capitulo 2 tratamientos termicos
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Son operaciones de calentamiento y
enfriamiento a temperaturas y en condiciones
determinadas, a que se someten los aceros (y
otros metales y aleaciones) para darles
características más adecuadas para su
empleo.
Los tratamientos térmicos no modifican la
composición química del acero, pero si su
constitución, estructura y su estado mecánico.
Los tratamientos térmicos modifican:
a. La constitución al variar el estado en el que se
encuentra el carbono y el estado alotrópico del
hierro
b. La estructura al variar el tamano de grano y el
reparto de los microconstituyentes
c. El estado mecánico queda afectado por las
tensiones a que quedan sometidos los materiales
luego de algunos tratamientos térmicos (temple)
Con el tratamiento conseguiremos modificar
microscópicamente la estructura interna de los metales,
produciéndose transformaciones de tipo físico, cambios
de composición y propiedades permitiéndonos
conseguir los siguientes objetivos:
• Estructura de mejor dureza y maquinabilidad.
• Eliminar tensiones internas y evitar deformaciones
después del mecanizado.
• Estructura más homogénea.
• Máxima dureza y resistencia posible.
• Variar algunas de las propiedades físicas.
DESARROLLO DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS. Constan de tres fases:
A.) Calentamiento hasta la temperatura fijada: La elevación de
temperatura debe ser uniforme, por lo que cuando se calienta una
pieza o se hace aumentando la temperatura muy lentamente o seva manteniendo un tiempo a temperaturas intermedias, antes del
paso por los puntos críticos, este último es el calentamiento
escalonado.
B.) Permanencia a la temperatura fijada: Su fin es la completatransformación del constituyente estructural de partida. Puede
considerarse como suficiente una permanencia de unos dos minutos
por milímetro de espesor en el caso de querer obtener una
austenizaciòn completa en el centro y superficie. Largosmantenimientos y sobre todo a altas temperaturas son "muy
peligrosos" ya que el grano austenítico crece rápidamente dejando
el acero con estructuras finales groseras y frágiles.
C.) Enfriamiento desde la temperatura fijada hasta la temperaturaambiente: Este enfriamiento tiene que ser rigurosamente controlado
en función del tipo de tratamiento que se realice.
Los tratamientos termoquímicos si modifican las
composición superficial
Transformación a enfriamiento continuo
Del diagrama TTT es posible derivar otro diagrama que
mostrará la transformación bajo enfriamiento continuo. Se
conoce como el diagrama TEC (transformación enfriamiento
continuo).
Se trata de un diagrama de transformación-temperatura-
tiempo que indica el tiempo necesario para que una fase se
descomponga continuamente en otras fases a diferentes
velocidades de enfriamiento.
Recocido. Tiene como objetivo fundamental
ablandar el acero (y otras aleaciones).
Normalizado. Tiene como objetivo afinar el grano,
uniformizar la estructura y eliminar tensiones internas.
Temple. Tiene como objetivo aumentar la dureza y
resistencia del acero.
Revenido. Se aplica a los aceros templados y tiene
como objetivo mejorar la tenacidad y eliminar
tensiones.
RECOCIDO: El recocido tiene diferentes objetivos en el
tratamiento térmico del acero y generalmente suele ser
de dos clases:
Recocidos subcríticos (Por debajo de Ac1 o Ac321 – Sin
austenización) : Se aplican para eliminar tensiones
residuales, acritud, y cambiar forma de la cementita a
cementita esferoidal en los aceros de alto carbono para
poder trabajarlos mejor.
Recocidos supercríticos (Por encima de la Ac3, Ac32 o
Acm - Austenización completa)(Por encima de la Ac1 o
Ac321 – Austenización incompleta) : Se aplican para
afinar la estructura (grano), cambiar la forma de la
cementita a cementita esferoidal y homogeinizar la
composición.
RECOCIDO DE REGENERACIÓN
Este tiene por objeto destruir la dureza anormal producida en una
aleación por enfriamiento rápido involuntario o voluntario. También
se realiza a temperaturas muy elevadas (por encima de la Ac3,
Ac32 o Acm) pero inferiores a las de homogeneización y se aplica
exclusivamente a las aleaciones templables es decir a las que se
endurece en enfriamientos rápidos (más de 0,60 % de C).
En aceros de menos del 0,60% de C se aplica el recocido de
regeneración para afinar la estructura.
Para transformar todo el material se austeniza y enfría después
lentamente en el interior del horno (hasta 500 C y luego al aire) se
obtiene así una constitución final de ferrita y perlita si se trata de un acero hipoeutectoide o cementita y perlita en el caso de un acero
hipereutectoide.
RECOCIDO ISOTÉRMICO
Consiste en calentar el acero a una temperatura
superior a la critica y enfriarlo rápidamente. Se emplea
mucho para herramientas de alta aleación por durar
aproximadamente la mitad de un recocido de
regeneración (24 horas), se introducen a un baño de
sales (700 a 800 C).
