1 Diagramas de equilibrio Bloque I.

UNIDAD 5. TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS

1. DIAGRAMA HIERRO-CARBONO .................................................................................... Pág. 81

Enfriamiento del hierro

Aceros

Fundiciones

Constituyentes de Fe-C (Austenita, ferrita 𝛼, ferrita , cementita, perlita, ledeburita,…)

Puntos eutéctico y eutectoide

2. CURVAS TTT .................................................................................................................... Pág. 86

Bainita, martensita

3. TRATAMIENTOS TÉRMICOS .......................................................................................... Pág. 88

Temple

Revenido

Normalizado

Recocido

4. TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS .............................................................................. Pág. 94

Cementación o carburación

Nitruración

Carbonitruración

Sulfinización

5. TRATAMIENTOS MECÁNICOS ....................................................................................... Pág. 98

6. TRATAMIENTOS SUPERFICIALES ................................................................................ Pág. 98

PORTALESO (ANTONIO BUENO) DIAGRAMA Fe- C

DIAGRAMAS EXTREMADURA RAUL LÓPEZ

APUNTES RAÚL LÓPEZ

CATEDU

CATEDU GENERAL

2 Diagramas de equilibrio Bloque I.

1. DIAGRAMA HIERRO-CARBONO

Enfriamiento del hierro puro

Líquido

Hierro (BCC ao = 29,3 nm) Variación de Tª fusión

Hierro (FCC ao = 36,5 nm) (Deformable, poco duro, resistencia al desgaste)

Hierro 𝛼 (BCC ao = 29 nm) (Blando, maleable,..)

Aleación Fe-C

Hierro puro %C < 0,03 %

Acero %C < 2,11%

Fundición 2,11% < %C < 4%

Fundición (Sin utilidad industrial) 4 % < %C < 6,67%

Cementita %C > 6,67 %

Constituyentes de las aleaciones Fe-C

Austenita

Solución sólida de inserción de carbono en hierro con una solubilidad máxima del

2,11 % a 1.148 °C. Es el constituyente más denso de los aceros. Sólo es estable a

temperaturas superiores a 727°C

Ferrita 𝛼

Solución sólida de inserción de carbono en hierro 𝛼. La relación de los huecos

respecto a los átomos de C es menor que en el caso anterior y la solubilidad

disminuye (0,02% a 727°C) por lo que se le considera hierro puro. Es el

constituyente más blando y dúctil de los aceros. Presenta buenas propiedades

magnéticas. Cristaliza en una red BCC

Ferrita

Solución sólida intersticial de C en hierro . La mayor solubilidad es de 0,09 % a

1.495°C

Cementita.(Fe3C)

Contiene el 93,33% de Fe y 6,67 % de C. Es el constituyente más duro de los aceros

y fundiciones. También es el más frágil. Carece de resiliencia y alargamiento. A

temperaturas bajas es magnética (hasta 230°C)

Perlita

Estructura resultante de la solidificación de un acero eutectoide (láminas de ferrita-

87 %- y cementita-13%-)

1538°C

1394°C

910°C

3 Diagramas de equilibrio Bloque I.

Ledeburita

Constituyente de las fundiciones; es una aleación eutéctica formada por austenita -

52 %- y cementita-48%-

Martensita

Se obtiene por enfriamiento muy rápido de un acero austenizado con una

proporción máxima de 0,89 %; es decir, es necesario calentar el acero por encima

de 912 °C y enfriarlo rápidamente (temple). Cristaliza en una red tetragonal

centrada en el cuerpo.

Es el constituyente más duro (50 a 68 HRC) de los aceros, su resistencia mecánica es

elevada (1.740 a 2.450 MPa) y su alargamiento unitario bajo (0,5% a 2,5%) y

presenta forma de agujas visibles al microscopio.

Bainita

Se obtiene a partir de la austenita mediante transformación isotérmica. El acero se

enfría rápidamente (en baños de sales) hasta una temperatura comprendida entre

250 °C y 550 °C manteniéndolo un tiempo suficiente para conseguir toda la

transformación de la austenita en bainita.

