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INIS-mf —13] 37 COLEGIO NACIONAL DE EDUCACIÓN PROFESIONAL TÉCNICA PLANTEL HUIXQUiLUCAN FALLAS EN LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS ACEROS DE HERRAMIENTA T QUE E PARA PROFESIONAL Y P S OBTENER EL TÉCNICO EN TRATAMIENTOS R E GUILLERMO S E N > NUÑEZ I S TITULO DE: FUNDICIÓN TÉRMICOS T A : GONZALEZ Hulxquilucan, Edo. de Méx. 1SI0
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INIS-mf —13] 37
COLEGIO NACIONAL DE EDUCACIÓNPROFESIONAL TÉCNICA
PLANTEL HUIXQUiLUCAN
FALLAS EN LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOSACEROS DE HERRAMIENTA
TQUE
EPARA
PROFESIONAL
YP
SOBTENER EL
TÉCNICO EN
TRATAMIENTOSR E
GUILLERMO
S E N
> NUÑEZ
I STITULO DE:
FUNDICIÓN
TÉRMICOST A :
GONZALEZ
Hulxquilucan, Edo. de Méx. 1SI0
COLEGIO NACIONAL DE EDUCACIÓNPROFESIONAL TÉCNICA
PLANTEL HUIXQUILUCAN
FALLAS EN LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS PARAACEROS DE HERRAMIENTA
T E S I SQUE PARA OBTENER EL TITULO DE-
PROFESIONAL TÉCNICO EN FUNDICIÓN
Y TRATAMIENTOS TÉRMICOS
P R E S E N T A
GUILLERMO NUÑEZ GONZALEZ
Huixquilucan, Edo. de Méx. 1990
Mi agradecimiento al Instituto Nacional de
Investigaciones Nucleares (ININ), lugar en donde
se desarrolló esta tesis, bajo la dirección del
M.C. Francisco A. Herrera Castañeda, con una beca
otorgada por dicha institución.
A HIS PADRES
No encuentro palabras para expresarles mi más
infinito agradecimiento por los grandes sacrificios
y el apoyo que en momentos difíciles en que más
necesitaba de ustedes, sin queja alguna rae
brindaron. Es por ello que dedico este trabajo
por la gran comprensión y paciencia que roe tuvieron.
Gracias Padres.
A MIS HHWANOS
AGRADEZCO
De forma especial al M.C. Francisco
Herrera, quien en todo momento me
brindó la asesoría y apoyo
necesario para poder realizar
este trabajo.
A ral asesor bibliográfico Jorge
Miranda Solís, por brindarme su
apoyo incondicional en todo
momento, pennitiendo llevar a
feliz término este trabajo.
A mis maestros
Con admiración y profundo respeto
a quienes con tanta paciencia me
enseñaron lo que hasta ahora sé,
por lo qutí para mi valen sus
enseñanzas, mil gracias.
A mis amigos
Con el profundo sentimiento de
la amistad, por los grandes
consejos que rae brindaron, por
el apoyo en los momentos
difíciles, porque su amistad es
mi mejor tesoro, muchas gracias.
MI AGRADECIMIENTO
Dr. Enrique Martinez, por el apoyo y estimulo que
me brindó.
Técnico Felipe Juárez García, por su apoyo y asesoría
en el Laboratorio de Metalografía.
Técnico Ignacio Sandoval Gutiérrez, por su apoyo y
asesoría en el Laboratorio de Trataroientos Térmicos.
Técnico Victor Hernández Mendoza, por su apoyo y
asesoría en el Laboratorio de Pruebas Mecánicas.
Srita. Laurita, por su apoyo que me brindó para que
fuera posible este trabajo.
Al Departamento de Tecnología de Materiales, así como
a todos sus integrantes, en donde encontré apoyo y una
sincera amistad en todo momento.
Í N D I C E
INTRODUCCIÓN 1
GENERALIDADES 3
CAPITULO I
Generalidades sobre los Aceros paraHerramientas 10
CAPITULO H
Otros factores que afectan el comportamiento deuna herraraienta 22
CAPITULO m
Pallas en loa Tratamientos Térmicos 27
CAPITULO IV
Prevención y/o correcciSn de la faLa 39
CONCLUSIONES. 76
BIBLIOGRAFÍA 78
I N T R O D U C C I Ó N
Dentro de la industria metal-mecánica cada vez más se requiere de materia
les metálicos que cumplan con ciertos requisitos y condiciones especifi
cas. Para lograr tales condiciones, el técnico debe contar con una
preparación teórica-práctica y ser capaz, por medio de su experiencia,
para tomar decisiones y ejecutar las soluciones que le parezcan correctas
en el trabajo.
Por esta razón el siguiente trabajo pretende mostrar la problemática
que se presenta en algunos de los aceros para herramienta, desde su
obtención en forma natural hasta sus tratamientos finales a los que se
expone el material; incluyendo las causas y efectos que ocasionan las
fallas y los métodos de prevención, asi como sus posibles soluciones
de las anomalías que suelen suceder continuamente.
También se hace referencia constantemente sobre la importancia que
tiene el control de la temperatura y el tiempo en los tratamientos
térmicos que se aplican a los aceros para herramienta. Se describen
procedimientos detallados, específicos, para cada tratamiento en particu
lar haciendo notar los errores más comunes que se cometen en la práctica,
además se indican soluciones preventivas y las correctivas, dependiendo
de la magnitud de la falla.
La validez de lo anterior se basa en un análisis metalográfico,
el cual es un método que sirve para determinar- las fallas en la estructu
ra metálica, desde el punto de vista microscópico.
En forma no menos importante se menciona la influencia de algunos
factores que afectan el comportamiento de la herramienta, como por
ejemplo: diseño mecánico, procedimiento de maquinado, etc.
r-
El trabajo incluye una parte experimental, que a su vez contiene
una serie de fotomicrografías, que muestran la variedad de las estructu
ras, dependiendo de la variación de los factores previamente mencionados
(temperatura-composición del acero).
Finalmente se presenta un conjunto de tablas representativas de
las pruebas llevadas a cabo en laboratorio, en ellas se indica el compor
tamiento de los diferentes aceros analizados, al hacer variar los
parámetros que afectan o mejoran las condiciones de trabajo.
T-
GENERALIDADES
A < W Ac1> AC3' A VVer temperatura de transformación.
Arcm'
Ver temperatura de transformación.
Austenita:
Solución sólida intersticial de carbono en hierro gama. Sistema
cristalino cúbico de caras centradas (F.C.C), resistencia a la tracción
de 88 - 105 Kg/cm dureza brinell 300, con un alargamiento de 30 al 60%.
Es poco magnética, blanda, muy dúctil y tenaz, tiene grar resistencia
al desgaste, siendo el constituyente más denso de los aceros.
Ajstenizado:
Formación de austenita por el calentamiento de una aleación ferrosa,
dentro de la zona de transformación (Austenita parcial) o por encima de
la zona de transformación (Austenita total).
Carburización homogéneas
Proceso que transforma una aleación ferrosa de bajo carbono a una
sustancialmente uniforme y con un contenido mayor de carbono a travéz
de su sección, de tal manera que pueda obtenerse una respuesta específica
de endurecimiento.
Carburizado;
Proceso en el cual un material ferroso austenizado, es puesto en
contacto con un medio rico en carbono para causar la absorción de este
en la superficie.
Copos:
Son grietas que atraviezan los granos cristalinos que se originan
generalmente por una mala fundición incorrecta, no puede ser detectada
con facilidad porque aparecen aisladamente.
Dfiscarburización:
Pérdida de carbono de la superficie de una aleación ferrosa, como
resultado de un calentamiento en un medio que reacciona con el carbono.
Duplex:
Crecimiento de grano anormal ¡grandes, medianos y chicos) conjunta
mente forma grano duplex, ocasionada por un sobrecalentamiento.
Endurecimiento por temple:
Endurecimiento de una aleación ferrosa por austenizado y enseguida
enfriada lo suficientemente rápido, de tal manera que parte a toda la
austenita se transforme a martensita.
Esferoidizado:
Calentamiento y enfriamiento para producir carburos en forma
esferoidal c ¿lobular en el acero.
Fragilidad de revenido:
Fragilidad que resulta cuando ciertos aceros se mantienen dentro
z sor; enfriados muy lentamente, a través de un intervalo de temperatura
abajo del intervalo de transformación.
Grafitización:
Recocido de 'jna aleación ferrosa en el cual parte o todo el carbono
se precipita como grafito.
Homogenización:
Mantener a altas temperaturas para eliminar o disminuir por difusión
la segregación química.
Normalizado:
Calentar una aleación ferrosa a una temperatura adecuada arriba del
intervalo de transformación y enseguida enfriarse en aire a una temperatu
ra substancialment'x abajo del intervalo de transformación.
Precalentaniento:
Calentamiento antes de algún tratamiento térmico o mecánico. Para
aceros de herramienta, calentamiento a una temperatura intermedia inmedia
tamente antes del austenizado final.
