REPBLICA BOLIVARIANA DE VENEZUELAMINISTERIO DEL PODER POPULAR PARA LA EDUCACIN UNIVERSITARIAUNIVERSIDAD POLITCNICA TERRITORIAL DEL ESTADO ARAGUA FEDERICO BRITO FIGUEROA DEPARTAMENTO DE MECNICA

TRATAMIENTOS TRMICOS

AUTORES:Br. Arnauda, Luis / C.I.: V- 18.165.079Br. Freites, Jorge / C.I.: V-25.525.480Br. Regalado, Anthoni / CI: 25.742.670Br. Osio, Jexiel / CI: 19.466.213La Victoria VenezuelaNoviembre, 2014INTRODUCCION

Estainvestigacintiene como finalidad otorgar al lector una serie deinformacingeneral acerca de los diversos tratamientos trmicos aplicables a losmaterialesen base alhierro, as como la forma en que estos se logran, las cualidades que le otorgan al material y las aplicaciones prcticas que estos tienen.

En estetrabajotrataremos de explicar los tratamientos trmicos y su aplicacin, pero tal vez usted se pregunte Qu es un tratamiento trmico?, Para qu se emplea los tratamientos trmicos?

Elcambioo modificacin de las propiedades de un material con calentamiento y enfriamiento controlado se denomina tratamiento trmico y es un trmino genrico que incluye losprocesosde reblandecimiento, endurecimiento y tratamiento de superficies. El endurecimiento abarca procesos como templado de martensita, templado de austenita y endurecimiento. Entre los procesos para tratamiento de superficie se cuentan nitruracin, cianuracin, carburacin y endurecimiento porinduccina la flama.

En las industrias como es sabido cada vez ms se trata de adaptar nuevas tecnologas con nuevos procedimientos con la finalidad de mejor las propiedades y as poder obtener de los materiales unas mejores caractersticas fsicas y qumicas. Estos procesos se efectan para aumentar laresistenciay dureza, mejorar la ductilidad, cambiar el tamao de granos y composicinqumica, mejorar la facilidad de trabajo, liberar esfuerzos, endurecerherramientasy modificar las propiedades elctricas y magnticas de los materiales. Como todos estos procesos implican cambios o modificaciones en laestructuradel material, se necesitan conocimientos demetalurgiao de fsico-qumica para conocerlos a fondo. Por tanto, solo se describirn los aspectos sencillos de estos procesos.

TRATAMIENTOS TRMICOS

Se conoce comotratamiento trmicoal conjunto de operaciones de calentamiento y enfriamiento, bajo condiciones controladas de temperatura, tiempo de permanencia, velocidad, presin, de losmetales o las aleaciones en estado slido, con el fin de mejorar sus propiedades mecnicas, especialmente la dureza, laresistencia y la elasticidad. Los materiales a los que se aplica el tratamiento trmico son, bsicamente, elaceroy la fundicin, formados por hierro y carbono. Tambin se aplican tratamientos trmicos diversos a los cermicos.

Figura 1: Tratamiento Trmico

Tipos de Tratamientos Trmicos Tratamientos en la masa: recocidos y normalizados, temples y revenidos. Tratamientos superficiales: temple superficial y tratamientos termoqumicos (cementacin, carbonitruracin, boruracin y nitruracin). Tratamientos de superficie (depsitos).

Desarrollo de los Tratamientos TrmicosConstan de tres fases: Calentamiento hasta la temperatura fijada (temperatura de consigna):La elevacin de temperatura debe ser uniforme, por lo que cuando se calienta una pieza o se hace aumentando la temperatura muy lentamente o se va manteniendo un tiempo a temperaturas intermedias, antes del paso por los puntos crticos, este ltimo es el calentamiento escalonado. Permanencia a la temperatura fijada:Su fin es la completa transformacin del constituyente estructural de partida. Puede considerarse como suficiente una permanencia de unos dos minutos por milmetro de espesor en el caso de querer obtener una austenizacin completa en el centro y superficie. Largos mantenimientos y sobre todo a altas temperaturas son "muy peligrosos" ya que el grano austentico crece rpidamente dejando el acero con estructuras finales groseras y frgiles. Enfriamiento desde la temperatura fijada hasta la temperatura ambiente:Este tiene que ser rigurosamente controlado en funcin del tipo de tratamiento que se realice.

