UNIVERSIDAD DON BOSCO. FACULTAD DE ESTUDIOS TECNÓLÓGICOS

TÉCNICO EN ING. MECANICA.

CICLO - AÑO

02-2013

GUIA DE LABORATORIO # 7.

Nombre de la Práctica: Tratamientos térmicos 1.

Lugar de Ejecución: Taller de mecánica

Tiempo Estimado: 3h clase

MATERIA: Materiales y sus propiedades.

PROFESOR: Tec. Gerson Guerrero.

I. OBJETIVOS

· Identificar el tratamiento térmico aplicado a cada uno de los aceros.

· Predecir el comportamiento de la dureza en los aceros después de someterse a un tratamiento

térmico, con base en el tipo de acero, la observación del tratamiento térmico y la consulta a

fuentes confiables.

II. INTRODUCCIÓN TEÓRICA

TRATAMIENTOS TERMICOS

Las empresas que distribuyen materiales para la fabricación de elementos de máquinas, reciben

estos materiales normalmente en el llamado

“estado de entrega” o “estado de suministro”, es decir, con propiedades que hacen fácil

cortarlo a la medida que lo piden los clientes. Por lo que los materiales no necesariamente tiene

las propiedades deseadas para las diferentes aplicaciones a las que se destinan; Es

frecuentemente que, después de llevarlos a las medidas adecuadas por diversos procesos de

fabricación, sea necesario modificarles las propiedades mecánicas, físicas, eléctricas, etc. a fin

de mejorar su desempeño cuando el elemento esté en operación.

Propiedades como alta dureza (capacidad de un material para resistir la abrasión o rallado de su

superficie), elevada resistencia mecánica, gran resiliencia (capacidad del elemento de máquina

de absorber energía hasta su límite de fluencia) entre otras muchas propiedades, son deseables

en ciertas aplicaciones. Existen numerosos tratamientos que se aplican a los materiales para

modificar las propiedades como las antes mencionadas, tres muy comunes son: tratamiento

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térmico, endurecimiento por deformación y tratamiento termoquímico. En esta guía de

laboratorio únicamente se abordará el tratamiento térmico de los acero, dejando los demás a la

acuciosidad del lector.

El tratamiento térmico de los aceros, consiste básicamente en tres etapas que involucran

temperatura, es decir, calentamiento hasta la temperatura recomendada, sostenimiento a esa

temperatura y por último el enfriamiento en el medio que convenga. Generalmente la

temperatura de calentamiento es la temperatura a la cual la organización atómica del material

se transforma para obtener una estructura meta-estable conocida como austenita, que tiene

una estructura FCC y se presenta arriba de línea Ac3 (ver figura 1), que como bien se sabe, tiene

un mayor factor de empaquetamiento (0.74) o lo que es lo mismo, es más densa que la ferrita o

estructura BCC que existe en la misma aleación a baja temperatura.

La segunda etapa, es decir, el tiempo de sostenimiento es el tiempo necesario que la pieza debe

permanecer en el interior del horno para que su estructura cristalina se transforme totalmente

en austenita (BCC _ FCC) homogénea.

La geometría de la pieza así como también los elementos que constituyen la aleación suelen

modificar la temperatura y el tiempo de permanencia de la pieza dentro del horno. Como regla

empírica se da un tiempo de permanencia de 20 minutos por cada pulgada de espesor crítico de

la pieza a templar. Para el caso de piezas con formas complejas, el espesor crítico es el mayor y

en base a éste se toma el tiempo de permanencia

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Figura 1 Diagrama hierro-carburo de hierro.

El tercer proceso es el enfriamiento. Para efectuarlo, se debe elegir el medio a utilizar, según las

propiedades deseadas, pues diferentes medios de temple proporcionan diferentes rapideces de

enfriamiento y distintos grados de dureza. Entre los medios más comunes que se puede

mencionar, se tienen los siguientes:

· Agua

· Salmuera (Mezcla de agua y Cloruro de Sodio)

· Salmuera con hielo

· Aceite para temple (baja viscosidad VG 32 o inferior y alto punto de

“inflamación”)

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· Aire tranquilo (sin agitar o convección natural)

· Chorro de aire a presión (convección forzada)

· Enfriamiento en baño de sales a alta temperatura (Martempering y

Austempering)

Cuando se analizan las tablas de tratamiento térmico se observa que para cada aleación se

recomienda un diferente medio de enfriamiento y procedimiento diferente para lograr obtener

las propiedades deseadas, esto es así porque cada tipo de acero contiene una composición

química especifica diferente a los otros. Por ejemplo, el agua mezclada con sal común

proporciona una rapidez de enfriamiento (ºC/s) más elevada que otros medios y para aceros

con bajo contenido de elementos de aleación, este medio es una buena elección.

