CAPITULO 7 TRATAMIENTOS TERMICOSEl Tratamiento trmico es la operacin de calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado slido para cambiar sus propiedades fsicas, donde el acero puede hacerse tan duro que resista los efectos del corte y abrasin o puede ser tan suave que permita maquinado posterior y en donde se pueden reducir esfuerzos internos, reducir el tamao de grano, incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un interior dctil. DIAGRAMA HIERRO HIERRO CARBONOBajo condiciones de equilibrio, el conocimiento del acero y su estructura se resume mejor en el diagrama parcial hierro-hierro, donde si una pieza de acero con 0.20% de carbono se calienta lenta y uniformemente y su temperatura se registra a intervalos definidos de tiempo, se obtiene una curva, a tal curva se le llama curva de relacin inversa. La curva es una lnea vertical, excepto en aquellos puntos donde la razn de variacin de calentamiento o enfriamiento muestren cambios muy marcados. Cuando ocurren cambios originales, estos puntos se conocen como puntos crticos y se designan por los smbolos Ac1, Ac2 y Ac3. La letra c es la inicial de la palabra francesa chauffage, que significa calentar; los puntos en la curva de enfriamiento se designan por Ar, Ar2 y Ar3. La r se toma de la palabra refroidissement, que significa enfriar. Ciertos cambios que tienen lugar en estos puntos crticos son llamados cambios alotrpicos. En estos cambios, los principales son: resistencia elctrica, la estructura atmica y la prdida del magnetismo. Un cambio alotrpico es un cambio reversible en la estructura atmica del metal con un correspondiente cambio en las propiedades del acero; se considera de nuevo la pieza de acero con 0.20% de carbono que se ha calentado hasta una temperatura alrededor de 870C. Arriba del punto Ar3 este acero es una solucin solida de carbono en hierro gamma y se le llama austenita. Al enfriar este acero, los tomos de hierro inician la formacin de una malla cubica de cuerpo centrado, abajo del punto Ar3. Esta nueva estructura en formacin se llama ferrita o hierro alfa y es una solucin solida de carbn en hierro alfa. En la Lnea Ar1 la austenita remanente se transforma en una nueva estructura llamada perlita. Este componente es laminar en apariencia bajo una gran amplificacin, es llamada perlita debido a su apariencia de madre perla. Cuando el contenido de carbono del acero aumenta a ms del 0.20%, la temperatura a la cual la ferrita es inicialmente rechazada de la austenita decrece; aproximadamente a 0.80% de carbono, ninguna ferrita libre es rechazada de la austenita. El acero eutectoide es un acero 100% perlita en su composicin estructural. El punto eutectoide en cualquier metal es la temperatura mnima a la cual ocurren cambios en una solucin solida. Al carburo de hierro (FE3C) se le conoce como cementita y es extremadamente duro y frgil. Los aceros que contienen menos carbono que el eutectoide se conoce como aceros hipoeutectoides y aquellos con mayor contenido de carbono se les llama aceros hipereutectoides. TAMAO DE GRANO El tamao de grano depende de cierto nmero de factores siendo el principal el tratamiento de horno que ha recibido. Los aceros de grano grueso son de menor tenacidad y tienen mayor tendencia a la distorsin que aquellos que tienen un grano fino; sin embargo tienen mejor maquinabilidad y mayor facilidad para el endurecimiento profundo. Los de grano fino, adems de ser ms tenaces, son mas dctiles y tienden menos a deformarse o agrietarse durante el tratamiento trmico. El aluminio se usa como desoxidante, es el factor de control ms importante durante el periodo de manufactura, ya que eleva la temperatura a la cual ocurre un rpido crecimiento del grano. Un calentamiento adicional del acero produce un incremento en el tamao de los granos austeniticos, los cuales a su vez, rigen el tamao final de los granos cuando se enfran. Un enfriamiento rpido desde el punto Ac3 dara por resultado una estructura fina, mientras que un enfriamiento lento o rpido desde una temperatura ms alta producira una estructura ms gruesa.Algunos aceros pueden calentarse a una temperatura ms alta con solo un pequeo cambio en su estructura, donde se alcanza una temperatura de crecimiento que es una caracterstica de los aceros de medio carbono, de muchas aleaciones de acero y aceros que se han desoxidado con aluminio, que no es una temperatura fija y puede cambiarse por trabajo previo en caliente o en