TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS AL CARBONO

Objetivo: que el alumno conozca los tratamientos térmicos más comunes que se les dan a los aceros al carbono; así como, la gran importancia que tienen estos tratamientos sobre las propiedades mecánicas finales de los aceros al carbono.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS SIMPLESComúnmente se aplican cuatro tratamientos térmicos a

los aceros al carbono.

Recocido en proceso –eliminación del trabajo en frío. La ferrita en aceros con menos de 0.25% de C se endurecen mediante deformación o trabajo en frío. El tratamiento térmico de recristalización utilizado para eliminar el efecto del trabajo en frío se denomina recocido en proceso. El recocido se efectúa entre 80 y 170 °C por debajo de la temperatura A1 (temperatura del eutectoide).

Recocido y normalizado. Es posible refinar el Fe3C controlando la velocidad de enfriamiento cuando la austenita se transforma en perlita. Si se realiza un enfriamiento muy lento desde la temperatura austenítica, la perlita es gruesa –este tratamiento se denomina recocido completo. Un enfriamiento rápido al aire produce perlita fina, y este tratamiento se denomina normalizado.

1. Los aceros hipoeutectoides son recocidos calentándolos 30 °C por encima de la temperatura A3 para producir austenita homogénea (austenitización). Después el acero es enfriado en un horno, por lo que se tienen bajas velocidades de enfriamiento. Puesto que se tiene mucho tiempo para la difusión, la ferrita primaria y la perlita son gruesas y el acero tiene baja resistencia mecánica y adecuada ductilidad.

2. Los aceros hipereutectoides son primero calentados 30 °C por encima de A1, sin calentar más allá de Acm ya que se formaría una capa continua de Fe3C en los bordes de grano de la austenita y causaría una fragilización. La austenitización justo por encima de A1 permite la formación de carburos redondeados de Fe3C. Después del austenitizado el acero se enfría en el horno para producir Fe3C discontinuo y perlita gruesa.

3. Los aceros se normalizan calentádolos hasta 55 °C por encima de A3 o de Acm, dependiendo de la composición del metal. Después del austenitizado el acero se saca de horno y se deja enfriar al aire. Tal enfriamiento proporciona mayores velocidades de enfriamiento y perlita más fina. El acero hipereutectoide puede ser normalizado por encima de Acm porque, debido a la mayor rapidez de enfriamiento, el Fe3C tiene menor oportunidad de formar una capa continua en los límites de grano de la austenita.

• Esferoidización –mejoramiento de la maquinabilidad. Los aceros de alto carbono, que contienen un gran contenido de Fe3C, tienen características de maquinabilidad deficientes. Durante el tratamiento se reqiere tiempos prolongados (12 a 15 h) a unos 30 °C arriba de A1, el Fe3C se aglomera en partículas esféricas para reducir el área de frontera. La microestructura, conocida como eesferoidita, tiene ahora una matriz de ferrita blanca y maquinable.

Tratamientos térmicos a temperatura constante

Para la realización de los tratamientos térmicos a temperatura constante, se utilizan los diagramas tiempo-temperatura-transformación (TTT). Estos diagramas, conocidos también como diagramas de transformación isotérmica (T-I) o bien curva C, permite predecir la estructura, las propiedades y el tratamiento térmico requerido en los aceros.

Ausrevenido isotérmico. El tratamiento isotérmico utilizado para producir bainita se conoce como ausrevenido, y simplemente consiste en la austenitización del acero, el templado a cierta temperatura por debajo del saliente de la curva C, y manteniendo la temperatura hasta que toda la austenita se transforme en bainita.

Recocido y normalizado isotérmico. Estos tratamientos normalmente se utilizan para controlar la finura de la perlita. Sin embargo, la perlita formada por un recocido isotérmico puede dar propiedades más uniformes, puesto que las velocidades de enfriamiento y la microestructura obtenidasdurante el recocido y normalizado común varían a través de la sección transversal del acero.

Ausrevenido

Martemplado

Tratamientos térmicos de templado y revenido

El tratamiento térmico de temple se realiza austenitizando inicialmente la pieza, y posteriormente, enfriando rápidamente la muestra a una temperatura inferior a Mi, evitando tocar la saliente de la curva C. Obteniendo una microestructura martensítica con austenita retenida.

