SEMANA 02:

CURSO:

PROCESOS DE MANUFACTURA

ING. INDUSTRIAL

Facilitador:

DENIS J. ARANGURI CAYETANO

• ¿Qué es un tratamiento térmico?

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• ¿Cómo puede endurecerse un metal?

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• ¿Cómo influye el tiempo en proceso térmico para mejoramiento de

las propiedades de un metal?

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TRATAMIENTOS TÉRMICOS

Es el proceso al que se someten los metales u otros sólidos con el

fin de mejorar sus propiedades mecánicas, especialmente la dureza,

la resistencia y la tenacidad.

• Los tratamientos térmicos

modifican la estructura

cristalina sin alterar la

composición química,

dando a los materiales

unas características

mecánicas concretas,

mediante un proceso de

calentamientos y

enfriamientos sucesivos

hasta conseguir la

estructura cristalina

deseada.

APLICACIONES

• Los materiales a los que se aplica el tratamiento térmico son

básicamente, el acero y la fundición, formados por hierro y

carbono.

• También se aplican tratamientos térmicos diversos a los sólidos

cerámicos.

CARACTERÍSTICAS DE LA

ALEACIÓN Fe-C

DIAGRAMA DE FASE HIERRO - CARBONO

El hierro puro presenta tres estados alotrópicos a medida que se

incrementa la temperatura desde la temperatura ambiente:

Hasta los 911 °C, el hierro ordinario, cristaliza en el sistema cúbico centrado en el

cuerpo (BCC) y recibe la denominación de hierro α o ferrita. Es un material dúctil y

maleable responsable de la buena forjabilidad de las aleaciones con bajo contenido

en carbono y es ferromagnético hasta los 768 °C (temperatura de Curie a la que

pierde dicha cualidad). La ferrita puede disolver muy pequeñas cantidades de

carbono.

Entre 911 y 1400 °C cristaliza en el sistema cúbico centrado en las caras (FCC) y

recibe la denominación de hierro γ o austenita. Dada su mayor compacidad la

austenita se deforma con mayor facilidad y es paramagnética.

• Entre 1400 y 1538 ºC cristaliza de nuevo en el sistema cúbico centrado en el cuerpo

y recibe la denominación de hierro δ que es en esencia el mismo hierro alfa pero

con parámetro de red mayor por efecto de la temperatura.

• A mayor temperatura el hierro se encuentra en estado líquido.

• Si se añade carbono al hierro, sus átomos podrían situarse simplemente en los

intersticios de la red cristalina de éste último; sin embargo en los aceros aparece

combinado formando carburo de hierro (Fe3C), es decir, un compuesto químico

definido y que recibe la denominación de cementita de modo que los aceros al

carbono están constituidos realmente por ferrita y cementita.

El diagrama de fases fe-c muestra dos composiciones singulares:

• Un eutectoide (composición para la cual el punto de fusión es mínimo) que se

denomina ledeburita y que contiene un 4,3 % de carbono (64,5 % de cementita). La

ledeburita aparece entre los constituyentes de la aleación cuando el contenido en

carbono supera el 2 % (región del diagrama no mostrada) y es la responsable de la

mala forjabilidad de la aleación marcando la frontera entre los aceros con menos del

2 % de C (forjables) y las fundiciones con porcentajes de carbono superiores (no

forjables y fabricadas por moldeo).

• De este modo se observa que por encima de la temperatura crítica A3 los aceros

están constituidos sólo por austenita, una solución sólida de carbono en hierro γ y su

microestructura en condiciones de enfriamiento lento dependerá por tanto de las

transformaciones que sufra ésta.

DIAGRAMA DE FASE HIERRO - CARBONO

El diagrama de fases fe-c muestra dos composiciones singulares:

• Un eutectoide en la zona de los aceros, equivalente al eutéctico

pero en estado sólido, donde la temperatura de transformación de la

austenita es mínima. El eutectoide contiene un 0,77 %C (13,5 % de

cementita) y se denomina perlita. Está constituido por capas

alternas de ferrita y cementita, siendo sus propiedades mecánicas

intermedias entre las de la ferrita y la cementita. Tiene una

resistencia de 80 Kg/mm². Un alargamiento de 15%.

La existencia del eutectoide permite distinguir dos tipos de

aleaciones de acero:

• Aceros hipoeutectoides (< 0,77 % C). Al enfriarse por debajo de la

temperatura crítica A3 comienza a precipitar la ferrita entre los granos (cristales)

de austenita y al alcanzar la temperatura crítica A1 la austenita restante se

transforma en perlita. Se obtiene por tanto a temperatura ambiente una

estructura de cristales de perlita embebidos en una matriz de ferrita.

• Aceros hipereutectoides (>0,77 % C). Al enfriarse por encima de la

temperatura crítica se precipita el carburo de hierro resultando a temperatura

ambiente cristales de perlita embebidos en una matriz de cementita.

