TRATAMIENTO TRMICO DEL ACERO.

TRATAMIENTO TRMICO.Operacin o combinacin de operaciones que comprende el calentamiento y enfriamiento de un metal o de una aleacin en el estado slido, con el fin de obtener ciertas condiciones o propiedades convenientes.

ACERO.El acero, es una aleacin de hierro y carbono, donde el carbono no supera el 2,1% en peso de la composicin de la aleacin, alcanzando normalmente porcentajes entre el 0,2% y el 0,3%. Porcentajes mayores que el 2,0% de carbono dan lugar a las fundiciones, aleaciones que al ser quebradizas y no poderse forjar a diferencia de los aceros que se moldean.Como resultado de los mtodos de fabricacin, se encuentran siempre presentes en el acero los siguientes elementos: carbono, manganeso, fsforo, azufre, silicio y trazas de oxgeno, nitrgeno y aluminio. Frecuentemente se le agregan diversos elementos de aleacin como el nquel, cromo, cobre, molibdeno y vanadio. El acero tiene como base la aleacin hierro-carbono. El hierro es un metal, relativamente duro y tenaz, con dimetro atmico dA = 2,48 (1 angstrom = 10-10 m), con temperatura de fusin de 1.535 C y punto de ebullicin 2.740 C.El carbono es un metaloide, con dimetro mucho ms pequeo (dA = 1,54 ), blando y frgil en la mayora de sus formas alotrpicas.

La caracterstica del acero que determina su capacidad para templarse en toda su seccin al ser enfriado bruscamente se llama templabilidad.

El mtodo estndar que se sigue para determinar la capacidad del acero para tomar el temple es el ensayo de la templabilidad de Jominy.

El ensayo de Jominy consiste en templar una muestra estndar de acero llamada probeta con un chorro de agua de caudal y temperatura constante. La temperatura de la probeta se eleva y se proyecta el chorro de agua por uno de los extremos de la probeta. Ese extremo de la probeta se enfriar rpidamente, sufriendo el temple y ser ms duro que el otro extremo. Luego se mide la dureza de la probeta cada 1,5 mm a lo largo y se traza la curva de Templabilidad.

La curva de templabilidad asegura que 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, susceptibles de endurecerse rpido cuando sufren temple.

El siguiente diagrama corresponde a dos ensayos de Jominy con dos materiales diferentes. En vertical se presenta la dureza y en horizontal se presenta la distancia desde el extremo templado. Se observa que, a media que nos alejamos del extremo templado, la dureza (HRC) disminuye.Se puede observar que el descenso de la dureza en la curva inferior es ms rpido, con lo cual podemos afirmar que en ese caso, la probeta tendr baja templabilidad, es decir, que ese acero tiene menos capacidad para transformarse en un acero de alta dureza (martensita) cuando se enfra rpidamente con un lquido (normalmente agua).

TEMPLADO.Calentamiento y enfriamiento brusco de ciertas aleaciones a base de hierro, desde una temperatura comprendida dentro del intervalo critico o superior a l, con objeto de producir una dureza superior a la obtenida cuando la aleacin no se enfra bruscamente. En general se restringe el trmino a la formacin de martensita.Los aceros con microestructura martenstica son los ms duros y mecnicamente resistentes, pero tambin los ms frgiles y menos dctiles. La dureza de estos aceros depende del contenido en carbono; aun as, son ms tenaces que los aceros perlticos. La martensita es una solucin slida sobresaturada de carbono y austenita.TRATAMIENTO TRMICO DEL ACERO.Es uno de los pasos fundamentales para que pueda alcanzar las propiedades mecnicas para las cuales est creado. Este tipo de procesos consisten en el calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado slido para cambiar sus propiedades fsicas.Con el tratamiento trmico adecuado se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamao del grano, incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un interior dctil. La clave de los tratamientos trmicos consiste en las reacciones que se producen en el material, tanto en los aceros como en las aleaciones no frreas, 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 trmico es recomendable contar con los diagramas de cambio de fases como el de hierrocarbono. 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.El hierro puro, al ser calentado a 910C (1670F) modifica su estructura cristalina interna de un arreglo cbico centrado en el cuerpo, hierro alfa, a una estructura cbica centrada en las caras, hierro gamma; a 1390C (2535F), la estructura vuelve a ser cbica centrada en el cuerpo, hierro delta, y a 1539C (2802F) el hierro se funde. Al hierro alfa que contiene carbono o cualquier otro elemento en solucin slida se le llama ferrita, y al hierro gamma que contiene elementos en solucin slida se le llama austenita. Generalmente, cuando el carbono no est en solucin en el hierro, forma un compuesto Fe3C (carburo de hierro), que es extremadamente duro y frgil y que se conoce con el nombre de cementita.

