TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS

Proceso mediante el cual se pueden obtener las propiedades deseadas en una pieza con ayuda de la temperatura y de un enfriamiento adecuado de las piezas tratadas.

Las propiedades dependen a la vez de la microestructura y del tipo de material

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Clasificación de los tratamientos térmicos

a) Convencionales o tratamientos con enfriamiento continuo o con enfriamiento isotérmico sin cambios en la composición química de la pieza

b) Termoquímicos o tratamientos térmicos superficiales (cambian las propiedades fisicoquímicas de las piezas tratadas.

Otro tipo de tratamiento, el cual busca la precipitación de partículas duras en el acero es conocido como envejecimiento.

Conceptos importantes a cerca de los tratamientos térmicos

Fases, Microestructuras, Transformaciones de fase,

Termodinámica de las transformaciones de fase, Cinética,

Variables de control, Medios de enfriamiento, Poder templante,

Severidad de temple, Templabilidad, Temperatura de austenización,

Velocidad de enfriamiento

Cementita que se forma antes de la cementita eutectoideCementita proeutectoide

Ferrita que se forma antes de la reacción eutectoideFerrita proeutectoide

Aleaciones de composición a la derecha de la reacción eutectoide.Aceros hiperutectoides

Aleaciones de composición a la izquierda de la reacción eutectoideAceros hipoeutectoides

Solución Sólida intersticial de carbono en estructura cristalina tetragonal centrada en el cuerpo (TCC) del hierro.

Martensita

Partículas esféricas de cementita en una matriz de ferrita Esferoidita

Eutectoide de ferrita y cementita. La ferrita puede tener apariencia plumosa o de placas. Las partículas de carburo están entre regiones de ferrita .

Bainita B

Eutectoide de ferrita y cementita con microestructura laminar de placas alternas de Fe- y cementita

Perlita P

Solución sólida intersticial de carbono en hierro (BCC)Ferrita

Solución sólida intersticial de carbono en hierro (CFC)Autenita

Solución sólida intersticial de carbono en hierro (BCC)Ferrita

DescripciónNombre de la microestructura

CURVAS TTT PARA TRATAMIENTOS ISOTÉRMICOS Y DE ENFRIAMIENTO CONTINUO

CURVAS TTT PARA TRANSFORMACIÓN ISOTÉRMICA

Diagrama TTT para un acero aleado con 0.9% Cr

Diagrama TTT para un acero NO aleado

CURVAS TTT PARA ENFRIAMIENTO CONTINUO

TEMPLABILIDAD DE LOS ACEROSPropiedad que determina la profundidad y

distribución de la dureza producida por temple, o sea, la facilidad para formar martensita a una mayor profundidad, dificultando la aparición de otros productos de transformación.

La templabilidad en un acero depende de: - La composición química del acero- Del tamaño del grano austenítico- De la estructura del acero antes del templeMétodos para determinar la templabilidad

1. Método Grossmann o del Diámetro Crítico ideal2. Método Jominy

DIÁMETRO CRÍTICOS REAL (DC) E IDEAL (DI)

Diámetro crítico ideal (Di): Es el diámetro de una barra enfriada en un medio de temple infinito para la cual se forma 50% de martensita en el centro.

Diámetro crítico real (Dc): Es el diámetro de una barra enfriada en un medio de temple cualquiera para la cual se forma 50% de martensita en el centro.

Método Grossmann o del Diámetro Crítico ideal

- El método usa barras templadas de acero con diámetros entre 0,5 y 2,5 plg, en un medio de temple conocido

-Se cortan transversalmente las muestras y se examinan metalográficamente

- La barra que contiene 50% de martensita en el centro define el diámetro crítico real, Dc

Método JominyTemplar una probeta estandarizada de 1" de diámetro y 4" de largo desde temperatura de austenitización.

Enfríar por su base inferior. La cual actúa como superficie templanteque enfría la probeta longitudinalmente hacia su extremo superior por conducción,

Obteniéndose así una variedad de velocidades de enfriamiento desde la máxima en el extremo templado, a la mínima en el opuesto.