Austenita (hierro-ɣ. duro)

Ferrita(hierro-α. blando)

Cementita (carburo de hierro.

Fe3C)

Perlita (88 % ferrita, 12 %

cementita)

Ledeburita (ferrita - cementita

eutectica, 4,3 % carbón)

FORMACIÓN DE LA MARTENSITA

• Es el constituyente típico de los aceros templados y se obtiene de forma casi

instantánea al enfriar rápidamente la austenita. Es una solución sobresaturada de

carbono en hierro alfa con tendencia, cuanto mayor es el carbono, a la sustitución de

la estructura cúbica centrada en el cuerpo por tetragonal centrada en el cuerpo. Tras

la cementita (y los carburos de otros metales) es el constituyente más duro de los

aceros.

• Es magnética y se aumenta su dureza, resistencia y fragilidad con el contenido en

carbono [hasta un máximo de 0,09% aprox.]

• Su resistencia es de 170 a 250 Kg/mm².

• Su dureza es de 50 a 68 HRc (Rockwell – C).

• Su alargamiento es de 2,5 a 95%.

ELEMENTOS ALEANTES DEL ACERO Y MEJORAS OBTENIDAS

CON LA ALEACIÓN

• Aluminio: se usa en algunos aceros de nitruración al Cr-Al-Mo de alta dureza en

concentraciones cercanas al 1 % y en porcentajes inferiores al 0,008 % como

desoxidante en aceros de alta aleación.

• Boro: en muy pequeñas cantidades (del 0,001 al 0,006 %) aumenta la templabilidad

sin reducir la maquinabilidad, pues se combina con el carbono para formar carburos

proporcionando un revestimiento duro. Es usado en aceros de baja aleación en

aplicaciones como cuchillas de arado y alambres de alta ductilidad y dureza

superficial.

• Cromo: Forma carburos muy duros y comunica al acero mayor dureza, resistencia y

tenacidad a cualquier temperatura. Solo o aleado con otros elementos, mejora la

resistencia a la corrosión. Aumenta la profundidad de penetración del endurecimiento

por tratamiento termoquímico. Se usa en aceros inoxidables, aceros para

herramientas y refractarios. También se utiliza en revestimientos embellecedores o

recubrimientos duros de gran resistencia al desgaste, como émbolos, ejes, etc.

ELEMENTOS ALEANTES DEL ACERO Y MEJORAS OBTENIDAS

CON LA ALEACIÓN

• Molibdeno: elemento habitual del acero y aumenta mucho la profundidad de

endurecimiento de acero, así como su tenacidad. Los aceros inoxidables austeníticos

contienen molibdeno para mejorar la resistencia a la corrosión.

• Nitrógeno: se agrega a algunos aceros para promover la formación de austenita.

• Níquel: permite una estructura austenítica a temperatura ambiente, que aumenta la

tenacidad y resistencia al impacto. El níquel se utiliza mucho para producir acero

inoxidable, porque aumenta la resistencia a la corrosión.

• Cobalto: muy endurecedor. Disminuye la templabilidad. Mejora la resistencia y la

dureza en caliente. Aumenta las propiedades magnéticas de los aceros. Se usa en

los aceros rápidos para herramientas y en aceros refractarios.

• Plomo: no se combina con el acero, se encuentra en él en forma de pequeñísimos

glóbulos, como si estuviese emulsionado, lo que favorece la fácil mecanización por

arranque de viruta, (torneado, cepillado, taladrado, etc.) ya que el plomo es un buen

lubricante de corte.

ELEMENTOS ALEANTES DEL ACERO Y MEJORAS OBTENIDAS

CON LA ALEACIÓN

• Silicio: aumenta moderadamente la templabilidad. Se usa como elemento

desoxidante. Aumenta la resistencia de los aceros bajos en carbono.

• Titanio: se usa para estabilizar y desoxidar el acero, mantiene estables las

propiedades del acero a alta temperatura. Se utiliza su gran afinidad con el Carbono

para evitar la formación de carburo de hierro al soldar acero.

• Wolframio: también conocido como tungsteno. Forma con el hierro carburos muy

complejos estables y durísimos, soportando bien altas temperaturas. En porcentajes

del 14 al 18 %, proporciona aceros rápidos con los que es posible triplicar la

velocidad de corte de los aceros al carbono para herramientas.

• Vanadio: posee una enérgica acción desoxidante y forma carburos complejos con el

hierro, que proporcionan al acero una buena resistencia a la fatiga, tracción y poder

cortante en los aceros para herramientas.

PROCESO DE TRATAMIENTO TÉRMICO

Permite aumentar significativamente las propiedades

mecánicas de dureza, tenacidad y resistencia mecánica del

acero. Los tratamientos térmicos cambian la microestructura

del material, con lo que las propiedades macroscópicas del

acero también son alteradas.