Punto eutéctico. (4,3 % de C)

Marca la formación de la ledeburita y es la aleación con un punto de fusión más

bajo (1.148 °C). Al ser un eutéctico toda la masa funde o solidifica a una misma

temperatura.

Punto eutectoide C (0,89 % de C)

Se produce un cambio de fases en estado sólido. Toda la masa de austenita se

transforma a 727 °C en perlita

Punto E (2,11 % C)

Divide las aleaciones Fe-C en aceros y fundiciones

Enfriamiento hipoeutectoide

Austenita (%C < 0,89 %)

A3

Ferrita + Austenita

727°C

Ferrita + Perlita (Ferrita +cementita). Matriz

ferrítica (Resistencia a la tracción, dúctil y blanda)

Enfriamiento hipereutectoide

Austenita (%C > 0,89 %)

Acm

Cementita + Austenita

727°C

Cementita + Perlita (Ferrita +cementita). Matriz

cementítica (Dura, frágil. Piezas de resistencia al

desgaste)

Enfriamiento eutectoide

Austenita (%C = 0,89 %) Perlita

4 Diagramas de equilibrio Bloque I.

2. CURVAS TTT

DIAGRAMA TRANSFORMACIÓN-TIEMPO- TEMPERATURA

- Se representa en el eje de abcisas el tiempo en escala logarítmica y en el eje de ordenadas la

temperatura. Se obtendrá una curva TTT para cada aleación.

- Un número determinado de probetas se calientan por encima de la temperatura de austenización.

- Se introducen en hornos isotérmicos a diferentes temperaturas (por debajo de la temperatura de

austenización)

- Para cada temperatura se representa el momento en que aparece el primer núcleo de perlita y el

que representa el último vestigio de austenita.

5 Diagramas de equilibrio Bloque I.

DIAGRAMA TTT DE UN ACERO EUTECTOIDE (0,79 %C)

Tiempo requerido para que fijada un Tª constante cualquiera la austenita se

transforme en otra fase

Una vez calentada la probeta a una Tª superior a la de austenización se deja

enfriar a distintas velocidades (Vi)

Vc Velocidad crítica de temple. Velocidad mínima de enfriamiento para que se

transforme la austenita en martensita.

CARACTERÍSTICAS DE LA TRANSFORMACIÓN MARTENSÍTICA

- No se produce el fenómeno de difusión por tratarse de procesos sa bajas temperaturas.

- La transformación depende de la Tª, no del tiempo (Ms o Mi y Mf)

- El contenido en carbono de la martensita será el mismo que el de la austenita previa.

- La temperatura de comienzo de la transformación disminuye al aumentar el contenido de

carbono u otros elementos.

- En la transformación de la austenita a la martensita se produce un aumento de volumen que

puede resultar peligroso debido principalmente a la baja plasticidad de la martensita que se

origina.

- La cantidad de martensita formada aumenta al disminuir la Tª pero no de una forma

proporcional.

- Se trata de un proceso irreversible.

- La estructura de la martensita tiene forma de agujas.

- La martensita presenta grandes tensiones.

6 Diagramas de equilibrio Bloque I.

3. TRATAMIENTOS TÉRMICOS

RESUMEN

APUNTES IES SEFARAD (Resumen de e-ducativa.catedu)

1. Temple (Ac3 o Ac1 + 50º) (Enfriamiento rápido. Dureza y alta resistencia mecánica. Tensiones

internas)

a. Temple continuo de austenización completa (Hipo)

b. Temple continuo de austenización incompleta (eutectoides e hiper)

c. Temple escalonado (Martempering)

d. Temple superficial

e. Temple isotérmico (Austempering) (Bainita)

2. Revenido (Bonificado) (Enfriamiento lento. Elimina tensiones. Reduce fragilidad. Incremento de la

ductilidad. Disminución de la dureza.) (Martensita revenida BBC)