Quemado:
Término aplicadc al motal que ha sido dañado permanentemente por
haber sido calentado a una temperatura cercana o dentro del intervalo
de fusión, resultando una estructura que presenta fusión incipiente o
una oxidación intergranular.
Recocido:
Proceso que consiste en calentar y sostener a tina temperatura
adecuada, y después enfriar a una "elocidad conveniente, para propósitos
tales como reducir la dureza, mejorar la maquinabilidad u obtener las
propiedades deseadas.
Sobrecalentamiento:
Calentamiento a una temperatura excesivamente alta, de tal manera
que se modifican las propiedades/estructura, resultando una de grano
grueso. Es posible restaurar la estructura/propiedades originales, por
medio de un tratamiento térmico a trabajo mecánico, o una combinación
de ellos.
Temperatura de transformación:
Temperatura a la cual ocurre un cambio de fase. El término algunas
veces es usado para denotar el límite de temperaturas de un intervalo
de transformación. Los siguientes símbolos se usan para hierro y aceros.
(Figura 1)
Ac .- Acero hipereutectoide, temperatura a la cual se transforma la
solución de cementita en austenita durante el calentamiento.
del medio de temple a una temperatura substancialmente más alta que ia
de éste.
Tratamiento de estabilización:
Cualquier tratamiento intentado para estabilizar la estructura de
una aleación o las dimensiones de una pieza.
Tratamiento térmico:
Calentamiento y enfriamiento de un raetal o aleación sólida cor. el
que se obtienen condiciones o propiedades deseadas. Si el calentamiento
es con el único propósito de trabajo en caliente, entonces no es un
tratamiento térmico.
Templado:
Enfriamiento rápido. Cuando se aplique deben usarse los siguientes
términos más específicos: Temple directo, temple caliente., temple
interrumpido, temple con tiempo controlado.
Temple con tiempo controlado.
Temple en el cual la duración en el medio de temple es controlado.
Temple directo.
Temple de piezas directamente desde la operación de carburizacK.
Temple en caliente.
• Término impreciso usado para cubrir una variedad de proceses de
temple, en el que el medio de temple se mantiene a una temperatura arriba
de 71°C.
Temple incompleto.
Endurecimiento incompleto del acero, debido a un temple desde la
temperatura de austenizacion a una velocidad más lenta que la de enfria
miento crítica para un acero en particula, dando como resultado la forma
ción de uno o más productos de transformación, además de la martensita.
Temple interrumpido.
Temple en el cual la pieza metálica que se está templando se remueve
Ac..- Temperatura en la qu^ se inicia la formación de austenita
durante el calentamiento.
Ac,.- Temperatura a la cual se efectúa la transformación de ferrita
a austenita durante el calentamiento.
Ac,.- Temperatura a la cual se efectúa la transformación de austenita
a ferrita delta durante el cambio.
Ar- .- Acero hipereutectoide, temperatura en la cual se inicia lacm
precipitación de cementita durante el enfriamiento.
Ar..- Temperatura la cual se efectúa la transformación completa de
austenita a ferrita, o a ferrita más cementita, durante el
enfriamiento.
Ar,.- Temperatura a la cual se inicia transformación de austenita
a ferrita durante el enfriamiento.
Ar .- Temperatura a la cual se transforma la ferrita delta a austenita
durante el enfriamiento.
Ms.- Inicia la transformación a la cual se efectúa la transformación
de austenita a martensita durar.te el enfriamiento.
Mf.- Temperatura, durante el enfriamiento, a la cual se efectúa
la transformación completa de austenita a martensita.
Nota: Todos estos cambios, excepto la formación de martensita ocurren
a temperaturas más bajas durante el enfriamiento que durante
el calentamiento, y depende de la velocidad del cambio de
temperatura.
ID
CAPITULO I
I GENERALIDADES SOBRE LOS ACEROS PARA HERRAMIENTA
1.1 CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS PARA HERRAMIENTA.
Cualquier acero utilizado como herramienta, tomando en cuenta el %
de carbono puede ser usado para la fabricación de herramientas, sin
embargo, el término "herramienta" suele limitarse a aquellos aceros que
presentan una alta calidad para usos exclusivos de corte y conformado.
Hoy día existen diferentes clasificaciones de aceros para herrarnieji
ta, que han sido adaptados por diferentes normas, siguiendo criterios
diversos:
1. Según método de temple (Medio de enfriamiento).
2. Composición Química (de baja aleación, mediana aleación y alta
aleación).
3. Por sus aplicaciones generales (para trabajo en frió, para
trabajos al rojo y aceros rápidos).
De las clasificaciones anteriormente establecidas por diferentes
sociedades, emplearemos el método (1) "Medio de Enfriamiento" asignado
per AISI, que son designadas con letras del alfabeto, se presentan en
el siguiente cuadro.
Segün método AISI, una clasificación simple de un acero para
herramienta., seria la siguiente:
11
túQ
ix
/Aceros templados en agua
Aceros templados en aceite
Aceros templados en aire
Aceros resistentes al impacto
Aceros resistentes al desgaste
Aceros resistentes al choquetérmico
Aceros para altas velocidades
Aceros para propósitos especiales
Asignación
W
0
A
S
D
H
T, M
L, F
De acuerdo a la clasificación antes indicada se mencionarán sus
principales usos como herramienta.
SERIE W--
Este acero es para aplicaciones muy extensas en herramientas, tales
como: Martillos, Marcos para concreto, cinceles, matrices para estampas,
punzones, guillotinas y más comunmente se utilizan para herramientas
de carpintería para labrar en madera esencialmente son utilizados en
materiales con filo que den mayor duración.
SERIE 0.-
Es uno de los más importantes para trabajo en frío, buena propiedad
a la deformación, se utilizan para machuelos, troqueles sólidos para
ollar, para formado y escoriadores de expansión.
12
SERIE A.-
Estos aceros presentan una buena indeformabilidad, tenacidad y buena
resistencia a la descarburización, se fabrican dados para estampa, dados
para extrusión y herramientas para punzones.
SERIE S--
Se utilizan donde se requiera una buena resistencia al impacto como
en matrices de estampado, hojas para corte de impacto, herramientas
neumáticas.
SERIE D.-
Presentan una buena resistencia a la abrasión y al desgaste, indefor
mable, se utilizan para dados de trefilado, rodillos pequeños para laminar
como los usados por los joyeros.
SERIE H.-
Tienen magnífica resistencia al choque térmico, buena maquinabilidad,
presentan poca distorsión durante el enfriamiento. Son fabricados dados
para trabajo en caliente, herramientas usadas en máquinas de purga, para
extrusión en caliente de aluminio, latón y acero.
SERIE M, T.-
Son uno de los aceros más aleados, presentan características de
conservar buena dureza y corte a altas temperaturas y buena resistencia
al choque indeformable, presentándose en herramientas como cuchillos,
dados de extrusión y herramientas para bruñido.
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SERIE L.-
Tiene diversas aplicaciones en máquinas-herramienta en lo que se
requiere, alta resistencia al desgaste con buena tenacidad. Se fabrican
cojinetes, rodillos, platos, levas, expansores, llaves de tuercas, ejes,
troqueles, taladros, machuelos y calibradores.
SERIE F--
Generalmente con alto contenido de carbono endurecido superficialmen
te, tiene buena resistencia al desgaste. Se utilizan en máquinas-herra
mientas para conformado y acabados finales, dados para estirados de
alambre, calibradores machos y herramientas para conformado.
1.2 TRATAMIENTOS TÉRMICOS MAS ESPECÍFICOS.
Los tratamientos térmicos tienen por objeto mejorar las propiedades
y características de los aceros, consiste en llevar al material a una
temperatura adecuada, durante un tiempo corto o largo para luego enfriar
en condiciones convenientes, de tal forma que modifiquen propiedades
mecánicas, físicas y en algunas ocasiones la composición química, tomando
en cuenta dos factores importantes:
a) Tiempo b) Temperatura
Estos dos factores deben fijarse siempre de acuerdo con la composi
ción química del acero, la forma y el tamaño de la pieza y las propiedades
que deseen obtenerse.
Tratamientos térmicos más específicos en los aceros para herramienta,
con bases teóricas prácticas y análisis científicos se presentan a conti_
nuación.
SERIE W
Normalizado•- Regularmente este tipo de acero está en condiciones
de llegada.
Recocido.- Se utiliza para aminorar la dureza y tener un fácil
mecanizada, releva tensiones residuales que nos presenta una estructura
6ptima para el endurecimiento. Se recomienda utilizar hornos de atmósfera
protectora para reducir la velocidad de enfriamiento por debajo cíe 55C°~.
Relevado de Esfuerzos.- Se eleva la temperatura de 650° a 750°C pro
vocando una eliminación de esfuerzos residuales provenientes de un
maquinado, esto antes de una austenizacion, se aplican a piezas deforma_
bles y trabajos en frío.
