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Page 1: Tratamientos Térmicos para Aceros

Tratamientos térmicos más usados:

Recocido: Con este nombre se conocen varios tratamientos térmicos cuyo objetivo principal es ablandar el acero; otras veces también se desea regenerar su estructura o eliminar tensiones internas.

De austenización completa o de regeneración: Se calienta por encima de la temperatura crítica superior, se mantiene a dicha temperatura y se enfría. Ablanda el acero y regenera su estructura.

Subcrítico: El calentamiento se hace por debajo de la temperatura crítica inferior. La velocidad de enfriamiento no tiene tanta importancia como en el anterior. El enfriamiento elimina las tensiones del material y aumenta la ductilidad.

Existen tres clases de recocidos subcríticos.

1. De ablandamiento: Procedimiento rápido y económico. Se calienta a temperatura subcrítica (lo más elevada posible) si se enfría al aire. No es la dureza más baja pero permite mecanizar fácilmente.

2. Contra acritud: Aumenta la ductilidad de los aceros de bajo carbono (menos de 0,40%) deformados en frio. Se hace a 550°C – 650°C. El enfriamiento suele hacerse al aire.

3. Subcrítico globular: Para aceros al carbono y baja aleación, para obtener una estructura globular de muy baja dureza. Calentamiento por debajo de Ac1 (lo más alta posible) pudiendo luego enfriarse al aire.

De austenización incompleta (globulares): Para aceros al carbono o aleados (más de 0,5%C) para ablandar y mejorar su maquinabilidad. Calentamientos prolongados a temperatura intermedia entre la crítica inferior y la superior con enfriamiento lento. Ofrece la menor dureza posible y microestructura favorable para el mecanizado.

Doble recocido: Cuando se desean obtener muy bajas durezas se suele dar a los aceros primero un recocido de regeneración y luego otro subcrítico.

Normalizado: Calentamientos a temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior y enfriamientos al aire tranquilo para piezas con trabajo en caliente, en frio, enfriamientos irregulares, sobrecalentamientos y también sirve para piezas con tratamientos térmicos defectuosos. Casi exclusivo para aceros de construcción al carbono y de baja aleación.

Temple: Calentamientos por encima de la temperatura crítica superior y enfriamiento más o menos rápido en agua o aceite. En herramientas el calentamiento es para austenización incompleta.

Revenido: Calentamiento por debajo de la temperatura crítica Ac1, que se hace luego del temple para liberar tensiones creadas en el temple mejorando la tenacidad, quedando el acero con la dureza o resistencia deseada.Tratamientos isotérmicos de los aceros: Tratamiento en el que el enfriamiento de la pieza no se hace de forma progresiva y regular, sino que se interrumpe a diversas

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temperaturas y esta permanece constante durante un tiempo, dependiendo de la composición, masa y resultados que se desean obtener.

Austempering (transformación isotérmica de la austenita): Tratamiento isotérmico entre 250°C y 600°C. Calentamiento por encima de la temperatura crítica superior, luego enfriamos rápidamente a 250°C – 600°C en plomo o sales fundidas, manteniendo temperatura constante hasta que se verifique la transformación de la microestructura.

Martempering: Es un temple en etapas. Se calienta por encima de la temperatura crítica superior y se enfría rápidamente hasta 200°C – 400°C en baño de sales manteniendo la temperatura constante hasta que se homogenicen la temperatura en toda la pieza sin dejar que se transforme la austenita. Luego se enfría al aire. Se logra un temple casi simultáneo de toda la masa del acero evitando dilataciones desiguales en el material que pueden provocar fracturas en el mismo.

Recocidos isotérmicos: Tratamientos de ablandamiento. Se calienta por encima de la temperatura critica (superior/inferior), entre 740°C y 880°C y luego se enfría hasta 600°C – 700°C y se mantiene a dicha temperatura por varias horas hasta completar la transformación isotérmica de la austenita. Se enfría luego al aire. Se obtienen durezas muy bajas. Se austeniza completamente en aceros hipoeutectoides e incompletamente en hipereutectoides.

Temple superficial: Endurecimiento de la capa superficial de la pieza. Calentamiento por llama o corrientes inducidas de alta frecuencia, enfriamiento generalmente al agua.

Tratamientos térmicos en los que hay cambio de composición: En esta clase de tratamiento, además del tiempo y la temperatura, se tiene en cuenta el medio/atmósfera que envuelve al metal durante calentamiento y enfriamiento. Buena dureza superficial para resistir desgaste, tenacidad en el núcleo.

Cementación: Tratamiento térmico en atmósfera rica en carbono aumentando el %C en la zona periférica. Luego por temple y revenido se obtiene gran dureza superficial.

Cianuración: Ídem cementación con atmósfera rica en cianuro. Luego con un temple se obtiene gran dureza superficial.

Sulfinización: En baños de sales especiales a 565°C. Obtiene mayor resistencia al desgaste sin generar grandes cambios en la dureza.

Nitruración: Endurecimiento superficial a baja temperatura en que piezas (templadas y revenidas) calentadas a 550°C absorben nitrógeno formando nitruros de alta dureza que endurecen la periferia sin necesidad de un tratamiento térmico posterior.