Hornos utilizados para el Tratamiento TrmicoSe pueden clasificar a partir del proceso de calentamiento, por la atmsfera o por la solera del horno.El Calentamiento por Gas:Los hornos de gas pueden ser del tipo de fuego directo, en el cual los productos de la combustin entran a la cmara de calentamiento. Alternativamente, pueden ser de combustin indirecta, de manera que la cmara del horno quede aislada de los productos de la combustin. Un tercer tipo de horno calentado por gas, es el de tubos radiantes, en el cual un gas en combustin dentro de tubos metlicos, que se proyecta dentro de la cmara de calentamiento, y que constituyes la fuente de calor radiante. El calentamiento por gas tiene como ventaja la economa y como inconveniente la dificultad del control de la temperatura. La temperatura alcanzada por el horno suele llegar a 1100 C y el control de la atmsfera es muy difcil por ello se emplea poco este proceso de calentamiento para tratamientos trmicos.

Figura 2: Hornos de Gas

Calentamiento por Resistencia Elctrica:Es el ms usado para los hornos de tratamiento trmicos que aprovecha el calor generado segn la ley de joule. La disposicin de la resistencia da nombre a los hornos, que son de tipo mufla o caja, la resistencia est instalada a lo largo de las paredes interiores y por lo tanto en contacto con las paredes del horno. El material de la resistencia suele ser nicrom (Nquel 70%, Cromo 30%), que alcanza temperaturas de 1100 C y de aleacin de carburo de silicio que alcanza temperaturas de 1300 C. Para lograr temperaturas superiores se utilizan resistencias de molibdeno (1800 C), de tungsteno (2500 C), y de grafito (2700 C). Para temperaturas aun mayores se utilizan los hornos de induccin (3000 C).

Figura 3: Hornos por Resistencia Elctrica

Hornos Segn su Atmsfera:En tratamientos trmicos se entiende por atmsfera la masa gaseosa encerrada dentro del horno que est en contacto con la pieza a tratar las atmsfera pueden tener carcter neutro, oxidante o reductor el papel desempeado por la atmsfera controlada es doble, por una parte evita que se produzcan reacciones perjudiciales como la oxidacin y la descarbonizacin de las piezas. Por otra parte permite realizar las acciones previstas a saber, la reduccin de xidos superficiales y la eliminacin de gas sean absorbidas.En Vaco:Se utiliza para sintetizar carbonos cementados y para el tratamiento trmico especial de aceros aleados se consiguen mediante bombas mecnicas y de difusin de aceite o mercurio. Las atmsferas neutras de argn helio y nitrgeno apenas se emplean debido al precio de estos gases y a las trazas de oxigeno que suelen contener. Las atmsferas carburantes o descarburantes obtenidas por combustin o disociacin de mezclas de hidrocarburos (metano, propano, butano, gas natural), con aire estas suelen contener N2, CO, H2, CO2, y pequeas cantidades de vapor de agua. Concepto, Caractersticas y Desarrollo del Normalizado:Es un tratamiento trmico de recocido que consiste en calentar a un periodo de una hora y despus se enfra al aire. Se realiza calentando el acero entre 20C y 40C superior a la temperatura crtica y una vez austenizado se deja enfriar al aire tranquilo. Con este tratamiento se consigue afinar y homogeneizar la estructura. Este tratamiento es tpico de los aceros al carbono de construccin de 0.15% a 0.60% de carbono. Sirven para afinar la estructura y eliminar las tensiones que suelen aparecer en la solidificacin forjada entre otros. Con esto se consigue un acero ms duro y resistente al obtenido con un enfriamiento ms lento en un horno despus de un recocido. Este tratamiento se utiliza para piezas fundidas, forjadas o mecanizadas. la pieza a normalizar por encima de la temperatura de transformacin perlita-austerita se mantiene a estas temperaturas Enfriamiento del Normalizado:La velocidad del enfriamiento del normalizado es ms rpida que en el recocido. Es un tratamiento comn de los aceros al carbono de construccin de 0.15 a 0.60 % de carbono, y las temperaturas normales del normalizado vara segn el porcentaje en carbono, que va desde 840C a 935C, segn la composicin sea desde 0.50 a 0.10 % de carbono. A medida que aumenta el dimetro de la barra, el enfriamiento ser ms lento y por tanto la resistencia y el lmite elstico disminuirn y el alargamiento aumentar ligeramente.

