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Contenido

1. Definici6n de Tratamiento Tdrmico ----.---1

Estructura Cristalina de los Metales """""2

Formacidn y Tamafio de los Granos---- -----5

Clasificaci6n de los Aceros---- ---6

Efectos del Carb6n en la Estructura del Hierro -:---.-B

Equilibrio Hierro - Carbono ------ 10

Diagrama de Transformaci6n Isot6rmica ---*----22

Diagrama de Transformaci6n Bajo Enfriamiento Continuo -----29

Dureza y Contenido del Carbono 30

32Templabilidad

Templado del Acero

Procesos Bdsicos de Tratamiento T6rmico --------- 53

Controlador de Temperatura y Uniformidad de la Temperatura en

los Hornos

L4. Hornos de Tratamiento T6rmico "-62

15. Disefio de las Formas de los Componentes de Acero

Templado

16. Selecci6n del Acero Adecuado

84

91

1. Definici6n de Tratamiento T6rmico

Tratamiento T6rmico es el proceso que involucra el calentamiento y enfriamientode un metal solido o aleaci6n con el prop6sito de cambiar su estructura para podercambiar sus propiedades. A paftir de esta definici6n, tratamiento t6rmico escualquier proceso de calentamiento y enfriamiento solamente, la temperatura deltratamiento t6rmico debe estar por debajo del punto de fusi6n del metal que est6siendo trctado. El prop6sito del tratamiento tdrmico es el de cambiar lamicroestructura de los metales para cambiar sus propiedades. No es posible alterarlas propiedades de un metal sin cambiar su microestructura. Las propiedades de losmetales tale como ductibilidad, resistencia, dureza, resistencia al desgaste, etc, sonfunciones de su estructura. t-a estructura de todos los metales es cristalina y degranos.

Muchos procesos t6rmicos son mdtodos simples de manipulaci6n de la estructuracristalina y de los granos para optimizar sus propiedades. Los tratamientos t6rmicospueden ser procesos de endurecimiento y templado para aumentar la resistencia y ladureza. Algunas veces los procesos est6n disefiados para disminuir las propiedades yobtener una buena maquinabilidad, el conformado a una forma rara o ser llevado auna figura diferente a temperatura ambiente. En cada uno de estos procesos laspropiedades de disefio son logradas por la manipulaci6n de la estructura met6lica.Los ciclos de tiempo- temperaturc de cualquier proceso de tratamiento tdrmicoconsiste de tres pasos:(1) Calentar el metal a cierta temperatura.(2) Mantener el metal a una temperatura elevada por cierto tiempo.(3) Enfriar el metal a ciefta velocidad.

La temperatura a la que el metal es calentado depende de cual proceso detratamiento t6rmico estd siendo aplicado y de la composici6n quimica del acero queestii siendo tratado. En adici6n a la temperatura especifica a la cual la parte llega,algunas veces es necesario controlar la velocidad a la cual se llega a esa temperatura.

En algunos procesos t6rmicos, es necesario que la pieza llegue a ciertatemperatura uniformemente, como por ejemplo durante la liberaci6n de esfueaos,mientras que en otros procesos como en el recocido y la carburizaci6n la pieza debequedarse a la temperatura por un tiempo prolongado. El enfriamiento de la pieza esun paso muy impoftante en el proceso de tratamiento t6rmico. La velocidad deenfriamiento estii estipulada en tdrminos de severidad desde un enfriamiento r6pidoen medio de una rSpida circulaci6n de salmuera hasta un enfriamiento lento en elhorno.

2. Estructura Cristalina de los Metales (Fig. L,2,3, 4)

Todos los elementos consisten en 6tomos individuales o mol6culas de cierto nivelde energla (Temperatura). Si el nivel de energia es lo suficientemente alto, losStomos o mol6culas son excitados con movimientos al azar y los elementos existencomo fluidos (LQuido o gas). En cuanto se reduzca el nivel de energia, se reduce elmovimiento al azar de los 6tomos. Cuando se baja m5s el nivel de la energia, elmovimiento se conviefte mds en una vibraci6n. En este punto, los Stomos tienden acristalizarse, lo cual significa tomar posiciones precisas los unos con respecto a losotros. El patr6n tridimensional de la formaci6n geom6trica es llamado retfuuloespacial. Cada uno de los elementos se cristaliza en uno de los catorce tipos dereticulo espacial. Sin embargo, en el tratamiento t6rmico solo nos interesaremos enlos retfculos cfbico centrado en el cuerpo, ctibico centrado en las caftrs, tetragonalcentrado en el cuerpo y hexagonal compacto.

La estructura cfibica centrada en el cuerpo tiene 9 posiciones, las ocho esquinasdel cubo y una posici6n adicional en el centro del mismo. Los metales con este tipode estructura reticular (o estructura cristalina) poseen mayor resistencia y menorductilidad que aguellos que poseen una estructura reticular c0bica centrada en lascaras.

La estructura cfibica centrada en las caras tiene catorce posiciones reticulares,las cuales son: las ocho esquinas del cubo y seis posiciones adicionales en cada unade las seis caras del mismo. Los metales con este tipo de estructura cristalina poseenmenor resistencia y mayor ductilidad que aquellos que poseen una estructurareticular cfbica centrada en el cuerpo.

La estructura tetragonal centrada en el cuerpo tiene 9 posiciones reticularessimilar a la estructura c0bica centrada en el cuerpo con la excepci6n de que la unidadde la celda es alargada en vez de cribica.

La estructura hexagonal compacta tiene 17 posiciones reticulares, las cualesest6n ubicadas en un plano hexagonal superior e inferior de seis 5tomos rodeando un#ptimo Stomo y separado por un plano de tres Stomos. Los metales con este tipode estructura se caracterizan por una falta general de plasticidad. Por consiguiente,usualmente no se pueden trabajar en frio. Algunos metales son capaces de presentardiferentes estructuras cristalinas a diferentes temperaturas. En este caso lasdiferentes estructuras son llamadas formas alotr6picas. Las estructurcs cambian deuna forma a otra y esto es llamado cambio alotr6pico. La temperatura a la cual sehacen los cambios alotr6picos se llama temperatura de transformaci6n. El hierropuro a temper:atum ambiente tiene una estructura cristalina cribica centrada en elcuerpo llamada hierro alfa. Cuando se calienta a 910oC se realiza un cambioalotropico a cirbico centrado en las caras conocido como hierro gamma (y). Cuandola temperatura llega a 1400oC otro cambio alotr6pico ocurre, se revierte a cribico

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centrado en el cuerpo llamado hierro delta (6). A t540oc el hierro se convierte enllquido. Cuando se permite que se enfrie el hierro desde el estado lQuido, estoscambios ocurrir6n inversamente a las mismas temperaturas. Como el hierro alfa y elhierro gamma tienen estructuras cristalinas diferentes, el cambio alotr6pico estdmarcado por un cambio abrupto del volumen.

Fig.l (a) Estructura Cristalina Cibica Centrada en el Cuerpo (bcc)(b) Modelo de Esferas S6lidas de la Estructura Cfbica Centrada en el Cuerpo

Fig.2 (a) Estructura Cristalina C6bica Centrada en la Cara (fcc)(b) Modelo de Esferas S6lidas de la Estructura Cribica Centrada en la Cara

(a) (b)Fig.3 (a) Estructura Cristalina Heragonal Compacta (cph)

(b) Modelo de Esferas S6lidas de la Estructura Heragonal Compacta.

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3. Formaci6n y Tamafios de los Granos (fig.s)

Cuando el metal en fase lQuida es enfriado hasta la temperatura de solidificaci6nempieza la cristalizaci6n con la formaci6n de n0cleos en diferentes partes del lfiquido.Estos nicleos crecen a medida que los 6tomos se \En uniendo a ellos, y dichocrecimiento es acorde con la correspondiente estructura cristalina. El crecimiento dedichos granos continua hasta que el mismo se vea obstaculizado u obstruido por elcrecimiento de granos adyacentes.

Un grano es una particula de material en la cual la estructura cristalina es continua.La orientaci6n de la estructura cristalina cambia en los lfmites del grano. El tamafiodel grano depende de la velocidad de enfriamiento desde el estado li,quido hastallegar al estado solido. Para un rSpido enfriamiento el tamaffo del gnno es pequefromientras que los lentos enfriamientos resultan en granos gruesos. La discusi6nanterior est6 basada en el enfriamiento de un lhuido hasta el punto de congelaci6n.Sin embargo, el mismo fen6meno ocurre cuando un metal pasa por un cambioalotr6pico. El tamafio del grano puede ser cambiado de uno grueso a uno fino por untratamiento tdrmico. Los tamafios del gnno est6n designados generalmente porASTM. Los aceros con granos de tamafios de 1 a 5 son considerados granos gruesos,los de 5 a B son granos finos.

Note: All grains l isted qre per squore inch.Fig.S Grifica de Comparaci6n delTamafio de los Granos ASTM

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4. Clasificaci6n de los Aceros

Los aceros (Con o sin elementos de aleaci6n) son los materiales m6s tratadost6rmicamente. Generalmente los aceros estdn identificados por el sistema deenumeraci6n del SAE (Sociedad de Ingenieros Automotrices) o por la AISI (InstitutoAmericano de Hierro y Acero). Para el acero de construcci6n, se utiliza un c6digo decuatros digitos el cual categoriza el acero por sus aleaciones principales y sucontenido de carbono. Los dos primeros digitos indican el tipo de acero por sualeaci6n (Tabla t) y los dos riltimos d(gitos expresan el contenido aproximado enporcentaje de carbono (0.01o/o). Por consiguiente, el acero AISI1018 ser6 un acero alcarbono con aproximadamente 0,18o/o de carbono. El acero AISI41ZIO ser6 un aceroal Cr - Mo con aproximadamente O.4o/o de carbono.

El sistema de designaci6n de los aceros para herramientas no es tan ordenadocomo para los aceros de construcci6n. Estos aceros son clasificado en diferentesgrupos cada uno representado por una designaci6n alfab6tica (Tabla 2). En algunoscasos la designaci6n indica un medio de enfriamiento en tratamientos t6rmicos comoen los tipos W (Templado en agua), O (Templado en aceite), A (Templado al aire).Algunos aceros est6n designados por la utilizaci6n para la cual estii hecho el acero,como por ejemplo S (Resistencia al choque), H (Trabajo en caliente), P (Moldeado), T(Tirngsteno r6pido), M (R6pido al Molibdeno). Los otros est6n designados por elcontenido de la aleaci6n, como por ejemplo D (Alto carbono, lato cromo), L ( Bajasaleaciones), F(Carbono-Tungsteno).

Tabla 1 Clasificaci6n de los Aeros al Carbono y los Aceroo de Construcci6n Seg0n SAE-AISI

NUMERICAL CT.ASSIFICATION - ALLOY STEELS

10x>Plain carbon steels Ni = 3.25oloi Mo = 0.25o/o

11>oHigh S free-machining steels5OprLow Cr

1$q Mn = 1.60 to 1.900/o 51>of4edium Cr

23>oNi = 5.00o/o 5b0 Cr; high carbon, ClOvr Ni = 0.70olo; Cr = 0.70o/o 1 n cr; V31>orNi = 1.25oloi Cr - 0.600/o R6vr Ni = 0.55o/oi Cr = 0.50o/o; Mo = 0.200/<

??w Ni = 1.75olo; Cr = 1.00o/o 87>orNi = 0.55o/oi Cr =0.50o/o; Mo = 0.25olo

Ni = 3.50o/oi Cr = 1.50o/o 7LA,J lvln = 0.80o/o; Si = 2.00o/o

Mo l,1n = 0.95 to 1.15olo; Si = 0.50o/o,

Ni = 0.45oloi Cr = 0.40oloi Mo = 0.L2o/c

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Ni-Cr-Mo lln = 1.35o/o; Si = 0.500/o; Ni = 0.55olo;

Cr=0.50o/o; Mo = 0.20oloNi = 1.65o/oi Mo = 0.25o/o

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Tabla 2 Clasificaci5n de los Aceros para HerramienbsDesignation

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H1l-H16

H20-H26

H41-H43

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M

L

F

P

Type

Water Hardening

Shock Resisting

Oil Hardening

Air Hardening

High C-arbon, High Chromium

Chromium Hot Work

Tungsten Hot Work

Molybdenum Hot Work

Tungsten High Speed

Molybdenum High Speed

Low Alloy Special Purpose

CarborrTungsten

Low Carbon Mold

5. Efectos del Carbono en la Estructura del Hierro

La adici6n de carbono al hierro produce varios cambios importantes en las fases.Las diferencias entre la ferrita (bcc) y la austenita (fcc) en cuanto a la capacidad panacomodar (Disolver) Stomos de carbono, traen como resultado no inicamenteimportantes caracteristicas del Diagrama bC, sino que tambi6n traen comoresultado la formaci6n del carburo de hierro (FegC). La estructura cristalina de laferrita (bcc) y el de la austenita (fcc) son modificadas al introducir 5tomos de carbonoen los sitios intersticiales entre los Stomos de hierro.

El carbono es un elemento que estabiliza la austenita y por consiguienteaumenta el rango de formaci6n de la austenita en el acero. Con la adici6n decarbono, el rango de la austenita aumenta de 912 a 1394 oC (1675 a 2540 oF). Lasofubilidad mSxima del carbono en la austenita llega hasta el2.tlo/o a 1148 oC (2018oF). La ferrita tiene una menor habilidad de disolver carbono que la austenita: lasolubilidad disminuye continuamente de un m6ximo de 0.02olo a 727 "C (1340 oF).

Cuando se excede el limite de solubilidad de carbono en la austenita, una nuevafase - carburo de hierro o cementita se forman las aleaciones de hierro y carbono enlos aceros. La cementita toma varias formas, arreglos y tamafios los cuales junto conla fenita contribuyen a la gran variedad de microestructuras encontradas en el acero.Las diversas formas de cementita dependen directamente del tratamiento t6rmico.

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La principal diferencia entre la estructura de la ferrita y ta de la austenita en elacero y el de las fases correspondientes en el hierro puro es la introducci6n delStomo de carbono. Existen dos tipos de vacios intersticiales los cuales se puedenconvertir en sitios para los 6tomos de carbono en las estructuras bcc y fcc. LasFiguras 6 V 7 muestran los vacfos octah6dricos y tetrah6dricos en las estructuras fcc ybcc, respectivamente. El 6tomo de carbono tiene seis vecinos cercanos de Stomos dehierro en un sitio octahAJrico y cuatro en un sitio tetrah&Jrico.

Los tamafios de los intersticios varian considerablemente. En la austenita,asumiendo Stomos esf6ricos de hierro, un intersticio octahddrico puede acomodar unStomo de 0.052nm de radio, pero un sitio tetrah&Jrico solo puede acomodar unStomo de 0.028 nm de radio. Los 6tomos de carbono tienen un radio de 0.07 nm,raz6n por la cual son m6s f6ciles de acomodar en los intersticios octahddricos, apesar de que esto trae como consecuencia una pequefia expansi6n de la red.

En la ferrita los espacios intersticiales son m6s pequefios, lo cual explica lasolubilidad limitada del carbono. Un sitio octah6drico en la ferrita puede acomodarun Stomo intersticial de un radio de 0.035nm y un sitio tetra&Jrico un Stomo de radiode 0.019nm.

La cementita, la fase que se forma cuando la solubilidad del carbono en la ferritay la austenita se excede, es una fase extremadamente diferente a las dos solucioness6lidas mencionadas con anterioridad. La cementita es un compuesto con unarelaci6n especifica de un 6tomo de carbono a tres 5tomos de hierro; es representadofrecuentemente como fusC. La cementita contiene 6.67 o/o de carbono y est5composici6n no puede variar.

(a) O MeEt ato.ns (b) | Metat atoms

o oclahed?8l inlErsticeg o Tstrah€dral inl6r9ltces

Fig.6 Espacios Intersticiales en una Estructura fcc Octahddrica (a) y Tetrah6drica (b)

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(a) O MeEt ato.ns

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6. Equilibrio Hierro - Carbono (Fig.8,9)

El carbono es el principal elemento responsable por la durea y los cambios delas propidades mecSnicas en el acero, siempre y cuando reciba el tratamientot6rmico adecuado. Examinamos los cambios alotr6picos que ocurren en el hierropuro a varias temperaturas. A bajas temperaturas el hierro tiene una estructuracristalina cfibica centrada en el cuerpo llamada hierro alpha mientras que atemperaturas entre 910 oC y 1400 oC cambia a una estructum cristalina cfbicacentrada en las caras llamada hierro gamma De 1400oC a 1540oC nuevamente tieneuna estructura cribica centrada en el cuerpo llamada hierro delta. En los tratamientostdrmicos, solo las formas alpha y gamma son de interds prSctico para nosotros. Enadici6n a sus formas cristalinas diferentes, las ftses gamma y alpha del hieno sonsorprendentemente disimilares. El hiero gamma tiene mayor densidad que el hierroalpha y es mds suave y grueso. En el tratamiento t6rmico, sin embargo, su diferenciam5s importante es su comportamiento como disolventes; el hierro gamma puededisofver hasta 2.Ao/o de carbono pero el hierro alfa no disuelve casi nada de carbono(A.025o/o como miSximo).

La gran diferencia de la habilidad en disolver el carbono del hierro alpha y elhierro gamma radica en las formas en que pueden ser modificadas las estructuras delacero por medio del tratamiento tdrmico. Todas las soluciones que son formadas enel hierro alpha son llamadas ferrita y todas las formadas por el hierro gamma sonllamadas austenita. La relaci6n entre la cantidad de carbono y las estructuras deequilibrio en el acero se muestran en el diagrama de equilibrio de hierro - carbono.

El diagrama completo de equilibrio hierro - carbono es bastante complicado. Sinembargo, solo algunas partes son utilizables en el tratamiento t6rmico.

Para poder desarrollar un entendimiento del diagrama, tomaremos tres aceros,uno de alto, otro de mediano y otro de bajo contenido de carbono y los calentaremosa una temperatura donde su estructura sea completamente austenita. Luego losenfriaremos lentamente a temperatura ambiente obseruando los cambios.

En el ejemplo 1, asumamos que hemos calentado una pieza de acero de t.Zo/ode carbono a 925oC donde es completamente austenita. Durante el enfriamiento,nada ocurre hasta que la temperctun llega hasta 885 "C. A 885 oC la soluci6n(Austenita) se satura y empieza a precipitarse el furC (llamado carburo hierro ocementita) fuera de la soluci6n. Cuando se va enfriando el acero, la precipitaci6n defa cementita continua hasta que llega a la temperatura de 723 aC. En este punto, laaustenita saturada que ha quedado tiene un contenido de carbono de 0.8olo. A 723oC, Ia solubilidad cae a cero y todo el carbono restante se precipita como cementita.

