Tecnología 2 | Cátedra Paglianiti 2013

Tp 9 | Tratamientos térmicos

Mariano Madeo

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1. DefiniciónEl tratamiento térmico es la operación de calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado sólido a temperaturas y condiciones determinadas para cambiar sus propiedades mecánicas. Nunca alteran las propiedades químicas.

Con el tratamiento térmico adecuado se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamaño del grano, incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un interior dúctil.

Para conocer a que temperatura debe elevarse el metal para que se reciba un tratamiento térmico es recomendable contar con los diagramas de cambio de fases como el de hierro - carbono. En este tipo de diagrama se especifican las temperaturas en las que suceden los cambios de fase (cambios de estructura cristalina), dependiendo de los materiales diluidos.

Los tratamientos térmicos han adquirido gran importancia en la industria en general, ya que con las constantes innovaciones se van requiriendo metales con mayores resistencias tanto al desgaste como a la tensión.

El tiempo y la temperatura son los factores principales y hay que fijarlos de antemano de acuerdo con la composición del acero, la forma y el tamaño de las piezas y las características que se desean obtener.

1. a. ClasificaciónTratamientos en la masa: recocidos y normalizados, temples y revenidos.

Tratamientos superficiales: temple superficial y tratamientos termoquímicos (cementación, carbonitruración, boruración y nitruración).Tratamientos de superficie (depósitos).

1. b. Desarrollo de los tratamientos térmicosConstan de tres fases:a)   Calentamiento :  La elevación de temperatura debe ser uniforme, por lo que cuando se calienta una pieza o se hace aumentando la temperatura muy lentamente o se va manteniendo un tiempo a temperaturas intermedias, antes del paso por los puntos críticos, este último es el calentamiento escalonado.

b)   Permanencia :  Su fin es la completa transformación del constituyente estructural de partida. Puede considerarse como suficiente una permanencia de unos dos minutos por milímetro de espesor en el caso de querer obtener una austenización completa en el centro y superficie.

Largos mantenimientos y sobre todo a altas temperaturas son "muy peligrosos" ya que el grano austenítico crece rápidamente dejando el acero con estructuras finales groseras y frágiles.

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c)   Enfriamiento hasta la temperatura ambiente :  Este tiene que ser rigurosamente controlado en función del tipo de tratamiento que se realice.

1. c. Tratamientos en la masa1. c. 1 RecocidoEs una de las operaciones de tratamiento térmico más importantes y utilizadas en el tratamiento térmico del acero. Consiste en calentar el acero hasta una temperatura dada, un mantenimiento a esa temperatura y un enfriamiento lento en el horno.

Su objetivo principal es "ablandar" el acero para facilitar su mecanizado posterior. También es utilizado para regenerar el grano o eliminar las tensiones internas. Se debe tener en cuenta que los recocidos no proporcionan generalmente las características más adecuadas para la utilización del acero y casi siempre el material sufre un tratamiento posterior con vistas a obtener las características óptimas del mismo.

Cuando esto sucede el recocido se llama también "tratamiento térmico preliminar" y al tratamiento final como "tratamiento térmico de calidad".

Fig. 1 Temperaturas de calentamiento durante los tratamientos de Recocidos.

1. c. 1. a Tipos de recocidos

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Recocido Completo: Elimina las estructuras indeseables como la de Windmanstaeten. Afina el grano cuando ha crecido producto de un mal tratamiento. Para aceros hipoeutectoides.

Recocido Incompleto: Elimina tensiones. Solo recristaliza la perlita. Más económico.

Recocido de Globulización: Mejora la maquinabilidad en los aceros eutectoides e hipereutectoides.

Recocido de Recristalización: Disminuye tensiones. Elimina la acritud.

Recocido de Homogenización: Elimina la segregación química y cristalina. Se obtiene grano grueso. Es necesario un recocido completo posterior.

Recocido isotérmico: Economiza tiempo. Se emplea mucho en los aceros aleados. Se mantiene en baños de sales a temperaturas menores que A1 hasta que la descomposición de la austenita se produzca y después se enfría al aire.

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Fig . 2 Gráficos de tratamiento de los diferentes tipos de Recocido.1. c. 2 NormalizadoEs un tratamiento térmico de recocido que consiste en calentar la pieza a normalizar por encima de la temperatura de transformación perlita-austerita se mantiene a estas temperaturas a un periodo de una hora y después se enfría al aire.

Se realiza calentando el acero entre 20ºC y 40ºC superior a la temperatura crítica y una vez austenizado se deja enfriar al aire tranquilo.

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La velocidad del enfriamiento del normalizado es más rápida que en el recocido, las temperaturas normales del normalizado varía según el porcentaje en carbono, que va desde 840ºC a 935ºC, según la composición sea desde 0.50 a 0.10 % de carbono.

A medida que aumenta el diámetro de la barra, el enfriamiento será más lento y por tanto la resistencia y el límite elástico disminuirán y el alargamiento aumentará ligeramente.

En el caso de los aceros con bastante carbono y mucha templabilidad, este tratamiento puede equivaler a un temple parcial, donde aparezcan productos perlíticos y martensíticos.

Para aceros con bajo contenido de carbono no aleados no existe mucha diferencia entre el normalizado y el recocido. Para aceros de contenido medio (entre 0,3 – 0,5%C) la diferencia de propiedades es mayor que en el caso anterior. El normalizado da más dureza.

Este tratamiento es típico de los aceros al carbono de construcción de 0.15% a 0.60% de carbono; para piezas fundidas, forjadas o mecanizadas.

Sirve para:-afinar la estructura-eliminar las tensiones que suelen aparecer en la solidificación forjada entre otros. Con esto se consigue un acero más duro y resistente al obtenido con un enfriamiento más lento en un horno después de un recocido.-Subsanar defectos de las operaciones anteriores de la elaboración en caliente (colada, forja, etc).-Preparar la estructura para las operaciones tecnológicas siguientes (por ejemplo mecanizado o temple) -Puede ser un tratamiento térmico final.