3. Normalizado (Ac3 o Ac1 + 55º - 85º) (Enfriamiento lento –aire-. Perlita + ferrita o cementita + ferrita

de grano fino. Acero en su estado normal. Previo al temple. Posterior a forja o laminación)

4. Recocido (Ac3 o Ac1 + 15º-45º) (Enfriamiento muy lento – horno-) Perlita + ferrita o cementita +

ferrita de grano grueso. (Ablandamiento del acero, ductilidad y maleabilidad para conformarlo

plásticamente. Mejora del mecanizado de las piezas)

TEMPLE. Tratamiento térmico que consiste en calentar el acero hasta una Tª superior a la de

austenización (aproximadamente por encima de A3 (aceros hipoeutectoides) y A1(aceros eutectoides e

hipereutectoides) al objeto de transformar toda la masa en austenita (-FCC) y seguido de un

enfriamiento rápido (con velocidad superior a la crítica) lo que permite que toda la austenita se transforme

en martensita e impide la formación de perlita y/o ferrita que son más blandos. Con el temple se consigue

mejorar la dureza, resistencia mecánica, resistencia eléctrica, etc. Ejemplos: herramientas de corte,

brocas, sierras, cuchillos, etc.

7 Diagramas de equilibrio Bloque I.

La velocidad crítica de temple se define como la velocidad de enfriamiento mínima para que toda la masa

de austenita se transforme en martensita (oscila entre 200-600 ºC/seg). La velocidad de enfriamiento

también influye en el tamaño medio del grano, siendo éste tanto menor cuanto mayor haya sido la

velocidad.

Los factores que influyen en el temple son los siguientes:

Composición del acero. A mayor contenido de carbono o de otros elementos si se trata

de aceros aleados (Mo, Al, Si, W y V) menor velocidad de enfriamiento se necesita y

mayor dureza y profundidad de temple se consigue.

Temperatura de temple. Los aceros hipoeutectoides será necesario calentarlos por

encima de A3 + 50ºC, ya que el producto proeutectoide es más blando (ferrita), mientras

que los aceros hipereutectoides bastará con hacerlo por encima de A1 + 50 ºC ya que

la cementita en este caso es más dura.

Tiempo de calentamiento. Depende del tamaño de la muestra ya que si el tiempo es

corto no se produce la austenización completa de la pieza, y si es excesivo, se puede

producir un grano grueso que empobrece el temple.

Velocidad de enfriamiento. Debe ser superior a la crítica para impedir que se produzcan

otras transformaciones indeseables de la austenita y conseguir así la máxima dureza.

Por su parte, la velocidad de enfriamiento depende a su vez de la temperatura de

temple, del medio refrigerante y de las dimensiones de la pieza. Así, mientras el

calentamiento se hace en hornos especiales, el enfriamiento se puede hacer

empleando agua, aceites minerales, baños de sales, aire, etc.

Existen varios tipos de temple:

Temple continuo de austenización completa. Se aplica en aceros hipoeutectoides, calentando el

material (ferrita + perlita) hasta A3+ 50 ºC, seguido de un enfriamiento rápido hasta conseguir un

único constituyente: la martensita.

Temple continuo de austenización incompleta. Se aplica en aceros hipereutectoides, calentando

el material (cementita + perlita) hasta A1+ 50 ºC, por lo que la ferrita de la perlita se transforma

en austenita, quedando intacta la cementita. Enfriando a la velocidad adecuada obtenemos

martensita + cementita.

Temple escalonado (Martempering) Consiste en calentar la pieza de acero hasta la

asutenización completa y enfriarla rápidamente en un baño de sales hasta una Tª próxima a 200

– 300ºC, donde se mantiene un tiempo para evitar así que la austenita sufra otro tipo de

transformación. Una vez que la pieza ha adquirido esa Tª se saca del baño y se enfría

rápidamente hasta la Tª ambiente.

8 Diagramas de equilibrio Bloque I.

Temple superficial. Consiste en aplicar un temple en la superficie ( entre 1 y 3 mm) de la pieza

en cuestión, enfriándola de forma rápida. El calentamiento se puede hacer por medio de un

soplete o por inducción eléctrica. Se recurre a este temple cuando queremos que una pieza

presente una elevada dureza superficial y buena resistencia al desgaste, pero que su alma tenga

pocas tensiones internas.

