8/9/2019 Tratamientos Trmicos Final

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ndice

- Definicin.

- Aplicaciones.

- Diagrama Hierro Carbono.

- Acero y su temperatura.

- Transformaciones durante el Tratamiento trmico.

- Tratamientos trmicos ms usados.

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Tratamientos Trmicos

Los tratamientos trmicos tienen por objeto mejorar las propiedades ycaractersticas de los aceros, y consisten en calentar y mantener las piezas oherramientas de acero a temperaturas adecuadas, durante un cierto tiempo yenfriarlas luego en condiciones convenientes. De esta forma, se modifica laestructura microscpica de los aceros, se verifican transformaciones fsicas y a veceshay tambin cambios en la composicin del metal.

El tiempo y la temperatura son los factores principales y hay que fijarlos siempre deantemano, de acuerdo con la composicin del acero, la forma y el tamao de laspiezas y caractersticas que se desea obtener.

Principalmente, estos apuntes tratarn los fundamentos bsicos del endurecimientodel acero y las diferentes prcticas para realizar estos procesos.

El acero, con la excepcin de algunos tipos especiales, puede ser endurecido porcalentamiento a temperaturas elevadas, seguido de un enfriamiento posterior. Escierto, que cada acero requiere su temperatura particular de calentamiento paratemple, pero las experiencias indican que esta variable es afectada por el contenidode carbono principalmente.

A consecuencia de un tratamiento trmico, sucede que el acero puede resultar msduro o ms blando que antes, o ms tenaz o ms resistente. Todo depende

precisamente de cmo se haya realizado el tratamiento y tambin de la naturalezadel acero que ha sido tratado.

El efecto del tratamiento trmico sobre el acero, puede ser verdaderamente grande.Una pieza de acero es capaz de ser tan dura, que puede emplearse comoherramienta de corte. Por otro lado, un sencillo tratamiento, la volver tan blandapara ser mecanizada. Igualmente, una pieza de acero lo bastante blanda para sermecanizada en la forma deseada, puede endurecerse hasta resistir el desgaste encondiciones severas de servicios. Esta versatilidad, explica la importancia que se daen la industria a las operaciones de tratamiento trmico. El tratamiento trmicoindustrial, tal como se dijo, se realiza la mayora de las veces para conseguirendurecer el acero o para hacerlo blando o tenaz. Podemos ilustrar esto con algunosejemplos:

Una herramienta para corte ha sido forjada y mecanizada, dndole forma y se deseaendurecerla hasta que sea apta para el corte; o un engranaje forjado es demasiadoduro y necesitamos ablandarlo para mecanizarlo; o una pieza de una mquina se haroto por causa de fragilidad y se desea dar a la pieza que la reemplace untratamiento diferente para que sea ms tenaz. Estas son las caractersticas que semejoran por tratamiento trmico.

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Diagrama Hierro - Carbono

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Estados alotrpicos del hierro

Para comprender los mecanismos por los cuales se rigen los tratamientos trmicoses necesario conocer previamente las transformaciones estructurales que sufre elhierro cuando se cambia su temperatura.

Cuando se calienta el hierro desde la temperatura ambiente hasta su estado lquido,sufre una serie de transformaciones en su estructura cristalina. A las diferentesestructuras que aparecen cuando se produce este calentamiento se las denominaestados alotrpicos.

En el hierro se pueden distinguir cuatro estados alotrpicos

Hierro alfaEl hierro alfa se presenta a temperaturas inferiores a los 768C. Presenta unacristalizacin segn el sistema cbico centrado de cuerpo. No disuelve el carbono ytiene carcter magntico. A los 768C pierde el magnetismo. Mientras dura estatransformacin la temperatura permanece constante. Las temperaturas a las cualestienen lugar estas transformaciones se denominan puntos crticos y sonrepresentados mediante la letra A. Cuando se trata de un enfriamiento Ar, y si es uncalentamiento Ac. La capacidad que posee el hierro alfa para formar solucionesslidas es muy dbil porque los espacios interatmicos disponibles son muypequeos. La mxima cantidad de carbono que pueden disolver es de 0,025 %. Este

estado recibe el nombre de ferrita.

Hierro beta

Es muy similar al hierro alfa. Se forma a temperaturas comprendidas entre 768C y900C, cristalizando en el sistema cbico centrado de cuerpo. Se diferenciaprincipalmente del hierro alfa en que no es magntico. Desde el punto de vistametalogrfico y mecnico tiene poco inters.

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Hierro gammaSe forma a temperaturas comprendidas entre los 900 y los 1400C.Cristaliza en elsistema cbico centrado de caras (FCC). Tiene gran capacidad para formarsoluciones slidas, ya que dispone de espacios interatmicos grandes. Puededisolver hasta un 2% de carbono. Esta solucin recibe el nombre de austenita.