Austenizacion.- La austenizacion se encuentra entre 760° a 840°C,
aumentando la templabilidad al subir temperatura de austenizacion con
permanencia de 10-30 minutos en función del tamaño de la pieza.
Temple.- Para obtener una dureza máxima debemos provocar un enfria
miento rápido, con agua con salmuera que en este caso se utiliza para
piezas grandes, en piezas pequeñas no se recomienda por tender a fisura£
se. En secciones delgadas se logra una dureza máxima con temple en
aceite.
Revenido.- Comunmente este tratamiento debe efectuarse inmediatameji
te antes de lograr una temperatura de 15" - 20°C. Como calentamiento
máximo será de 200°C si es en salmuera y a 160°C para los templados en
aceite.
SERIE O
Es uno de los grupos más importantes de los aceros para herramienta,
pues la mayoría de las aplicaciones pueden ser efectuados por uno o más
de estos aceros.
Normalizado.- Se establece la temperatura de 870 - 900°C con una
prolongación de 15 minutos. El tratamiento es aconsejable para piezas
forjadas o calentadas a una temperatura muy elevada, que las óptimas de
austenización, con el objeto de producir un grano fino. Se recomienda
tomar precauciones para evitar desearburización.
Recocido.- Toda herramienta de trabajo, que sufrió un trabajo en
frío muy severo deben ser recocidos en atmósfera protectora, se recomien
da un rango de 760" - 815°C dependiendo de las dimensiones y tipo de
la pieza.
Relevado de Esfuerzos.- El tratamiento debe realizarse con una
extrema precaución, por tratarse de piezas que requieren una alta preei
sión en tolerancias dimensionales. Se lleva a una temperatura de
550° - 650°C con una hora de permanencia por pulgada de espesor, enfrian
dose al aire.
Temple.- Esta serie se templa en aceite, en piezas grandes deben
sumergirse verticalmente para prevenir alabeos, en algunas ocasiones es
necesario agitar las piezas grandes e intricada en el baño de aceite a
una temperatura alrededor de 100° - 150°C (aceite convencional), enfriar
al aire e inmediatamente revenirlas.
Revenido.- Para obtener una buena combinación de dureza y tenacidad
en la herramienta, se recomienda una temperatura de 180° - 200°C. De esta
16
manera se obtiene una máxima estabilidad dimensional necesaria en las
herramientas de precisión, en algunos casos se recomienda un revenido
múltiple.
SERIE A
Normalizado.- Para esta serie no se recomienda el tratamiento
térmico para ningún acero de este tipo.
Recocido.- Generalmente esta os la condición en que se reciben el
material o la pieza.
Relevado de Esfuerzos.- Se aplica en un rango de 675 - 700°C, el
tratamien'o se aplica después del rectificado, maquinado por la dificultad
que se tiene para ser trabajado.
Precalentamiento.- Se obtiene temperatura de austenización para
reducir distorsiones y obtener una dureza máxima.
Temple.- Generalmente se templan al aire en un rango de temperatura
de 92ó° a 981°C.
Revenido.- No es esencial aplicar el tratamiento de revenido, pues
el medio de temple no lo requiere, pero aún asi en algunas piezas se
aplica con temperatura de 100° - 150°C.
SERIE S
normalizado.- No se recomienda para este tipo de aceros.
T--
17
Recocido.- Por el alto % de Silicio son susceptibles a la grafitiza
clon, se debe tomar en cuenta de no excederse de la temperatura de 800°
- 815 °C, se recomienda prevenir la descarburizacion usando atmósfera
protectora.
Relevado de Esfuerzos.- Se realiza a una temperatura de 650°C omi.
tiendo el tiempo de permanencia para evitar la grafitización. Las herra
mientas deben enfriarse en el horno hasta una tenperatura de alrededor de
500 C, posteriormente puede ser sacada y enfriarlas al aire.
Austenización.- Su rango de temperatura comprende de 815° - 95O°C.
En piezas pequeñas no se utiliza el tratamiento, en piezas grandes se
disminuye la permanencia para reducir la distorsión.
Temple.- Son templadas en agua para alcanzar su máxima dureza en
toda la pieza, para piezas pequeñas no se utiliza el temple en agua.
Revenido.- Calentar lentamente el material a una temperatura de
revenido 260° - 704°C.
SERIE H
Normalizado.- No se recomienda para ninguno de estos aceros.
Recocido.- Para prevenir fractura en piezas endurecidas debe
llevarse un calentamiento lento y uniforme, la temperatura para llevar a
cabo el recocido se establece un rango de 815 ° - 900° C con una velocidad
de enfriamiento de 20°C/hora hasta los 400°C, para evitar la descarburiza
ción se utiliza atmósfera protectora.
18
Relevado de Esfuerzo.- Su range de temperatura es 650° - 730°C, se
debe evitar la descarburizacion con atmósfera protectora.
Preca1entamiento.- Se lleva a temperatura de 815°C con permanencia
de una hora por pulgada de espesor con atmósfera protectora.
Temple.- Son de gran templabilidad por lo consiguiente se enfrian
en aire, así se obtiene una dureza total, es conveniente calentar a tempe
ratura de austenización en baños de sales a 600 - 650°C permaneciendo asi
hasta igualar la temperatura del baño de sales, posteriormente se enfria
al aire.
Revenido.- Con el enfriamiento obtenido con el temple aún se conser;
va tibia y es necesario someterla a tratamientos para protegerlos de
fisuras, para establecer estas condiciones se lleva a un rango de tempera
tura de 150°C a 200°C.
SERIE T, M
Normalizado.- No se recomienda para ninguno de estos aceros.
Recocido.- Se aplica para la Serie T, una temperatura entre el
rango de 760 - 820° C, y para la Serie M, 750 - 815°C con permanencia de
2 a A horas enfriando con una velocidad de 10° - 15cC/hr.
Relevado de Esfuerzos.- Se emplea para piezas difíciles de templar
y muy sensibles a la distorsión; calentado a temperaturas de entre 500° -
650° con una permanencia de 1 a 2 horas enfriando lentamente el horno.
T-
19
Austenización.- Sus temperaturas para cada serie comprende entre el
rango de 1170° - 1240°C para la Serie T; para la Serie M de 1250° - 1290°C
con un tiempo de permanencia reducido a una hora.
Temple.- Se templan en aceite, en baño caliente o aire a presión,
su rango de temperatura 1176° - 1232°C Serie M; en la Serie T de 1204°-
1300°C, para prevenir de una posible distorsión bajar lentamente la tempe
ratura hasta 70°C para luego llevarlo a revenido.
Revenido.- Inmediatamente del temple, revenir a 538° - 64S°C reco
mendando en todos los casos un doble revenido para obtener los mejores
resultados.
1.3 CAMBIOS DE VOLUMEN DURANTE EL TRATAMIENTO TÉRMICO.
Introducción.
Para obtener propiedades específicas en los materiales, se emplean
tratamientos adecuados, particularmente para los aceros de herramienta
que son empleados para este fin, el tratamiento térmico es bien conocido.
A pesar de los conocimientos acerca de los principios metalúrgicos a
dichos tratamientos y de técnicos relativas, siempre existirán problemas
en las prácticas industriales; de los existentes generalizaremos, en
los cambios de volumen y las fracturas en los productos.
Cambios de volumen durante el tratamiento térmico.
Es cierto que la creación de tensiones es inherente al proceso de
tratamiento térmico, debido a la dilatación y contracción por el calor y
20
la transformación que sufre el material, obtenemos como resultado el
cambio de volumen.
La razón por la cual se requieren muchos conocimientos empíricos
más que teóricos para resolver o eliminar este problema, la heterogeneidad
del cambio de volumen es debido a la forma y propiedades del material
relativo a la transformación, complica el estado de tensión de tal forma
que no permite predecir el comportamiento de la pieza.
Canbio de volumen durante el tratamiento térmico de temple y revenido.
Durante el tratamiento térmico y el enfriamiento de un material, el
acero pasa a través de una serie de transformaciones estructurales que
poseen diferentes densidades y por consiguiente diferentes valores para
su volumen específico.
La cantidad de carbono disuelto en la austenita o martensita t.:.• iie
un efecto relativamente alto sobre el volumen específico durante la trans
formación completa, con el enduracimiento tomando en cuenta la cantidad
de carbono.
Para estudiar los cambios de volumen son utilizados los dilatómetros
que durante el calentamiento ocurren incrementos continuos en la longitud,
arriba de la temperatura Ac (figura 1) el acero se contrae a medida que
se lleva a cabo la transformación de ferrita a austenita observando que
no es el mismo coeficiente de expansión de austenita que para la ferrita.
Después de un enfriamiento a temperatura ambiente todo acero marten
sltico contiene austenita retenida, aumentando el porcentaje de este
constituyente con el contenido de aleantes disueltos durante la austeniza
ción. Con mayor cantidad de austenita retenida en el acero después del
endurecimiento, es mayor el incremento en la longitud o volumen, si es
relativamente alta la austenita retenida se obtiene una reducción en
21
volumen; sin embargo el cambio del volumen de la austenita aumenta con
la cantidad de carbono disuelto.