Pero ¿qué sucede cuando aumenta el contenido de elementos de aleación como por ejemplo,

en el acero AISI 4340? pues bien, estos no sólo producen endurecimiento por solución sólida del

carbono en la ferrita o por precipitación de carburos diferentes al Fe3C; La presencia de

elementos de aleación disminuye la velocidad crítica de temple, es decir, aleja la “nariz” de la

curva del diagrama de TTT o TEC (figura 2 y 3) del eje de referencia vertical t ~ 0, y en

consecuencia la pieza de acero tratada térmicamente puede ser enfriado en un medio con

severidad de temple mucho menor como lo es el enfriamiento en aceite e incluso el aire, con lo

cual se reduce el riesgo de agrietamiento de tipo superficial o interno, y a su vez lograr alta

dureza.

Al enfriar una pieza de acero en un medio para temple menos severo (como el aceite o el flujo

de aire a presión), la diferencia de temperaturas entre la superficie y el núcleo será menor que

cuando se utiliza un medio más severo y por tal motivo la variación de volumen interno –

externo también lo será; lo cual favorece y trae beneficios dado que los esfuerzos residuales son

menores y también la deformación de la pieza.

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Comparativamente, el agua salada y agitada produce las mayores rapideces de enfriamiento,

mientras que con enfriamientos dentro de la cámara de un horno (recocido) se obtienen las

menores rapideces de enfriamiento.

Como ya se mencionó, la elección del medio de enfriamiento va relacionada con el tipo de

acero, es decir, del contenido y cantidad de elementos de aleación del acero que se está

tratando.

Los tratamientos térmicos que se darán a los aceros son:

· Temple: Su finalidad es aumentar la dureza y la resistencia del acero.

Para ello, se calienta el acero a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior

Ac3 para que se de la transformación a la estructura austenita (ver figura 1) y se enfría

rápidamente (según características de la pieza) en un medio como agua, aceite, o incluso aire,

según su composición.

· Recocido: Consiste básicamente en un calentamiento hasta temperatura de austenitización

(ver fig.1) seguido de un enfriamiento lento, generalmente dentro del horno. Con este

tratamiento se logra aumentar la ductilidad, mientras que disminuye la dureza y la resistencia

mecánica. También facilita el mecanizado de las piezas al homogeneizar la estructura, afinar el

grano y ablandar el material, eliminando la acritud que produce el trabajo en frío y las tensiones

internas.

· Normalizado: Tiene por objeto dejar un material en estado normal, es decir, ausencia de

tensiones internas y con una distribución uniforme del carbono. Se suele emplear como

tratamiento previo al temple y al revenido. Consiste en calentar a temperatura de austenización

y luego enfriar en aire quieto.

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· Revenido: Sólo se aplica a aceros previamente templados, para disminuir la fragilidad

producida por los efectos del temple, conservando parte de la dureza y aumentando la

tenacidad.

Figura 2: temperaturas de normalizado, temple y recocido para aceros

hipoeutectoides e hipereutectoides.

Finalidad de los tratamientos térmicos

1.- ENDURECIMIENTO Ó TEMPLE DEL ACERO

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

uniforme hasta llegar a la temperatura correcta, manteniéndola cierto tiempo (ver figura 2, la

temperatura de endurecimiento es la misma de recocido) y luego sacarlo rápidamente del

horno y enfriarlo con agua, salmuera, aceite o aire, según su composición.

El endurecimiento produce una estructura granular fina que aumenta la resistencia a la tracción

(tensión) y disminuye la ductilidad. Buena parte de los aceros se pueden endurecer al calentarse

hasta su temperatura crítica, transformándose la perlita y la ferrita a una estructura de grano

fino llamada austenita.

Cuando se enfría la austenita de manera brusca, se transforma en martensita, estructura que es

muy dura y frágil.

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La geometría de la pieza así como también los elementos que constituyen la aleación suelen

modificar el tiempo de permanencia de la pieza dentro del horno para el temple y el

normalizado. Como regla empírica se da un tiempo de permanencia de 20 minutos por cada

pulgada de espesor de la pieza. Para el caso de piezas con formas complejas, el tiempo es mayor

tanto en el calentamiento como el tiempo de permanencia para evitar daños a la pieza.