Figura 4: Normalizado del Acero

Concepto, Caractersticas y Desarrollo del Recocido, Temple y Revenido

Recocido:Su objetivo principal es "ablandar" el acero para facilitar su mecanizado posterior. Tambin es utilizado para regenerar el grano o eliminar las tensiones internas. Se debe tener en cuenta que los recocidos no proporcionan generalmente las caractersticas ms adecuadas para la utilizacin del acero y casi siempre el material sufre un tratamiento posterior con vistas a obtener las caractersticas ptimas del mismo. Cuando esto sucede el recocido se llama tambin "tratamiento trmico preliminar" y al tratamiento final como "tratamiento trmico de calidad". Los tipos de recocidos son los siguientes: recocido de regeneracin, recocido de engrosamiento de grano, recocidos globulares o esferoidales (recocido globular subcrtico, recocido regular de austenizacin incompleta o recocido globular oscilante), recocido de homogenizacin, recocidos subcrticos (de ablandamiento o de acritud), recocido isotrmico y recocido blanco.

Figura 5: Tratamiento por Recocido

Recocido Supercrticos:De austenizacin completa (recocido de regeneracin): se calienta el acero a temperaturas superiores a las crticas Ac3 Accm para transformar el material en austenita, mayormente se utilizan para los aceros que presentan efectos de fatiga. De austenizacin incompleta (recocido globular de austenizacin incompleta): se realizan a solo temperaturas superiores a las Ac1 y Ac3-2-1 se convierte la ferrita en austenita.Recocido Subcrtico:Se calientan los materiales a temperaturas inferiores a las temperaturas crticas Ac1 Ac3-2-1. Este a su vez se clasifica en: recocido globular que consigue la cementita de estructura globular ms perfecta; recocido de ablandamiento; recocido contra acritud se realiza para mejorar la ductilidad y maleabilidad del acero y poder someterlo a nuevos procesos de laminacin; recocido de estabilizacinRecocido Isotrmico:A diferencia de todos los anteriores se trasforma la austenita en perlita a una temperatura constante. En el recocido de segundo gnero o de austenizacion completa, se calienta el material por encima del punto crtico superior, y se mantiene caliente hasta lograr una homogenizacin del material, luego producimos un enfriamiento lento para conseguir que el acero quede blando, cuanto ms lento sea el enfriamiento ms blando ser el acero, si se aumenta la velocidad de enfriamiento al atravesar el acero la zona critica, se aumenta la dureza, si esta velocidad sobrepasa la velocidad critica, la austenita comienza a transformarse en otros constituyentes. El acero se puede sacar del horno cuando ya los cristales de austenita se han transformado completamente en perlita blanda, este punto depende de la velocidad de enfriamiento, por ejemplo a una velocidad de 10 grados -hora, el proceso de transformacin ocurre sobre los 700-680 grados, y a 20 grados - hora, la transformacin ocurre a 680-650 grados.

