EIM - ESPOCH

LABORATORIO DE MATERIALES

ESCUELA SUPERIOR POLITÉCNICA DE CHIMBORAZO

ESPOCH

FACULTAD DE MECÁNICA

ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA

LABORATORIO DE MATERIALESPROYECTO

“TRATAMIENTOS TÉRMICOS”ACERO PARA HERRAMIENTAS AISI-01

Realizado por:

Jessica Mariño (5770)

Geoconda Velasco (5525)

Fernando Solis (5194)

Matilde Tuquinga (5356)

Magdalena Paredes (5473)

Fecha de realización: 2010-06-23

Fecha de entrega: 2010-06-30

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

1. RESUMEN

2. INTRODUCCIÓN TEÓRICA

2.1.ACERO AISI O1

Es un acero al manganeso-cromo-tungsteno. Entre sus principales características se cuentan: buena maquinabilidad, buena estabilidad dimensional en el temple y una buena combinación de gran dureza superficial y tenacidad tras el temple y revenido. Dureza de suministro del material, recocido blando a aproximada es de 190Brinel.

COMPOSICIÓN QUÍMICA:

PROPIEDADES FÍSICAS – MECÁNICAS

EQUIVALENCIAS ASTM A 681 tipo O1 ABNT O1 AISI O1

WNr 1.2510 DIN 100 MnCrW4 UNS T31501

COLOR DE IDENTIFICACIÓN: Según Bohler-Uddeholm:

CARACTERÍSTICAS GENERALES: Aceros de media aleación para temple en aceite y de baja deformación. Posee alta resistencia al desgaste aliada a una buena tenacidad. En estado recocido tiene buen mecanizado.

ESTADO DE SUMINISTRO: Recocido, con dureza máxima de 230 HB.

APLICACIONES TÍPICAS: Herramientas de cortes, especialmente machos, cojinetes, brocas, punzones, cuchillas para corte de papel, herramientas para trabajo en madera, clavos de guía, rollos para laminados de roscas, estampas e matrices en general, calibres, patrones y reglas.

2.2.TRATAMIENTOS TÉRMICOS

Frecuentemente se necesita modificar las propiedades mecánicas de piezas metálicas para mejorar su desempeño cuando estén en operación. Propiedades como la dureza (capacidad de un material para resistir la abrasión o rallado de su superficie), la resiliencia como la capacidad del elemento de máquina a ser esforzado hasta su límite de fluencia, entre otras propiedades, son principalmente buscadas. Existen diferentes tratamientos por medio de los cuales se obtienen las propiedades antes mencionadas, los principales son: tratamiento térmico, tratamiento mecánico y tratamiento termoquímico.

En cuanto al tratamiento térmico de los aceros, éste consiste en tres procesos que involucra temperatura a decir: calentamiento hasta temperatura austenítica, sostenimiento a esa temperatura y por último el enfriamiento en el medio y a la velocidad que convenga.

En cuanto a la temperatura de calentamiento, ésta es la temperatura para obtener una microestructura metaestable conocida como austenita (FCC) (arriba de línea Ac3), luego para el tiempo de sostenimiento, éste es el tiempo necesario que la pieza debe permanecer en el interior del horno hasta que su estructura cristalina esté constituida de 100% austenita (BCC → FCC).

La tercera etapa es la más crítica de las dos antes mencionadas, pues, aquí se decide el futuro del tratamiento y de la pieza sometida al mismo. En el enfriamiento, se debe determinar el tipo de medio a utilizar para su enfriamiento pues diferentes medios de temple proporcionan diferentes velocidades de enfriamiento. Entre los medios más comunes que se puede mencionar, se tiene los siguientes:

• Agua• Aceite para temple (baja viscosidad VG 32 o inferior y alto punto de “inflamación”)• Aire tranquilo (sin agitar o convección natural)• En Horno

• Enfriamiento en baño de sales a alta temperatura.

Cuando se observan las tablas de tratamiento térmico se observa que para cada aleación se recomienda diferentes medios de enfriamiento y procedimientos para lograr el mismo. Revisando un poco se puede ver que cada aleación contiene elementos de aleación en menor o mayor cantidad.

