Universidad del Bío-BíoFacultad de ingeniería Departamento de Mecánica

Informe de laboratorio:

“Tratamientos térmicos”

Alumno:- Gonzalo Arias Ortiz Profesor: Federico Grossmann Cormenzana

Fecha: 26/07/2010

Introducción:Se conoce como tratamiento térmico el proceso al que se someten los metales u otros sólidos como polímeros con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas, especialmente la dureza, la resistencia y la elasticidad. Los materiales a los que se aplica el tratamiento térmico son, básicamente, el acero y la fundición, formados por hierro y carbono.También se aplican tratamientos térmicos diversos a los sólidos cerámicos. En los metales en general y sobre todo en los aceros, para fabricar piezas mecánicas se les necesita hacer tratamientos térmicos para mejorar o también estabilizar propiedades del metal.Por ende, cada marca o tipo de acero tiene expresas indicaciones de sus fabricantes, que en la mayoría de los casos son de eficiente resultado. Las indicaciones se refieren a temperaturas de recocido, temple, revenido, etc., también el tipo de líquido conveniente para el temple, el tiempo de duración de cada proceso en el horno, baño o enfriamiento, dureza superficial a comprobar o valores máximos que permiten alcanzar cada tratamiento.Un tratamiento térmico significa una operación o un conjunto de de operaciones que tienen por objetivo calentar y enfriar un metal o sus aleaciones en estado sólido, con el objeto de desarrollar en él determinadas propiedades convenientes para el trabajo a que se lo destina, estos temple, revenido, recocido y normalizado los que veremos en mas detalles en el desarrollo del trabajo.

Para cambiar las propiedades del acero se usan diferentes tipos tratamientos térmicos, que cambian su micro estructura.En general hay cuatro tipos básicos de tratamiento térmico:

1. Temple. 2. Revenido. 3. Recocido. 4. Normalización.

Todos los tratamientos térmicos tienen una ruta obligatoria:

* Calentamiento del acero hasta una temperatura determinada. * Permanencia a esa temperatura cierto tiempo. * Enfriamiento más o menos rápido.

El hierro tiene una temperatura de fusión de 1539 °C, y en estado sólido presenta el fenómeno de la alotropía o polimorfismo.En la mayoría de los casos, el calentamiento del acero para el temple, normalización y recocido se hace unos 30-50 °C por encima de la temperatura de cambio alotrópico. Las temperaturas mayores, si no son necesarias para un uso especial, no son deseables para evitar un crecimiento excesivo del grano.En la figura 1 se muestra un gráfico esquemático de como se desarrolla el proceso para cada tipo de tratamiento térmico.El carácter de la transformación del acero depende de la velocidad de enfriamiento. Durante un enfriamiento lento en el horno se verifica el recocido; si el enfriamiento se realiza al aire libre, tal recocido se denomina normalización.El temple se hace utilizando un enfriamiento rápido en agua o en aceite.

Después del temple, obligatoriamente, se ejecuta el revenido, cuyo objetivo es disminuir en algo la uniformidad de la estructura y, de tal modo, quitar las tensiones internas de la pieza. El revenido siempre se realiza a una temperatura menor a la de la transformación del material.