Temple:El temple es un tratamiento trmico que consiste en enfriar muy rpidamente, la mezcla austenitica homognea, que tenemos despus de calentar el acero, con este enfriamiento rpido se consigue un aumento de dureza, ya que el resultado microscopico final es una mezcla martenstica. La temperatura de temple para los aceros hipoeutectoides son de 30-50 grados, por encima de esta temperatura, el grano de austenita crece mucho, obtenindose austenita basta de baja tenacidad. El tiempo de enfriamiento debe de ser rpido pero solo en el intervalo de temperatura de 650-400 grados, que es donde la austenita es menos estable, y es donde se forma la mezcla de ferrita y cementita, por encima de 650 grados la velocidad puede ser ms lenta, pero no tanto que permita la precipitacin de ferrita o la transformacin de austenita en perlita , por debajo de los 400 grados comienza la zona de estabilidad de la austenita y el enfriamiento puede volver a ser lento, y en el intervalo de 200-300 grados, el enfriamiento debe de ser lento para evitar tensiones trmicas resultantes de un enfriamiento rpido. En los aceros hipereutectoides el temple se suele realizar con calentamiento de austenizacin incompleta, en la masa original caliente hay austenita y una cantidad de cementita y carburos aleados, despus del enfriamiento se obtiene martensita y carburos, este proceso produce mejores resultados en la prctica industrial. Factores que influyen en el temple de los aceros son la composicin, el tamao de grano, el tamao de las piezas. El estudio de las velocidades crticas del temple debe de hacerse con ayuda de las curvas de la S de enfriamiento continuo, las cuales reflejan la influencia de la composicin sobre la velocidad de enfriamiento, al aumentar el porcentaje de manganeso y cromo, las curvas se desplazan hacia la derecha y por tanto las velocidades crticas del temple disminuyen. El tamao de grano modifica la situacin y forma de la curva S, en aceros de la misma composicin, las velocidades del temple de grano grueso son menores que las velocidades de grano fino. El tamao , volumen, y espesor de las piezas tiene gran importancia, ya que si enfriamos una pieza grande primero se enfra la superficie exterior rpidamente, pero las capas interiores tardan ms, ya que el calor debe de atravesar las capas exteriores y estas capas tienen una conductividad limitada , con lo cual perfiles delgados enfran antes que gruesos. El medio de enfriamiento tambin influye siendo este proceso por etapas , en la primera el acero al sumergirse en el liquido se forma una capa de vapor , al ser su temperatura muy alta, que rodea el metal , y el enfriamiento se hace por conduccin y radiacin a travs de la capa gaseosa , siendo un enfriamiento muy lento. En la segunda etapa cuando desciende la temperatura de superficie del metal, la pelcula de vapor va desapareciendo, pero el lquido hierve alrededor de las piezas y se forman burbujas que transportan el vapor por conduccin. En la tercera etapa el enfriamiento lo hace el lquido por conduccin y conveccin, cuando la diferencia de temperatura del lquido y la pieza es pequea., con lo que el liquido influye en la velocidad segn su temperatura de ebullicin, su conductividad trmica, su viscosidad, su calor especifico y su calor de vaporizacin.

Figura 6: Tratamiento Trmico: TEMPLE (pasos)Si se realiza un temple mal, nos podemos encontrar con defectos en la pieza como una dureza insuficiente para nuestros propsitos, que se hayan formados puntos blandos, piezas con mucha fragilidad, descarburacin, grietas etc.La dureza escasa y la formacin de puntos blandos se explican por la falta de calentamiento, por no haber alcanzado la temperatura necesaria, o por no haber permanecido el suficiente tiempo en ella, la fragilidad excesiva es por un temple a temperaturas altas, etc. por lo cual hay que extremar los cuidados a la hora de iniciar un proceso de temple, y realizarlo correctamente, ya que son muchos los factores que pueden echar a perder las piezas, y que no sean vlidas para nuestros propsitos.Existe un proceso llamado temple superficial que se usa para endurecer superficialmente ciertas piezas de acero conservando la tenacidad de su ncleo, el proceso consiste en calentar las capas superficiales a una temperatura superior a los puntos crticos y enfriar rpidamente siguiendo la seccin de la pieza , como las diferentes capas interiores de la pieza se han calentado a diferentes temperaturas , se ha producido en la pieza diferentes temples, en la superficie el temple ser completo, en el interior, incompleto, y en el centro inexistente.

