Tratamientos térmicos del acero 

El tratamiento térmico en el material es uno de los pasos fundamentales para que pueda alcanzar las propiedades mecánicas para las cuales está creado. Este tipo de procesos consisten en el calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado sólido para cambiar sus propiedades físicas. 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. La clave de los tratamientos térmicos consiste en las reacciones que se producen en el material, tanto en los aceros como en las aleaciones no férreas, y ocurren durante el proceso de calentamiento y enfriamiento de las piezas, con unas pautas o tiempos establecidos.

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 diagramas se especifican las temperaturas en las que suceden los cambios de fase (cambios de estructura cristalina), dependiendo de los materiales diluidos

Recocido: El recocido es el tratamiento térmico que, en general, tiene como finalidad

principal el ablandar el acero u otros metales, regenerar la estructura de aceros

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

frío. (Enfriamiento en el horno). Esto es, eliminar los esfuerzos residuales producidos

durante el trabajo en frío sin afectar las propiedades mecánicas de la pieza finalizada, o

puede utilizarse el recocido para eliminar por completo el endurecimiento por deformación Debido al enfriamiento lento el proceso puede ser asociado al diagrama de

equilibrio hierro-carburo de hierro, que en nuestro caso se trata de una muestra de acero hipoeutectoide y corresponde el proceso al diagrama siguiente representado en la figura.

El propósito general del recocido es refinar el grano, proporcionar suavidad, mejorar las propiedades eléctricas y magnéticas y, en algunos casos, mejorar el maquinado.

 

                                              Partiendo de una muestra de acero hipoeutectoide (0.2% de carbono en la

figura 1), calentamos progresivamente. En la fig. 1a se observa la microestructura de las fases perlita y ferrita. Al calentar y traspasar la línea crítica inferior (A1), la perlita se transformará en pequeños granos de austenita por medio de la reacción eutectoide, dejando la ferrita inalterada (fig.1b). Al seguir calentando y traspasar la línea crítica superior (A3) los granos grandes de

ferrita se transformarán en pequeños granos de austenita con lo que se obtendrá una microestructura de austenita con granos muy pequeños (fig. 1c). Dejando enfriar lentamente la muestra se formarán pequeños granos de ferrita proeutectoide y pequeñas áreas de gruesa perlita laminar (fig.1d). La temperatura adecuada para el recocido en el acero hipoeutectoide es de aproximadamente 10º C por encima de la línea A3. Si realizamos un estudio microscópico de las proporciones de ferrita y perlita presentes en un acero recocido, permitirá determinar el contenido de carbono aproximado en el acero, ya que el contenido de ferrita proeutectoide relativo al contenido de perlita sigue una relación lineal con respecto al contenido de carbono.

endurecimiento del acero    

El proceso de endurecimiento del acero consiste en el calentamiento del metal de manera uniforme a la temperatura correcta (ver figura de temperaturas para endurecido de metales) y luego enfriarlo con agua, aceite, aire o en una cámara refrigerada. El endurecimiento produce una estructura granular fina que aumenta la resistencia a la tracción (tensión) y disminuye la ductilidad.

El acero al carbono para herramientas se puede endurecer al calentarse hasta su temperatura crítica, la cual se adquiere aproximadamente entre los 1450 °F y 1525 °F (790 a 830 °C) lo cual se identifica cuando el metal adquiere el color rojo cereza brillante. Cuando se calienta el acero la perlita se combina con la ferrita, lo que produce una estructura de grano fino llamada austenita. Cuando se enfría la austenita de manera brusca con agua, aceite o aire, se transforma en martensita, material que es muy duro y frágil. 

 

NORMALIZADO. Un tratamiento térmico en el cual las aleaciones porosas se

calientan hasta aproximadamente 100F sobre el rango crítico, sosteniendo esa temperatura por el tiempo requerido, y enfriándola a la temperatura del medio ambiente.