Figura No. 1 Diagrama Hierro-carbono

RECOCIDO:Consiste en calentar el acero a una temperatura adecuada y luego enfriar lentamente a lo largo del intervalo de transformación, preferentemente en el horno o en un buen aislante de calor. El propósito del recocido puede ser refinar el grano, proporcionar suavidad y en algunos casos mejorar la maquinabilidad. Al ser un proceso muy lento se puede aproximar al diagrama hierro – carbono.

En los aceros que poseen un contenido mayor al 0,8% (hipereutectoides) se recomienda un Recocido de Esferoidización, para mejorar el maquinado.

También se utiliza el recocido para eliminación de esfuerzos (subcrítico), debidos a un fuerte maquinado o por trabajos en frío.

Alivio de Tensiones: Después del mecanizado de las piezas y antes del templado. Es importante para aquellas con grabados y perfiles, en las cuales la retirada del material fue del 30%. Realizar un alivio de tensiones para minimizar las deformaciones que puedan ocurrir durante el proceso de templado. La temperatura de alivio de tensión deberá encontrarse entre los 500 y 600 º C y el calentamiento debe ser lento tanto como el enfriamiento dentro del horno hasta los 200 º C.

Durante el recocido, las herramientas deben rodearse de viruta de hierro fundido para evitar la descarburización. Dureza después de recocido: 170-210 Brinell. Limpiar la cáscara de forjado o rolado antes de templar. Revenir inmediatamente. Siempre revenir por

lo menos a 100º C. Para obtener buenos resultados, es esencial igualar la temperatura en toda la herramienta.

NORMALIZADO:Consiste en calentar a 100°F por encima de Acm seguida de un enfriamiento en aire quieto hasta la temperatura ambiente.Mediante el normalizado se produce un acero más duro que en el recocido. El normalizado se puede utilizar para mejorar la maquinabilidad, modificar y refinar estructuras dendríticas y refinar el grano.

TEMPLE:Realizando el mismo procedimiento de calentamiento que en los anteriores, pero con mayor rapidez de enfriamiento, no hay suficiente tiempo para que el carbono se difunda en la solución, la estructura resultante es MARTENSITA (solución sólida sobresaturada de carbono)

Después de un enfriamiento drástico la martensita aparece microscópicamente como una estructura blanca acicular o tipo aguja, siendo la característica más importante la dureza.

ISOTERMICA: en este cálculo no se utiliza el diagrama hierro – carbono sino con las curvas TTT correspondientes a cada aleación donde el mantenimiento a una temperatura adecuada (400°C) se obtendrá BAINITA. No es posible formar 100% vainita o 100% Perlita, pero si se puede obtener 100% Bainita.

ENFRIAMIENTO CONTINUO: está en función de la composición química y el tamaño de grano austenítico. En ella se muestran curvas de velocidades de enfriamiento para obtener las composiciones deseadas.

El calentamiento para el templado debe ser entre los 790 y 820 ºC. Se recomienda precalentar las herramientas. Enfriar en:

- Aceite apropiado con agitador y calentado entre 40 y 70 ºC.- Baño de sal fundido mantenido entre 180 y 230 ºC.- Sin corrientes de aire.

REVENIDO: Al dar a los aceros al carbono un temple y revenido se consiguen muy buenas características cuando el perfil es delgado. En un acero al carbono bien templado o revenido, el valor del límite elástico suele llegar a ser un 75% de la carga de rotura.

Las herramientas deben revenirse inmediatamente después del templado, apenas alcancen los 60ºC. Realizar como mínimo, 2 revenidos y, entre cada uno de ellos, las piezas deberán enfriarse hasta alcanzar la temperatura ambiente.

La temperatura del revenido será elegida, según la dureza deseada (figura No.2). El tiempo de cada revenido debe ser, de no menos de 2 horas. Para piezas mayores que 70 mm, se debe calcular el tiempo en función de su dimensión. Considerar 1 hora para cada pulgada de espesor.