Según la temperatura de calentamiento pueden ser de:
a. Austenización completa (Por encima de Ac3 o
Ac32), cuando al terminar el calentamiento, el
acero está formado por austenita.
b. Austenización incompleta (Por encima de Ac1),
cuando solamente la perlita se transforma en
austenita al terminar el calentamiento.
Sales fundidas
Las sales fundidas que se utilizan en los tratamientos
isotérmicos, están constituidas por cantidades variables
de cloruros, carbonatos, nitritos, nitratos y cianuros de
sodio, potasio y bario y se utilizan para temperaturas
variables de 150 a 1300 C.
Unas veces, se usan como medio de enfriamiento y
sustituyen con ventaja al aceite y al plomo fundido y
otras, en cambio, se utilizan para calentar las piezas y
también para cementarlas o nitrurarlas
Sales fundidas
RECOCIDO CONTRA LA ACRITUD (O DE
RECRISTALIZACION)
Un acero frágil es tan duro que se rompe. Se dice que
tiene demasiada acritud. Para mejorar la ductilidad y
maleabilidad del acero y poder someterlo a nuevos
estirados o laminados. Se hace el recocido contra
acritud que consiste en un calentamiento a una
temperatura de 600º o 700º, seguido de un enfriamiento
al aire o dentro del horno si se quiere evitar la oxidación
dentro del horno.
Los granos del acero, que se alargan en el trabajado en
frío. Con este recocido recobran su forma original y
eliminan tensiones residuales.
RECOCIDO GLOBULAR
Las mejores propiedades de maquinabilidad y la menor
dureza de los aceros de alto contenido en carbono,
tanto sin alear como aleados, se consiguen cuando la
estructura de los aceros son globulares, es decir, están
constituidas por pequeñas partículas esferoidales de
cementita y de carburos aleados embebidas en una
masa o matriz de ferrita.
El tratamiento térmico para conseguir esta estructura
globular consiste en calentar la aleación justamente por
debajo de línea A1 a unos 700ºC. el tiempo de
globulización suele durar de 15 a 25 horas.
RECOCIDO DE HOMOGENEIZACION
Este tiene por objeto destruir la heterogeneidad
química de la masa de un metal o aleación producida
por una solidificación defectuosa para hacer una sola
estructura este se realiza a temperaturas elevadas
cercanas a la de fusión y se aplica principalmente a
metales férreos o propensos a segregaciones.
A lo que se refiere este tipo de tratamiento térmico es a
que cuando se dice que se homogeneizan es que
hacen una sola aleación homogenea por ejemplo el
hierro-zinc se mezclan tan bien que ya no se distinguen
cada uno.
RECOCIDO DE ESTABILIZACION
Este tiene por objeto destruir las tensiones internas
producidas en la masa del metal por su mecanización o
por colado en moldes complicados.
Se realiza a temperaturas comprendidas entre las 100ºC
y 200ºC durante tiempos muy prolongados que serán
frecuentemente las 100 horas.
Este tipo de recocido se aplica también a las
aleaciones no ferrosas y en cuyo caso se denomina
envejecimiento.
OBJETIVOS DE LOS DIFERENTES RECOCIDOS
• Recocido de regeneración. Tiene por objeto afinar el grano de los
aceros sobrecalentados.
• Recocido globular. Se realiza para lograr una más fácil
deformación en frío.
• Recocido contra la acritud. Recuperamos las propiedades
perdidas en la deformación en frío (acritud).
• Recocido de ablandamiento. Ablandamos piezas templadas con
anterioridad para su mecanización.
• Recocido de estabilización. Elimina las tensiones de las piezas
trabajadas en frío.
• Recocido isotérmico. Mejoramos la maquinabilidad de las piezas
estampadas en caliente.
• Doble recocido. Para lograr una estructura mecanizable en
aceros de alta aleación.
NORMALIZADO
Se realiza calentando el acero a una temperatura unos
50ºC superior a la crítica (Ac3 o Ac32) y una vez
austenizado se deja enfriar al aire tranquilo. La velocidad
de enfriamiento es más lenta que en el temple y más
rápida que en recocido.
Con este tratamiento se consigue afinar y homogeneizar
la estructura.
Este tratamiento es típico de los aceros al carbono de
construcción de 0.15% a 0.60% de carbono. El resultado
de este tratamiento depende del espesor de las piezas.
TEMPLE
El fin que se pretende conseguir con el ciclo del temple
es aumentar la dureza y resistencia mecánica,
transformando toda la masa en austenita con el
calentamiento y después, por medio de un
enfriamiento rápido la austenita se convierte en
martensita, que es el constituyente típico de los aceros
templados.
El velocidad de enfriamiento deber ser superior a la
crítica de temple para obtener martensita.
Velocidad crítica de temple. Es la velocidad de
enfriamiento mínima para la cual la totalidad de la
austenita formada en el calentamiento, se transforma
en martensita.
La velocidad crítica de los aceros al carbono es muy
elevada. Los elementos de aleación disminuyen en
general la velocidad crítica de temple y en algunos
tipos de alta aleación es posible realizar el temple al
aire. A estos aceros se les denomina "autotemplantes".