1. c. 3 TempleEl temple es un tratamiento térmico que consiste en enfriar muy rápidamente, la mezcla austenitica homogénea, que tenemos después de calentar el acero, con este enfriamiento rápido se consigue un aumento de dureza, ya que el resultado microscópico final es una mezcla martensítica.

La temperatura de temple para los aceros hipoeutectoides es de 30-50 grados, por encima de esta temperatura, el grano de austenita crece mucho, obteniéndose austenita de baja tenacidad. En los aceros hipereutectoides el temple se suele realizar con calentamiento de austenización incompleta, en la masa original caliente hay austenita y una cantidad de cementita y carburos aleados, después del enfriamiento se obtiene martensita y carburos, este proceso produce mejores resultados en la práctica industrial. 1. c. 3. a Tipos de temple1-Temple continuo (en un solo medio).CATEDRA PAGLIANITI | Mariano Madeo Página 6 de 33

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2-Temple escalonado (en dos medios).3-Temple Escalonado (Mantempering).4-Temple isotérmico (Austempering).

Fig. 3 Curvas de enfriamiento de los diferentes tipos de temple

Otros procedimientos de temple.

5-Enfriamiento en chorro de agua (mayor templabilidad).6-Temple con autorrevenido (para lograr que la dureza disminuya gradual y uniformemente. Se emplea en herramientas, cortafríos, punzones, hachas, etc. Solo se le da dureza al filo.)7-Enfriamiento subcero (para disminuir la austenita residual).

El estudio de las velocidades críticas del temple debe de hacerse con ayuda de las curvas de la “S” de enfriamiento continuo, las cuales reflejan la influencia de la composición sobre la velocidad de enfriamiento, al aumentar el porcentaje de manganeso y cromo, las curvas se desplazan hacia la derecha y por tanto las velocidades críticas del temple disminuyen.

Factores que influyen en el temple -la composición-el tamaño de grano-el tamaño de las piezas.

El tamaño de grano modifica la situación y forma de la curva “S”, en aceros de la misma composición, las velocidades del temple de grano grueso son menores que las velocidades de grano fino.

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El tamaño, volumen, y espesor de las piezas tiene gran importancia, ya que si enfriamos una pieza grande primero se enfría la superficie exterior rápidamente , pero las capas interiores tardan más, ya que el calor debe atravesar las capas exteriores y estas capas tienen una conductividad limitada , con lo cual perfiles delgados enfrían antes que gruesos.

Templabilidad: Se entiende por templabilidad la profundidad a la que penetra en la pieza la zona templada. La templabilidad incompleta se explica porque durante el temple, la pieza se enfriará más rápido en la superficie que en el centro.

Es evidente que en la medida que disminuye la velocidad crítica de temple aumenta la profundidad de la capa templada, y si la Vc es menor que la velocidad de enfriamiento en el centro de la pieza, esta sección se templará completamente. Por consiguiente, cuanto menor sea Vc, tanto mayor será la templabilidad.

Para valorar prácticamente la templabilidad se utilizará una magnitud llamada diámetro crítico (Dc).

El diámetro crítico es el diámetro máximo para una barra cilíndrica que se templa en toda su sección en un medio de enfriamiento dado. Por consiguiente, para un acero dado a cada medio de enfriamiento le corresponde un diámetro crítico.

Una pieza templada se halla siempre en un estado de tensión estructural. El revenido es un medio necesario y radical para disminuir las tensiones residuales.

El calentamiento del acero en el revenido aumenta la plasticidad, esto permite que, en los diversos volúmenes, las deformaciones elásticas se conviertan en plásticas, con lo cual disminuye la tensión.

1. c. 3. b Métodos de calentamiento-por llama oxiacetilénica, recomendado para piezas que por su forma o tamaño, no se pueden aplicar otros métodos, la ventaja de este método es que se pueden templar incluso partes de una pieza.

-método de inducción, que usa el flujo magnético creado por una corriente alterna de alta frecuencia que pasa por un inductor.

Es el método más empleado ya que no se quema el carbono, no se produce oxidación, y no se forma cascarilla, el inconveniente principal es que no se puede utilizar para piezas únicas, ya que hay que crear un inductor específico para cada forma.

Cuando se calienta entre Ac1 y Acm, la cementita presente en el acero templado aumenta la dureza y la resistencia al desgaste.CATEDRA PAGLIANITI | Mariano Madeo Página 8 de 33

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Según lo anterior de acuerdo a la temperatura de calentamiento hay dos tipos de temple: -completo e incompleto.

Fig. Temple Completo

Fig. 4 Temple Incompleto

El tiempo de calentamiento exacto solo puede establecerse por la vía experimental para una pieza dada en las condiciones concretas, pero se puede calcular de forma aproximada para lo cual existen varios métodos.

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Fig. 5 Temperaturas de calentamiento durante los tratamientos de Temple1. c. 3. c Método de enfriamiento-la primera etapa: el acero al sumergirse en el líquido forma una capa de vapor, por su temperatura muy alta, el enfriamiento se hace por conducción y radiación a través de la capa gaseosa, resultando enfriamiento muy lento.

-la segunda etapa: cuando desciende la temperatura superficial del metal, la película de vapor va desapareciendo, pero el líquido hierve alrededor de las piezas y se forman burbujas que transportan el vapor por conducción.

-la tercera etapa: el enfriamiento lo hace el líquido por conducción y convección, cuando la diferencia de temperatura del líquido y la pieza es pequeña, con lo que el liquido influye en la velocidad según su temperatura de ebullición, su conductividad térmica, su viscosidad, su calor especifico y su calor de vaporización.

1. c. 3. d Resultados-dureza escasa y formación de puntos blandos: se explica por la falta de calentamiento, por no haber alcanzado la temperatura necesaria, o por no haber permanecido el suficiente tiempo en ella, la fragilidad excesiva es por un temple a temperaturas altas, etc.

