dureza y temple
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Tema 6.
Dureza y Temple.
Homogeneidad de la Austenita.
Se refiere a la uniformidad en el contenido de carbono en los granos de austenita.
Si un acero hipoeutectoide se calienta para endurecerlo, cuando la lnea A1se cruza, los granos
de austenita formados de la perlita tendrn 0.77%C.
Al continuar el calentamiento, los granos de austenita formados de ferrita proeutectoide
contendrn muy poco carbono (0.02%), de manera que cuando se cruza la lnea A3, los granos
de austenita no sern uniformes con respecto al contenido de carbono.
Al templar, los granos de austenita con menos carbono, por tener una mayor velocidad crtica
de enfriamiento, tender a transformarse en estructuras no martensticas.
En tanto que aquellos ms ricos en carbono, con mayor velocidad crtica de enfriamiento
tendern a formar martensita.
Esta situacin dar como resultado una combinacin de estructuras con una dureza variable.
Esta condicin puede evitarse mediante un calentamiento muy lento, de manera que la
homogeneidad de la austenita se establezca por difusin del carbono durante el
calentamiento.
El problema del mtodo anterior es el excesivo tiempo que se requiere, lo que lo hace un
mtodo no apropiado en trminos econmicos.
Un mtodo ms adecuado es calentar el material a la temperatura de austenizacin.
A esta temperatura, la difusin del carbono es rpida y la uniformidad se alcanzar en un
tiempo corto.
Dureza y Contenido de Carbono.
La mxima dureza que se puede alcanzar en un cierto acero al carbono est asociada con una
microestructura totalmente martenstica.
En la siguiente figura se muestra como la martensita tiene una dureza mucho mayor que
alcanzada por las estructuras ferrticaperltica o esferoidizadas, en todo el rango de contenido
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de carbono de los aceros.
Dureza como funcin del contenido de carbono en aceros.
Temple del Acero.
La estructura, dureza y resistencia resultantes de una operacin de tratamiento trmico se
determinan por la velocidad de enfriamiento real obtenida del proceso de temple.
Si la velocidad de enfriamiento real excede a la rapidez crtica de enfriamiento, slo se
obtendr martensita.
Si la velocidad de enfriamiento real es menor que la rapidez crtica de enfriamiento, la pieza no
endurecer completamente.
Con respecto a lo anterior, a mayor diferencia entre las dos rapideces de enfriamiento, los
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productos de transformacin sern ms blandos y la dureza menor.
La rapidez de enfriamiento a cualquier temperatura puede obtenerse de la curva de
enfriamiento mediante el trazado de una tangente a la curva a esa temperatura y
determinando la pendiente de la tangente.
Cuanto ms prxima a la horizontal sea la tangente, menor ser la rapidez de enfriamiento.
Al observar las tangentes trazadas en varios puntos de la curva de enfriamiento de la figura,
resulta obvio que la rapidez de enfriamiento cambia en forma constante durante el
enfriamiento.
Es importante conocer el mecanismo de eliminacin de calor durante el temple.
Como ejemplo, la siguiente figura muestra una curva tpica de enfriamiento para un cilindropequeo de acero que es templado en agua tibia.
En vez de mostrar una velocidad de enfriamiento constante durante todo el temple, la curva
de enfriamiento muestra tres etapas.
Curva de enfriamiento de un cilindro pequeo de acero templado en agua tibia.
Etapa A:
Estado de enfriamiento por medio de una capa de vapor.
En esta etapa, la temperatura del metal es tan alta que el medio de temple se vaporiza en lasuperficie del metal y una delgada y estable pelcula de vapor rodea al metal caliente.
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El enfriamiento se efecta por conduccin y radiacin a travs de la pelcula gaseosa y, como
las pelculas de vapor son pobres conductoras del calor, la velocidad de enfriamiento es
relativamente lenta a travs de esta capa.
Etapa B:
Enfriamiento por transporte de vapor.
Esta etapa empieza cuando el metal se ha enfriado a una temperatura tal que la pelcula de
vapor ya no es estable.