Los factores que influyen en la práctica del temple son:
a. El tamaño de la pieza. Cuanto más espesor tengan la
piezas más hay que aumentar el ciclo de duración del
proceso de calentamiento y de enfriamiento.
En los perfiles delgados tanto en el calentamiento como
en el enfriamiento, se observara muy poca diferencia
de temperatura entre la periferie y el interior de las
piezas y por lo tanto se podrá obtener martensita en
toda la sección.
b. La composición química del acero. En general los
elementos de aleación facilitan el temple.
La velocidad crítica de temple disminuye cuando el
contenido de carbono aumenta.
Los elementos de aleación, varían la temperatura de
temple y también la velocidad crítica de temple,
desplazando las curvas TTT hacia la derecha.
Los elementos que más disminuyen la velocidad crítica
de temple son el manganeso y el molibdeno, siguiendo,
aunque con menor intensidad, el cromo, el silicio y el
níquel.
c. El tamaño del grano. Influye principalmente en la
velocidad crítica del temple, tiene mayor templabilidad
el de grano grueso.
d. El medio de enfriamiento. El más adecuado para
templar un acero es aquel que consiga una velocidad
de temple ligeramente superior a la crítica. Los medios
más utilizados son: aire, aceite, agua, baño de Plomo,
baño de Mercurio, baño de sales fundidas y polímeros
hidrosolubles.
Templabilidad. La templabilidad del acero es la
propiedad que determina la profundidad y distribución
de la dureza inducida por el temple.
Se debe aclarar la diferencia que existe entre
templabilidad y dureza. Como lo se ha dicho
anteriormente la templabilidad puede entenderse
como la capacidad de adquirir dureza por el temple y
la aptitud del acero para que penetre mas o menos
hacia el interior de la pieza la dureza.
Dureza es la resistencia que ofrece un material a la
rayadura o a la penetración de una material más duro
(cuerpo de penetración)
Factores que influyen en la templabilidad:
Se ha dicho que la templabilidad es la aptitud de los
aceros para dejarse penetrar por el temple.
Los factores que influyen en la templabilidad son:
a. Los elementos aleantes: Los elementos que más
favorecen la penetración del temple o sea la
templabilidad son el manganeso, el molibdeno y el
cromo
b. Tamaño de grano: El aumento del tamaño de grano
aumenta la templabilidad
Clases de temple:
a. Temples normales:
- Austenización completa
- Austenización incompleta
b. Temples interrumpidos:
- En agua y aceite
- En agua y aire
c. Temples isotérmicos:
- Austempering
- Martempering
d. Temples superficiales:
- Oxiacetilénico
- Por inducción
a. Temples normales:
- Austenización completa. Se aplica a los aceros
hipoeutectoides
- Austenización incompleta. Se aplica a los aceros
hipereutectoides
b. Temples interrumpidos:
- En agua y aceite. Para herramientas de forma
complicada fabricadas con aceros de temple en
agua, se consigue que las diferencias de
temperatura en las piezas no sea demasiado grande
durante la transformación de la austenita en
martensita (3 seg en agua para espesor de 5 mm, 5
seg para 10 mm y 10 seg para 20 mm)
- En agua y aire. Para limas, se enfrían en agua
pocos segundos, todavía caliente se sacan y enfrían
al aire.
c. Temples isotérmicos:
- Austempering. Consiste en calentar el acero a una
temperatura superior a la crítica y después enfriar
bruscamente hasta una temperatura superior a la Ms
(250-550 C) y luego una transformación isotérmica en
un baño de sales (bainita).
- Martempering. Consiste en calentar el acero a una
temperatura superior a la crítica y después enfriar
bruscamente hasta una temperatura ligeramente
superior a la Ms (200-300 C) hasta que se iguale la
temperatura en toda la masa y luego se enfría al
aire.
d. Temples superficiales:
- Temple oxiacetilénico. Consiste en templar
solamente la zona superficial del acero, calentándolo
con una llama oxiacetilénica y enfriando después a
una velocidad superior a la crítica, generalmente con
chorro de agua, aunque algunas veces se realiza con
corriente aire.
- Temple por inducción. Su fundamento en el mismo
que el del temple oxiacetilénico, pero en lugar de
calentar superficialmente las piezas con una llama, se
calienta por medio de corrientes de alta frecuencia
(corrientes de Foucault)
Temples según el material en el que se realiza:
Temple Martensitico. Este se aplica en los aceros debe su
nombre al constituyente duro obtenido en este temple que es
la martensita que consta de hierro alfa sobresaturado de
carbono, este distorsiona los cristales del hierro alfa y los
pone en tensión por eso los endurece.
Temple de precipitación. La fase de enfriamiento provoca la
precipitación de un compuesto químico que pone en tensión
los cristales del metal y los endurece. Este tipo de temple se
aplica a las aleaciones de aluminio, magnesio y cobre.
Temple de precipitación. La fase de enfriamiento provoca la
precipitación de un compuesto químico que pone en tensión
los cristales del metal y los endurece. Este tipo de temple se
aplica a las aleaciones de aluminio, magnesio y cobre.