Por lo cual hay que extremar los cuidados a la hora de iniciar un proceso de temple, y realizarlo correctamente, ya que son muchos los factores que pueden echar a perder las piezas, y que no sean validas para nuestros propósitos.

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Fig. 6 Fotomicrografía a 1220X que muestra la microestructura de la martensita. Los granos en forma de aguja son los de martensita y las regiones blancas son

austenita

-Tabla de defectos producidos por el temple, y soluciones posibles

Defectos Detección Causas Soluciones

Grietas

Inspección visual y

detector e grietas de

diferentes tipos

Tensiones causadas por cambios estructurales

Es irreparable:Medios

preventivos1-Usar temple en

dos medios2-Evitar ángulos

agudos y cambios de sección violentos

Baja durezaEnsayo de

dureza

Temperatura de temple baja, poco mantenimiento o

poca velocidad de enfriamiento

Se debe normalizar la pieza

y ser tratada de nuevo

correctamente

Fragilidad, estructura granular grosera

Inspección visual en

fractura, ensayo de impacto

Alta temperatura de temple o mantenimiento muy

prolongado

Normalizar la pieza y tratarla correctamente

Puntos blandos

Ensayo de dureza en

varios puntos

Enfriamiento inadecuado descarburación, contaminaci

ón del acero con escorias

El defecto es corregible excepto

en el caso de descarburación.

Deformación

Control de dimensiones

Transformaciones estructurales o introducción incorrecta en el medio de

enfriamiento

Es irreparable. Para prevenir el

problema se debe seleccionar

correctamente el acero y el

tratamiento.

Oxidación y descarbura

ción

Inspección en el caso de oxidación y ensayo de

dureza

Reacción entre la atmósfera y el aceite

Se debe usar atmósferas

controladas o baños de sales

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1. c. 4 RevenidoUno de los orígenes de la aparición de grietas en las piezas templadas es la presencia de tensiones internas producto de la transformación martensítica. Para evitar este defecto es necesario aplicar el tratamiento térmico de revenido posterior al temple.

Es un proceso tecnológico de tratamiento térmico que consiste en el calentamiento del acero templado hasta temperaturas por debajo de AC1, mantenimiento y enfriamiento posterior a la velocidad adecuada.

Sirve para:-eliminar las tensiones internas-estabilizar la estructura martensítica.-disminuir la dureza, resistencia-aumenta la tenacidad.

1. c. 4. a Método de revenido.Durante el calentamiento de una estructura martensítica ocurren en el acero las siguientes transformaciones.

1-Entre 80ºC y 200ºC: Primera etapa del revenido. Disminuye la tetragonalidad de la martensita. La martensita que se obtiene con este revenido (martensita revenida con relación c/a cercana a 1) es casi cúbica. Se empieza a precipitar el carbono de la martensita.

2-Entre 200ºC y 300ºC: Segunda etapa del revenido. La austenita residual se transforma en una mezcla formada por solución sólida sobresaturada de carbono en hierro a (martensita revenida). Se forman carburos intermedios e de fórmula Fe2C.

3-Entre 300ºC y 400ºC: Tercera etapa del revenido. Se eliminan las tensiones residuales y la estructura de los carburos se torna cementítica. La estructura es denominada bainita de revenido (mezcla de cementita y ferrita). Aparece la fragilidad del revenido de primer género. El límite elástico alcanza su valor más elevado.

4-Más de 400ºC y hasta 600ºC: Se obtiene la sorbita y la troostita de revenido (mezclas de ferrita y cementita). Coalece la cementita. La dureza disminuye mucho, pero se obtiene la mayor resistencia a la fatiga.

1. c. 4. b Tipos de Revenido- Revenido Bajo : Se realiza en el intervalo de temperatura de 150ºC a 250ºC. Se utiliza para todos los aceros de herramientas de alto contenido de carbono. Prácticamente no disminuye la dureza, pero disminuye las tensiones internas y parte de la austenita residual.

-Revenido Medio: Se realiza a 350 – 450ºC. Es muy utilizado en muelles y resortes. Disminuye bastante la dureza y se eleva la tenacidad. Se obtiene una CATEDRA PAGLIANITI | Mariano Madeo Página 12 de 33

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estructura de troostita de revenido. También se puede utilizar en herramientas que deban tener buena resistencia con suficiente elasticidad.

- Revenido Alto : Se realiza a 500ºC – 650ºC. En este proceso, la martensita se transforma en sorbita de revenido. Esta estructura garantiza una mejor combinación de resistencia y plasticidad del acero. En la sorbita de revenido la cementita adquiere forma granular, a diferencia de la obtenida en un normalizado. Como consecuencia de esto se eleva notablemente la resistencia con la misma dureza o aún más elevada con relación al acero normalizado. Este tipo de revenido se emplea para piezas de acero que estén sometidas a elevada fatiga o cargas de impacto.El temple del acero con un ulterior revenido alto se denomina termo-mejoramiento o bonificado

En el caso de herramientas fabricadas con aceros rápidos, se mejoran dando un doble revenido, con el que se eliminan las tensiones residuales y se evita la fragilidad excesiva.

En el primer revenido se transforma la martensita tetragonal en revenida , precipitando carburos aleados , disminuyendo la concentración de austenita “ acondicionamiento de la austenita “, que al enfriar se convierte en bainita con características parecidas a la martensita , en el segundo revenido se calienta a 550º , con lo que se evita que quede martensita sin revenir.

Fig. 7 Micrografía electrónica a 9300X, Las partículas pequeñas son de martensita y la matriz es de ferrita

1. d. Tratamientos termoquímicosHay otros métodos de tratamiento térmico para endurecer el acero.

-Cementación: Las superficies de las piezas de acero terminadas se endurecen al calentarlas con compuestos de carbono o nitrógeno

Se consigue teniendo en cuenta el medio o atmósfera que envuelve el metal durante el calentamiento y enfriamiento.

