tema 3: tratamientos tÉrmicos -...

BLOQUE I: Materiales TEMA 3: Tratamientos trmicos

Tecnologa Industrial II

Pgina 1

TEMA 3: TRATAMIENTOS TRMICOS 0. INTRODUCCIN

Al aadir ciertos elementos (azufre, cobalto, cobre, cromo, tungsteno, manganeso, molibdeno, nquel, vanadio) en la aleacin del acero se consigue mejorar algunas de sus propiedades, obteniendo aleaciones especficas para determinadas aplicaciones industriales, como herramientas, cuchillas, fijaciones, soportes,. Sin embargo la diferencia de comportamiento entre los diversos aceros depende, no slo de su composicin qumica, sino tambin del tipo del tratamiento trmico a los que se les someta. Existen piezas que estn sometidas a condiciones de trabajo que requieren propiedades especficas para soportar esfuerzos de choque, vibraciones y rozamiento superficial. Para soportar estas condiciones de trabajo, se requiere tenacidad elevada, resiliencia, y una gran dureza superficial. Por este motivo se realizan los tratamientos trmicos , que son procesos en los cuales mediante una sucesin de operaciones de calentamiento y enfriamiento, se modifica la microestructura y la constitucin de los metales y aleaciones sin variar su composicin qumica. La finalidad de estos procesos es mejorar las propiedades mecnicas del material, especialmente la dureza, la resistencia, la tenacidad y la maquinabilidad. Pero en estos procesos no se modifica la constitucin qumica de los materiales. Para ello se realizan los tratamientos termoqumicos , que son procesos en los cuales se altera la estructura del metal, modificando su composicin mediante un proceso de difusin. 1. TRATAMIENTOS TRMICOS

Los tratamientos trmicos ms importantes son: temple, recocido, revenido y normalizado . Con su aplicacin se consiguen estructuras ms blandas y ms mecanizables, con mayor dureza y resistencia. Otro aspecto que mejoran es la homogeneizacin de la estructura.

1.1. TEMPLE

Este tratamiento trmico se caracteriza por enfriamientos rpidos (continuos o escalonados) en un medio adecuado: agua, aceite o aire, para transformar la austenita en martensita. Mediante el temple se consigue: Aumentar la dureza y la resistencia mecnica. Disminuir la tenacidad (aumento de la fragilidad). Disminuir el alargamiento unitario. Modificar algunas propiedades elctricas, magnticas y qumicas. El temple se realiza siguiendo los siguientes pasos:

1. Calentamiento del metal .- Se realiza en horno, siendo lento al hasta los 500C y rpido hasta la temperatura de temple, por encima de A3 si el acero es hipoeutectoide, y por encima de A1 si el acero es eutectoide o hipereutectoide.



Pgina 2

2. Homogeneizacin de la temperatura .- Se mantiene a la temperatura de temple durante un determinado tiempo a la pieza para que se homogenice en todo el volumen de la pieza a templar. Este tiempo se estima experimentalmente para cada pieza, aunque se puede calcular aproximadamente

3. Enfriamiento rpido .- Se saca la pieza del horno y se enfra el material en un fluido denominado medio de temple a una velocidad superior a la crtica de temple con objeto de obtener una estructura martenstica, y as mejorar la dureza y resistencia del acero El medio de temple puede ser:

Agua: es el medio ms econmico y antiguo. Se consiguen buenos temples con aceros al carbono. Las piezas se agitan dentro del agua para eliminar las burbujas de gas.

Aceite: enfra ms lentamente que el agua.

Aire: se enfran las piezas con corrientes de aire. Se utiliza para los denominadas aceros rpidos.

A la hora de realizar un temple, hay que tener en cuenta los siguientes factores:

El tamao de la pieza, puesto que cuanto ms espesor tenga la pieza ms habr que aumentar el tiempo de duracin del proceso de calentamiento y de enfriamiento.

La composicin qumica del acero, ya que en general, los aceros aleados son ms fcilmente templables.

El tamao del grano influye principalmente en la velocidad crtica del temple, teniendo ms templabilidad el de grano grueso.

El medio de enfriamiento, siendo el ms adecuado para templar un acero el que consiga una velocidad de temple ligeramente superior a la crtica.