Revenido de endurecimiento o maduración artificial. Se aplica
a las aleaciones que han sido tratadas por temple de
precipitación. Su objeto es acelerar la precipitación del
compuesto químico que endurece el material, por lo que
produce un efecto contrario al revenido normal, ya que en
lugar de ablandar el material lo endurece. Las temperaturas
de maduración artificial dependen de las aleaciones de que
se trata, al igual que la permanencia a dicha temperatura. La
velocidad de enfriamiento tampoco tiene influencia.
REVENIDO. Es un tratamiento complementario del temple,
que generalmente sigue a éste. Al conjunto de los dos
tratamientos también se le denomina "bonificado".
El tratamiento de revenido consiste en calentar al acero
después templado, a una temperatura inferior al punto
crítico, seguido de un enfriamiento controlado que
puede ser rápido cuando se pretenden resultados altos
en tenacidad, o lento, para reducir al máximo las
tensiones térmicas que pueden generar deformaciones.
Cuando se pretenden los dos objetivos, se recurre al
doble revenido, el primero con enfriamiento rápido y el
segundo con enfriamiento lento hasta 300ºC.
La temperatura del revenido se escoge de acuerdo a
la posterior utilización de la pieza, pero nunca llegará a
la temperatura de transformación
Se distinguen tres tipos de revenido:
Revenido de bajas temperaturas (entre 180 y 220oC).
Con él se reducen las tensiones internas pero se
conserva la estructura martensítica. Se usa en el
revenido de herramientas de corte, en las que debe
mantenerse la dureza y resistencia al desgaste.
Revenido a medias temperaturas (entre 300-400 oC). A
estas temperaturas la martensita se modifica y se
transforma en lo que se conoce como Troostita y se
aplica en los muelles o matrices.
Revenido de altas temperaturas (500-550 oC). A estas
temperaturas la Troostita se convierte en otra forma
llamada Sorbita, se aplica fundamentalmente para el
acero de construcción.
La Troostita y la Sorbita obtenidas durante el revenido
de la martensita, sobrepasan por su tenacidad, las
estructuras análogas que se obtienen durante el
enfriamiento directamente a partir de la austenita.
l
Se consigue con este tratamiento:
-Mejorar los efectos del temple, llevando al acero a un
estado de mínima fragilidad.
-Disminuir las tensiones internas de transformación, que
se originan en el temple.
-Modificar las características mecánicas, en las piezas
templadas produciendo los siguientes efectos:
· Disminuir la resistencia a la rotura por tracción, el límite
elástico y la dureza.
· Aumentar las características de ductilidad:
alargamiento estricción y las de tenacidad; resiliencia.
DOBLE REVENIDO
Para mejorar el rendimiento de herramientas fabricadas
con aceros rápidos e indeformables de alto contenido
en cromo, se suele aplicar después del temple un doble
revenido.
a. En el primer revenido se verifica la transformación de
la martensita tetragonal en martensita revenida y la
austenita revenida en bainita inferior de
características muy parecidas a la martensita.
b. En el segundo se reviene la bainita inferior y de esta
manera la estructura es uniforme y está constituida
por martensita revenida totalmente.
LA FRAGILIDAD DE REVENIDO
Algunos aceros revenidos disminuyen la tenacidad determinada
mediante la resistencia al impacto, esta fragilización ocurre
cuando el acero se reviene a temperaturas superiores a 575 ºC
y se enfría lentamente hasta temperatura ambiente o cuando se
reviene a temperaturas comprendidas entre 375 y 575 ºC. Los
aceros aleados susceptibles de fragilizarse por revenido
contienen apreciables porcentajes de elementos de aleación
como molibdeno, manganeso, níquel o cromo y, además
pequeñas concentraciones de una o más impurezas como
antimonio, fósforo, arsénico y estaño.
La fragilidad del revenido se puede prevenir por:
1. º Control composicional
2. º Calentamiento superior a 575 ºC o inferior a 375 ºC seguido
de temple a temperatura ambiente.
Defectos en piezas templadas
1. Dureza insuficiente:
a. Composición de un acero inadecuada
b. Por falta de temperatura
c. Por falta de permanencia en la temperatura
d. Por falta de rapidez en el enfriamiento
e. Por descarburación superficial
2. Fragilidad excesiva:
a. Permanencia excesiva a la temperatura de
temple
b. Calentamiento a temperatura elevadísima
c. Calentamiento irregular
3. Deformaciones:
a. Calentamiento excesivo
b. Calentamiento irregular
c. Enfriamiento irregular
d. Falta de apoyos adecuados
e. Excesiva complicación en la forma de las piezas
d. Por empleo de materiales inadecuados
4. Grietas y roturas
a. Por calentamiento demasiado rápido
b. Por enfriamiento demasiado rápido
c. Por defecto de la pieza
Tratamiento subcero.
Se aplica a los aceros que conservan la austenita residual sin transformación.
Consiste en continuar el enfriamiento del temple hasta una temperatura que puede llegar hasta los 100 oC bajo cero, con lo que se consigue la transformación de la austenita residual en martensita.