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El tratamiento logra aumentar el contenido de carbono de la zona periférica, obteniéndose después, por medio de temples y revenidos, una gran dureza superficial, resistencia al desgaste y buena tenacidad en el núcleo.

Fig. 8

Equipos típicos para cementación:a-Cajas: se cementa con mezcla cementante que rodea a la pieza en un recipiente cerrado, el cual se calienta a la temperatura adecuada durante el tiempo requerido y luego se enfría con lentitud.

Este equipo no se presta para alta producción, siendo sus principales ventajas su economía, eficiencia y la no necesidad de una atmósfera preparada. En realidad, el agente cementante, son los gases que esta pasta que rodea al material desprende cuando se calienta en el horno.

b-Gas: es más eficiente que el anterior, los ciclos son más controlados, el calentamiento más uniforme, es más limpio y requiere de menos espacio.

La pieza se calienta en contacto con CO y/o un hidrocarburo, por ejemplo alguna mezcla de gases que contengo butano, propano o metano, que fácilmente se descompone a la temperatura de cementación. El gas tiene una composición típica de:-CO: 20%-H2: 40%-N2: 40%

-Carburización: La pieza se calienta manteniéndola rodeada de carbón vegetal, coque o gases de carbono.CATEDRA PAGLIANITI | Mariano Madeo Página 14 de 33

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-Nitruración: al igual que la cementación, aumenta la dureza superficial, aunque lo hace en mayor medida, incorporando nitrógeno en la composición de la superficie de la pieza.

Se logra calentando el acero a temperaturas comprendidas entre 400 – 525º C, dentro de una corriente de gas amoníaco, más nitrógeno.

Si en un recinto, un horno de tratamiento térmico, se somete al amoníaco (NH3) a temperaturas de 500° C, se descompone en nitrógeno e hidrógeno. El hidrógeno, más ligero, se separa del nitrógeno por diferencia de densidad.

El nitrógeno liberado por la descomposición del amoníaco forma la atmósfera en el interior del horno que, en contacto con la superficie de hierro y a esa temperatura, forma nitruro de hierro, un compuesto de gran dureza pero frágil.

Si bien este tratamiento da gran dureza superficial a la pieza, la velocidad de penetración es muy lenta, aproximadamente 1 mm en 100 horas de tratamiento, pero no necesita de temple posterior.

La nitruración se da a piezas sometidas a grandes fuerzas de rozamiento y de carga como, por ejemplo, pistas de rodamientos, camisas de cilindros o piezas similares, que necesitan un núcleo con cierta plasticidad, que absorba golpes y vibraciones, y una superficie de gran dureza contra desgaste y deformaciones.

Resultados:-Endurece la superficie de la pieza.-Aumenta el volumen de la pieza.-Se emplean vapores de amoniaco.-Es un tratamiento muy lento.-Las piezas no requieren ningún otro tratamiento.

Aceros de nitruraciónNo todos los aceros son aptos para nitrurar. Resulta conveniente que en la composición de la aleación haya una cierta cantidad de aluminio 1%. También es aplicable a los aceros inoxidables, aceros al cromo níquel y ciertas fundiciones al aluminio o al cromo.

No es aconsejable en aceros al carbono no aleados, el nitrógeno penetra rápidamente en la superficie de la pieza y la capa nitrurada puede desprenderse.

Las piezas a nitrurar se mecanizan, y luego se templan y revienen, con objeto de que el núcleo adquiera una resistencia adecuada. Finalmente, una vez mecanizadas a las cotas definitivas, se procede a efectuar la nitruración.CATEDRA PAGLIANITI | Mariano Madeo Página 15 de 33

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Las piezas a nitrurar se colocan dentro de un horno eléctrico, con circulación de gas amoníaco por el interior, manteniendo la temperatura y la concentración de nitrógeno durante todo el tiempo que dure el proceso hasta su finalización.

A aquellas partes de la pieza que no se deban nitrurar se les da un baño de estaño y plomo al 50%, que cubre la superficie de la pieza aislándola del nitrógeno.

Fig. 9

Fig. 10 Horno de nitruración

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-Cianurización: Se introduce el metal en un baño de sales de cianuro, logrando así que endurezca.El endurecimiento es superficial y se produce en pequeñas piezas de acero. Se utilizan baños concianuro, carbonato y cianato sódico. Se aplican temperaturas entre 760 y 950 º C.

Consiste en endurecer la superficie exterior de las piezas introduciendo carbono y nitrógeno.

Posteriormente hay que templar las piezas. Se cementa colocando las piezas en baños de mezclas de sales fundidas, (cianuro, HCN), de modo que el carbono difunde desde el baño hacia el interior del metal. Produce una capa más profunda, más rica en C y menos N.

Sus principales ventajas son: eliminación de oxidación, profundidad de la superficie dura y contenido de C uniformes y gran rapidez de penetración; si bien posee ciertas desventajas como son: lavado de las piezas posterior al tratamiento para prevenir la herrumbre, revisión de la composición del baño en forma periódica y alta peligrosidad de las sales de cianuro, dado que éstas son venenosas.

1. e Tratamientos electrolíticosLos procesos de recubrimientos electrolíticos o químicos consisten en depositar por vía electroquímica finas capas de metal sobre la superficie de una pieza sumergida en una solución de iones metálicos o electrolito.

En este proceso se usan productos químicos relativamente puros, sales y metales, de forma que durante la operación se depositan completamente los metales empleados sobre las piezas.

Se realizan recubrimientos con diferentes finalidades.

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Existen diferentes tipos de recubrimientos: cobreado, niquelado, cromado, cincado y químicos por deposición de níquel o por deposición de cobre.

-Baños galvánicos: el acero es el metal más empleado en el mundo. Satisface la mayor parte de las demandas de las principales industrias en términos de calidad técnica y económica para determinados usos.

Sin embargo, existen una serie de limitaciones. Por ejemplo, los aceros comunes no son muy resistentes a la corrosión. Generalmente, la función de las estructuras de acero es la de soporte de la carga, por lo que una exposición prolongada puede dar lugar a daños en la integridad de la estructura con el consiguiente coste de reparación y/o sustitución.