Lo mojado de la superficie del metal por el medio de temple produce una violenta ebullicin
(gran generacin de burbujas).
El calor se elimina del metal muy rpidamente como calor latente de vaporizacin.
Esta etapa es la ms rpida del enfriamiento.
Etapa C:
Enfriamiento por medio del lquido.
Esta etapa comienza cuando la temperatura de la superficie del metal alcanza el punto de
ebullicin del lquido de temple.
Ya no se forma ms vapor, de modo que el enfriamiento se efecta por conduccin y por
conveccin a travs del lquido.
La velocidad de enfriamiento en esta etapa es la ms lenta.
Existen muchos factores que determinan la rapidez real de enfriamiento.
Los ms importantes son:
El tipo de medio de temple
La temperatura del medio de temple
La condicin superficial de la pieza
El tamao y masa de la pieza.
Medios de Temple
El temple por lo general se realiza por inmersin en agua, salmueras acuosas, soluciones
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custicas, soluciones polimricas, sales fundidas o baos de metales fundidos. En ciertos casos
en aire quieto o gas forzado, o aire, por roco, o por dados metlicos enfriados con agua.
El medio de temple ideal debe tener velocidades de temple iniciales muy altos, esto es que las
dos primeras etapas prevengan la formacin de la fase perltica o baintica, y que la tercera
etapa sea lenta para minimizar la distorsin y el agrietamiento.
Los principales requerimientos para cualquier medio de temple son:
Posea su propia velocidad de enfriamiento (para producir las propiedades requeridas).
Debe poseer propiedades adecuadas absorcin de calor, razonable oxidacin y estabilidad al
envejecimiento; que no pierda sus propiedades fsicas durante el contacto con los slidos
calientes; etc.
Bajo costo y con buena accesibilidad.
Agua
Ventajas:
Medio ms conveniente, accesible, econmico, y fcil de desechar.
Para producir altas velocidades de enfriamiento.
Efectivo para el rompimiento de las cascarillas de xido.
Se usa comnmente para templar aceros austenticos y metales noferrosos despus de
tratamientos de solubilizacin a elevadas temperaturas.
Desventajas:
La 3era etapa se inicia en rangos de temperatura bajos, ms abajo que el aceite, y en esta
etapa la velocidad de enfriamiento es rpida.
Altas tensiones residuales, distorsin y agrietamiento.
Para templar solo piezas simtricas que no posean cambios de seccin bruscos, o esquinas.
Aceros de baja templabilidad (aceros de bajo C, de baja aleacin y carburizados).
La primera etapa se extiende, esta prolongacin se incrementa con la complejidad de la pieza a
templarse.
Dureza dispareja, y esfuerzos no deseados.
Corrosiva. Bacterias. Equipo perifrico.
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Reproducibilidad. Requiere: control en la temperatura, agitacin y contaminantes.
La temperatura ideal 1525 oC.
Salmuera y soluciones custicas.
510 % NaCl soluciones acuosas.
510 % NaOH soluciones custicas.
Ventajas:
Rpido, la primera etapa se reduce.
Reduce las partes blandas.
Menos severidad y distorsin.
Menos efectos crticos por pequeas variaciones en las temperaturas de operacin.
Desventajas:
Altamente corrosivos.
Equipo de seguridad y perifrico.
Mantenimiento riguroso.
Control de contaminantes.
Temperatura: 20oC para la mxima potencia.
Salmuera: para pequeas piezas o de herramientas
Soluciones custicas: produccin en masa.
Aceites.
Clasificacin se basa en: composicin, potencia templante, temperaturas de operacin y seagrupan como: convencionales, rpidos, martempering o temple en caliente.
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Convencionales.
Aceites minerales. Ms simples y econmicos. Pueden contener aditivos (estabilidad
oxidacin y corrosin).
Baja velocidad de enfriamiento durante la primera etapa, mayor en la segunda etapa y muy
lenta en la tercera etapa.
Poco adecuados para aceros de baja templabilidad. Para aceros de alto C y aceros aleados.
Temperatura: 4095 oC.
Rpidos.
Aceites modificados para mayor estabilidad y viscosidad. Mayor vida.
