EFECTO SOBRE LA MICROESTRUCTURA Y LA...
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EFECTO SOBRE LA MICROESTRUCTURA Y LA DUREZA DEL ACERO BÖHLER W302 SOMETIDO A LOS TRATAMIENTOS DE TEMPLE Y TRES REVENIDOS Cristian Sebastian Bernal Moreno [email protected] Universidad Distrital Francisco José de Caldas Tecnología en mecánica Octubre de 2015 Resumen En el siguiente documento se demuestra por medio de un estudio la microestructura del acero BÖHLER W302 al ser sometido a procesos metalográficos como lo son el temple y revenido, determinando así los principales constituyentes y diferenciarlos en cada proceso. De igual forma hallar la variación de las propiedades mecánicas en cada etapa. Palabras clave Perlita, Cementita, Bainita, austenita, temple, revenido, micro estructura, grano 1. Introducción Actualmente las grandes exigencias para la fabricación de diferentes piezas obligan a los fabricantes a mejorar las características de los aceros para trabajo en caliente las cuales son; la resistencia al desgaste, buena tenacidad y resistencia a fisuras. Estos son algunos de los puntos a mejorar, a través de diferentes procesos térmicos 1 ; por tal motivo, el proyecto a realizar es de gran importancia en el desarrollo y mejoramiento de nuevos materiales, con el fin de estudiar, visualizar y comparar la variación de la dureza y la microestructura del material al ser sometidos a cada uno de los tratamientos térmicos, que buscan darle al material la estructura y composición necesaria para que cumpla ciertos estándares de fabricación. 2. Marco teórico 2.1Tratamientos térmicos Los tratamientos térmicos sirven para mejorar las propiedades físicas de los aceros, y este proceso consiste en calentar el material a temperaturas adecuadas, durante un tiempo determinado para posteriormente enfriarlas bajo fluidos o a condición ambiente 2 , al realizar estos 1 http://mexico.pma.org/magazine/sept08/pdf/M ateriales_recubrimientos.pdf 2 MANUFACTURA, INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA, Serope Kalpakjian, Steven R. Schmid, Ulises rev. téc Figueroa López. EDITORIAL PEARSON. Capitulo IV Aleaciones de metales: su estructura y
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EFECTO SOBRE LA MICROESTRUCTURA Y LA DUREZA DEL ACERO
BÖHLER W302 SOMETIDO A LOS TRATAMIENTOS DE TEMPLE Y TRES
REVENIDOS
Cristian Sebastian Bernal Moreno
Universidad Distrital Francisco José de Caldas
Tecnología en mecánica
Octubre de 2015
Resumen
En el siguiente documento se demuestra
por medio de un estudio la
microestructura del acero BÖHLER
W302 al ser sometido a procesos
metalográficos como lo son el temple y
revenido, determinando así los
principales constituyentes y diferenciarlos
en cada proceso. De igual forma hallar la
variación de las propiedades mecánicas
en cada etapa.
Palabras clave
Perlita, Cementita, Bainita, austenita,
temple, revenido, micro estructura, grano
1. Introducción
Actualmente las grandes exigencias para
la fabricación de diferentes piezas obligan
a los fabricantes a mejorar las
características de los aceros para trabajo
en caliente las cuales son; la resistencia al
desgaste, buena tenacidad y resistencia a
fisuras. Estos son algunos de los puntos a
mejorar, a través de diferentes procesos
térmicos1; por tal motivo, el proyecto a
realizar es de gran importancia en el
desarrollo y mejoramiento de nuevos
materiales, con el fin de estudiar,
visualizar y comparar la variación de la
dureza y la microestructura del material
al ser sometidos a cada uno de los
tratamientos térmicos, que buscan darle al
material la estructura y composición
necesaria para que cumpla ciertos
estándares de fabricación.
2. Marco teórico
2.1 Tratamientos térmicos
Los tratamientos térmicos sirven para
mejorar las propiedades físicas de los
aceros, y este proceso consiste en calentar
el material a temperaturas adecuadas,
durante un tiempo determinado para
posteriormente enfriarlas bajo fluidos o a
condición ambiente2, al realizar estos
1http://mexico.pma.org/magazine/sept08/pdf/M
ateriales_recubrimientos.pdf 2MANUFACTURA, INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA, Serope Kalpakjian, Steven R. Schmid, Ulises rev. téc Figueroa López. EDITORIAL PEARSON. Capitulo IV Aleaciones de metales: su estructura y
procesos son modificados su estructura
microscópica, su composición física y la
composición del metal.