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Recocido de regeneración, temple y normalizado:

En los tres casos, el calentamiento es levemente superior a la temperatura crítica con un tiempo de permanencia dado para lograr la austenización completa.El enfriamiento varía:

• Recocido de regeneración: En el interior del horno. La velocidad es muy lenta.• Temple: Veloz, en agua/aceite.• Normalizado: Enfriamiento al aire.

Calentamiento: Para piezas con un diámetro mayor a 200mm NO se recomienda ingresarlas en un horno a temperatura mayor a 350°C.Si la pieza es de forma sencilla y poco espesor, puede ingresarse directamente en hornos calientes a altas temperaturas (750°C – 850°C), pero las piezas gruesas deben calentarse con precaución para lograr un calentamiento uniforme hasta el corazón de la pieza.Esto debe hacerse lenta y paulatinamente ya que sino las tensiones internas pueden provocar grietas y rupturas. Estos defectos pueden llegar a aparecer luego del temple o revenido y se atribuye indebidamente a otras causas.El paso de la zona crítica es peligroso en piezas gruesas o con calentamientos bruscos ya que la periferia se contrae () mientras el núcleo sigue dilatado.Para evitar problemas, el tiempo desde la temperatura ambiente a 850°C debe ser mayor a ½ hora por pulgada (si es posible conviene que la duración sea de una hora por pulgada de diámetro).Las temperaturas suelen ser:

• Normalizado: Temperatura crítica + 50/70°C• Temple: Temperatura crítica + 40/60°C• Recocido: Temperatura crítica + 20/40°C

Acero quemado: A temperaturas cercanas a la de fusión, el acero pierde cohesión y quedan rodeados de delgadas capas de óxido que imposibilitan la regeneración del acero con calentamiento y enfriamiento. Queda muy frágil con poco alargamiento.

Terminación (del recocido de regeneración): El acero puede sacarse del horno cuando la austenita se transforma por completo en otros constituyentes.

Aceros para herramientas: Hipereutectoides, se ablandan con austenización incompleta.

Aceros aleados o al carbono: Por ej. de construcciones. Se suelen ablandar con calentamientos subcríticos, aunque también se utiliza con frecuencia la austenización completa. El calentamiento subcrítico es más rápido y económico.

• Aceros hasta 0,35%C: normalización.• Aceros con más 0,45%C: recocido de austenización incompleta y enfriamiento

lento.• Aceros entre 0,35%C y 0,45%C: se utiliza ambos.

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Temple: Microestructuras varían según las velocidades de enfriamiento.

Menos velocidad

Más velocidad

Perlita gruesa10 a 20 Rc.Perlita fina

SorbitaTroostita 30 a 45 Rc.Bainita gruesa

Hasta 60 Rc.Bainita fina.

Precisa austenización completa sí o sí. Con aproximadamente 0,50%C por encima de la temperatura crítica (A3 y Ac3) para evitar problemas por errores.

En aceros para herramientas (hipereutectoides) se utiliza austenización incompleta (recordar el ∆T necesario para austenización completa) ya que ofrece los mejores resultados: martensita + carburos (puede aparecer austenita sin transformar).

Normalizado: Afirma estructura, generalmente se obtiene perlita fina. También elimina las tensiones de la solidificación.Calentamiento por encima de Ac3 o Acm para austenizar por completo y luego enfriar al aire tranquilo. Enfriamiento más rápido que temple y más lento que recocido.

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Constituyentes microscópicos de los aceros:

Ferrita: Solución sólida α. Muy blanda, dúctil y maleable. Dureza 90HB.Disuelve impurezas en aleados Ni, Mn, Cu, Si, Al.

Martensita: Hierro α con carbono que distorsiona la celda unitaria (pasa de cúbica a tetragonal centrada en el cuerpo).Agujas a 60° unas de otras.

Troostita: Agregado extremadamente fino de cementita Fe3C y Fe-α. Es magnética. Modular y oscura.

Sorbita: Agregado fino de cementita Fe3C y Fe-α. Posee la máxima resistencia de los microconstituyentes del acero.

Bainita:• Superior: Aspecto arborescente. Es una matriz ferrítica que posee carburos.• Inferior: Aspecto acicular. Agujas alargadas de ferrita que poseen placas

delgadas de carburos.

Aleantes:• Se disuelven en ferrita: Si, Ni, Al, Mn, Cu, P, Cr• Se combinan con carbono: Cr, Mb, Mn, W, Va• Se combinan con otros elementos: Si (forma silicatos), Al (forma alúmina), Si y

Al (forman alúmino silicatos), Ti (forma óxido de titanio o carburos, nitrutos y cianonitruros), Mn (forma silicatos y sulfuros).

• Elementos dispersos: Forman cuerpos raros (Cu si supera el 0,75% y Pb).

Inclusiones no metálicas:• Sulfuros: Sulfuro de manganeso, el más importante: plástico, gris, se deforma y

alarga por forja y laminación.• Óxidos: Más usual, la alúmina: dura y frágil, en forja y laminado se rompe y

dispersa apareciendo en pequeño tamaño color oscuro formando grupos. Aparece en aceros inoxidables con aluminio.

• Silicatos: Muy peligrosos, suelen ser silicatos complejos de Mn, Fe, Cr. Se alargan y rompen en el laminado y forja, existiendo dos clases típicas: 1) silicatos que al deformarse presentan estructuras angulares con aristas vivas parecidas a los óxidos y 2) silicatos de características vítreas que se alargan fácilmente y rompen nuevas. También hay silicatos intermedios.