Figura No. 2 Temperatura de revenido vs. Dureza (HRC)

3. OBJETIVO3.1. Ilustrar los efectos de la velocidad de enfriamiento sobre el acero de herramientas

DF-2.3.2. Determinar cómo el revenido luego del temple influyen sobre la microestructura y

dureza del acero.

4. EXPERIMENTACIÓN

4.1 PROCEDIMIENTO PRINCIPAL

Preparar 8 probetas de acero AISI 01 de ¾’’ Calentar siete probetas, hasta conseguir austenitización completa (2 horas de

permanencia a 880°C) Luego dar a cada probeta un diferente tratamiento térmico.

o Estado de suministroo Temple en aguao Recocido, enfriamiento en el hornoo Normalizado, enfriamiento en aireo Temple en aceite a 18-20°Co Temple en aceite a 18-20°Co Temple en sales a 400°C y mantenimiento de acuerdo a la necesidad para

obtener transformación completa de la austenita, luego enfriamiento al aire.o Temple en agua a 18-20°C y revenido a 370°C por 45 min, enfriamiento en

aire.o Temple en agua a 18-20°C y revenido a 710°C por 45min, enfriamiento en

aire.4.2 PREPARACIÓN DE LA MUESTRA METALOGRÁFICA

Referencia: NORMA ASTM E3

Extraer de cada muestra la capa descarburizada. Escoger la superficie de estudio (en este caso será la superficie transversal) Desbastar la muestra asentándola uniformemente sobre las lijas de 80, 240, 320,

600 y 1200. Girar 90º al pasar a la siguiente lija. Pulir la probeta en la máquina pulidora utilizando alúmina de 0,3um Limpiar impurezas con agua

Atacar químicamente, por goteo la probeta en Nital al 4% por un tiempo menor al segundo y estabilizarlo inmediatamente con agua.

Observar en el microscopio metalográfico y analizar los resultados

4.3 ENSAYO PARA DETERMINAR EL TAMAÑO DE GRANO

Referencia: NORMA ASTM E 112

Preparar metalográficamente en base a la norma ASTM E3 la superficie transversal del material

Observar la microestructura y fotografiar los resultados para el posterior análisis.

Método de intersección

Dibujar por lo menos 3 líneas verticales y horizontales para contar el número de granos que intersecan a la línea.

Realizar un promedio del número de granos horizontales y verticales Obtener se tamaño en micras y transformar mediante una fórmula a tamaño de grano

austenítico.

4.4 ENSAYO DE DUREZA BRINELL

Referencia: NORMA ASTM E10 – 00

Máquina:Este ensayo se utiliza en materiales blandos (de baja dureza) y muestras delgadas. La máquina Brinell principalmente consta de una prensa hidráulica vertical de operación manual, en la cual se requiere ajustar en la parte superior una bola de acero templado de diferentes diámetros. Para los materiales más duros se usan bolas de carburo de tungsteno.

Indentador: En el ensayo típico se suele utilizar una bola de acero de 10 a 12 milímetros de diámetro, con una fuerza de 3 000 kilogramos. Para metales ferrosos el tiempo de presión de la bola sobre la muestra es de aproximadamente 10s; el valor medido es el diámetro del casquete en la superficie del material.

Figura No.3 La bola penetra dejando una marca

Procedimiento: Determinar la fuerza necesaria para el ensayo, se puede obtener con la siguiente expresión:

P = KD2

donde:P: carga a utilizar medida en [kilogramos].K: constante para cada material, que puede valer 5 (aluminio, magnesio y sus aleaciones), 10 (cobre y sus aleaciones), y 30 (aceros).D: diámetro de la bola (indentador) medida en [mm].

Ubicar la probeta en la máquina de ensayo, cabe recalcar que la probeta debe tener dos caras paralelas para poderla asentar correctamente.

Aplicar la fuerza requerida por aproximadamente 10s Medir el diámetro de la huella dejada por el indentador en el material, con la ayuda

del microscopio. Aplicar la fórmula siguiente.

HB= 2 Pπ D2 ( 1

1−√1− d2

D2 ) donde:

HB = número de dureza brinellP = carga de aplicaciónD = diámetro del indentador.d: diámetro de la huella en superficie en [mm].

