procesos de transformado de metal y tratamientos térmicos e isotérmicos
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INSTITUTO TECNOLÓGICO SUPERIOR DE XALAPA
INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA
GRUPO 2A
TECNOLOGÍA DE LOS MATERIALES
EME – 1028
PROF. ING. ROXANA GONZÁLEZ GUTIÉRREZ
TRABAJO – EXTRUSIÓN, TREFILADO, FORJA, TRES ETAPAS DEL
TRATAMIENTO: TRATAMIENTO TÉRMICO Y TRATAMIENTO ISOTÉRMICO
INTEGRANTES
CUELLAR MARTÍNEZ YAEL OSMAR
CHÁVEZ BARBOSA MANUEL IVÁN
GÓMEZ PÉREZ JULIA ANEL
JIMÉNEZ MENDOZA ANDRÉS GIOVANNI
JIMÉNEZ TRIANA JAIR
PÉREZ SILVA KEVIN MARTÍN
ÍNDICE
INTRODUCCIÓN .................................................................................................................. 1
EXTRUSIÓN ......................................................................................................................... 2
TIPOS DE EXTRUSIÓN ................................................................................................... 2
FORJA .................................................................................................................................... 3
TIPOS DE FORJA ............................................................................................................. 3
PROCESOS DE FORJA .................................................................................................... 3
TREFILADO .......................................................................................................................... 4
TRATAMIENTO TÉRMICO DEL ACERO ......................................................................... 5
ETAPAS DEL TRATAMIENTO TÉRMICO ................................................................... 5
TIPOS DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS ..................................................................... 5
Recocido ......................................................................................................................... 5
Temple ............................................................................................................................ 6
Revenido ......................................................................................................................... 6
TRATAMIENTO ISOTÉRMICO .......................................................................................... 8
ALGUNOS TRATAMIENTOS ISOTÉRMICOS ............................................................. 8
El Patenting .................................................................................................................... 8
El Austempering ............................................................................................................. 8
El Martempering ............................................................................................................. 9
CONCLUSIÓN .................................................................................................................... 10
FUENTES BIBLIOGRÁFICAS........................................................................................... 11
CUESTIONARIO ................................................................................................................. 12
1
INTRODUCCIÓN
Los metales se elaboran en formas funcionales aplicando una amplia gama de operaciones
de conformado de metal, tanto en frío como en caliente. Uno de los ejemplos más
importantes que revela la aplicación de operaciones de conformado de metal, es la
fabricación de piezas automotrices (tanto de carrocería como de motor). El bloque del
motor se fabrica de hierro fundido o aleaciones de aluminio; el cilindro y otras aberturas del
bloque se fabrican mediante operaciones de perforación, barrenado y taladrado; las cabezas
de cilindro también son fundiciones de aleaciones de aluminio; los pernos de conexión,
manivelas y levas se forjan (en ocasiones se cuelan) y luego se rectifican con muela; los
paneles de la carrocería, incluso el techo, el capó, las puertas y los paneles laterales se
troquelan a partir de láminas de acero y luego se unen mediante soldadura por puntos. A
medida que aumenta el número de operaciones para producir una pieza, ocurre lo mismo
con su costo y, por consiguiente, con todo el producto. Para reducir el costo, los fabricantes
aplican los conceptos de la fabricación “cerca de la forma neta”, con los que el producto se
forma con el menor número de operaciones y la menor cantidad necesaria de maquinado de
acabado o rectificación con muela. Las piezas automotrices con formas complejas y no
simétricas, como los engranajes biselados o las juntas universales, se forjan casi listas para
instalarse.
En este trabajo, conoceremos los más importantes procesos por los que pasa (o puede llegar
a pasar) cada una de las piezas mencionadas, incluyendo los tratamientos que tuvo el acero
del que se formará (tratamientos térmicos o isotérmicos), los cuáles definiremos uno a uno
y resaltaremos su importancia para la materia.
2
EXTRUSIÓN
La extrusión es un proceso de conformado plástico mediante el cual un material sometido a
alta presión reduce su corte transversal cuando es forzado a pasar a través de una abertura o
matriz de extrusión. Para muchos metales, el proceso de extrusión se utiliza para producir
barras cilíndricas o tubos. En los materiales con mayor facilidad para la extrusión como
aluminio, cobre y algunas de sus
aleaciones, también es usual
producir formas con corte
transversal irregular. La mayoría de
los metales se extruye en caliente
porque la resistencia de la
formación del metal es menor a que
si lo fuera en frío. Durante la
extrusión, el tocho1 de metal
introducido en el contenedor de la
prensa de extrusión es forzado por
el pistón de la máquina a pasar a
través de la matriz, de tal modo que
el metal es continuamente deformado para producir un perfil de gran longitud con el corte
transversal deseado.
