INFORME LABORATORIO DE TRATAMIENTOS TERMICOS
DARWIN GIOVANY HERNANDEZ GUSTAVO ANDRES PINEDA YEISON FABIAN GARZON FICHA: 35620
INGENIERO LEONEL VILLAMIL MENDOZA
SERVICIO NACIONAL DE APRENDIZAJE CENTRO DE DISEﾃ前 Y METROLOGIA DISEﾃ前 DE MOLDES PARA LA TRANSFORMACION DE MATERIALES PLASTICOS BOGOTA D. C 2013
INTRODUCCION
Con el propósito de conocer más de la ciencia metalográfica haciendo prácticas de laboratorio en donde estudia las características micro estructurales o constitutivas de un metal o aleación, relacionándolas con las propiedades físicas, químicas y mecánicas del material usado en las pruebas. Mediante este informe se trata de explicar claramente algunos de los tratamientos térmicos que se le practican a los materiales (aceros) utilizados en la industria metalmecánica para transformar sus propiedades y así poder mejorar aspectos tales como dureza, maquinabilidad, resistencia, etc.
TRATAMIENTOS TERMICOS Se conoce como tratamiento térmico al conjunto de operaciones de calentamiento y enfriamiento, bajo condiciones controladas de temperatura, tiempo de permanencia, velocidad y medio de enfriamiento de los metales o las aleaciones en estado sólido, 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. El tratamiento térmico en el material es uno de los pasos fundamentales para que pueda alcanzar las propiedades mecánicas para las cuales está creado. Este tipo de procesos consisten en el calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado sólido para cambiar sus propiedades físicas. Con el tratamiento térmico adecuado se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamaño del grano, incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un interior dúctil. La clave de los tratamientos térmicos consiste en las reacciones que se producen en el material, tanto en los aceros como en las aleaciones no férreas, y ocurren durante el proceso de calentamiento y enfriamiento de las piezas, con unas pautas o tiempos establecidos. Para conocer a que temperatura debe elevarse el metal para que se reciba un tratamiento térmico es recomendable contar con los diagramas de cambio de fases como el del hierro-carbono. En este tipo de diagramas se especifican las temperaturas en las que suceden los cambios de fase (cambios de estructura cristalina), dependiendo de los materiales diluidos. Los tratamientos térmicos han adquirido gran importancia en la industria en general, ya que con las constantes innovaciones se van requiriendo metales con mayores resistencias tanto al desgaste como a la tensión. Los principales tratamientos térmicos son: Temple: Su finalidad es aumentar la dureza y la resistencia del acero. Para ello, se calienta el acero a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior Ac (entre 900-950 °C) y se enfría luego más o menos rápidamente (según características de la pieza) en un medio como agua, aceite, etcétera. Revenido: Sólo se aplica a aceros previamente templados, para disminuir ligeramente los efectos del temple, conservando parte de la dureza y aumentar la tenacidad. El revenido consigue disminuir la dureza y resistencia de los aceros templados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora la tenacidad, dejando al acero con la dureza o resistencia deseada. Se distingue básicamente del temple en cuanto a temperatura máxima y velocidad de enfriamiento. Recocido: Consiste básicamente en un calentamiento hasta la temperatura de austenización (800-925 °C) seguido de un enfriamiento lento. Con este tratamiento se logra aumentar la elasticidad, mientras que disminuye la dureza. También facilita el mecanizado de las piezas al homogeneizar la estructura, afinar el grano y ablandar el material, eliminando la acritud que produce el trabajo en frío y las tensiones internas. Normalizado: Tiene por objetivo dejar un material en estado normal, es decir, ausencia de tensiones internas y con una distribución uniforme del carbono. Se suele emplear como tratamiento previo al temple y al revenido.
PRACTICA REALIZADA EN LABORATORIO En el caso de las probetas con las que contamos, elegimos la temperatura media para el procedimiento (850 a 950°C). El enfriamiento se hace en el medio que garantice las propiedades que se busquen en cada caso particular, éste puede ser: aceite, agua, sales, al aire, etc. Se debe evaluar exactamente el medio adecuado, en caso contrario tenemos el riesgo de no lograr durezas adecuadas o fisurar el material. PROCEDIMIENTO Primero se realiza la prueba de dureza Brinell, que es método de ensayo por indentación por el cual, con el uso de una máquina calibrada, se fuerza una bola endurecida, bajo condiciones específicas, contra la superficie del material a ensayar y se mide el diámetro de la impresión resultante luego de remover la carga a la probeta, previamente preparada, para comparar los resultados antes y después del tratamiento. PREPARACION DE LA PROBETA Se corta en una sección de no más de 25mm de longitud, independientemente del Diámetro, garantizando la perpendicularidad de las caras opuestas con la superficie del cilindro. Luego se lija una de las caras empezando con el papel abrasivo de menor denominación y por tanto más áspero; en orden ascendente es 80, 120, etc. hasta llegar a la 1200 que es la más fina y dará el acabado a la superficie d la probeta. Luego de esto se pule sobre un disco al que se le adiciona alúmina para mejorar el acabado.
Figura 1. Alistamiento de probetas
Figura 2. Probetas para el ensayo
ANALISIS DEL MATERIAL EN EL MICROSCOPIO Mediante el microscopio se observan los granos y la dirección de las ralladuras presentes en las probetas.