Ms = 500 – 350 x % C – 40 x % Mn - 35 % V - 20 x % Cr – 17x % Ni
- 10 x % Cu – 10 x % Mo – 5 x % W + 15 x % Co + 30 x % Al
Constituyentes de los aceros tratados
Martensita. Es el constituyente típico de los aceros
templados. Esta formada por una solución
sobresaturada de carbono en hierro alfa. Y se obtiene
por enfriamiento rápido de los aceros desde alta
temperatura. Tiene la estructura tetragonal.
Tiene una resistencia de 170 a 250 Kg/mm2, una dureza
de 50 a 68 HRC y alargamiento de 2,5 a 0,5 %. Presenta
un aspecto acicular (forja de agujas)
TIPOS DE FERRITA
El tipo de ferrita depende de la velocidad de enfriamiento y
aparece en los límites de grano de la austenita:
a. Ferrita idiomórfica (equiaxial). Crece en forma de granos
equiaxiales en los limites de grano de la austenita.
b. Ferrita alotriomorfica. Crece a lo largo de los límites de
grano (forma alargada)
c. Ferrita Widmanstatten (f.W.). Crece a lo largo de los
limites de grano y forma placas laterales perpendiculares
a dichos bordes, hacia el interior de la austenita.
d. Ferrita acicular. Crece en el interior de los granos de
austenita como agujas.
Ferrita Idiomórfica (o equiaxial). Esta fase presenta
ópticamente caras con forma cristalina. En los aceros, la ferrita
idiomórfica se considera que aproximadamente posee una
morfología equiaxial, y se forma intragranularmente
supuestamente en torno a inclusiones u otros sitios de
nucleación heterogéneos.
Debido a que la ferrita idiomórfica, así como también la ferrita
alotriomórfica, deben su formación a un mecanismo de
transformación difusional, el crecimiento de ambas no se
restringe exclusivamente al borde de grano de la austenita, sino
que la extensión de la penetración dentro de un grano particular
puede variar de acuerdo a cómo pueda cambiar la relación de
orientación de la interface γ-α.
Ferrita Alotriomórfica. El término “alotriomórfica” significa que
esta fase es cristalina y ordenada en su estructura interna pero
no en sus bordes exteriores. Esto implica que las superficies
limitantes del cristal no son regulares y no demuestran la
simetría presente en su estructura interna. De este modo, la
ferrita que tiende a nuclearse en los bordes de grano de la
austenita, tiende a crecer a lo largo de las paredes de la
austenita a niveles mayores de lo que lo hace en la dirección
normal.
La definición para la ferrita alotriomórfica se aplica a escala
óptica, en que sus caras se ven aleatorias y amorfas, y no a su
estructura cristalina interna que es ordenada.
Ferrita Widmanstatten. Esta fase se forma a un bajo
enfriamiento inferior a la temperatura Ae3 donde la fuerza motriz
para la transformación es pequeña, de modo que es una
necesidad termodinámica la fragmentación del carbono durante
dicha transformación.
A una escala óptica, la ferrita Widmanstatten tiene la forma entre
placas y listones. La formación de la ferrita Widmanstatten va
también acompañada por un cambio en la forma de la región
transformada. Este cambio consiste en dos planos de tensión de
deformación invariantes adyacentes y opuestos.
Bainita. Es constituyente característico de los
tratamientos isotérmicos (austempering), cuando la
temperatura del baño de enfriamiento es de 250 a 600 oC aproximadamente.
Bainita superior de aspecto arborescente, formada de
500 a 600 oC, difiere bastante de la bainita inferior,
formada a más baja temperatura 250 a 400 oC, que
tiene un aspecto acicular bastante parecido a la
martensita.
Troostita. Es un agregado extremadamente fino de
cementita y de hierro alfa. Se produce por enfriamiento
de la austenita a una velocidad ligeramente inferior a la
crítica de temple, o de 500 a 600 oC aproximadamente
según sea la composición de los aceros.
Sus propiedades físicas son intermedias entre la
martensita y la sorbita. Es magnética.
Tiene una resistencia de 140 a 175 Kg/mm2, su dureza es
de 400 a 500 BHN y el alargamiento de 5 al 10 %.
Sorbita. Es un agregado fino de cementita y de hierro
alfa. Se produce por enfriamiento de la austenita a una
velocidad bastante inferior a la crítica de temple, o de
600 a 650 oC aproximadamente según sea la
composición de los aceros.
Tiene una resistencia de 88 a 140 Kg/mm2, su dureza es
de 250 a 400 BHN y el alargamiento de 10 al 20 %.
Esferoidita (cementita globular). Se obtiene cuando un
acero perlitico se calienta hasta una temperatura inferior
a la eutectoide durante un período largo de tiempo, por
ejemplo 700 C entre 18 y 24 horas. Las partículas de Fe3C
aparecen como esferas incrustadas en una matriz de
continua de ferrita.
Carburos. Son cuerpos muy duros que se forman al
combinar algunos elementos especiales con el carbono.
