotar que el acero también tiene el mismo fenómeno de deformación en frío, pero a diferencia del aluminio, no está clasificado o designado, es decir es inherente al proceso de fabricación. Además en el aluminio dichos procesos cambian la dureza y su resistencia mecánica.

Clasificación de aluminios según su deformación previa En bruto. Es el material tal como sale del proceso de fabricación.

0

Recocido. Se aplica a materiales ya sea de forja como de fundición que han sufrido un recocido completo.

01

Recocido a elevada temperatura y enfriamiento lento.

02

Sometido a tratamiento termomecánico.

03

Homogeneizado. Esta designación se aplica a los alambrones y a las bandas de colada continua, que son sometidos a un tratamiento de difusión a alta temperatura.

W

Solución tratada térmicamente. Se aplica a materiales que después de recibir un tratamiento térmico quedan con una estructura inestable y sufren envejecimiento natural.

H

Estado de acritud, es decir deformados. Viene con materiales a los que se ha realizado un endurecimiento por deformación.

H1

Sólo endurecimiento por deformación: aplica a productos que son deformados para endurecerlos hasta obtener la resistencia deseada sin necesidad de tratamiento térmico. El número que lo sigue indica el grado de deformación-endurecimiento.

H2

endurecimiento por deformación y recocido parcial: aplica a productos que son endurecidos por deformación más allá de lo deseado y entonces se reduce su resistencia hasta el nivel requerido por recocido parcial. El número que sigue indica el grado de endurecimiento por deformación obtenido después del recocido parcial.

H3

Endurecimiento por deformación y estabilización: aplica a productos que son endurecidos por deformación y cuyas propiedades mecánicas se estabilizan por tratamiento térmico a baja temperatura o como resultado de introducir calor durante la fabricación. El número que sigue indica el grado de endurecimiento por deformación obtenido después del tratamiento de estabilización.

Fuente: Revista Ingeniería de materiales..

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TRATAMIENTOS

Tratamientos Térmicos A diferencia de los aceros, los tratamientos térmicos en el aluminio, pueden incluir procesos de deformación, entre estos tratamientos está: el recocido, disolución, temple y envejecimiento o revenido. No obstante, no todos estos procesos pueden utilizarse en todos los tipos de aluminio, debido a que no responden a los tratamientos térmicos de endurecimiento.

Una gran parte de las aleaciones de aluminio son utilizadas en la construcción de partes al servicio de la industria aeroespacial.

Foto: www-amcastle-com

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Por ejemplo, el recocido, aplica a todas las aleaciones de aluminio, mientras que la disolución y el temple sólo se pueden aplicar a algunas de estas aleaciones.

recocido total requiere de un enfriamiento controlado en el horno. En ambos casos hay reducción de la dureza y de las propiedades mecánicas, pero en el proceso parcial, se eliminan tensiones y su efecto es menor en el material, que en el caso del recocido total. A un material recocido se le nombra o codifica con un (-0) al final del tipo de aleación, ejemplo: 7075 -0. (Ver gráfico a y b)

Las empresas que quieran entrar a nuevos mercados y fabricar piezas especiales de aluminio, deben conocer los pormenores del material. En este sentido, antes de explicar en qué consiste cada proceso, es importante aclarar que de las aleaciones de aluminio laminado, sólo las series 2xxx, 6xxx 7xxx y algunas 8xxx pueden ser tratadas térmicamente. En cuanto a las fundiciones, pueden ser tratadas las de la serie 2xx.x, 3xx. xm 7xx.x y algunas 8xx.x. (Para mayor información sobre aleaciones del aluminio laminado y fundido, remitirse nuevamente al artículo ‘Las Aleaciones de Aluminio y su Importancia en la Industria Aeroespacial’, en esta misma edición).