El galvanizado es uno de los métodos que se utilizan para mejorar la resistencia a la corrosión del acero (y de las aleaciones de hierro) mediante un pequeño recubrimiento sobre la superficie. El galvanizado permite el recubrimiento de piezas de acero o de hierro fundido mediante su inmersión en un baño de cinc fundido.

En función de las características que deba presentar la protección anticorrosiva, se aplican diferentes técnicas de protección a base de cinc:

- Galvanizado por inmersión en caliente: Las piezas a tratar se sumergen, habiendo limpiado previamente su superficie, en un baño de cinc fundido que suele estar a una temperatura de 445º C-460º C. El cinc reacciona con el hierro, o el acero, formando capas de aleación sobre la superficie. La capa más externa

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suele ser cinc dúctil no aleado. El cinc se une metalúrgicamente al metal base para formar un recubrimiento protector que posee una excelente resistencia a la corrosión.- Galvanizado o cincado electrolítico: Esta técnica consiste en depositar sobre la pieza una capa de cinc mediante corriente continua a partir de una solución salina que contiene cinc. El proceso se utiliza para proteger piezas más pequeñas, cuando requieren un acabado más uniforme que proporciona el galvanizado.

- Sherardización: Las piezas preparadas de hierro o acero se calientan con una mezcla de polvo de cinc y arena en tambores rotatorios a temperatura por debajo del punto de fusión del cinc (380º C-400º C), hasta que éste forma un recubrimiento cerrado sobre la superficie de la pieza. El recubrimiento es muy uniforme. El proceso, que da a las piezas un recubrimiento mate gris, se utiliza principalmente para piezas pequeñas, debido a la dificultad de calentamiento de grandes piezas de forma uniforme.

- Recubrimientos con polvo de cinc: En esta clase de recubrimiento se emplea un polvo de cinc muy fino que se halla en suspensión en un aglutinante orgánico o inorgánico. Las técnicas de aplicación de este tipo de revestimientos son similares a las empleadas para la aplicación de laca (p. ej. proyección, inmersión). Las capas de polvo de cinc presentan una conductividad limitada, ya que el cinc no se encuentra por toda la superficie en contacto con el material base y tampoco forma en las zonas limítrofes aleaciones de cinc-hierro.

- Protección anticorrosiva catódica: Un metal en estado de corrosión se disuelve anódicamente. En la protección anticorrosiva catódica se impide la corrosión haciendo del metal a proteger un cátodo.Esto se consigue disponiendo un elemento de cortocircuito compuesto del material de la pieza a proteger y de una aleación metálica menos noble; estos dos materiales presentan una conexión conductora metálica.

2. a Estructura cristalina de los metales.Para entender los cambios internos en los materiales, se estudia la estructura cristalina.De acuerdo a su naturaleza los cuerpos pueden ser amorfos a cristalinos.

En los cuerpos amorfos el paso del estado líquido al sólido es gradual. La transición inversa será completamente suave.El estado amorfo, se caracteriza por la carencia de una temperatura de fusión determinada, por la inexistencia de una disposición regular de los átomos en forma de red cristalina.

Los metales no son cuerpos amorfos sino cristalinos o sea sus átomos están dispuestos en un espacio de acuerdo a un orden geométrico determinado que se repite con determinada regularidad formando una red cristalina. CATEDRA PAGLIANITI | Mariano Madeo Página 19 de 33

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Esta red podemos esquematizarla en forma de una red espacial, en cuyos nodos se encuentran los átomos unidos por líneas imaginarias, es el conjunto de planos cristalográficos situados paralelamente y a una misma distancia.

2. a. 1. Retículo cristalino de los metales.Celda elemental: conjunto menor de átomos que conservan las mismas propiedades geométricas de la red y que al repetirse muchas veces en el espacio constituirán la red cristalina.

Existen 14 tipos de celdas elementales. De ellas solo se encontrarán 4 de ellas con sus variantes en los metales y aleaciones metálicas.

Estas son:a-Cúbica centrada en el cuerpo (CC ó BCC)La red representa un cubo cuyo parámetro es a. Los átomos están dispuestos en los vértices y en el centro del cubo. Tienen poca densidad de compactación, es decir los átomos ocupan un 68% del volumen de la red, mientras que en la FCC y la HC ocupan un 74% del volumen. Su número de coordinación es 8. Ej: Fe (a), Mo, Na, etc.

b- Cúbica centrada en las caras (CCC ó FCC) La red tiene forma de cubo de parámetro con 8 átomos en los vértices del cubo y 6 en los centros de cada una de las caras. La densidad de compactación es del 74%. El índice de coordinación es 12. Ej: Fe (g), Ni, Co, Cu, Al, Ti, etc.c-H exagonal compacta (HC) La red tiene forma de prisma recto cuya base es un hexaedro. Tiene dos parámetros, los lados de la base del prisma a y su altura c.

Doce átomos están dispuestos en los vértices de la red, 2 átomos en el centro de la base y 3 átomos en el interior de la red. La densidad de compactación es 74% y el índice de coordinación es 12. Ej: Ti, Co, Cd, Mg.

d- Tetragonal centrada en el cuerpo Tiene forma de prisma recto de base centrada. Los átomos están dispuesto de igual forma que en la BCC presenta dos parámetros, el lado de la base a y la altura c. La relación c/a recibe el nombre de grado de tetragonalidad. El índice de coordinación es igual a 8.

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Fig. 11 a) cúbica centrada en el cuerpo, b) cúbica centrada en las caras, c) hexagonal compacta, d) tetragonal.

2. a. 2. Caracterización del Fe y el C.A medida que el material se va enfriando se producen cambios alotrópicos.

Características del Hierro-Metal de color gris plateado.-Temperatura de fusión 1539°C.-Dureza » 80 HB y elongación relativa = 50%.-Presenta dos formas alotrópicas a y g.