Al mismo tiempo, el hierro gama que suelta carbono de la soluci6n realiza uncambio alotr6pico y se convierte en hierro alpha o ferrita. Cuando se forma la ferritay la cementita a una temperatura de 723C, est5n mezclados intimamente en un

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arreglo laminar llamado perlita. En las Figum 11 y 12 se muestra el arreglo laminarde la perlita proveniente de la ferrita y la cementita. Luego de ser enfriado, noocurre ning0n cambio y la estructura queda en perlita la cual fue formada a 723 oCmds la cementita que se precipit6 de la austenita a 855 "C hasta 723oC. Al calentaresta misma pieza de acero se revertir6 el proceso, la parte de ferrita de la perlitatendr6 un cambio alotr6pico a austenita a 723 "C y la austenita disolverii la porci6nde cementita de la perlita a la misma tempentura. Si se aumenta la temperatura dela austenita, se disolverd gradualmente lo restante de la cementita hasta que latemperatura llegue a 855 "C. A esta temperatura, la estructura ser6 nuevamenteaustenita.

Para nuestro siguiente ejemplo, usaremos una pieza de 0.8olo de carbono y lacalentaremos nuevamente a 925"C donde es toda austenita. Al enfriarse esta piezade acero, nada sucede hasta que la temperatura llega a 723"C donde actria igual alprimer ejemplo a esta misma temperatura. Toda la austenita cambia a perlita y laestructura es 100o/o perlita con ning0n erxtra de cementita como era en el caso delejemplar con 1.2olo de carbono. Al volver a calentar esta pieza, el mismo procesoocurre a la inversa. Esto es, la temperatura llega a 723oC como 100o/o perlita ycambia a austenita. Luego como resultado del calentamiento no hay cambios en laestructura.

Nuestro fltimo ejemplo es acero con 0.4olo de carbono y tambi6n es 100o/oaustenita a 925oC. Al enfriarse esta pieza de acero, no ocurre ningrin cambio hastaque la temperatura baja a 790"C. A esta temperatura, la austenita est5 saturada deferrita. Al continuar el enfriamiento por debajo de 790oC esta ferrita se precipita dela austenita hasta que la temperatura llega a 723"C. En 723oC lo que queda deaustenita tiene nuevamente 0.8o/o de carbono y cambia a perlita. Al seguirenfri6ndose a temperatura ambiente no ocurren ningrin otro cambio y la estructuraestd compuesta por ferrita libre y perlita. Cuando es calentado nuevamente el acero,el mismo proceso ocurre a la inversa. A 723oC la porci6n de ferrita de la perlitarealiza un cambio alotr6pico convirti6ndose en austenita y disolviendo la cementita aesta temperatura. Al ir aumentando la temperatura, mds de la ferrita libre sedisuelve en austenita hasta que la temperatura llega a 790oC a la cual la ferrita hasido disuelta por completo en austenita.

El diagrama de equilibrio de hierro - carbono es una forma conveniente paraobseruar las diferentes temperaturas y los cambios 6 transformaciones de fase que elacero de diferentes contenidos de carbono atraviesa. Sin embargo, solo muestra eltipo de cambios que ocurrirdn al calentarse muy lentamente o al enfriarse al mismoritmo. Todos los cambios conllevan movimientos ffsicos de los 6tomos por esorequieren de tiempo. Cuando el calentamiento es muy r6pido, todas las temperaturasdel diagrama tiende a ser mayores. A la inversa, si la tasa de enfriamiento es m6sr6pida, las temperaturas del diagnma serdn menores. M5s importante, sinembargo, es el hecho que la estructura en la cual se transforma la austenita depende

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de la temperatura a la cual ocurren los cambios.

Las temperaturas de transformaci6n son los limites entre los campos de fase deldiagrama de Fe{ para las diferentes transfiormaciones de fiases que pueden ocurriren las aleaciones Fe{. Por ejemplo, si una aleaci5n de b0.5C se calientalentamente desde temperatura ambiente, alguna de la ferrita y toda la cementita setransforrnardn a austenita a 723oC, y aproximadamente a 860oC la (ltima parte deferrita se transformard completamente en austenita.

Las temperaturas de transformaci6n se obseruan al mediar los cambios en latransferencia de calor o el volumen de la pieza al ser calentado o enfriado. Alcalentarse, el calor es absorbido y la pieza se contrae al ir reemplazandose la ferrita yla cementita por la estructura compacta de la austenita. Al enfriarse, el calor sale y lapieza se expande al transforrnarse la austenita a ferrita y cementita.

Existen tres temperaturas clticas de inter6s en el tratamiento t6rmico del acero:A1, la cual corresponde al limite entre el campo de la ferrita - cementita y el campoque contiene austenita y ferrita o austenita y cementita; la Ar, la cual corresponde allfmite entre el campo de ferrita - austenita y el campo de austenita; y la &m, la cualcorresponde al lfmite entre la cementita - austenita y el campo de la austenita. Estastemperaturas asumen condiciones de equilibrio, lo cual es, perfodos extensos detiempo a cierta temperatura o una tasa muy lenta de calentamiento o enfriamiento.

La transformaciones que ocurren en Ar, Ag, y &, estdn controladas por ladifusi6n. Por consiguiente, la temperatura critica es sensible a la composici6n y a lavelocidad de calentamiento y enfriamiento. El calentamiento r6pido permite menostiempo a la difusi6n y tiende a aumentar la temperatura crftica por encima deaquellas que est6n asociadas al equilibrio. De la misma forma el rdpido enfriamientotiende a bajar las tempercturas criticas.

6. 1 Transformaci6n Eutectoide

Considere primero la aleaci6n especial Fe 0.Bo/oC, la cual serS completamenteaustenitica a todas las temperaturas mayores a A1 (723oC). Si una pieza con estacomposici6n es mantenida por un largo periodo de tiempo a esta temperatura, o esenfriado bastante lento a trav6s de Ar (Eso es bajo condiciones cercanas al equilibrio),el diagrama de fase muestra que la austenita ser6 reemplazada por una mezcla deferrita y cementita. Una transformaci6n de fase en la cual una ftse solida esreemplazada por dos fases solidas diferentes es clasificada como una Transformaci6nEutectoide, y €o el sistema Fe{ puede ser escrita como la siguiente reacci6n:

coolinsy(0.S%C) e - a(0.02%C) + Fe3 C(6 .67 %C)

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Esta ecuaci6n muestra que las hses que conllevan la reacci6n eutectoide tienencomposiciones complejas y que la reacci6n es reversible dependiendo si se agrega ose quita calor. Idealmente la reacci6n ocurre isotermicamente a 723oC.

La transformaci6n eutectoide en aceros produce una microestructura 0nicallamada "Perlita". La perlita estd hecha de l6minas alternas de ferrita y cementita.

La regla de la palanca inversa puede ser utilizada en cualquier campo o regi6nbifiisica del diagrama de fase binario para determinar la cantidad de fases que sepresentan a cierta temperatura en cietas aleaciones. Una linea horizontal conocidacomo la "Lfnea de Enlace", representa la palanca, y las composiciones de la aleaci6nlos apoyos. La intersecci6n de la linea de enlace con los limites de los dos campos defase frjan las composiciones de las fiases coexistentes, y la cantidad de cada fase esproporcional al segmento de la linea entre la composici6n de la aleaci6n y lacomposici6n de la fase. Para la perlita, asuma una linea inmediatamente por debajode los 723 oC que mantiene por un lapso el campo de fase de ferrita - cementita. l-aapficaci6n de la regla de la palanca para la aleaci6n de Fe{.8o/oC, la aleaci6n que setransforma completamente en perlita, muestra que:

wt%o FerC in pearlite : -or5 o:0.'= x 100 = 13.5%' 6.67 -0.08

Por diferencia, el porcentaje de peso de la ferrita en la perlita es de 86.50lo. Porconsiguiente, cuando la austenita contiene 0.8oloC el carbono se transforma en perlitaa o cerca de 723oC, la ferrita y la cementita se forman en el porcentaje del peso. Lasdensidades de la ferrita y de la cementita, ef, de7.87 y 7.70glcm'respectivamente,son tan cercanas que el volumen porcentual de la ferrita y cementita en la perlita sonesencialmente el mismo. Por consiguiente, en las aleaciones Fe{, la cantidad defases calculadas por la regla de la palanca deben correlacionarse bien con la cantidadde fases reveladas en micrograflas ligeras. La cantidad de fases visibles en lasmicrograffas estdn relacionadas al porcentaje de 5rea, los cuales est6n relacionadasdirectamente al porcentaje del volumen si la fase estd uniformemente distribuida.

6,2 Fases Pro Eutectoides

En los aceros que no son de composici6n eutectoide, la austenita empieza atransformase bien por encima de la temperatura Ar. Para aceros hipotectoides(Contenidos de carbono menores que el acero eutectoide) la ferrita se forma pordebajo de la temperatura Ag.

En los aceros hipereutectoides (Contenido de carbono mayor que el aceroeutectoide) la cementita empieza a transformarse por debajo de la temperaturu Acr.La ferrita y la cementita formadas antes de que se realice la reacci6n eutectoide sonconocidas como "Ferrita pro-eutectoide" (Figura 10, t3) y -'Cementita pro-eutectoide"

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(Figura 14), para indicar que se formaron mediante un mecanismo que no es latransformaci6n eutectoide.

La ferrita y cementita pro-eutectoides son similares en su estructura cristalina yen su composici6n a la ferrita y cementita de la perlita. Sin embargo, susdistribuciones o arreglos en la microestructum de los aceros es totalmente diferente.

En un acero hipoeutectoide enfriado lentamente a partir de la fase austeniticase obseruan gmnos grandes y blancos de ferrita proeutectoide en contraste con laestructura laminar de la perlita. En un acero 0.4o/o C, la ferrita pro-eutectoide empiezaa formarse justo por encima de 7B0oC y continua creciendo hasta que se alcanza latemperatura Ar. Si se trazan las lineas de enlace ffie tines) a travds del campo deferrita - austenita a temperaturas sucesivas bajas y se aplica la regla de la palanca ala aleaci6n H.4oloC, se muestra que la cantidad de ferrita proeuctectoide y elcontenido de carbono de la austenita aumentan continuamente con la disminuci6n dela temperatura. La baja solubilidad del carbono en la ferrita requiere que el contenidode carbono crezca en la austenita. A la tempemtura Ar el contenido de carbono en laaustenita que coexiste con la ferrita en la aleaci6n de H.4oloC, u otro acerohipoeutectoide, es 0.80/o, la cual es la composici6n justa necesaria para la reacci6nEutectoide. En consecuencia cualquiera austenita que coexistiera con la ferrita atemperaturas Ar se transforma a perlita al ser enfriadas, produciendo lamicroestructura de la ferrita pro eutectoide y perlita. La regla de la palanca aplicadaa la aleaci6n de H.4oloC en el campo de la ferrita - austenita a 723"C muestra quedebe ser aproximadamente 50o/o en peso de ferrita proeutectoide en lamicroestructura de acuerdo al siguiente c6lculo:

wtTo proeutectoid ferrite = ffi#

x 100

Aleaciones o aceros con menos de 0.4olo de carbono contendriin m6s ferritaproeutectoide; aguellos con m6s carbono contendr6n m6s perlita. Dependiendo delcontenido de carbono en el acero, es posible tener la microestructura que consiste de100o/o de ferrita (Si el contenido de carbono es menor o igual a 0.02olo) o 100o/operlita (Si el contenido de carbono es igual a 0,8o/o) o cualquier combinaci6n de ferritaproeutectoide y perlita entre estos extremos. Los aceros seleccionados paraaplicaciones que requieran de una buena formabilidad deben tener microestructurasque sean predominantemente ferriticas, mientras que los aceros seleccionados paraaplicaciones que requieran dureza y resistencia al desgaste deben tenermicroestructu ras q ue sea n p redom i na ntemente perl fticas.

Los aceros con porcentaje de carbono superior al acero eutectoide (Aceroshipereutectoides) forman cementita proeutectoide cuando son enfriados lentamente omantenidos en la regi6n de estabilidad cementita - austenita. Como se forma lacementita (que contiene 6.670lo de carbono), el contenido de carbono de la austenita

t4

decrece. Con la temperatura decreciendo, la composici6n de la austenita llega a 0.8o/ode carbono, nuevamente la composici6n justa para la reacci6n Eutectoide. En estareacci6n, el resto de austenita se transforma a perlita.

6.3 Efectos de los Elementos de Aleaci6n en las Aleaciones de Hierro -Carbono

6.3.1 Regiones de Estabilidad (Campos) de las Fases Gamma (1) y Alfa(a).

Los elementos de aleaci6n pueden influenciar el diagrama de equilibrio de dosdiferentes formas:(a) Al expandir el campo y, y permitiendo la formaci6n de austenita sobre lfmites miis

amplios de composici6n. Estos elementos son llamados estabilizadores de y.(b) Al contraer el campo y, y al permitir la formaci6n de ferrita sobre l(mites m6s

amplios de composici6n. Estos elementos son llamados estabilizadores de a.

Clase 1: Elementos que abren la rqi6n de estabilidad de y . Elementos impoftantes dealeaci6n como el nQuel y el manganeso pertenecen a este grupo. Si son adicionadosen altas concentraciones, se elimina por completo el hierro a (bcc) y se reemplaza,hasta temperatura ambiente, con la fase y. El nQuel y el manganeso reducen latransformaci6n de la fase de y a ct a una temperatura menor, i.e. ambas Ar y As sonreducidas. Tambi6n es m6s f6cil de obtener una austenita metaestable al enfriarse de laregi6n y a temperatura ambiente, en resumen el ni,quel y el manganeso son elementosimportantes en la formaci6n de aceros austeniticos.

Clase 2: Elementos que expanden la regidn de estabilidad de y. El carbono y elnitr6geno son los elementos mds importantes de este grupo. El campo de la fase y esexpandido, pero su rcngo de existencia es corto por la formaci6n de compuestos. Elcobre, zinc y oro tienen influencias similares. La expansi6n del campo de y por elcarbono y el nitrogeno, son la base de todo el tratamiento tdrmico del acero, al permitirla formaci6n de una soluci6n solida homog6nea (Austenita) que contiene 2.0to/o decarbono o 2.8to/o de nitrogeno.

Clase 3: Elementos que ciernn la regi6n de ertabilidad de y. Muchos elementosrestringen la formaci6n del hierro y, cousoodo que el 5rea y del diagnma se contraiga aun 6rea m5s pequefia llamada anillo gamma. Esto significa que los elementosrelevantes permiten la formaci6n del hierro bcc (Ferrita), y un resultado es que campode fase 6 y el campo de fase cr se convierten en continuos. Las aleaciones en queocurre esto, por consiguiente, no responden a tratamientos t6rmicos normales queinvolucran enfriamiento a trav6s de la transformaci6n de fase y/a. Silicio, aluminio,berilio y f5sforo entran en esta categoria, junto con los elementos formadores fueftesde carburo como, titanig vanadio, molibdeno y cromo.

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Clare 4: Elementos que contraen la rqi6n de estabilidad de y. El boro es el elementomds significativo de este grupo, junto con los elementos de carburo, tantalio, niobio,zirconio. El anillo y es fueftemente contraido, pero est6 acompafrado por la formaci6nde compuestos.

6,3.2 Distribuci6n de los elementos de Aleaci6n en el Acero

Para un contenido de carbono fijo, cuando se adiciona un elemento de aleaci6n, elcampo T es expandido o contraido dependiendo del soluto. C,on un elemento como elsilicio el campo y est5 restringido y hay un alargamiento correspondiente del campo cr.Si se agrega el vanadio, el campo y es contraido y habr6 carburo de vanadio enequilibrio con ferrita sobre el campo de ferrita. El nfrquel no forma carburo y expande elcampo T.

Algunos elementos de aleaci6n pueden influenciar la fase y, mas del 1olo de Tiefiminar5 el anillo y, mientras que 20o/o Cr es necesario para llegar a este punto.

Si considenmos tan solo los aceros en los cuales durante el enfriamiento laaustenita se transforma (nicamente en ferrita y cementita, los elementos de aleaci6npueden ser divididos en tres categorias:(1) Elementos que solo entran en la ferrlta(2) Elementos que forman carburos estables y que tambidn entran en la ferrita(3) Elementos que solo entran en el carburo de hiero.

En la primera categoria hay elementos como el nftquel, cobre, f6sforo y silicio, loscuales en aceros transformables, son encontrados normalmente en soluciones solidasen la frse de ferrita.

La mayoria de los elementos de aleaci6n utilizados en los aceros entran en lasegunda categoria, a bajas concentraciones forman cementita, pero tambidn formar6nsoluciones en ferrita. A concentraciones mayores se formar5n aleaciones de carburo.Ejemplos tipicos son el manganeso, el cromo, el molibdeno, vanadio, titanio, tungstenoy niobio. Los elementos formadores de carburo estSn presentes en cantidades excesivasa las necesitadas en la frse de carburo, lo cual estd determinado primariamente por elcontenido de carbono en el acero. El restante entra en soluci6n solida en la ferrita conlos elementos no formadores de carburo como el nQuel y el silicio. Algunos de estoselementos como €1, titanio, tungsteno y molibdeno producen un endurecimientosubstancial de la solucl6n s6lida de ferrita.

En la tercera categorla hay pocos elementos, los cuales entran primordialmente lafase carburo. El nitr6geno es el elemento m6s importante y forma carbo,nitruros conhierro y muchos elementos de aleaci6n. Sin embargo, en presencia de cieftoselementos formadores de nitrato, e.g. el titanio y el aluminio, se pueden formar fasesde aleaciones de nitruros.

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i 1000LUcfF< 900uld.Eij ooo

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Fig,8 Diagrama de Equilibrio Fe{ hasta 7o/o de Carbono. Las Lineas S6lidas Indican elDiagrama F*FegC; Las Lineas Punteadas Indican el Diagrama de Fe-Grafito.

600 (0

Fig.9PER CENT CTlRBON

Diagrama de Equilibrio Parcial de Hierro - C.arbono

Fig.10 Micro estructura del Acero O.4o/ode Garbono Mostrando "Ferrita

libre" y Perlita

Arreglo laminar de CemenUta yFerrita llamado Perlita

Fo o.s. 1.0 1.s 2.0 . 2.s s.o 3.8 4.0 . u tl[,onli"*l

*3 3.,*l

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Fig.11

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Fig.12 Perlib en un horno frio aleaci6n Fig.13Fe-O.75C. Picral eteh,Ampliaci6n, SOOX. (Cortesia deA.R, Marder y de A. Benscoter,Corporaci6n de Acero Bethlehem,Bethlehem, Pa.)

Ferrita Pro Eutectoide (Redblanca) y perlita en una aleaci6nde Fe-0.4C enfriado al aire desdeel campo de austenita,. Nitaletch. Ampliaci6n, 500X,(Cortesia de A.R. Marder y de A.Benscoter, Corporaci6n de AceroBethlehem, Bethlehem, Pa.)