Hornos.Para atender las distintas necesidades de calor que plantean los diferentes tipos de tratamiento trmico se han desarrollado una gran variedad de mquinas generadoras de calor.Una clasificacin bsica de los hornos es dividirlos en hornos intermitentes y hornos continuos:Hornos intermitentesSon aquellos en cuyo interior las piezas se mantienen inmviles mientras permanecen en ellos y pueden ser horizontales o verticales.Hornos continuosSe disean para que las piezas entren y salgan de ellos una por una, a una velocidad que se acomode a otras operaciones continuas de la secuencia de fabricacin.

PROPIEDADES MECNICAS DE LOS MATERIALES.Las caractersticas mecnicas de un material dependen tanto de su composicin qumica como de la estructura cristalina que tenga. Los tratamientos trmicos modifican esa estructura cristalina sin alterar la composicin qumica, dando a los materiales unas caractersticas mecnicas concretas, mediante un proceso de calentamientos y enfriamientos sucesivos hasta conseguir la estructura cristalina deseada.Entre estas caractersticas estn:Resistencia al desgaste: Es la resistencia que ofrece un material a dejarse erosionar cuando est en contacto de friccin con otro material.Tenacidad: Es la capacidad que tiene un material de absorber energa sin producir fisuras (resistencia al impacto).Dureza: Es la resistencia que ofrece un acero para dejarse penetrar. Se mide en unidades BRINELL (HB) o unidades ROCKWEL C (HRC), mediante el test del mismo nombre.El tratamiento trmico en el material es uno de los pasos fundamentales para que pueda alcanzar las propiedades mecnicas para las cuales est creado. Este tipo de procesos consisten en el calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado slido para cambiar sus propiedades fsicas. Con el tratamiento trmico adecuado se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamao del grano, incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un interior dctil. La clave de los tratamientos trmicos consiste en las reacciones que se producen en el material, tanto en los aceros como en las aleaciones no frreas, y ocurren durante el proceso de calentamiento y enfriamiento de las piezas.Los tratamientos trmicos 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 tensin.TEMPLADO SUPERFICIAL.Se puede llevar a cabo la produccin de artculos con interior blando y dctil, y una superficie muy dura por la carburizacin de un acero de bajo contenido de carbono a una temperatura elevada y por el subsiguiente enfriamiento brusco por inmersin. El proceso de carburizacin seguido por el de enfriamiento brusco se conoce como templado o endurecimiento superficial o bien cementacin.Los mtodos de carburizacin (o cementacin) pueden dividirse en tres grupos: la carburizacin con agente slido, con agente gaseoso y con agente lquido. En la carburizacin con agente slido, el compuesto usual contiene 20% de carbonatos metlicos (en su mayor parte carbonato de bario) aglutinados con carbn de madera por medio de aceite, alquitrn o melazas. Algunas veces se le agrega hasta un 20% de coque para aumentar la rapidez de transferencia de calor. Antes de ser empleado por segunda vez el compuesto usado, se le debe agregar alguna cantidad de l para reponer las prdidas de carbonatos, y las ocasionadas por la pulverizacin del compuesto y por el quemado del carbn de madera y del coque. Con frecuencia se agrega una parte de compuesto nuevo a tres partes del usado, pero teniendo ciertos cuidados al manejarlo puede reducirse esta adicin a 1 parte nueva por cada 5 partes del usado.La carburizacin con gas se lleva a cabo por lo comn en retortas calentadas para que la pieza d vueltas. Los gases carburizantes usados son el monxido de carbono, el metano, el etano y el propano. Los hidrocarburos se descomponen si no estn diluidos, liberando una cantidad excesiva de carbono en forma de holln que se deposita sobre todas las superficies expuestas. Diluyendo estos gases con otros tales como nitrgeno e hidrgeno, disminuir la cantidad de carbono libre que se depositar. Por un ajuste adecuado del tiempo, la temperatura y la composicin del gas, se puede hacer variar el contenido de carbono en la superficie y el gradiente del carbono para satisfacer casi cualquier especificacin.La carburizacin con agente lquido se hace en baos activados de cianamida de calcio, de cianuro de sodio o de potasio, y de productos qumicos de control que regulan la descomposicin de los cianuros. Los baos son operados a temperaturas comprendidas entre 815 y 900C (1500 y 1600F) y se obtienen profundidades de temple superficial de 0.5 mm (0.020 pulg.) en 90 minutos; para profundidades mayores es ms econmico efectuar la carburizacin con agente slido o con gas. El proceso es en extremo flexible, se controla con facilidad y se adapta bien a unidades pequeas. Con funcionamiento continuo y enfriado automtico por inmersin, los costos de mano de obra son bajos.FACTORES QUE INFLUYEN EN EL TEMPLE.La composicin qumica del acero a templar, especialmente la concentracin de carbono. Tambin es muy importante la presencia de aleantes ya que amplan la franja temporal de enfriamiento en la que se puede obtener martensita. La temperatura de calentamiento y el tiempo de calentamiento de acuerdo con las caractersticas de la pieza. La velocidad de enfriamiento y los lquidos donde se enfra la pieza para evitar tensiones internas y agrietamiento.Las tensiones internas son producidas por las variaciones exageradas que se le hace sufrir al acero, primero elevndola a una temperatura muy alta y luego enfrindola. stas tensiones y grietas son consecuencia del cambio de volumen que se produce en el interior del acero debido a que el ncleo enfra a menor velocidad. A las piezas templadas hay que darles un tratamiento posterior llamado revenido para eliminar las tensiones internas.Finalidad del tratamiento trmico.Aumentar la resistencia a traccin, dureza. Disminuir: plasticidad, tenacidad. Modificar:

Propiedades fsicas: aumento del magnetismo y la resistencia elctrica. Propiedades qumicas: aumento de la resistencia a la corrosin.Caractersticas generales del temple Es el tratamiento trmico ms importante que se realiza. Hace el acero ms duro y resistente pero ms frgil. La temperatura de calentamiento puede variar de acuerdo a las caractersticas de la pieza y resistencia que se desea obtener. El enfriamiento es rpido. Si el temple es muy enrgico las piezas se pueden agrietar.

El enfriamiento tiene por objeto transformar la totalidad de la austenita formada en otro constituyente muy duro denominado martensita. El factor que caracteriza esta fase es la velocidad de enfriamiento mnima para que tenga lugar la formacin de martensita, sta se denomina velocidad crtica de temple.

Medios de enfriamiento en el temple. El fluido ideal de temple ser aquel que produzca una velocidad de enfriamiento superior a la crtica hasta temperaturas inferiores a las de transformacin de la perlita y bainita, y ms baja en el intervalo de la transformacin martenstica. De esta forma se evitar la transformacin de la austenita en los constituyentes ms blandos y se conseguir que se transforme con uniformidad en martensita, sin peligro a que se formen grietas y deformaciones. Algunos medios utilizados son:

En agua: el agua es el mtodo mas utilizado para el enfriamiento de acero en el temple. El agua a temperatura inferior a 30C, tiene una severidad de temple baja si se deja la pieza en reposo pero si se agita o se le aaden sales esta severidad aumenta, llegando a conseguirse, uniendo ambos mtodos, la mxima severidad.

En aceites minerales: se puede emplear para aceros ordinarios altos en carbono y de seccin pequea. Tambin se emplea para aceros aleados, cuya velocidad crtica de temple sea baja y su seccin puede ser grande, en este caso se reduce el peligro de grietas y deformaciones. Los aceiten debern tener una volatilidad no muy elevada, temperatura de inflamacin y de combustin lo ms alta posible, gran resistencia a la oxidacin y una viscosidad a temperatura ambiente entre 14,4 y 15,7 poise. Los mejores aceites para este uso son los derivados del petrleo.

En metales y sales fundidas: los metales fundidos como el mercurio o el plomo y ciertas sales se usan como refrigerantes por su comportamiento respecto a la severidad del temple que es similar a la del aceite pero por agitacin se logra aumentar considerablemente. En aire en calma a presin: se usa en aceros con bajas velocidades de temple. se enfran las piezas por radiacin, convencin y conductividad por lo que desempea un papel importante el estado de la superficie de la pieza favoreciendo que la superficie sea negra y dificultando que sea brillante.

Tipos de Temple Temple continuo completo Aceros hipoeutectoides. Ac3 + 50 C Ferrita en Austenita Se enfra a una temperatura superior a la crtica. Se obtiene MARTENSITA COMO NICO CONSTITUYENTE

Temple continuo incompleto Aceros hipereutectoides. Ac1 + 50 C Perlita en Austenita y Cementita sin transformar Se enfra a una temperatura superior a la crtica. Se obtiene MARTENSITA MAS CEMENTITA COMO CONSTITUYENTES FINALES

Temple Austempering Se utiliza para aceros que no aceptan el temple continuo. Es ms efectivo para evitar grietas y deformaciones (aceros muy tenaces). Ac3 + 50 C: austenita en hipereutectoides. Enfriamiento brusco poco antes de Ms (antes de formarse la martensita) sobre 450C Se introduce en bao de sales (isotrmica), transformando austenita en bainita (mucha tenacidad). Posteriormente se enfra rpidamente.

Temple superficial Para templar solo la superficie del acero. Se obtienen piezas: -Superficie: Duras y resistentes -Ncleo: Tenaces. Se calienta solo la zona superficial convirtindola en austenita y luego se enfra bruscamente (martensita).

BIBLIOGRAFA.

Avallone, Eugene A. y Jos Hernn Prez Castellanos (Coord. Tcnica). Manual del Ingeniero Mecnico. t.1. Mxico, Mc Graw-Hill. 2009.

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