Se realiza calentando el acero a una temperatura unos 50ºC superior a la crítica y una vez austenizado se deja enfriar al aire tranquilo. La velocidad de enfriamiento es más lenta que en el temple y más rápida que en recocido.

Con este tratamiento se consigue afinar y homogeneizar la estructura.

Este tratamiento es típico de los aceros al carbono de construcción de 0.15% a 0.60% 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. Esta variación será más acusada cuanto más cerac del núcleo realicemos el ensayo.

DIAGRAMA DE TRANSFORCACION ISOTERMICA

Se denomina curva TTT al diagrama que relaciona el tiempo y la temperatura requeridos para una transformación isotérmica.

Los diagramas TTT son gráficas que representan la temperatura frente al tiempo (normalmente en escala logarítmica).

Son muy útiles para entender las transformaciones de un Acero que se enfría isotérmicamente. Así por ejemplo, en el caso del acero, y más concretamente para la fase Austenita, que es inestable debajo de la temperatura de transformación eutectoide, se necesita saber cuánto tiempo requerirá para empezar a transformarse a una temperatura

subcrítica específica, cuánto tiempo precisará para estar completamente trasformada y cuál será la naturaleza del producto de esta transformación.

Se elaboran con el porcentaje de transformación frente al logaritmo de las medidas de tiempo.

En una curva TTT distinguimos:

Por debajo de Ms la evolución es independiente del tiempo, sólo depende de la temperatura, es atérmica.

La nariz perlítica nos da el mínimo tiempo de retardo y nos define la velocidad crítica de temple del acero, que es la mínima velocidad que nos permite alcanzar una estructura 100% Martensítica, sin haber sido sometido a ninguna otra transformación en el enfriamiento.

Llamamos tiempo de retardo o periodo de incubación al tiempo necesario para que comience la transformación isoterma de la austerita, es distinto para cada temperatura.

El diagrama TTT más simple es el del acero al carbono eutectoide, al carbono, ya que no hay constituyentes proeutectoides en la microestructura. Vemos la diferencia entre un diagrama de un Acero Hipoeutectoide y otro Hipereutectoide.

γi + M

γi + P

γi + B

Perlita

Bainita

Martensita

γ inestable

γ estable

(1): Curva Inicial de Transformación

(2): Curva Final de Transformación

VCT: Velocidad Crítica de temple

Ms: Curva Inicial de transformación Martensítica

Mf: Curva Final de transformación Martensítica

En los diagramas distinguimos tres zonas:

1. La de la izquierda de las curvas, donde la Austenita todavía no ha comenzado a transformarse.

2. La comprendida entre las dos curvas, donde la Austenita está en periodo de transformación.

3. La de la derecha, donde la Austenita se encuentra completamente transformada.

Para obtener estos diagramas, se calienta un conjunto de probetas iguales a la temperatura de austenización, y se mantienen allí hasta que se transforman en austerita. Conseguido esto, se enfrían bruscamente en baños de sales o metal fundido hasta la temperatura deseada, que permanecerá constante mientras dure el ensayo; a intervalos de tiempo determinados se sacan las probetas del baño y se enfrían bruscamente hasta temperatura ambiente. Mediante el examen microscópico de las mismas, se determina la cantidad de austerita transformada en función del tiempo y con ello, el principio y el final de la transformación. Se obtiene así el diagrama que nos da la cantidad de Austenita transformada en función del tiempo, a temperatura constante.

Existen diversos factores que influyen sobre las curvas TTT, desplazando las mismas hacia la derecha o hacia la izquierda en el diagrama, es decir, retardando o adelantando el comienzo de la transformación martensítica, o desplazando hacia arriba o hacia abajo las líneas de principio y fin de la transformación martensítica. Estos factores son, entre otros:

CF3+Pγ+P+CF3

γ+ CF3

Bγ+B

M

γ+M

γeγe

γiγi

M

γ+M

γ+B

γ+P+α

γ+αγe

γe

α+P

B

1. El contenido en Carbono de la aleación: a mayor contenido mayor será el desplazamiento hacia la derecha de las curvas inicial y final de transformación; y hacia abajo las isotermas que indican el principio y el fin de la transformación martensítica.

