TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS

Los tratamientos térmicos son un conjunto de calentamientos y enfriamientos controlados de un material, con el objeto de modificar alguna o algunas de sus propiedades. En el acero, la mayoría de los tratamientos térmicos supone un calentamiento hasta temperatura austenítica, seguido de una mantención a dicha temperatura, de manera de lograr una estructura de 100% austenita homogénea y posteriormente de un enfriamiento a la velocidad adecuada para obtener las propiedades que se desea.

Los tratamientos térmicos traen aparejado una modificación en la estructura granular (o microestructura) del acero y un cambio en las propiedades mecánicas principalmente. Existen varios tipos de tratamientos térmicos, a saber:

Aquellos en que sólo hay modificación de estructura (y propiedades) Aquellos en que además hay cambio de composición. Para

diferenciarlos de los anteriores se les denomina “tratamientos termoquímicos”

La modificación en propiedades, puede corresponder a: Un endurecimiento del acero (temple; austemperado; normalizado) Un ablandamiento del acero (recocido de regeneración; recocido de alivio de tensiones; recocido de globulización; revenido) Un aumento de la tenacidad del acero (temple – revenido; austemperado) Un aumento de la dureza superficial, manteniendo o aumentando la tenacidad en el resto del volumen (tratamientos termoquímicos de cementación, seguida de temple; cianuración seguida de temple; nitruración; boración) Un incremento de la resistencia a la fatiga (Temple – revenido; austemperado; cementación temple; nitruración) Un incremento de la resistencia a la corrosión (nitruración; calorizado; cromatizado)

Los aceros responden excepcionalmente bien a los tratamientos térmicos, debido a que el hierro presenta cambios alotrópicos o de estructura cristalina. De estos, el más importante ocurre entre 910 y 729ºC, para los aceros hipoeutectoides (de menos de 0.8% de carbono) y entre ~ 1100 y 729ºC, para los aceros hipereutectoides. Este cambio alotrópico corresponde al cambio de estructura FCC, que tiene a temperaturas altas, a una estructura BCC, a temperaturas menores.

1

Ciclos térmicosCualquier tratamiento térmico puede representarse en coordenadas Temperatura – tiempo, como se muestra en la figura siguiente

DIAGRAMA HIERRO – CARBONO

2

El diagrama hierro – carbono que en rigor debería llamarse diagrama hierro – cementita (Fe3C), es un diagrama complejo. En este diagrama se advierte la existencia de tres reacciones:

A 1148 ºC se produce una reacción eutectica. En esta reacción un liquido de 4.3% de carbono se transforma en una mezcla eutectica consistente en una solución sólida de 2%C y cementita. Esta reacción puede representarse como:

Esta reacción es particularmente importante para las fundiciones blancas. De hecho el limite entre aceros y fundiciones blancas es 2.11 %C, es decir, la composición por sobre la cual se produce la reacción eutectica. La mezcla eutectica denominada Ledeburita no se observa al microscopio en la forma que se produce, ya que la fase originada en tal reacción, se transforma y desaparece en el enfriamiento.

A 723 ºC se produce una reacción eutectoide, en que la fase (Austenita) de 0.8%C, se descompone en fase (ferrita) de 0.025%C y cementita, es decir:

Esta reacción es importante en los aceros y las fundiciones ya que las fases mencionadas (α+ Fe3C), existen a temperatura ambiente en dichas aleaciones.

La mezcla eutectica (α+ Fe3C), se denomina perlita; tiene una estructura laminar característica y se encuentra presente en casi todos los aceros y fundiciones normales (sin tratamiento térmico).El diagrama Fe-Fe3C es de amplio uso, especialmente en tratamientos térmicos. En el diagrama mismo se acostumbra entregar gran cantidad de información, sobre todo en lo referente a microestructuras para distintos rangos de composición y corrimiento de las líneas de equilibrio para distintas velocidades de enfriamiento.

Definición de estructuras. En la figura se indico los nombres de las estructuras que aparecen en las aleaciones Fe-C. Ahora indicaremos las propiedades de esas estructuras en el cuadro que sigue:

3

Solubilidad del carbono en hierro. En el diagrama Fe-Fe3 C puede observarse que el hierro tiene mayor capacidad para disolver carbono que el hierro α. El hierro tiene una estructura FCC, lo que equivale a una factor de empaquetamiento de 0.74 y el hierro α una estructura BCC, con factor de empaquetamiento = 0.68. Esto indica que la estructura mas compacta tiene una mayor capacidad para disolver carbono. Este comportamiento aparentemente contradictorio puede explicarse comparando el tamaño de los insterticios de ambas redes. En la red FCC, los intersticios mayores son del tipo octaédrico y se encuentran en el centro del cuerpo y en el punto medio de las aristas, tal como se observa en la figura. El diámetro de estos intersticios vale 0.82 , es decir 1,02 A En la red BCC, los intersticios mayores son del tipo tetraédrico y se encuentran en las posiciones 1/2,1/4,0. El diámetro de estos intersticios vale 0.58 , es decir 0,72 A (Ángstrom)

El diámetro de una átomo de carbono es aproximadamente 1,4 A, de manera que al disolverse carbono en hierro se produce una alta distorsión en la red, que limita la solubilidad hasta un 2 %C máximo.

4

Los intersticios de la red del Fe α son tan pequeños comparados con el tamaño de un átomo de carbono, que la solubilidad se limita enormemente, tal como ya habíamos observado.

ENFRIAMIENTO LENTO DE LOS ACEROS Consideremos brevemente el enfriamiento de dos aceros: Un acero hipoeutectoide de 0,24%C y un acero hipereutectoide de 1,2%C. Estos enfriamientos los hemos graficados en la figura siguiente. Nótese que usamos solo la parte del diagrama Fe-Fe3C, pues suponemos que se parte en el enfriamiento desde un a fase homogénea.

a) Enfriamiento de un acero hipoeutectoide de 0.24%C A To tenemos 100% de Austenita con 0.24%C A T1 comienza a separase ferrita (BCC) a partir de la Austenita (FCC).

Como la ferrita tiene un a baja capacidad para disolver carbono, este elemento debe abandonar la fase en formación y enriquecer la austenita remanente.

A T2 existen ambas fases en equilibrio, en las siguientes proporciones:

1. Fase : 30% (0.8%C)2. Fase α: 70% α (Prácticamente 0% C)

A 722 ºC se produce una reacción eutectoide que transforma toda la austenita existente a T2 en perlita (mezcla eutectoide de α + Fe3C ), de manera que, a temperatura ambiente se tiene aproximadamente:

70% de Ferrita Proeutectoide (α primario)30% de Perlita.

b) Enfriamiento de un acero hipereutectoide de 1.2%C. A To tenemos un 100 % de Austenita de 1.2 % C.

5

A T1 comienza a segregar cementita a expensas del empobrecimiento de la Austenita, en Carbono, Este proceso dura hasta T2, temperatura a la que existe:

7% de cementita segregada93% de Austenita de concentración Eutectoide.

A Te la austenita restante se transforma en perlita, de manera que a temperatura ambiente existe:

7% de cementita proeutectoide.93% de Perlita

Las micro estructuras para los casos descritos se muestran en la figura

6