Fig.14 CemenUta Pro Eutectoide (Red blanca) formada en los limites de los granos de laaustenita en la aleaci6n Fe-1.22olo mantenido a 78OoC (1436oF) por 3omin. Las zonasoscuras son colonias de perlita y restos de la micro estructura de martensita y austenitaretenida. Nital etch. Ampliaci6n, 600X. (Cortesia de T. Ando, Escuela de Minas deColorado, Golden, Colo.)

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Flg.ls Clasificaci6n del diagrama de fase de la aleact6n de hiero G: a) campo abierto v; b)Campo expandido y; c) Campo certado y; d) Campo contraidoy (Wever' Archiv'Eisenhtittenwesen' 1928-9' 2' 193)

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Expondnd ;'-field Contrircted f-field

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Fig.16 Efecto de los elenrenbs de aleaci6n en el campo de fase y: a) titanio; b) cromo(Despu6s de Tofaub and Biittinghaus, Archiv, Eisenhiittenw€s€n, 1938, 12, 33)

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Flg.l7 Entalpias de la ,f,orndci6n del carburos, nitratos y boruroa (Luego de Schiclgtermodin6mica ciettoe compusbs rcfrartarios, Academia de Prensa, NewYorlg 1966)

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20

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7. Diagramas de Transformaci6n Isot6rmica (Fig.t8, 19)

Del diagrama de F*C, vimos qu6 sucede a la estructura de acero al ser 6steenfriado enfriado lentamente desde la fase austenita. Sin embargo, este lentoenfriamiento solo es caracteristico de los procesos de tratamiento tdrmico disefiadospara suavizar el acero. Para endurecer el acero, debemos tomar ventajas del hechoque:1. Ccuando la austenita es enfriada m6s rdpidamente, la temperatura a la cual se

producen los cambios es menor.2. La estructura a la cual la austenita cambia es una funci6n de la temperatura a la

cual se da el cambio.3. La velocidad a la cual la austenita cambia depende del cambio de la temperatura.

Estos tres factores son combinados en una gr5fica especial llamada diagrama detransformaci6n isot6rmica. Estas grSficas son desarrolladas al calentar las muestras auna temperatura a la cual el acero es austenita y luego dicha muestra es enfriadardpidamente a alguna temperatura inferior y se obserua el tiempo en el cual empiezala transformaci6n y cuando es completada esta transformaci6n. Sin embargo, latransformaci6n isot6rmica solo es real hasta la linea marcada como Ms; por debajo deesta llnea, la transformaci6n prosigue en funci6n de la temperatura, en vez deltiempo. Aunque la isoterma o la temperatura constante de enfriamiento no es unproceso ordinario de tratamiento t6rmico, los diagramas TTT son utilizados paraentender que es lo que sucede en la mayoria de los procesos t6rmicos.

Para mostrar como el diagrama funciona, tomaremos tres piezas de acero con uncontenido de carbono de 0.8o/o y lo calentaremos a una temperatura donde suestructura es completamente austenitica. Si tomamos la primera pieza y la enfriamosrdpidamente a 650 oC (Preferiblemente en tiempo 0) y luego la observamos a trav6sde un microscopio, no obseruaremos ningfn cambio por unos 5 segundos, luegocomenzard la tnnsformaci6n. Luego de aproximadamente 1 minuto, latransformaci6n se completa. Sin importar que tanto tiempo el acero permanece a650 "C o la velocidad a la cual est6 enfriada a temperatura ambiente, no existeningfn cambio posible. licda la austenita ha sido transformada en perlita fina conuna dureza de 30 Rc.

Para la segunda prueba, enfriaremos instantdneamente a 315 oC y observaremoslos cambios a esta temperatura. Nada ocurre aproximadamente en 2 minutos, luegocomienza la transformaci6n. Despu6s de 13 minutos, la transformaci6n escompletada y nuevamente lo mantendremos a 315 "C o sin importar de c6mo lapieza de acero es enfriada a temperatura ambiente no tiene efecto alguno sobre laestructura. El producto de la transformaci6n a esta baja temperatura, sin embargo,es radicalmente diferente que nuestra primera prueba. En vez de la perlita laminarsuave, encontramos una mezcla bastante fina de cementita en la ferrita. Esta nueraestructura es banita la cual tiene una dureza de 50 Rc.

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Para nuestra tercera prueba, enfriaremos drSsticamente el acero a algunatempemtura menor la linea Ms. Esta prueba se comporta un poco diferente que lasotros dos. Tan pronto como la temperatura baja a la linea Ms, la transformaci6nempieza. Segfn la temperatura sigua bajando, la transformaci6n continua hasta lalinea Mf donde la transformaci6n se completa. En este caso, la transformaci6n esuna funci6n de la temperatura y viftualmente independiente del tiempo. Si la piezasolo ha sido enfriada a 175 "C y mantenida alll la transformaci6n de la austenita sedetendrd y un poco de austenita se quedard en el acero tanto tiempo como semantenga esta temperatura.

El enfriamiento permitird la transformaci6n de la austenita adicional hasta quellegue a la linea Mf. A esta temperatura toda la austenita estar5 transformada yningfin cambio posterior ser6 posible. Lo importante que hay que recordar sobre latransformaci6n es que no depende del tiempo. Como este es el caso, no hay ning0ntiempo disponible para el movimiento fisico o para la difusi6n del Stomo de carbonofuera de la austenita. La austenita, sin embargo, ya no puede ser restringida atransformarse de una estructura cristalina c0bica centrada en la cara de hierro y hauna centrada en el cuerpo. Por consiguiente, los Stomos de carbono los cuales seprecipitan fuera de la austenita est6n atrapados en el espacio intersticial de laestructura tetragonal centrada en el cuerpo en vez de la estructura cfrbica centradaen el cuerpo.

El producto en el cual la austenita se transforma de esta manera es llamado"Maftensita", es reconocido por su alta dureza. Para un acero eutectoide de 0.8o/o, ladurea es aproximadamente de 66 Rc.

Tal como se mencion6 con anterioridad, la red espacial de la martensita estiisometida a altas tensiones y es por lo tanto muy inestable al momento de suformaci6n. Es por eso que los aceros que han sido endurecidos mediante estatransformaci6n son revenidos inmediatamente despu6s del temple.

El proceso de revenido libera las tensiones y elimina mucha de la inestabilidad dela maftensita, aungue se pierda un poco de la dureza.

Como se ha mencionado anteriormente, el contenido y la forma del carbono enel acero es primeramente responsable por la dureza extrema que puede serdesarrollada en riste. En el acero ordinario al carbono hay muy poco tiempo parapasr el inicio de la curva de transformaci6n isot6rmica y por lo tanto evitar latransformaci6n de un poco de austenita a perlita. Por consiguiente, el acero ordinarioal carbono no pude ser templado a gran profundidad. La adici6n de otros elementosde aleaci6n tiende a mover el punto de la curua de transformaci6n isotdrmica a Iaderecha, permitiendo m6s tiempo de enfriado sin transformar la austenita en perlita.En estas aleaciones, las secciones de diferentes gruesos pueden ser endurecidas.

22

Los diagramas que definen la transformaci6n de la austenita como una funci6ndel tiempo a una temperatura constante son referidos como un diagmma detransformaci6n isotdrmica (IT) o diagrama temperatura - tiempo - trcnsformaci6nCnI. El diagrama IT para el acero eutectoide es bastante simple, solo la perlita seforma por encima de la nariz del diagrama f[ y solo la banita se forma por debajo dela misma. Las curvas que definen el inicio y el final de la formaciSn de la perlita o dela bainita, son las m6s grandes caracterfsticas del diagrama.

Los aceros con contenido de carbono por encima o por debajo la composici6neutectoide y las aleaciones de acero tienen un diagrama de transformaci6n miiscomplejo. Las curuas iniciales y finales para la formaci6n de la perlita se acercan a latemperietura de Aer en tiempos bastante largos de transformaci6n y movidos a untiempo m6s corto con una temperatura de transformaci6n decreciente. El diagnmaIT para los aceros hipoeutectoides tienen una curva extra parc marcar el inicio de laformaci6n de la ferrita proeutectoide. Los aceros al carbono hipoeutectoide con bajocontenido de carbono tienen una tempentun mayor en Aca por consiguiente, laregi6n expandida de la ferrita proeuctectoide coexiste con la austenita. Similarmente,los aceros hipereutectoides tienen un diagnma IT con curuas que empiezan con laformaci6n de la cementita proeutectoide.

Existen otras diferencias entre el diagrama de IT pan los aceros eutectoides ehipoeutectoides. Una de las diferencias estd en la temperatura Mr: mientras m6sbajo sea el contenido de carbono mayor serS la M.. Otra diferencia es la aceleraci6nde la transformaci6n de la austenita a ferrita proeutectoide a medida que disminuyeel porcentaje de carbono, tal y como se muestra debido al acercamiento de la nariz alos tiempos cortos.

7.L Bainita (Fig.2O)

Es una mezcla de ferrita y cementita, y es por consiguiente parcialmentedependiente del control de difusi6n del carbono entre la ferrita y la cementita. Sinembargo la ferrita y la cementita est6n presentadas de una forma no laminar cuyascaracterlsticas dependen de la composici6n de la aleaci6n y de la temperatura detransformaci6n. Similar a la martensita, la ferrita de la bainita pueden estar enforma de liiminas o platos contenidos en estructuras dislocadas, y por consiguiente,el mecanismo de la formaci6n de bainita involucra cizallamiento y tambi6n difusi6n

7.2 Martensita (Fig.24)

En las aleaciones Fe{, la austenita es la fase madre, la cual se transforma enmaftensita al ser enfriada. La transformaci6n de la maftensita es sin difusi6n, y porconsiguiente, la martensita tiene la misma composici6n que la austenita madre.Como las difusiones son suprimidas, usualmente por rSpido enfriamiento, los Stomos

23

de carbono no se parten entre la cementita y la ferrita pero en cambio sonatrapados en los sitios octah6dricos de la estructura cribica centrada en el cuerpo,por lo tanto se produce una nueva fase, la martensita. La solubilidad del carbonoen la estructura bcc se excede al formarse la martensita, por lo tanto la martensitaasume la estructura tetmgonal centrada al cuerpo (bct) (Fig.21) en la cual elpardmetro c de la unidad de celda es mayor que los otros dos pardmetros. Conconcentraciones mayores de carbono, mds espacios intersticiales son llenados, y laforma tetragonal aumentar5. (Fig. 22).

La martensita es una fuse rinica que se forma en el acero. Tiene su propiaestructura cristalina y composici6n y la separaci6n de otras fases estdn definidasmuy claramente, pero es una fase metaestable que estd presente solo porque ladifusi6n ha sido suprimida. Si la martensita es calenbda a cierta temperatura, losStomos de carbono se difunden del sitio octahddrico para formar carburos. Comoresuftado, la forma tetragonal es liberada, y la martensita es reemplazada por unamezcla de ferrita y cemenUta requerida por el diagrama de fase de Fe-C. Ladescomposici6n de martensita en otras estructuras por efecto del calor es llamadarevenido.

La martensita est6 formada por un mecanismo compaftido (Fig.23). Muchos6tomos se mueven cooperativamente y casi simultdneamente para afectar latransformaci6n, un mecanismo bastante en contraste al movimiento de 6tomo enStomo a trav6s de las interhses, como sucede en las transformaciones controladaspor la difusion.

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Fig.ts Diagrama de Transformacirin rsot6rmica *.:H;"t3?3l3,i*r.".ido de a.Tsohde cartono y0,760/o de manganeso. Las piezas ftreron .ust€nizados a 9fl1 oC (165OoF) y Hene un grano deaustenita de tamafio ASTM No.6. (R€f 2.16)

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t0 100 1000nme (s€c)

(c)

Fig.19 Relacl6n en el diagrama Fe{: (a) I}el Diagrama IT de acero Eutectoide; (b) Acerocon contenido de 0.5olo de carbono; (c) ]a regi6n definida como N, FA y S en el punto(a) son rangos de temperatura para su normalizaci6n, para destemplado ytratamientos t6rmicos esfeoridizados, respectivamenter ctxno se ha dicho en elcapitulo 5. (Ref 4.14)

Fig.20 Eainita en un aceno al carbono de 0.8o/o. X1000. Picral Etch.(Fotomicrograph C.ortesia de la Corporaci6n de Aceros U.S.)

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Qro atoms

i C atomsa Octahsdraj

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Fig.21 Estructura cristalina tetragonal centrado en el cuerpo de las aleacione martensiticasen Fec. Los Stomos de carbono est6n atrapados en un spado intercticialoctogonal. Los sitios x y y no est5n ocupados.

s.05

3.00

Cffbon.7"

Fig.22 Cambio en los parSmetros c y a de martensita con contenido de carbono en lasaleacionc de hierro - carbono (Ref 3.47)

Fig.23 EsquFma de la rcpartici6n y la superficie asociados con la formaci6n de los platos demartensita. (adoptado por cortesia de M.D, Geib, Escuela de Minas de Colorado,

Golden, Colo.)

T a.so

o.EEo 2.90

GJ

26

Fig.24 Marensita en un porcentaJe de 0.8 de acero al carbono. , Picral Etch. (fotomicrographcortesia de la Corporaci6n de Acero de U'S.)

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8. Diagrama de Transformaci6n Bajo Enfriamiento Continuo (Fig.25)

Muchos de los tratamientos t6rmicos que se realizan en el acero conllevanprocesos de enfriamiento continuo en vez de mantenimiento isot6rmico, y comoresultado diagramas que representan la transformaci6n de la austenita en diversasvelocidades de enfriamiento han sido desarrollados. Este nuevo tipo de diagrama esconocido como diagrama de transformaci6n bajo enfriamiento continuo, CTGeneralmente, el enfriamiento continuo cambia el inicio de la transformaci6n de laaustenita a temperaturas m6s bajas y tiempos m5s largos.

Relaci6n de los Diagramas CT (Lineas gruesas) y IT (Lineas delgadas) de Aceros

Eutectoides.

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9. Dureza y Contenido de CarbonoLa dureza m6xima que se puede obtener en un acero al carbono, es la que se

obtiffi l0-0olo md*ensftlca.- - [a

-- dtta-tfureza; alta resistencia,

Gsiste-fiia"a fi fatigi y afta iesistencia al desgaste son las principales razones por lasque se procura obtener esta estructura como resultado del temple. Sin embargo, lamartensita debe ser revenida luego del temple, y dependiendo del tiempo y/o latemperatura de revenido, la dureza final puede variar desde cercana al m6ximoasociado con la martensita, o cercana a la mfnima, asociada con una estructura decarburos esferoida les.

Los tratamientos t6rmicos que persiguen obtener maftensita normalmente sonaplicados a aceros con mds de 0.3olo C. Los aceros con menos de este porcentaje sonmuy diffciles de endurecer y generalmente se les utiliza con una estructura de ferritay perlita.

La dureza de la maftensita es una funci6n del contenido de carbono del acero(Fig. 26 y 27). Sin embargo en ocasiones la estructura martensitica puede contenercierta cantidad de austenita retenida si la temperatura Mf estS por debajo de latemperaturc ambiente. El efecto m5s significativo de la austenita retenida se presentaen fos aceros con un contenido de carbono superior al0.7o/o.

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Fig,26 La Dureza en Funci6n del contenido de Carbono de la Martensita, Ferrita - Perlita y

las Microestructuras Esferoidates de los Aceros. fl Area Resaltada Muestra los

Efectos de la Austenita Retenida. (Ref 6.1)

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Fig.27 Resumen de la Dureza de la Maftensita como Funci6n del ConEnido de carbono enlas Aleaciones de Fe-{ y en los acenos.

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10. Templabilidad10.1 Definici6n de Templabilidad

La dureza mdxima de cualquier acero estd asociada con la estructuramartensftica. Esta microestructura, sin embargo, solo puede ser producida si latransformaci6n de la austenita dependiente de la difusi6n puede ser suprimidapor el enfriamiento rSpido. Existen un nfmero de factores que afectan lavelocidad de enfriamiento a trav6s de una pafte dada y la respuesta de unacero dado a dicha velocidad de enfriamiento. Por lo tantq la formaci6n de lamaftensita y la alta dureza pueden variar considerablemente a trav6s de unasecci6n transversal dada o entre secciones transversales id6nticas fabricadas dediferentes aceros.

La templabilidad est6 definida como la "susceptibilidad de endurecer pormedio de enfriamiento rdpido", o como "la propiedad de las aleaciones ferrosasque determinan la profundidad y la distribuci6n del endurecimiento producidopor el temple". Ambas definiciones enfatizan en el temple. Tal y como fuedicho anteriormente, la fuente del endurecimiento es la formaci6n y la presenciade maftensita, y por consiguiente, la tercera definici6n de templabilidad es la"capacidad de un acero de transformarse parcialmente o completamente deaustenita a un porcentaje de maftensita a una profundidad dada cuando esenfriado bajo ciertas condiciones".

10.2 Distribuci6n de la DurezaUn enfoque experimental para demostrar el efecto de varios factores sobre

la templabilidad consiste en enfriar una serie de barras redondas de diferentesdiSmetros. Las barras son austenizadas por completo templadas y revenidas.Las lecturas de la dureza son tomadas de la secci5n transversal de la barra paramostrar la distribuci6n de la dureza como una funci6n de la distancia que existeentre la superficie y el centro de la barra.

Los resultados del enfriamiento en agua de barras de acero SAE 1045, unacero ordinario al carbono y un acero SAE 6L4A, un acero aleado sondiferentes.

La mdxima dureza en el acero SAE 1045 puede ser alcanzada solo en lasuperficie de las barras con pequefios diSmetros. Incluso en un diSmetro debarra de 0.5-in. (12.7-mm), la dureza en el interior desciendesignificativamente, Al aumentar el di6metro de la barra, la dureza de lasuperficie del acero SAE 1045 desciende significativamente y la dureza delcentro continua disminuyendo. En el acero aleado SAE 6140, se obtienenmayores durezas que en el SAE 1045, pero tambi6n se obtienen diferenciassignificativas en durezas entre la superficie y el centro de la barra.

Un tercer factor que influencia la distribuciSn de la dureza es la velocidad

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de enfriamiento. El aceite es un medio menos severo de enfriamiento que elagua, y por lo tanto las velocidad de enfriamiento por aceite sonapreciablemente menores que las velocidades de enfriamiento por agua. Lasdureza obtenidas despu6s de templar las barras de acero SAE 1045 en aceiteson mucho menores a las que se pudieran obtener de una estructura 100o/omartensitica. Incluso en di5metros de barra de 0.Fin. (12.7-mm) el templede la superficie est6 por debajo del temple esperado de una estructuracompletamente martensftica. Aparentemente el enfriamiento por aceite no hapodido prevenir la transformaci6n controlada por la difusi6n en los aceros SAE1045. en los aceros SAE 6140, sin embargo, el temple es bueno en las barrasde pequefro tamafio y solo en las de diSmetros mayores, variasignificativamente entre la superficie y el centro.