Fig. 12 Curva de enfriamiento del hierro puro.

Que el hierro exista en dos formas alotrópicas o redes cristalinas amplía las posibilidades de transformaciones de fases; que es aprovechado por el tratamiento térmico de las aleaciones de hierro con otros componentes y fundamentalmente con el carbono.El hierro en unión del carbono tendrá la posibilidad de formar con este último, soluciones sólidas en base a los hierros alfa (ferrita) y al hierro gamma (austenita) o también podrá formar compuestos químicos como la cementita (Fe3C).

Caracterización del carbono (C)-Es el otro componente en la aleación Hierro Carbono.-Es un elemento no metálico.

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-En estado libre se denomina grafito.-Es muy interesante el hecho de que el carbono en su forma natural (grafito) puede servir para la fabricación de lápices y al combinarse con el hierro puede formar compuestos químicos de características totalmente diferentes como la cementita.

Caracterización de la cementita (Fe3C)-Es un compuesto químico denominado carburo de hierro.-Su temperatura de fusión es de aproximadamente 1250°C.-Su dureza es de 800 HB y su elongación cercana al 0%.-Con otros elementos forma soluciones sólidas denominadas cementitas aleadas.-Es inestable termodinámicamente y se descompone en determinadas condiciones para dar carbono libre (grafito). Fe3C Û 3 Fe + C

2. a. 3. Diagramas de Fe – C. Diagrama metaestable.Dependiendo del % de carbono, el metal al solidificarse pasa por diferentes cambios.

Fig. 13 La línea ABCD es la línea del líquido y la AHJECF la del sólido.

Como el hierro además de formar con el carbono el compuesto químico Fe3C, tiene dos transformaciones alotrópicas a y g, en el sistema existen las fases siguientes:

Líquido: Solución líquida de carbono en hierro. Existe por encima de la línea del líquido y se designa por L.CATEDRA PAGLIANITI | Mariano Madeo Página 22 de 33

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Cementita : Fe3C, existe en la vertical DFKL se designa por su fórmula química o por C.

Ferrita: Constituyente estructural que es hierro a, el cual disuelve el carbono en cantidades insignificantes. Se representa por Fea, F ó a.La región de la ferrita en el diagrama hierro carbono se encuentra a la izquierda de las líneas GPQ, y AHN.

Austenita: Estructura consistente en una solución sólida de carbono en hierro g. La región de la austenita es NJESG. Se designa por A, g ó Feg.

2. a. 4. Crecimiento del grano austenítico.Una vez finalizada la transformación de perlita en austenita se forma una gran cantidad de granos pequeños de austenita. El tamaño de estos granos caracteriza la magnitud llamada grano inicial de la austenita.

El calentamiento ulterior o el mantenimiento a la temperatura dada, una vez terminada la transformación provoca el crecimiento de los granos de austenita. Este es un proceso que se desarrolla espontáneamente. En ese sentido se distinguen dos tipos de acero. a- Aceros de grano fino hereditario (poco propensos al crecimiento). b- Acero de grano fino hereditario (muy propensos al crecimiento).

Fig. 14 Tendencia hereditaria del acero al crecimiento de grano durante la austenización.

El tamaño de grano obtenido en el acero como resultado de un tratamiento térmico se llama grano real. Los granos crecen durante el calentamiento y no disminuyen de tamaño durante el enfriamiento.

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Por esto la temperatura máxima de calentamiento del acero en estado austenítico y su granulación hereditaria determinan el tamaño definitivo del grano.

Fig. 15 Efecto del sobrecalentamiento de la autenita sobre el tamaño final del grano de perlita.

2. a. 5. Transformaciones durante el enfriamiento del acero (Diagrama T.T.T.)Para el estudio de las transformaciones de fase durante el enfriamiento, emplearemos el diagrama de descomposición isotérmica de la austenita denominado también diagrama T.T.T. el cual se construye en coordenadas temperatura vs tiempo.

En esas coordenadas se sitúan sobre el diagrama las curvas de enfriamiento.

Fig. 16 Diagrama de descomposición isotérmica de la austenita (T.T.T.)

De la línea V1 que caracteriza el enfriamiento lento, se obtienen como producto final la perlita de poca dureza (de láminas gruesas). Cuando el enfriamiento es

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más rápido (V2 y V3) la velocidad de difusión disminuye formándose productos más disperso y más duros.Para templar el acero hay que enfriarlo con una velocidad tal que no tenga tiempo de producirse los procesos difusivos de descomposición de la austenita en la región superior de temperaturas.

La velocidad mínima de enfriamiento, necesaria para que se forme la martensita a partir de la austenita se denomina velocidad crítica de temple (VC ) . Para templar un acero es necesario que se enfríe con una velocidad mayor que la crítica. Si el enfriamiento es menor que la crítica se obtendrán productos perlíticos, principalmente troostita, lo que disminuirá la dureza del acero.

2. a. 6. Transformación martensíticaSi la austenita se sub-enfría hasta la temperatura en la que la red de la austenita a pesar de la presencia de carbono disuelto en ella, es inestable, pero la velocidad de difusión del carbono, debido a la temperatura, es tan pequeña que se efectúa la reestructuración de la red sin que precipite el carbono.

Sus principales características son:-Ocurre sin difusión.-Se origina martensita (solución sólida de carbono en hierro a) de red tetragonal.-El contenido de carbono de la martensita es igual al contenido de carbono de la austenita que la originó.-La tetragonalidad de la martensita es proporcional al contenido de carbono.-Se forma una estructura acicular (en forma de láminas o agujas).-La transformación transcurre a intervalos a partir de la curva de inicio de transformación (Mi) hasta la curva final de transformación (Mf).-Generalmente (Mf) se encuentran por debajo de 0ºC por lo que en la estructura del acero siempre queda un pequeño por ciento de austenita que no se transforma denominado austenita residual.-Es una transformación irreversible. Es decir, no se obtiene a partir de la martensita, martensita nuevamente.-El metal queda en estado inestable con gran cantidad de tensiones internas.