Hierro delta

Se forma a temperaturas comprendidas entre los 1400 y 1539C. Cristaliza en redcbica centrada de cuerpo (BCC). Debido a que aparece a elevadas temperaturas,tiene poca importancia en el estudio de los tratamientos trmicos y tampoco tieneaplicacin siderrgica.

Todas las transformaciones alotrpicas van acompaadas de un cambio de volumen.este hecho se puede apreciar con la ayuda de un dilatmetro.

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Fases de los Tratamientos Trmico.

Todos los tratamientos trmicos tienen una ruta obligatoria:

Calentamiento del acero hasta una temperatura determinada. Permanencia a esa temperatura cierto tiempo. Enfriamiento ms o menos rpido.

El Acero y su Temperatura.

Para comprender mejor la influencia del tratamiento trmico en el acero, primerohay que conocer los cambios estructurales de este a diferentes temperaturas. Estoscambios tienen bastante complejidad y dependen de la cantidad de carbonopresente y otros factores, que en la metalurgia se establecen con precisin en el

llamado diagrama de equilibrio hierro-carbono.En este artculo vamos a describir de manera muy simplificada, las estructuras delacero a diferentes temperaturas.A temperaturas menores de 910 C y por encima de 1400 C el hierro tiene una redespacial cubica centrada. En el primer caso se le llama hierro alfa y en el segundohierro gamma, entre las temperaturas de 910-1400 C el hierro tiene la red cbicacentrada en las caras y se le llama hierro delta.

http://www.sabelotodo.org/metalurgia/cristalmetal.htmlhttp://www.sabelotodo.org/metalurgia/cristalmetal.htmlhttp://www.sabelotodo.org/metalurgia/cristalmetal.htmlhttp://www.sabelotodo.org/metalurgia/cristalmetal.html

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Equipos de calentamiento.

Pueden ser de calentamiento total o parcial. Los primeros son:

Hornos semimuflas: son aquellos en los cuales la llama entra dentro de la cmaradonde se encuentra la pieza.

Hornos muflas: la llama rodea por fuera la cmara de la pieza.

Hornos de sales: en estos, la pieza se sumerge en un bao de sales fundidas.

Hornos de atmsfera controlada: la cmara que contiene la pieza es hermtica yen su interior encontramos una atmsfera gaseosa.

Los hornos de calentamiento parcial o superficial de la pieza, son los deinduccin.

Endurecimiento del acero

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El proceso de endurecimiento del acero consiste en el calentamiento del metal de

manera uniforme a la temperatura correcta y luego enfriarlo con agua,aceite, aire o en una cmara refrigerada. El endurecimiento produce una

estructura granular fina que aumenta la resistencia a la traccin (tensin) ydisminuye la ductilidad. Cuando se calienta el acero la perlita se combina con

la ferrita, lo que produce una estructura de grano fino llamada austenita.Cuando se enfra la austenita de manera brusca con agua, aceite o aire, setransforma en martensita, material que es muy duro y frgil.

Cristales de acero que sufren transformaciones durante untratamiento trmico:

Austenita . Si al acero lo calentamos a 1000 C, y lo enfriamos rpidamente, uno de

los cristales que obtenemos es la austerita. Es una solucin slida de carburode hierro, dctil y tenaz, blanda, poco magntica y resistente al desgaste.

Bainita . Es una mezcla difusa de ferrita y cementita, que se obtiene al transformarisomtricamente la austenita a una temperatura de 250 500 C.

Martensita . Es el constituyente de los aceros cuando estn templados, es

magntica y despus de la cementita es el componente ms duro del acero.

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Ferrita . Es hierro casi puro con impurezas de silicio y fsforo (Si-P). Es elcomponente bsico del acero.

Cementita . Es el componente ms duro de los aceros con dureza superior a 60Hrc

con molculas muy cristalizadas y por consiguiente frgiles.

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Perlita . Compuesto formado por ferrita y cementita.

Tratamientos trmicos ms usados.

Los tratamientos trmicos ms usados son: el recocido, temple, normalizado,revenido, cementacin, nitruracin, temple en bao de sales, temple en bao deplomo, etc.

Recocido:

Con este nombre se conocen varios tratamientos cuyo objeto principal es ablandar elacero; otras veces tambin se desea adems regenerar su estructura o eliminartensiones internas. Consisten en calentamientos a temperaturas adecuadas,seguidos generalmente de enfriamientos lentos. Las diferentes clases de recocidoque se emplean en la industria se pueden clasificar en tres grupos: Recocidos conaustenizacin completa, recocidos suberticos y recocidos con austenizacinincompleta.