frio y por tratamiento trmico. El mtodo principal para determinar el tamao de grano es por examen al microscopio, aunque puede estimarse aproximadamente por el examen de una fractura. DIAGRAMAS DE TRANSFORMACION ISOTERMICALos diagramas de transformacin isotrmica tambin conocidos como diagramas de transformacin tiempo-temperatura o curvas S se han realizado para proporcionar esa informacin, donde el diagrama indica la forma de los cambios en los aceros austenitizados si se mantiene a una temperatura constante. La forma general de una curva de transformacin tiempo-temperatura difiere para cada acero dependiendo del contenido de carbono, de la presencia de aleaciones y del tamao de grano austenitico. TEMPLEEl temple es un procedimiento de calentamiento de una pieza de acero a una temperatura dentro o arriba de su zona critica, procediendo luego a un enfriamiento rpido. Un buen procedimiento a seguir es calentar y enfriar un nmero pequeo de muestras del acero, a diferentes temperaturas y observar los resultados, ya sea, probando la dureza o por examen al microscopio. Cuando se obtiene la temperatura correcta, habr un cambio marcado en la dureza y en otras propiedades. En cualquier operacin de tratamiento trmico, es importante la velocidad de calentamiento, el calor fluye del exterior hacia el interior del acero a una velocidad determinada. Si el acero se calienta demasiado rpido, el exterior se vuelve tan caliente como el interior y no se puede obtener una estructura uniforme. La dureza que se obtiene de un tratamiento depende de la velocidad del temple, del contenido de carbono y del tamao de la pieza. En los aceros aleados, la clase y cantidad del elemento de aleacin influye solo en la templabilidad del acero y no afecta la dureza, excepto en aceros sin templar o parcialmente templados. Para aceros de bajo y medio carbono, el temple en un bao de agua es un mtodo de enfriamiento rpido que comnmente se usa. Para aceros de alto carbono y aleados se usa generalmente aceite como medio para el temple, debido a que su accin no es tan severa como la del agua. Ciertas aleaciones pueden endurecerse por enfriamiento al aire, pero para aceros aceros ordinarios, la velocidad de enfriamiento que se obtiene es demasiado lenta para dar un efecto de endurecimiento apreciable. Las piezas grandes por lo comn se templan en un bao de aceite, lo que tiene como ventaja el enfriarlas rpidamente debajo de la temperatura ambiente, siendo asi no demasiado severo. El acero con bajo contenido de carbono no reacciona apreciablemente a los tratamientos de endurecimiento donde segn el contenido de carbono en el acero aumenta hasta alrededor de 0.60%, la dureza que es posible alcanzar tambin aumenta. La perlita reacciona mejor a las operaciones de tratamiento trmico; cualquier acero compuesto por perlita principalmente puede transformarse en un acero duro. TEMPLABILIDAD DEL ACERO La templabilidad se refiere a la reaccin de un metal al temple y se puede medir por la prueba Jominy, un acero con alta templabilidad muestra lecturas altas de dureza a cierta distancia del extremo templado mientras que las lecturas de dureza para aceros de baja templabilidad muestran un claro descenso a una corta distancia del extremo. Las aleaciones aumentan la templabilidad del acero y hacen posible endurecer pequeas piezas uniformemente del exterior hacia el interior, debido a esta caracterstica es posible endurecer aleaciones de acero a una velocidad ms lenta que los aceros del carbono. COMPONENTES DE LOS ACEROS TEMPLADOSEl temple extremo de un acero desde una alta temperatura preservara algo de la austenita a temperaturas ordinarias, este componente es aproximadamente la mitad de duro que la martensita y es no magntico. Cuando se enfra un acero hipoeutectoide, la austenita se transforma en ferrita y perlita, el acero que contiene estos componentes es suave y dctil. Un enfriamiento ms rpido da por resultado un componente diferente y el acero ser ms duro y menos dctil. El ingrediente esencial de cualquier acero templado es la martensita, A. Martins cientfico alemn reconoci primero este componente aproximadamente en 1878, la cual se obtiene por el temple rpido de aceros al carbono y es la sustancia de transicin formada por la descomposicin rpida de la austenita, la martensita es una solucin sobresaturada de carbono en hierro alfa.La perlita fina es un componente oscuro con contornos algo redondeados que se obtiene cuando