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Curvas de la S:

Diámetro crítico ideal (Di): Es el diámetro del mayor redondeo de un acero en cuyo centro la microestructura está compuesta por un 50% de martensita.

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Ensayo de Jominy:

Ensayo muy empleado en aceros con menos de 0,6%C.

Temperatura de normalizado de la pieza: Ac3 + 80°C.Temperatura de austenización: Ac3 + 60°C. Se austeniza en un molde de grafito o en una cara de viruta de fundición para evitar la descarbonización de la probeta. Tiempo de austenización: ½ hora.Tiempo de enfriamiento por chorro de agua: 10 minutos.Tiempo máximo para colocar probeta luego de sacada del horno: 5’’.

Se desbastan 0,5mm de los lados de la probeta. La temperatura durante el desbaste no debe superar los 100°C. En la superficie desbastada se mide la dureza cada 1/16 pulgadas. Con los datos se grafica una curva de dureza en función de distancia a la base (chorro de agua).

Chorro de agua debe mantenerse a presión constante, una altura de 2,5 pulgadas y diámetro crítico de salida ½ pulgada.

Consideraciones a partir de Jominy:• Elementos de aleación permiten durezas elevadas con enfriamientos lentos.• La sección cuidadosa de elementos de aleación ejerce mayor efecto que muchos

de único aleante.

Bandas de templabilidad (AISI – SAE): Plantear curvas máximas y mínimas entre las que deben encontrarse los valores de ensayo de Jominy.

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Revenido: Calentamiento post temple para corregir los inconvenientes del mismo. Elimina las tensiones internas, disminuye la dureza y resistencia pero aumenta la tenacidad.

• Hierro γ (austenita): FCC• Hierro α (ferrita): BCC• Martensita: BTC (tetragonal centrada en el cuerpo)

A mayor temperatura de revenido, mayores son los efectos. A temperatura más alta es menor la dureza y la resistencia pero mayor la tenacidad.

Por debajo de 450°C la tenacidad no varía considerablemente; por encima de esa temperatura de revenido, la tenacidad mejora notablemente.En aceros de alta aleación, en los que queda martensita más austenita residual, al revenir entre 350°C y 550°C, se transforma la austenita residual en otros constituyentes que otorgan mayor dureza (por dureza secundaria).En estos casos, mientras mayor haya sido la temperatura de temple, mayor será el aumento de dureza porque implica una mayor cantidad de austenita residual post temple.

Modificaciones de volumen en revenido: Los aceros, por efecto del revenido, disminuyen su volumen. A nivel microscópico, la martensita del temple libera tensiones y deja salir carbono por difusión cambiando su microestructura.

1. Primera etapa: El carbono precipita como є (diferente a Fe3C), generando una pérdida de carbono en la martensita que queda con 0,25%C y transforma su red tetragonal en cúbica.

2. Segunda etapa: Aquí la austenita retenida en el acero templado se transforma en bainita. Esta bainita al calentarse en el revenido sufre precipitación de carbono, dejando cementita y ferrita.

3. Tercera etapa: En carbono є se re disuelve al aumentar la temperatura y precipita luego en los límites de las aguas de martensita. La cementita aparece tanto en el interior como en el extremo de las agujas de austenita. Al recalentarla, la cementita del interior se re disuelve y se engrosa la cementita exterior. Al proseguir el calentamiento (600°C) se inicia la coalescencia y globulización de la cementita. La matriz queda de ferrita (con menos de 1000 aumentos es difícil diferenciar la ferrita de la cementita).

En los aceros de alta aleación existe una cuarta etapa en la cual, a elevadas temperaturas de revenido, precipitan carburos de aleación.El único cambio de la red cristalina es el de la austenita retenida de red gamma a red alfa.

Transformaciones microscópicas en el revenido de aceros con austenita residual: A partir de 225°C, se inicia la descomposición de la austenita residual. A partir de los 400°C empieza a precipitar la cementita y a temperaturas más elevadas comienza si coagulación. Para transformar la austenita retenida es necesario tiempos prolongados. Las temperaturas y tiempos de revenido dependen de los elementos de aleación y de la composición del acero.

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Doble revenido: Utilizado para mejorar el rendimiento en aceros rápidos y aceros indeformables con altos contenidos de cromo.En estos aceros, al templar queda una fracción de austenita retenida y el resto es martensita. En el primer revenido la martensita queda como martensita revenida y la austenita retenida pasa a ser martensita (o bainita interior). En el segundo revenido la martensita (o bainita interior, que posee tensiones a eliminar), que surgió de la austenita retenida, queda como martensita revenida.En los aceros rápidos aparecen también carburos complejos sin disolver.

Fragilidad del revenido: Entre los 250°C t los 400°C del revenido, se verifica un aumento de la fragilidad /obviamente opuesto a la situación del revenido que es aumentar la tenacidad). Este problema se da en la tercera etapa del revenido donde precipita cementita rodeando las aguas de martensita, generando una red de cementita que aumenta la fragilidad.Por encima de los 400°C comienza a producirse la coalescencia de la cementita y esta red desaparece aumentando la tenacidad.Modificando los elementos de aleación (con Si, por ej.), se logra aumentar la temperatura a la cual se da la fragilidad.