2.- RECOCIDO

Existen varios tipos de recocido, a continuación se describen los mas comunes

a) Recocido primario

Tiene como finalidad principal ablandar el acero, regenerar la estructura de aceros

sobrecalentados o simplemente eliminar las tensiones internas que siguen a un trabajo en frío.

b) Recocido de Regeneración

Tiene como función regenerar la estructura del material producido por temple o forja. Se aplica

generalmente a los aceros con más del 0.6% de C, mientras que a los aceros con menor

porcentaje de C sólo se les aplica para afinar y ordenar su estructura

Ejemplo:

Después de un laminado en frío, donde el grano queda alargado y sometido a tensiones, dicho

tratamiento devuelve la microestructura a su estado inicial.

c) Recocido de Globular

Es usado para los aceros hipereutectoides, es decir con un porcentaje mayor al 0,89 % de C,

para conseguir la menor dureza posible que en cualquier otro tratamiento, mejorando la

maquinabilidad de la pieza. La temperatura de recocido está entre Acm y Ac1,3 (ver figura 1).

Ejemplo:

- El ablandamiento de aceros aleados para herramientas de más de 0.8% de C.

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d) Recocido sub-crítico

Se usa para aceros de forja o de laminación, llevándoseles a una temperatura de recocido

ligeramente inferior a Ac1. Mediante este procedimiento se reducen las tensiones internas

producidas por su moldeo y mecanización. Comúnmente es usado para aceros aleados de gran

resistencia, al Cr-Ni, Cr-Mo, etcétera. Este procedimiento es mucho más rápido y sencillo que los

antes mencionados, su enfriamiento es lento.

3.- NORMALIZACIÓN O NORMALIZADO

Para los aceros hipoeutectoides, la temperatura de calentamiento se toma de la figura 2a y para

los aceros hipereutectoides se toma de la figura 2b, después del tiempo de permanencia en el

horno, se enfría en aire tranquilo a temperatura ambiente.

Procedimiento

1) Utilizando papel lija 250, proceda a limpiar toda oxidación sobre las caras expuestas de las

probetas a tratar térmicamente.

Recuerde identificar claramente cada una de las probetas.

2) Haciendo uso de la máquina de ensayo de dureza, proceda a medir la dureza HB de cada una

de las piezas. Este índice de dureza será considerado como dureza en estado de entrega.

3) Una vez se ha medido la dureza de todas las probetas, prepare el horno que deberá estar pre-

calentado a 300º C, para luego introducir (con mucho cuidado) las probetas en el horno y luego

cierre la compuerta del mismo. (Pida ayuda a su instructor para la mejor ubicación de las piezas

dentro del horno)

4) Eleve la temperatura del horno, según le indique su instructor, al llegar a la temperatura

indicada espere al menos 20 minutos antes de abrir el horno para extraer las piezas.

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5) Registre en la tabla la temperatura que alcanza el horno antes de retirar cada muestra del

horno y el medio de enfriamiento.

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6) Evalúe con su instructor una estrategia para sacar las piezas del horno y enfriarlas en un

medio adecuado.

7) Deje reposar la pieza en el medio de enfriamiento seleccionado durante varios minutos, hasta

que la temperatura alcance unos 40º C y sáquela del medio de enfriamiento.

8) Limpie los residuos de la sustancia enfriante y vuelva a lijar las caras superior en inferior de

cada pieza.

9) Rotule la pieza nuevamente con la temperatura a la que fue retirada del horno y el medio de

enfriamiento.

ANALISIS DE RESULTADOS.

Con base al procedimiento ejecutado para los aceros tratados:

a) Elabore un cuadro comparativo (tabla 2) en el cual se especifique: tipo de acero (según la AISI

-SAE), dureza en estado de entrega o suministro según el proveedor y dureza medida, además

calcule el % de diferencia, tomando como valor verdadero la dureza dada por el proveedor.

b) Elabore otro cuadro (tabla 3) con Temperatura crítica de temple, temperatura a la que se

sacó del horno, medio de enfriamiento utilizado del tratamiento térmico y tratamiento térmico

experimentado.

c) Elabore un cuadro (tabla 4) en la que se indique el tipo de acero, el tratamiento térmico

experimentado y la dureza esperada.

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III. MATERIALES Y EQUIPO

Equipo del alumno:

Gabacha, gafas, tapones auditivos, mascarilla, herramienta personal, guía del alumno, cuaderno y lapicero (evitar llegar con pulseras, collares o cadenas, anillos u otro objeto que pueda poner en riesgo su vida).

Material Equipo

Acero al carbono.

Acero 1020

Acero 1045

Acero VCN

Amutip

Fundición.

Papel lija 250

Agua.

Cal.

Aceite.

Horno.

Lijas

Equipo de soldadura oxiacetilénica.

IV. PROCEDIMIENTO

Discusión de la guía práctica.

Formación de grupos de trabajo.

Realización los tratamientos térmicos asignados.

Discusión de los resultados.

V. DISCUSIÓN DE RESULTADOS

Realice un reporte escrito de los procesos que ejecuto en la práctica.

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Realice una tabla comparativa de los datos obtenidos de las pruebas de ensayos realizada.