el acero se templa a una velocidad ligeramente menor que la crtica, suele ser menos dura que la martensita y tiene una dureza que vara de 34 a 45 Rockwell C, es muy tenaz y capaz de resistir fuertes impactos. DUREZA MAXIMA DEL ACERO La dureza mxima se obtiene en una pieza dada de acero donde depende del contenido de carbono, su mxima dureza no exceder la de un acero al carbono que tenga el mismo contenido de carbono, que para obtener la mxima dureza el carbono debe estar completamente en solucin con la austenita durante el temple, donde deber utilizarse la velocidad critica de templado, la cual es la minima velocidad de enfriamiento que da por resultado un 100% de martensita. La dureza mxima que se obtiene en cualquier acero representa la dureza de la martensita y es de aproximadamente 66 a 67 Rockwell C, con un contenido de carbono igual o en exceso de 0.60% es necesario alcanzar este nivel. REVENIDO Mediante el revestido, la dureza y fragilidad pueden reducirse hasta un punto deseado para condiciones de servicio; la operacin consiste de un recalentamiento del acero endurecido por temple a una temperatura debajo de la zona critica, seguido de un enfriamiento a cualquier velocidad, el revenido permite un estrecho control de las propiedades fsicas y en la mayora de los casos no suaviza el acero al grado que lo hace el recocido. El revenido es posible debido a la inestabilidad de la martensita, el componente principal del acero templado, a baja temperatura de 150 a 205C no origina un gran decremento en la dureza y se usan principalmente para liberar esfuerzos internosEn el proceso de revenido, deber tomarse cierta consideracin tanto en el tiempo como en la temperatura. Aunque la mayor parte de la accin de suavizacin ocurre a los pocos minutos despus de alcanzar la temperatura hay una reduccin adicional en la dureza si la temperatura se mantiene por un tiempo prolongado.

AUSTEMPLADO As se le conoce al proceso de temple interrumpido, es una transformacin isotrmica que convierte la austenita a una estructura dura llamada vainita, las piezas a tratar se templan rpidamente a la temperatura correcta, de tal forma que a la curva de enfriamiento no se le permita intersectar la nariz en el diagrama de transformacin. El recocido completo se le conoce as debido a que borra toda traza de la estructura previa, refina la estructura cristalina y suaviza el metal. RECOCIDO ISOTERMICO El recocido isotrmico proporciona un ciclo corto de recocido, donde el acero es templado rpidamente a temperatura a la cual la austenita se transforma en un agregado relativamente suave de carburo ferritico en el tiempo ms corto posible. El recocido isotrmico da por resultado una estructura ms uniforme en la perlita que la que se obtiene por otros procesos de recocido. RECOCIDO ENTRE PASOS Practicado en las industrias de la lamina y el alambre entre operaciones de trabajo en frio, consiste en el calentamiento del acero a una temperatura ligeramente debajo de la zona critica y luego un enfriamiento lento. Es ms rpido que el proceso de esferoidizado y da por resultado una estructura perlitica comn. NORMALIZACION Y ESFEROIDIZACION La normalizacin consiste en calentar el acero de 10 a 40 arriba de la zona critica superior y enfriar en aire suave a la temperatura, se usa principalmente con aceros de bajo y medio carbono, as como en aceros aleados para lograr una estructura granular ms uniforme; para liberar los esfuerzos internos o lograr los resultados deseados, respecto a las propiedades fsicas. El esferoidizado proceso que produce una estructura en la cual, la cementita tiene una distribucin esferoidal, y se obtiene cuando se calienta un acero lentamente a una temperatura exactamente debajo de la zona critica y se mantiene asi por un periodo prolongado de tiempo. TEMPLE SUPERFICIALCementacin Mtodo mas antiguo conocido por producir una superficie dura que consiste en calentar el hierro o el acero arriba de Ac1, mientras est en contacto con un material carbonoso, el que puede ser solido, liquido o gas. La forma ms antigua de cementacin es conocida como cementacin en capa y consiste en colocar las piezas por tratar en un recipiente cerrado con un material carbonoso, tal como carbn vegetal o coque. Para capas menos profundas se usa la cementacin gaseosa, utilizando como combustibles derivados de hidrocarburos como gases naturales y propano, sea para el temple superficial de piezas pequeas que se templan por