Con aditivos para aumentar la velocidad de enfriamiento a altas temperaturas (1era y 2da
etapas). Y con una 3era etapa lenta a bajas temperaturas (transformacin martenstica) reduce
la distorsin y el agrietamiento.
Aditivos para controlar la oxidacin, mojado, viscosidad.
Temperaturas: 4095 oC, 5070 oC
Martempering (temple en caliente).
Buena estabilidad trmica y oxidacin.
Contienen inhibidores aumentar su vida til.
Emulsiones.
3 a 15 % para realizar temples por rociado (flama e induccin)
Para procesos de maquinado y corte.
Control:
Volmenes de aceite, agitacin mecnica, precalentamiento de los aceites, sistemas o
equipos, contaminacin por agua.
Medidas precautorias.
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Limpieza.
Soluciones polimricas sintticas
Alcohol polivinil (PVA)
Polivinil pirrolidona (PVP)
Glicoles polialkilenos (PAG)
Poliacrilatos
Aplicaciones en aleaciones de Al, aceros al C, aceros al B, aceros inoxidables.
Parmetros de control:
Concentracin, temperatura y agitacin.
Baos de sales
De baja temperatura (150620 oC)
Temperatura media (6501000 oC)
Alta temperatura (10001300 oC)
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Ntese que este medio de temple tiene una etapa de vapor muy corta con una duracin
aproximada de 1 segundo y luego cae rpidamente a la etapa de ebullicin, donde la rapidez
de enfriamiento es muy grande.
Finalmente, llega a la tercera etapa en unos 10 segundos.
Al observar la curva de enfriamiento para el agua de la llave a 75F, se nota que la etapa de
vapor es ligeramente mayor que para la salmuera, y cae en la etapa de ebullicin despus de
unos 3 seg.
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La velocidad de enfriamiento durante esta etapa, aunque es muy grande, no lo es tanto como
para la salmuera.
La tercera etapa se alcanza despus de unos 15 segundos.
La sal fundida tiene una etapa de vapor muy corta, aproximadamente igual a la de la salmuera;
sin embargo, la velocidad de enfriamiento durante la etapa de ebullicin no es tan grande
como para la salmuera o como para el agua de la llave, y alcanza la tercera etapa en unos 10
segundos.
Ambas muestran una etapa de vapor relativamente larga, cuya diferencia es que el aceite
comercial entra a la etapa de ebullicin despus de 7 segundos, en tanto que el aceite lento
entra a la etapa de ebullicin despus de 13 segundos.
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La tercera etapa la alcanza el aceite comercial despus de unos 15 segundos, y de unos 22
segundos el aceite lento.
La curva de enfriamiento final para aire quieto a 82F nunca sale de la etapa de vapor; por
tanto, muestra una rapidez de enfriamiento muy lenta sobre el intervalo completo.
Temperatura y agitacin del medio de temple.
La capacidad de enfriamiento puede afectarse mucho por la temperatura del medio, como en
el agua.
A veces es conveniente elevar la temperatura como en el caso de los aceites, para conseguir su
mxima capacidad de eliminacin de calor (efecto sobre la viscosidad)
La agitacin o velocidad de desplazamiento del fluido en relacin con la pieza no modifica la
localizacin del mximo de velocidad de enfriamiento del medio. Desde luego se favorecesiempre la transmisin de calor cuando aumenta el grado de agitacin.
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Efecto de la temperatura del medio de temple sobre la rapidez de enfriamiento.
Para prevenir un aumento de la temperatura en el medio durante el temple, siempre es
necesario proporcionar suficiente volumen del medio.
En algunos casos, se insertan serpentines de enfriamiento en el tanque de temple, para
controlar la temperatura del medio de temple.
La rapidez de enfriamiento puede mejorarse y la temperatura del medio mantenerse
constante por circulacin del medio y agitacin de la pieza.
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Efecto de la agitacin sobre las curvas de enfriamiento (aceite comercial) obtenidas en el
centro de una pieza de acero.
El movimiento quita la pelcula de vapor tan rpidamente como se forma, reduciendo la
duracin de la etapa de capa de vapor, y resulta en un enfriamiento ms rpido.