Los tratamientos térmicos que pueden aplicarse al acero sin

cambiar en su composición química son:

• Temple

• Revenido

• Recocido

• Normalizado

• Entre los factores que afectan a los procesos de tratamiento térmico del acero se

encuentran la temperatura y el tiempo durante el que se expone a dichas

condiciones al material. Otro factor determinante es la forma en la que el acero

vuelve a la temperatura ambiente. El enfriamiento del proceso puede incluir su

inmersión en aceite o el uso del aire como refrigerante.

•

• El método del tratamiento térmico, incluyendo su enfriamiento, influye en

que el acero tome sus propiedades comerciales.

• Según ese método, en algunos sistemas de clasificación, se le asigna un

prefijo indicativo del tipo. Por ejemplo, el acero O-1, o A2, A6 (o S7) donde

la letra "O" es indicativo del uso de aceite (del inglés: oil quenched), y "A"

es la inicial de aire; el prefijo "S" es indicativo que el acero ha sido tratado y

considerado resistente al golpeo (Shock resistant).

CURVA TIEMPO-TEMPERATURA-TRANSFORMACIÓN

• La curva TTT muestra cómo la velocidad de enfriamiento afecta la transformación de

austenita [γ] en varias fases posibles.

• Las fases se pueden dividir en:

1. A velocidades lentas de enfriamiento se transforma en Ferrita [α] y Cementita

[Fe3C] o perlita [α +Fe3C].

2. A velocidades rápidas de enfriamiento se transforma en Martensita [α+γ].

• La curva se interpreta partiendo del tiempo cero en la región austenita (en un lugar

arriba de la línea de temperatura A1) y continúa hacia abajo y a la derecha a lo largo

de una trayectoria que muestra cómo se enfría el metal en función del tiempo.

CURVA TIEMPO-TEMPERATURA-TRANSFORMACIÓN

Curva TTT mostrando la

transformación de

austenita en otras fases

como función del tiempo

y la temperatura para

una composición de

cerca de 0.80% de

carbono en el acero. La

trayectoria de

enfriamiento mostrada

aquí produce martensita

• A velocidades lentas de enfriamiento la trayectoria pasa a través de la región,

indicando una transformación a perlita.

• La perlita es una mezcla de fases ferrita y carburo en la forma de placas delgadas

paralelas (cementita). Se obtiene por enfriamiento lento de la austenita.

• Si el enfriamiento ocurre a una velocidad suficientemente rápida (indicada por la

línea punteada), la austenita se transforma en martensita.

• La martensita es una fase única que consiste en una solución hierro-carbono cuya

composición es igual a la de la austenita de la cual deriva.

• La estructura tetragonal centrada en el cuerpo (BCT) de la martensita está en

función del tiempo y es necesario para separar la ferrita y el carburo de hierro

(austenita).

La dureza extrema de la martensita

resulta de la deformación reticular

creada por los átomos de carbono

atrapados en la estructura BCT, que

forman una barrera al deslizamiento.

En la figura muestra el efecto

significativo que tiene la martensita

sobre la transformación de la dureza

del acero, al aumentar el contenido

de carbono.

AUSTENITIZACIÓN

• La austenitización implica calentamiento del acero a una temperatura lo

suficiente alta para convertirlo parcialmente en austenita (aprox. entre los

727 y 1500ºC).

• Esta temperatura puede determinarse por medio del diagrama de fase para

la composición particular de la aleación.

• La transformación a austenita implica un cambio de fase que requiere

tiempo y calentamiento; en consecuencia, se debe mantener el acero a

temperatura elevada por un periodo suficiente de tiempo para permitir

que se forme la nueva fase y alcance la homogeneidad de composición

requerida [α+γ].

TEMPLE

• Después que se ha producido la austenitización comienza el temple del

acero.

• La velocidad de enfriamiento depende del medio de temple y la velocidad

de transmisión de calor dentro de la pieza de acero.

• Se usan varios medios de temple en las operaciones comerciales de

tratamiento térmico que incluyen:

1) Salmuera (agua salada) generalmente agitada.

2) Agua fresca en reposo.

3) Aceite en reposo

4) Aire.

TEMPLE

• El temple en salmuera agitada suministra el enfriamiento más rápido de las

superficies calentadas de la parte, mientras que el temple al aire es el más

lento.

• El problema es que mientras más efectivo sea el medio de temple en el

enfriamiento, es más probable que cause esfuerzos internos, distorsión y

grietas en el producto.

• La velocidad de transferencia de calor en el interior de la pieza depende en

gran medida de su masa y geometría. Una forma cúbica grande se enfriará

mucho más despacio que una lámina delgada pequeña.