Por consiguiente, el acero SAE 6140, se puede templar mejor que el aceroal carbono SAE 1045. El acero SAE 6140 tiende, por consiguiente, a tener unatemplabilidad mayor que la del acero SAE 1045. El acero ordinario al carbonopuede ser templado pero solo en secciones transversales pequefias y/o conenfriamientos severos.

Fundamentalmente, los elementos de aleaci6n en los aceros SAE 6140aumentan el tiempo necesario parc que la austenita se descomponga en ferritay I o en la mezcla de ferrita - cementita, y por consiguiente pueda formarsemaftensita a una velocidad menor de enfriamiento. El efecto de los elementosde aleaci6n en la descomposici6n controlada por la difusi6n en la austenita enmuchos aceros se muestran en los diagramas IT y Cl'.

10.3 Factores que Afectan la Velocidad de Enfriamiento

Dos factores importantes afectan la velocidad de enfriamiento o lavelocidad a la cual el calor puede ser removido de una parte de acero. Una esla habilidad del calor de difundirse desde el interior hacia la superficie de lapieza del acero, y la otra es la habilidad del medio de enfriamiento de removerel calor de la superficie.

La habilidad de un acero de transferir el calor es caracterizada por sudifusividad t6rmica (Unidad de 6rea por unidad de tiempo) o el radio de suconductividad tdrmica por calor especifico volum6trico. La difusividad t6rmicade los productos de la transformaci6n de la austenita aumenta a medida que latemperatura desciende. Para un medio de enfriamiento dado, la difusividadt6rmica determina la distribuciSn de tempemtura como una funci6n de laposici6n a cualquier tiempo dado en el proceso de temple. Al ser m6s lenta lavelocidad de enfriamiento en posiciones alejadas de superficie de la barra,permiten mayor tiempo para las transformaciones controladas por la difusi6n, yes este tipo de compoftamiento durante el enfriamiento que resulta en durezas

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bajas en el centro de la barra, especialmente en las de mayor tamafio.Desde el punto de vista prSctico, dado que el control de las

propiedades t6rmicas de los aceros es muy limitado, el control de lasvelocidades de enfriamiento se realiza mediante la selecci6n adecuada delmedio de enfriamiento.

La transferencia de calor en la intefase entre la pieza de acero y el mediode enfriamiento es un proceso complejo que depende principalmente de laemisividad del acero (o la velocidad a la cual la superficie del acero irradiacalor) y de la corriente de convecci6n en el medio de enfriamiento queremueve el calor de la superficie. Existen tres etapas durcnte el enfriamientodel acero en agua. (Fig. 29). La primera etapa est6 asociada con el desarrollode una capa de vapor inmediatamente adyacente a la superficie del acero. Etvapor aisla la superficie y produce una baja velocidad de enfriamiento. Lasegunda etapa involucra la destrucci6n de la capa de vapor y el agua llega atocar la pieza, pero sin poder mojarla. En esta etapa se produce un burbujeoviolento que trae mas agua hacia la pieza. El enfriamiento es muy r6pido enesta etapa. Cuando la temperatura de la superficie de la pieza cae por debajode la temperatura de ebullici6n del agua, no se genem mas vapor y el aguafinalmente moja la pieza; 6sta es la tercera etapa, y en ella el enfriamiento escontrolado por la convecci6n y la conducci6n en la inteface entre la pieza y elmedio (Agua). Aqui el enfriamiento es muy lento.

El entendimiento del proceso de enfriamiento tiene consecuenciaspr6cticas. Por ejemplo, si la baja velocidad de enfriamiento de la primera etaparesulta en ferrita o perlita, los esfueaos deben estar encaminados a aumentarla velocidad de enfriamiento de esta etapa. La agitaci6n de la pieza o delmedio de enfriamiento o la utilizaciSn de una soluci6n de salmuera parctemplar son medidas efectivas para reducir la dunci6n de la primera etapa.

10.4 Severidad del Enfriamiento

La efectividad de un medio de enfriamiento est6 marcada por un par5metroreferido como la "severidad del enfriamiento". Esta medida de enfriamiento oel poder de enfriamiento est5 identificado por ia letra "H'i y estd determinadaexperimentalmente por el enfriamiento de un serie de barras de un acero dado.

La severidad del enfriamiento aumenta desde el aire, H = 0.02, hasta elenfriamiento por salmuera, H = 2. Tambi6n, el fuerte efecto de la agitaci6n ola circulaci6n del medio del enfriamiento es muy evidente.

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10.5 Templabilidad Cuantitativa

La alta templabilidad est6 relacionada a la formaci6n de martensita, lo cualresulta dependiente de la velocidad de enfriamiento. ln velocidad deenfriamiento estd afectada por ambas, el tamafio de la pieza y la severidad delenfriamiento. Sin embargo, todavia queda la pregunta de c6mo se evalta latemplabilidad como una funciSn de la composicidn del acero, y en adici6n,queda por averiguar como se eval0a el efecto de una gran variedad de mediosde temple, sobre la distribuci6n de durezas en piezas de secci6n tranwersalcircular.

(t) M6todo de Grossmann y Bain (Fig.34 37,38' Tabla 5)

El enfoque de Grossmann y Bain de la templabilidad est6 basado en ladefinici6n de dos pardmetros: el tamafio critico y el tamaffo ideal. El tamafiocritico es el tamafio mds largo de una barra enfriada en un medio dado sin quese obtenga una baja dureza en el centro de la barra. Un aspecto importantede esta definici6n es que la dureza que sirve para decidir (o separar) entre uncentro de barra endurecido 6 no endurecido, est5 asociada con unamicroestructura que debe tener 50% de martensita.

El tamafio critico o el di6metro crftico del acero de una composici6n dadaestS relacionado directamente con un medio de temple dado. Mientras mayorsea la severidad del temple, mayor serS el tamafio critico. El tamafio ideal, porotro lado, est6 definido como el tamafio de la barra templada a un 50o/o demaftensita por un enfriamiento te6ricamente perfecto, en el cual se asume quela superficie de la barra se enfria instant5neamente a la temperatura del mediode enfriamiento. El tamafio ideal es una medida real de la templabilidadasociada a la composici6n de un acero dado, y tarnbidn puede ser utilizadapara determinar el tamafio qitico del acero enfriado en un medio con unadiferente severidad de enfriamiento.

El tamafio critico (D) puede ser determinado por el tamafio ideal (Dy) paradiversas severidades de enfriamiento (H). Cuando la severidad de enfriamientoes infinita el tamafio critico iguala el tamafio ideal para un enfriamientote6ricamente perfecto. Sin embargo, cuando la severidad del enfriamientodisminuye, el tamafio critico para un Dr dado decrece. Por lo tanto el conceptode un tamafio ideal permite un estimado rdpido del tamafio de la barra queendurecerd al 50o/o de nivel de maftensita en el enfriamiento de todo el rangode severidad.

El didmetro ideaf es una media real de la templabilidad del acero y puedeser utilizado para comparar la respuesta del temple de diferentes aceros al

34

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mismo medio de enfriamiento. Tres factores, el tamaffo del grano de laaustenita, el contenido de carbono y el contenido de la aleaci6n afectan eldiSmetro ideal. Fundamentalmente, un aumento en cualquiera de estosftctores reduce la velocidad a la cual la tnnsformaci6n controlada por ladifudi6h'en la'austenita ocurre y pgr ello, hace que la formaci6n de martensitasea mejor a una velocidad de enfribmiento dada.

La templabilidad bdsica, D1, porit un acero puede ser determinada por sucontenido de carbono y por el tamafio del grano de la austenita. Latemplabilidad b6sica es entonces multiplicada por diferentes frctores deconcentraci6n de elementos de aleaci6n. Por ejemplo: parc aceros al niquel-cromo con 0.5% de carbono, y tamafio de grano de austenita No. Z eldiSmetro bdsico ideal es de 0.24 in. (6.1mm). Despuds de ser multiplicado porel factor de los elementos de aleaci6n el di6metro ideal de 2.4in. (61mm) esobtenido para el acero. El D1 para un nfimero de aceros comerciales puede serdeterminado a partir de las composiciones. La letra H al final de la designaci6nSAFAISI indica que el acero est6 producido para limites especificos detemplabilidad. El rango del Dr para un acero dado es el resultado de rangosaceptables de composici6n para ese grado y de otros factores como porejemplo el tamafio del grano y la concentraci6n de elementos residuales.

(2) La Prueba de lominy para la Templabilidad (Fi9.39, 40, 4L, 42)

Otro enfoque impoftante para evaluar la templabilidad es la utilizaci6n de laprueba final de enfriamiento desarrollada por Jominy y Boegehold. La pruebaes referida com0nmente como la prueba Jominy y tiene la gran ventaja decaracterizar la templabilidad de un acero dado utilizando solamente unaprobeta.

La pieza es enfriada por un extremo por una columna de agua. por lo tantotoda la pieza experimenta un rango de velocidad de enfriamiento entre aquellaasociada con el agua y aquella asociada con el aire. Despu6s del enfriamiento,dos planos paralelos son maquinados en lados opuestos de la probeta, y laslecturas de la dureza son tomadas cada U16 in desde el extremo templado yluego graficadas. Las diferencias en templabilidad entre diferentes tipos deacero pueden ser f5cilmente compradas utilizando las curvas Jominy (Dureza vsDistancia al Extremo Templado). En los aceros con buena templabilidad, losvalores altos de dureza persisten a grandes distancias alejadas del extremotemplado; en los aceros con baja templabilidad, la dureza decae rdpidamente apaftir del extremo templado.

El mdtodo de lominy estii estandarizado en las especificaciones de laSociedad Americana de Pruebas y Materiales (M6todo ASTM A255) y laSociedad de Ingenieros Automotrices (SAE Standard J406). Para cualquier

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grado de acero se ha desarrollado una banda de templabilidad debido a laspequefias variaciones en la composiciSn quimica permitida en estos grados. Elacero SAE/AISI designado por la letra H (Acero H) estd gamntizado parasatisfacer un ciefto grado de templabilidad.

Un aspecto bastante importante de la prueba de Jominy es que cadaposici6n de la probeta corresponde a una velocidad conocida de enfriamiento.Es la velocidad de enfriamiento que determina la cantidad de martensita, y porconsiguiente el grado de durea, eu€ se desarrolla en cierto punto en la piezade acero. Por consiguiente, si la velocidad de enfriamiento como funci6n de laposici6n de diferentes partes geom6tricas es conocida, es posible utilizar lacurva de Jominy para trazar pertiles de dureza para las paftes. Talescorrelaciones de la velocidad de enfriamiento como funci6n de la posici6n envarios tamafios de barras y lSminas enfriadas en varios medios est6ndisponibles. Desde las distancias equivalentes del extremo templado parilcuatro posiciones en barras redondas enfriadas en agua o aceite. Ladistribuci6n de durezas en las barrcs redondas puede ser determinada de lacurva de Jominy.

La utilizaci6n de los datos Jominy es un m6todo bastante preciso paraseleccionar aceros con la templabilidad adecuada para una determinadadistribuci6n de dureza. Con ese m€todo se puede seleccionar un acero que nosolo satisfaga los requerimientos de dureza, sino que contenga el grado dealeaci6n preciso para la aplicaci6n, evitando asi el malgasto de recursosasociado a la selecci6n de aceros con templabilidades muy por encima de lonecesario, En adici6n a lo anterior, mediante el uso de estos datos tambidn sepuede seleccionar aceros que puedan ser endurecidos mediante templesmoderados, evitando asl los riesgos de rajaduras y distorsiones asociados a lasoperaciones de temple muy severos.

Fig. 28 Culvas de enfriamiento a varias posiciones en I pulgada. Se tiene un di5metro de labarra (25A mm) templado con una severidad de temple de H = 4.

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Fig.29 Etapas de enfriamiento durante el tcnple en agua.

(a) (b)Fig.3O (a) Distribuci6n de la durcza en una barra de acero SAE 1045 templada en agua. Se

indican varios diSmetros de barra (Ref 6.15).(b) Disbibuci6n de la dureza en una barra de aero SAE 6140 templada en agua. Seindican varios di5metnos de barra. (Ref 6.16)

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indican varios di6metros de barra (Ref 6.16).(b) Distribuci6n de la dureza en una barra de acero SAE 6140 bmplada en aceib. Seindican varios di6metros de barra. (Ref 6.16)

(a) (b)Fig.32 (a) Distribuci6n de la dureza en una barra de aero SAE 6140 templada en agua. Se

indican varios di5metros de barra (Ref 6.16).(b) Distribuci6n de la dureza en una barra de acero SAE 6140 Emplada en aceite, Seindican varioe di6metros de barra. (Ref 6.16)

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indican varioe di5mebos de barra (Ref 6.16).(b) Distribuci6n de la dureza en una barra de acerc SAE O14o templada en aceite. Seindican varios di6metros de barra. (Ref 6.16)

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Emple violento en agua a partir de 1525oF. (Corbsia de W. M. Lindsey y E. t. Roff,South Chicago lllorks, Carnegie-Illinois Steel Corp.)(b) Distribucir6n de la dureza en barras redondas de aero 6140,luego de un templemoderado en agu.t a partir de 1525oF. (Courtesy W. M. Lindsey and E. t, Roff, SouthChi cago Worls, C;a rnegi +Il I i noi s Steel Corp.)

Fig.35 Efecto del DiSmetro sobr€ la Profundidad del endurcclmlento en Acerps de GranosFinos Templados en Agua. (Burns, Moore and Arche/)

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Tabla 3 Composici6n y Multiplicadores de un Acero Ni-Cr

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Tabla 4 Sereridad del Temple (H) para varios Medios deTemple

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Fig.36 TemplaHlirfad, Erpresada oomo un Tamaflo Critioo ldeal, en Funci6n del Tamaflo delGrano AusbniUco y el Contenido de Carbono en las Aleaciones de Fe'C

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los Aceros Aleados.

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Tabla 5 Templabilidad (Prcsentada como Rangos de Valores de Dr) para varios Aceros.steel Dr lsteet Dr lsteel

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- 3.3 to 4.53130H ------ 2.0 to 2.8 - 1.8 to 2.4

- 2.2to 3.1- .2.7 to3.7

-- 8.0 to 10.0 - 3.0 to 4.04032H ----*----- 1.6 to 2.2,1037H --*-- t.7 to 2.4 - 3.5 to 4.64tYl2H --*-- t.7 to2.4 .. 3.8 to 4.94O47H ------------ 1.8 to 2.74U7H -*--- 1.7 to 2.4 to4053H -:-*- 2.1 to 2.9 to 4.2

- 1.8 to 2.6 - 2.8 to 4.24r32H ------ 1.8 to 2.5 .. 2.8 to 4.4

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Fig'38 Relaci6n entre el Tamafio Critico Actual (D), Tamafio Critico ldeal (Dil y la SeveridaddelTemplado (H)

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Fig.42 Ratas de Enfriamiento Equivalentes para Barras Templadas en Agua y Aceite.

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11. Revenido del Acero

Todo acero que es endurecido es sujeto a revenido. El revenido mejora latenacidad en microestructuras martensiticas obtenidas previamente del temple peroconlleva una disminuci6n de dureza y resistencia.

La martensita, gu€ es la microestructura que se desea obtener en todotratamiento tdrmico de temple tiene alta dureza y resistencia, pero tambi6n es muyfr6gil. La fragilidad en las microestructuras martensiticas incluye una distorsi6nreticular causada por los Stomos de carbono atrapados en los sitios octa6dricos de lamaftensita, las impurezas obtenidas de la segregaci5n de Stomos de austenita en losllmites de grano, la formaci6n de carburos y los esfuerzos residuales. El revenido es eltratamiento tdrmico del acero que tiene como mayor objetivo la reducci6n de lafragilidad y el incremento de la tenacidad. Cualquier temperatura por arriba de Arpuede ser usada para realizar el revenido. A trav6s del revenido, podemos tener unaamplia variaci6n en las propiedades y en el tipo de microestructuras de martensitaobtenida del temple hasta carburos esferoidizados en la ferrita. En el aniilisis final, lascondiciones exactas para el revenido se obtienen estableciendo un compromiso entre ladureza y resistencia frente a la tenacidad necesaria para una aplicaci6n dada (Fig. 44,Tabla 6).

Hay dos rangos de temperaturas que producen un cambio significativo de latenacidad en la martenisita obtenida del temple. El revenido realizado en un rango de150 a 200oC (300 a 400oF) produce un incremento regular de la tenacidad la cual esadecuada para aplicaciones que requieren una alta resistencia y una alta resistencia a lafatiga. Por arriba de los 425oC (800oD se d5 otro rango de temperatura importante delrevenido. En este rango de temperatura, La tenacidad mejora significativamentedespuds del revenido, pero la dureza y la resistencia tambi6n decrecensignificativamente. Por lo tanto, el revenido por debajo de 425 oC (800 "F) es usadocuando se necesita tener gran tenacidad, resistencia y dureza, estos dos riltimos comosegunda opci6n.

La tenacidad decrece si los aceros son revenidos en un rango de 260 a 370t(500 a 700 oF). Esta disminuci6n en la tenacidad es denominada fragilidad de lamaftensita revenida. Como resultado de esta fragilidad, el rango de revenido entre los260 a 370" C (500 a 700 oF) es generalmente evitado en la prdctica comercial.

La dureza disminuye (Desde la m6xima asociada a la maftensita) a medida queaumenta la temperatura de revenido. (Fig. 43, 45) Los aceros bajos en carbono tienenbajas durezas en condiciones de temple y revenido. Por consiguiente, si deseamos unam6xima dureza, debemos seleccionar un acero de alto carbono y restringir el revenido atemperaturas entre los 150 a 200 oC (300 a 400 oF).

46

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Generalmente, la interrelaci6n entre dureza y tenacidad es un factor de sumaimpoftancia en el tratamiento y las aplicaciones de los aceros templados y revenidos.No obstante, los cambios en otras propiedades mec5nicas con el incremento delrevenido es importante en la selecci6n de aceros y disefios de tratamientos t6rmicospara algunas aplicaciones.

En adici6n a incrementar la templabilidad, ciertos elementos de aleaci6n tambidnayudan a retardar la rata a la cual disminuye la dureza durante el revenido. Loselementos m6s efectivos son los formadores de carburos como el cromo, molibdeno yvanadio. Sin estos elementos, las aleaciones de Fe-C y los aceros de bajo porcentaje decarbono se suavizan r5pidamente a medida que se incrementa la temperatura derevenido. Si existe suficiente cantidad presente en el acero, los elementos formadoresde carburos no solo retardan la rata a la cual disminuye la dureza, sino que formanaleaciones de carburos finos que producen un incremento de la dureza a altastemperaturas de revenido. Este incremento de la dureza frecuentemente se ledenomina endurecimiento secundario.