Nota: Este ensayo sólo es válido para valores menores de 600 HB en el caso de utilizar la bola de acero, pues para valores superiores la bola se deforma y el ensayo no es válido. Se pasa entonces al ensayo de dureza Vickers.

4.5 ENSAYO DE DUREZA ROCKWELL C

Referencia: NORMA ASTM E18 – 00

Para la medición de dureza Rockwell C el instrumento proporciona los resultados directamente, se usa una punta de diamante en forma de cono para materiales duros o de bola para materiales blandos

5. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN DE RESULTADOS

5.1.Curvas de enfriamiento del acero DF-2

Tiempos recomendados:

a. Recocido 880°C: 84600 segundos.

b. Normalizado 880°C, 600 segundos.

c. Temple (880°C) en aceite 18-20°C, 30 segundos.

d. Temple (880°C) en agua 18-20°C, 20 segundos.

e. Temple en sales 400°C, 8 min

f. Temple en agua 18-20°C y revenido 370°C, 45min.

g. Temple en agua 18-20°C y revenido 710°C, 45 min.

Tratamiento térmico: Recocido, normalizado, temple en aceite, temple en agua.

Tratamiento térmico: Temple en sales.

Recocido Normalizado Temple en aceite Temple en agua

Tratamiento térmico: Temple en agua y revenido a 3700C, temple en agua y revenido a 7100C

.

5.2.Fotomicrografías de la sección transversal de cada probeta

ESTADO DE SUMINISTRO

Figura No. 4 . Microestructura de acero DF2, atacada con Nital al 4%, ampliado a 200x. Perlita gruesa(partes más oscuras), cementita (blancas brillantes) y carburos formados por W, Cr, V (glóbulos negros)

Revenido a 710°C Revenido a 370°C

Carburos

Cementita

Perlita

DETERMINACIÓN DE INCLUSIONES:

Figura No. 5 Microestructura de acero DF2, sin ataque químico, a 100x. Con inclusiones de óxidos globulares TIPO D3

DUREZA

Datos:

P=1839 ND=2.5 mm

Diámetro de la huella=∅ 1+∅ 2+∅ 3n∅

Diámetro de la huella=0.98+0.935+0.973

Diámetro de la huella=¿0.96 mm

HB= 2 P

πD (D−√ D2−d2)

HB=2(187 .65 )

π (2.5 )(2 .5−√2 .52−0 .962 )

HB=249 . 3

TEMPLE EN AGUA

Martensita

Cementita

L1 L2 L3

L1

L2

L3560um

Figura No. 6 Microestructura de acero DF2, Atacada con Nital 4, a 200x. Matriz martensítica con partes

pequeñas de cementita

DUREZA PROMEDIO: 48HRC

RECOCIDO

Figura No. 7 Microestructura del acero AISI 01 en estado de recocido atacado con Nital al 4%, ampliada a 100x. 25% Cementita (regiones blancas), carburos (puntos negros) y 75% Perlita (regiones oscuras. Dureza 26HRC

DUREZA PROMEDIO: 26HRC

MEDICIÓN DEL TAMAÑO DE GRANO

Figura No. 8 . Acero AISI 01, a 100X, atacado con nital al 4%

Tabla 1. Lecturas de Números de Granos

Línea L1 L2 L3 promediohorizontal 27 29 25 27

vertical 21 21 19 20,33

Cementita

Perlita

Carburos por elementos aleantes

Tamaño de grano Horizontal

E1=56027

=20 ,74

Go=10−6 ,6439 log(20 , 7410 )=7 , 89

G≈8

Tamaño de grano Vertical

E2=42020 .33

=20 ,69

Go=10−6 ,6439 log(20 ,6910 )=7,9

G≈8

Normalizado, enfriamiento en aire

Figura No. 9. Microestructura de acero. Atacada con Nital 4%, Dureza (43,8HRC). Ampliado a 100X. Muestra cementita (blanco brillante), bainita (zona café clara) y Pequeñas cantidades de perlita.