Como se vio anteriormente, los factores que influyen en el cambio
de volumen durante el temple y revenido son los siguientes: transformación
de la fase martensítica, transformación de austenita retenida y la
formación de carburos.
22
CAPITULO II
II OTROS FACTORES QUE AFECTA» EL COMPORTAMIENTO DE UNA HERRAMIENTA
INTRODUCCIÓN.
En la producción de cualquier herramienta, si esta es usada para
extrusión en frío, recalcado o acuñado, el fabricante tiene el problema
de producir una herramienta que deberá ser bastante dura para resistir
las condiciones de servicio y además dúctil para no romperse o fallar
en uso. Está, frente a un reto para cumplir estos requerimientos.
Normalmente son 4 (cuatro) los factores que afectan el comportamiento
de las herramientas.
1. Tipo de acero.
2. Diseño mecánico.
3. Procedimiento de maquinado.
4. Manejo en servicio.
Una variación en cualquiera de estos factores provocará distintos
comportamientos de las herramientas, a continuación se discutirán
brevemente cada uno de ellos.
II.1 TIPO DE ACERO.
La calidad de un acero para herramienta está constituido en general;
por su facilidad y seguridad para el tratamiento térmico, forja, maquinado
y su aptitud para un fin determinado. Comprende también la invariabilidad
23
de la composición química de un tipo determinado de acero y el suministro
de un producto de iguales características.
En la actualidad la importancia que tienen los elementos de aleación
en la industria siderúrgica es determinante en las propiedades tanto
mecánicas como físicas de los aceros. Asimismo ejercen influencia en
las transformaciones, ésto depende de la cantidad del elemento aleante
de la forma en que se encuentre el acero, asi como el tratamiento que
haya o que tenga que someterse. Los aceros no son únicamente aleaciones
Fe - C, sino sistemas multicomponentes, en los cuales es difícil estudiar
detalladamente su comportamiento de transformación.
La adición de los elementos de aleación en los aceros se efectúan
para darles un empleo con fines prácticos. Cualquier tipo de acero debe
poseer propiedades que lo hagan adecuado para los trabados a los cuales
fue diseñado.
1. Impartir una resistencia a temperatura elevada.
2. Características mecánicas convenientes a bajas y altastemperaturas.
3. Mejorar la resistencia a la corrosión, calor y abrasión.
4. Influir sobre propiedades especiales tales como permeabilidadmagnética.
5. Producir valores determinados de dureza y tenacidad.
6. Incremento de temple.
II.2 DISEÑO MECÁNICO.
Los factores de diseño, además de los que consideran la geometría
y carga se puede clasificar en:
a) Aquellos que relacionan los tratamientos térmicos.
b) Aquellos que relacionan las condiciones de servicio.
En el planteamiento de diseño debe considerarse el tipo de acero,
método de tratamiento térmico y en algunos casos el equipo que se usará
para tratamiento térmico y rectificado sin olvidar las condiciones de
servicio para prevenir fallas en la herramienta.
El diseño de herramienta para conformado en frío, es difícil porque,
las tensiones en servicio generalmente no pueden ser calculadas con
precisión, el diseño incluye a factores que involucran la experiencia
obtenida en servicio.
Los errores de diseño que podrían causar fallas en el tratamiento
térmico, incluyen secciones gruesas adyacentes a secciones delgadas,
esquinas y ángulos, marcas de estampas, hoyos ciegos y espacios inapropia
dos entre los barrenos.
Los errores de diseño que podrían causar fallas durante el servicio
incluyen; esquinas filteadas, claros inapropiados, secciones delgadas
y sobrecargas.
Todas las fallas potenciales son asociadas con tensiones causadas
durante la fabricación y/o servicio.
II.3 PROCEDIMIENTO DE MAQUINADO.
Hasta el momento hay pocos fundamentos para el procedimiento de
maquinado para herramientas, salvo dos sencillas reglas:
25
1. Mayor radio con respecto a que cambios graduales de sección
en el material.
2. Distribución uniforme del material tanto como sea posible.
Estas reglas son básicas para disminuir la hetercgeneoidad del
cambio de volumen y por lo consiguiente evitar la concentración de
tensión excesiva que produciría la fractura.
En otros casos existen esfuerzos de fricción, presión de rodillos
y las operaciones de doblado y enderezado, determinan el sistema de
esfuerzo bajo el cual la linea de acero está sujeta.
En general un número de factores mecánicos causan fallas a las
herramientas tales como sobrecarga accidental, excesiva concentración
de tensiones, claros inapropiados y alineación.
II.4 MANEJO EN SERVICIO.
Las herramientas realizadas de un acero bien diseñado, tratadas
térmicamente y rectificadas, podrían fallar prematuramente en servicio
por el factor de operación inapropiado.
Algunas condiciones de operación son tan severas que la herramienta
falla antes de su periodo normal de servicio.
A menos de que estos hechos sean reconocidos, muchos esfuerzos
infructuosos tenderán en buscar la causa en el tratamiento térmico o
en algún defecto en el acero.
Las verdaderas causas de las fallas de cualquier herramienta no
26
pueden ser encontradas a menos que las condiciones de usos sean investi
gadas.
En servicio, las herramientas o el material pueden ser sobrecargadas
accidentalmente por diversas maneras. Si se reconoce una sobrecarga
no deja evidencia, la verdadera razón de la falla nunca será descubierta
a menos que se le aplique una minuciosa inspección.
27
CAPITULO III
III FALLAS EN LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS
III.1 CAUSAS DE LAS FALLAS PREMATURAS.
Durante la fabricación y elaboración del acero para herramientas,
es difícil cumplir con las tolerancias establecidas por control de
calidad, es inevitable que alguna pieza acuse defectos de fabricación,
las cuales pueden ser: fisuras, poros, segregaciones, bandeados, etc.
(Fotomi crogra fi a 1).
Sin duda los defectos de fabricación mencionados contribuyen aún
más a las posibles fallas prematuras del material; el cual está sujeto
a condiciones de trabajo rigido, pero normalmente existen otros factores
que afectan el comportamiento de las herramientas, algunas de ellas son:
Identificación incorrecta de un acero:
Uno de los errores que con más frecuencia se cometen es asignar el
material (por su identificación) un color que no esté de acuerdo con su
clasificación, este tipo de deficiencia no permite distinguir claramente
su composición química, permitiendo al comprador cierta confusión, al
uso de la herramienta para las condiciones que esté programada. Realmente
es muy frecuente cometer este tipo de anomalías, debido al descuido en
el manejo del material, consecuentemente surgen fallas provocadas por
tal factor.
T--
28
Utilizaci&n inadecuada de una herramienta.
Es muy común observar día a día el inadecuado manejo; por ejemplo
darle el uso de martillo a una llave de estrias, a sabiendas que sus
propiedades mecánicas no son para tales condiciones; otro ejemplo seria
utilizar un desarmador como palanca, esto puede ocasionar desquebrajadura
o un simple doblamiento, poruqe sus condiciones mecánicas no son adecúa
das al trabajo expuesto. Así podemos mencionar otros ejemplos pero lo
que se pretende es hacer notar las fallas en el tratamiento térmico.
Condiciones inadecuadas en el maquinado:
No sólo perjudica el aspecto exterior de la herramienta, sino que
desmerece la calidad del material, que al someterlo a condiciones de
trabajo, resalta el daño que resulta por un maquinado inadecuado que se
suscito durante el servicio, ya sea por trabajar en condiciones h'jmedas
o por un empleo de piedras excesivamente duras que se manejaron con una
presión demasiado elevada, acarreando daños como fisuras o rayaduras
que pueden ser muy finas y escapan a la vista, provocando a la herramien
ta un mal servicio.
Superficies Defectuosas:
A pesar de todo el cuidado que se tiene para el acero de herramienta
durante su elaboración, frecuentemente tienen defectos en la superficie
que son propios de un proceso tanto rústicos durante el trabajo en
caliente o en frío, esto implica defectos en el material que por
consiguiente obtendremos propiedades mecánicas bajas.
29
III.2 METALOGRAFÍA DE LAS FALLAS EN EL TRATAMIENTO TÉRMICO.
Un análisis metalográfico es la técnica más conveniente para determi
nar en donde ha sido mal ejecutado el tratamiento.
A continuación se presenta una descripción de las fallas más típicas
que ocurren en los tratamientos térmicos de Recocido, Normalizado, Temple
y Revenido, que se aplicaron a los aceros de herramienta AISI W-2, 0-1,
S-1, D-2.
Desarrollo Experimental.
