Tratamientos Térmicos del Acero UNIVERSIDAD INDOAMERICA INTEGRANTES: ROBERTO MOROCHO GUSTAVO LANDAZURI MARIO ARGOTTI JAVIER SALAZAR
Definición de acero • Material en el que el hierro es predominante y cuyo contenido en carbono es, generalmente, inferior al 2% y contiene otros elementos. Aunque un limitado número de aceros puede tener contenidos en carbono superiores al 2% este es el límite habitual que separa el acero de la fundición.
El acero y su temperatura ď‚— Para comprender mejor la influencia del tratamiento tĂŠrmico 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 precisiĂłn en el llamado diagrama de equilibrio hierro-carbono.
Tratamiento Térmico • Es el proceso al que se someten los metales u otros sólidos con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas, especialmente la dureza, la resistencia y la tenacidad. Los materiales a los que se aplica el tratamiento térmico son, básicamente, el acero y la fundición, formados por hierro y carbono.
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. Láminas de acero caliente
Propiedades mecánicas del acero • Las características mecánicas de un material dependen tanto de su composición química como de la estructura cristalina que tenga.
• Resistencia al desgaste: Es la resistencia que ofrece un material a dejarse erosionar cuando está en contacto de fricción con otro material. • Tenacidad: Es la capacidad que tiene un material de absorber energía sin producir fisuras (resistencia al impacto). • Maquinabilidad: Es la facilidad que posee un material de permitir el proceso de mecanizado por arranque de viruta. • Dureza: Es la resistencia que ofrece un acero para dejarse penetrar. Se mide en unidades BRINELL (HB) o unidades ROCKWEL C (HRC), mediante el test del mismo nombre.
Tratamientos térmicos del acero • 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.
Principales tratamientos tÊrmicos • Temple: Su finalidad es aumentar la dureza y la resistencia del acero.
• Revenido: Sólo se aplica a aceros previamente templados, para disminuir ligeramente los efectos del temple, conservando parte de la dureza y aumentar la tenacidad.
Horno de revenido
Herramientas de acero revenidas y templadas
Tratamientos termoquímicos del acero • Los tratamientos termoquímicos son tratamientos térmicos en los que, además de los cambios en la estructura del acero, también se producen cambios en la composición química de la capa superficial, añadiendo diferentes productos químicos hasta una profundidad determinada. Estos tratamientos requieren el uso de calentamiento y enfriamiento controlados en atmósferas especiales.
• Cementación (C): aumenta la dureza superficial de una pieza de acero dulce, aumentando la concentración de carbono en la superficie.
Arco de acero cementado
Eje soldado en acero cementado
โ ข Nitruraciรณn (N): al igual que la cementaciรณn, aumenta la dureza superficial, aunque lo hace en mayor medida, incorporando nitrรณgeno en la composiciรณn de la superficie de la pieza. Acero nitrurado iรณnicamente
Objeto nitrurado
• Cianuración (C+N): endurecimiento superficial de pequeñas piezas de acero.
โ ข Carbonitruraciรณn (C+N): al igual que la cianuraciรณn,
introduce carbono y nitrรณgeno en una capa superficial, pero con hidrocarburos como metano, etano o propano; amoniaco (NH3) y monรณxido de carbono (CO).
โ ข Sulfinizaciรณn (S+N+C): aumenta la resistencia al desgaste por acciรณn del azufre.
PROCESOTIPICO TIPICODE DEUN UNTRATAMIENTO TRATAMIENTOTERMICO TERMICO PROCESO
DIAGRAMA DE TRANSFORMACION DE MARTENSITA TTT
Tipos de tratamientos tĂŠrmicos
RECOCIDO Con este nombre se conocen varios tratamientos cuyo objetivo principal es ablandar el acero; otras veces tambiĂŠn se desea ademĂĄs regenerar su estructura o eliminar tensiones internas Las diferentes clases de recocidos que se emplean en la industria lo podemos clasificar en 3 grupos:
TIPOS DE RECOCIDO
Recocidos de Austenizaci贸n completa.- en este caso se hace a una temperatura mas elevada que la critica superior.