1. Recocidos con austenizacin completa o de regeneracin : en este casoel calentamiento se hace a una temperatura ligeramente ms elevada que la criticasuperior y luego el material se enfra muy lentamente. Sirve para ablandar el acero yregenerar su estructura.

2. Recocidos suberilicos : el calentamiento se hace por debajo de latemperatura critica inferior, no teniendo tanta importancia como en el caso anteriorla velocidad de enfriamiento, pudiendo incluso enfriarse el acero al aire sin que seendurezca. Por medio de este tratamiento se eliminan las tensiones del material y seaumenta su ductilidad.

a. Recocido contra acritud: se efecta a temperaturas de 550 a 650, y tienepor objeto, principalmente, aumentar la ductilidad de los aceros de poco contenidoen carbono (menos de 0,40%) estirados en frio. Con el calentamiento a esatemperatura, se destruye la cristalizacin alargada de la ferrita, apareciendo nuevoscristales polidricos ms dctiles que los primitivos, que permiten estirar o laminar

nuevamente el material sin dificultad. El enfriamiento se suele hacer al aire.3. Recocidos de austenizacin incompleta (globulares): son tratamientosque se suelen dar a los aceros al carbono o aleados, de ms de 0,50% de carbono,para ablandarlos y mejorar su maquinabilidad. Consisten en calentamientos

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prolongados a temperaturas intermedias entre la crtica superior e inferior, seguidossiempre de un enfriamiento lento. El fin que se persigue con estos recocidos esobtener la menor dureza posible y una estructura microscpica favorable para elmecanizado de las piezas.

Por medio de estos tratamientos se consigue con bastante facilidad en los aceros

hipereutectoides que la cementita y los carburos de aleacin adopten unadisposicin ms o menos globular que da para cada composicin una dureza muyinferior a cualquier otra microestructura, incluso la perlita laminar.

Normalizado:

Este tratamiento consiste en un calentamiento a temperatura ligeramente mselevada que la critica superior, seguido de un enfriamiento en aire tranquilo. De estaforma, se deja el acero con una estructura y propiedades que arbitrariamente seconsideran como normales y caractersticas de su composicin. Se suele utilizar parapiezas que han sufrido trabajos en caliente, trabajos en frio, enfriamientosirregulares o sobrecalentamientos, y tambin sirve para destruir los efectos de untratamiento anterior defectuoso. Por medio del normalizado, se eliminan lastensiones internas y se uniformiza el tamao de grano del acero. Se emplea casiexclusivamente para los aceros de construccin al carbono o de baja aleacin.

Temple:

El temple tiene por objeto endurecer y aumentar la resistencia de los aceros. Paraello, se calienta en general el acero a una temperatura ligeramente ms elevada quela critica superior y se enfra luego ms o menos rpidamente (segn composicin yel tamao de la pieza) en un medio conveniente, agua, aceite, etc. En los aceros deherramientas como explicaremos ms adelante, en el calentamiento para el templesolo se llega a la austenizacin incompleta.

Revenido:

Es un tratamiento que se da a las piezas de acero que han sido previamentetempladas. Con este tratamiento, que consiste en un calentamiento a temperaturainferior a la critica AC1, se disminuye la dureza y resistencia de los acerostemplados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora la tenacidad,quedando adems el acero con la dureza y resistencia deseada.

Tratamientos isotrmicos de los aceros .

Reciben este nombre ciertos tratamientos, en los que el enfriamiento de las piezasno se hace de una forma regular y progresiva, sino que se interrumpe o modifica adiversas temperaturas durante ciertos intervalos, en los que permanece el material atemperatura constante durante un tiempo, que depende de la composicin delacero, de la masa de las piezas y de los resultados que se quieren obtener.

Austempering o transformacin isotrmica de la austenita en la zona de 250 -600.

Este tratamiento consiste en calentar el acero a una temperatura ligeramente mselevada que la critica superior y luego enfriarlo rpidamente en plomo o sales

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fundidas, a temperaturas comprendidas entre 250 y 600, permaneciendo el aceroen el bao a esta temperatura durante el tiempo suficiente para que se verifique latransformacin completa de la austenita en otros constituyentes a temperaturaconstante. Un tratamiento de esta clase denominado patenting, se aplica desdehace mucho tiempo para la fabricacin de ciertos alambres de alta resistencia, quese conocen generalmente con el nombre de cuerda de piano. En este caso elenfriamiento se suele hacer en bao de plomo, quedando el acero con una tenacidady ductilidad excepcionales.

Martempering.