1.1.1. Templabilidad

Se puede definir la templabilidad como la aptitud de un acero para endurecerse por formacin de martensita, como consecuencia de un tratamiento trmico. Para determinar el grado de templabilidad de un acero se realiza el ensayo Jominy . El ensayo consiste en realizar el templado de una probeta de dimensiones determinadas segn un proceso definido. El estudio de los resultados permite definir el comportamiento del material ante el tratamiento de temple.

Para realizar el ensayo, se calienta en primer lugar la probeta cilndrica 25 mm de dimetro y 100 mm de longitud, a la temperatura de austenizacin durante 30 minutos en atmsfera controlada.

Tras finalizar el calentamiento, se cuelga la probeta por un extremo de modo que un chorro de agua, a temperatura constante, incida directamente sobre su extremo inferior durante 10 minutos. La probeta se ir enfriando a distinta velocidad segn la distancia respecto al punto de incidencia del chorro de agua. El extremo inferior de la probeta se enfriar rpidamente, sufriendo un temple ms severo y ser ms duro que el otro extremo.

Una vez que la probeta se ha enfriado a temperatura ambiente, se desbasta una tira de 0.4 milmetros de espesor y se determina la dureza Rockwell C a lo largo de los 50 mm primeros de la probeta. En los primeros 12.5 mm las lecturas de dureza se toman a intervalos de 1.6 mm y en los 37.5 mm siguientes cada 3.2 mm. Despus se traza una curva de templabilidad representando los valores de dureza en funcin de la distancia al extremo templado, obtenindose as la curva de templabilidad . Si la dureza disminuye rpidamente conforme nos alejamos del extremo templado, el acero tendr una templabilidad baja, mientras que los aceros cuyas curvas son casi horizontales sern de alta templabilidad, es decir, sern susceptibles de endurecerse rpido cuando sufren temple.



Pgina 3

1.1.2. Tipos de temple

1. Temple continuo de austenizacin completa .- se aplica a los aceros hipoeutectoides. Se calienta el material a 50C por encima de la temperatura crtica superior A3, enfrindose en el medio adecuado para obtener martensita.

2. Temple continuo de austenizacin incompleta .- se aplica a los aceros hipereutectoides. Se calienta el material hasta AC1 + 50C, transformndose la perlita en austenita y dejando la cementita intacta. Se enfra a temperatura superior a la crtica, con lo que la estructura resultante es de martensita y cementita.

3. Temple superficial .- el ncleo de la pieza permanece inalterable, blando y con buena tenacidad, y la superficie se transforma en dura y resistente al rozamiento. Con el temple superficial se consigue que solamente la zona ms exterior se transforme en martensita, y para ello el tiempo durante el que se mantiene el calentamiento debe ser el adecuado para que solamente un reducido espesor de acero se transforme en austenita.

4. Temple Escalonado (Martempering) .- consiste en calentar el acero a temperatura de austenizacin y mantenerlo el tiempo necesario para que se transforme completamente en austenita. Posteriormente se enfra en un bao de sales bruscamente hasta una temperatura prxima pero superior a Ms, con el fin de homogeneizar la temperatura en toda la masa y se acaba reduciendo la temperatura para que toda la pieza se transforme en martensita.

5. Temple isotrmico (Austempering) .- consiste en calentar el acero a temperatura de austenizacin y mantenerlo el tiempo necesario para obtener austenita. Posteriormente se enfra bruscamente en un bao de sales hasta una temperatura determinada, para igualar la temperatura en toda la masa y luego se vuelve a disminuir la temperatura para que toda la pieza se transforme en bainita.

Austenizacin

completa Austenizacin

incompleta Temple + revenido Martempering Austempering

1.2. RECOCIDO

Se trata de calentar el metal hasta una determinada temperatura y enfriarlo despus muy lentamente (incluso en el horno donde se calent). De esta forma se obtienen estructuras de equilibrio. Son generalmente tratamientos iniciales mediante los cuales se ablanda el acero. Su finalidad es suprimir los defectos del temple. Mediante el recocido se consigue:

Aumentar la plasticidad, ductilidad y tenacidad. Eliminar la acritud. Afinar el grano y homogeneizar la estructura.

Es tratamiento trmico muy utilizado y segn las temperaturas que se alcanzan en el proceso se pueden distinguir los siguientes tipos:



Pgina 4

1. Recocido completo.- afina el grano cuando ha crecido producto de un mal tratamiento. Se realiza en aceros hipoeutectoides.