Fragilidad Krupp: De causas desconocidas, se da en aceros al cromo-níquel que tienen una estadía prolongada en el rango de 450°C y 550°C (si el revenido se hace a mayor temperatura pero enfriamiento lento también se observa esta fragilidad). Se evita agregando entre 0,15% y 0,5% de Molibdeno.

Colores de revenido: Dependiendo de la temperatura de revenido (cuando se hizo en atmósfera oxidante: mucha proporción de O2) la pieza varía su color desde amarillo pálido (temperaturas más bajas) a gris negro (temperaturas más altas).En los aceros inoxidables para un mismo color se precisan mayores temperaturas.

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Tratamientos isotérmicos

Recocido isotérmico: Más rápido que aquellos de enfriamiento lento.Temperatura de austenización: Ligeramente superior a Ac3 ó Ac1 (más común). Se enfría rápidamente a temperatura inferior a Ac1 y se mantiene hasta el fin de la transformación y luego se enfría al aire.

Por ejemplo, en un acero con 1%C la duración del isotérmico es de 6 a 12 horas mientras que el TEC es de 12 a 24 horas con una velocidad de 15°/hs.

Austempering: Utilizado en piezas pequeñas, aceros al carbono y de baja aleación que precisan durezas ~40 a 55 Rc.Se obtiene una estructura bainítica por lo que tiene:

• Más tenacidad que en temple y revenido.• Misma dureza que en temple y revenido.• No hay peligro de grietas o deformación.

Ofrece muy buenos resultados en aceros de entre 0,5%C y 1,2%C.

Temperatura del baño de sales: 250°C – 550°C.El enfriamiento inicial debe ser lo suficientemente veloz para que no haya perlita. Justamente esta es la mayor problemática de este tratamiento y es común la aparición de estructruas perlíticas y sorbíticas (más blandas).

Martempering: Se austeniza por completo. Se enfría en baño de sales hasta alrededor de 200°C – 300°C (siempre ) y se mantiene hasta que toda la pieza llega a la misma temperatura. Luego se enfria al arie dando lugar al temple.

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Variables a controlar: El enfriamiento hasta 200C – 300°C debe ser lo suficientemente veloz para evitar que se entre en curva S (la que ocasiona la aprición de microconstituyentes indeseables). La permanencia a 200°C – 300°C no debe permitir el ingreso a la S.Tiene la misma complicación que el austempering respecto de la velocidad de enfriamiento. Es preciso conocer el diagrama TEC (sobretodo en la zona de la nariz/narices).

Patenting: Calentamiento por encima de la Ac23 hasta austenización. Enfriamiento y mantenimiento en baño de sales o plomo fundido. Se obtiene perlita, sorbita o bainita. Se suele utilizar tanto como tratamiento intermedio para eliminar acritud o como tratamiento térmico final.Muy útil en aceros de alto porcentaje de carbono (0,5%C – 0,7%C) a deformar plásticamente.

Tratamiento subcero: En aceros rápidos, aleados y cementados luego del temple suele quedar austenita residual (~10%) cuando el enfriamiento es a temperatura ambiente.Sin embargo, si se enfría hasta -160°C de manera continua, esa austenita residual pasa a ser ~1,5%. Se obtienen excelentes resultados a temperaturas menores a 200°C. Por encima de los 200°C la dureza decae alevosamente.

Temple en agua y aceite: A veces es conveniente el enfriamiento del temple en dos partes: la primera en agua (más brusco que aceite) para evitar que se toque la nariz de la S, para luego pasar al enfriamiento en aceite (menos brusco que agua) que otorga menores diferencias de temperatura entre la periferia y el núcleo de la pieza.

Tratamiento de ablandamiento:

Recocido globular: Temperatura subcrítica (para aceros al carbono) o superior a Ac1

(para aceros aleados).En aceros para herramientas, la estructura esferoidal permite disminuir la dureza (para mayor maquinabilidad) y además al templar y revenir se obtiene buena tenacidad.

Recocido para aceros estirados en frio: Se genera la recristalización de la ferrita ablandando la pieza.

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Envejecimiento o maduración: Lo sufren los aceros estirados en frio cuando permanecen mucho tiempo a temperatura ambiente (envejecido espontáneo) o por calentamiento a temperaturas variables desde 100°C a 350°C (envejecido artificial) siendo este último caso el peor.

Efectos: • Aumento de resistencia: más acusado en envejecimiento artificial. En

envejecimiento a 200°C – 250°C el aumento va de 32kg/mm2 a 42kg/mm2.• Variación de la curva є-σ: En envejecimiento espontaneo el límite de elasticidad

aumenta con el tiempo (pasa de 20 a 25kg/mm2 al cabo de dos años y ½).• Pérdida de tenacidad: Si la reducción de la sección en la deformación es superior

al 10% o 12% y el envejecimiento es a 200°C – 300°C, la resistencia disminuye considerablemente. Al llegar a 250°C la resistencia vuelve a aumentar.

• Mejora en maquinabilidad: Al estirarse en frio, se reduce la plasticidad de la ferrita (que aumenta también la resistencia). Esto se da a los 6 meses a temperatura ambiente (envejecimiento espontáneo) o con calentamiento (envejecimiento artificial).