El acero y su temperatura.Para comprender mejor la influencia del tratamiento térmico en el acero, primero hay que conocer los cambios estructurales de este a diferentes temperaturas. Estos cambios tienen bastante complejidad y dependen de la cantidad de carbono presente y otros factores, que en la metalurgia se establecen con precisión en el llamado diagrama de equilibrio hierro-carbono.En este artículo vamos a describir de manera muy simplificada, las estructuras del acero a diferentes temperaturas.A temperaturas menores de 910 °C y por encima de 1400 °C el hierro tiene una red espacial cubica centrada. En el primer caso se le llama hierro alfa y en el segundo hierro gamma, entre las temperaturas de 910-1400 °C el hierro tiene la red cúbica centrada en las caras y se le llama hierro delta.Solubilidad del carbono en hierro.Los hierros alfa y gamma disuelven muy poco carbono (entre 0,025 y 0.1%), y a esas soluciones se les denomina ferrita. La ferrita es muy blanda y plástica según el tamaño de sus granos; por debajo de 768 °C tiene propiedades ferromagnéticas muy acentuadas.La solubilidad del carbono en el hierro delta es mucho mayor, y puede alcanzar el 2% en peso a 1130 °C. Esta solución se llama austenita y existe comúnmente por encima de 723 °C (por métodos especiales puede obtenerse austenita a temperaturas menores).La austenita es blanda y plástica, no es magnética y peor conductor del calor que la ferrita.Compuestos del hierro y el carbono.El hierro forma con el carbono el carburo de hierro, Fe3C, que se denomina cementita y contiene 6.67 % de carbono en peso. La cementita es frágil y muy dura; a temperaturas superiores a 210 °C no tiene propiedades magnéticas.La cementita pura no es estable, especialmente a altas temperaturas, y se desintegra en grafito y solución sólida: ferrita o austenita, según la temperatura.Sin embargo, en las aleaciones de bajo contenido de carbono la cementita existente es estable hasta altas temperaturas y por eso se le puede considerar como un componente autónomo dentro de la masa del acero.La cementita en el acero puede tener tres orígenes y se llaman:

1. Primaria: Segregada a partir de la reacción del hierro y el carbono en la solución líquida. 2. Secundaria: La que se precipita de la austenita al enfriarse. 3. Terciaria: La que se desprende de la ferrita al enfriarse por debajo de 910 oC.

La cementita puede mezclarse mecánicamente con la austenita desde la solución líquida, la mezcla eutéctica de cementita y austenita se denomina ledeburita. De la misma forma la cementita puede mezclarse desde la solución sólida con la ferrita procedente de la desintegración de la austenita a menos de 723 oC y concentración de carbono de 0.8 %. La mezcla eutectoide de ferrita y cementita se llama perlita.Con estos elementos examinemos ahora el carácter de las formaciones estructurales de los aceros en el proceso de enfriamiento, desde el estado líquido hasta las temperaturas normales. Este proceso es reversible por lo que los procesos son válidos también durante el calentamiento.

* Se le denomina eutectoide porque se produce en la solución sólida y no en la líquida como en el caso de una mezcla eutéctica.

Temple y revenido.

El temple y el revenido se utilizan ampliamente para mejorar las propiedades de resistencia de los aceros de construcción e importarles dureza y altas propiedades cortantes a los aceros de herramientas.Por temple se comprende la fijación de las estructuras, a temperatura normal, que son propias de temperaturas altas. Por eso las estructuras templadas son inestables o, como dicen los físicos metaestables.Si el acero se enfría rápidamente desde la zona de austenita (figura 2) el carbono no puede desprenderse, y como es imposible detener la transformación de hierro gamma a hierro alfa con capacidades de disolución de carbono muy diferentes, se produce una solución sólida sobresaturada de carbono en hierro alfa que se conoce como martensita. La estructura de la martensita es inestable, con una gran dureza y fragilidad considerable.La dureza de la martensita es tanto mayor, cuanto mas cantidad de carbono esté disuelto en esta, y se explica por el fenómeno de que su red cristalina está muy deformada por los átomos de carbono. Esto hace que el cristal elemental de la red cristalina de la martensita nos sea cúbico sino tetragonal. Lo que a su vez dificulta su deformación plástica.El acero tiene la capacidad de ser templado si contiene mas del 0.3% de carbono.El enfriamiento para el proceso de templado puede efectuarse a diferentes velocidades de acuerdo a los fines perseguidos y del tipo de acero (cantidad de carbono y otros elementos aleantes) los mas usados son:

* Agua. * Aceite. * Sales fundidas. * Soluciones salinas. * Y hasta el aire para ciertos aceros aleados.