Figura 3. Probetas en el microscopio
PRUEBA DE DUREZA BRINELL Un durómetro es un dispositivo que mide la dureza de los materiales, existiendo varios procedimientos para efectuar esta medición. Los más utilizados son los de Rockwell, Brinell, Vickers. Se aplica una fuerza normalizada sobre un elemento penetrador, también normalizado, que produce una huella sobre el material. En función del grado de profundidad o tamaño de la huella, obtendremos la dureza. Luego de haber marcado nuestra probeta con el durómetro pasamos a la lectura de esta huella en un durómetro con lector de huella el cual tiene un dial con una resolución de 0mm a 1.6mm Se comprime una bola de acero templado, de diámetro 2,5; 5 ó 10mm, contra el material a ensayar con una fuerza F. Después de liberar la carga se mide el diámetro (d) de la huella con un dispositivo amplificador óptico. La fuerza del ensayo debe tomarse de magnitud tal que se forme una huella con diámetro d = 0,2.D a d = 0,7.D. Para materiales blandos y bolas de ensayo pequeñas, la fuerza del ensayo debe ser menor. La esfera debe ser pulida y estar libre de defectos.
Figura 4. Realización de la prueba de dureza Brinell
Figura 5. Rango de durezas Brinell
Con una carga de 187,5 Kp realizamos la prueba y procedemos a registrar los resultados con el fin de calcular el grado de dureza en la escala Brinell. El resultado de nuestro ensayo de dureza Brinell es de: 305 ,7 con una dureza entre 301 a 400 = DURO
Figura 6. Realización del ensayo Brinell en el durómetro
MEDICIÓN DEL DIÁMETRO DE LA HUELLA Despues de realizar la prueba de dureza se mide el diametro de la huella para constatar la dureza del material antes de someter la probeta al tratamiento termico.
Figura 7. Medición del diámetro de la huella
La medida de la huella nos da un resultado de 1,04 mm. Entonces:
ATAQUE CON ACIDO A LA PROBETA Aplicando ácido nítrico a la superficie de la probeta, con la ayuda de un microscopio equipado con una cámara se observa y se documentan los niveles de inclusiones y la estructura metalográfica presentes en el material.
Figura 6. Aplicación de ácido a la probeta
Figura 7. Visualización por microscopio del ácido ingresando al material
ANÁLISIS DE INCLUSIONES EN EL MATERIAL Las inclusiones en los aceros son impurezas en la matriz del material sólido. Son pequeñas partículas de elementos no metálicos e insolubles como sulfuros, óxidos, silicatos y aluminos que se quedan retenidas en el material durante su fundición, la solidificación al moldear el material. En general las inclusiones son indeseables en un material ya que sus efectos suelen ser negativos, afectan propiedades como la ductilidad y resistencia a la fractura y a la tensión, estas disminuyen en relación inversa a la tasa de inclusiones del material. Vistas desde el microscopio, las inclusiones son medibles en micrómetros.
Figura 8. Visualización por microscopio de las inclusiones presentadas en el material
Figura 9. Inclusiones presentadas en el material antes del tratamiento
TRATAMIENTO DE TEMPLE Posterior a esto se prepara la probeta para el ingreso al horno precalentado a 850°C. Se introduce en el recipiente, junto con el elemento carburante, en este caso grafito.
Figura 10. Probetas previas para ingreso al horno
En el caso de las probetas con las que contamos, elegimos la temperatura media para el procedimiento (850 a 950°C).
Figura 11. Temperatura del horno previo al tratamiento
El acero está en el horno tanto tiempo como su volumen lo requiera a razón de 1 minuto por cada milímetro de diámetro. La temperatura debe ser la adecuada para garantizar la idoneidad del procedimiento y de las características requeridas por el material tratado.
Figura 12. Probetas ingresando al horno
Con el tiempo cumplido, se procede a retirar el recipiente del horno e inmediatamente sumergir la probeta en el medio de enfriamiento. Para nuestra prueba se hizo en aceite, por un periodo de cinco minutos.
Figura 13. Probetas en el medio de enfriamiento
Se extrae la probeta y se puede observar la apariencia “quemada” o pavonada que adquiere.
Figura 14. Probetas después del tratamiento
Inmediatamente se procede a realizar una vez más la prueba de dureza Brinell bajo las mismas condiciones que la prueba inicial, para cuantificar los resultados del tratamiento de temple.
Figura 15. Diámetro de la huella después del tratamiento
En este caso los resultados son: Diámetro de la huella: 0.7 mm
Esto quiere decir que nuestra probeta aumento su dureza en 266.7HB después del tratamiento de temple en aceite. Adicionalmente volvimos a atacar la probeta con ácido nítrico para analizar sus inclusiones con respecto al ataque anterior.
Figura 16. Atacando químicamente la probeta después del tratamiento
Figura 17. Reacción del ácido en la probeta después del tratamiento
Evidentemente se provoca un cambio definitivo y se observa una composición no uniforme y una deformación en el grano. Por lo tanto se afecta más el acero con el ataque químico después de un temple, o por lo menos en el material sometido a las pruebas.
CONCLUSIONES
Se evidencio los cambios tan significativos que presenta un material como el acero después de una serie de pruebas realizadas, lo cual es de gran importancia para el diseñador de moldes conocer de este tipo características del material con el cual se fabrican sus moldes. El temple que fue el tratamiento al cual se sometió la probeta, nos mostró que aumenta su dureza casi en un 50%, por lo tanto es recomendado para lo requerido para la fabricación de los moldes. Es satisfactorio conocer y aplicar las teorías, operaciones y procedimientos de un tratamiento térmico con una probeta real, obtener unos datos y analizarlos con los dispositivos e instrumentos provistos por el laboratorio