Esto se da por la variación de la solubilidad de la ferrita por su saturación durante la deformación que provoca luego la precipitación de solutos.El envejecimiento se evita utilizado aceros desoxidados intensamente con Al-V-Ti que no sufre estos efectos nombrados. Se los llama aceros estabilizados.Recocidos de aceros estirados en frio (0,3%C a 0,5%C) hecho a 710°C se consigue estructuras globulares fáciles de mecanizar. Para hay que hacer patenting.

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Cementación: Se usa en piezas mecánicas que precisen superficies duras y resistentes al desgaste y núcleo tenaz para soportar choques.La cementación consiste en aumento del porcentaje del carbono superficial. Se logra rodeando la pieza con un material carburante a alta temperatura (entre 850°C y 1000°C, usándose mucho T~900°C) por un tiempo determinado.Tiempo:

• Carburantes sólidos: (horas).• Carburantes líquidos:• Carburantes gaseosos:

Se realiza en aceros al carbono o aleadaos con %C generalmente entre 0,08% y 0,25%, aunque excepcionalmente puede llegar a 0,4%.

Dos etapas principales:1. Absorción del C por el acero.2. Mejoramiento de propiedades por tratamiento térmico.

La cantidad y distribución del C absorbido depende de:• Composición del acero original.• Naturaleza del elemento cementante.• Tiempo y duración del proceso.

La pieza cementada tiene dos zonas con distinta composición química:• Núcleo o alma.• Periferia o capa cementada.

La pieza cementada requiere TT ya que su periferia es blanda a pesar del alto contenido de carbono y su núcleo frágil por el tamaño de grano (consecuencia de la permanencia a alta T).

Instalaciones de cementación:• Cementantes sólidos.

Hornos a gas, carbón, fuel oil, eléctricos.Se colocan las piezas en cajas con los cementantes sellando las juntas con barras o arcilla refractaria.Las cajas suelen ser de fundición o distintos aceros, siendo las de acero inoxidable las mejores por su resistencia al calor y al no oxidarse duran más.

• Cementantes líquidos.Usa crisoles de fundición o aceros (el inoxidable nuevamente es el mejor).A gas, carbón, fuel oil o eléctricos.Si es cianuración hay que tener cuidado de que los vapores de CN no toquen la resistencia ya que los ataca.

• Cementantes gaseosos:Se usan hornos rotativos circulares (como el de Tenaris) o continuos (cerámicos, Mat II).

Capa cementada: Luego del proceso, su %C es mayor al del acero (y suele ser mayor a 0,5%C – 0,8%C). Su dureza es superior a 56 – 60 HRc.El espesor de la capa dura es entre ¼ y ½ de la profundidad de la capa cementada. A veces se marca la profundidad con 0,3%C ó 0,5%C.

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Existen tres grupos de clasificación de capas cementadas:1. Capas delgadas (menos de 0,5mm de espesor) para piezas péquelas de aceros al

carbono. Generalmente se templan desde la temperatura de cementación y no pueden rectificarse. Generalmente se usan sales de cianuro.

2. Capas medias (), común en piezas de fabricación de máquinas y motores. Se logra con cementado sólido/líquido/gaseoso en piezas de acero al carbono o aleados.

3. Capas de gran espesor (mayor a 1,5mm). Generalmente se usan cementantes sólidos y gaseosos (aunque pueden utilizarse líquidos). Capas de blindaje con espesor de 3mm a 4mm son cementadas con gases.El %C en la capa cementada no debe pasar el 1% y su dureza es conveniente supere los 60HRc (donde la lima no raya al acero). Si puede haber red de cementación en la periferia por lo que es conveniente un recocido de difusión entre 800°C y 900°C para homogeneizar y evitar fragilidad en la superficie.

Cementación con materias sólidas: Los más usados son carbón vegetal, huesos calcinados, cuero, coque, más carbonatos de bario, calcio y sodio.No se usa carbono solo ya que no permite más de 0,65%C en la periferia, en cambio sumando carbonatos llegamos a un máximo de 1,2%C.Carbón vegetal + 10% BaCO3 logra resultados buenos.El carbono debe estar seco ya que la humedad actúa como descarbonante local.

La cementación se da por:• Se desprenden grases de los elementos carburantes (CO2 por coque, carbón,

etc.).• Descomposición de CO2 a alta temperatura.

1.2. (carbono naciente)3.

En cementación gaseosa:4.5.

La cementación ce completa cuando la cementita difunde dentro de la pieza. Por lo tanto las etapas son:

1.Producción de C naciente.2.Absorción del C en zona perimetral.3.Difusión hacia el núcleo.

Los carbonatos mezclados con carbono aceleran el proceso según:••••

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Inconvenientes de cementantes sólidos:1.Duración de la operación al tener que calentar cara + pieza + cementantes a altas

temperaturas.2.Gasto de combustible.3.Costo elevado de preparación de cajas.4. Imposibilidad de templar desde temperatura de cementación.5. Irregularidad de temperaturas en el interior de las cajas.

Penetración: La penetración del carbono depende de la temperatura T y el tiempo t. a medida que avanza la cementación, disminuye la velocidad porque aumenta la concentración de carbono, comportándose así el acero como una solución que se acerca a su punto de saturación.