Figura No. 10 Microestructura de acero DF2. Zonas oscuras perlita fina, zona brillante cementita. Tomada en las cercanías del borde Atacada con Nital 4%, Dureza (43,8HRC). Ampliado a 200X.

Promedio de dureza HRC:

Perlita

Perlita

Bainita

Cementita

BainitaCementita

Dureza =

43+44+44 ,53

Dureza =43,8 HRC

Temple en aceite a 18-20°C

Figura No. 11 Microestructura de un Acero DF2, tomado a 400X. Atacada con Nital 4%. Compuesto por Cementita revenida (partes blancas brillantes), Martensita (partes blancas) en forma de agujas, carburos (las partes negras) en forma de círculos.

Figura No. 12 Micro estructura de un Acero DF2, tomado a 200X. Atacada con Nital 4%. En la siguiente figura se puede observar a un acero DF2 el mismo que tiene zonas de Martensita (partes blancas) y partes blancas brillantes cementita.

Promedio de dureza HRC:

Dureza =

46+45 . 5+463 (HRC)

Cementita Martensita Carburos

Martensitaa Carburos

Cementita

Dureza = 46HRC

Temple en sales a 400° C y mantenimiento de acuerdo a la necesidad para obtener

transformación completa de la austenita, luego enfriamiento en aire.

Figura No. 13 Microestructura de acero DF2 (0.9%C, 1.2%Mn, 0.5%Cr, 0.5%W, 0.6%V), Atacada con Nital 4, Dureza (47HRC), Ampliado a 100x.

Figura No. 14 Microestructura de acero DF2 (0.9%C, 1.2%Mn, 0.5%Cr, 0.5%W, 0.6%V), Atacada con Nital 4, Dureza (47HRC), Ampliado a 200x. Constituida por Cementita (blanco brillante) y bainita (café plumoso)

Promedio de dureza HRC:Centro: 47.5HRCCentro más allá: 47HRCBorde: 46.5HRC

63 um

CARBUROSROSN

Austenita retenida

Cementita

BAINITA

BAINITA

Dureza =47.5+47+46.5

3(HRC)

Dureza = 47HRC

Temple en agua 18°C y revenido a 370 C por 45 min; enfriamiento en aire

Figura No. 15 Microestructura de acero DF2 (0.9%C, 1.2%Mn, 0.5%Cr, 0.5%W, 0.6%V), Atacada con Nital 4, Dureza (48.33HRC), Ampliado a 200x. Compuesta por cementita(blanco brillante) y bainita (café plumoso)

Promedio de dureza HRC:Centro: 59HRCCentro más allá: 43HRCBorde: 43HRC

Temple en agua a 18°C y revenido a 710°C por 45min, enfriando en aire

Cementita

Perlita gruesa

Carburos

63 um

BainitaCementita

Dureza =59+43+43

3

(HRC)

Figura No. 16 Microestructura del acero AISI 01 en estado de revenido a 710°C atacado con Nital al 4%, ampliada a 100x. 10% Cementita (regiones blancas), carburos (puntos negros) y 90% Perlita gruesa (regiones oscuras)

DUREZA PROMEDIO: 40HRC5.3.Velocidades promedio de enfriamiento

Recocido

∆T = (850 – 70) ºC = 780ºC

∆t = 86400 segundos. (24 horas)

ΔTΔt

=7800 C86400 s

=0 .009030Cs

Normalizado

∆T = (850 – 70)ºC = 800ºC

∆t = 10minutos= 600 segundos.

ΔTΔt

=8000 C600 s

=1 ,3330 Cs

Temple en Aceite

∆T = (850 – 30) ºC = 820ºC

∆t = 30 segundos.

ΔTΔt

=8200 C30 s

= 27 ,330Cs

Temple en agua

∆T = (850 – 20) ºC = 830ºC

∆t = 20 segundos.

ΔTΔt

=8300 C20 s

=41 .50Cs

5.4.Gráfica de las durezas obtenidas como una función de velocidad de enfriamiento.