• Disolución y temple (-w): Los procesos de disolución de una aleación de aluminio están estrechamente relacionados con el calentamiento y enfriamiento del material. En el caso del aluminio 2024-0, por ejemplo, en condición de recocido (-0), el primer paso es la disolución, que por lo regular se lleva a cabo

Gráfico a. °C

La nomenclatura para cada tipo de tratamiento aplicado, se codifica también bajo ANSI H35.1-1988 mediante una T seguida de un número que indica las secuencias específicas del proceso. • Recocido (-0): es un proceso que, utilizando una temperatura y unos tiempos de enfriamiento controlados, permite reducir la dureza del aluminio y lo prepara para el proceso de disolución y posterior envejecimiento. Existen dos tipos de recocido: parcial y total, en el primero, el proceso se realiza a menor temperatura y el enfriamiento es más rápido, mientras que el

332 - 349 °C 0,5-1 hora

Tiempo horas

a. Recocido parcial

Gráfico b. °C

398 - 427 °C 2 horas

50°F/h

232 °C

Tiempo horas

b. Recocido total

en un horno de sales o de atmósfera a una temperatura de 495 ºC durante el tiempo necesario para que se diluyan los precipitados. Es importante mencionar que a diferencia del acero, cuyos precipitados son pequeños carburos contenidos en la misma estructura interna del material, los precipitados en un aluminio son partículas formadas a partir de los aleantes que éste contiene, los cuales se disuelven en el proceso de disolución. Es por esta razón que la disolución no se podría aplicar a los aceros, por lo menos no a todos, pues la estructura interna de ambos materiales es totalmente diferente. Una vez finalizado este procedimiento, se efectúa un “temple”, en el cual se enfría bruscamente la aleación en agua o en un quenchant (polímero a base de agua) a temperatura ambiente. La diferencia entre un medio u otro consiste en que el agua permite un enfriado más drástico pero puede llegar a deformar el material. El quenchant, por su parte, elimina la energía del material no tan drásticamente, pero si evita que el material se deforme. El uso de un medio de otro depende pues del tipo de aleación y geometría de la pieza. Vale anotar que el proceso de disolución y temple se designa mediante una -W. • Envejecimiento(-Tx): También conocido como revenido o maduración, es un proceso que puede ocurrir a temperatura ambiente (envejecimiento natural) o a temperaturas en el orden de los 120 ºC

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Para aumentar la dureza y la resistencia a la tensión, de la aleación 2024, por ejemplo, es necesario exponerla –luego de la disolución y posterior temple– a un proceso de envejecimiento natural, hasta el valor máximo posible, es decir a temperatura ambiente en un período de 96 horas; pasado este tiempo, la aleación pasa de condición 2024-W a 2024-T4. A diferencia de la aleación 20-24, aleaciones como la 7075 requieren de un envejecimiento artificial por lo que debe ingresar en un horno de atmósfera o de sales a una temperatura de 120 ºC por 24 horas para alcanzar la dureza y resistencia a la tensión máxima. Este último tratamiento cambia la condición del aluminio a 7075-T6. (Ver gráfico c y d).

En el gráfico (c) en la circunferencia se muestran unos pequeños puntos de color negro, los cuales representan los precipitados del aluminio. Luego se muestra la misma estructura, pero sin los puntos, lo que significa que ya se le practicó el proceso de disolución. En la gráfica (d) se muestra que en el medio se forman nuevamente los precipitados o puntos negros, debido al proceso de envejecimiento y cuya función es otorgarle al aluminio mayor dureza y resistencia.

El overaged, que significa sobre-envejecimiento en español y que se muestra en la circunferencia final, es un segundo proceso de maduración que se le practica a la pieza, pues muchas veces cuando ésta alcanza su dureza máxima, adquiere también fragilidad, por lo que es necesario realizar nuevamente el envejecimiento en el material, con el fin que las partículas aumenten de tamaño y minimicen así este fenómeno, esto con una leve reducción de la resistencia y dureza.

Gráfico d.

Gráfico c.

Solid Solution

Solid Solution

Peak Aged

Oweraged

°C

°C 488 - 499 °C

tiempo

Strengh and Hardness

(envejecimiento artificial), en donde, de manera controlada, se produce la formación de precipitados, bien distribuidos y con morfología controlada. Este proceso es el encargado de dar la resistencia final y la dureza requerida.