Endurecimiento superficial en baños de sales fundidas: Se realiza generalmente por cianuración.En un principio se utilizaba cianuro potásico. Luego se comenzó a utilizar cianuro sódico (más barato). Luego se combinó cianuro sódico con cloruro y carbonato sódico que redujeron aun más los costos, aunque no se lograba más penetración que 0,3mm.Mayores profundidades se obtuvieron con baños inertes de cloruro cálcico a los que se les agregaba cianuro de calcio infusible. Este baño era reactivado inyectándole más cianuro. Para capas de más de 2mm de espesor es necesario el uso de catalizadores.La cianuración se realiza entre 760°C y 950°C y endurece por el agregado de C (forma Fe3C) y N (forma nitruros: gran dureza).

Se realiza utilizando cianato sódico:•••

Si el baño de sales no tiene cianato (NaCNO) no se da la cianuración, esto es naturalmente imposible ya que las altas temperaturas favorecen la formación del cianato a partir del cianuro de sodio.Los nitruros dificultan la penetración del C, es por esto que deben utilizarse catalizadores para obtener grandes espesores. El contenido de nitruros en la periferia será mayor que el de C, sucediendo lo contrario cuando nos acercamos al núcleo.Al aumentar la temperatura, disminuyen los contenidos de N y C en la periferia y aumenta en el núcleo.Al aumentar el tiempo (de 10’ a 50’ por ejemplo), aumentan las concentraciones de N y C en el núcleo, no habiendo diferencias sensibles en la periferia.La cianuración se usa también en piezas de mayor contendido de carbono para obtener mayores durezas en el temple obteniendo finalmente durezas en el núcleo de un temple y revenido normal y durezas entre 40 y 62 Rc en la periferia (dependiendo de la T de revenido).

Cementación en baños de sales: Se utilizan sales como cianuro de sodio más cloruro bárico que funcionan como catalizadores. La dureza se da solo por el accionar del carbono.Las reacciones son:

••

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Espesor %NaCN TemperaturaMenos 1,5mm 17% a 23% 850°C a 900°CEntre 1mm y 3mm 7,5% a 12% 875°C a 950°C

Inconvenientes:• Contenido insuficiente de cianuro (o cianato) para generar carbono activo.• Aumento exagerado del contenido de carbonato sódico.• Cantidad excesiva del cianato sódico.• Error en temperatura de cementación.

Para facilitar el proceso, los fabricantes ofrecen tres tipos de sales:1.Una única sal que contiene todos los elementos para realizar el proceso de

manera deseada.2.Dos sales: una neutra y la otra una sal de cianuro con cloruros activadores.3.Tres sales: una neutra de bajo punto de fusión para iniciar el proceso, otra sal de

cianuro y una tercera que actúa como catalizador.

Cementación con gases: Generalmente se usa una atmósfera carburante a 850°C – 950°C durante 1 a 8 horas obteniendo espesores de 0,2mm a 1,5mm. En casos especiales (blindajes) se utilizan procesos más largos obteniéndose espesores de hasta 4/5mm. Los hornos pueden ser rotativos/continuos/estacionarios.

Atmósferas carburantes: Los mejores resultados se dan con HC diluidos en CO2, N2, H2, etc., ya que los HC se disocian mucho más fáciles que el CO2 y dan C (naciente) de manera más fácil. No se usa gas natural ya que deja hollín y la variación de su composición complica la obtención de piezas similares a lo largo del tiempo para un mismo proceso.

Una composición típica suele ser: CO 20%; H2 39%; H2O 0,25%; CH4 0,75% (puede cambiarse por propano o butano); CO2 trazas; N2 40%.El propano y butano antes de inyectarse a la atmósfera pasan por un tanque con catalizadores donde se disocian y forman metanos.

• (reacción de obtención de carbono naciente).•

El hidrogeno (descarburante fuerte) es muy necesario ya que evita los depósitos carbonosos sobre la superficie de la pieza, que dificultan la penetración del C naciente.Si no se obtiene CO2 y H2 es señal de que no está ocurriendo carburación.

Generalmente este proceso se da en dos etapas:1. Carburación fuerte a muy alta temperatura en atmósfera muy carburante.2. A 800°C en atmósfera neutra o poco carburante para logar buena distribución del

carbono dentro de la pieza.

Cianonitruración: T~850°C. Atmósfera gaseosa: gas carbonoso o líquido carburante que vaporiza en el horno (otorga C). Amoníaco otorga N.

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Ventajas muy importantes: El nitrógeno disminuye la velocidad crítica del temple. Esto permite utilizar aceros más baratos carbonitrurados en vez de utilizar aceros de alta aleación.La cianonitruración ofrece mayor templabilidad mientras se haga a menor temperatura. Se obtienen durezas de +60Rc en capas de 0,1mm a 0,6mm de espesor.La austenita a bajas temperaturas es más estable en la carbonitruración que en la cementación.La presencia de nitrógeno permite obtener altas durezas aun después del revenido.

La adición de carbono se logra con: gas natural, gas de gasógeno, HC líquidos que vaporizan a alta temperatura.El amoniaco se inyecta líquido y vaporiza dentro del horno.

El exceso de HC puede generar hollín que dificulta el proceso.