TIPOS DE EXTRUSIÓN
Los dos principales procesos son la extrusión directa y extrusión indirecta. En la extrusión
directa, el tocho de metal se coloca en el interior del contenedor de la presa de extrusión y
es forzado por el pistón a pasar a través de la matriz. En la extrusión indirecta, un pistón
hueco empuja la matriz hacia el otro extremo del contenedor de la presa de extrusión que
está cerrado mediante una placa. Las fuerzas de fricción y la potencia necesarias en la
extrusión indirecta son menores que en la extrusión directa. Sin embargo, la fuerza que
puede aplicarse utilizando un pistón hueco en el proceso indirecto está mucho más limitada
que la que puede utilizarse en la extrusión directa.
El proceso de la extrusión se utiliza principalmente para producir barras, tubos y formas
irregulares de metales no ferrosos de bajo punto de fusión tales como aluminio, cobre y sus
aleaciones. No obstante, con el desarrollo de prensas de extrusión de gran potencia y la
optimización de lubricantes tales como el vidrio, algunos aceros al carbono y aceros
inoxidables también se pueden extrudir en caliente.
1s. m. Lingote.
3
FORJA
La forja es otro método primario de conformado de metales en formas útiles. En el proceso
de forja, el metal es golpeado o comprimido hasta la forma deseada. Muchas operaciones
de forja se llevan a cabo con el metal
caliente, aunque en algunas ocasiones el
metal puede forjarse en frío.
TIPOS DE FORJA
Hay dos tipos principales de forja: con
martillo y con prensa. En la forja con
martillo, el martillo de la presa golpea
repetidamente contra la superficie de
metal. En la forja con prensa, el metal está
sujeto a una fuerza compresiva que cambia
lentamente.
PROCESOS DE FORJA
Los procesos de forja también pueden
clasificarse como forja en matriz abierta y
forja en matriz cerrada. La forja en matriz
abierta se lleva a cabo entre dos matrices
planas o de forma muy simple, como cavidades semicirculares o en forma de v, y es
particularmente útil para producir grandes piezas de hacer para turbinas de vapor y
generadores. En la forja con matriz cerrada, el metal se coloca entre las dos partes de la
matriz, una con la forma de la parte superior de la pieza que se desea obtener y otra con la
parte inferior, y puede llevarse a cabo utilizando una sola matriz o un conjunto de matrices.
A modo de ejemplo, las bielas2 utilizadas en motores de automóvil se fabrican utilizando un
conjunto de
matrices
cerradas.
2 s. f. Pieza de una máquina que sirve para transmitir potencia de una articulación a otra o transformar un
movimiento de vaivén rectilíneo en un movimiento circular
4
TREFILADO
El trefilado de alambre es un proceso de conformado importante. En este caso, se reduce el
diámetro de una barra o alambre inicial durante su paso a través de una o más matrices de
prefijar. En el trefilado de alambre de acero se utiliza un injerto de carburo de wolframio
insertado en una camisa de acero. El carburo aporta la resistencia al desgaste necesaria para
la reducción del alambre de acero, pero es necesario asegurar que la superficie de la barra o
alambre de acero de la barra, o alambre inicial esté limpia y adecuadamente lubricada. Si el
alambre endurece durante el procesado suele aplicarse un tratamiento térmico intermedio
de reblandecimiento. Los procedimientos empleados varían considerablemente
dependiendo del metal o aleación a trefilar, del diámetro final y propiedades mecánicas
deseadas.
Las máquinas utilizadas para realizar este proceso se denominan trefiladoras. En ellas se
hace pasar el alambre a través de las hileras, como se ha descrito anteriormente. Para
lograrlo el alambre se enrolla en unos tambores o bobinas de tracción que fuerzan el paso
del alambre por las hileras. Estas hileras se refrigeran mediante agua y las bobinas o
tambores de tracción se refrigeran normalmente con agua y aire. Las trefiladoras pueden ser
de acumulación en las que no hay un control de velocidad estricto entre pasos o con
palpadores en las que sí se controla la velocidad al mantener el palpador3 una tensión
constante.
3 m. ingen. mecán. Instrumento de medición que al ser aplicado sobre una pieza produce una señal eléctrica
indicadora de la cota efectiva del punto de contacto.