enfriamiento directo desde el horno, al final del ciclo de calentamiento. La cementacin liquida consiste cuando el acero se calienta arriba de Ac en un bao de sal de cianuro originando que el carbn y algo de nitrgeno se difundan en la capa, puede utilizarse para espesores de capas hasta 6.35 mm aunque en la mayora de los casos el espesor no excede de 0.64 mm. El acero utilizado para la cementacin es el acero al carbono aproximadamente 0.15% de carbono. Carbonitriturado Conocido como cianuro seco, es un proceso de temple superficial en la cual el acero se mantiene a una temperatura arriba de la zona critica, cualquier gas rico en carbono con amoniaco puede utilizarse. La capa resistente al desgaste resultante varia de 0.08 a 0.75 mm de espesor, una ventaja es que la templabilidad de la capa se incrementa considerablemente cuando se agrega nitrgeno, permitiendo el uso de aceros de bajo costo. Cianurado Tambin conocido como carbonitrurado liquido, es un proceso que combina la absorcin del carbono y nitrgeno para obtener dureza superficial en aceros de bajo carbono que no reaccionan al tratamiento trmico ordinario, pueden obtenerse fcilmente profundidad de capa de 0.10 a 0.40 mm, se usa principalmente para el tratamiento de partes pequeas. Nitrurado En este proceso el metal se calienta a una temperatura alrededor de 510C y se mantiene asi por un periodo de tiempo, en contacto con gas de amoniaco, el nitrgeno tiene mayor capacidad de endurecimiento con ciertos elementos que con otros; el aluminio ha demostrado ser especialmente adecuado en el acero. La temperatura de calentamiento varia de 495 a 565C. El nitrurado liquido utiliza sales de cianuro fundidas y como en el nitrurado gaseoso, la temperatura se mantiene debajo de la zona de transformacin, agrega mas nitrgeno y menos carbono que el cianurado de cementacin en baos de cianuro, el nitrurado desarrolla una alta dureza en las superficie del acero y varia de 900 a 1100 Brinell y es bsicamente mayor que la de cementacin ordinaria. TEMPLE POR INDUCCION Las principales aplicaciones de este mtodo de calentamiento incluyen la fusin de metales, temple y otras operaciones de tratamiento trmico, precalentamiento de metales para trabajo en caliente y calentamiento para sinterizacion, soldadura y otras operaciones similares se utiliza corriente alterna de alta frecuencia obtenida de grupos motor generador, convertidos de arco de mercurio, osciladores de chispa u osciladores de tubo de vaco, la mayora no excede de 500,000 HZ, para capas delgadas se utilizan altas frecuencias, mientras que para capas intermedias y gruesas las bajas frecuencias dan mejores resultados. El calentamiento por induccin es la misma que se obtiene en el tratamiento convencional y depende del contenido de carbono; Una importante ventaja de este mtodo es su rapidez de accin ya que requiere solo algunos segundos para calentar un acero a una profundidad de 3.2 mm. TEMPLE POR FLAMA Proceso de temple por induccin, est basado en un rpido calentamiento y un temple de la superficie de desgaste; el calentamiento se proporciona por flama de oxiacetilnica, la que es aplicada por tiempo suficiente para calentar la superficie arriba de la zona de temperatura critica del acero. En el cabezal de la flama estn integradas las conexiones para el agua que enfran la superficie, rocindola tan pronto como se alcanza la temperatura prevista. Para este proceso se usan mtodos como el estacionario de temple local, tanto la antorcha como la pieza son estacionarias y el efecto es local. En el temple progresivo, la flama y la pieza se mueven una con respecto a otra.Este mtodo se aplica comnmente a piezas bastante pequeas cuando el tiempo de calentamiento es corto. Con este proceso se obtienen superficies duras con un ncleo dctil, se pueden tratar piezas grandes sin calentarlas en su totalidad, se controla fcilmente la profundidad de la capa, la superficie queda libre de oxidacin y el equipo es porttil. El envejecimiento natural se da cuando el estado es sobresaturado e inestable, la aleacin es suave pero por ser inestable los componentes en exceso se precipitaran fuera de la solucin con el transcurso del tiempo y se completa la temperatura ambiente. El envejecimiento artificial difiere ligeramente en que se utiliza un tratamiento trmico adicional, aqu la aleacin se calienta a una temperatura elevada, la que acelera la precipitacin de algunos componentes de la solucin sobresaturada