Recocido de austenización incompleta (globulares).• son tratamientos que se suelen dar a los aceros al carbono de mas de 0.50% de carbono, para ablandarlos y mejorar su maquinibilidad. • Por medio de estos tratamientos se consigue con bastante facilidad en los aceros hiperetectoides que la cementita ya que los carburos adoptan una disposición mas o menos globular.
Recocidos Subcríticos.• • • • •
el calentamiento se hace por debajo de la critica inferior. Aquí se pueden distinguir 3 clases de recocidos subcriticos: Recocido de ablandamiento Recocido contra acritud Recocido Subcritico globular
DOBLE RECOCIDO.Cuando se desean obtener muy bajas durezas se suele dar a los aceros primero un recocido de regeneraci贸n y luego otro subcr铆tico.
NORMALIZADO.Este tratamiento consiste en un calentamiento a temperatura ligeramente mĂĄs elevada que la critica superior, seguido de un enfriamiento en aire tranquilo. De esta forma se deja que el acero con una estructura de propiedades que arbitrariamente se consideran como normales y caracterĂsticas de su composiciĂłn.
TEMPLE.- El temple tiene por objeto endurecer y aumentar la resistencia de los aceros, para ello calentando a una temperatura ligeramente mas elevada que la critica superior y se enfrĂa mas o menos rĂĄpidamente.
DIAGRAMA TTT
Formación de la martensita • empieza a la temperatura denominada MS y produce una estructura cristalina tetragonal de cuerpo centrado del hierro con åtomos de carbono localizados en los sitios intersticiales
REVENIDO • Los aceros después del temple suelen quedar generalmente demasiado duros y frágiles para los usos a que van a ser destinados . Estos inconvenientes se corrigen por medio del revenido. • El revenido, es un tratamiento que consiste en calentar el acero a una temperatura más baja que su temperatura crítica inferior, enfriándolo luego generalmente al aire, en agua o aceite.
REVENIDO DIAGRAMA TEMPERATURA vs TIEMPO T E M P E R A T U R A
T.C.S. T.C.I.
TEMPLE
REVENIDO
RESULTADOS ESPERADOS DESPUES DEL REVENIDO Disminuir la dureza y la resistencia que siempre tienen los aceros templados Aumentar la tenacidad y la ductilidad de acero templado.
MODIFICACION DE LAS CARACTERISTICAS MECANICAS: Los aceros después de un temple teóricamente perfecto, están constituidos por cristales de martensita. El acero en esa forma es muy resistente; pero tiene muy poca ductilidad y tenacidad. Si el acero templado se vuelve a calentar a diferentes temperaturas comprendidas entre la temperatura ambiente y 700° y después se enfría al aire la resistencia a la tracción disminuye a medida que se eleva la temperatura del revenido y aumenta la ductilidad y tenacidad. La resistencia al choque o resiliencia, que es generalmente muy baja cuando el revenido se hace a temperaturas inferiores a 450° , aumenta notablemente cuando el revenido se efectúa a elevadas temperaturas.
ACERO MENOS DURO PERO MAS TENAZ La pérdida de dureza que experimentan con el revenido los aceros al carbono de herramientas de 0.70% a 1.30% de Carbono templados, se observan en la siguiente figura:
D U R E Z A R.C
70 60 50 40 30 20 10
1.30% C 0.70% C
0 100 200 300 400 500 600 700 TEMPERATURA °C.
MODIFICACIONES DE VOLUMEN EN EL REVENIDO: Los aceros por efecto de las transformaciones que experimentan en el revenido en general se contraen.
D I L A T A C I O N E S
Y C O N T R A C C I O N E S
En la figura se puede ver la dilataci贸n que los aceros experimentan en el temple y la contraccion que experimentan en el revenido. 0.60% C
0.44% C
20
150 225 350 375 460 525 600 TEMPERATURA DE REVENIDO 掳C.