5
TRATAMIENTO TÉRMICO DEL ACERO
El Tratamiento Térmico involucra varios procesos de calentamiento y enfriamiento para
efectuar cambios estructurales en un material, los cuales modifican sus propiedades
mecánicas. El objetivo de los tratamientos térmicos es proporcionar a los materiales unas
propiedades específicas adecuadas para su conformación o uso final. No modifican la
composición química de los materiales, pero si otros factores tales como los constituyentes
estructurales y la granulometría, y como consecuencia las propiedades mecánicas. Se
pueden realizar Tratamientos Térmicos sobre una parte o la totalidad de la pieza en uno o
varios pasos de la secuencia de manufactura. En algunos casos, el tratamiento se aplica
antes del proceso de formado (recocido para ablandar el metal y ayudar a formarlo más
fácilmente mientras se encuentra caliente). En otros casos, se usa para aliviar los efectos del
endurecimiento por deformación. Finalmente, se puede realizar al final de la secuencia de
manufactura para lograr resistencia y dureza.
ETAPAS DEL TRATAMIENTO TÉRMICO
Un tratamiento térmico consta de tres etapas que se presentan a continuación:
1. Calentamiento hasta la temperatura fijada: La elevación de temperatura debe ser
uniforme en la pieza.
2. Permanencia a la temperatura fijada: Su fin es la completa transformación del
constituyente estructural de partida. Puede considerarse suficiente una permanencia
de unos 2 minutos por milímetro de espesor.
3. Enfriamiento: Este enfriamiento tiene que ser rigurosamente controlado en función
del tipo de tratamiento que se realice.
TIPOS DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS
Existen varios tipos de Tratamientos Térmicos: Recocido, Temple y Revenido. A
continuación se presentan las principales características de cada uno de estos tipos de
Tratamientos Térmicos.
Recocido
Es un tratamiento térmico que normalmente consiste en calentar un material metálico a
temperatura elevada durante largo
tiempo, con objeto de bajar la densidad
de dislocaciones y, de esta manera,
impartir ductilidad.
El Recocido se realiza principalmente
para:
Alterar la estructura del material
para obtener las propiedades mecánicas
6
deseadas, ablandando el metal y mejorando su maquinabilidad.
Recristalizar los metales trabajados en frío.
Para aliviar los esfuerzos residuales.
Las operaciones de Recocido se ejecutan algunas veces con el único propósito de aliviar los
esfuerzos residuales en la pieza de trabajo causadas por los procesos de formado previo.
Este tratamiento es conocido como Recocido para Alivio de Esfuerzos, el cual ayuda a
reducir la distorsión y las variaciones dimensiónales que pueden resultar de otra manera en
las partes que fueron sometidas a esfuerzos.
Se debe tener en cuenta que el Recocido no proporciona generalmente las características
más adecuadas para la utilización del acero. Por lo general, al material se le realiza un
tratamiento posterior con el objetivo de obtener las características óptimas deseadas.
Temple
El Temple es un tratamiento térmico que tiene por objetivo aumentar la dureza y resistencia
mecánica del material, transformando toda la masa en Austenita4 con el calentamiento y
después, por medio de un enfriamiento
brusco (con aceites, agua o salmuera), se
convierte en Martensita5, que es el
constituyente duro típico de los aceros
templados.
En el temple, es muy importante la fase de
enfriamiento y la velocidad alta del mismo,
además, la temperatura para el
calentamiento óptimo debe ser siempre
superior a la crítica para poder obtener de
esta forma la Martensita. Existen varios
tipos de Temple, clasificados en función del
resultado que se quiera obtener y en función
de la propiedad que presentan casi todos los
aceros, llamada Templabilidad (capacidad a
la penetración del temple), que a su vez depende, fundamentalmente, del diámetro o
espesor de la pieza y de la calidad del acero.
Revenido
El Revenido es un tratamiento complementario del Temple, que generalmente prosigue a
éste. Después del Temple, los aceros suelen quedar demasiados duros y frágiles para los
4 f. metal. Fase dúctil y blanda compuesta por hierro de estructura cristalina cúbica y cara centrada (hierro
gamma). 5 f. metal. Solución sobresaturada de carbono en hierro alfa (forma alotrópica cúbica centrada del hierro).
7
usos a los cuales están destinados. Lo anterior se puede corregir con el proceso de
Revenido, que disminuye la dureza y la fragilidad excesiva, sin perder demasiada
tenacidad.
Por ejemplo, se han utilizado
estos tratamientos térmicos para
la fabricación del acero de
Damasco (Siglo X a.C.) y de las
espadas de los samuráis
japoneses (Siglo XII d.C.). Es
posible obtener una dispersión
excepcionalmente fina de Fe3C
(conocida como martensita
revenida) si primero se templa
la austenita para producir
martensita, y después se realiza
el revenido. Durante el
revenido, se forma una mezcla íntima de ferrita y cementita a partir de la martensita. El
tratamiento de revenido controla las propiedades físicas del acero.