Temple isotérmico o Austempering. Consiste en calentar el acero a la Tª de austenización y

mantenerlo el tiempo necesario para obtener austenita. Posteriormente se enfría hasta una Tª

determinada para igualar la Tª en toda masa a una Tª superior a la de comienzo de formación

de la martensita, luego se vuelve a enfriar para obtener bainita (mayor tenacidad)

REVENIDO. Se aplica exclusivamente a los aceros templados para eliminar las tensiones creadas en el

temple, conservando parte de la dureza y mejorando la tenacidad y la plasticidad. Consiste en calentar

las piezas después de templarlas hasta una temperatura inferior a la crítica inferior (A1) seguido de un

enfriamiento más bien lento con el fin de que la martensita del temple se transforme en una estructura

más estable (martensita revenida BCC).

NORMALIZADO. Consiste en calentar el acero entre 55 y 85 ºC por encima de la Tª crítica superior (A3

para los aceros hipoeutectoides y A1 para los hipereutectoides) manteniéndose durante un tiempo en ella.

El enfriamiento posterior se realiza al aire. De esta forma la velocidad de enfriamiento no es muy elevada

como para formar martensita, y lo que se obtiene es perlita + ferrita de grano fino en el caso de los aceros

hipoeutectoides o perlita + cementita de grano fino en el caso de los hipereutectoides.

El objetivo que se pretende con este tratamiento es volver al acero a su estado normal, y se suele aplicar

a los aceros que se han deformado plásticamente por laminación o forja con el fin de afinar el tamaño del

grano y eliminar tensiones internas y como tratamiento previo al temple.

Es un tratamiento adecuado para aceros con un contenido en carbono inferior al 0,25 %

RECOCIDO

Recocido significa ablandamiento por calor. Consiste en calentar el acero entre 15-45ºC por encima de la

Tª crítica superior (A3 para los aceros hipoeutectoides y A1 para los hipereutectoides) seguido de un

enfriamiento muy lento (se suele apagar el horno y se deja que el material se enfríe en su interior). De

esta forma la velocidad de enfriamiento no es muy elevada como para formar martensita, y lo que se

9 Diagramas de equilibrio Bloque I.

obtiene es perlita + ferrita de grano grueso en el caso de los aceros hipoeutectoides o perlita + cementita

de grano grueso en el caso de los hipereutectoides. El recocido se aplica al acero para ablandarlo y

proporcionarle la ductilidad y maleabilidad suficientes para conformarlo plásticamente, facilitando el

mecanizado de las piezas (aumenta la elasticidad y disminuye la dureza).

Los factores de los que depende el recocido son básicamente tres: Tª de calentamiento, tiempo de

calentamiento y velocidad de enfriamiento. Se aplica para eliminar los defectos del conformado en frío.

Existen diferentes tipos según la Tª de calentamiento:

1. Recocido completo. Afina el grano.

Hipoeutectoides

2. Recocido incompleto. Elimina tensiones

3. Recocido de globalización.

Hipereutectoides

4. Recocido de recristalización. Reduce

tensiones y elimina acritud.

5. Recocido de homogeneización. Elimina

segregaciones

10 Diagramas de equilibrio Bloque I.

4. TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS

Son operaciones de calentamiento y enfriamiento de los aceros, durante los cuales se modifica la

composición química del material, adicionando al mismo tiempo otros elementos para mejorar sus

propiedades superficiales tales como la dureza, la resistencia a la corrosión, al desgaste y a los

esfuerzos de fatiga. Los principales son

1. CEMENTACIÓN

Se aplica en piezas con bajo contenido en carbono (<0,3%), aleadas o no, sometidas a desgaste

y a golpes, es decir, que poseen dureza superficial y resiliencia. Consiste en aumentar la

cantidad de carbono de la capa superficial, calentándola hasta la temperatura de austenización

en presencia de un medio cementante (atmósfera donde existe carbono y oxígeno en estado

atómico). De esta forma, el carbono se difunde por la superficie y en función del tiempo de

exposición y de la temperatura varía el espesor a conseguir (entre 0,5 y 1,5 mm)