Factores que afectan la templabilidad de los aceros:

El tamaño de grano de la austenitaGrano muy fino tiene mucha área de límite de grano que facilita la nucleación de ferrita y perlita, disminuyendo la templabilidad del acero. Grano grande no es deseable por que reduce la ductilidad final del acero y aumenta la tendencia al agrietamiento en el temple, así pues, no es buena práctica hacer crecer el grano austenítico.

El contenido de carbonoUn incremento del contenido de C en un acero aumenta fuertemente su dureza y su templabilidad. Sin embargo, un alto % de C no siempre es deseable. Una alternativa para aumentar la dureza de un acero de bajo C es añadir elementos de aleación.

a)

b)

Elementos de aleaciónLa templabilidad aumenta con la adición de elementos de aleación al acero, excepto con el Co.

DI depende del % de C, del tamaño de grano de la austenita y del% de elementos de aleación, es decir:

FC: Factor debido al %C y Tamaño de grano ASTM (Gráfica a anterior)

Símbolo que indica multiplicación (F1 x F x... x Fn)

Con Fi = factores que depende del % del elemento de aleación

i = 1, ..., n son los diferentes elementos de aleación

i

n

1CI F.FD

i

n

1F

Ejemplo:Encuentre el diámetro crítico real para los aceros:

1040 (0,4% C y 0,6% Mn)4140 (0,4% C, 1,04% Mn, 0,3% Si, 1,13% Cr, 0,15% Mo)

Ambos con tamaño de grano ASTM 8

De la figura anterior a): Dc (1040) = 0,2 plg y Dc (4140) = 0,2 plg, con 0.2% de C y tamaño de grano 8

De la Figura anterior b) se obtienen los factores de multiplicación de los distintos elementos.

Reemplazando tenemos que:

Para acero 1040: DI = 0,2(plg) * 1.9 = 0,38 (plg), conclusión es un acero poco templable.

Para acero 4140: DI = 0,2(plg) * 2.8 * 1.1 * 2.36 * 1.2 = 1.7(plg)Conclusión: El acero AISI SAE 4140 es más templable.

1,22.361.12.8Para Acero

4140

------1.9Para Acero

1040

FMoFCrFSiFMnFactor/Acero

AISI SAE 1040 (0,4% C y 0,6% Mn)AISI SAE 4140 (0,4% C, 1,04% Mn, 0,3% Si, 1,13% Cr, 0,15% Mo)

GENERALIDADES Y CLASIFICACION DE LOS TRATAMIENTOS TERMICOS

Procedimientos que permiten mejorar o alcanzar propiedades y características en los materiales a partir de la consecución de la microestructura deseada. Consisten en calentar y mantener piezas o herramientas a temperaturas adecuadas, durante un cierto tiempo y enfriarlas luego en condiciones convenientes.

De esta forma se modifica la microestructura de los aceros por medio de transformaciones de fase de estado sólido.

Dependiendo del tipo de tratamiento, las piezas pueden o no variar su composición química. El tiempo y la temperatura son los factores más importantes y hay que fijarlos siempre de antemano, de acuerdo con: la composicióndel acero, forma, tamaño de las piezas y propiedades a obtener.

En dependencia del efecto producido sobre las piezas, los tratamientos térmicos se pueden dividir en totales o superficiales.

Los primeros afectan las propiedades de toda la pieza tratada y se dividen en tratamientos térmicos continuos e isotérmicos (denominados también totales).

Los segundos sólo afectan las propiedades de la superficie y son conocidos como tratamientos termoquímicos.

Dos variables importantes a tener en cuenta en algunos tratamientos térmicos:Calentamiento hasta la temperatura de austenización y Tiempo de sostenimiento a esa temperatura.

GENERALIDADES SOBRE TRATAMIENTOS TÉRMICOSTemperatura de austenización

Rango de temperatura hasta la cual se debe calentar el acero, se escoge para que dé la máxima dureza y al mismo tiempo mantenga una estructura también de grano fino;

En general, la temperatura de austenización para los aceros hipoeutectoides es A3 + 50°C;

Tiempo de sostenimientoInicia una vez el acero alcance el estado austenítico.