Es un tratamiento que ha comenzado a desarrollarse tambin muy recientemente. Esun temple escalonado en el que el material caliente, a una temperatura ligeramentems elevada que la critica superior, se enfra en un bao de sales, tambin caliente,a temperaturas comprendidas entre los 200 y 400, permaneciendo en l las piezasdurante un tiempo que debe controlarse cuidadosamente y que debe ser suficientepara que iguale la temperatura en toda la masa, antes de que en ninguna parte deella se inicie la transformacin de la austenita, y luego se enfre al aire. De estaforma se consigue que la transformacin de toda la masa del acero se verifique casial mismo tiempo, evitndose desiguales y peligrosas dilataciones que ocurren conlos temples ordinarios, en los que las transformaciones de las distintas zonas delmaterial ocurren en momentos diferentes.

Temple superficial:

Recientemente se ha desarrollado este procedimiento en el que se endurecenicamente la capa superficial de las piezas. El calentamiento se puede hacer porllama o por corrientes inducidas de alta frecuencia, pudindose regular en amboscasos perfectamente la profundidad del calentamiento y con ello la penetracin de ladureza. Una vez conseguida la temperatura de temple, se enfra generalmente enagua.

Tratamientos en los que hay cambio de composicin

En esta clase de tratamientos, adems de considerar el tiempo y la temperaturacomo factores fundamentales, hay que tener tambin en cuenta el medio o

atmsfera que envuelve el metal durante el calentamiento y enfriamiento. Estostratamientos se suelen utilizar para obtener piezas que deben tener gran durezasuperficial para resistir el desgaste y buena tenacidad en el ncleo. Los tratamientospertenecientes a este grupo son:

Cementacin:

Por medio de este tratamiento se modifica la composicin de las piezas, aumentandoel contenido en carbono de la zona perifrica, obtenindose despus, por medio detemples y revenidos, una gran dureza superficial.

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Cianuracin:

Es un tratamiento parecido a la cementacin, en el que el acero absorbe carbono ynitrgeno en la zona superficial, quedando luego esa zona perifrica muy duradespus de un temple final.

Nitruracin:

Es un tratamiento de endurecimiento superficial a baja temperatura, en el que laspiezas de acero templadas y revenidas al ser calentadas a 580 en contacto con unacorriente de amoniaco, que se introduce en la caja de nitrurar, absorben nitrgeno,formndose un la capa perifrica nitruros de gran dureza, quedando las piezas muyduras sin necesidad de ningn otro tratamiento posterior.

Solubilidad del carbono en hierro.

Los hierros alfa y gamma disuelven muy poco carbono (entre 0,025 y 0.1%), y a esassoluciones se les denomina ferrita. La ferrita es muy blanda y plstica segn eltamao de sus granos; por debajo de 768 C tiene propiedades ferromagnticas muyacentuadas.La solubilidad del carbono en el hierro delta es mucho mayor, y puede alcanzar el 2%en peso a 1130 C. Esta solucin se llama austenita y existe comnmente porencima de 723 C (por mtodos especiales puede obtenerse austenita atemperaturas menores).La austenita es blanda y plstica, no es magntica y peor conductor del calor que laferrita.

Compuestos del hierro y el carbono.

El hierro forma con el carbono el carburo de hierro, Fe3C, que se denominacementita y contiene 6.67 % de carbono en peso. La cementita es frgil y muy dura;a temperaturas superiores a 210 C no tiene propiedades magnticas.La cementita pura no es estable, especialmente a altas temperaturas, y sedesintegra en grafito y solucin slida: ferrita o austenita, segn la temperatura.Sin embargo, en las aleaciones de bajo contenido de carbono la cementita existentees estable hasta altas temperaturas y por eso se le puede considerar como uncomponente autnomo dentro de la masa del acero.La cementita en el acero puede tener tres orgenes y se llaman:

1. Primaria: Segregada a partir de la reaccin del hierro y el carbono en lasolucin lquida.

2. Secundaria: La que se precipita de la austenita al enfriarse.3. Terciaria: La que se desprende de la ferrita al enfriarse por debajo de 910 C.

La cementita puede mezclarse mecnicamente con la austenita desde la solucinlquida, la mezcla eutctica de cementita y austenita se denomina ledeburita. De lamisma forma la cementita puede mezclarse desde la solucin slida con la ferritaprocedente de la desintegracin de la austenita a menos de 723 C y concentracinde carbono de 0.8 %. La mezcla eutectoide* de ferrita y cementita se llama perlita.Con estos elementos examinemos ahora el carcter de las formaciones estructuralesde los aceros en el proceso de enfriamiento, desde el estado lquido hasta las

temperaturas normales. Este proceso es reversible por lo que los procesos sonvlidos tambin durante el calentamiento.

* Se le denomina eutectoide porque se produce en la solucin slida y no en lalquida como en el caso de una mezcla eutctica.

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