2. NITRURACIÓN

Tratamiento de endurecimiento superficial aplicado a ciertos aceros y fundiciones, que se

efectúa en hornos especiales exponiendo las piezas a una corriente de amoniaco a 500ºC

aproximadamente. Los aceros nitrurados son más duros y resistentes a la corrosión y se utilizan

para endurecer camisas de cilindros, herramientas de corte, brocas, árboles de levas, etc.

3. CIANURACIÓN

11 Diagramas de equilibrio Bloque I.

Se trata de una mezcla de los dos procesos anteriores. Consiste en endurecer la superficie de

las piezas de acero a través de una capa superficial rica en carbono (cementación) y en

nitrógeno (nitruración). Las piezas a tratar se introducen en un baño líquido (mezcla de cloruro

de cianuro y carbonato sódico) a una temperatura entre 800-900ºC y en presencia de oxígeno

del aire. Una vez que se consigue la capa adecuada en función del tiempo de exposición, es

conveniente darle un temple superficial para aumentar su dureza.

4. CARBONITRURACIÓN

Introduce carbono y nitrógeno en una capa superficial, que proviene de hidrocarburos como

metano, etano o propano a 750-850 º C. Necesita temple y revenido posterior.

5. SULFINIZACIÓN

Permite incorporar una capa superficial de carbono, nitrógeno y en especial azufre a los aceros,

a las aleaciones férricas y al cobre. Se consigue introduciendo las piezas en un baño de sales a

565ºC, aumentando así la resistencia al desgaste y disminuyendo el coeficiente de rozamiento,

favoreciendo al mismo tiempo la lubricación. Se utiliza en herramientas de corte para

mecanizado de torno y fresa.

5. TRATAMIENTOS MECÁNICOS

Son operaciones de deformación del material, que permiten mediante esfuerzos mecánicos, mejorar

su estructura interna al eliminar fisuras y tensiones internas. Estos tratamientos pueden ser:

En frío: permiten deformar el material a temperatura ambiente por golpes o laminación (

estampación, embutición, punzonado, trefilado y laminación)

En caliente: una vez calentado, permite deformar el material, generalmente por

golpes(laminación, inyección, extrusión y forja)

6. TRATAMIENTOS SUPERFICIALES

Permiten mejorar la superficie del material sin alterar su composición química. Cualquier tratamiento

de este tipo requiere que la superficie a tratar se someta previamente a un proceso de decapado,

pulido y desengrasado. Los más comunes son:

- Cromado: Se deposita cromo sobre la superficie del material a proteger con el fin de

aumentar además de su dureza superficial, su resistencia al desgaste, al rayado y a la

corrosión. Se suele hacer por electrolisis en un medio ácido.

- Metalización: se proyecta con una pistola sobre la superficie en cuestión, metal fundido

pulverizado (oxígeno + acetileno + polvo metálico)

- Recubrimiento por inmersión: la pieza se somete a un baño de metal fundido durante un

tiempo, hablando entonces de galvanizado (cinc) y estañado (estaño). Los recubrimientos

también se pueden hacer con productos orgánicos (pinturas y lacas) o con inorgánicos

como el vidrio fundido.

12 Diagramas de equilibrio Bloque I.

- Electrolisis: controlando el tiempo de inmersión y la intensidad de corriente eléctrica, se

puede controlar la cantidad de metal depositado. En este caso, el metal protector (Zn) se

utiliza como ánodo y el metal a proteger como cátodo empleando como electrolito una

solución del metal que se ha de depositar en forma de sulfatos. Por este procedimiento se

realiza el cobreado, niquelado, cincado etc.

VÍDEO DIDÁCTICO DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS

http://www.youtube.com/watch?v=RGl1MhPCsZY