El endurecimiento secundario m6ximo se realiza solo a temperaturas de revenidoelevadas ya que la formaci6n de aleaci6n de carburos depende de la difusi6n de loselementos que forman los carburos. Como resultado, no solo se obtiene una dispersi6nde particulas mas finas, sino que una vez formados estos carburos son muy resistentesa aumentar de tamafio como resultado de la coalescencia a altas temperaturas. Estdriltima caracteristica resulta ser una gran ventaja en el caso de los aceros paraherramientas, dado que no deben perder dureza a pesar de que se est6 trabajando aaltas temperaturas, tal y como es el caso en trabajos fundici6n a presi6n (Dye casting)6 maquinado a altas velocidades. Tambi6n, algunos aceros ferriticos de bajo carbonocon contenido de cromo y molibdeno son usados en recipientes de presi6n y reactoresque operan a temperaturas alrededor de los 540 oC (1000 oF) ya que los carburos sonmuy resistentes a aumentar de tamafio a estas temperaturas y por lo tanto proveenuna buena resistencia a la fluencia lenta (Creep).

El nlrquel tiene muy poco efecto en cuanto a mejorar la dureza del acerorevenido, y dado que no es un formador de carburos, se piensa que su contribuci6n esdebido a un pequefio endurecimiento por soluci6n solida. El silicio tiene un efectosubstancial de retraso en la p6rdida de dureza alrededor de los 316 oC (600 oF), unefcto atribuido a su inhibici6n de la transformaci6n de carburos de transici6n a bajastemperaturas a una cementita mds estable. El manganeso a bajas temperaturas derevenido tiene poco efecto en cuanto a la p6rdida de dureza, pero a grandestemperaturas tiene un gran efecto, quiz6s por la incorporaci6n del manganeso en loscarburos a altas temperaturas.

La estructura del acero templado es muy inestable. Hay muchos factoresresponsables de los cambios de las propiedades mecdnicas que se dan cuando el aceroal carbono maftensftico es revenido.

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Hay tres etapas para el cambio de estructuras producto del revenido:Etapa 1 (100-250oC): La formaci6n de un carburo de transici6n, el carburo e (Fe2.4C)[o carburo eta (FezC) ], y la reducci6n del contenido de carbono de la martensita a0.25o/o de carbono.Etapa II (200-300oC): La transformaci6n de la austenita retenida a ferrita y cementita.Etapa III (250-350oC o mas): El reemplazo de los carburos de transici6n y la martensitade bajo carbono por cementita y ferrita.

La formaci6n de los carburos responsables de una dureza secundaria sonreferidas algunas veces como una cuarta etapa del revenido.

Hay dos tipos de fragilidad en el revenido, La fragilidad de la maftensita productodel revenido (FMR) y la fragilidad producto de revenido (FR). La fragilidad demaftensita producto del revenido (FMR) ocurre despu6s del revenido entre 260 a 370oC(500 a 700oF) (Fig. 49). La fragilidad del revenido (FR) ocurre despu6s del revenido odef enfriamiento a trav6s del rango de temperatura entre 375 a 575oC (707 a 1070oF).

A pesar de que hay similaridades en los efectos de los dos tipos de fragilidad,desde un punto pr6ctico FMR y FR son separables en dos diferentes fen6menos debidoa que ocurren en dos diferentes rangos de temperatura y porque el FMR es un procesomucho mds rdpido que el FR. El FMR se realiza con un periodo de tiempo normal t-h,mientras que el FR toma mds tiempo en realizarse. FR es separado en secciones queson revenidas a altas temperaturas para asegurar un buen balance entre la resistenciay la tenacidad. En particular, ejes largos y rotores para equipos de generaci6n el&ricason susceptibles a FR ya que despu6s de realizar un revenido por debajo de latemperatura critica, las secciones se enfrian muy lentamente por un periodo de muchashoras a trav6s de un rango critico de fragilidad. EL FMR, por otro lado, se realizareviniendo por cortos periodos de tiempo en un rango critico y por consiguiente, esindependiente al tamafio de la secci6n y/o una rata de enfriamiento despuds delrevenido.

48

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Hg. 43 Dlsminulci6n d€ h Dur@ oon el Incrcmento de la Temperatura de Rwenido ParaAoelos de Varic Colfrnidos de Carbono. Nfmero de Referencias Investigadas

Listadas en Groesnrann y Baln.

10As. 200

quenched I400, 000 8oo .t000 leCIo | 1400I Tairpering lemPerature, F I

200 300 400 500 600 700100

49

Oil-quenched 434(JSINGLE HEAT RESULTS

C M n P S 9 l Hl Cr Mo G.ainSiz€

Ladfo .41 .67 .O23 .016 .26 '1 .77 .78 .26 6-6

Crlt ical Polnls, F: Acr 1350 Aca t4l5 Atr8go Atr 72O

Tr€elm€nt: Nornralized at 1600 F: reheated lg 1475 F; quench€d.ln agilaled oil'

53o-ln. Round Trealed: .505-in. Round Testad. As'qu6nch6d HB 6Ot.

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100,ooo 4Qc/o

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F l l - I l l r r . r 1 O " A

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Flg.44 Camblo de las Propiedades l,lecinicas oon la Ternperatura de Revenldo para unAcero 434{t Ternflado en AceiE. (Ref &3)

50

:

Tabfa 6 Propiedads Mec6nicas de Varias Barras Redondas (a) de un Acers 4340 despu6sde varios Tratamienbs T6rmicos Ilustrando los Efectos de Masa

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mm in.;

strenoth 1 p strenoth 1 i1.so.mm

MDa ksi MDa ksi | (Zin')' vo

in area,o/o

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Annealed: heated to 810oC (1490oF), furnace cooled 12oc/h (20oF/h) to 354oC (670oF), air cooled25.4

12.725.4s0.8101.6

72.725.4s0.8101.6

12.725.450.8101.6

L2.725.450.8101.6 4 8ss

(a) t-adle composition: 0.ul0C; 0.68Mn; 0.020P; 0.0135; 0.28Si; 1.87Ni; 0,74tr;rl0.25Mo; grain size 7-8.

Fig. 45 Dureza en Funci6n del Contenido de Carbono de la Martensita en Aleacions deFe-C Revenidas a varlas Temperaturas.

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Normalized: heated to 870oC (1600oF), air cooledL448L28212201110

Oil quenched from 800oC (1475oF), tempered at 538oC (1000oF)12551207LL721138

Oil quenched from 800oC (l475oF), tempered at 593oC (1110oF)t74511381014924

Oil quenched from 800oC (1475oF), tempered at 650oC (1200oF)th 10001 9582 93t

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Flg. t[6 Disminuci6n de la Pdrdida de Dureaa y Endureclmiento Scundarlo Durante elRevenldo de Aceros con Divercos Contenldos de Mollbdero

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Fig. 47 Ef€cto de los Elementos de Aleacl6n en el Retardo de la Suavldad Durante elRevenido a 26OqC (500"F) Relatino a las Aleaciones de Fe-C.

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52

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Fig. tf8 Efecto de los Etenrentoo Aleados en el Retardo de la suavidad Durante el Revenldo a540oC (1000oF) Relativo a las Aleaciones de Fe-C.

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Flg. 49 Tenacidad oorno una Funci6n de la Temperatura de Revenido de Aceros Endurecidosde BaJa Aleaci6n y Mediano o/o de C.

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53

12. Proceso BSsico de los Tratamientos T6rmicos (Fig. 50, 51)

(1) Recocido Total

El recocido total es un tratamiento tdrmico que se da al calentar el acerohasta el 5rea austenfitica para los aceros hipoeutectoides o a la regi6n cementita-austenita para aceros hipereutectoides y un lento enfriamiento en el horno atrav6s de la temperatura de transformaci6n.

La temperatura para el recocido total se dii en funci6n del contenido decarbono del acero, establecidndose justo por debajo de la temperaturd A3 p?raaceros hipoeutectoides y por debajo de la temperatura Ar para aceroshipereutectoides.

La raz6n de calentar los aceros hipereutectoides en un campo de dos faseses de esferoidizar la cementita proeutectoide. Si estos aceros son calentados porencima de la temperatura &r, la cementita proeutectoide al ser enfriadalentamente formar6 una red en los lfmites de grano de la austenita la cual proveeun fScil patron de fractura, lo cual dard como resultado un acero frdgil. El objetodel recocido completo en los aceros de alto carbono en el Srea de austenitica, esde romper toda red continua de carburos mediante la aglomeraci6n de particulasde carburos esf6ricos separados.

El mayor proposito del recocido completo es el de reducir la resistencia y ladureza e incrementar la ductilidad para un f5cil maquinado y formado. Cuandotoda la austenita se haya transformado, la velocidad de enfriamiento no afectalas microeSructuras. Sin embargo el enfriar en aire puede reducir el tiempo derecocido y mejorar la productividad.

(2) Homogenizaci6n

La homogenizaci6n se da a altas temperaturas en la fase austenitica paraacelerar la reducci6n de la segregaciSn o gradientes de concentraci6n qulmicaque son producidos por solidificaci6n. En adici6n, la uniformidad resultante o lahomogenidad de la austenita no solamente produce una alta capacidad paratrabajo en caliente, sino que tambi6n contribuye a la uniformidad paraoperaciones sucesivas de recocido, normalizado y temple.

La homogenizaci6n usualmente se da previo a prccesos de granimportancia tales como rolado en caliente o forjado, y operaciones de trabajoque se dan en los mismos rangos de temperatura.

54

(3) ilormalizado

El normalizado es un tratamiento t6rmico el cual tambi6n produce unamicroestructura uniforme de ferrita y perlita. Se dan muchas diferencias de granimpoftancia entre el normalizado y el recocido. La normalizaci6n en aceroshipoeutectoides se da a temperaturas mas altas que las usadas para el recocido,mientras que en los aceros hipereutectoides el rango de temperatura decalentamiento es por aniba de la A.r. En el normalizado, el calentamiento esseguido por un enfriamiento en aire, en contraste con el enfriamiento lento en elhorno para un recocido total.

Las temperaturas mds altas de austenizaci6n que son usadas para elnormalizado, comparadas con las usadas en el recocido de aceros hipoeutectoides,produce una gran uniformidad en la estructura austenitica y en su composici6n.Otro de los mayores objetivos del normalizado es el refinamiento del tamafio delgrano ya que frecuentemente tenemos granos gruesos durante el calentamiento aaltas temperaturas o que est6n presentes en los aceros fundidos. Los trabajos encaliente o los productos fundidos son calentados a travds de la temperaturas Acr yA6, los nuevos granos de austenita son nucleados y se producen estructuras finasde granos austenlticos. Luego, la estructura final del grano austenitico en aceroshipoeutectoides es transformada en microestructuras ferrita-perlita enfriada poraire. Las microestructuras tienen como resultado una buena uniformidad y buenaspropiedades mec5nicas para una aplicaci6n dada o debe ser austenizadonuwamente para obtener una dureza final por temple a martensita.

En aceros hipereutectoides, el normalizado se da por debajo de la &m nosolamente para refinar el tamaffo del grano austenitico sino que disuelve loscarburos y la red de carburos que se forma durante este proceso. Existe laposibilidad que continuas redes de carburos se formen durante el enfriamiento apaftir de una temperatura de normalizado por debajo de la &r, y dar comoresultado una microestructura fr6gil. Si hay que austenizar posteriormente con elprop6sito de endurecer la red de carburos, puede aglomerarse o esferoidizarse, locual puede resultar en un mejoramiento de la tenacidad (Fracture toughness).

Los pasos para el enfriamiento por aire del tratamiento de normalizadoproduce diferencias significativas en las microestructuras comparadas con lasproducidas por el recocido total. El enfriamiento por aire baja el rango detemperaturas donde la ferita proeutectoide y la perlita son formadas durante elrecocido total. Como resuttado, los tamafios de grano de ferrita y los espaciadoslaminares de la perlita son reducidos comparados con los del mismo acero en unacondici6n de recocido total. Una microestructura fina de un acero normalizadotiene alta resistencia y dureza y una baja ductilidad comparada con la de un acerode recocido total.

55

(4) Esferoidizaci6n

La condici6n m6s suave de cualquier acero es la asociada con unamicroestructura que consiste de partlculas esfdricas de carburo uniformementedispersas en una matriz ferrftica. La alta ductilidad de la microestructura est6directamente relacionada con una matriz ferrftica diictil continua; la formaci6n de laperlita con carburos finos laminares, obtienen anclas m6s efectivas contra ladeformaci6n, incrementando su dureza y disminuyendo zu ductilidad compamdo conuna estructura esferoidizada. La buena ductilidad en microestructuras esferoidizadases extremadamente importante para aceros de bajo y medio carbono que sonformados en frfo, una baja dureza en estructuras esfercidizadas es importante paraaceros de alto carbono que van a ser maquinados posteriormente.

Las mircroesctructuras esperoidizadas son las mas estables encontradas en losaceros; estas estructuras se formar6n en cualquier acero calentado a temperaturasIo suficientemente altas y tiempos lo suficientemente largos para permitir eldesarrollo controlado por difusi6n de las partlculas esfdricas de carburo.

La esferoidizaci6n se da por una austenizaci6n parcial o completa, y despudssostenerlo justamente por debajo de Ar, enfriando lentamente 3 Ar, o ciclos porarriba o por debajo de Ar.

(5) Recocido de Proceso y Recristalizaci6n

El recocido de proceso y la recristalizaci6n usualmente son aplicados pararestaurar la ductilidad producto del trabajo en frfo en una variedad de formas. Dadoque ambos tratamientos t6rmicos son hechos en el 5rea bif5sica de la ferrita ycementita del diagrama Fe-C, no se tiene una transformaci6n de fase ni cambiosmicroestructurales producidos por los tratamientos. Generalmente, en lamicroestructura de aceros de bajo y medio carbono se produce un esferoidizado ograndes cantidades de ferrita con pequefias cantidades de perlita, ambasmicroestructuras con gran ductilidad. La ferrita en estas microestructuras sonequiaxiales y de libre estiramiento. El trabajo en frio tiende a elongar los granos deferrita en la direcciSn del trabajo e introduce una alta densidad de imperfeccionesen los cristales de los granos. Al calentar, una alta energfa de estiramiento de unaferrita deformada genera una recuperaciSn, un mecanismo en el cual algunasimperfecciones cristalinas son eliminadas o re-acomodadas en una nuevaconfigumci6n, y eventualmente se logra la recristalizaci6n, un proceso en el cual hayuna nucleaci6n y crecimiento de nuevos granos equiaxiales libre de deformacionesen la ferrita previamente deformada. El resultado final es la restauraci6n de unamicroestructura esferoidizada y dictil donde se logra que nuevamente se puedandar significantes deformaciones en frfo.

56

(6) Relajamiento de Esfuerzos

Un n0mero de procesos t6rmicos y mecinicos producen esfuerzos residualesque pueden ser perjudiciales en la fabricaci6n de paftes hechas de acero. Losesfuezos residuales pueden causar distorsi6n, rajaduras durante los tratamientostdrmicos o el procesado o fallas bajo esfueaos. Una fuente de esfueaos residuales esel enfriamiento de secciones despuds del austenizado. Con la uniformidad durante elenfniamiento en aire, la superficie de la secci6n de la muestm se transforma en ferritay en cementita antes de llegar al centro. Cuando el centro se transforma, el volumende expansi6n asociado con la formaci6n ferrfltica es restringido por el enfriamiento, enuna zuperficie transformada con anterioridad. Como resul'tado, el centro se comprimey la superficie se pone en tensi6n. El temple al formar maftensita produce unproblema de esfuezos residuales severo, y €s una raz6n del porque en los acerosendurecibles, es mucho mejor la formaci6n martensitica a baja velocidad deenfriamiento. El maquinado y el trabajo en frfo tambi6n ayudan a introducir losesfuezos residuales en el acero, dadas las diferencias en deformacidn entre lasuperficie y las regiones interiores de las partes. La soldadura es otro proceso el cualproduce esfuezos residuales en el metal base. Como resultado, los tratamientos pararelajar los esfireaos son frecuentemente utilizados en las piezas unidas consoldadura.

Los esfuezos residuales son reducidos o eliminados por tratamientos t6rmicossubcrlticos hechos a temperaturas bajas o a las temperaturas utilizadas para elrecocido de proceso a la recristalizaci6n. El calentamiento y el enftiamiento a latemperatura de relajaci6n de esfuezos debe hacerse lentamente, especialmente ensecciones gruesas o en uniones soldadas, con el fin de evitar introducir nuevosesfuezos t6rmicos y posibles rajaduras durante los tratamientos de relajamientos deesfuetzos.

El objetivo de la relaci6n de esfueaos es de no producir grandes cambios delas propiedades mecdnicas por recristalizaci6n.

57

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Fig. 50 Forcion del Diagrarna Fe{ on Rangos de Temperatura para el Reocido Total, l,l,ormalizadqTnbajo en Caliente y Homogenizaci6n. (Cortesia de M. D. Geib, Escuela de Minas de C-olorado,Golden, Colorado.)

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Carbon content in weight PercentFig. 51 Porci5n del Diagrama Fe{ con Rangos de Temperatura para Recocido de Proceso,

Recocido por Recristalizaci6n, Relajacl6n de Esfuezos, y Esferoidizaci6n. (Cortesia de M. D.

Geib, Escuela de Minas de Colorado, Golden, Colorado.)

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13. Contlolador de Temperatura y Uniformidad en la Temperatura de losHornc (Fig, 53, 54)

La funci6n de un controlador de temperuturc es la de garantizar que aunquecambien las condiciones de operaci6n, tafes como carga del proceso, caracterfsticas delcombu$lble, temperatura del ambiente, etc, el equipo de trabajo (Horno) recibasuficiente energia para satisf,acer los rquerimientos del proceso.

En operaci6n, el ajuste del controlador, lo cual representa "la temperaturadseadao, es comparada con la temperatura actual del proceso. La relacidn entre laestabilidad del controlador y su sensitividad con la diferencia entre la temperaturaactual y la deseada es crftica. Basado en eSa comparaciSn, el controlador regula el flujode energia que se suministra en el proceso. Los dos tipos bdsicos de controladores sonlos de dos posiciones (On-O'ff), y el proporcional o de tipo modulador. Estos dos tiposde controladores b6$cos existen con muchas variantes.

(1) Los ontroladorgs del tipo On-Off: son inicialmente baratos y f6ciles deoperar; sin embargo, resultan ser costosos en su operaci6n. Los controladoresOn-O'tr hacen un uso deficiente de la energia, particularmente cuando secontrolan procsos a altas temperaturas, les retrasos en la transferencia de calorson bastante grandes. Los ciclos de temperatura del proceso por debaJo y porarriba del ajuste hacen que el controlador encienda o apague la entrada de calorrespectivamente. Durante el arranque, el controlador permite la entrada de calorhasta que alcance el punto de ajuste, en este momento se apaga la entrada decalor. Luego, la inercia tdrmica del proceso, el equipo y la carga de trabajoffiusan un sobretiro m5s all6 del punto de ajuste. Este efecto trae comoconsecuencia un desperdicb de energia.

Despu6s gue la temperatura se ha estabilizado en el caracteristico cicloOn-Off, fa energia todaviia es desperdiciada por los efectos de la transferencia decalor.