MODIFICACION DE LOS CONSTITUYENTES MICROSCOPICOS: Las variaciones de características que experimentan los aceros por efectos del revenido, son debidas a cambios de micro estructuras que consisten principalmente , en la descomposición más o menos completa de la martensita que se había obtenido en el temple y se transforma en otros constituyentes más estables.
ETAPAS DEL REVENIDO Recientemente, con ayuda del microscopio electr贸nico y de los rayos X , se han podido estudiar con m谩s detalle todos 茅stos fen贸menos. Se han dado nuevas interpretaciones y se concluye que el revenido se produce en tres etapas principales:
ETAPAS DEL REVENIDO D U R E Z A RC
70
2° ETAPA
60 50 40
1°
ETAPA
3°
ETAPA
30 20 0
100
200 300 400 TEMPERATURA °C
500
600
1.-Primera etapa.- Se realiza a bajas temperaturas, inferiores a 300° y en ella se precipita un carburo de hierro (epsilón) y el contenido en carbono de la martensita baja a 0.25% y su red tetragonal se transforma en red cúbica.
2.-Segunda etapa.-Sólo se presenta cuando aparece austerita retenida en la microestructura del acero templado y en ésta etapa la austerita retenida se transforma en bainita, que al ser calentada en el revenido a altas temperaturas, sufre también una precipitación de carburo de hierro con formación final de cementita y de ferrita. 3.-Tercera etapa.-El carburo epsilón que apareció en la primera etapa, se transforma en cementita y ferrita. En el revenido la martensita que es en realidad hierro alfa sobresaturado con carburo de hierro, sufre en el revenido un verdadero proceso de precipitación.
Reciben este nombre algunos tratamientos, en los que el enfriamiento de las piezas no se hace de una forma regular y progresiva, sino que se interrumpe o modifica a diversas temperaturas durante ciertos intervalos, en los que permanece el material a temperatura constante durante un tiempo, que depende de la composición del acero de la masa de las piezas y de los resultados que se quieren obtener. Estos tratamientos se han desarrollado mucho, y se usan en la actualidad para el temple de troqueles, herramientas, engranes, muelles, etc. Se obtiene de esta forma una gran tenacidad, muy pequeñas deformaciones y se elimina el peligro de grietas y roturas. También se emplea con gran éxito un tratamiento de esta clase, que recibe el nombre de recocido isotérmico, par el ablandamiento de los aceros.
ESQUEMAS DE LOS TRATAMIENTOS ISOTERMICOS MAS USUALES
recocidos isotermicos austenizaci贸n completa aceros hipoeutctoides
astenizaci贸n imcompleta aceros hipereutectoides
austempering
martempering
Recocido Isotérmico En la practica para ahorrar tiempo, con frecuencia se efectúa el recocido isotérmico. Son tratamientos de ablandamiento que consiste en calentar el acero por encima de la temperatura critica superior o inferior (generalmente de 740° a 880°) y luego enfriar hasta una temperatura de 600°-700° que se mantiene constante durante varias horas, para conseguir la completa transformación isotérmica de la austenita y finalmente, se enfría al aire. Este tratamiento es muy rápido y se obtienen durezas muy bajas, tiene la ventaja de ser mucho mas rápido que los recocidos ordinarios de enfriamiento lento, el recocido isotérmico es muy interesante para los aceros de herramientas de alta aleación.
Recocido Isot茅rmico
Temperaturas curvas de enfriamiento Ac3
centro
tra dia ns gra iso form ma ter ac de mi io ca ne s s
superficie
Ms Mf microconstituyentes: ferrita y perlita representaci贸n esquematica de un recocido isotermico
Escala Logaritmica de tiempos
Austempering.Este tratamiento consiste en calentar el acero a una temperatura ligeramente mas elevada que la critica superior y luego enfriarlo rรกpidamente en sales fundidas o plomo.