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Fig. 17 Red cristalina de la martensita.

3. Hornos utilizados para el tratamiento térmicoSe pueden clasificar a partir del proceso de calentamiento, por la atmósfera o por la solera del horno.

3. a. Calentamiento por gasLos hornos de gas pueden ser del tipo de fuego directo, en el cual los productos de la combustión entran a la cámara de calentamiento.

Alternativamente, pueden ser de combustión indirecta, de manera que la cámara del horno quede aislada de los productos de la combustión. Un tercer tipo de horno calentado por gas, es el de tubos radiantes, en el cual un gas en combustión dentro de tubos metálicos, que se proyecta dentro de la cámara de calentamiento, y que constituyes la fuente de calor radiante.

El calentamiento por gas tiene como ventaja la economía y como inconveniente la dificultad del control de la temperatura. La temperatura alcanzada por el horno suele llegar a 1100 ºC y el control de la atmósfera es muy difícil por ello se emplea poco este proceso de calentamiento para tratamientos térmicos.

3. b. Calentamiento por resistencia eléctricaEs el más usado para los hornos de tratamiento térmicos que aprovecha el calor generado según la ley de joule.

La disposición de la resistencia da nombre a los hornos, que son de tipo mufla o caja, la resistencia está instalada a lo largo de las paredes interiores y por lo tanto en contacto con las paredes del horno.

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El material de la resistencia suele ser nicrom (Níquel 70%, Cromo 30%), que alcanza temperaturas de 1100 ºC y de aleación de carburo de silicio que alcanza temperaturas de 1300 ºC.

Para lograr temperaturas superiores se utilizan resistencias de molibdeno (1800 ºC), de tungsteno (2500 ºC), y de grafito (2700 ºC). Para temperaturas aun mayores se utilizan los hornos de inducción (3000 ºC).

3. c. Hornos según su atmósferaEn tratamientos térmicos se entiende por atmósfera la masa gaseosa encerrada dentro del horno que está en contacto con la pieza a tratar las atmósfera pueden tener carácter neutro, oxidante o reductor el papel desempeñado por la atmósfera controlada es doble, por una parte evita que se produzcan reacciones perjudiciales como la oxidación y la descarbonizacion de las piezas.

Por otra parte permite realizar las acciones previstas a saber, la reducción de óxidos superficiales y la eliminación de gas sean absorbidas.

3. d. En vacíoSe utiliza para sintetizar carbonos cementados y para el tratamiento térmico especial de aceros aleados se consiguen mediante bombas mecánicas y de difusión de aceite o mercurio. Las atmósferas neutras de argón helio y nitrógeno apenas se emplean debido al precio de estos gases y a las trazas de oxigeno que suelen contener.

Las atmósferas carburantes o descarburantes obtenidas por combustión o disociación de mezclas de hidrocarburos (metano, propano, butano, gas natural), con aire estas suelen contener N2, CO, H2, CO2, y pequeñas cantidades de vapor de agua.

3. e. Hornos de atmósfera del tipo de generador Exotérmico o endotérmicoEn el generador exotérmico de introducen hidrocarburos y aire secos limpios convenientemente dosificados se queman en la cámara de combustión se filtran y se separan en del agua.

El gas seco resultante se introduce al horno de tratamiento térmico.

La mezcla que se introduce al generador endotérmico es parecida a la inyectada en el exotérmico pero el generador endotérmico no tiene quemador sino los gases reaccionan entre sí en un catalizador calentado exageradamente

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Fig. 18 Horno de temple para piezas de grandes dimensiones

Fig. 19 Horno de revenido para piezas de grandes dimensiones

4. Control del proceso de tratamiento térmicoEl control del tratamiento térmico se realiza para comprobar si el proceso cumple con todos los requisitos técnicos que se requieren con calidad.

El control técnico se realiza en todas las etapas de la producción que son el control de la calidad de materiales iníciales, control de los procesos tecnológicos del tratamiento térmico y control de la   producción   del taller de tratamiento térmico.

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A fin de aumentar la fiabilidad y plazo de servicio de los hornos y piezas que pasan por el proceso de tratamiento térmico, generalmente se controlan dos índices de todas las piezas: la dureza y el espesor de la capa obtenida por tratamiento térmico o termoquímico.

Los materiales iníciales se someten al control de composición química.

La composición química se verifica por análisis espectral, es decir, por métodos que permiten apreciar cuantitativa y cualitativamente la composición química.

4. a. Variables para el control4. a. 1 Antes de empezar-Tamaño de grano: el tamaño, forma y orientación de los granos influyen fuertemente en las propiedades mecánicas. Por esto es muy importante conocer, como regular y como medir el tamaño del mismo.

Fig. 20 Influencia de la temperatura de calentamiento en el tamaño del grano de austenita para acero

K: aceros con tamaños de granos gruesos (tamaño de grano, menor que 5, según ASTM).

M: aceros con tamaños de granos finos (tamaño de grano, mayor que 5, según ASTM).

A medida que aumenta la temperatura, aumenta el tamaño de grano, para aceros de granos gruesos (K), esto ocasiona una disminución del límite de fluencia del acero.

También se observa que los aceros de granos finos al ser calentados hasta la temperatura de 950°c su tamaño varia muy poco, no provocando cambios en las propiedades mecánicas y la micro estructura.

-Templabilidad: aptitud de una aleación para endurecerse por formación de martensita como consecuencia de un tratamiento térmico.

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La templabilidad, es una medida de la profundidad a la cual una aleación específica puede endurecerse.

La templabilidad tiene una estrecha relación con el diámetro crítico, ya que sin esta propiedad nunca se pudiera saber, si el acero fue templado a corazón o superficialmente, esto depende del espesor de la pieza y el diámetro crítico del acero.

-Inspección visual: es necesaria que se realice con objetos auxiliares como lupas, espejuelos u otros de igual función. Este solo deberá abordarse si el ojo del inspector puede situarse a una distancia no superior a 60 cm, siempre que el ángulo bajo el que se inspecciona la zona no sea de más de 30° (criterios del código ASME).