De acuerdo a la Ley de Newton para la velocidad de enfriamiento, la velocidad de
transferencia de calor desde la pieza de acero al medio de temple es funcin:
1) De la diferencia de temperaturas entre la superficie del acero y el medio de temple y
2) Del coeficiente de transferencia de calor en la interfase metal/medio de temple. Esto es:
q = hA (T1T2)
donde q cantidad de transferencia de calor, h coeficiente de transferencia de calor, A rea
de superficie en contacto con el medio y T1 temperatura superficial T2 temperatura del
medio.
El valor actual de flujo de calor desde el interior de la pieza que esta siendo templada hacia la
superficie se puede escribir tambin en trminos del gradiente de temperatura dT/dx que se
establece en la pieza:
q = kA (dT/ dx)sup.
donde k conductividad trmica
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Ahora bien, como el calor removido es igual al flujo de calor desde el interior de la pieza hacia
la superficie se tiene que:
k dT/dx = h (T1 T2)
dT/dx = h/k (T1T2)
Estas es la ecuacin en una sola dimensin del flujo de calor y transferencia.
Una relacin que es utilizada ms ampliamente en el temple es la severidad de temple o
conocida como el nmero de Grossman que se expresa como H = h/2k.
Este factor de severidad de temple es aproximadamente 1 para un acero de 1 pulgada de
seccin templado en agua quieta.
La tabla muestra la severidad de diferentes medios de temple, en relacin con agua inmvil
(valor de H=1.0).
MTODO DE
ENFRIAMIENTO
ACEITE AGUA SALMUERA
Sin circulacin o
agitacin de la pieza
0.25 0.30 0.9 1.0 2
Circulacin
agitacin suave
0.30 0.35 1.0 1.1 2 2.2
Circulacin
moderada
0.35 0.40 1.2 1.3
Circulacin buena 0.40 0.50 1.4 1.5
Circulacin fuerte 0.50 0.80 1.6 2.0
Circulacin violenta 0.80 1.0 4 5
Proceso de enfriamiento.
En las condiciones usuales de enfriamiento durante el temple pueden presentarse dos casos
distintos, segn que la temperatura de ebullicin del lquido sea menor o mayor que la del
slido.
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A) Temperatura del medio de enfriamiento lquido (agua, aceite, sales disueltas en agua) es
inferior a la del slido caliente.
Esta transcurre en tres etapas:
1. Alrededor del slido se forma una envolvente de vapor de conductividad trmica muy baja(fase entre 800 y 500 oC)
2. La superficie del slido se ha enfriado lo suficiente como para romper la envolvente de
vapor. El calentamiento del medio origina su ebullicin crendose una emulsin lquido/vapor
en la superficie. La transmisin de calor es muy activa (intervalo entre los 500 y 100 oC).
3. Por debajo de la temperatura de ebullicin del medio de enfriamiento no hay formacin de
vapor; el calor es eliminado por conveccin. La velocidad de enfriamiento es muy baja (100 oC)
La importancia del obstculo a la transmisin de calor en la interfase vara entonces con la
temperatura; el impedimento es mximo en la 1era y 3era etapas.
El agua y las soluciones acuosas de sales tienen prcticamente igual coeficiente de
conductividad trmica; cuando estn en contacto con el acero al rojo, la sal produce
verdaderas explosiones que rompe la envolvente de vapor. Se reduce as enormemente la
duracin de la 1era etapa, favoreciendo a la 2da y luego a la 3era.
Ello explica el mejor poder refrigerante de la salmuera en relacin con el agua ordinaria.
B) La temperatura de ebullicin del medio de enfriamiento es superior a la del slido caliente
(sales o metal fundidos).
En este caso no hay formacin de vapor, ni como envolvente ni como burbujas producidas por
ebullicin; el enfriamiento tiene lugar exclusivamente por conveccin.
Se han generado grficas que ponen de manifiesto la extrema diferencia entre los mximos de
velocidades de enfriamiento, as como las temperaturas a que se producen estos mximos.