2. Recocido incompleto.- elimina tensiones pero slo recristaliza la perlita. Es ms econmico que el anterior.

3. Recocido de globalizacin.- mejora la mecanibilidad en los aceros eutectoides e hipereutectoides.

4. Recocido de recristalizacin.- reduce tensiones y elimina la acritud.

5. Recocido de homogenizacin.- elimina la segregacin qumica y cristalina. Se obtiene grano grueso por lo que es necesario un recocido completo posterior.

1.3. REVENIDO

Como ya se ha visto, el temple produce un aumento de la fragilidad debido a las tensiones internas que se generan al producirse la transformacin martenstica. Para evitarlo, se somete el metal a un proceso de revenido, que consiste en elevar la temperatura hasta una inferior a la de transformacin (punto crtico AC1) para transformar la martensita en formas ms estables. Mediante el revenido se consigue:

Disminuir la resistencia mecnica y la dureza. Aumentar la plasticidad y la tenacidad.

1.4. NORMALIZADO

Se trata de calentar el metal hasta su austenizacin y posteriormente dejarlo enfriar al aire. La ventaja frente al recocido es que se obtiene una estructura granular ms fina y una mayor resistencia mecnica. La desventaja es que la dureza obtenida es mayor. Mediante este proceso se consigue:

Subsanar defectos de las operaciones anteriores de la elaboracin en caliente (colada, forja,

laminacin,) eliminando las posibles tensiones internas. Preparar la estructura para las operaciones tecnolgicas siguientes (por ejemplo mecanizado

o temple). El normalizado se utiliza como tratamiento previo al temple y al revenido, aunque en ocasiones puede ser un tratamiento trmico final.

En el caso de los aceros con bastante contenido en carbono y mucha templabilidad, este tratamiento puede equivaler a un temple parcial, donde aparezcan productos perlticos y martensticos. Para aceros con bajo contenido de carbono no aleados no existe mucha diferencia entre el normalizado y el recocido. Cuando se trata de aceros de contenido medio en carbono (entre 0.3 0,5%C) la diferencia de propiedades es mayor que en el caso anterior; en general, el proceso de normalizado da ms dureza.



Pgina 5

2. TRATAMIENTOS TERMOQUMICOS

Los ms importantes son: cementacin, nitruracin, cianuracin y sulfinizaci n . Adems de los producir cambios en la estructura, tambin se producen cambios en la composicin qumica de su capa superficial aadiendo distintos productos. Estos tratamientos requieren el uso de calentamiento y enfriamiento controlados en atmsferas especiales. Los objetivos que se persiguen mediante estos procesos son variados, pero entre ellos podemos destacar:

Mejorar la dureza superficial de las piezas, sin disminuir la tenacidad del ncleo.

Aumentar la resistencia al desgaste aumentando el poder lubrificante.

Aumentar la resistencia a la fatiga y/o la corrosin, sin modificar otras propiedades esenciales tales como ductilidad.

Se aplican sobre herramientas de arranque de viruta, camisas de pistones,..

2.1. CEMENTACIN

Consiste en aumentar la cantidad de carbono de la superficie, en estado slido (carbn vegetal), lquido (cianuro sdico) o gaseoso (hidrocarburos). Se consigue teniendo en cuenta el medio o atmsfera que envuelve el metal durante el calentamiento y enfriamiento. Se consiguen superficies de gran dureza y resistencia superficial. Se aplica a piezas resistentes al desgaste y a los choques.

2.2. NITRURACIN

Consiste en aportar nitrgeno a la superficie de la pieza por medio de una corriente de amoniaco.

Se consiguen durezas muy elevadas y superficies muy resistentes al desgaste, la corrosin y la fatiga sin perder la dureza. Se aplica a piezas sometidas a choques y rozamientos (ruedas dentadas, rboles de levas, ejes de cardn, aparatos de medida).

2.3. CIANURACIN

Es una mezcla de cementacin y nitruracin. Se endurecen las piezas introduciendo carbono y nitrgeno mediante baos de cianuro, carbonato y cianato sdico. Despus hay que templar las piezas.

2.4. SULFINIZACIN

Consiste en aportar a la superficie azufre, carbono y nitrgeno para mejorar la resistencia al desgaste, favorecer la lubricacin y evitar el agarrotamiento. Se aplica a herramientas.

tema 3: tratamientos tÉrmicos -...

Documents