Un parámetro a ser considerado en la
aplicación de un proceso térmico es el
tiempo y la temperatura las cuales son
constantes que tienen que ser
estandarizados de manera que se tengan
en cuenta factores como: la composición
del acero, la forma y el tamaño de las
piezas para así obtener las mejores
propiedades para los materiales.3
Los tratamientos térmicos más empleados
actualmente son el recocido, temple,
normalizado, revenido, cementación
nitruración, temple en baño de sales,
temple en baño de plomo entre otros.4
2.1.1. Temple
El temple tiene como objetivo endurecer
y aumentar la resistencia de los aceros.
Para hacer esto, se calienta el acero a una
temperatura más elevada que la crítica
superior y se enfría rápidamente en un
fluido tal como agua, aceite, etc. 5.
2.1.2. Revenido
Es un tratamiento realizado a las piezas
de acero luego de haber pasado por un
proceso de temple. Consiste en un
calentamiento a temperatura inferior a la
crítica Ac1, con lo cual se disminuye la
dureza y resistencia del acero templado,
endurecimiento mediante tratamiento térmico, 2002 Pág. 121 3 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS, José Apraiz Barreiro. EDITORIAL DOSSAT S. A, 1984 MADRID. Capítulo III Tratamientos térmicos Pág. 69 4Ibid.Pág. 69 5 Ibid. Pág. 72
eliminando las tensiones creadas en el
temple y mejorando la tenacidad.6
2.1.3. Aceros para herramienta
Los aceros para herramientas son aceros
utilizados para la elaboración o
fabricación de herramientas destinados a
modificar la forma, tamaño y
dimensiones de los materiales
por cortadura, por presión o por arranque
de viruta.
Hay diversos procedimientos que pueden
ayudar a organizar los aceros de
herramientas. Una de las clasificaciones
es dado en función del medio de temple
utilizado: así se tiene aceros de temple en
agua, aceros de temple en aceite y aceros
de temple al aire. El contenido en
elementos de aleación también puede
servir para agrupar los aceros, y en
función de este se dividen en aceros de
herramientas al carbono, aceros de baja
aleación y aceros de aleación media.7
2.1.4. Acero Bohler W302
Acero para trabajar en caliente de gran
resistencia al calor y al desgaste en estado
caliente, con propiedades excepcionales
de tenacidad y resistencia a la formación
de fisuras por recalentamiento. Se presta
para el enfriamiento al agua.
Herramientas para trabajar en caliente
sometidas a grandes exigencias,
especialmente para la transformación de
metales livianos, como por ejemplo,
6 MANUFACTURA, INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA, Serope Kalpakjian, Steven R. Schmid, Ulises rev. téc Figueroa López. EDITORIAL PEARSON. Capitulo IV Aleaciones de metales: su estructura y endurecimiento mediante tratamiento térmico, 2002 Pág. 128 7 ELEMENTOS DE METALOGRAFÍA Y DE ACERO AL CARBONO. R.L. Bernau. EDITORIAL ANDRES BELLO, 1958 SANTIAGO DE CHILE. Acero al carbono. Pág. 213
punzones y matrices para extrusión,
contenedores para prensado por extrusión
y tubos de metal, herramientas para la
fabricación de cuerpos huecos,
herramientas para la fabricación de
tuercas, tornillos, remaches y bulones.
Herramientas para fundición a presión,
herramientas para extruir perfiles,
elementos de matrices, cuchillas para
cortar en caliente, moldes para materiales
plásticos
La composición química del acero
BÖHLER W302 es la siguiente:
Valores aproximados en %
C Si Mn Cr Mo V W
0,4 1 0,4 5 1,2 1 0,1
Tabla 2.1. Composición química del
acero Böhler W302
(Fuente:
http://www.acerosboehler.com.ar/english/
files/downloads/W302FSP.pdf)
3. Marco metodológico
3.1 Temple
Revisando el catálogo del acero Böhler
W3028 se realizó un temple a 1020°C con
un calentamiento completo para así dar al
material una completa fase austenítica,
seguido de una recuperación en baño de
sales; con un tiempo de permanencia de
20 minutos, esto con el fin de conseguir
una completa eliminación de los
carburos, logrando de tal manera un
correcto proceso de temple. El tiempo de
permanencia está en función del tamaño
de la pieza y los parámetros del horno.9
8 BÖHLER W302 ACERO PARA TRABAJO EN CALIENTE. Catálogo de Böhler PDF. Pág. 4-5 9 Ibid, Pág. 5
3.2 Revenido
Después de hacer el temple en el material,
se realiza un calentamiento lento, a este
proceso lo denominaremos revenido, con
un tiempo de permanencia en el horno de
1 hora, seguido de un proceso de
recuperación de 2 horas como mínimo en
enfriamiento al aire.10
El primer y segundo revenido se realiza
hasta alcanzar la dureza útil deseada, en
este caso un valor aproximado de 50-55
HRC como aparece en la figura 1.