Figura 7: Tratamiento Trmico: TEMPLE

Revenido:Despus del temple, los aceros suelen quedar demasiado duros y frgiles para los usos a los que estn destinados. Esto se corrige con el proceso del revenido, este proceso consiste en calentar el acero a una temperatura ms baja que su temperatura critica inferior, enfrindolo luego al aire, en aceite o en agua, con esto no se eliminan los efectos del temple, solo se modifican, se consigue disminuir la dureza, resistencia, y las tensiones internas, y se aumenta la tenacidad. El acero, despus del temple, est compuesto por cristales de martensita, si se vuelve a calentar a diferentes temperaturas, entre Temp. Ambiente y 700 y despus se enfra al aire, la resistencia a la traccin disminuye a medida que la Temp. del revenido aumenta , y al mismo tiempo aumenta la ductilidad y la tenacidad , la resistencia al choque o resiliencia, que es baja cuando el revenido se hace a Temperaturas inferiores a 450C, aumenta cuando se hace a Temperaturas ms elevadas.

Figura 8: Tratamiento Trmico: por REVENIDOCon ayuda del telescopio electrnico se ha podido llegar a la conclusin que el revenido se hace en tres etapas:-La primera etapa se realiza a bajas temperaturas, menores de 300C, y se precipita carburo de hierro epsilon y el porcentaje de carbono en la martensita baja a 0.25%, el carburo de hierro cristaliza en el sistema hexagonal, en los limites de los subgranos de la austenita, y la martensita cambia su red tetragonal a red cbica-En la segunda etapa, solo se presenta cuando hay austenita retenida en la microestructura del acero, la cual se transforma en vainita, que al ser calentada a altas temperaturas tambin precipita en carburo de hierro, con formacin final de cementita y ferrita.-En la tercera etapa, el carburo de hierro que apareci en la primera etapa, se transforma en cementita, cuando sube la Temp. Se forma un precipitado de cementita en los limites y en el interior de las agujas de martensita, la cual al aumentar la Temp. se redisuelve la del interior y se engruesa la del exterior, al subir mas la Temp. Se rompe la cementita exterior, y a 600C la matriz queda constituida por ferrita. Al final la martensita se ha transformado en cementita y ferrita. En los revenidos la martensita obtenida al temple, va perdiendo carbono que aparece en forma de carburo epsilon, y cementita. Cuando despus del temple aparece austenita residual, los cambios microestructurales cuando empieza a calentar, son iguales a los anteriores, pero a 225C comienza la descomposicin de la austenita hasta los 400C , producindose un oscurecimiento de la estructura. Cuanto mas baja sea la temperatura del temple, la austenita residual ser menos refractaria, y a mas Temp. del temple ser mas difcil conseguir la transformacin isotermica de la austenita . Esta austenita sufre una precipitacin de carburos complejos de alta aleacin, y disminuye el contenido en carbono, despus de esta precipitacin y al enfriar, se transforma en bainita.En el caso de herramientas fabricadas con aceros rpidos, se mejoran dando un doble revenido, con el que se eliminan las tensiones residuales y se evita la fragilidad excesiva. En el primer revenido se transforma la martensita tetragonal en revenida , precipitando carburos aleados , disminuyendo la concentracin de austenita acondicionamiento de la austenita, que al enfriar se convierte en bainita con caractersticas parecidas a la martensita, en el segundo revenido se calienta a 550, con lo que se evita que quede martensita sin revenir. En algunas clases de aceros , el revenido entre 250-400, se presenta una disminucin de la tenacidad , que se produce en la tercera fase del revenido, cuando la cementita envuelve las agujas de martensita, la fragilidad aumenta cuanto mayor es la red de cementita , y a temperaturas mayores esta red desaparece, y aumenta la fragilidad. Existe otra fragilidad llamada de Krupp , que se presenta en los revenidos de los aceros cromo-niqueles, y se presenta cuando despus del temple, el acero permanece mucho tiempo en el intervalo de 450-550 , esta fragilidad no va acompaada de cambios de dureza, volumen, ni cambios significativos en la estructura, esta fragilidad aparece en los aceros sensibles a este fenmeno independientemente de la velocidad de enfriamiento, para evitar este fenmeno se enfra rpidamente para evitar estar mucho tiempo en este intervalo de temperaturas.Para valorar la importancia de esta fragilidad se utiliza el coeficiente de susceptibilidad S = resiliencia de enfriamiento muy rpido / resiliencia de enfriamiento lento. Los factores que influyen en la fragilidad del revenido, son la velocidad de enfriamiento (como hemos comentado antes), el tiempo de permanencia en el intervalo de temperatura critica y la duracin del revenido a Temp. Superiores a la zona de fragilidad.