De los aceros mencionados, se cortaron piezas de 0.5 cm de diámetro
por 0.5 cm de espesor, posteriormente se aplicaron los tratamientos
térmicos, que para el Recocido se asignaron temperaturas de 800 a 1000°C
con intervalo de 100° C de 2 a 3 hrs. de tiempo de permanencia. En el
Normalizado se fijan temperaturas y tiempo de exposición semejantes al
recocido. Para el tratamiento de Temple se maneja la temperatura de
austenización por abajo y arriba del punto de equilibrio A . Las tempera
turas son de 650 a 1000°C con intervalos de 100°C y tiempo de exposición
10 minutos; medio de temple (agua, aceite) de acuerdo a las caracterisW
cas del acero.
En la finalización de cada uno de los tratamientos se procede al
análisis metalográfico, con el siguiente procedimiento. Para tener un
mejor análisis se cortaron las piezas tratadas en forma transversal para
realizar un estudio interior y en ocasiones se dejaron intactas las
piezas para el estudio superficial, una vez realizados los cortes se
montaron en baquelita para un mejor manejo de la pieza, a continuación
se sigue un pulido desde desbaste grueso hasta semifino con esmeriles
de papel de 160 a 600 (grueso), posteriormente el pulido a espejo con
paños y alumina (óxido de aluminio). Enseguida se atacan las piezas
30
con una solución de nital al 3%. Para lograr la observación al microsco
pió y determinar la falla que previo al tratamiento se desarrolló,
seleccionándola para fotomicrografiarla y obtener evidencias de cada
una de ellas. El último proceso fue tomar dureza Rockwell ' C El resu_l
tado de la práctica se menciona posteriormente.
Fallas en el Recocido.
Las fallas más frecuentes que pueden presentarse en los tratamientos
térmicos de recocido son producidas por el sobrecalentamiento.
En estos tratamientos se producen microestructuras incorrectas
conocidas como estructura duplex, quemado de primer grado, segundo y
tercer grado.
El sobrecalentamiento se debe a un exceso en la temperatura de auste
nización y un exceso en el tiempo de permanencia. Ambos efectos producen
un aumento en el tamaño de grano austenítico. Este aumento se debe al
crecimiento aislado de algunos granos, pero como la velocidad de enfria
miento no es igual para todos los granos, se produce una estructura
intermedia conocida como estructura duplex (mezclas de granos pequeños
y grano grueso). (Fotomicrografía 2)
Si mantenemos el exceso de temperatura y prolongamos el tiempo de
permanencia se llega a homogenizar el tamaño de grano, sólo en este caso
se obtiene grano excesivamente grueso. (Fotomicrografía 3)
En consecuencia tiende a perder la herramienta sus propiedades
mecánicas que la caracterizan.
Con exceso de temperatura aun mayores que en el caso anterior, el
material comienza a pasar ligeramente de un estado sólido a un estado
31
líquido en los bordes o límite de grano, a este efecto se le conoce como
quemado y se puede presentar1 en 3 grados.
1. Quemado de primer grado.
2. Quemado de segundo grado.
3. Quemado de tercer grado.
Quemado de Primer Grado:
Se produce por un comienzo de fusión en los bordes de grano del
acero. Como el acero liquido es muy ávido de carbono, disuelve gran
cantidad de este elemento a expensas del material circundante. Como
consecuencia, se produce durante el enfriamiento subsiguiente una red
de carburos de hierro: CFe_ cementita en los bordes de grano otorgando
gran dureza y fragilidad al acero. (Fotomicrografía A)
Quemado de Segundo Grado:
El acero pasa por las etapas anteriores de fusión en los bordes
de los granos, absorción de carbono y comienzo de oxidación. El oxígeno
que penetra se combina primeramente con el carbono dando C0_ que aparece
en forma de glóbulos en los bordes de grano. (Fotomicrografía 5)
Quemado de Tercer Grado:
El acero sufre los procesos anteriores, fusión de bordes de grano,
migración del carbono y oxidación de éste para dar COp. Como el material
sigue expuesto a altas temperaturas en un medio oxidante, sigue penetran
do mayor cantidad de oxigeno, que ahora elimina todo el carbono de la
zona afectada en forma de CO, que sale del material dejando una franja de
32
ferrita. A continuación el oxigeno que sigue penetrando oxida el hierro
liquido de ios bordes originando trozos de óxido de hierro que quedan
ocluidos en el material perdiendo cohesión. (Fotomicrografía 6)
La tabla l presenta las fallas en el tratamiento térmico en los
aceros de herramienta AISI W-2, 0-1, S-1, D-2 temperatura de exposición
y microestructura que presenta la falla.
La tabla 1.A presenta estructuras y propiedades mecánicas de los
aceros indicados en la tabla 1.
Fallas en Normalizado.
Es un tratamiento térmico con enfriamiento relativamente acelerado
(aire). Esto implica una velocidad de enfriamiento mayor al principio
y menor al final del proceso. Puesto que la diferencia de temperatura
entre pieza y aire es maxima al comienzo del enfriamiento. En consecuencia
las primeras fases que se forman durante el enfriamiento, no dispondrán
del tiempo suficiente para conformarse en sitios preferentes y dar una
estructura muy diferente a las que produce un recocido. Aquí las estructu
ras son más homogéneas y de grano más fino. Las propiedades mecánicas
que corresponden a este tipo de tratamiento son mayores que en la
estructura de recocido.
Las fallas que se presentan en un normalizado se debe también a
un exceso de temperatura y tiempo, las más comunes son:
1. Estructura Widmanstatten.
2. Estructura Ferrítica Bísáltica.
33
Estructura Widamanstatten:
Se origina con un calentamiento a temperatura excesiva durante un
tiempo prolongado. A causa de la temperatura, el grano austenitico crece
y los átomos deberán recorrer una trayectoria mayor para llegar al borde
de grano, nucleares y conformarse. En el corto lapso esto se cumple
sólo en forma parcial y los granos de ferrita, si bien se nuclean en
los bordes de grano de la austenita tienen prolongaciones a lo largo
de los planos cristalográficos que recorrieron en su trayectoria. Esta
estructura se observa al microscopio en forma de placas o agujas. Esta
estructura perjudica las propiedades mecánicas principalmente en la
resílencia. (Fotomicrografía 7)
Estructura Ferritica Basáltica:
Estructura originada por una temperatura excesiva acompañada por
un enfriamiento rápido, generalmente se presentan en aceros con un
contenido menor a 0.20% C, su aspecto es irregular sin presentar agujas.
La microestructura, disminuye propiedades mecánicas aunque en menor
grado que la Widmanstatten. (Fotomicrografía 8)
La tabla 2 presenta las fallas en el tratamiento térmico de
normalizado en aceros de herramienta AISI W-2, 0-1, S-1, D-2, temperatura
y tiempo de exposición y la microestructura que presenta la falla.
La tabla 2.A presenta estructuras y propiedades mecánicas de los
aceros mencionados en la tabla 2.
Fallas por Tenple.
Cuando queremos retener a temperatura ambiente en forma total o
paracial una estructura estable a alta temperatura, recurrimos a los
tratamientos térmicos con enfriamientos rápidos, denominados temples.
Las fallas más frecuentes que se presentan en el temple es debido
a un sobrecalentamiento, tiempo de permanencia y el medio de temple
(velocidad de enfriamiento) a consecuencia de los factores presentados
obtenemos fallas denominadas como:
Hipotemple; (temperatura de austenizaci&n o temple demasiado bajo).
Muchas veces se cometa el error de templar los aceros de herramienta
desde temperaturas demasiado bajas, o en medios poco severos con el fin
de evitar distorsiones o ahorrarse el revenido. Estos tratamientos deben
rechazarse, porque la transformación estructural es incompleta, se
perjudica principalmente la dureza.
Si los aceros de herramienta, especialmente los que contienen crom
se templan desde una temperatura insuficiente o se mantienen poco tiempo
a la temperatura necesaria se obtiene una dureza inferior a la debida,
porque en esas condiciones no se produce la necesaria disolución de los
'carburos. (Fotomicrografía 9)
Ferrita Remanente:
Cuando la temperatura de calentamiento es insuficiente, quedarán
restos de material sin transformarse, por consecuencia no podrá regenerar
se la estructura martensitica total.
35
Si la temperatura alcanzada entre las líneas PS y GS en un material
quedaran granos de ferrita remanente sin austenizar. Estos granos de
ferrita blanda, quedarán ocluidos en la masa martensitica, bajando la
dureza y la resistencia mecánica del material (Fotomicrografía 10).
Esta falla se acentúa en la estructura que previo al temple poseen granos
de ferrita remanente son mayores, acentuando la heterogeneidad del
material. (Fotomicrografía 11)
Hipertemple: (temperatura de austenización o temple demasiado alta).