Tienen tendencia a formar carburos el Cr, Mn, Mo, V, W y
Ti. Los aceros con carburos presentan una elevada
resistencia al desgaste y resistencia en caliente
(Herramientas)
Resumen de microconstituyentes de los aceros
Bainita (B)
Perlita (P)
Martensita (M)
γ inestable
Bainita (B)
Perlita (P)
Martensita (M)
γ inestable
Transformación de los aceros al carbono en el calentamiento
Todos los aceros al carbono, al calentarlos desde la
temperatura ambiente, se transforman en austenita. De esta
transformación en austenita se pueden considerar dos
aspectos:
a. El primero es que la transformación se inicia en las juntas de
grano, puntos triples, etc., de forma que aparecen multitud de
núcleos de austenita y por lo tanto inmediatamente después de
atravesar las líneas criticas el grano austenítico es
fino.
b. El segundo aspecto es que una austenita proviene de ferrita,
otra de cementita, etc., por lo que tiene que transcurrir cierto
tiempo a temperaturas superiores a las críticas para que por
difusión se iguale la composición química.
Bainita (B)
Perlita (P)
Martensita (M)
γ inestable
Si se eleva la temperatura se produce un crecimiento del grano
austenítico. Este fenómeno se explica ya que las juntas de
grano son lugares de imperfecciones cristalinas y por tanto de
energía elevada, por lo que a temperaturas altas, que hay
mucha difusión, el metal tiende a disminuir la junta de grano, y
por tanto a aumentar el tamaño del mismo.
Un tamaño de grano austenítico grande no es deseable,
puesto que al enfriar nos da aceros mas groseros que los
provenientes de granos austeníticos finos.
TRANSFORMACIONES MICROESTRUCTURALES
Bainita (B)
Perlita (P)
Martensita (M)
γ inestable
Curvas tiempo temperatura transformación
Los diagramas TTT son consecuencia de la cinética de la
transformación eutectoide y permite predecir la estructura,
propiedades mecánicas y el tratamiento térmico requerido
en los aceros.
Con estos diagramas se puede conocer la fase que se
obtendrá si se utiliza un medio de enfriamiento
determinado, pero hay que tener en cuenta que hay un
diagrama TTT diferente para cada acero aisi-sae.
Bainita (B)
Perlita (P)
Martensita (M)
Bainita (B)
Perlita (P)
Martensita (M)
γ inestable
Bainita (B)
Perlita (P)
Martensita (M)
γ inestable
Bainita (B)
Perlita (P)
Martensita (M)
γ inestable
Bainita (B)
Perlita (P)
Martensita (M)
γ inestable
Bainita (B)
Perlita (P)
Martensita (M)
γ inestable
Bainita (B)
Perlita (P)
Martensita (M)
γ inestable
Bainita (B)
Perlita (P)
Martensita (M)
γ inestable
Bainita (B)
Perlita (P)
Martensita (M)
γ inestable
Bainita (B)
Perlita (P)
Martensita (M)
γ inestable
Bainita (B)
Perlita (P)
Martensita (M)
γ inestable
Bainita (B)
Perlita (P)
Martensita (M)
γ inestable
Bainita (B)
Perlita (P)
Martensita (M)
γ inestable
Bainita (B)
Perlita (P)
Martensita (M)
γ inestable
Bainita (B)
Perlita (P)
Martensita (M)
γ inestable
Bainita (B)
Perlita (P)
Martensita (M)
γ inestable
Bainita (B)
Perlita (P)
Martensita (M)
γ inestable
Diagramas Tiempo-temperatura - transformación (TTT)
Permiten determinar la velocidad de transformación a una
temperatura constante En otras palabras, una muestra es
austenizada y luego se enfría rápidamente a una temperatura
más baja y se mantiene a esta temperatura hasta que se de la
transformación completa de la austenita. Es evidente que un
gran número de experimentos se requiere para construir un
diagrama completo TTT.
Diagrama de transformación por enfriamiento continuo (CCT)
Permite determinar el grado de transformación en función del
tiempo para una temperatura continua disminuyendo. En otras
palabras, una muestra es austenizada y luego se enfría a una
tasa (velocidad) predeterminada. Es evidente que un gran
número de experimentos se requiere para construir un diagrama
completo (Continuous Cooling Transformation, CCT).
En los diagramas distinguimos tres zonas:
•La de la izquierda de las curvas, donde la Austenita todavía no ha comenzado a
transformarse.
•La comprendida entre las dos curvas, donde la Austenita está en periodo de
transformación.
•La de la derecha, donde la Austenita se encuentra completamente transformada.
Del diagrama TTT es posible derivar otro diagrama que
mostrará la transformación bajo enfriamiento continuo. Se
conoce como el diagrama T-E (TCI) (transformación
enfriamiento).
Se trata de un diagrama de transformación-temperatura-
tiempo que indica el tiempo necesario para que una fase
se descomponga continuamente en otras fases a
diferentes velocidades de enfriamiento.
Temperaturas aproximadas de transformación isotérmica:
De 723 a 550 oC Perlita
De 650 a 600 oC Sorbita
De 600 a 500 oC Troostita
De 500 a 250 Bainita (intermedia entre perlita y
martensita)
De 500 a 350 Bainita superior
De 350 a 250 Bainita inferior
TRATAMIENTOS TERMOQUIMICOS
Se modifica la composición química del acero en una capa
superficial con la adición de carbono, nitrógeno, etc.