Este tratamiento térmico consiste en calentar el acero, (después de haberle realizado un
Temple o un Normalizado) a una temperatura inferior al punto crítico (o temperatura de
recristalización6), seguido de un enfriamiento controlado que puede ser rápido cuando se
pretende resultados altos en tenacidad, o lentos, cuando se pretende reducir al máximo las
tensiones térmicas que pueden generar deformaciones.
Es muy importante aclarar que con la realización del proceso de Revenido no se eliminan
los efectos del Temple, solo se modifican, ya que se consigue disminuir la dureza y
tensiones internas para lograr de ésta manera aumentar la tenacidad.
6 La temperatura de recristalización de los aceros está generalmente entre los 400 y los 700 °C.
8
TRATAMIENTO ISOTÉRMICO
Aunque se denominen así resulta más propio decir que son tratamientos con enfriamiento
isotérmicos. Todos ellos tienen en común que las piezas de acero son calentadas hasta
temperaturas de austenización7 y desde ahí, son enfriadas isotérmicamente por inmersión en
sales fundidas, plomo fundido, u otro medio refrigerante líquido que permita mantener
constante la temperatura durante la transformación de la austenita.
ALGUNOS TRATAMIENTOS ISOTÉRMICOS
El Patenting
Este es un tratamiento isotérmico que suele darse como operación final a los alambres de
acero de 0,7 a 0,9% que requieren alta resistencia mecánica a la tracción por ir destinados a
hormigón pretensado. Para lograr esas características, el alambre después de ser
austenizado se introduce en un baño de plomo fundido, a temperatura correspondiente a la
zona baja perlítica de la curva TTT del acero.
En ocasiones el patenting se usa como tratamiento intermedio durante el trefilado del
alambre para, además de lograr los altos valores de Rm8, facilitar la operación del trefilado.
El Austempering
Tiene por finalidad obtener en la pieza una estructura plenamente bainítica9. Es un
tratamiento que no requiere después un revenido. La estructura bainítica presenta la ventaja
de resultar más tenaz, para igual dureza, que la lograda por temple y revenido bajo del
acero. Para que se de el austempering, el acero tiene que poseer la templabilidad suficiente
7 La austenización es un proceso que ocurre en el acero, en el cual, a una determinada temperatura, se forma
austenita. 8 Resistencia a la tracción.
9 s. f. Mezcla de fases de ferrita y cementita y en su formación intervienen procesos de difusión.
9
para que tanto la periferia10
como el núcleo, alcancen en el baño de sales la temperatura
isotérmica antes de que se inicie la transformación de austenita en bainita. De no ser así
podría obtenerse bainita en la periferia y perlita11
en las zonas más internas de la pieza.
Este tratamiento suele aplicarse a piezas de pequeño diámetro, para que la duración del
tratamiento no sea excesiva y porque en el enfriamiento resulta más fácil igualar las
temperaturas, de la periferia y del núcleo de la pieza.
El Martempering
Es un tratamiento destinado a obtener martensita en aceros de media templabilidad12
sin
riesgos de tensiones, deformaciones, ni grietas en la pieza. No se utiliza en aceros de mucha
templabilidad, porque bastaría el enfriamiento al aire para lograr aquellos objetivos.
En el Austempering la transformación de austenita en bainita tiene lugar con aumento de
volumen, pero al mismo tiempo e igual temperatura en todos los puntos de la pieza.
Para poder dar martempering a una pieza es preciso conocer con precisión la temperatura
Ms13
del acero, y que su templabilidad permita lo que sigue. Después de austenizar la pieza
debe poderse enfriar en sales a una temperatura T1, sólo pocos grados superior a Ms, sin
que la austenita haya podido transformarse. A esa temperatura uniforme T1 no debe haber
más constituyentes que la austenita, tanto en la periferia como en el núcleo de la pieza.
10
s. f. Espacio que rodea un núcleo cualquiera 11
f. metal. Estructura laminar del acero formada por placas alternadas de ferrita y cementita, de características
intermedias entre ellas. 12
metal. Profundidad a la que se podrá conseguir el temple en una pieza de acero de espesor determinado. 13
La martensita comienza a formarse a una temperatura característica de cada acero, Ms.