La magnitud del ciclo de temperatura, esto es, la magnitud de ladewiacidn del punto de aJuste, est6 directamente relacionada con lascaracteristicas y retrasos en la transftrencia de calor del proceso en pafticular.No obstante, si la temperatura medida responde riipidamente a los cambios enla entrada de calor, las dewiaciones del punto de ajuste son pequefias.Inversamente, cuando la respuesta a los cambios en la entrada de calor eslenta, , se obseruan dewiaciones sustanciales de temperatura,

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( 2) Controladores Proporcionales

Los controladores proporcionales son utifizados cuando el control de lastemperaturas en los procesos es sumamente crftho. Comparados con loscontroladores On€ff, los controladores proporcionales son miis costosos ysofisficados, Estos son menos costosos al bpenr ya que utilizan la energia conmayor eficierrcia. La temperatura del proceso es mantenida a la temperatura deajuste def contrclador ya que ef controlador ajusta la entrada de calor paracoincidir con la demanda de calor dd proceso. Cualquier cambio en latemperah.lra requerida del prtreso puede ser satisfecha mediante el cambiocorrcspondiente en la entrada de calor con el fin de contranestar la diferenciaentre la temperatura de ajuste y la medida. Los contrcladorcs proporcionalespueden ser disefiados para minimizar o eliminar cornpletarnente et sobretirocausado por la inercia t€rmica del homo y la carya de habaJo del procesorealizada inicialmente desde la temperatura ambiente hasta la temperatura deoperaclin.

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H9.54 Pocicionos para Pruebas de Unliomidad deTempcr&tn en Homoc

62

14. Hornos para Tratamientos T6rmlcos

14.1 Hornor Simples o Continuos

Los homos puden ser claslficados en hornos simples o continuos dependiendodel mdtodo de carga de las piezas de trabaJo. En los hornos simples, las piezas sonnormalmente cargadas y descargadas de la cdrnara del horno. Un horno de tipocontinuo tiene un $stema automStlco de transporte que provee una carga detrabajo constante a trav6s de b unidad.

1d.1.1 l{ornos Simplee (Fig. 55)

El homo simple b6sico consiste de una cdmara aislada con una estructura derefuezo externo de acero, un sistema de calentamiento para la cdmara, y una om5s puertas de acceso a la cdmara de calentamiento. Los hornos simples talescomo los de caja, los de cano, los de sales fundidas al vacio, y los de cama fluidicason utilizadas con frecuencia cuando se Uene una variedad conslderable de ciclos decalentamlento-sost6n-enfriamiento. Algunos ejemplos de estas situacioneg semencionan a continuacion:

(1) Para manejar partes especiales para las cuales seria diffcil adaptar unsistema de transpofte para su continuo manejo (Por ejemplq largas varillasprocesadas en un horno)

(2) Para procesar partes grandes en pequefias cantidades, por ejemplo, allviode esfuezos o recocido de grandes piezas soldadas o fundldas en un hornocon banda transportadora.

(3) Para procesar varias paftes que requieran un amplio rango de ciclos decalentamiento-enfriamiento gue puedan ser cambiados, ya sea manual oautorndticamente.

Para hornos de tipo caja, con la adici6n de sistemas de manejo de cargas,tanques integrales de medios de temple de enfriamiento lento, y algunos controlesautomdticos se puede convertir el mismo en un horno simple semi-contlnuo, el cuales una pieza comfnmente utillzada en el equipo de tratamiento tdrmico.

El homo de carrc (Car-bottom pit) es normalmente considerado como un hornosimple extremadamente largo. El piso del horno es construido como un carro m6vilaislado que es movido fuera del horno para ser cargado y descargado. Cuando est6dentro del horno, el carro es fijado al horno. Los caros de los homos pueden serautopropulsados mediante un motor montado al cano, o ellos pueden ser movidos

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dentro y fuera por un mecanismo de propulsi6n montado al piso con una cadenacontinua o manejados a trav6s de un sistema de pifiones.

Los sistemas de calentamiento normalmente son de fuego directo o calentadoseldctricamente con resistencias. Muchos homos de caro son calentados desde latemperatura amb'rente con la carga ya en el horno. Un ciclo tipico serla calentardesde la temperatura ambiente hasta la temperatura de control a una velocidadespecffica, sostener por un tiempo especifico, y luego enftiar lentamente a una rataespecffica.

El uso de la fibra de cerdmica como aislante en un horno de carro permite grancontrol de la temperatura del homo cuando se sigue un ciclo programado. Dado quela fibra cer5mica tiene una capacidad minima de almacenamiento de calorcomparado con refractarios duros, 6sta puede ser calentada y enfriada muyrdpidamente. 5e requiere menos calor total para lleuar el horno a la temperaturadeseada. Adicionalmente, las velocidades de calentamiento y enfriamiento continuotienen un pequefro o mfnimo efecto en el revestimiento de la fibra cerdmica.

Los hornos de carro son usados desde el rango inferior de temperatura dealrededor de los 540oC (1000oF) para aliviar esfueaos y hasta temperaturas porencima de los t095oC (t000oF) para ciertas aplicaciones,

Los homos del Upo elevador son similares a los hornos de tipo crrro exceptoque el carro y el fog6n son nrovidos por rodillos entre posiciones por debajo delhorno y elevados dentro def homo por medio de un mecanismo conducido por unmotor. Estos hornos son construidos para manejar cargas grandes y pesadas, ypueden ser enfriados r6pidamente por un sistema de gas que circula a granvelocidad interna y externamente. Para ciertas aplicaciones en la planta, este tipo dehorno elimina la necesidad de grtas telesc6picas, ahonando espacio enormemente.

Los l'lornos del tipo elevador son adaptados para cargas pesadas y para elendurecimiento por precipitaci6n de aleaciones no fenosas, las cuales deben sertempladas rdpUamente para retener una soluci6n s6lida supersaturada. Se puedeutilizar cualquier calentador a gas o el€ctrico. El rango de temperaturas para estoshornos es generalmente entre los 315 a 1200oC (600 a 2200oF).

Los hornos de tipo Gmpana tienen r6plicas removibles o cubiertas llamadascampanas, las cuales son colocadas sobre la carga y levantadas por una grfa. Lar6plica interior se coloca sobre el hogar, sellado al fondo, y provisto con unsuministro constante de atm6srenl protectora; entonces el cas@ exterior decalentamiento desciende sobre la lfnea de montaje.

Para cargas densas en el hogar, un abanico a motor prcvee un rSpido yuniforme calentamiento pues hace circular la atm6sfera dentro de la r6plica.

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Los hornos de pozo constan esencialmente de dos partes: el horno, el cual esubicado en un poZo, y se extiende hasta el nivel del piso o ligeramente arriba, y unacubierta que se extiende ariba del nivel del piso. Grandes hornos de pozo songeneralmente Instalados con al menos una parte de su cdmara de calentamientodebaJo del nivel del plso. Pequefios homos son usualmente instalados en el piso. Laspiezas de trabajo son suspendidas, sujetadas en canasta o acomodadas en basessobre el homo. Este Upo de horno se haya particularmente en disposici6n decalentar grandes plezas, como tubos, ejes, y barras suspendidas en un soportesupedor o soportadas desde el extrerno inferior y levantadas verticalmente. ElsuJetar de esta manera produce el mfnimo de distorsi6n en la pieza.

Los hornos de pozo son particularmente apropiados para el procesamiento departes que deben ser enfriadas en el horno. No obstante, el templado directo no esusualrnente factible en grandes cnrgas y con grandes homos involucrados.

Una desrentaja adicional de los homos de tipo pozo es que, si las pieas van aser directamente templadas, la carga debe ser movida desde la atm6sfera del hornoal aire antes de ser templadas. Aunque la exposici6n del aire sea relativamentebreve, se fonna una capa negra adherlda al acero. Para muchas aplicaciones, estacapa debe ser rernovida. As[ las paftes que deben permanecer brillantes y libre deescoria despues del tratamiento t6rmico, como partes con roscas internas, $Dproceadas en homos horlzontales y templadas baJo una cubierta de atm6sferaprotectora.

14.L,2 Hornos Continuos (Frg, 56 y 57)

Los homos continuos consisten de los mismos cOmponentes b6sicos que loshornos simples: una cdmara aislada, un sistema de calentamiento, y puefias deacceso. Los homos continuos, no obstante, se operan en ciclos no interrumpidos amedida que la piea de trabajo se mueve a trav6s de ellos. Consecuentemente, loshomos conUnuos son fScilmente adaptables para la automatizaci6n y generalmenteusados para grandes vohimene de trabajo. Algunos tipos estSn equipados paraproveer enftiamiento bajo una atm6sfera protectora.

Otra ventaJa de los homos continuos es la repetici6n precisa de los ciclos detemperatura-tienrpo, los cuales son en funci6n de la velocidad de avance a travds devarias zonas del homo.

Las bandas transportadoras usadas incluyen cinturones tejidos de mater'nladecuado, y cadenas con tirantes, bardejas conectadas o cadenas de rodillo.

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Equipos para Hornc con Fuego Directo

Con hornos calentados a fuego directo, la pieza de trabajo es expuestadirectamente a los productos de la combusti6n. Para minimizar la creaci6n de capasde 6xido en la superficie de la pieza, se deben controlar los productos de laccmbusti6n medhnte el aJuste de la proporci6n de aire-combustible del sistema decombusti6n. Cuando se utilizan hornos a fuego directo, las paftes procesadas estdnen alguna ebpa primaria o intermedia de su manufactura. El Sxido formado no esperjudiciat para la pieza de trabajo ya que serd removldo posteriormente en elproceso de fiabricaci6n.

Eguipos a @s

El combustible gaseoso usado en los hornos para tratamiento tdrmico puedeser gas natural, propano, una mezcla de propano y aire, o un gas manufacturadorelativamente de baja energia.

Eguipos Alimentadoe con Aceite (Oil Fired)

Casi cualquier grado de aceite que puede ser atomizado satlsfactoriamentepuede ser quenrado en un horno a fuego directo. Aceltes de bajas viscosidadespueden ser f6cilmente atomizables con aire a presi6n. Estos son probablemente losaceites combustible mds com0nmente usados para los tratamientos tdrmicos.

Ventajas de loe Hornos que Queman Combustible (Fuel Fired)

Las $guientes ventajas son comunes a los hornos que queman combustible:. Bai) costo de energla. Conexi6n de entrada fdcil de ajustare $g pueden afladir fiicilmente dispositivos recuperadores de calor. Control del enfriamiento a trav6s de un apropiado disefio del sistema de

combusti6n.

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DesventaJas de los Hornos que Queman Combustible (Fuel Fired)

Las siguientes dewentajas son comunes a los hornos gue quemancombustible:

o Requiere sistemas de ventilaci6n o<tensivar Peligro potencial de explosir5n o fuego. Requiere de mayor energla humana para arrancar o pararr Fxcesivo uso de combustlble por aJustes diffciles de mantenerr Cieftos materiales o tipos de productos no pueden ser trabajados en

homos a fuego directo debido al efecto de los altos puntos de rocio y gases decombusti6n oxidantes en la superflcie de las partes trabajadas.

Hornos Calentados El6ctricamenE

Los hornos calentados eldctricamente son com0nmente encontrados en todoslos rangos de temperatura: desde hornos para revenido a bajas temperaturas hastalas temperaturas para forjado. Las consideraciones b6sicas al seleccionar elelemento de calentamiento es deterrninar si los elementos ser6n del tipo abierto, loscuales est6n expuestos al ambiente del horno, o del tipo indirecto, los cuales estdnprotegidos del ambiente del horno por algunos medios como son un tubo radiante,atenuadores, r6plkas.

Sslecci6n del Material

Casi todas las atm6sferas en el interior de los hornos, salvo el aire atemperatura ambiente afectarSn de alguna manera adversa el desempefro y tambidnla expectativa de vida de los materiales utilizados como elementos calefactores. Losfabrlcantes poseen las especificaciones que permiten al disefiador predecir eldesempefio del material con cualquiera de las atm6sferas dadas. Cada elementopuede ser opuesto a diferentes atm6sferas del horno variando el nivel de 6xito.Una notable excepci6n es con una atm6sfera de tipo carburizante. Generalmente,en una atm6sfera carburizante, los elementos calefactores son localizados dentro detubos radiantes o protegidos mediante algfn otro tipo de dispositivo.

14,2 Equipos para Bafios de Sales Fundidas:

Los bafios de sal son usados en una amplia variedad de operaciones detratamiento t6rmico de tipo comercial incluyendo el templado, carburizado liquido,nitrurado lhuido, ausrevenido, marevenido y aplicaciones del revenido. Los equipdspara bafios de sales fundidas estdn bien adaptados para aplicaciones de tratamientotdrmico en aleaciones ferrosas y no fenosas. Las partes que son calentadas enbafros de sales fundidas reciben calor por conducci6n. El baflo de sal fundida proveeuna fuente de calor. Asi los materiales que son calentados se mantienen en contacto

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con el calor a travds de toda su superficie y el centro de la pieza aumenta sutemperatura a casi la misma velocidad que su superficie. El calor viaja r6pidamentede la superficie hacia el centro, y de esta manera los bafios de sales proveen calorde forma uniforme a toda la pieza.

La unlformidad y la alta calidad de las paftes tratadas termicamente se da porla habilidad de un bafro de sal fundida para suministrar calor a una velocidad biengrande. Los tiempos de duraci6n del tratamiento tdrmico son bastante reducidos.

La ventaja bSsica de los tratamientos en baftos de sal incluyen la protecci6n dela zuperficie y control de la distorsi6n.

Protecci6n de la Superficie: las partes inmersas en un bafio de sal fundidadesanollan una capa muy defgada de sal solidificada la cual puede ser lavada de lasuperficie despu€s del tratamiento t6rmlco, Esta protecci6n superficial queproporciona la sal puede eliminar la formaci6n de una capa de 6xido. El bafio de salno contiene oxigeno, di6xido de carbono, ni vapor de agua que se encuentran enmuchas de las atm6sferas de los hornos, las partes inmemas estdn protegidas de laformaci6n de capas de 6xido.

Control de la Distorsi6n

Los bafios de sal oftecen minlmlzar los efectos perjudlciales del calentamientom uniforme, falta de soporte y temple pobre que puede causar distorsi6n en formay tamafio. Las paftes inmersas en un bafio de sal fundida son soportadas por ladensidad del medio. Debido a 6sta flotaci6n, el pandeo de las piezas es minlmo conun bafio de sal fundida,

El calentamiento en sal fundida es tambidn uniforme, La uniformidad detemperatum en un bailo de sal fundida es en promedio de + 3oC 1* 5oF) a trav€sdef bafio, dependieMo del disefio del horno.

La capa de sal solidificada alrcdedor de la pleza puede tambidn proteger lapieza de un r6pido calentamiento inicial con lo que se reducen asi los choquest6rmicos.

Cuando seleccionamos una sal para una aplicacldn dada, lo siguiente debe serconsiderado:

o La sal debe tener un rango de trabajo apropiado para permitir losrequerimientos de temperatura de operaci6n

o 16 sal debe tener un punto de fusi6n apropiado.

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r [a sal debe ser compatible con otras sales y aceites usados en la mismalinea de tratamientos tdrmicos.

o 16 versatilidad de la aplicaci6n de sales.r La facilidad con que la sal es lavada de la pieea de trabajo despues del

tratamiento y la afinidad de la sal con el agua,

Balanceando estos factores, la sal mds adecuada para una aplicaci6n particularpuede ser seleccionada. Naturalmente, si una mlsma sal debe realizar variasfunciones, serd necesario hacer un compromiso y sacrificar algunas ventajas paraob'tener la versatilidad requerida.

Hornos Calentados Externamente (Fig. 58)

Los homos de bafios de sal calentados extemamente pueden ser encendidoscon gas o @n aceite, o calentadoS por mediO de una resistencia eldctrica. Elrecipiente puede ser conformado a presi6n de una simple pieza de acero de bajocarbono o una aleackin de Fe-35 Ni-15 Cr.

Una britJa usualmente soporta ef recipiente con sal, el tamafro del mismo est6limitado por la resisencia del material de la brida. Los recipientes redondos parahornc encendidos a gas y con aceite pueden ser obtenidos en dlSmetros entre 250y 900 mm (10 a 35 plg) y con profundidades entre 200 y 750 mm (de 18 a 30 plg);recipientes con di6metros superiores a 350 mm (14 plg) y profundldades superloresa los 450 mm (18 plg) son raramente usados para hornos de resistencla eldctrica,porque puede resultar en un orceslvo gradiente de temperatura,

Los hornoo para bafio de sal, encendido a gas o aceite tienen generalrnentem5s bajo codo Inicial que aquellos con efectrodo o resistencia el6ctrica. Estoshornos son simples de instalar y operar. Los hornos de gas o aceite para bafios desal pueden tener recipientes m5s grandes que aquellos calentados con resistenciaefCctrica.

Para contener la sal fundida, los homos encendidos con combustible empleanun recipiente redondo o rctangular hecho ya sea de acero o de aleacidn. El calor esaplicado por dos o mds quemadores autoenfriados que despiden fuegotangencialmente a la pared exterior del recipiente y la superficie interior del forro delhorno,

Los hornos de resistencia el6ctrica para calentamiento neutral de bafiosliquidos son menos usados que los hornos de gas o de aceite. Una serie decalentadores de resistencia que rodean el recipiente con sal calientan estos hornos.Por esta raz5n, la falla del reipiente puede resuf'tar en la destrucci6n total de loselenentos calentadores el6ctricos. Temperaturas de operaci6n inferiores a 900oC(165frT) son usadas para reducir la falla del recipiente.

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[a temperatura de la sal es medida mediante un termopar y un pir6metro.Funcionando dentro del rango de 790oC a 920oC, los hornos calentadosexternamente pueden variar 10oC (18oF) por ariba y por debajo del punto de ajustecuando se usa un sisema de control On-Off. Esto se considera aceptable paramuchas aplicaciones. Donde se requiere un control m5s preciso de la temperatura,se debe usar un sistema de control prcporclonal el cual mantiene las variaciones dela temperatum entre * 5oC (* goF).

VentaJas y Desventajas

Debido a la facilidad con que pueden ser reiniciados, los hornos calentadosexternamente est6n bien adaptados para una operaci6n intermitente. Otra ventajade tos homos de este tipo es que un finico horno pude ser usado para unavariedad de aplicachnes simpfemente cambiando el reciplente por una que contengauno adecr.rada composici6n de sal.