Figura 9: Tratamiento Trmico: por REVENIDO

Hay otros Mtodos de Tratamiento Trmico para Endurecer el Acero:

Cementacin:Las superficies de las piezas de acero terminadas se endurecen al calentarlas con compuestos de carbono o nitrgeno. Carburizacin:La pieza se calienta mantenindola rodeada de carbn vegetal, coque o gases de carbono. Cianurizacin:Se introduce el metal en un bao de sales de cianuro, logrando as que endurezca. Nitrurizacin:Se usa para endurecer aceros de composicin especial mediante su calentamiento en amoniaco gaseoso.

Para qu se utiliza un Tratamiento Trmico?Utilizando las tcnicas adecuadas podemos mejorar en los aceros las propiedades de dureza, maquinabilidad, estampacin, embuticin, resistencia a la traccin, al choque, al degaste, etc.En qu se utiliza el Tratamiento Trmico?El tratamiento trmico est ntimamente ligado a todas las actividades humanas, la mayora de los equipos o herramientas que utilizamos en nuestro da a da, as como las mquinas que los producen han sido sometidas a un tratamiento trmico, componentes para la industria automotriz, industria del plstico, del vidrio, de la cermica, equipos agrcolas, industria qumica, componentes para la aeronatica, etc... Todo funciona mejor y por ms tiempo por los beneficios de un buen tratamiento trmico.

CONCLUSIONES

Los tratamientos trmicos son indispensables para el mejoramiento de la calidad del material o pieza a utilizar. Ya que se pueden modificar las propiedades fsicas de los mismos dndoles una vida til ms larga con unas propiedades fsicas y qumicas mucho ms resistentes dependiendo el uso que se le vaya asignar ya sea en la industria automotriz, de la construccin, del plstico, del vidrio, de la cermica, para productos agrcolas, etc.Asimismo, es de suma importancia saber que a cada tipo de tratamiento se le estipula de antemano su temperatura de calentamiento y el tiempo que permanecer 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 crticas de los mismos. Sus aplicaciones pueden darse en la construccin y en las industrias, para las herramientas hechas de acero al carbono como ejemplo.Por ltimo, se puede hablar de los tratamientos trmicos como el mtodo utilizado para el mejoramiento de la calidad del material o pieza a utilizar. Ya que se pueden alterar o modificar las propiedades fsicas de los mismos dndoles una vida til mucho ms larga. Se trata de variar la temperatura del material pero sin variar la composicin qumica

REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

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