10
CONCLUSIÓN
Al finalizar esta investigación se puede concluir que los tratamientos térmicos son una
herramienta muy difundida en la industria, debido a que los procesos modernos exigen que
los materiales tengan ciertas cualidades mecánicas, en especial de dureza y tenacidad, es
ahí cuando los tratamientos térmicos encuentran su papel. Aunque la mayoría de estos
tratamientos son para mejorar las cualidades mecánicas, así también existen unos pocos que
ablandan los metales, esto para eliminar los esfuerzos residuales generados por los diversos
procesos de manufactura.
Debido a la variedad de los tratamientos térmicos es importante saber y distinguir las
diferencias y características que se obtienen con cada uno de los diferentes tipos de
tratamientos térmicos , ya que podemos obtener mejor resultado sabiendo aplicar cada uno
de ellos y entender los procedimientos básicos que este encierra para un mejor trabajo; hoy,
mañana y siempre estos tratamientos estarán presentes porque este campo va a hacer
infinito, el acero es una materia prima, podría existir diversas aleaciones pero acero estará
presente y las características de este no se encajan del todo a nuestras necesidades y por eso
es necesario el manipularlo hasta llevarlo a lo más extremo en lo que queremos obtener ,
mayor ductibilidad, mayor dureza, entre otras propiedades presentes en los aceros.
A lo largo de este tema hemos podido observar que el objetivo que se persigue con los
tratamientos es el mejorar las propiedades de las piezas metálicas, mediante la modificación
de su estructura interna o superficial, para soportar las condiciones de trabajo, así como el
prolongar la vida y seguridad de funcionamiento. Dado que las piezas tras su proceso de
obtención no presentan las propiedades requeridas para su posterior uso, es preciso
someterlas a ciertos tratamientos térmicos, termoquímicos o de protección anticorrosiva
para conseguir las características demandadas. De ahí, la importancia de este tema en el
mundo industrial.
11
FUENTES BIBLIOGRÁFICAS
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Séptima edición
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http://www.soldadurascromaweld.com/soportes/determinacion1.htm, Consultado el sábado
02 de Mayo de 2015.
http://recocid0sytratamientostermicos.blogspot.mx/2014_07_01_archive.html, Consultado
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http://www.clubensayos.com/Ciencia/Tratamientos-Isot%C3%A9rmicos-Temple-Y-
Normalizado/20304.html, Consultado el viernes 01 de Mayo de 2015.
12
CUESTIONARIO
1. ¿En qué consiste el proceso de extrusión?
Es un proceso de conformado plástico mediante el cual un material sometido a alta presión
reduce su corte transversal cuando es forzado a pasar a través de una abertura o matriz de
extrusión.
2. ¿Qué tipos de forja existen y en qué consiste cada una?
Hay dos tipos principales de forja: con martillo y con prensa. En la forja con martillo, el
martillo de la presa golpea repetidamente contra la superficie de metal. En la forja con
prensa, el metal está sujeto a una fuerza compresiva que cambia lentamente.
3. ¿En qué consiste el proceso de trefilado?
En el proceso se reduce el diámetro de una barra o alambre inicial durante su paso a través
de una o más matrices de prefijar.
4. ¿Cuáles son las tres etapas de los tratamientos térmicos?
a. Calentamiento hasta la temperatura fijada: La elevación de temperatura
debe ser uniforme en la pieza.
b. Permanencia a la temperatura fijada: Su fin es la completa
transformación del constituyente estructural de partida. Puede considerarse
suficiente una permanencia de unos 2 minutos por milímetro de espesor.
c. Enfriamiento: Este enfriamiento tiene que ser rigurosamente controlado en
función del tipo de tratamiento que se realice.
5. Menciona tres tratamientos térmicos y resume cada uno.
a. Recocido: Es un tratamiento térmico que normalmente consiste en calentar
un material metálico a temperatura elevada durante largo tiempo, con objeto
de bajar la densidad de dislocaciones y, de esta manera, impartir ductilidad
b. Temple: Es un tratamiento térmico que tiene por objetivo aumentar la
dureza y resistencia mecánica del material.
c. Revenido: Es un tratamiento térmico que disminuye la dureza y la fragilidad
excesiva, sin perder demasiada tenacidad.
6. Menciona tres tratamientos isotérmicos y resume cada uno.
a. Patenting: Se usa como tratamiento intermedio durante el trefilado del
alambre para, además de lograr los altos valores de Rm, facilitar la
operación del trefilado.
b. Austempering: Tiene por finalidad obtener en la pieza una estructura
plenamente bainítica. Es un tratamiento que no requiere después un
revenido.
c. Martempering: Es un tratamiento destinado a obtener martensita en aceros
de media templabilidad, sin riesgos de tensiones, deformaciones, ni grietas.