-Estado de los sistemas de control de temperatura: se profundiza más de cerca el estado de los potenciómetros y termopares, es decir, se verificará si están dentro de su fecha de explotación para su correcto funcionamiento y evitar fallos en la producción.

-Calificación del personal: El personal debe de estar calificado y certificado de obrero o ingeniero con óptimas condiciones para la realización del proceso de tratamiento térmico.

-Carta tecnológica: de tratamiento térmico, es un documento rector, que especifica antes, durante y después de realizado el proceso, los datos y parámetros que deben ser controlados.

-Verificación de la iluminación del local: La iluminación del local es imprescindible ya que en el transcurso del proceso de Tratamiento Térmico se realizan varias operaciones que requieren de una perfecta visualización del local, el cual debe estar iluminado aproximadamente sobre los 1000 lux específicamente en el momento de la realización de la inspección visual.

-Controlar el estado técnico de las grúas viajeras: es de vital importancia, ya que con el mismo se realiza el traslado de las planchas del horno al recipiente de enfriamiento o viceversa, por lo que es necesario verificar su mantenimiento y su correcto estado técnico.

-Medios de protección, dispositivos de manipulación: los dispositivos tienen el objetivo de introducir la pieza dentro del horno en correcta posición, para evitar las posibles distorsiones y alabeos que esta puede sufrir. En el caso de que una pieza tenga forma irregular, resulta muy difícil su introducción dentro del horno y consecutivamente dentro del medio de enfriamiento, por lo que usando estos medios resulta más sencillo y rápido, en otro de los casos si se necesita enfriar un número considerable de piezas pequeñas o de mediano tamaño sería muy improductivo enfriarlas una a una por lo que a la vez los dispositivos con su uso racionalizan el gasto de recursos.

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-Selección del tipo de horno: este aspecto es de valiosa importancia ya que cada paso del proceso de calentamiento de las planchas o piezas se realiza en diversos hornos, esto depende de la cantidad, tamaño de las piezas y tratamiento a realizar sobre las mismas.

-Verificación del aceite; su viscosidad y punto de inflamación.En la actualidad, los aceites minerales son usados en lugar de los vegetales por ser esto más baratos y por su menor descomposición.

Estos aceites minerales evitan el desglosamiento de la austenita en la mezcla de ferrita y cementita, además en la zona de transformación martensítica disminuyen su velocidad de enfriamiento lo que es importante para evitar defectos como grietas y tensiones.Para el proceso de tratamiento de acero 30XC se utiliza el aceite Caucho 32 por tener un punto de inflamación alto y poseer una viscosidad baja.

El aceite no se cambia, solo se repone, porque al ser la pieza sumergida en el mismo se pierde una cierta cantidad a causa de la combustión por el contacto de la pieza caliente con el aceite, por otra parte, al sacar la pieza o piezas del recipiente de enfriamiento se pierden alrededor de 2 o 3 litros de aceite por piezas grandes y aproximadamente 0.25 litros por las piezas más pequeñas, por lo que producto a estas acciones se repone dentro del recipiente de enfriamiento el aceite consumido.

Otras de las precauciones a tener en cuenta en cuanto al aceite, es su forma de almacenamiento, este debe ser necesariamente en su recipiente de almacenamiento inicial para evitar la contaminación del mismo con factores externos.

Fig. 21 Recipiente de enfriamiento con aceite del tipo caucho 32

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4. a. 2 Durante el proceso-Verificar que el horno llegue a la temperatura requerida: para la verificación de la temperatura que se requiere el operario debe permanecer al lado del horno al tanto de que alcance la temperatura correspondiente, guiándose el mismo por los potenciómetros para posteriormente proceder a darle el tiempo de permanencia que requiere la pieza para completar el proceso.

-Comprobar el tiempo de permanencia de la pieza dentro del horno: este parámetro se verifica solo guiándose por lo que refleja la carta tecnológica ya que este documento contiene la gráfica que especifica el tiempo que debe permanecer la pieza dentro del horno, por lo que el operario debe cumplir con la condición de estar atento a que se complete el proceso con éxito.

-Tener en cuenta la pérdida de temperatura en el traslado de la pieza al medio de enfriamiento: este aspecto es de extremo cuidado ya que puede cambiar las propiedades mecánicas de la pieza a tratar por la demora de la misma a la llegada al medio de enfriamiento.

4. a. 3 Después del proceso-Ejecución de la limpieza de la pieza: La limpieza de la pieza debe realizarse suspendida en la grúa viajera con el objetivo de eliminar el aceite de enfriamiento, de su superficie para la posterior realización del proceso de revenido

-Control de la dureza de la pieza: El control de la dureza en el Tratamiento Térmico es vital pues define la aceptación del Producto por ser este un requisito de calidad del mismo y permita en este caso de ser aceptado y continuar el Proceso de elaboración del Producto o su Liberación.

-Ejecución del enderezado de la pieza en caso que lo requiera: Generalmente en ocasiones después del temple al enfriarse las piezas para el posterior revenido se pueden observar piezas que sufren un pequeño ángulo en su forma, por lo que se ejecuta el enderezado de las mismas en la prensa.

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Fig. 22 Prensa para enderezado de piezas

-Realización de las pruebas correspondiente a la pieza en dependencia de su medio de desempeño: Es necesario realizar las pruebas a las piezas en dependencia de su medio de desempeño pero no de cualquier manera, ya que esto lleva una regulación para la menor posible destrucción de piezas en su estado terminal.

Bibliografía:Links: http://www.youtube.com/watch?v=Bri5iMoAo_o&list=PLEDC9E9BF61846E90http://industrialtermoquimica.com/tipos-de-hornos.htmlhttp://www.ecured.cu/index.php/Tratamiento_t%C3%A9rmico

Libro:Manual del constructor de maquinas, H. Dubbel; editorial Labor (1965)

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