De aqui, los hornos calentados externamente tienen muchas caracteristicas,no ob*ante, que limitan su utllidad en ciertas operaciones. Ellos son menosadaptables al control preciso y uniforme de la temperatura porque el horno disipacalor por convecci6n, creando gradientes de temperatura en el bafro. Tambidn elretraso del termopar y el tiempo de rmuperaci6n del horno pueden resultar en quela temperatura del bafro de sal varie tanto como 15oC (25"F) por encima y pordebajo de la temperatura de ajuste. En adici6n al requerimiento de un sistema deescape parc los gases de la combusti6n, los hornos calentados externamentepueden sobrecalentarse en el fondo y las paredes al reiniciar, lo cual crea unacrecentamiento en la expansi6n de la sal fundida y por consiguiente un aumentoCe presirh que puede resultar en una explosi6n. Finalmente, los hornos calentadosextemamente son rara vez prdcticos para la producci6n contin0a de grandesvoltmenes debido a la timitaci6n de los recipientes en cuanto a tamafio y m6ximatemperatura de operaci6n, otro de los factores es el alto costo de mantenimiento.

Hornos con Ebctrodo Inmenso (Figura 59)

Los homos revestidos de ceriimicas con electrodo inrnerso comparados con loshornos calentados externamente, han extendido grandemente el rango de utllidad ycapacidad de loe equipos de sal fundlda. Lo importante de estos avances tdcnicoses:

o Los electrodos pueden ser reemplazados sin vaciar el horno.. los electrodos inmersos permiten mds capacidad de potencia para ser

puesta en el horno con lo que se incrementa la producci6n.

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o Los electrodos inmersos permiten un fticil aranque cuando el bafio de salest6 solido. Una simple antorcha de gas es usada para fundir la sal y tener asi unmed'o litquido entre los dos electrodos, esto permite a los electrodos pasar corrientea travds de la sal para obtener asi las temperaturas de operaci6n.

Ventajas y Dewentajas

Los homos con electrodo inmerso no reguieren el uso de recipientes de hierro- cromo - nfrquel.

Estos hornos reguieren menos espacio en el piso, menos mantenimiento ypueden ser usados para todo tipo de sales neutrales.

Dependiendo del poslcionamiento de los electrodos, el control de latemperatura en el rango de +3 y *3 "C (-" 5"F) es f6cilmente obtenido con hornosde electrodo inmerso. El calor es generado dentro del rwipiente con lo que lossobretiros son fdcilmente evitados. Estos hornos se prestan a la mecanizaci6n y sonasi adaptables para altos volfimenes de prcducci6n en el rango de 815 a 1300 oC(1500 a 2370oF).

El homo de electrodo inmerso no es recomendable para una operaci6nintermitente. Dependiendo del tamafio del horno, recalentar la carga de sal qulzArequerird un dia o mds. Los recipientes no son intercambiables y remover elrecipiente involucra usualmente el reemplazo del aislamiento del medio circundante.

Horno de Electrodos Sumergidos

Los hornos de electrcdos sumergicios tienen los electrodos posiclonados enla parte inferior con el prop6sito de calentar desde abajo. Las caracteri,sticasgenerales de los hornos de electrodos sumergidos son:

. Espacio de trabajo m6ximo con drea de baffo mlnima: Los electrodos noocupan espacio de la superficie de bafio, ellos solo tiene contacto con lasal. El tamafro del bafio es pequeflo y la vida del electrodo se incrementa,esto, en adlci6n a la elimlnad6n del deterioro o<cesivo en la interfase delaire y el bafro.

r Circulaci6n de corrientes en convecci6n: El calentamiento desde abajoprovee una temperatura de bafro mds uniforme a travds del uso decorriente natural en convecci6n.

C.onstrucci6n de pared de cerdmica de triple capa: El gradiente detemperatura a trav6s de la pared causa penetraciones de sal en la pared

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que antes de solldifrcarse pueden penetrar el molde de material refractarioen el centro de la pared. La sal penetra la pared de cerdmica de cualquierhorno y distorsiona la geometria de la parcd. Rduciendo la cantidad de salque penetn las parcdes se logra rnantener las dimensiones del horno yprolorpar su vida util.

. C.olocaci6n de los Electrodos: Acercando los electrodos en un clarorectarpular, libre de obstrucciones, se elimina el peligro potencial durante laopemddn de limpieza; cualquier sedimento formado en el horno es f6cil deremo/er manualmente.

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Ventaias y DegyentaFs: Las normas de efectrodos sumergidos, al igual que los

homos de electrodos inmersos, tienen las ventajas de que requieren muy poco espacio

al (lual que muy poco mantenimiento; de igual manera, estas norrnas son muy

adaptable a la mecanizacidn.

Debkto a que loe efectrodos sumergldos utililan agua para enfriar el electrodo y

el transformador, 6stos pueden operar con un 50o/o de sobrecaga sin sobrecalentar el

transformador, mbntras que los electrodss innrersos, que son enfriados por aire, no

deben ser operados con una sobrecarga de m6s del L0o/o,

Debido a que el recipiente de cer,Smica es utilizado, son raras las fallas con los

electrodos zurnergklos, en cualquier caso, el horno puede ser reconstruido durante el

mantenimierto btal anual. Et horno de electrodos sumeryidos al igual que otros

equipos ektricos estiin en dewentaja donde la tarifa de la energia el6ctrica s alta.

A caursa de que la erosi6n en los recipiente de cer6mica causada por sales con

alto nivel de carbonato de sodio o afto nivel de cianuro de sodio, el horno de electrodos

sumergidos puede ser utilizado solamente con baJos contenidos de estos componente.

Los baflos con alto contenido de cianuro o sal carbonatada requieren una base de

ladrfllo modificado. El horno a base de ladrilfo modificado y efectrodos de aleackin

sumergidos, permite que los electrodos brinden afios de servicios en operaci6n con o

sin cianuro. Este horrp tie,ne un revestimiento a base de ladrlllo modiftado para el uso

de sal carbonatada. Los electrodos de aleaci6n son reemplazadas por electrodos degrafito. Los electrodos son renovados en el momento en que se consumen sin

desconectarlos e inclusive tan solo con la fuente de poder desconectada.

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14.3 Equipo de Lecho Fluidico (Fluidized Bed) (Fig.61).

La t6cnica de Lecho Fluidico (Fluidized bed) no es nueva en la industria

metalmec6nica. En el siglo XIX laS patentes americanas descrlben el polvo de los

minerales bajo condiciones de lecho Fluidico.

Los primeros intentos de utilizar hornos de lecho fluidico para tratamientos

t6rmicos no fl.rcron exitosos, Los hornos calentados el6ctricarnente eran capaces de

mantener a tenrperaturas por encima de 500oC (930oF) para su comercializaci6n, pero

se encontnron difrcukades cuado se intent6 fabricar hornos para obtener temperaturas

afin mayores. El principal problema fue la alta tasa a la que los distribuidores

refractarios, fueron consumidos,

En loo diserios anterioree de hornos de lecho flufdieo a gas, el gas ingresaba a la

base del contenedor despu6s de rnezclarse con el aire para realizar la ignicion en el

punto de entrada. Con los nuelros disefros, la mezela es introducida separadamente y

ademas no puede encenderse accidentalmente. Este disefio elimina el peligro de

explosinn el punto de entrada. La superfieie de la capa es calentacla, luego el

calentamiento de las particulas de las superficies causa una ignici6n progresiva hacia

abalr a trav€s del contenedor hasta que tsda la capa alcanza una temperatura uniforme

para el tratamiento t6rmico. Disefios de hornos mds nuevos extienden la ttrnologfa del

lecho flufrdico en ftirgos de temperaturas mds altos (540 a 104tloC o 1000 a 19004F),

requeridas pan tratamientos tdrmicos mds comunes.

Principio del Tratamienb T6rmico de lec{ro Fluidico

En la fluidizaci6n, una capa de particulas ffias y finamente dividas, tfpicamente

de 6xido de aluminio, son trabajadas para que se comporten como un lirquido, a travds

de el movimiento de un gas que es alimentado hacia arriba a travds de un difusor o

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distribuidor en la capa. A una rcz6n suficientemente alta de flujo del flr.rido, fa

velocidad final de solido est6 excedida, entonces la capa inicia el movimiento, y la

superficie sobre la capa desaparece.

Defluidizaci6n. Una preocupaci6n com0n aeerca de la eapa fluidizada es gue no

es apropiada para grandes partes solidas con superficles horizontales que permanecen

fijos en la capa. Con partes de este tiBo, una eapa de paftfculas no fluidizadas se

agrupan sobre la zuperficie horizontal, formando una pantalla t6rmica. Mas afin, varios

mdbdos pr.reden ser utilizados para solwntar esta des\rentaja, y &stos son disefiados a

base de la mayor fluidizaci6n de capas. Estos m6todos son:. Incrcmentar la velocidad de fluidizaci6n.

o Una orientaci6n m5s favorable de la parte.

Transferencia de Calor en Lecho Fluidio (Fig. 6O)r

Una caracterfstica importante de las capas fluidizadas es su alta eficiencla en la

transferencia de calor. El movimiento turbulento y la r6pida circulaci6n de las particulas

en el fluido del horno prc,vee una alta eflciencia de la transferencia del calor comparable

al bafio de sal convencional.

El coeficiente de transferencia de calor de una capa fluidica est6 com0nmente

entre t2O v 1200Wm2 "C (21 y 210 Btu/piez h "F). El movimiento turbulento, la raz6n

de rapidez de circr.rhci6n de las particulas y el drea de interfase solidogas

extremadamente alta son responsables de esta caracterfstica.

DiSmetro de Partfcula. De todos los pardmetros que affian el coeftciente de

transferencia de calor en las capas flufdicas, el diiimetro de las particulas ejerce gran

influencia. El diSmetro de partfcula es generalmente un compromiso entre conservar la

fluidez del gas y evitar el carry-out. Normalmente se utiliza un tamiz de 80 a L00 grit

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Material de la Capa: La propiedad fisica que gobierna la selecci6n del tipo de

material de la capa es la densidad. La densidad 6ptima parece estar entre 1280 a 1600

kglm3 (80 a 100 bilpie3)- Materiales de alta densidad tienden a producir un bajo

coeficiente de transferencia de calor y en adici6n requieren de mds potencia para la

fluidizaci6n. Los problemas de carry-out ocurren con materiales de baJa densidad.

Otras propiedades, tales como la conductividad t6rmica, el calor especffico son menos

importantes.

Velocidad de Fluidizaci6n del Gas: Es esencial utilizar una raz6n de flujo 6ptima,porque 6sta provee la m6xima raz6n de transferencia de calor para una densidadparticular y di6metro de particula. Generalmente, la razdn de flujo se considera debe

ser de dos a tres veces la velocidad mfnima de fluidizaci6n Una muy alta velocidad

induce a la partfcula al carry out, uR alto consumo de ffuidizaci6n del gas y una pobre

transferencia de calor; tambi6n una baja velocidad causa una pobre transferencia de

calor y pdrdida en la uniformidad del proceso.

L4.4 Elementos de Calentamiento para Hornos El6ctricos.

Elementos C^alefactores de Resisteneia MetSlica. Los siguientes son tiposgenerales de hornos, con una descripci6n del tipo de elementos de calentamiento

usados en cada uno.

Hornos de Baja Temperatura con Elementos Abieftos. El rango de temperaturapara este tipo homo varia aproximadamente desde 150 a 675oC (300 a 1250"F), y es

del tipo de calor por convecci6n, normafmente recirculado con viento. Los elementos

de calentamiento m5s simples disponibles comercialmente son los ductos de calor,

usualmente de alto voltaje, calentadores de 44tlVo 220V. La temperatura de estos

ductos calentadores comerciales est6 limitada a un mdximo de 400"C (750"F).

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La densidad de watt disefiado para este tipo de ducto es normalmente 34000

Wlmz (22 Wpulg2). La densidad de watt es la expresi6n com0nmente utilizada para lapotencia relacionada a cada elemento en donde los watts se dMden entre el 6rea de la

superficie. Los watts por unidad de Srea es una consideraci6n importante en el disefioy cuentan con una gran variedad de temperaturas, tipos de elementos y hornos.

Como una altematila a la unidad cornercial, un ducto calentador fabricado bailpedido puede ser usado. Un acero o una estructura aleada puede ser disefiada para

llenar completamotte la seccidn tranwersal del duct'o de aire, y cada unidad puede serfdcilmente removila a travds de una mampara divisoria.

La banda de nftquel<romo s soportada por aislantes ceriimicos montados enhileras. Un elemento comfn es 35Nl-18Cr-44Fe.

Variando la temperatura y ef fluJo de vientq el disefio de la densidad de wattpudiera estar dentro del rango de 23250 a ,[6500 Wlm2 (15 a 30 Wpulg2). Estecalentador es mrnalmente disefiado para operar en una linea de voltaje de 44t) o22AV.

Homos de Afta Temperatura con Elementoe Abiertos. El rango de temperaturapara este tipo de horno varia desde aproximadamente 675 a 955oC (1250 a 1750oF) yes normalrnente del Upo de calor por radiaci6n.

En Srms de grandes paredes disponible dentro del homo, un mdtodo com6n demontar ldminas de nQuel<romo es unirlas a un serpentin desde la aleaci6n aislada o elanclaje cerdmico sobrc la pared reftical. Con este disefio, espeialmente a altastemperaturas, la dureza estructural del material y la conffguraci6n por expansi6n deberer considerada. El elemento debe soportar temperaturas de operaci6n sin torcerce.Una torcedura causaria que el elemento tocara varios puntos, pudiendo cortar la

77

longltud eftctiva del elemento, reduciendo la rcsistencia y causando un falla prematura

debido a corrientes excesivas y densidad de watt.

El elemento del material de la liimina con elementss abieftos es generalmente

del siguiente tipo: 80Ni-20Cr, 68Ni-20Cr, o 35Ni-18Cr44Fe. Variando la temperatura y

la localizacidn de los elementos, la densidad de watt de disefio puediera ser 12400 a

23250 Wm2 ( 8 a 15 Wpulg2).

Una altemaWa para el elemento de la lSmina de nirquel-crumo es el nitquel-cromo

fundido. Este elernento tiene una dureza estructural bu€na, estabilidad y resistencia

para los ataques atmosfdricos. El eontrol de ealidad neesario en la manufactura de

este elemento lo ha hecho ligeramente menos flo<ible y tan popular como la lSmlna de

nitquel-cromo. La fundicidn debe tener densidad uniforme y la secci6n tranwersal para

garantizar la resistencia sin peligro de puntos calientes. Un elemento comfn de

material fundido serfa 35Ni-15Cr, ;r el rangs de la densidad de watt serfa 12400 a

15500 wlm2 ( 8 a 10 $pul92).

Elementos C-alefactores de Resistencia No Met6lica. En general, los elernentos

no-metdlicos son utilizados en hornos que operan arriba de 1010oC (1850oF). Los

ehmentos de caduro de silicio son generalmente utilizados en rangos de temperaturas

de 1010"F (1850"F) y mayores. Ellos tienden a ser muy friigiles, por lo tanto debe

tomarse cuidado con el disefis para permitir un apropiado soporte y libertad para que el

elemento se expanda y contraiga cuando el horno es calentado y enfriado.

Los elementos de carburo de silicio incrementan su resistencia con la edad;

ademSs, para rnantener un potencia constante sobre la vida de los elementos, es

necesario tener un regulador de voltaje, usualmente con un paso de transformador.

Los elementos de carburo de silicio estdn disponibles en varios didmetros y

longitudes con resistencias "calientes". Las densidades de watt varlan con factores

78

como la temperatur,a y la atm6sfera, p€E con disfies eonsenrativos de densidad de

watt se obtiene una mejor vida para el elemento.

En un horno sinterizado operando a 1150eC (2100oF) con una atm6sfera

endotdrmica, un disefio de densidad de watt de 31000 a 46500 Wm2 (20 a 30

Wputgz) es apropiado. Los elementos de disilieato de molibdeno son com&nmente

formado en una configuraci6n en forma de U y normalmente son montados

verticalmente.

La localizaci6n del elemento para efementos de silicato de molibdeno es una

consideracirin importante debido a que estos elementos son disefiados para operar a

muy altas densidades de watt, relacionados con los altos requerimientos t6rmicos.

Ventajac dG los Hornos El€ctrimc: Las siguientes son las ventajas asocladas

con este tipo de homo:rlos sistemas est6n limpios )r libres de contaminael6n.rEl ambiente de la planta de trabajo es mds fresco.eSon silenckrsos debido a la ausencia de ventiladores y ruidos de la eombustl6n..Un calentamiento m5s uniforme por elementos enrejillados o por una cavidad de

temperatura uniforme sobre tubos de electricidad radiante.

Desventajas de los Hornos El6ctricos:

El sistema es inflexible para hacer cambios de capacidad de

calentamiento o variar elementos individuales.

Elevado costo inicial delequipo.

Elqrado costo de operaci6n.

Los tiempos de enFiamiento son largos.

Los elementos no-met6licos tienden a hacerse fr6giles con la edad y son

sujetos a rupturas por manejo, vibraci6n o golpes.

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Hornos Equipados on Tubos de lrradiaci6n (Fig. 65)

En los homos equipados con tubos de irradiaci6n que queman combustible, la

cavidad de trabajo est6 protegida de los productos de la combusti6n. Con un horno

con tubos de irradiaci6n, la cavidad de trabajo normalmente tiene una atm6sfera

controlada como lo dictamina el proceso. El calentamiento el6ctrico de tubos

normalmente es utilizado para proteger el material de calentamiento de la atm6sfura

del horno.

Los tubos de irradiaci6n a gas son el mdtsdo de cafentamients indirecto mds

utilizado. Esto es debido a la gran disponibilidad del gas natural.

Los quemadores de tubos de irradiaeidn son de dos tipos biisicos, herm6ticos y

tipo abierto. Una ventaja pafticular del quemador herm6tico es que recuperan calor delos productos de la cornbusti6n y un intercambiador de calor de aire-a-gas combustiblepara precalentar el aire de combusti6n antes de que 6ste entre al quemador. Esta

ventaja puede resuftar en un considerable ahorro de combustible.

Los quemadores de tubos de irradiaci6n de tipo abierto utilizan una cdmara de

aire para la combusti6n, que es acondicionada dentro del tubo de irradiaci6n por undudor en la safida del tubo. Esbs no pueden ser recuperados, sin embargo en lamayorfa de ]os casos, eltos pueden ser reemplazados por un quemador hermdtico.

Tubos de irradiaci6n que queman combustibfe. No son comunes en los homosde tratamientos tdrmicos y son utilizados principalmente donde no hay una adecuadadisponibilidad de gas natural.

Tubss de irradiaci6n por calentamiento el6ctrico. Con ete disefio, et tuboprotege el elemento de resistencia de la atm6sfen del horno. Un disefio comrin utiliza

una varilla de nflquel-eromo dentro del tubo. Estas varil]as estdn confurmadas en

sopoftes continuos en forma de ganchos y contenida por discos cerdmicos

espaciadores.

Con uR elemento calentador contenido en un tubo, es muy importante

seleccionar adecuadamente la densidad de watt. La densidad de watt del elemento

interno es una funci6n directa de la temperatura del horno y varia de 19600 a 46500

Wmz (LZ a 30 Wpulg2). Algunos disefros utilizan l6minas de niquel-cromo en lugar de

varillas deformadas.