CEMENTACION
Consiste en carburar una capa superficial del acero, rodeándola
de un producto carburante y calentándola a temperatura
adecuada. Una vez terminada la operación, se templa y reviene
la pieza, quedando con gran dureza superficial y buena
tenacidad en el núcleo.
Los aceros empleados son de bajo con tenido de carbono, no
superior a 0,30 %, utilizándose también aceros aleados con Ni,
Cr y Mo, especialmente adecuados para la cementación.
La operación se realiza entre 850 y 950 C, es decir, con el acero
en estado austenítico y el hierro en forma de hierro gamma, que
es cuando tiene capacidad de disolución de carbono. Una vez
absorbido por la capa periférica del acero, tiene lugar un
proceso de difusión del carbono hacia el interior de la pieza.
En general las proporciones de carbono que se consideran más
adecuadas oscilan entre 0,50 a 0,90 %, con las que se
consiguen despues del temple durezas de 60 a 65 HRC.
El espesor de la capa cementada depende de la temperatura y
del tiempo que dura la operación (0,5 a 1,5 mm).
Los cementantes pueden ser: sólidos, líquidos y gaseosos.
Aplicaciones: Piñones, coronas, ejes, levas, guías, chavetas,
columnas, etc.
CEMENTANTES SOLIDOS
Puede emplearse para la cementación carbón vegetal, coque,
etc. Sin embargo, con carbón sólo, no se consiguen
porcentajes de carbono en la capa cementada superiores al
0,60 %. Por eso se acostumbra mezclarlo con carbonatos
alcalinos o alcalinotérreos.
El carbonato bárico, mejora la velocidad de penetración del
calor a través del cementante y uniformiza su temperatura.
Las piezas que se han de cementar se colocan en cajas
especiales de fundición, de chapa o de acero inoxidable,
rodeadas del material cementante.
CEMENTANTES LIQUIDOS
Los baños de sales fundidas se utilizan mucho para
cementación de piezas pequeñas, pues resulta este
procedimiento más rápido y sencillo que la cementación con
materias sólidas.
Las sales para cementar están formadas generalmente por
cianuro sódico y otras sales, en proporción variable según la
profundidad de la penetración que se desea obtener.
El espesor de la capa cementada, además de la composición
del baño, de la temperatura y, sobre todo, de la duración del
tratamiento. Los hornos deben estar cubiertos de campanas
para la evacuación de los gases, que son muy venenosos.
CEMENTANTES GASEOSOS
La cementación con gases se efectúa colocando las piezas en
una atmosfera carburante a las temperaturas de cementación,
de 850 a 900 C.
La atmósfera carburante está formada por una mezcla de un
gas activo (CH4-metano, propano y butano) y un gas portador.
El gas portador es una mezcla de óxidos de carbono,
hidrógeno y nitrógeno, con pequeños porcentajes de vapor de
agua, anhídrido carbónico, etc.
Las funciones del gas portador son:
1. Desplazar el aire o gases que existen dentro del horno.
2. Reducir el depósito de hollín que inevitablemente se forma
en la cementación gaseosa.
3. Economizar metano.
VENTAJAS E INCONVENIENTES DE LOS CEMENTANTES
Los cementantes sólidos son fáciles de utilizar, pero resultan
caros de aplicar por el consumo de combustible y costo de la
preparación de las piezas en las cajas.
Los cementantes líquidos son de acción más rápida y de más
sencilla aplicación que los sólidos. Se aplican mucho para
piezas pequeñas de fabricación en serie. Tienen el
inconveniente de que las sales utilizadas son venenosas.
Los cementantes gaseosos son los mejores y más
económicos para cementar muchas piezas rápidamente,
pudiendo cementarse grandes espesores. Su inconveniente
principal, casi el único, es el costo de las instalaciones.
CARBURIZACIÓN POR CEMENTANTE SÓLIDO
Este procedimiento consiste en encerrar al material de
acero con bajo contenido de carbono en una caja cerrada
con material carburante y calentarlo hasta 900 a 927 °C
durante 4 a 6 horas. En este tiempo el carbón que se
encuentra en la caja penetra a la superficie de la pieza a
endurecer por un proceso de difusión.
Entre más tiempo se deje a la pieza en la caja con carbón
de mayor profundidad será la capa dura. Una vez caliente
la pieza a endurecer a la temperatura adecuada se enfría
rápidamente en agua o salmuera. La capa endurecida más
utilizada tiene un espesor de 0.38 mm, sin embargo se
pueden tener espesores de hasta 4 mm.
CARBURIZACIÓN EN BAÑO LÍQUIDO
El acero a cementar se sumerge en un baño de cianuro de
sodio líquido. También se puede utilizar cianuro de potasio
pero sus vapores son muy peligrosos. Se mantiene la
temperatura a 1500 °F (845 °C) durante 15 minutos a 1
hora, según la profundidad que se requiera. A esta
temperatura el acero absorberá el carbono y el nitrógeno
del cianuro. Después se debe enfriar con rapidez al acero
en agua o salmuera. Con este procedimiento se logran
capas con espesores de 0.75 mm.