Este tiempo depende del grado de disolución de los carburos que se desee.

Aceros ordinarios al carbono y los estructurales sólo requieren unos minutos de sostenimiento. 20 min es suficiente en secciones pequeñas.

En secciones grandes el tiempo se calcula con:

t(min) = 20 +D/2 (mm). espesores menores de 25 mmt (horas) = 1/2 + D/120 (mm) espesores mayores de 25 mm

Aceros estructurales de media aleación: 25 min, no importa la dimensión.

Aceros de herramientas de baja aleación. Se sugiere un tiempo de0,5 min por cada mm de espesor; sin embargo, el máximo debe ser 1h y el mínimo 5 min.

Tipos de tratamientos térmicos

Tratamientos contínuosSon básicamente cuatro tipos recocido, normalizado, temple y revenido.

Inician con la etapa de calentamiento hasta que la pieza a tratar alcance la temperatura a partir de la cual se hará el enfriamiento, seguido por un tiempo de sostenimiento a esa temperatura y enfriamiento adecuado.

a) Recocido. Su objetivo principal es ablandar el acero, eliminar tensiones orecristalizar el material. Consiste en calentar adecuadamente la pieza y luego enfriarla de una forma tan lenta que semeje enfriamientos en condiciones de equilibrio.

Tipos de recocido.Recocido de ablandamientoUtilizado para reducir los niveles de dureza de un material dado a un valor específico. Para ello se calienta a una temperatura un poco inferior a A1 o Ac1 (a veces también superior a ac1), y luego se enfría lentamente dentro del horno, con la finalidad de producir un estado lo más blando posible (para propósitos de maquinado). En aceros de alto carbono las temperaturas de recocido aumentan un poco más de Ac1, siendo que para los aceros que se muestran a continuación, la temperatura de recocido recomendada es:0,9 % de C 730 º C1,1 % de C 740 º C1,2 % de C 750 º C El enfriamiento debe ser en el horno a 15º c por hora hasta 650ºC y luego en aire.En el caso de aceros no aleados, la temperatura debe ser de 700°C.

Recocido de alivio de tensiones � estabilizado

Sirve para aliviar tensiones internas sin producir variaciones esenciales en las propiedades mecánicas existentes y para eliminar las tensiones producidas por el mecanizado severo en piezas sensibles a la distorsión

Calentar por debajo de A1 o Ac1Después de ser construida debe calentarse la herramienta en toda su masa a 650ºC � 700°C por dos horas y sostener.

El enfriamiento se hace lentamente hasta 500ºC y después al aire libre.

Recocido de recristalización. O recocido contra acritud, su finalidad es recuperar los granos deformados obtenidos en pieza deformadas en frío o caliente. La temperatura de inicio es arriba de Ac1 o AC3, por ello a veces es confundido con un normalizado, sólo que aquí el enfriamiento se hace dentro del horno.

b) NormalizadoConsiste en calentar ligeramente arriba de A3 o Ac3, para partir de austenita y luego enfriar al aire tranquilo.Es un tratamiento típico en aceros al carbono de construcción de0,15 %c a 0,40 % de C y rara vez se emplea en aceros de herramientas, ni en aceros aleados de construcción. De esta forma se deja el acero con una estructura y propiedades que arbitrariamente se considera como normales y característicasde su composición.

Se suele utilizar para piezas que han sufrido trabajos en caliente, trabajos en frió, enfriamientos irregulares o sobrecalentamientos y también sirve para destruir los efectos de un tratamiento anterior. La velocidad de enfriamiento importante en la normalización corresponde al punto en el que la austenita se está transformando en perlita. Por tanto, casi siempre se sitúan las velocidades deenfriamiento en 700°C o entre el intervalo de 700 a 500°C. Una vez que se ha completado la transformación, las piezas se templan enagua o en aceite.

c) TempleSegún la ASTM, es el enfriamiento rápido del acero desde una temperatura elevada, en agua, aceite, sal, aire comprimido, o algunos aceros se templan al aire libre. Con el temple se martensita.