Tratamiento Austempering
Temperaturas curvas de enfriamiento Ac3
centro superficie e a d iones m a c gr a s dia sform mico r n a tr isote
Ms Mf Microconstituyentes: Bainita representaci贸n esquematica del austempering en el diagrama TTT.
Escala Logaritmica de tiempos
Martempering • Es un temple escalonado en el que el material caliente,a una temperatura mas elevada que la critica superior se enfría en un baño de sales también caliente comprendida entre 200º y 400º,permaneciendo en él las piezas durante un tiempo que debe controlarse cuidadosamente y debe ser suficiente para que iguale la temperatura en toda la masa antes de que en ninguna parte de ella se forme la austenita. • Recocidos isotérmicos.- aquí el acero se calienta por encima de la temperatura critica superior o inferior según los casos.(740º a 800º).
TEMPLE SUPERFICIAL En el temple toda la sección transversal de la pieza sufre un tratamiento uniforme, y la dureza y resistencia son muy próximas tanto en el interior como en la superficie. Se ha desarrollado este procedimiento (el temple superficial) para obtener alta dureza en la capa exterior, para evitar los desgastes en las piezas sometidas a fricción en el que se endurece únicamente la capa superficial de las piezas. El calentamiento se puede hacer por llama o por corrientes inducidas de alta frecuencia, pudiéndose regular en ambos casos y con ello conseguir la penetración de la dureza.
POR LLAMA DE GAS El temple por llama consiste en calentar las capas superficiales de un acero o de una fundición de composiciones adecuadas, por encima de la temperatura de transformación de la austenita, mediante una llama oxiacetilénica cuyo calentamiento va inmediatamente seguido de un temple con un chorro de agua pulverizada, que da lugar a la formación de una superficie dura en la capa calentada.
Fundamento del temple a la llama. El acero es calentado por llamas de gas y templado por chorros de agua que van moviéndose detrás de aquellas.
Para tratar piezas de diferentes formas y tamaños se emplean distintos modos de aplicación. El temple por punto se da calentando regiones aisladas de la pieza mediante una o más llamas que se retiran para aplicar el chorro de temple. El temple progresivo se aplica moviendo los dispositivos de calentamiento y temple sobre la superficie de la pieza a una velocidad determinada (Fig. 8-3). Piezas de diferentes formas de temple de llama
Tres métodos de temple a la llama. En el método progresivo (arriba), las llamas se mueven a lo largo de la superficie a templar. En el rotativo (centro), gira la pieza. En el mixto (abajo), la pieza gira y las llamas se desplazan.
METODOS DE TEMPLE POR LLAMA
POR INDUCCION.Este proceso aumenta la dureza superficial por un sistema de calentamiento y temple de las capas externas de la pieza. La diferencia con el temple por llama es en que el calor se engendra dentro de la capa superficial y no por aplicación externa. Este temple superficial se da por una bobina por la cual recorre una corriente eléctrica de alta frecuencia envuelve a la pieza a calentar, y el calor es originado por la corriente eléctrica inducida en las capas superficiales del material. Dispositivo para temple por inducción. Esquema del temple por inducción. a) La corriente de alta frecuencia que atraviesa la espira inductora calienta la superficie de la pieza.
CALENTAMIENTO POR INDUCCION
EFECTO PELICULAR • La densidad de la corriente alterna inducida varia a lo largo de la seccion de la pieza. Generalmente, las corrientes de alta frecuencia fluyen en la capa superficial (Fig, 102). Este fenomeno se conoce con el nombre de efecto pelicular. • Una distribucion desigual de las corrientes en la seccion de la pieza es causa del calentamiento irregular: las capas superficiales se calientan con gran rapidez, mientras el corazon no lo hace en absoluto o se calienta a expensas de la termoconductibilidad del acero.
INFLUENCIA DE LA FRECUENCIA