TRATAMIENTOS TÉRMICOS

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TRATAMIENTOS TRMICOS

I. Introduccin:

La construccin de maquinaria es uno de los eslabones ms importantes de la economa de cualquier pas, los metales y sus aleaciones son la base para la fabricacin de esas mquinas y equipos para las distintas ramas de la industria es imposible elevar la calidad, confiabilidad, y tiempo de servicio de una mquina sin dar a los metales propiedades especiales, lo cual se logra con los tratamientos trmicos.

Para aplicar el tratamiento trmico es preciso conocer las propiedades de los metales en sus diversos estados estructurales, o sea saber la relacin que existe entre las propiedades del metal y su estructura. El tratamiento trmico es parte integrante de la metalografa que es la ciencia que estudia las relaciones entre la composicin, estructura y sus aleaciones. El hierro puro presenta tres estados alotrpicos a medida que se incrementa la temperatura desde la ambiente:

Hasta los 911 C, el hierro ordinario, cristaliza en el sistema cbico centrado en el cuerpo (BCC) y recibe la denominacin de hierro o ferrita. Es un material dctil y maleable responsable de la buena forjabilidad de las aleaciones con bajo contenido en carbono y es ferromagntico hasta los 770 C (temperatura de Curie a la que pierde dicha cualidad). La ferrita puede disolver muy pequeas cantidades de carbono. Entre 911 y 1400 C cristaliza en el sistema cbico centrado en las caras (FCC) y recibe la denominacin de hierro o austenita. Dada su mayor compacidad la austenita se deforma con mayor facilidad y es paramagntica. Entre 1400 y 1538 C cristaliza de nuevo en el sistema cbico centrado en el cuerpo y recibe la denominacin de hierro que es en esencia el mismo hierro alfa pero con parmetro de red mayor por efecto de la temperatura.

II. DefinicinUn tratamiento trmico es un conjunto de operaciones de calentamiento y enfriamiento, bajo condiciones controladas de temperatura, tiempo de permanencia, velocidad, presin, etc., de losmetaleso las aleaciones en estado slido, con el fin de mejorar sus propiedades mecnicas, especialmente ladureza, laresistenciay la elasticidad. Los materiales a los que se aplica el tratamiento trmico son, bsicamente, elaceroy lafundicin, formados por hierro y carbono. Tambin se aplican tratamientos trmicos diversos a los cermicos.

III. Etapas del tratamiento trmico:Un tratamiento trmico consta de tres etapas que se presentan a continuacin: Calentamiento hasta la temperatura fijada: La elevacin de temperatura debe ser uniforme en la pieza.

Permanencia a la temperatura fijada: Su fin es la completa transformacin del constituyente estructural de partida. Puede considerarse suficiente una permanencia de unos 2 minutos por milmetro de espesor.

Enfriamiento: Este enfriamiento tiene que ser rigurosamente controlado en funcin del tipo de tratamiento que se realice.

IV. TIPOS DE TRATAMIENTOS TRMICOSExisten varios tipos de Tratamientos Trmicos, pero en sta prctica solo se trabajarn tres de estos: Recocido, Temple y Revenido. A continuacin se presentan las principales caractersticas de cada uno de estos tipos de Tratamientos Trmicos:

4.1. Recocido: Es un tratamiento trmico que normalmente consiste en calentar un material metlico a temperatura elevada durante largo tiempo, con objeto de bajar la densidad de dislocaciones y, de esta manera, impartir ductilidad.

El Recocido se realiza principalmente para: Alterar la estructura del material para obtener las propiedades mecnicas deseadas, ablandando el metal y mejorando su maquinabilidad. Recristalizar los metales trabajados en fro. Para aliviar los esfuerzos residuales.

Las operaciones de Recocido se ejecutan algunas veces con el nico propsito de aliviar los esfuerzos residuales en la pieza de trabajo causadas por los procesos de formado previo. Este tratamiento es conocido como Recocido para Alivio de Esfuerzos, el cual ayuda a reducir la distorsin y las variaciones dimensinales que pueden resultar de otra manera en las partes que fueron sometidas a esfuerzos.Se debe tener en cuenta que el Recocido no proporciona generalmente las caractersticas ms adecuadas para la utilizacin del acero. Por lo general, al material se le realiza un tratamiento posterior con el objetivo de obtener las caractersticas ptimas deseadas.