En efecto, el exceso de temperatura durante la austenización del
material origina un tamaño de grano austenltico muy grande que al templar
a su vez da por resultado una martensita muy basta. Estructura muy dura
y frágil. (Fotomicrografía 12)
También con la temperatura excesiva se originan tensiones internas
que superan a las fuerzas de cohesión de la estructura cristalina, es muy
frecuente que se produzcan grietas o fisuras de temple que se reconocen
metalográficamente por su curso cristalino- (Fotomicrografía 13, 14)
Austenita Retenida:
En los aceros de herramienta con elementos de aleación, cuando
efectuamos un calentamiento por arriba de la zona de austenización
producimos además de martensita gruesa (Fotomicrografía 14), una cierta
cantidad de austenita retenida. Esta se manifiesta en la presencia de
un fondo blanco entre los granos gruesos y agujas de martensita, en la
porción exterior de la microestructura. Como la austenita es mas blanda
que la martensita se puede detectar fácilmente comparando la dureza
periférica. (Fotomicrografía 15).
36
La tabla 3 presenta fallas de autenización en los aceros de herra
mienta AISI W-2, 0-1, S-1, D-2 temperatura y tiempo de exposición.
La tabla 3.A presenta estructura y propiedades de los aceros prese£
tados en la tabla 3.
Las gráficas A, B, C nos muestran una relación de dureza contra
temperatura de austenizacion en los aceros W-2, 0-1 y S-1.
Distorsión:
La distorsión se puede presentar en cualquier producto templado,
como consecuencia de las variaciones de volumen y dimensiones. La falla
se desarrolla de la siguiente manera: Antes del Temple y durante el Temple.
Antes del Temple: Por un calentamiento irregular demasiado rápido,
ocasiona la insuficiente penetración de temperatura a través de la
sección del material templado, provocan dilataciones diferentes, es decir,
causan tensiones que producen distorsiones.
Durante el Temple: Cuando una pieza caliente de forma rectangular y
alargada se sumerge en el agua de una manera inconveniente, los extremos
de la pieza se enfrían rápidamente que la parte central, asimismo las
zonas adyacentes a las esquinas se enfrían más rápidamente, por hacerlo a
través de dos o más supeficies simultáneas. En todas las porciones
enfriadas rápidamente se forma una corteza sólida que comprime al interior
del metal, las fuerzas desarrolladas de la región interior producen
curvaturas lateral y concavidad en la superficie de las bases de la pieza.
Esto es más evidente cuando el medio de temple utilizado es muy severo.
(Figura Jl
37
Descarburizacion:
Una falla que puede originarse en cualquier tipo de tratamiento
térrr.ico, causada por un calentamiento, por arriba de la temperatura de
austenización, es la descarburizacion superficial. En estado austenitico
el acero es permeable a la penetración y salida de carbono. Es por eso
que debe cuidarse la hermeticidad de los horros puesto que el oxígeno
es ávido de carbono, descarbura tanto más cuanto mayor sea el contenido
en carbono de la pieza.
La descarburizacion se hace notar como una falla muy grave en el
tratamiento de temple, es por eso que se le da más importancia aquí en
el temple. La descarburizacion se presenta de la manera siguiente: es
una pérdida de carbono en la zona periférica del acero, producida a altas
temperaturas bajo la acción de determinadas mezclas gaseosas, debido
a la acción del oxigeno del aire o gas oxidante o la pérdida de carbono
en la superificie, originando una difusión de carbono del interior al
exterior que tiende a remplazar el carbono perdido. Esta falla se preset
ta en forma de cascarilla (óxido de hierro) que envuelve todo el material
y que cuando se presenta en mayor cantidad origina importantes pérdidas
de material y da lugar a irregularidades superficiales que perjudican
a los aceros de herramienta que deben obtener durezas elevadas y que
no se pueden conseguir, cuando existen descarburizaciones sobre todo
en los tratamientos de temple donde requieren de una dureza elevada.
(Fotomicrografía 16, 17)
La tabla 4 presenta las fallas más frecuentes de austenización o
temple en los aceros AISI W-2, 0-1, S-1, D-1 temperatura y tiempo de
exposición.
La tabla A.A muestra estructuras y propiedades mecánicas de los
aceros presentados en la tabla 4.
38
Fallas en un Revenido.
Durante el tratamiento de temple, en algunos casos, las herramientas
quedan sujetas a tensiones internas, estos esfuerzos perjudican el
coDiportaroiento de la herramienta. Para eliminar estas anomalías es
necesario aplicarle algún otro tratamiento encargado de realizar esta
funci6n.
El revenido tiene por objeto aminorar las tensiones causadas por el
temple y hacer al acero menos quebradizo. Consiste en calentar a una
temperatura superior a 100°C seguido de un enfriamiento lento. El
revenido debe efectuarse, en lo posible, inmediatamente después del
temple. Si no se procede asi, para las piezas de formas aplicadas, éstas
corren el riesgo de rajarse debido a las tensiones interiores, ya sea
después de cierto uso o al comenzar a utilizarlas.
Las fallas de revenido se presentan cuando una pieza excede su
temperatura correspondiente y se aplica un enfriamiento lento, esto
produce al material una fragilización cue consecuentemente tiende a ser
quebradiza al someterla a esfuerzos de trabajo.
Dicha falla no se obtuvo en la práctica.
39
CAPITULO IV
IV PREVENCIÓN y/o CORRECCIÓN DE U FALLA
Si sé reconoce el origen de la falla, esta podrá ser evitada corrigiendo
algunas de las etapas del tratamiento térmico, o bien se podrá corregir
diseñando un tratamiento más adecuado según el uso y condiciones de
operaciones a las que vaya a ser sujeta la herramienta.
En la tabla 5 se incluyen cinco recomendaciones que se deben tomar
en cuenta para los tratamientos térmicos. En la tabla 6 aparece la
composición química de cada una de ellos.
Para evitar o corregir una falla es necesario tener un reconocimiento
metalográfico en los aceros de herramienta de llegada; para determinar
sus estructuras y propiedades mecánicas actuales y tener una referencia
que nos indique que tratamiento aplicarle.
Enseguida se presentan resultados obtenidos en la metalografía de
los aceros de llegada.
Acero S-1
Dureza Rockwell = 16
Resistencia a la tracción = 103 (10 Psi)
(Fotomicrografía 18)
Acero W-2
Dureza Rockwell C = 1 2
Resistencia a la tracción = 65 !10 Psi)
(Fotomicrografía 19)
Acero D-2
Dureza Rockwell C = 27
Resistencia a la tracción = 129 (10 Psi)
(Fotomicrografía 20)
Acero 0-1
Dureza Rockwell C = 1 7
Resistencia a la tracción = 105 (10 Psi)
(Fotomicrografía 21)
RESTAURACIÓN DE LAS FALLAS PRODUCIDAS POR RECOCIDO.
Estructura Duplex.
Para corregir la estructura duplex se aplica un tratamiento de
recocido con el mayor cuidado que se pueda; primero se eleva la temperatu
ra de austenización (800 - 815 °C) con un tiempo de permanencia de 10
a 15 minutos de acuerdo a la regla general (1 hora/pulgada cuadrada).
Posteriormente se enfria en el horno lentamente hasta alcanzar la tempera
tura ambiente, con este tratamiento se logra restaurar el material o
bien se homogeniza el grano. Para tener una mayor eficiencia en el
tratamiento se aplica al material una película de protección, empaqueta
miento o atmósferas controladas para evitar una posible descarburizacion.
(Fotomicrografía 22)
Quemado de Primer Grado
Los materiales que sufren esta falla se regeneran con un doble
tratamiento.
El primer tratamiento se caracteriza porque el tiempo utilizado es
relativamente grande y la temperatura elevada, pero sin llegar a la
fusión de los bordes de grano. En este procedimiento se realiza a
temperatura de austenización 980 - 1100°C con un tiempo de permanencia de
15 minutos, existiendo una difusión atómica que logra una homoger.ización
química del carbono acumulado en los bordes de grano.
Posteriormente se aplica un enfriamiento lento que ocasiona una
estructura de grano grueso.
Inmediatamente se aplica el segundo tratamiento de recocido, elevando
la temperatura de autenización a 980° C con tiempo de permanencia de 10
minutos dejando enfriar lentamente hasta obtener temperatura ambiente
hasta obtener una estructura de grano fino. (Fotomicrografía 23)
Si no se desea un segundo recocido, se puede recurrir a un tratamien
to de normalizado, porque se obtendrá la misma estructura de grano fino
ya sea con el segundo recocido o bien con el de normalizado.
Quemado de Segundo Grado.
Para regenerar una herramienta que presente esta falla se recurre
primero a un forjado para eliminar los glóbulos de óxido de carbón y a
continuación se efectúa un recocido de regeneración completa.
El primer método, para regenerar la falla se aplica de la siguiente
manera.
Para realizar el método de forjado se debe obtener temperaturas de
austenización 850 - 900 °C y mantenerla durante el procedimiento. Al
establecer las temperaturas se efectúa el mecanizado eliminando la
oxidación y descarburizacion que presenta el material an la superficie
en forma de capas delgadas.
Para obtener un resultado favorable en el procedimiento, no debe
excederse demasiado tiempo con la temperatura de autenización, de otra
manera surgirían fallas de quemado de primer grado.