CARBURIZACIÓN CON GAS
En este procedimiento se utilizan gases carburizantes para
la cementación. La pieza de acero con bajo contenido
carbónico se coloca en un tambor al que se introduce gas
para carburizar como derivados de los hidrocarburos o gas
natural. El procedimiento consiste en mantener al horno, el
gas y la pieza entre 1650 y 1750 °F (900 y 927 °C).
después de un tiempo predeterminado se corta el gas
carburizante y se deja enfriar el horno.
Luego se saca la pieza y se recalienta a 1400 °F (760 °C) y
se enfría con rapidez en agua o salmuera. Con este
procedimiento se logran piezas cuya capa dura tiene un
espesor hasta de 6 mm, pero por lo regular no exceden de
0.7 mm.
NITRURIZACIÓN
Es un tratamiento que tiene por objeto aportar nitrogeno a la
capa superficial de los aceros, con lo que se consigue
endurecerla extraordinariamente.
La operación se realiza calentando las piezas a unos 550-600
C en una corriente de amoníaco durante uno a cuatro días.
Las capas exteriores que se consigue son más delgadas (0,2
a 0,7 mm). Se forman capas de NITRUROS DE ALUMINIO,
CROMO, MOLIBDENO, etc. que son mucho más delgadas
que las que proporciona la CEMENTACIÓN pero con una
dureza superior (1000 Vickers-78 HRC). Siempre este
procedimiento se efecto con materiales ya templados.
Aplicaciones:
Aceros que vayan a sufrir mucho roce y necesitan una
excelente resistencia al desgaste. Matrices de extrusión de
aluminio. Moldes, correderas, postizos, etc. que vayan a
trabajar en inyección de plástico. En definitiva cualquier pieza
que necesite resistencia al desgaste.
Ventajas:
Dada la baja temperatura a la que se realiza este tratamiento se
producen deformaciones inapreciables. Se consiguen altas
durezas, pudiendo alcanzar los 1100 HV dependiendo del
material utilizado. Se puede realizar un endurecimiento parcial
de la zona que desee. El acabado después de tratamiento es
excelente ya que se realiza en atmósfera con vacío previo.
CIANURACION (LIQUIDA)
Es un tratamiento que tiene por objeto endurecer una capa
superficial del acero, por la acción combinada del carbono y
del nitrógeno.
El tratamiento se realiza calentando las piezas a temperaturas
cercanas a los 900 C, obteniéndose capas duras (65 HRC) de
hasta 0,6 mm en 4 a 5 horas.
La operación se realiza de una manera muy parecida a la
cementación gaseosa. Se utiliza un gas portador formado por
21 % de CO, 40 % de H2, 35 % de N2, 1 % de CH4 y
pequeñas cantidades de CO2, O2, vapor de agua y un gas
activo, que en este caso es el amoníaco.
CARBONITRURACION (CIANURACION GASEOSA)
Es un tratamiento que tiene por objeto endurecer una capa
superficial del acero, por la acción combinada del carbono y
del nitrógeno.
El tratamiento se realiza calentando las piezas de 750 a 950
C en un baño de sales de cianuro sódico (CNNa) (20 a 30
%), carbonato sódico (30 a 40 %) y cloruro sódico (20 a 30
%). La temperatura de fusión del baño es de unos 600 C.
El espesor de la capa cianurada depende de la duración del
tratamiento, consiguiéndose capas duras de 0,30 mm de
profundidad en unos 50 minutos.
Sulfinuzación
Su objetivo es aumentar su resistencia al desgaste de las
piezas tratadas. Calentándolas en un baño de sales de
composición especial a 565 c, de una a tres horas.
Se consigue con él incorporar a la capa superficial de los
metales y los aceros, carbono, nitrógeno y sobre todo azufre,
mediante su inmersión en un baño especial y a una temperatura
determinada.
En la composición del baño entran tres tipos de sales. Unas
activas, formadas principalmente por sulfito sódico; otras
protectoras, de carácter reductor, para impedir la oxidación de
las sales activas; y, por fin, otras sales de soporte, alcalinas o
alcalinotérreas, para rebajar hasta 450 C la temperatura de
fusión de la mezcla.
TABLAS PARA SELECCIONAR EJES DE UNA DUREZA DETERMINADA
DIAMETRO CRITICO IDEAL
Diámetro máximo que puede tener una barra de acero de
composición y tamaño de grano determinado, para que
después de templarla en un medio con capacidad de
enfriamiento infinita, tenga en su núcleo un 50 % de
martensita.
Bibliografía:
1. Smith William. Fundamentos de la ciencia e Ingeniería de Materiales cuarta edición
2. Smith William. Ciencia e Ingeniería de Materiales.3. Askeland. Ciencia e Ingeniería de Materiales.4. Callister William. Introducción a la Ciencia e Ingeniería de
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Aplicaciones.8. Avner. Introducción a la Metalurgia Física.9. Red Hill. Principios de Metalurgia Física.10.Lasheras. Tecnología del acero.