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Under-Aged

Maximum Hardness

Time

Own-Aged

Tratamiento térmicos para el aluminio

Tratamiento

Descripción

T1

°C

Temp Temple extrusión Temp ambiente

°C

Envejecimiento natural Tiempo Trabajo en frío

T2

Temp Temple extrusión

Deformado acritud Envejecimiento natural Tiempo

Temp ambiente

°C

Temp Solución Solución

Trabajo en frío

T3

Temple

Deformado acritud envejecimiento

Temp ambiente

natural

Tiempo

Tratamiento de temple desde la temperatura de extrusión y maduración. Significa que la pieza ha pasado por un proceso previo de extrusión a una temperatura de 600 °C, aproximadamente. Inmediatamente la barra de aluminio es extruida a dicha temperatura, se mete en un medio de agua fría o en quenchant, es decir se realiza un proceso de temple (-W). Luego la barra de aluminio es expuesta a maduración natural o envejecimiento por un periodo de 96 horas, tiempo en el cual la pieza adquiere su máxima dureza y queda designada mediante la condición T1. El tipo de tratamiento T1 se utiliza comúnmente en las aleaciones de la serie 2xxx, para la fabricación de vigas estructurales para aeronaves, enfriadores y en circuitos de avión. Aplicaciones: utilizado en tuberías extruidas de aluminio 6061-T1 que necesiten fuertes deformaciones. Muy utilizado en piezas decorativas y que requieren resistencia a la corrosión. Tratamiento de temple desde la temperatura de extrusión y maduración natural. Se realiza el mismo proceso de extrusión anterior y se templa en agua o en quenchant. Posteriormente, se le aplica a la barra de aluminio un proceso de deformación en frío también conocido como acritud (a través de rodillos por ejemplo.), con el fin reducir su diámetro. Luego la pieza es dejada al aire para que envejezca y aumente su dureza. A medida que pasa el tiempo, la dureza aumenta progresivamente. El T1 y T2, por lo regular, son procesos que ya vienen en esa condición desde la fábrica y no se adelantan en Colombia Tratamiento térmico de solución, temple, acritud y maduración natural. Generalmente, las piezas de aluminio en condición T3 pertenecen a la serie 2xxx y son muy utilizadas en Colombia. El proceso consiste en que el material ya no es extruido, sino que se encuentra en condición de recocido (-0), luego se realiza el mecanizado, es decir se da la forma a la pieza y posteriormente se envía a tratamiento térmico de solución a temperatura de 495 ºC. Posteriormente, se lleva a cabo el temple en un medio de agua o quenchant y luego el proceso de acritud para reducir su área. Una vez realizados estos procesos, la pieza es sometida a maduración natural para que adquiera la dureza máxima. En Colombia se podría adelantar este tipo de tratamiento térmico, pero normalmente, no se realizan procesos de acritud o deformación en frío, por lo que algunas empresas lo aplican, pero se saltan la etapa de acritud. En este sentido, la pieza ya no estaría en condición T3, sino en T4. Aplicaciones: 2024-T3 es la condición de mayor resistencia mecánica y resistencia a la fatiga de esta aleación, utilizado en pieles de aeronaves, como en piezas varias.

°C

Temp Solución

Solución

T4

Temple

Temp ambiente

envejecimiento natural

Tiempo

Aplicaciones: 2024-T4 piezas aeronáuticas varias.

T5

°C Temp Extrusión

extrusión Temple

envejecimiento artificial

Temp ambiente

Tratamiento de solución, temple y maduración natural. Como se mencionó en el anterior proceso, el tratamiento térmico T4 es similar al T3, con la diferencia que dentro de sus etapas, no se lleva a cabo el proceso de acritud o deformación en frío. Es decir, luego que la pieza fue sometida a disolución y temple, se deja a temperatura ambiente para que adquiera su dureza final. Es uno de los procesos que más se realizan en Colombia para el medio aeronáutico. Es importante aclarar, dadas las confusiones que se presentan con este tipo de tratamiento, que cuando la empresa realiza al material un proceso T4 siempre va a entregar la pieza en estado de temple (w), pues la condición T4 únicamente se obtiene después que la pieza haya atravesado por el proceso de maduración o envejecimiento natural (exposición al medio ambiente por 96 horas).

Tratamiento desde temperatura de extrusión y maduración artificial. Este tipo de tratamiento requiere extrusión y posterior temple. Luego y a diferencia del T1, requiere de maduración artificial por medio de un horno a temperatura de 120 ºC (la temperatura exacta depende de cada aleación) durante el tiempo necesario para que adquiera dureza. Aplicaciones: 6063-T5 aplicaciones en marcos de puertas, piezas arquitectónicas.