Se realiza un tercer revenido con el fin de
distensionar la pieza calentando el
material a una temperatura que oscila
entre los 30-50°C por debajo de la
temperatura máxima de revenido para así
obtener un material con unas propiedades
mecánicas aptas para el trabajo en
caliente.
Las temperaturas de los revenidos se
identifican de la siguiente manera:
primer revenido se realizó a una
temperatura de 480°C, el segundo con
una temperatura de 610°C y el tercer
revenido con una temperatura de 570°C.
Figura 2.
Figura 3.2 Diagrama de revenido del
acero Böhler W302 (Fuente:
10
Ibid, Pág. 6
www.acerosbohler.com/spanish/files/dow
nloads/W302FSP(2).pdf)
Figura 3.2 Esquema de tratamiento
térmico del acero Böhler W302 (Fuente:
www.acerosbohler.com/spanish/files/dow
nloads/W302FSP(2).pdf)
Para la realización de los tratamientos
térmicos se tendrá en cuenta los
diagramas de transformación por
enfriamiento continuo (CCT), el diagrama
temperatura, tiempo y transformación
(TTT) y el diagrama de fases del acero
Böhler W302:
Figura 3.3 Diagrama de transformación
por enfriamiento continuo (CCT) del
acero Böhler W302 (Fuente:
www.acerosbohler.com/spanish/files/dow
nloads/W302FSP(2).pdf)
Figura 3.3 Diagrama de transformación
por enfriamiento continuo (CCT) del
acero Böhler W302
(Fuente:
www.acerosbohler.com/spanish/files/dow
nloads/W302FSP(2).pdf)
Temperatura de austenización: 1020°C.
Tiempo de permanencia: 15 minutos.
Dureza Vickers.
1…35 componentes de estructura en %.
0,4…18 Parámetro de enfriamiento, es
decir, duración del enfriamiento de 800-
500°C en .
5K/min…1K/min Velocidad de
enfriamiento en K/min en el margen de
800-500°C.
Figura 3.4 Diagrama de temperatura,
tiempo y transformación (TTT); diagrama
de fases del acero Böhler W302
(Fuente:
www.acerosbohler.com/spanish/files/dow
nloads/W302FSP(2).pdf)
F…Ferrita
B…Bainita
P…Perlita
K…Carburo
M…Martensita
RA… Austenita residual
En la siguiente tabla se presentan las
temperaturas y los tratamientos térmicos a
los cuales se someten cada probeta:
T: Temperatura
---------: No se le realiza tratamiento
térmico indicado.
Probeta T° de
temple T° de 1
revenido T° de 2
revenido T° de 3
revenido
1 1050°C --------- --------- ---------
2 1050°C 480°C --------- ---------
3 1050°C 480°C 610°C ---------
4 1050°C 480°C 610°C 570°C
Tabla 3.1 temperaturas y tratamientos a
los que se somete cada probeta
3.3 Ataque de las probetas, ensayo
metalográfico
Se toman las probetas previamente
sometidas a los diferentes tratamientos
térmicos, paso siguiente se procede a
pulir las muestras para así atacarlas con
NITAL (REF) logrando de esta manera
observar en el microscopio la
microestructura del acero Böhler W302;
Al lograr percibir las imágenes en el
microscopio se realizan los ensayos
metalográficos que en este caso son:
ensayo de dureza Rockwell a cada
probeta.
3.4 Ensayo de dureza Rockwell
Después de examinar las probetas bajo el
microscopio se procede a realizar el
análisis y la comparación de la dureza en
cada una de las piezas anteriormente
sometidas a tratamientos térmicos. Estos
datos son obtenidos mediante el ensayo
de dureza Rockwell en donde se toman
seis datos proporcionados por el
dispositivo correspondiente y se
determina el valor promedio de cada una
obteniendo valores estratégicos para cada
proceso.
4. Resultados
Los tratamientos térmicos de temple y
revenidos fueron realizados de forma
satisfactoria, obteniendo para cada
probeta las siguientes imágenes de su
microestructura (acero Böhler W302):
Figura 4.1 Micrografía a 1000 aumentos
del acero Böhler W302 en su estado
natural.
Figura 4.2 Micrografía a 1000 aumentos
del acero Böhler W302 sometido a temple
de 1020°C.