Al terminar el forjado, la pieza se deja enfriar de tal manera que
todas las caras de la pieza queden expuestas al medio ambiente, pero
evitando que se coloquen en pisos húmedos y corrientes de aire demasiado
fuertes. Lo mas conveniente es enfriarlos lentamente en cenizas secas,
en particular para los aceros altamente aleados.
La segunda etapa es aplicar un recocido que genera restauración
total, aplicando todas las recomendaciones para obtener un buen tratamien
to, como es temperatura de austenización 800 - 815°C tiempo de permanencia
5 a 10 minutos y medios de protección contra una descarburizacion.
El calentamiento debe ser uniforme y constante de tal manera que
la temperatura del centro con la de la superficie sean homogéneas, para
evitar tensiones internas en el material, el enfriamiento de la pieza
debe ser lenta hasta alcanzar temperatura ambiente. (Fotomicrografía
24).
Quemado de Tercer Grado.
La restauración de una herramienta que presenta esta falla no es
posible, ni aun utilizando cualquier procedimiento mecánico, es decir,
que la herramienta debe rechazarse o bien a refusión.
?:•--
RESTAURACIÓN DE LAS FALLAS PRODUCIDAS EN EL NORMALIZADO.
Estructura Widoacatatten:
Las herramientas que presentan esta falla, se regeneran con un nuevo
tratamiento de normalizado; calentamos hasta la temperatura de auteniza
ci6n.(815 - 870°C) aplicándole a la herramienta una película de protección
para la oxidación que se pueda presentar, su tiempo de permanencia para
este caso es de 10 a 15 minutos, continuando con un enfriamiento al medio
ambiente que permite restaurar la estructura. (Fotomicrografía 25)
Estructura Ferrltico Basáltica.
Para restaurar la falla aplicaremos un tratamiento de normalizaao,
elevando la temperatura a (800 - 820°C) con un tiempo de permanencia de
10 a 15 minutos, controlando una posible oxidación con uno de los métodos
aplicados anteriormente, su enfriamiento se aplica en el medio ambiente
para obtener una estructura correspondiente al tratamiento.
RESTAURACIÓN DE LAS FALLAS PRODUCIDAS POR TEMPLE.
Hipotemple: (baja temperatura de austenización)
Los aceros de herramienta que presenta esta falla se regeneran con
un doble tratamiento.
Primero se aplica un tratamiento de recocido con la finalidad de
obtener la estructura que tenia la herramienta antes de la falla (estruc
tura globular). Para obtener dicha estructura, primero detsmos asegurar
nos que la herramienta no sufra oxidación o descarburización, aplicándole
cualquier método contra la descarburización; posteriormente se eleva a
temperatura de austenización (830 - 845°C) con un tiempo de permanencia
de 10 a 15 minutos con un enfriamiento lento hasta llegar a temperatura
ambiente, logrando una estructura globular, enseguida se aplica el
segundo tratamiento, temple.
Para lograr que la herramienta obtenga la estructura regenerada
aplicamos los métodos de protección contra una descarburización, ya que
en un tratamiento de temple es muy frecuente las fallas de oxidación
o descarburización. Tomando estas medidas de precaución se procede al
tratamiento, primero darle un precalentamiento hasta 650°C con un tiempo
de permanencia de 10 minutos e inmediatamente llevarla a un austenizado
completo de (925 - 950°C) con un tiempo de permanencia de 10 a 15 minutos,
dependiendo del área de la herramienta; a continuación se aplica el
temple tratando que no se prolongue el tiempo en llevar la pieza al
enfriamiento, de no ser asi no se conseguirá la estructura o propiedad
deseada, además debe tener una agitación moderada durante el temple y no
debe alcanzar la herramienta la temperatura ambiente, sino establecerla
a 75 °C para darle un tratamiento final de revenido con una temperatura
de (120 - 150° C) con 10 minutos de permanencia y enfriamiento al aire,
obteniendo una estructura regenerada. (Fotomicrografía 26)
Hipertemple: (alta temperatura de austenización)
Esta falla se puede presentar en tres tipos como: grano basto,
austenita retenida y agrietamiento, esta última no es regenerable por
ningún procedimiento, debe ir a refusión.
En los dos primeros casos si es posible regenerar la estructura
y retornar a sus propiedades mecánicas.
45
La falla de grano basto, se le aplica un nuevo tratamiento de temple;
primero darle un medio de protección contra la oxidación y llevarla P.
la temperatura de austenización lentamente de (780 - 815°C), con un tiempo
de permanencia de 5 a 10 minutos o de acuerdo a las dimensiones de la
herramienta a inmediatamente aplicar el temple de acuerdo con las
características del material y composición química, no debe excederse
a más de 5 segundos en el traslado del horno al medio de enfriamiento
para ' no perder efectividad en las propiedades y estructura de la
herramienta, al obtener una temperatura de 70"C en el temple inmediata
mente se aplica un revenido de (100 a 150°C) con 10 minutos de permanencia,
posteriormente enfriar al medio ambiente obteniendo la estructura y
propiedades perdidas. (Fotomicrografía 27)
Para eliminar la falla por austenita retenida, debemos tomar en
cuenta la causa de su formación. Si se formó exclusivamente por un
hipertemple en un medio de temple muy severo, la estructura se regenera
con un revenido posterior, con una temperatura de (150 - 315°C) y con un
tiempo de permanencia de 5 a 10 minutos y enfriamiento al medio ambiente,
esto nos permite obtener la estructura regenerada.
Pero si su causa radica por la existencia de gran cantidad de elemeji
tos aleantes, que hacen descender los puntos críticos de la herramienta;
se emplea un medio de enfriamiento por abajo de la temperatura ambiente
(tratamiento subcero). Primero se eleva la temperatura hasta la de nust£
nización (925 - 955° C), con un tiempo de permanencia de 10 minutos,
enseguida aplicamos el temple a una temperatura de -20 a -80°C, este proce
dimiento debe aplicarse rápidamente, pues si la pieza permanece varios
segundos sin templar la austenita se estabiliza y no será posible
eliminarla. (Fotomicrografía 28)
Distorsión.
Al encontrarnos con este problema, debemos pensar que antes de
efectuar el tratamiento térmico, debemos tomar precauciones para evitar
la falla; las recomendaciones que se aplican son:
Si la pieza es de forma muy compleja o bien una herramienta de forma
complicada, se debe tener precaución al colocarla dentro del horno, que
toda la base esté bien apoyada en la plataforma del horno y tratar que
todas las partes de la pieza posean temperatura homogénea. Para realizar
el tratamiento se aplica un precalentamiento lento hasta (600 - 650°C)
manteniendo la temperatura durante 15 minutos, inmediatamente llevarla
a temperatura de austenización (800 - 815°C) con un tiempo de permanencia
de 10 a 15 minutos, empleando un medio de temple ligero que nos evite
una posible distorsión. Además la pieza debe ser introducida al temple
de tal manera que todas las partes queden centradas de forma lateral
con una agitación moderada.
Si por alguna razón la herramienta ha sufrido la falla, ésta se
regenera con un mecanizado de golpeteo en caliente. Consiste en elevar
la temperatura a 650°C, colocando la herramienta en una arma plana, rígida
y enderezarla consiguiendo la forma adecuada de la pieza y llevarla a un
revenido para destensionarla a causa de los esfuerzos sometidos. La tempe
ratura de revenido será de (150 - 250° C) con un tiempo de permanencia de
10 a 15 minutos con un enfriamiento al medio ambiente, evitando las
corrientes de aire fuerte y evitar colocarlas en pisos húmedos.
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56
FOTOMICROGRAFÍAS DE LAS FALLAS DE UN RECOCIDO
1S-1 Presenta bandas a causa de unrolado (maquinado) cementita en
matriz ferrítica100X
0-1 Estructura duplex. Perlita contendencia a globulizarse conpequeños bloques de ferrita
200X
W-2 Grano grueso, perlita arborecentecon ferrita en forma de bloques
200X
W-2 Quemado de primer grado,granomediano perlita con ferrita
basáltica 200X
C-1 Quemado de segundo grado,Pérdida de cohesión de grano
perlita y ferrita200X
W-2 Quemado de tercer grado. Granoequiaxiales ferrita con precipitación
de carbón200X
57
FOTOMICROGRAFÍAS DE LAS FALLAS DE UN NORMALIZADO
S-1 Ferrita Widmanstatten200X
S-1 Glóbulos de ceraentíta conferrita basáltica
250X
FOTOMICROGRAFÍAS DE LA FALLA DE TEMPLE
S-1 Martensita inconveniente200X
10S-1 Granos de ferrita remanenteocJoídas en agujas do martensita
250X
110-1 Agujas de martensita gruesa
250X
12S-1 Martensita basta con austenita
250X
59
130-1 Martensita gruesa con
austenita retenida con grietasuperficial
100X
W-2 Martensita fina conaustenita retenida y grieta
superficial100X
S-1 Martensita semifina conaustenita retenida con grieta
250X
12"
FIGURA 2: Distorsi&n 0-1
60
- • • • • ' > .