Tiempo

T6

°C

Temp Solución

Solución Temple

Temp ambiente

envejecimiento artificial

Tratamiento de solución, temple y maduración artificial. Requiere de un proceso de disolución, temple y maduración artificial. Este tratamiento se realiza en Colombia a piezas aeronáuticas que trabajan en condiciones de comprensión y no están a tracción. Aplicaciones: aluminio 7075-T6 utilizado para moldes y piezas aeroespaciales que estén bajo esfuerzos a compresión.

Tiempo

T7

°C

Temp Solución

Solución

Temple

Temp ambiente

Sobreenvejecimiento artificial

Tiempo

T8

°C

Temp Solución Temple Solución Temp ambiente

Trabajo en frio

Deformado

envejecimiento artificial

acritud Tiempo

T9

°C

Temp Solución Temple Solución Temp ambiente

Trabajo en frio

envejecimiento artificial

Deformado

acritud

Tiempo

°C

Temp extrusión Extrusión Temple Temp ambiente

Deformado

acritud

Tiempo

T10

Trabajo en frio

envejecimiento artificial

Tratamiento térmico de solución, temple y sobre-maduración estabilizado: Requiere de los mismos procesos de disolución y temple del T3 y T4, la diferencia consiste en que en ese tipo de tratamiento se le debe aplicar a la pieza un sobre-envejecimiento. Dicho proceso se realiza volviendo a envejecer el material a temperatura de 175 ºC. Aplicaciones: piezas aeronáuticas que no requieren elevada resistencia pero si es crítica la fragilidad, ejemplo 7075-T7.

Tratamiento de solución, temple acritud y maduración artificial. Requiere los mismos procesos de disolución, temple, acritud, pero a diferencia del T3, se realiza una maduración artificial (en horno) para adquirir la dureza máxima en el material. Aplicaciones: aluminio 2011-T8 se utiliza en piezas para relojería, partes de cámaras, partes de televisores, entre otros

Tratamiento de solución, temple maduración artificial y acritud. Es el mismo tratamiento del T8, pero el proceso de deformación en frío o acritud se realiza después de la maduración o endurecimiento artificial. Estos cambios aunque hipotéticamente deberían ser similares, generan cambios en la resistencia de la tensión del material. Aplicaciones: aluminio 6262-T9 utilizado en partes para válvulas, piezas decorativas, accesorios para tubería de aceite, entre otros.

Tratamiento de temple desde temperatura de extrusión, acritud y maduración artificial. Es similar el tratamiento T2, la diferencia consiste en que se realiza maduración artificial. Aplicaciones: aluminio 6061-T10 utilizado en mástiles de antenas de comunicación, como en piezas para bicicletas.

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TRATAMIENTOS Tabla 1. Tratamientos de disolución y precipitación para productos varios (Extraído de norma BOEING BAC5602) Tratamiento de disolución Aleación

2014

Temp (ºC)

500

Espesor pulgadas

Tratamiento de precipitación o envejecimiento

Periodo de sostenimiento (minutos) Mínimo Máximo Horno Horno Baño sal Baño sal atmósfera atmósfera

Condición Inicial

Temp (ºC)

Tiempo Horas

Condición envejecido final

0.254 a 0.305

10

10

15

15

2014-W

Ambiente

96

2014-T4, T42

0.330 a 0.406

10

20

15

25

2014-W,

175

8a9

2014-T6, -T62

0.431 a 0.508

15

25

25

35

-T4, -T42

0.533 a 0.813

20

30

30

40

0.838 a 1.600

25

35

35

45

1.626 a 2.287

30

40

40

50

2.311 a 3.175

35

50

45

60

3.200 a 6.350

45

65

55

75 Ambiente

96

2024-T4, -T42

Ambiente

96

171 a 182

8 a 10

Y–T6XXX

154 a 165

17 a 19

6951-T6, T62

115 a 127

22 a 24

6.375 a 12.70 2024 6061 o 6063

495 530

2024-W 6061-W Sobre 12.70mm: sume 20 minutos por cada 12.7 mm adicionales o fracción

6063-W

del mismo en sal, 30 minutos por cada 12.7 mm adicionales o fracción del

6061-W,

mismo en aire.