Figura 4.3 Micrografía a 1000 aumentos
del acero Böhler W302 sometido a temple
de1020°C y un revenido de 480°C.
Figura 4.4 Micrografía a 1000 aumentos
del acero Böhler W302 sometido a temple
de1020°C y un segundo revenido a
610°C.
Figura 4.5 Micrografía a 1000 aumentos
del acero Böhler W302 sometido a temple
de1020°C y un tercer revenido a 570°C.
Escala (A,B,C) Rockwell
C C C C
Material w302- temple
w302- temple 1 revenido
w302- temple 2 revenido
w302- temple 3 revenido
Re
sult
ado
s
48,3 51 48,1 48,3
50 51,6 48,7 48,2
48,3 51,3 48,6 48,4
49,5 51,1 48,6 48,2
49,9 51,3 48,7 48,4
50,6 51,2 48,7 48,1
Promedio 49,43 51,25 48,57 48,27
Tabla 4.1 Datos tomados mediante el
ensayo de dureza Rockwell C
Con los datos de dureza se realiza una
conversión a dureza Vickers estos valores
están registrados en la siguiente tabla:
Probeta Dureza HRC Dureza Vickers
1 49,43 505
2 51,25 531
3 48,57 493
4 48,27 489
Tabla 4.2 Conversión de dureza HRC en
dureza Vickers (Fuente:
http://www.kansert.es/conv_dur.htm)
5. Análisis
Los aceros para trabajos en caliente deben
tener propiedades como resistencia a la
erosión en temperaturas elevadas o tener
una baja tasa de adhesión con los otros
materiales de trabajo. Es así, como por
medio de tratamientos térmicos son
modificadas sus propiedades mecánicas
para lograr obtener un óptimo desempeño
en actividades específicas.11
Este material al ser un acero
hipoeutectoide la austenización se realiza
30°C por encima de la temperatura
crítica, mejorando las propiedades
mecánicas del material y obteniendo
como constituyente austenita.12
El temple realizado en este material se
hace a una temperatura de 1020°C
temperatura crítica Ac313
(figura 3) en
11 Compañía General de aceros, Aceros para trabajo en caliente [online]. Colombia , Disponible en: http://www.cga.com.co/index.php?option=com_content&task=view&id=43&Itemid=115 12
CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES, Donald R. Askeeland. INTERNATIONAL THOMSON EDITORES, 1998 MÉXICO
13 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS,
José Apraiz Barreiro. EDITORIAL DOSSAT S. A,
donde es posible encontrar constituyentes
como la austenita14
(solución sólida de
carbono o carburo de hierro en hierro
gama) y martensita15
(solución sólida
sobresaturada de carbono o carburos de
hierro en hierro alfa), su principal
objetivo es mejorar las propiedades
mecánicas del material.
La martensita es un constituyente de los
aceros templados y se obtiene al enfriar
rápidamente la austenita reorganizando la
estructura del material, logrando así
obtener una estructura martensítica.16
Es posible evidenciar en la (figura 7) la
presencia de un fondo de color blanco
compuesto por múltiples agujas de
martensita, formación efectiva de una
estructura martensítica; de igual manera
se pueden evidenciar pequeñas
formaciones oscuras ubicadas en los
límites de grano, las cuales se asemejan a
carburos formados por el proceso de
temple, por último se hace evidente la
composición de austenita residual.17
Este proceso busca garantizar de manera
específica la obtención de una dureza
considerable obteniendo un valor de
49.43 HRC.
El material aún después de haber pasado
por un tratamiento térmico como es el
temple, se encuentra con unas
características como lo son tener una
gran dureza y grandes tensiones internas
que hacen pensar en la realización de un
proceso de revenido18
, el cual tiene como
1984 MADRID. Capítulo III Tratamientos térmicos Pág. 72 14
APRAIZ, Op. cit; Pág. 114 15
Ibid.; Pág. 116 14 ASM Handbook Vol. 9. Pág. 132
17 Ibid. Pág. 259 18
Ibid.; Pág. 241
objetivo modificar los efectos del temple,
mejorando las propiedades mecánicas del
material (aumento de la resistencia a la
tracción y la resiliencia) puesto que este
acero tiene muy poca ductilidad y
tenacidad. Este primer ciclo de revenido
es realizado a una temperatura de 480ºC
(Figura 7) para así convertir la austenita
residual proveniente del proceso de
temple en otros constituyentes, siendo
visible la transformación de la martensita
tetragonal en martensita revenida;
quedando en evidencia un oscurecimiento
de agujas de martensita producido por el
revenido. El fondo blanco se manifiesta
como el cambio de la austenita sin
revenir.19
Es importante mencionar que los carburos
aleados se hacen presentes en este
proceso y se hacen evidentes en la (figura
8), tanto así que la austenita queda
acondicionada para ser transformada en
bainita inferior; la cual presenta
características similares a la martensita.