4.1.1. Tipos de Recocido: Recocido de eliminacin de tensiones: Por medio de la deformacin en fro se presentan tensiones en el material. Dichas tensiones pueden provocar deformaciones en las piezas, pero pueden eliminarse mediante un recocido calentando el metal entre 550 y 650C y manteniendo la temperatura durante 30-120 minutos. Despus se refrigera de forma lenta.

Recocido de ablandamiento: Los materiales templados o ricos en carbono (sobre 0,9%) son difciles de trabajar mediante arranque de viruta (torneado,fresado, etc.) o mediante deformacin en fro. Para ablandar el material puede hacerse un recocido. Se calienta la pieza entre 650 y 750C tras lo cual se mantiene la temperatura durante 3-4 horas antes de disminuir lentamente su temperatura. Es habitual mantener una subida y bajada alternativa de la temperatura en torno a los 723C.

Recocido Normal:

Mediante el recocido normal se afina el grano de la estructura y se compensan las irregularidades de las piezas producidas por deformaciones, ya sea en caliente o en fro, tales comodoblado,fundicin, soldadura, etc. El procedimiento consiste en calentar a temperaturas entre 850 y 980C, conforme al contenido de carbono del material, tras lo que se mantiene la temperatura para despus dejar enfriar lentamente al aire.

4.2. Temple:El Temple es un tratamiento trmico que tiene por objetivo aumentar la dureza y resistencia mecnica del material, transformando toda la masa en Austenita con el calentamiento y despus, por medio de un enfriamiento brusco (con aceites, agua o salmuera, gases), se convierte en Martensita, que es el constituyente duro tpico de los aceros templados.

En el temple, es muy importante la fase de enfriamiento y la velocidad alta del mismo, adems, la temperatura para el calentamiento ptimo debe ser siempre superior a la crtica para poder obtener de esta forma la Martensita.

4.2.1. Fases:

Fase de calentamiento:

Temperatura mxima a alcanzar es de 1139C, conviene distinguir los distintos tipos de acero de acuerdo a la cantidad de carbono que contienen desde los 0.89% de C La temperatura de los aceros con menos % de carbono debe ser mayor a los 910 C para obtener la austenita, para los aceros con ms del 0.89 % de carbono en suficiente rebasar los 723C en unos 50 o 60C

Fase de Permanencia:

Mantener las piezas a la temperatura dada en la fase de calentamiento para que lleguen a su fin los procesos de transformacin de fase y estructura en todas las zonas del metal, el tiempo de mantenimiento a la temperatura dada debe ser o 1/5 del tiempo de calentamiento.

Fase de enfriamiento:

De la velocidad de enfriamiento depende la estructura final de los aceros partiendo de la austenita se tiene:

Por enfriamiento lento: Ferrita Perlita Cementita Por enfriamiento rpido: Martensita

4.2.2. Tipos de temple:

Existen varios tipos de Temple, clasificados en funcin del resultado que se quiera obtener y en funcin de la propiedad que presentan casi todos los aceros, llamada Templabilidad (capacidad a la penetracin del temple), que a su vez depende, fundamentalmente, del dimetro o espesor de la pieza y de la calidad del acero.

Temple estructural o martenstico: Consiste en un calentamiento hasta la zona austentica seguido de in enfriamiento rpido para obtener martensita, que es una solucin solida sobresaturada en carbono de hierro alfa tetragonal sta en una fase que se origina en la transformacin sin difusin y casi inmediatamente.

Temple de precipitacin: se aplica principalmente a algunas aleaciones de AL, Mg y produce Cu, el endurecimiento se produce por la precipitacin de un compuesto qumico o solucin slida, mientras que en el temple anterior el endurecimiento era instantneo, en este se endurece en el enfriamiento en forma progresiva.

Temple Baintico: Componentes casi tan duros como la martensita pero mucho mas tenaces, enfran rpidamente si se mantienen a una temperatura estable hasta que entran en estado bainitico, el enfriamiento de estos aceros se ejecuta en baos de Pb (lquido se funde entre 300 y 400 C) el poder de enfriamiento es muy superior al del agua.

Hornos Los hornos para calentar piezas pequeas que se desea templar, son cajas metlicas que en su interior van recubiertas de material refractario para evitar prdidas de calor, estas cajas llevan incorporadas varias resistencias elctricas que producen el calentamiento de las piezas a la temperatura requerida y llevan incorporado un reloj programador para el control del tiempo de calentamiento y un pirmetro que facilita el conocimiento de la temperatura que hay en el interior del horno. Con elementos de gran tamao, como tubos, los hornos estn formados por cmaras; cada cmara tiene el largo del tubo y en cada cmara hay de una serie de quemadores que se encargan del calentamiento de cada cmara. Para poder monitorear la temperatura se usa el termopar y para controlar el horno se usa el PLC o computadoras.