-T4, -T42 Y T4XXX

6061-T4, -T42 6063-T4, -T42 6061-T6, -T62

6063-W, T4 6951-W, -T4, -T42 Láminas desnu-

489 a 499

7075-W

das y resvestida

FL5

FL19

7075-T6, -T62 FL16

Placas, barras, tuberías y extru- 460 a 471 siones 7075

Dado que cada una de las aleaciones tiene sus propias condiciones de tratamiento y difieren entre ellas, en la Tabla 1 se muestran las temperaturas normales de tratamiento para los aluminios más comunes que son 2014, 2024, 6061 y 7075 y el cual fue extraído de la norma Boeing BAC5602 (2).

Otros Procesos en los Aluminios En algunas ocasiones algunos productos laminados contienen el término alclad (alclad 2024-0), ampliamente desarrollado en la industria y que es importante aclarar porque cuando el material tiene esta condición existen unas variaciones cuando se

le aplican los tratamientos térmicos que radican principalmente en los tiempos de proceso. El aclad significa que la pieza adquirió un aumento en la resistencia a la corrosión y se realiza al momento de la fabricación del producto. Consiste en colocar la aleación base a modo de sándwich en el centro de dos láminas de otra referencia de aluminio con mayor resistencia a la corrosión. Luego se laminan estos tres materiales para obtener una única pieza con una cubierta de mayor resistencia, principalmente a la corrosión, y un núcleo con la resistencia mecánica requerida. Las aleaciones de la series 2xxx, 6xxx y 7xxx que presentan alclad, tienen tratamientos térmicos con condiciones similares a las que no

lo tienen, la principal diferencia son los tiempos de proceso. Algunas curiosidades del tratamiento de aluminio es la fabricación de remaches, a partir de aleaciones 2024, en donde, para que este material no cambie de propiedades mientras es instalado, se realiza la disolución y el temple y de inmediato las piezas son almacenadas a una temperatura de -70 ºC, con el fin que se detenga el proceso de envejecimiento natural, de esta manera, proporciona el tiempo suficiente para llevar los remaches desde las instalaciones de tratamiento térmico, hasta el sitio donde serán colocados en el equipo. Una vez los remaches son colocados en la pieza, se dejan calentar hasta

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Por lo regular, el aluminio es enfriado en quenchant, un medio que además de enfriar el material, evita que pierda energía durante el proceso.

temperatura ambiente y después de 96 horas alcanzan su resistencia máxima a la tensión. Los materiales aclad también son muy utilizados en todo el sistema de cobertura o piel del avión, por lo que trabajar y conocer las condiciones de este tipo de aluminio y en general de todas las aleaciones que maneja la industria, es indispensable para llevar a cabo un proceso de tratamiento térmico con los mejores resultados. Citas 1) Instituto Nacional Estadounidense de Estándares. ANSI, por sus siglas en inglés: American National Standards Institute, Es una organización que supervisa el desarrollo de estándares para productos, servicios, procesos y sistemas en los Estados Unidos. 2) Las normas en Boeing promueven en la industria el conocimiento técnico necesario para producir productos aeroespaciales con altos estándares de calidad.

AUTOR Ingeniero químico Universidad Nacional de Colombia, con maestría en materiales y procesos de la Universidad Nacional de Colombia, diplomatura en análisis de falla en componentes mecánicos y certificado en resolución de problemas a partir del uso de técnicas, Análisis Causa Raíz (ACR) ASME. Experiencia de más de 7 años en tratamientos térmicos, caracterización de materiales y análisis de falla para la industria aeronáutica, metalmecánica, petrolera y de alimentos. Actualmente, docente de la Universidad Central, Pontificia Universidad Javeriana y Universidad Incca y asesor independiente.

*Jhonny F. Obando. ,

[email protected]

Colaboradores • ** Esteban Sánchez. Ingeniero Aeronáutico. Coordinador de Investigación y desarrollo en Tratamientos Ferrotérmicos S.A.S. investigación@ ferrotermicos.com • Cristian Camilo Leal Herrera. Estudiante Universidad Incca. • Sergio Francisco Romero Bautista. Estudiante Universidad Incca.

Redacción, corrección de contenido y estilo. • Luisa Fernanda Castro Patiño.

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