Si tomamos la capacidad refrigerante del agua a temperatura de 20 oC como la unidad, entonces, la capacidad refrigerante relativa de la solución acuosa de cloruro de sodio al 10% será de 1.23; del aceite mineral 0.20 y del aire ambiente 0,03.Después del temple se efectúa el revenido, cuyo fin es el aumento de la plasticidad (disminución de la fragilidad) del acero con una disminución mínima de la resistencia o la dureza adquiridas durante el temple.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:

1. Revenido de bajas temperaturas (entre 180 y 220°C); Con él se reducen las tensiones internas pero se conserva la estructura martesítica. Se usa en el revenido de herramientas de corte, en las que debe mantenerse la dureza y resistencia al desgaste. 2. Revenido a medias temperaturas (entre 300-400 °C); 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. 3. Revenido de altas temperaturas (500-550 °C); 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.Recocido.El recocido tiene diferentes objetivos en el tratamiento térmico del acero y generalmente suele ser de dos clases:

1. Recocido de primera clase o subcrítico: Se aplica para eliminar tensiones residuales, acritud, y cambiar forma de la cementita a cementita esferoidal en los aceros de alto carbono para poder trabajarlos mejor. Por lo común mientras mas alta es la temperatura, tanto mas corto puede ser el tiempo de permanencia, pero, de todos modos, para la esferoidización se requiere un permanencia larga. El recocido para eliminar la acritud se efectúa después de la deformación plástica en frío; con ello no solo se reducen las tensiones, sino también la recristalización de la estructura, por eso se le denomina recocido de recristalización. 2. Recocido de segunda clase o supercrítico: Tiene como objeto diferentes finalidades, y exactamente:

* Disminución del grano: El recocido de los aceros de bajo y medio carbono se efectúa por calentamiento s unos 20-50 oC por encima de la temperatura de transformación, es decir por encima de la línea F-E (figura 2). Bajo estas temperaturas se verifica la transformación del hierro alfa a hierro gamma y la formación de una gran cantidad de granos pequeños de austenita, independientemente del tamaño original de los granos de ferrita o perlita. El enfriamiento ulterior de piezas con grano pequeño de austenita conduce a la formación de granos pequeños de ferrita y perlita. Un calentamiento considerable por encima de la línea F-E, produce no disminución, sino aumento del tamaño del grano.

* Obtención de una estructura equilibrada y mas blanda. * Modificación de la estructura en piezas fundidas: Las estructuras fundidas, muy a menudo suelen ser de grano grueso y la fase sobrante, por ejemplo, la ferrita en el acero de bajo carbono y la cementita secundaria en los de alto carbono, se distribuyen en granos, formando la armazón alrededor de la cual se solidifica la masa restante. Tal estructura se denomina de Widmastatten y tiene una tenacidad menor en comparación con la estructura normal. Durante el recocido no solo se efectúa la disminución del grano, sino también la liquidación de la estructura de Widmastatten.

* Eliminación de las segregaciones dendríticas: El recocido para eliminar la segregación dendrítica que surge durante la solidificación de los lingotes, se denomina recocido de homogenización. Generalmente este recocido se logra durante el calentamiento de los lingotes para su tratamiento por presión en la fabricación de piezas en caliente. La homogenización exige una temperatura muy alta (unos 1000-1100 °C) y una permanencia larga (15 o mas horas). Durante este recocido es inevitable el crecimiento del grano, la disminución de este se realiza después por medio de un recocido de recristalización.