Hornos de atmosfera controladaEn estos hornos se genera una atmsfera gaseosa con lo cual se logra una proteccin contra la oxidacin y la descarburizacin a temperaturas elevadas, las cuales se encuentran en el rango de 780 a 940C. A travs de un sensor que determina el contenido de carbono, se balancea la atmsdera con el porcentaje de carbono del acero obtenindose superficies limpias. Se emplean para los siguientes tratamientos: Recocido, normalizado, relevado de esfuerzos, temple y revenido, cementado etc. Sin embargo, slo son tiles para procesar lotes grandes de piezas (generalmente ms de 200 kg).

Hornos de baos de salesEstos hornos son muy verstiles ya que pueden utilizar diversos rangos de temperaturas, que van desde 140 a 1200C; adems, de tratar lotes pequeos o grandes. Su control es delicado, pues depende de un operador experimentado. Dimensionalmente soy muy estable, sin embargo, si se desea evitar cualquier tipo de corrosin en la superficie, no son recomendables, ya que en componentes con perforaciones y cavidades profundas o intricadas, las sales son difciles de remover. Se utilizan para realizar los siguientes tratamientos trmicos: recocido, normalizado, relevado de esfuerzos, cementado, carbonitrurado, temple y revenido, etc.

Hornos de vacoEstos hornos resuelven el problema de la oxidacin y la descarburizacin superficial de una forma muy eficiente. A travs de una profunda, se desaloja casi todo el aire que podra oxidar la superficie durante el tratamiento trmico. Una vez logrado el vaco entre las resistencias y la pieza, comienza el calentamiento por medio de la una lenta radiacin. Depes el temple se realiza con nitrgeno a una presin de hasta 6 bars. Las temperaturas mximas de estos hornos son de hasta 1260C emplendose para los siguientes tratamientos: recocido, normalizado, relevado de esfuerzos, temple y revenido, sinterizado, etc.

Hornos semicontinuosEstos hornos realizan procesos a tempera en el rango de 780 a 900C e forma semicontinua. Se tratan piezas pequeas a granel como flejes, tornillos, clavos, pijas, etc.Se utilizan para temple y revenido, carburizacin y carbonitruracin.

4.3. Revenido:

Busca hacer el acero ms tenaz El Revenido es un tratamiento complementario del Temple, que generalmente prosigue a ste. Despus del Temple, los aceros suelen quedar demasiados duros y frgiles para los usos a los cuales estn destinados. Lo anterior se puede corregir con el proceso de Revenido, que disminuye la dureza y la fragilidad excesiva, sin perder demasiada tenacidad. Por ejemplo, se han utilizado estos tratamientos trmicos para la fabricacin del acero de Damasco (Siglo X a.C.) y de las espadas de los samurais japoneses (Siglo XII d.C.). Es posible obtener una dispersin excepcionalmente fina de Fe3C (conocida como martensita revenida) si primero se templa la austerita para producir martensita, y despus se realiza el revenido. Durante el revenido, se forma una mezcla ntima de ferrita y cementita a partir de la martensita. El tratamiento de revenido controla las propiedades fsicas del acero.

Fig.: Efecto de la temperatura de revenido sobre las propiedades mecnicas de un acero SAE 1050

Este tratamiento trmico consiste en calentar el acero, (despus de haberle realizado un Temple o un Normalizado) a una temperatura inferior al punto crtico (o temperatura de recristalizacin), seguido de un enfriamiento controlado que puede ser rpido cuando se pretende resultados altos en tenacidad, o lentos, cuando se pretende reducir al mximo las tensiones trmicas que pueden generar deformaciones.

4.3.1. Etapas del revenido Con la ayuda del microscopio electrnico y de los rayos X, se ha podido estudiar con mayor detalle las transformaciones que se producen con la temperatura de revenido, y que dan lugar a diversas etapas que pueden solaparse entre s: 1 etapa: el calentamiento a temperaturas muy bajas 150-200 C produce un ligero oscurecimiento de la martensita debido a la disminucin del parmetro c de la red tetragonal, en una tendencia a pasar a cbica, por la movilidad del tomo de C dentro del mismo cristal, a una posicin de menor tensin. Se suele mencionar como la transformacin de martensita (tetragonal) a (cbica).