160-1 Descarburización superficial
1200X
170-1 Descarburizaci&n y oxidaci&n
superficial1200X
Nota: Ataques en nital ~i%
FOTOMICROGRAFÍAS DE LLEGADA
183-1 Glóbulos de cementita en
matriz ferrítica100X
19W-2 Glóbulos de cementita en
en matriz ferritica100X
"n.rburr.r. aleador. con glóbulosTersen1', i t.a n mitriz ferrít.ca
100X
O-1 Glóbulos de cementita =-r¡matriz ferri t ici
100X
Nota: Ataques en Nital 3%
FOTOMICROGRAFÍAS DE RESTAURACIÓN DE RECOCIDO
W-2 Glóbulos de cementita enmatriz ferrítica
1OOX
Carburos aleados con glóbulos ciécementita en matriz ferrlt ica
200X
S-1 Tnc1 IJalones de manganeso conlóbulo? de cementita en maLrí z í>r"M tic?.
100X
FOTOMICROGRAKIA DR RESTAURACIÓN DE NORMALIZADO
W-2 Perlita laminar
FCFOMICROGRAFIAS DE RESTAURACIÓN DE TEMPLE
• 3r'
26S-1 Martensita fina inclusionesd©' aleaciones 'Je sulfures de
manganeso250X
270-1 Martensita serri f ina
200X
D-2 Carburos aleados en matrizmartensitica
250X
Nota: Ataques en Nital 3%
FOTOMICROGRAFÍAS DE LAS FALLAS DE RECOCIDO
S-1 Quemado de t e r c e r grado,crecimiento de grano, perlitaglobular en matriz ferrítica
100X
S-1 Ferrita basáltica concementita globular
200X
3AW-2 Perlita laminar con ferrita
en forma de bloques200X
5A0-1 Ferrita con cementita
100X
W-2 Pérdida de cohesión entregrano y grano, perlita laminarcon ferrita en forma de bloques
100X
0-1 Perlita arborecente ybloques de ferrita en límite
de grano 200X
65
7A0-1 Grano Duplex, cementitaglobular en matriz ferrítica
100X
8AD-2 Carburos aleados y
cementita globular en matrizferrítica
200
Nota: Ataques Nital 3%
r -
FOTOMICBOGR. IAS DE LAS FALLAS DE NORMALIZADO
S-1 Crecimiento de granoexcesivo, ferrita basáltica
100X
10AS-1 Ferrita Widmanstatten con
cementita globular100X
12AW-2 Ferlita con tendencia aobti i < sar.-e ^r. matriz ferritu
100X
0-1 Martensita fina conaustenita retenida
100X
0-1 Martensita gruesa conaustenita er: ioca proporción
100X
15A0-1 Martensita fina con nodulos
de perlita100X
Nata: Ataques en Nital 3%
67
16A0-1 Martensita fina confractura superficial
100X
FOTOMICROGRAFÍAS DE LAS FALLAS DE AUSTENIZADO
68
17A•i Martensita fina con fractura
intergranular200X
18A
Mar_ensita con inclusionessulfuro de manganeso
AQOX
S-1 Red de cementita en bordede grano, perlita laminar con
ferríta125X
20flW-2 Martensita fina con
austenita retenida con fisuraintergranular
100X
ÍJ
21AW-2 Martensita semifina con
fractura125X
22AW-2 Descarburización superficialglóbulos de cementita en matriz
ferritica100X
23AD-2 Carburos aleados en matriz
ferritica con fisura150X
Nota: Ataques en Nital 3%
FOTOMICROGRAFÍAS DE LAS FALLAS DE TEMPLE
S-1 Martensita con inclusionesde manganeso y partículas de
refractrario200X
• • *
26A
?oox
200X
25AS-1 Martensita fina coninclusiones de sulfuro de
manganeso200X
28AW-2 Martensita gruesa con
austenita retenida250X
29AW-¿ Matriz, f e r r í t i c a , dpscnrbiifi ;:_u
y oxidación interna400X
30AW-2 Martensita con fisura
intergranuiar125X
3 M0-1 Martensita semifina conausteníta retenida con fisura
3201
32A0-1 Martensita con austenita
retenida400X
33A0-1 Martensita gruesa con
austenita retenida800X
Nota: Ataques en Ni tal 3%
GRÁFICA A
GRÁFICA DE DUREZA CONTRA TEMPERATURAEN UN ACERO AIS I W - 2
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GRÁFICA B
GRÁFICA DE DUREZA CONTRA TEMPERATURAEM UN ACERO AISI O - l
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GRÁFICA C
GRÁFICA DE DUREZA CONTRA TEMPERATURAEN UN ACERO AIS I S - l
ACERO
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39.0
TEMPERATURA
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700
800
900
950
1000
700 800 900
TEMPERATURA °C
DIAGRAMA DE EQUILIBRIO HIERRO-CARBONO
COLORES
DEREVENIDO
RAJAOROPURPURA
AZULAZUL OSCURO
LIQUIDOAleoclon»! fundidas
TEMPE-RATURA
o.~
225°250°275°300°325°
. />•*±¿/,
TEMPERATURA DE PUNTOSIMPORTANTES
PUNTO
ABC
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2 I0.
0.10 18
——
0.0.550.0250 80.008
°C153 9°i <92°1.13 0°1150°.91 0°
1.492°1.492".723°768°
1 400°.768°72 3°
.72 3°0°
Tmmptraturasde colado
Recocido de lo fundicirfn malioblc blancaId
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Aceros Acero
Hlpoeutectoldes * I * Hlpereutectoldei
hi Acerot
FIGURA I
76
C O N C L U S I O N E S
Para el desarrollo de este trabajo se contó con la colaboración de
personas que cuentan con gran experiencia en tratamientos térmicos,
análisis metalográfico, procedimiento de manufactura, etc. También se
utilizaron para la realización de los experimentos, material y equipo de
alta precisión. Consecuentemente los datos que aparecen reportados en
cada uno de los experimentos están bien fundamentados y poseen un grado
de precisión de mucha confiabilidad.
Es preciso señalar que los aceros grado herramienta que se emplean
como probetas sólo son algunas de las muchas que existen dentro de esta
clasificación.
El presente trabajo pretende proporcionar información, basada en
desarrollos prácticos, de tal manera que sean utilizados por estudiantes
que cursen la carrera de fundición y tratamientos térmicos, y demás
personas que de alguna manera tengan relación en el tema.
Estos datos pueden servir como base para compararlos con aquellos
que se obtengan de procedimientos semejantes, y de esa manera tratar
de tener un bajo margen de error en los resultados.
A menudo se hace referencia, en la mayoría de los capítulos sobre
la importancia que tiene el control de la temperatura de tratamiento
y el tiempo de permanencia. Estos dos factores se consideran como los
más importantes que influyen en las condiciones finales que pueda tomar
la pieza.
Para cada uno de los tratamientos térmicos en particular es
necesario definir, lo más preciso que se pueda, los valores que deberán
tomar cada una de estas variables, ya que la faita o el exceso de ambas,
r--
77
en lugar de mejorar las condiciones mecánicas finales de la herramienta,
se ven desmejoradas totalmente. Un ejemplo que ilustra claramente la
variación de los factores anteriores es el quemado de primero, segundo
y tercer grado.
Dependiendo del a>_<=ro para herramienta de que se trate, será el
tratamiento o los tratamientos térmicos que se le apliquen, se especifi
can las alternativas que se tienen en cada caso. El tipo de tratamiento
que se designe para un acero en particular dependerá exclusivamente de
las condiciones iniciales que tenga la pieza y las propiedades finales
que se desee que adquiera la misma. Estos resultados que obtenga la
herramienta se fijan en función del uso y aplicación que tendrá en
condiciones de trabajo.
Para lograr observar la variedad de fallas que pueden originarse
en las herramientas, se provocaron una serie de experimentos de tal forma
que se pudiera cuantificar la magnitud de la falla, así mismo se diseña
ron los pasos a seguir para corregir o prevenir las fallas ocasionadas,
haciendo anotaciones de lo sucedido durante el desarrollo del tratamiento.
Las características geométricas de la pieza y la posición que tome
dentro del horno de tratamiento, también deben de tomarse en cuenta.
Debe de colocarse de la forma más conveniente, de tal manera que no sufra
deformaciones ni alteraciones en su estructura.
Es necesario que el técnico en fundición y tratamientos térmicos
conozca, aplique y modifique las técnicas y métodos que existan, asi
como también diseñe de manera óptima y eficien1"», procedimientos que
den soluciones a los diversos problemas que en cierto momento se le
pueden presentar.
78
BIBLIOGRAFÍA
1. AVNhfl.Clasificación de los Aceros para HerramientaIntroducción a la Metalurgia Física.2a. Edición.
2. DRA. HORA LINDENVALD.Fallas de los Tratamientos Térmicos.Buenos Aires, 1972.
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IMPRESIONES
TESIS, TRABAJOS SOCIALES
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526-17-64