2. Temperatura de Austenización: cuanto mayor sea, mayor será el tamaño de grano, y mayor por tanto el desplazamiento de las curvas hacia la derecha y hacia abajo.

3. Elementos Aleantes: distinguimos entre dos tipos:

a. Ganmágenos: aquellos que se disuelven preferentemente en la Austenita como son el Níquel y el Manganeso, que expanden por tanto el campo de existencia de la Austenita desplazando hacia abajo las isotermas.

b. Alfágenos: se disuelven preferentemente en la fase α (Ferrita), son por ejemplo el Cromo, el Molibdeno, el Vanadio y el Wolframio; y desplazan las isotermas hacia arriba.

c. Carburígenos: son elementos (habitualmente Alfágenos) que tienden a formar carburos. Producen una segunda zona de temperaturas de transformaciones rápidas al nivel de la transformación de la austerita en Bainita.

Todos los elementos de aleación, excepto el cobalto, aumentan los tiempos de transformación isoterma de la austenita.

Existe una fórmula, la “Fórmula de Andrews” que nos da la influencia de los elementos aleantes en la temperatura Ms, en grados Celsius:

Ms(ºC)=500-350(%C)-40(%Mn)-35(%V)-20(%Cr)-17(%Ni)-10(%Cu)-5(%W)+15(%Co)+30(%Al) 1

A partir de estos diagramas podemos determinar el tratamiento bajo el cual debemos someter a un material para obtener la estructura y las propiedades deseadas, y como deben ser los tiempos y las temperaturas de dichos tratamientos.

Además de las curvas TTT, podemos hablar de las curvas TTT de enfriamiento continuo, que no pueden ser deducidas a partir de las anteriores y que presentan unos tiempos mayores debido a que en el caso de enfriamiento continuo se pasa mayor cantidad de tiempo a altas

1 Según: “Ciencia de Materiales”, Laceras y Carrasquilla. Ed Donostiarra.

temperaturas, mientras que en el caso isotérmico el material llega instantáneamente a la temperatura de transformación. En estos últimos se indica en la parte inferior una escala de dureza.

Tratamientos térmicos superficiales 

Muchos tratamientos térmicos pueden hacerse a nivel superficial, cambiando las

propiedades hasta una profundidad determinada sin afectar al material del interior

de una pieza. Algunos ejemplos

son: recocido, temple, revenido, maduración y bonificado. 

Cianuración 

 es un tratamiento termoquímico que se da a los aceros. Cuando se quiere obtener una

superficie dura y resistente al desgaste, esto se logra empleando un baño de cianuro

fundido, la cianuración se puede considerar como un tratamiento intermedio entre

la cementación y la nitruración ya que el endurecimiento se consigue por la acción

combinada del carbono y el nitrógeno a una temperatura determinada.

Carbonitruración es un tipo de tratamiento térmico superficial del acero,

englobado dentro de los procesos de cementación gaseosa, en el que se suministra

carbono y nitrógeno a la superficie de una pieza de acero para proporcionarle las

características de dureza deseada. Concretamente es un tratamiento termoquímico, a

medio camino entre la cementación o carburación (adición de carbono) y la nitruración

(adición de nitrógeno). 

Nitruración es un tratamiento termoquímico que se le da al acero. El proceso

modifica su composición añadiendo nitrógenomientras es calentado. El resultado es un

incremento de la dureza superficial de las piezas. También aumenta la resistencia a

lacorrosión y a la fatiga. Una variante de este tratamiento, es el proceso tenifer. 