2 etapa: Comienza a partir de los 200 C aproximadamente; el microscopio electrnico ha mostrado que ocurre la precipitacin del carburo Epsilon, el cual tiene una estructura hexagonal compacta y una frmula aproximada a CFe2,4, que al precipitar deja una matriz de martensita de bajo % de C (alrededor de 0,25%). En aceros de alto % de C, una adecuada dispersin y suficiente cantidad de carburos precipitados, puede producir un endurecimiento por sobre el efecto de ablandamiento en la martensita.

3 etapa: Tiene lugar en aquellos aceros, especialmente aleados, en los que queda austenita retenida despus del temple, y cuando se supera el punto Ms en el revenido; entonces aquella comienza a transformar en bainita. Si la cantidad de austenita es elevada, se manifiesta una resistencia al ablandamiento, ya que la bainita es ms dura.

4 etapa: A medida que se incrementa la temperatura cerca de los 280 C, comienza a disolverse el carburo para comenzar a formarse el Fe3C, que contina creciendo a medida que se eleva la temperatura.

5 etapa: Retardo de ablandamiento y dureza secundaria a temperaturas mayores a 450 C. Los aceros con elementos aleantes producen una resistencia al ablandamiento como consecuencia de su influencia en la difusin del carbono.

4.3.2. Tipos de Revenido:

Baja temperatura o eliminacin de tensiones.

Finalidad: Reducir tensiones internas del material templado, sin reducir la dureza.

Procedimiento: Seleccionar el acero adecuado, seleccionar la temperatura de calentamiento, determinar la dureza inicial, calentar la pieza de 200C a 300C, mantener la temperatura constante (dependiendo del espesor de la pieza), sacar la pieza del horno y enfriarla, determinar la dureza final.

Alta temperatura o bonificacin

Finalidad:Aumentar la tenacidad de los aceros templados.

Procedimiento: Seleccionar el acero adecuado, seleccionar la temperatura de calentamiento, determinar la dureza inicial, calentar la pieza de 580C a 630C , mantener la temperatura constante, sacar la pieza del horno y enfriarla lentamente preferiblemente al aire, determinar la dureza final

Estabilizacin

Finalidad: Eliminar tensiones internas de los aceros templados para obtener estabilidad dimensional.

Procedimiento: Seleccionar el acero adecuado, determinar la dureza inicial, calentar la pieza a 150C, mantener la temperatura constante (t=k 6-8 h), sacar la pieza del horno y enfriarla lentamente preferentemente al aire, determinar la dureza final.

Revenido por calor interno. Interrumpir el enfriamiento del temple de modo que la pieza conserve en su ncleo el calor necesario, se aplica sobre todo en temple parcial de herramientas.

APLICACIN DEL METODO TRAVEL- CHARTING

La fabrica productora des procesos de tratamientos termicos dispone de un espacio de 54m*140 m para 7 estaciones de trabajo de en la disposicin se contempla un pasadizo 6m* 140m el rea para cada estacin es la siguiente.a) b) 24*30c) 24*20d) 24*30e) 24*60f) 24*60g) 24*60h) 12*10

TRATAMIENTOSecuencia Volumen de produccin Factor de carga

Temple ACDFG7970080

CementacinBCEF9370060

recocidoBDGFE555040

Todas las estaciones se conectan a un pasadizo de centro comn. La empresa se proyecta a fabricar diferentes tipos de aceros a base de tres tratamientos trmicos principales como son temple, cementacin y recocido. Que tienen la secuencia que se muestra en el cuadro lneas arriba as como el volumen de produccin y su factor de carga. Se pide calcular la distribucin de planta en bloque, ms eficiente aplicando el mtodo de travel charting. SOLUCION:NUMERO DE MOVIMIENTOS.

NUMERO DE DESPLAZAMINETOS.

ACDFG = 4

BCEF =3

BDGFE =4

ESPACIO MNIMO.El espacio mnimo que recorre es:

SUB TOTAL DE M.I.

N de movN despEspacio minsubtotal de M.I

996.2541559775

1561.6666731570275

138.754158325

138375

VISTA GENERAL DE LA DISTRIBUCION DE CADA DE TRABAJO EN METROS

603020mM30

24

B

A

C

D

6m

24

G

E

F

602060m