La martensita es susceptible de ser modificada por el revenido subsiguiente.

La transformación martensítica es adifusional y tiene la misma composición de la fase madre (austenita).

Debido a que la transformación es adifusional, los átomos de carbono pueden salir de sus posiciones intersticiales en la red de Fe como lo hacen durante la formación de la perlita o la bainita. Los átomos de carbono atrapados y sus campos de deformación asociados, son obstáculos al movimiento de las dislocaciones; así que, la martensita es la fase más resistente de las que se presentan en los aceros.

d) Revenido de aceros templadosLa martensítica obtenida por temple es muy dura y frágil.

Mediante el revenido es posible aumentar significativamente su resistencia al impacto, aun cuando se disminuye la dureza. El revenido consiste en calentar una pieza templada por períodos del orden de 1 a 3 horas a temperaturas menores que la de austenitización y luego enfriada en el mismo medio de temple.

Cambios microestructurales producidos por revenido

Estos se deben a reacciones en estado sólido.

Las reacciones más importantes son. 0. Segregación de átomos de C1. Precipitación de carburos2. Descomposición de la austenita retenida3. Recuperación y recristalización de la matriz ferrítica y

formación de cementita globular

No todas estas reacciones ocurren a la misma temperatura y en el mismo período de tiempo. Muchas de ellas suceden simultáneamente, esto determina que las microestructuras resultantes sean muy complejas.

ENDURECIMIENTO SECUNDARIOSe presenta durante el revenido a altas temperaturas, cuando la cementita es reemplazada por otros carburos más estables, como por ejemplo carburos de Molibdeno y/o Tungsteno, si se agregan cantidades suficientes de elementos de aleación se producirá un incremento en la dureza en el rango de 500 a 650ºC; este reendurecimiento producto del revenido es llamado endurecimiento secundario.

Los carburos de Mo y W son más estables que la cementita y se forman en su lugar si existe la suficiente energía de activación.

Tratamientos térmicos isotérmicos.Se realizan a temperatura constante de forma tal a obtener la microestruaturadeseada, la cual puede ser consultada para un acero específico en su diagrama TTT. Principales tratamientos isotérmicos.1. Austempering o austemperado: consiste en calentar el acero a la temperatura de austenitización y después de sostenerlo un determinado tiempo, enfriarlo rápidamente hasta una temperatura levemente superior a Ms en un baño de sal.La reacción a esta temperatura produce una estructura completamente bainítica, (bainita superior o inferior), luego el acero es enfriado al aire, hasta la temperatura ambiente. De este modo se logra una estructura dura pero no excesivamente frágil.

Martempering o martemperado: es un temple a alta temperatura cuyo objetivo es disminuir las grietas, distorsión o los esfuerzos residuales. También se conoce como marquenching o martemplado.

El proceso comprende tres etapas:1. Enfríar desde la temperatura de austenización en un medio fluido caliente como aceite caliente, sales fundidas, metal fundido o lecho de partículas fluidizadas a una temperatura que debe estar por encima de Ms. 2. Sostener el acero hasta que la temperatura en toda la pieza sea uniforme sin que se produzcan transformaciones, pues la pieza continúa siendo austenítica. 3. Enfríar al aire quieto, De este modo la formación de martensita ocurre de un modo uniforme en toda la masa evitando la formación excesiva de tensiones residuales.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE ENDURECIMIENTO SUPERFICIAL.

Hay piezas que conviene endurecerlas sólo en la superficie para que resistan la fricción, pero su interior debe ser más blando para resistir impactos. Para lograr esto existen varios procedimientos de uso habitual:

1. Cementación2. Carbonitruración (Teniffer)3. Nitruración (de baja o alta temperatura)4. Nitruración iónica5. Temple por inducción6. Temple superficial por soplete o a la llama

CEMENTACIÓN

Nitruración

Temple por inducción

Temple superficial por soplete o a la llama