Sulfinización: Agrega S a la pieza a baja temperatura (565°C) en un baño de sales. El baño de sales posee dos sales:

• Bajo • Alto

Lo que penetra en el metal es el sulfocianuro. Se obtienen dos capas en la periferia:1. Muy dura y frágil de espesor 10 a 30 μm.2. Dura y más blanda de hasta 0,3mm.

Espesor total máximo de capa dura es de 0,3mm.

El proceso tiene 5 etapas:1. Mecanizado completo dejando 0,02mm para rectificar luego.2. Precalentamiento previo para evitar enfriamiento brusco en el baño de sales.3. Introducción de la pieza en el baño de sales a 565°C (60 minutos: espesor

0,15mm; 3 horas: espesor 0,3mm), es el adecuado (60’) en el caso que no se precise rectificació luego del proceso.

4. Sacar del horno e introducir en agua para limpiar.5. Rectificado.

Factores a tener en cuenta:• Forma y tamaño de la pieza (para el temple).• Resistencia que debe tener el núcleo central.• $ a pagar.

También según el acero:• Acero al carbono (solo C, Si, Mn en valores altos).• Aceros de media aleación (.• Aceros de alta aleación (ídem anterior).

Según propiedades mecánicas:• Gran tenacidad y baja resistencia (60 a 80kg/mm2).• Media tenacidad y media resistencia (80 a 110kg/mm2).• Alta resistencia (110 a 160kg/mm2)

Según temple:• Temple al agua.

Page 18: Tratamientos Térmicos para Aceros

• Temple al agua o aceite.• Temple al aceite.

Por tamaño de grano:• Grano grueso/medio/fino.

Aceros al carbono: Velocidad crítica de temple elevada (debe templarse al agua). Se cementan piezas de entre 0,12 y 0,17%C. En piezas grandes se utiliza hasta 0,2%C. Los porcentajes de Mn son mayores a los valores si se va a cementar (0,6% a 0,9%).

Aceros de baja aleación: Generalmente entre 0,15% y 0,25%C (depende de aleantes). Se suelen templar enaceite si es de abaja aleación. Se templan en agua. Las resistencias según los aleantes son variables de 70kg/mm2 a 130kg/mm2.

Aceros de alta aleación: Generalmente entre 0,1% y 0,2%C. Se utilizan cuando quiero alta resistencia en el núcleo y evitar deformaciones. Se templa en aceite.

Tipo de pieza Tipo de acero Medio de templePiezas pequeñas de forma regular. Sin probabilidad de problemas o deformaciones. Tenacidad y resistencia del núcleo no son importantes.

Al carbono Agua

Piezas medianas y pequeñas donde las deformaciones deben evitarse. Tenacidad en el núcleo y resistencia entre 70 a 90 kg/mm2

Media aleación Agua o aceite

Piezas de cualquier tamaño. Donde cualquier deformación puede causar problemas. Buena tenacidad y resistencia en núcleo (90 a 150kg/mm2)

Alta aleación Aceite

La capa cementada suele tener valores de dureza mayores a 60Rc aunque en ciertos casos 52 a 60Rc son aceptables.

• HRc > 63: muy bueno• 62 < HRc < 63: bueno• 60 < HRc < 62: aceptable

Método simple para detectar piezas con durezas mayores a 60: se usa una lima fina, si lima raya el acero entonces la dureza HRc < 60.

Medida de capa cementada:1. 1er método:• Templar desde 800°C en agua.• Romper• Observar la fractura (frágil)2. 2do método: Observación microscópica.

Características mecánicas del núcleo central: R suele variar entre 45 y 140kg/mm2. Para aceros de grano grueso debe efectuarse un doble temple para resultados óptimos.Si en grano fino genera gran tenacidad, el temple debe hacerse desde T ligeramente superior a Ac1. Si quiero gran resistencia debe ser T > Ac3.

Page 19: Tratamientos Térmicos para Aceros

Tratamientos térmicos para aceros cementados:1. Temple directo desde temperatura de cementación y revenido: Para piezas de

baja responsabilidad y cementación ligera (espesor entre 0,2 y 0,6mm). Tenacidad del núcleo sin importancia, los aceros deben ser al carbono o de baja aleación y grano fino. Los de alta aleación tendrán austenita residual. Si es de grano grueso el corazón queda frágil.

2. Cementación, enfriamiento lento, temple a temperatura entre Ac1 y Ac3. Revenido para aceros de alta aleación y grano fino ofrece máxima tenacidad en el núcleo. Si el grano es grande, la periferia queda bien pero el núcleo es frágil.

3. Cementación, enfriamiento lento, temple a temperatura mayor que Ac3 y revenido. Ofrece máxima resistencia en el núcleo y buena tenacidad en el ya que el calentamiento por encima de Ac3 da recristalización alotrópica. La periferia puede quedar de grano grueso, ergo frágil. Puede quedar austenita residual que disminuye en periferia. Es óptimo para piezas de media aleación, grano fino y que quiero núcleo de resistencia máxima.

4. Cementación. Enfriamiento lento. Temple a temperatura mayor que Ac3, entre Ac1 y Ac3. Revenido. Para aceros al carbono y media aleación de grano grueso, indicado para piezas de alta responsabilidad. Periferia dura y tenaz, núcleo con buena resistencia y tenacidad.