Normalización.La estructura que surge después del calentamiento hasta las temperaturas que corresponden a la zona de austenita y enfriamiento en el aire, se considera como normal en el acero. Por eso la normalización corresponde a un recocido supercrítico con enfriamiento al aire.La cantidad de ferrita o cementita sobrante, después del normalizado, es menor que después del recocido y la perlita está mas dispersa. Por eso el acero normalizado tiene resistencia y tenacidad un poco mas altas y una maquinabilidad mas baja que el acero recocido.En la figura 3 se muestra un gráfico en el que se destacan las zonas de temperatura utilizadas mas comúnmente para la realización de los diferentes tratamientos térmicos.

Diagrama de Temperatura-tiempo-transformación

Actividades hechas en el laboratorio:

En este laboratorio se templaron aceros al carbono (SAE 1045) en un horno de arco eléctrico a mas de 700°C logrando que las piezas lleguen a estar al rojo vivo arriba de A3 dándole un tiempo de calentado de 1hora/pulgada de espesor para darle al acero la oportunidad de formar una estructura de grano uniforme, luego con unas tenazas especiales se toma la pieza y se introduce en un tacho con agua se procura hacer esto lo mas rápido posible porque mientras sea mas rápido el enfriamiento se logra mayor dureza (la austenita se transforma en martensita) para esto la pieza es introducida hasta el fondo de tarro con agua por el efecto que se produce con el contacto de la pieza al rojo con el agua a t° ambiente provocando una “capsula” de aire y disminuyendo la velocidad de enfriamiento de la pieza, el temple se puede realizar en en agua o aceite dependiendo del material.Al exponer la pieza a un ambiente con altas temperaturas y con oxigeno esta reacciona formando una capa de oxido superficial que es gastada por un esmeril para luego poder realizar adecuadamente la prueba de dureza lo que mostró el cambio de dureza experimentado luego del temple.

Finalmente la pieza se puso al microscopio para poder ver la estructura donde se aprecia la martensita.

Hornos usados para templar

Conclusión:

Los tratamientos térmicos son indispensables para el mejoramiento de la calidad del material o pieza a utilizar. Ya que se pueden modificar las propiedades físicas de los mismos dándoles una vida útil más larga. A cada tipo de tratamiento se le estipula de antemano su temperatura de calentamiento y el tiempo que permanecerá la pieza en esa temperatura, luego se procede a enfriar la pieza dependiendo del tipo de tratamiento efectuado. Adicionalmente se utilizan Diagramas de fase (TTT) donde se visualizan transformaciones de los materiales que ocurren a diferentes temperaturas críticas de los mismos. Sus aplicaciones pueden darse en la construcción y en las industrias, para las herramientas hechas de acero al carbono como ejemplo.

Respecto a las actividades realizadas en el laboratorio, primero a esta pieza se calentó a alrededor de 900°C (marcado por el termo sensor del horno) y se mantuvo media hora por pulgada esta temperatura, es de importancia decir que a esta temperatura se encuentra en fase gamma es decir Austenita. Luego se tomó esta pieza y se sumergió rápidamente en agua pura, llevándola a lo más profundo ya que así se reducen las burbujas producidas al sumergir la pieza al rojo, evitando de esta manera que se oxide el metal, es de vital importancia destacar que al enfriar en agua (templar en agua) la Austenita se descompone y toma una fase fuera de equilibrio (con muchas tensiones internas) obteniéndose de ésta manera Martensita, la fase con más dureza del acero. Al extraer el acero del agua, este cambia de color rápidamente, esto es porque se oxida al contacto con el aire, para sacar esta impureza se usa un esmeril sólo en la parte templada ya que si se pasara en la parte que no está templada se arruinaría la prueba ya que no se puede medir la dureza del metal si éste posee óxido de hierro (Fe2O3)

Bibliografía:

http://www.tratamientostermicos.cl/

http://html.rincondelvago.com/tratamientos-termicos_1.html

http://www.elprisma.com/apuntes/curso.asp?id=9361

http://www.metalmos.cl/termicos.html

http://es.wikipedia.org/wiki/Tratamiento_t%C3%A9rmico

http://www.solomantenimiento.com/m_termicos-acero.htm