El revenido. La martensita no es una estructura en equilibrio. Cuando la martensita en un acero se calienta a temperatura inferior a la eutectoide, se forma la fase estable α y Fe3C. Este proceso se denomina revenido.

A bajas temperaturas de revenido, la martensita puede formar dos fases de transición –una martensita de bajo carbono y un carburo fuera del equilibrio muy fino, o Fe24C. Obteniéndose un acero aún resistente, frágil y quizas más duro que antes del revenido. A temperaturas mayores se forman la fase estable α y Fe3C, y el acero se vuelve más suave y dúctil.

SELECCIONANDO LA TEMPERATURA ADECUADA, PUEDE OBTENERSE UNA GRAN VARIEDAD DE

PROPIEDADES.

Óptico Electrónico

• Rapidez de templado. Debido a que el enfriamiento de una pieza templada no es homogéneo, se pueden formar fases indeseables durante el templado. Por ejemplo, la perlita puede aparecer cuando el enfriamiento del acero pasa la saliente de la curva C, sobre todo cuando el tiempo requerido para no tocar la saliente es menor a 1 s en los aceros de bajo carbono.

• Esfuerzos residuales y agrietamiento. Esfuerzos residuales también se producen debido al cambio volumétrico. La superficie dura es puesta en tensión mientras que la parte central es comprimida. Si los esfuerzos residuales son suficientemente altos, se forman grietas de templado sobre la superficie. Sin embargo, si se enfrría primero justo por encima de Mi y se sostiene hasta que la temperatura sea igual en toda la pieza de acero, entonces el templado posterior permite que todo el acero se transforme a martensita aproximadamente al mismo tiempo. Este tratamiento térmico se llama martemplado o marrevenido.

EFECTO DE LOS ELEMENTOS DE ALEACIÓN EN LOS DIAGRAMAS TTT

Los elementos de aleación se agregan a los aceros para:

a) Proporcionar un endurecimiento por solución sólida de la ferrita.

b) Causar la precipitación de carburos de aleación en lugar de Fe3C.

c) Mejorar la resistencia a la corrosión y otras características especiales de los aceros.

d) Mejorara la templabilidad.

Templabilidad. Todos los elementos de aleación en los aceros desplazan las curvas TTT hacia la derecha a periodos o tiempos más largos, lo que permite obtener totalmente martensita aún en secciones gruesas con bajas velocidades de enfriamiento.

La templabilidad de un acero, se refiere a la capacidad o facilidad con que se forma la martensita.

Los aceros de bajo carbono tienen muy baja templabilidad; sólo muy altas velocidades de enfriamiento permiten que toda la austenita se transforme en martensita.

Los aceros aleados tienen una alta templabilidad, aún el enfriamiento al aire produce martensita.

Tratamientos superficialesLos aceros bajo carbono tienen baja resistencia y baja dureza pero buena ductilidad y tenacidad, mientras que los aceros de alto carbono presentan el comportamiento opuesto. Mediante tratamiento térmico apropiado es posible producir una estructura que sea dura y fuerte en la superficie, de manera que tenga excelente resistencia al desgaste y a la fatiga, pero al mismo tiempo un centro blando, dúctil y tenaz que proporciona adecuada resistencia a la falla por impacto.

Calentamiento selectivo de la superficie. Se calienta la superficie hasta una temperatura superior a A3. Después el acero se templa, y la superficie se endurece debido a la formación de martesnsita. Mientras que en el centro se obtiene ferrita y perlita. El revenido produce la dureza deseada en la superficie. El calentamiento localizado se puede generar usando una llama de gas, una bobina de inducción, un haz láser o un haz electrónico.

Carburizado y nitrurado. Este proceso consiste en hacer difundir carbono o nitrógeno a través de la superficie de un acero con un bajo contenido de carbono, calentando a una temperatura superior a A3 y rodeando al acero con una atmósfera rica en uno de estos dos elementos, o bien, una mezcla de ambos.