TRATAMIENTO TERMICO

VELOCIDAD DE ENFRIAMIAMIENTO

( °Cseg )

DUREZA

( HRC )

RECOCIDO 0,00903 26 NORMALIZADO 1,333 44

TEMPLE EN ACEITE 27,33 46TEMPLE EN AGUA 41,5 48

0 5 10 15 20 25 30 35 40 450

10

20

30

40

50

60

Dureza vs Velocidad de enfriamiento

Velocidad de Enfriamiento (°C/s)

Dure

za (H

RC)

5.5.Curva basada en los valores de dureza dados y los obtenidos experimentalmente sobre el diagrama CCT del acero DF-2

5.6.Comparación de velocidad de enfriamiento con el literal 5.3

5.7.Velocidades promedio de enfriamiento

Recocido

∆T = (850 – 70) ºC = 780ºC

∆t = 10000 segundos. (27 horas)

ΔTΔt

=7800 C10000 s

=0. 00780 Cs

E=v t−v e

ve

=16 %

Normalizado

∆T = (850 – 70)ºC = 800ºC

∆t = 10minutos= 600 segundos.

ΔTΔt

=8000 C600 s

=1 ,3330 Cs

E=v t−v e

ve

=0 %

Temple en Aceite

∆T = (850 – 30) ºC = 820ºC

∆t = 400 segundos.

ΔTΔt

=8200 C400 s

= 2 .050 Cs

E=v t−v e

ve

=1200 %

Temple en agua

∆T = (850 – 20) ºC = 830ºC

∆t = 300 segundos.

ΔTΔt

=8300 C300 s

=2 ,760 Cs

E=v t−v e

ve

=1400 %

DUREZA VS. TEMPERATURA DE REVENIDO

T(°C)

DUREZA(HRC)

370 48710 40

6. CONCLUSIONES El acero AISI O1 en estado de suministro posee una dureza de 249 HB(26 HRC) y

presenta una microestructura compuesta por: Perlita, cementita con la existencia de carburos. Composición que es aproximada con el estado de suministro del fabricante (Recocido).

El acero AISI O1 analizado en el tratamiento de temple en agua posee una dureza de 48 HRC (466 HB); y presenta una microestructura de matriz martensítica.

350 400 450 500 550 600 650 700 7503638404244464850

TEMPERATURA REVENIDO (°C)

DURE

ZA H

RC

Al someterle la probeta en condiciones normales al tratamiento de temple en agua la dureza varia significativamente por lo cual el acero obtiene una fragilidad misma que provoca fisuras en la superficie del mismo.

La probeta analizada en el tratamiento de normalizado posee una dureza de 44 HRC (415HB); y presenta una microestructura compuesta por: bainita, perlita fina y cementita.

De la curva Dureza vs. Velocidad de Enfriamiento se deduce que a la dureza del material se incrementa en función de la velocidad de enfriamiento, debido a la formación de martensita.

De la curva de transformación isotérmica se concluye que la transformación bainítica se efectúa en aproximadamente 8 minutos.

De la curva de Dureza vs. Temperatura de Revenido se concluye que a mayor temperatura de revenido la dureza disminuye.

Se puede ver que en este acero AISI O1 con un temple en aceite con un tiempo de 30 segundos nos arroja las siguientes estructuras; Martensita y Cementita en gran cantidad.

Si se le hace una comparación de sus durezas se pude notar que con temple en aceite nos arroja una dureza de 43 (HRC) y comparada con le dureza del suministro que es 26(HRC), por tanto el temple en aceite en nuestro acero es muy buena porque se consigue una variación de dureza muy buena.

La probeta analizada en temple en sales a 400°C con una dureza de 47 HRC presenta en su microestructura: bainita y cementita

La probeta analizada en temple en agua y revenido a 370°C con una dureza de 48.33 HRC presenta en su microestructura: martensita revenida y austenita cementita

7. BIBLIOGRAFÍA

[1] J. FIERRO, P. CALERO, M. PÁSTOR, Sistemas de alimentación para piezas fundidas de Aluminio, Riobamba, Ecuador

[2] A. BIEDERMNN, LM, HASSKIEFF, Fundicion de metales no ferrosos, Hornos electricos y ensayos de los metales, Segunda Edicion, Editorial Jose Monteso, Argentina, 1955, PP. 106–113.