Tensiones residuales son tensiones que permanecen en el interior del material cuando éste no se encuentra sometido a cargas externas. Su origen está en los tratamientos mecánicos y térmicos empleados en los procesos de fabricación o en las cargas aplicadas cuando la pieza o componente se encuentran en servicio. Dichas tensiones pueden provocar cambios dimensionales y distorsiones en las piezas fabricadas que las hagan inservibles para su aplicación. 

ENSAYO JOMINY

Consiste en:

1. Preparar una probeta cilíndrica de 25 mm de diámetro y 100 mm de longitud con cabeza de apoyo o pestaña de 3 mm.

2. Calentar la probeta a temperatura de 60°C por encima de Ac3, colocándola en el horno dentro de una caja con carbón para evitar la descarburación y oxidación superficial y mantenerla durante 30 minutos a dicha temperatura.

3. Enfriar la probeta por un extremo con chorro de agua a 25°C, salida de un grifo de 12.5 mm de diámetro con una presión que alcance 65 mm de altura libre, la distancia entre el extremo inferior de la probeta y el grifo es de 12.5 mm, el tiempo de enfriamiento es de 10 minutos.

4. Efectuar un refrentado de 2 mm en partes diametralmente opuestas de la probeta y tomar sobre ellas una serie de mediciones de dureza en puntos distanciados entre sí un dieciseisavo de pulgada.

Disposición de la probeta Jóminy para su enfriamiento.

5. Trazar un diagrama que relacione la disminución de dureza con la variación de la distancia al extremo templado.

 

Gráfica que muestra la disminución de dureza con la distancia al extremo templado o curva de templabilidad en el ensayo Jóminy.

.1.- AUSTENIZADO:

Se refiere a un proceso en el que se calienta al material hasta una temperatura superior a la crítica para que su estructura sea completamente austenitica.

La velocidad de calentamiento desde la temperatura ambiente hasta la temperatura de austenización no tiene gran efecto en la estructura final pero se debe tener cierto cuidado con el caso de materiales que han sido previamente deformados en frío, ya que para evitar fisuras es necesario calentarlos más lentamente que los que no han sido endurecidos por trabajo mecánico, debido a que un calentamiento más rápido puede liberar tensiones en forma rápida y no homogénea.

En términos generales cuanto más lento y uniforme es el calentamiento menor será el daño del material.

La temperatura de austenización varía con la concentración de carbono en el acero, pero, como regla general se elige la temperatura de 50°C por encima de la crítica correspondiente a la composición de la aleación.

TemplabilidadSaltar a: navegación, búsqueda

Templabilidad es la capacidad de una aleación para transformarse en martensita durante un determinado temple. Depende de la composición química del acero. Todos los aceros aleados tienen una relación específica entre las propiedades mecánicas y la velocidad de enfriamiento. Templabilidad no es dureza, que significa resistencia a la penetración, aunque se utilizan medidas de dureza para determinar la extensión de la transformación martensítica en el interior de una probeta.

Un acero aleado de alta templabilidad es aquel que endurece, o forma martensita, no sólo en la superficie sino también en su interior. Por tanto, la templabilidad es una medida de la profundidad a la cual una aleación específica puede endurecerse.

Hasta el momento se han discutido aspectos relativos al comportamiento del acero durante las diversas formas de transformación posibles en los mismos. Tanto los diagramas isotérmicos como los diagramas de enfriamiento continuo dan información valiosa al respecto de este comportamiento. Ellos indican, por ejemplo, que un acero puede ser enfriado más lentamente para obtener martensita cuando tiene elementos de aleación en su composición. Entretanto se debe considerar cual es realmente la información proporcionada por estos diagramas para efecto práctico en un tratamiento térmico. Se sabe que una pieza de acero enfriada en un medio cualquiera tendrá una velocidad de enfriamiento que depende de varios factores y una vez que estos son determinados, se debe buscar alguna manera de comparar y predecir lo que irá a suceder cuando se realice tal enfriamiento. Para esto es necesario que primeramente se entienda lo que es la templabilidad.