Para proteger zonas a no endurecer:Zona cementar, pintar con cera. Se electroplotea con cobre. Se mete en horno, la pintura con cera se desprende y esa parte se cementa.

Page 20: Tratamientos Térmicos para Aceros

Nitruración: Aproximadamente 500°C.Reacción: duración de 20 a 80 horas. Espesor 0,2 a 0,7mm.

1. Temple y revenido para endurecer y dar tenacidad al núcleo.2. Se mecaniza para dar dimensiones finales.3. Se puede calentar a 500°C – 600°C (por debajo de temperatura de revenido) para

aliviar tensiones de mecanizado.4. Se protegen zonas que no quiero endurecer.5. Se nitrura.

Ventajas:1. Gran dureza (hasta 1100HV).2. Gran resistencia a la corrosión. Tienen mayor resistencia al agua, agua más sal,

vapor de agua y ataque de metales o aleaciones fundidas.3. Ausencia de deformación. Al no deber ser templado post TT puede ser enfriado

lentamente evitando así deformaciones.4. Endurecimiento exclusivo de deformaciones superficiales. Sus superficies son

fáciles de proteger si no quiero nitrurar.5. Retiene dureza a alta temperatura.

Teoría de la nitruración: Se da un aumento de la dureza por la aparición de un eutectoide de Fe y Fe4N (nitruro de hierro) o Braunita. Esto se da solo a alta temperatura. A 500°C no se da. En verdad lo que sucede es que a 500°c y en contacto con el acero caliente, el NH3 se disocia según:

•••

El N difunde dentro del acero y forma nitruros sub-microscópicos. Existen dos tipos:1.2.

Eutectoide: 2,33%N.

En aceros al C la penetración del N es más fácil, pero en los aleados es que se dan capas superficiales de mayor dureza y “algo” adheridos ya que favorecen la formación de nitruros de Al-Cr-Mb.La nitruración aumenta la dureza por la deformación del retículo cristalino.

1. Se forma nitruro de hierro (soluble en ferrita).2. En nitruro de hierro se disocia y forma nitruros con los elementos de aleación

(no solubles en ferrita) y se precipitan deformando el retículo.

Descarburación: La superficie de la pieza puede verse descarburada (firmando ferrita en dicha zona) ya que la atmósfera de NH3 es descarburante (aunque a esta temperatura no afecta de manera importante). La causa más importante es la descarburación por forja o laminado. La aparición de ferrita dificulta la nitruración porque forma nitruros de hierro que son muy frágiles.

Composición del acero a nitrurar: %C entre 0,2 y 0,6% más Al, Cr, Mb, V. El porcentaje de carbono no afecta el proceso.

• Mb evita fragilidad de los aceros a altas temperaturas por mucho tiempo.• Cr y V aumentan la profundidad de la capa dura.• Al, el más importante para obtener máxima dureza.

Page 21: Tratamientos Térmicos para Aceros

Características mecánicas: Resistencia del núcleo 75 – 135kg/mm2.• Aceros con Al entre 1000 y 1100HV. (Dureza en capa superficial.)• Aceros con Cr entre 800 y 850HV.• Aceros con CrMb/CrV entre 650 y 800HV.

Espesor de la capa dura de 0,2 (25hs.) a 0,7mm (80hs), temperatura aproximadamente 500°C. Los hornos suelen ser eléctricos y automáticos, deben ser herméticos.Las partes que no quiero nitrurar pueden protegerse con una aleación 60%Pb y 40%Sn. La capa debe limpiarse, que no queden sobrantes ya que funde a menos de 500°C y puede dejar sedimentos.Para evitar deformaciones de nitrurados que se puedan dar por mecanizado, debe realizarse un recocido de estabilización a temperatura inferior a la del revenido.Se pueden mejorar los aceros rápidos para herramientas con la nitruración dándole temple y revenido al acero luego de nitrurarlo. NO debe rectificarse luego o se eliminará la capa dura. La dureza será entre 900 y 1000HV.

Endurecimiento por temple superficial por llama oxiacetilénica: Se calienta superficie con la llama y luego se enfría rápidamente. Para evitar desconchamientos superficiales se usan aceros entre 0,3 y 0,6%C. Para lograr buenos resultados se maneja la llama con máquinas. La intensidad del temple depende de la distancia entre la llama y el chorro de agua.

Cuatro tipos de máquinas para el calentamiento:1. Pieza quieta y llama se mueve, luego llega el enfriamiento.2. La llama y el aparato de enfriamiento son estacionarios. La pieza se mueve.3. La llama y el aparato de enfriamiento se mueven en una dirección y pieza en

otra.4. La llama calienta una zona, la máquina de enfriamiento realiza el temple. Luego

la llama calienta otra zona… etc.El calentamiento puede darse también por inducción de alta frecuencia. El calentamiento por histéresis no tiene suficiente fuerza en este caso por lo que no influye. Además, por encima de 768°C el hierro es austenítico por lo que no genera calor. Las corrientes de Foucault son las que generan grandes calores. A medida que aumenta la temperatura, se disminuye la intensidad del calentamiento, autoregulándose el calentamiento.

Mayores descarburantes: O2, CO2, H2O (g), por oxidación; H2 por reducción.•• (también puede reaccionar con hierro de ferrita)•••••