El segundo revenido se realiza con el fin
de liberar el material de una característica
mecánica como lo es la fragilidad, de
igual manera lograr obtener una dureza
útil de acuerdo a los valores medios
establecidos en la ficha técnica de Böhler
W302 con unos datos cercanos a los
48HRC bajo unas temperaturas de
revenido de los 480ºC a 610°C como se
logra percibir en la (Figura 2). El material
presenta en su segunda fase
constituyentes como lo son: martensita
revenida y Bainita inferior; considerada
como martensita sin revenir, al igual aún
pueden ser visibles placas de carburos en
la matriz (figura 8).
Las tensiones internas del material
disminuyen considerablemente a medida
19
Ibid.; Pág. 252
que el material se va llevando por los
procesos antes mencionados, puesto que
hay una reorganización de su
microestructura pero no por esto se puede
decir que el proceso se encuentra
finalizado, por tal motivo con el último
revenido se trata de evitar que queden
rasgos de martensita sin revenir, logrando
obtener una estructura basada en la
presencia de martensita revenida y
carburos. Los carburos presentes en el
material como granos de gran tamaño
(Figura 9) nos ayudan a conservar la
dureza del material aún al ser trabajados a
temperaturas altas. Este tipo de acero se
puede decir que es el apropiado, ya que
nos sirve para crear herramientas, lo cual
se debe a que su poder cortante no se ve
disminuido a pesar de trabajar al rojo
vivo.
Examinando los valores de la dureza
obtenidos en cada proceso térmico (tabla
3) a los cuales fue trabajado el material,
se determina que para el proceso de
temple se obtuvo un valor promedio de
49.43 HRC equivalente a 505 Vickers
(Tabla 4) y de manera conjunta con el
diagrama TTT se puede deducir que se
realizó un correcto proceso de temple.
Con los datos de dureza obtenidos del
revenido (tabla 3) se puede decir que la
temperatura de revenido no fue la
adecuada, ya que presentó una diferencia
considerable en el valor teórico de 55
HRC contra el valor experimental de
48.57 HRC y por lo tanto no hubo una
completa eliminación de los carburos
existentes.
6. Conclusiones
El material Böhler W302
sometido a procesos térmicos de
temple y revenidos, produce
constituyentes que le dan al acero
propiedades específicas como
dureza y tenacidad, garantizando
su uso.
Al ejecutar el temple a una
temperatura superior a la crítica en
un acero hipoeutectoide produce
austenita, que al enfriarla con gran
rapidez da como resultado
martensita, la cual otorga al
material la dureza.
La austenita retenida, martensita y
carburos son constituyentes que
surgen después de realizarse el
temple en el material.
La dureza obtenida durante el
temple disminuye con el revenido
pero estos valores son mínimos.
Los revenidos generan martensita
revenida y ayudan a eliminar las
tensiones internas en el material.
En el segundo revenido hay una
transformación de la austenita
acondicionada, a martensita
revenida, y también bainita
inferior que es la martensita que
no se logra revenir.
Con el tercer revenido existe una
transformación de la bainita
generada en el segundo revenido
en martensita revenida,
garantizando alivio de tensiones
internas.
Los tratamientos térmicos a los
cuales el material fue sometido se
realizaron casi de manera perfecta;
al encontrar una similitud entre los
valores teóricos dados en el
catálogo Böhler contra los
experimentales que fueron
determinados en este proyecto.
7. Referencias
[1] Aleaciones Hierro-Carbono. Aceros y
Fundiciones. [En línea]. (2004/2005).
Disponible en:
<http://es.scribd.com/doc/21357867/Apu
ntes-Hierro-Carbono-II>
[2] ASKEELAND, Donald R. Ciencia e
ingeniería de los materiales. 3 ed.
Missouri. Universidad de Missouri. 1998.
855 p.
[3] BARREIRO, José Apraiz.
Tratamientos térmicos de los aceros.
Madrid, 1984. 438 p.
[4] BERNAU, R.L. Elementos de
metalografía y de acero al carbono.
Santiago de Chile, 1958. 387 p.
[5] Catálogo de Böhler W302 acero. [en
línea].
<http://www.acerosboehler.com.ar/englis
h/files/downloads/W302FSP.pdf> [citado
en 12 de agosto de 2014]
[6] SOLÁ, Pere Molera. Tratamientos
térmicos de los materiales. Barcelona,
1991. 129 p.