REVENIDO

• La martensita es dura y frágil. El revenido es un tratamiento térmico que se

aplica a los aceros endurecidos para reducir su fragilidad, incrementar su

ductibilidad y tenacidad y aliviar los esfuerzos en la estructura de la

martensita.

• El tratamiento implica calentamiento y mantenimiento de ésta a una

temperatura, seguido de un enfriamiento lento.

• El resultado es la precipitación de partículas muy finas de carburo de la

solución martensítica hierro-carbono y la transformación gradual de la

estructura cristalina de BCT (estructura tetragonal centrada en el cuerpo) a

BCC. Esta nueva estructura se llama martensita revenida.

• Los tres pasos del tratamiento térmico del acero para formar martensita

revenida. El primer paso de calentamiento para producir la martensita, el

segundo paso de enfriamiento para producir el templado y el ultimo paso de

calentamiento para el revenido.

Austenitización

Templado

Revenido

RECOCIDO

• El recocido es el tratamiento térmico que, en general, tiene como finalidad

principal el ablandar el acero, regenerar la estructura de aceros

sobrecalentados o simplemente eliminar las tensiones internas que siguen

a un trabajo en frío. (Enfriamiento en el horno).

RECOCIDO DE REGENERACIÓN

• Tiene como función regenerar la estructura del material producido por

temple o forja. Se aplica generalmente a los aceros con más del 6,67% de

Carbono (cementita), mientras que a los aceros con menor porcentaje de

Carbono sólo se les aplica para finar y ordenar su estructura.

• Ejemplo:

• Después de un laminado en frío, donde el grano queda alargado y

sometido a tensiones, dicho tratamiento devuelve la micro estructura a su

estado inicial.

RECOCIDO DE GLOBULIZACIÓN

• Usado en aceros hipereutectoides para ablandarlos después de un

anterior trabajo en frío.

• Por lo general se desea obtener globulización en piezas como placas

delgadas que deben tener alta embutición y baja dureza.

• Los valores de la microestructura globulizada se obtiene en un rango entre

los 650-750°C. Temperaturas que comienzan a producir la formación de

austenita que durante el enfriamiento genera perlita, ocasionando un

aumento en la dureza no deseado.

Tratamiento Térmico. Prof. Ing. Luis Suárez

RECOCIDO DE SUBCRÍTICO

• Para un acero al carbono hipoeutectoide la micro estructura obtenida en

este tratamiento varía según la temperatura de recocido. Por lo general las

que no excedan los 600°C liberarán tensiones en el material y

ocasionaran algún crecimiento de grano.

• Mediante este procedimiento se destruyen las tensiones internas

producidas por su moldeo y mecanización.

• Comúnmente es usado para aceros aleados de gran resistencia, al Cr-Ni,

Cr-Mo, etc.

• Este procedimiento es mucho más rápido y sencillo que los antes

mencionados, su enfriamiento es lento.

NORMALIZADO

• Consiste en calentar el material ligeramente (50°C) por encima de

la temperatura crítica hasta que todo se haya convertido en

austenita.

• Posteriormente se deja enfriar al aire. Se diferencia de los demás

en que la velocidad de enfriamiento es intermedia.

• Se le da a los materiales que han sufrido un tratamiento mecánico

defectuoso, para normalizar su estructura.

• Se emplea para aceros de baja aleación (<50%).

TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS

Son tratamientos térmicos en los que, además de los cambios

en la estructura del acero, también se producen cambios en la

composición química de la capa superficial, añadiendo

diferentes productos químicos hasta una profundidad

determinada. Estos tratamientos requieren el uso de

calentamiento y enfriamiento controlados en atmósferas

especiales.

TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS

• Entre los objetivos más comunes de estos tratamientos están

aumentar la dureza superficial de las piezas dejando el núcleo más

blando y tenaz, disminuir el rozamiento aumentando el poder

lubrificante, aumentar la resistencia al desgaste, aumentar la

resistencia a fatiga o aumentar la resistencia a la corrosión.

TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS

• Cementación (C): aumenta la dureza superficial de una pieza de acero dulce,

aumentando la concentración de carbono en la superficie.

• Nitruración (N): al igual que la cementación, aumenta la dureza superficial, aunque

lo hace en mayor medida, incorporando nitrógeno en la composición de la superficie

de la pieza.

• Cianuración (C+N): endurecimiento superficial de pequeñas piezas de acero.

• Carbonitruración (C+N): al igual que la cianuración, introduce carbono y nitrógeno

en una capa superficial, pero con hidrocarburos

• Sulfinización (S+N+C): aumenta la resistencia al desgaste por acción del azufre.

¿Qué aprendimos en la clase de hoy?

¿Para que servirá lo aprendido en la

carrera de Ingeniería Industrial?

GRACIAS

POR SU ATENCIÓN

Consultas:

denis.aranguri@upn.edu.pe