Fig. 55 P€quefto horno tipo caja. l{ota on eshuctura de acero, ladrillos refrafirios,

resisbncja el6ctricas V @n banda transpoftadora en fiente del horno para manejar laspiezas: Cnrso: l{EI Course 6, "Heat Prcceccing Technologyr" lesson 6, "Olens and

Furnacesr' S]4, L977, p.6-11

fil'n". - $iffiukqES'w"_*---_. ot.

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Fig.57 Horno Horizontal para Carburizaci6n de grandes Piezas con EquipoIntegral de bmfle, durco: Carburizing and Carbonitriding ASM' L977' P.56.

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Flg.58 Horno de Sales Fundidas para Carburiraci6n por Uquldo, Equlpado Fuente de

Calent mionb Exbrna.

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(b) Gurvas de enfriamiento para batns & 16 mm (O.6in.) enfriadas en aire, en

aceite, en agua, y en hornos de lecho f,uidico.

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Fig,61 ]fqno de Lecho Fluidioo Equipado con Fuente de Calentamienb Externa mediante

Rqd$ondas El6ctricas

Source: Metals HandbooK Heat Trating, Vol. d fth ed., ASM, 1981, P.208

Figi62 erqrsna de un horno de fpo campana mootrando una bab€ ectacionarla con una

campana en la parb postedor.

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15 Disefio de Componentes de Acero Endurecido

Cuando una herramienta sufre de una ruptura, deformaci6n, distorsi6n, rajadurao sufre cualquier tipo de falla, las causas de dichas fallas o problemas son atribuidasnormalmente a un deficiente grado de acero que se selecciona, tratamiento t6rmico, unmal maquinado o abuso del mismo. Sin embargo con frecuencia el problema radica enun disefio deficiente de la forma del componente.

Los disefiadores deben estar conscientes de los problemas que pueden causarleal fabricante y a quien tratarS t6rmicamente la pieza, al incorporar en sus disefioscaracteristicas que dificultan la fabricaciSn, el tratamiento t6rmico y el uso posterior dela pieza.

15.1 Reglas Bisicas para un Disefio Correcto

Es un hecho establecido que la mayoria de las fallas en componentes de acerode alta dureza son por sobrecarga ylo esfuezos internos, que son el resultado deun enfriamiento no uniforme en el componente, lo que a su vez es consecuenciade una forma y/o dimensiones desf,avorables.

La forma ideal para un disefio racional consiste en tener una balanceadadistribuci6n de la masa dentro de la pieza, de manera que cualquier punto en lasuperficie de la pieza debe recibir y devolver la misma cantidad de calor, a lamisma rata en el calentamiento y enfriamiento. Por supuesto que dicha forma noexiste en realidad, pero es criterio del disefiador el poderse acercar lo mds posiblea dicho balance.

En general, la forma de la pieza debe ser simple, uniforme, regular y sim6trica.La esfera es lo m6s 6ptimo, y? que mantiene una secci6n transversal uniforme.Para aproximarnos a dicha forma ideal, es necesario tener en mente las siguientespreferencias:

(a) Se prefiere una forma esf'6rica a una cribica.(b) Se prefiere una forma cribica a una rectangular.(c) Se prefiere una forma cilindrica a una c6nica.(d) Se prefiere una secci6n transversal cuadrada a una secci6n transversal

rectangular.(e) Se prefiere una secci6n transversal circular a una secci6n transversal

ovalada.(f,) Una secci6n transversal hexagonal es un buen compromiso entre una

secci6n circular y cuadrada.

En el caso donde encontramos piezas con secciones tranwersales no uniformes,por ejemplo donde grandes secciones se encuentran cerca de secciones m6spequefias, la tasa de cambio de la secci6n tranwersal de la pieza debe ser

87

pequefia y nunca abrupta. De existir grandes variaciones en el tamafio y/o formade la secci6n tranwersal, las secciones mds pequefias se enfrlan r6pidamente adiferencia de las grandes, creando de esa manera grandes esfuezos internos. Siestos esfuezos son mayores a la resistencia a la tensi6n del acero que se utilizapara dicha aplicaci6n, la ruptura es inevitable. Al tener un cambio suave desecci6n entre una secci6n grande y una pequefra se reducen al minimo lasdiferencias en la rata de enfriamiento.

La ubicaci5n de grandes agujeros debe ser conc6ntrica al contorno externo,para obtener asi una secci6n tranwersal uniforme. (Fig. 67)

Se debe evitar esquinas, bordes y Sngulos agudos, porque pueden causargrandes diferencias en la rata de enfriamiento de diferentes porciones de lapieza y se convierten en puntos focals de concentraci6n de esfuezos.

Por lo tanto se recomienda que se cumplan las siguientes reglas:

(1) Se deben redondear todos los agujeros que presenten esquinas. Estasesquinas redondeadas se necesitan especialmente cuando secciones dediferentes espesores son unidas por esquinas. (Fig. 68)Se deben redondear todos los agujeros y bordes de las abefturas. De lamisma manera la salida de un molde de octrusi6n debe estar redondeada.(Fig. 69, 70)Todas las esquinas y otros bordes deben ser redondeados. (Fig. 71)Se debe redondear todas las bases de las chaveteras, herramientas de corte ydientes de engranes para poder disminuir la concentraci6n de esfuerzos;chaveteros semicirculares son aceptables, se prefiere utilizar chaveterosredondos. (Fig. 72, 73, 74)

(5) La localizaci6n de marcrs sobre la pieza debe eshr lo mds lejos posible a zonasdonde se encuentren altas concentraciones de esfuezos. La mejor soluci6n esla de marcar la pieza despu6s de haber endurecido, se recomienda unaherramienta manual o cualquier otro m6todo parecido. Factores que reduzcanla resistencia mecdnica de la pieza deben ser evitados. (Fig. 75)

(6) No disefiar componentes los cuales cuenten con paredes delgadas. Es unabuena pr6ctica dejar una distancia de 1.5 a 2 veces el espesor de la pieza, encomponentes pequefios y de 2 a 3 veces el espesor de la piea encomponentes grandes. (Fig. 76)

(2)

(3)(4)

(7)

(8)

(e)

En caso de contar con abefturas circulares, el componente tambi6n debe serredondo con las proporciones ideales.La "V'en herramientas de doblez debe tener una buena altura adem6s de quelos bordes de la apertura deben estar redondeados. (Fig. 78)Herramientas de corte doble deben ser disefiadas de manera que los dientesest6n escalonados, para balancear los esfueruos. (Fig. 79)

(10) El mismo requerimiento es aplicado a los chaveteros en herramientas decortes, donde se traslada una media vuelta. De esa manera la secci6n mds

88

I

III

ddbil, la cual se representa con una flecha, es eliminada. Lo mismo se debellevar a cabo con engranes, si el chavetero coincide con la raiz del diente delengrane. (Fig. 80,81)

(11) Dejar una distancia segura entre los agujeros auxiliares y las aberturas en laspiezas, la distancia debe coffesponder al espesor. Por lo tanto dichos agujerosauxiliares no se deben encontrar en la misma linea por donde se efect0o uncorte, specialmente Sngulos. Esto causa rajaduras r6cilmente debido aldebilitamiento local de la pieza. (Fig. 82a)

(12) Cualquier agujero en una pieza debe estar localizado de tal manera que ladistancia minima entre su centro y el borde de la pieza debe ser de por lomenos dos veces el di6metro del agujero; nunca debe estar a menos de 6mmdet borde de ta pieza. La ubicaci6n de los aguieros a lo largo del borde de unapieza debe ser de por lo menos 1.5 veces el didmetro del agujero. Laseparaci6n entre dos agujeros adyacentes debe ser por lo menos igual alespesor de la pieza.

Datos pr6cticos.

Desafoftunadamente no siempre es posible cumplir con dichas reglas. Sin embargoexisten maneras por las cuales compensmos estos problemas de disefio. Acontinuaci6n mostrarnos algunas soluciones.

(1) Si se debe fabricar una pieza con 6ngulos agudos, entonces adiciones una masaconveniente de material antes del endurecimiento; este exceso puede ser removidoluego de haber endurecido la pieza.(Fig. 83)

(2) Los cinceles se fabrican de una manera similar a la mencionada en (1). Se endurecela pieza de seci6n tranwersal uniforme y luego se esmerila la punta. (Fig. 84)

(3) De ser posible, los chaveteros deben ser maquinados o esmerilados despu6s que lapieza ha sido endurecida. (Fig. 85)

(4) Si no es prdctico esmerilar los chaveteros luego del endurecimiento, cuando seafactible incorpore uno ficticio en el lado opuesto al real. El mismo principio se aplica alas ranuras que se instalan en los bujes. (Fig. 86,87)

(5) Cuando se maquina una de las superficies en una lSmina de acero producimos undesbalance de masa, es prudencial el tratar de maquinar la superficie opuesta de lalSmina, con el fin de tener una distribuci6n equitativa de masas. (Fig. 88)

(6) Si disefiamos una fundici6n en la cual se obtienen mfltiples piezas, debemos tratarque el lado opuesto tenga la misma forma al lado interno. (Fig. 89)

89

(7) En el caso donde nos encontremos con piezas desbalanceadas debido a grandesagujeros y 6reas sin agujercs, para balancear las masas y mejorar la disipaci6n decalor, se deben abrir agujeros adicionales cerca de los agujeros originales. (Fig. 90)

(8) Tratar de evitar la concentraci6n de grandes masas si es posible afradiendo agujerosde manera de poder balancear las secciones y facilitar el enfriamiento de la pieza. (Fig.e1)

(9) Grandes pieas redondas pueden ser endurecidas m6s rScilmente si se remueve laparte central. Por ejemplo, en troqueles solo la parte exterior realiza el corte es por esoque la pafte central no es necesaria. Por otra parte un tubo bien proporcionado es mdsconveniente, desde el punto de vista de tratamientos tdrmicos que una barra solida.(Fig. e2-96)

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16 Selecci6n de un Acero Apropiado

Como seleccionar un acero apropiado para una determinada pieza. Primerodeterminar el tipo general. Segundo determinar las especificaciones de gradoespecifico. Los tipos generales est6n agrupados de la siguiente manera:

Existen algunos factores los cuales ayudan a seleccionar un tipo de acero demanera m6s eficiente y econ6mica.

(1) Resistencia. Una pieza debe ser capaz de resistir esfuezos de lo contrario seproducirS una falla bajo cargas en servicio, la resistencia a la cedencia es una indicaci6nde resistencia, luego se debe multiplicar por un factor de disefio, para estar cubierto encaso de inceftidumbre o sobrecarga.

(2) Rigidez. Como todos los aceros mantiene un m6dulo de elasticidad deaproximadamente 30,000,000 psi en tensidn y 12,000,000 psi en cortante, la rigidez espuramente un problema de disefro.

(3) Tenacidad. La tenaciadad es la propiedad la cual dificulta que se rompa la pieza. Laprueba de impacto es una de las maneras de poder medir la tenacidad en los aceros.Para algunos aceros las temperaturas decrecientes, el incremento de las cargas, y laconcentracidn de esfuezos son los tres principales factores que ciusan fallas.

(4) Resistencia a la fatiga. Hay quines estiman que mds del 90o/o de las fallas en laspiezas son resuttado de la fatiga. La resistencia a la fatiga es un factor impoftantecuando se considera que una pieza estd expuesta a constantes y repetidos esfuerzos.La mayorf.a de las fallas por fatiga ocurren con esfueaos de tensi6n y por lo general seoriginan en la zuperficie. El endurecimiento de la superficie mediante nitrurizaci6n,carburizacidn dan como resultados aceros con una mayor dureza superficial, losesfueaos superficiales de compresi6n se consideran que ayudan en la resistencia a lasfallas por fatiga.

(5) Resistencia al desgaste. Los factores que tienen una gran influencia sobre laresistencia al desgaste son la lubricaci6n, la condiciSn superficial y el tipo de materialcon el que se encuentra en contacto. El endurecimiento superficial (mediantenitrurizaci6n, carburizaci6n, revestimiento, rociado) son utilizados como proceso quepreviene el desgaste. La resistencia al desgaste requerida se puede determinarbasdndonos en pruebas que se realizan. La resistencia al desgaste en aceros con igualcontenido de carbono se incrementa a medida que aumenta su dureza, por otro lado sise incrementa el contenido de carbono la resistencia al desgaste tambi6n aumenta.

(6) Distorsi6n. En seruicio las partes distorsionados tienden a causar ruidos y a tener unacorta vida, ademSs de ser dificiles de maquinar despuds que hayan sido tratadas

93

t6rmicamente. Por lo tanto, la distorsi6n es uno de los mayores factores a la hora deseleccionar un acero para piezas de precisi6n.

(7) Economia. El costo del acero muchas veces es un aspecto menos importante, porqueexisten otros factores a considerar como lo son la maquinabilidad y la distorsi6n. Ellasjuegan un papel importante en el costo de la pieza. Con los aceros carburizadosobtenemos buena forjabilidad y maquinabilidad. Algunas veces estos factores sonimpoftantes para disminuir los costos de mano de obra. La nitrurizaci6n o elendurecimiento por inducci6n requieren de menos operaciones que la carburizaci6n. Lalimpieza y la flexibilidad de la pieza a la hora de ser tratada t6rmicamente entratambi6n en el factor costo.

l-lespuds de habernos decidido por el tipo de acero, lo siguiente es seleccionarun grado especffico. En general, los aceros estdndares siempre est6n disponibtes.

Existen muchos factores en los cuales nos basamos a la hora de elegir un tipo deacero, asimismo se aplica a la selecci6n del grado.

Es de particular importancia la capacidad de endurecimiento de los aceros decontenido medio de carbono por las grandes cantidades de toneladas que son usadaspara aplicaciones como engranes, tornillos, bielas, brazos de direcci6n, nudillos y ejesde cualquier tipo.

(1) Las mejores propiedades las obtenemos en aceros que han sido ,endurecidostotalmente antes de ser revenidos. Con durezas por debajo de 400 Brinell, estaspropiedades son casi iguales sin impoftar el grado del acero.

(2) Si se presenta un endurecimiento incompleto, se crea un efecto negativo en laspropiedades del acero especialmente en el punto de cedencia y la dureza.

(3) El grado tiene una marcada influencia sobre la templabilidad, ya que es la propiedadque determina los patrones de dureza a travds de la pieza de acero.

En la seleccion de un acero para una determinada pieza, el primer requerimiento es quela pieza pueda alcanzar una dureza requerida. Esta dureza se 'luede decldirbas6ndonos ya sea en un disefio estdndar, en pruebas, experiencia en sericio opruebas de laboratorio. La siguiente pregunta es si obtenemos una ductilidad ytenacidad dependiendo de la dureza que deseamos tener. Las propiedades ya seanmecdnicas o flsicas se grafican basados en pequefios especfmenes, totalmenteendurecidos antes de ser templados. Las propiedades que se muestran en dichasgriificas se aplican a secciones que pueden ser endurecidas en su totalidad.

94

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Sabiendo que estas propiedades son equivalentes, dentro de cieftas limitaciones,si el acero fue endurecido totalmente antes del revenido, normalmente se esperaobtener estas propiedades para todos los aceros de este tipo.

Propiedades de Aceros Endurecidos Totalmente

La dureza frecuentemente es la 0nica propiedad metahirgica que puede serdeterminada en piezas terminadas. Por lo tanto, los valores de dureza sonespecificados mediante marcas para llevar un control de producci6n. La ventaja de estaprueba se basa en la relaci6n entre la dureza y la resistencia a la tensi6n.

En promedio, la resistencia a la tensi6n en psi es 500 veces la dureza Brinell. Corno esconocido, los valores de la dureza Brinell se pueden transformar en otras unidades dedureza.

Tambi6n se debe indicar el limite de fatiga (Endurance limit), sin embargo es menosexacto que la dureza o la resistencia a la tensi6n.

El limite de fatiga en barras pulidas en ausencia de corrosi6n es la mitad del esfuenode tensi6n hasta un mdximo de dureza y depende del contenido de carbono en elacero.

El limlte de fatiga es stgnificativo en algunos casos como lo son en los cigiiefiales demotorcs dlesel donde es necesario realizar un disefio que le de una vida de uso infinita.Muchas partes estSn sujetas a sufrir esfuezos de manera repetida pero en un nfimerolimitado de ciclos.

Si el acero fue endurecido totalmente antes de ser revenido, las propiedadesmeciinicas, no dependen del grado sino de la resistencia.

Estos valores que normalmente se esperan en todos los aceros con un contenido mediode carbono, existiendo algunas excepciones como:

(1) El punto de cedencia para una determinada resistencia a la tensi6n puede disminuirconsiderablemente por el trabajo en frfo (Por ejemplo el enderezamiento) al menos queel acero sea posteriormente sujeto a un procedimiento de liberaci6n de esfuerzos.

(2) Sl el acero fue revenido entre 425 y 750oF (Rango azul) los valores de la reducci6n de6rea y los de impacto ser6n menores.

(3) Los valores de impacto solo se toman en cuenta cuando el acero ha sido bienfabricado y no ha sido fragilizado durante el revenido. En adici6n a este fragilizadoresultado de un revenido del rango azul, alEunos aceros pueden sufrir de fragilizadodebido a un revenido .

95

II

Las propiedades mecSnicas son presentadas de diferente forma como se muestra en latabla de la dureza.

EI disefio mecSnico y las propiedades fisicas de las aleaciones de aceros de contenidomedio de carbono tratadas t6rmicamente para producir una estructura templada quecontenga por lo menos un 900/o de maftensita en el centro como se presenta en elmanual militar MIL-HDBK-S (Tabla 9).

Las dimensiones mSximas capaces de alcanzar las caracterlsticas mecdnicas del disefioson: (Tabla 10)

Los aceros que se encuentran enumerados en cualquier bloque pueden ser utilizados endimensiones mds pequefias. El uso de acero en di5metros mayores de los queencontramos enumerados pueden resultar en un endurecimiento incompleto.

15,1 Efecto de un endurecimiento incornpleto

Ya que muchas piezas no son completamente endurecidas, es necesrio considerar losefectos de un endurecimiento incompleto. Cuando estos aceros han sidocompletamente endurecidos, la estructura que se obtiene es en su totalidad unmicroconstituyente llamado maftensita. Cuando aceros de este tipo no son endurecidode manera completa, varios constituyentes adem5s de la maftensita se encuentranpresentes. Debido a la diferencia en la naturaleza y la distribucidn de dichosconstituyentes, las propiedades de los aceros que no han sido endurecidos totalnientevaria considerablemente incluso si el grado de endurecimiento incompleto es iguai. Mdssin embargo, cuando algunas piezas no son endurecidas totalmente, incluso variacionesleves en la composici6n y el tratamiento t6rmico resulta en apreciables diferencias tantoen la estructura como las propiedades. Dos hechos son claros:

1. Las propiedades mecSnicas de un acero endurecido de manera incompleta y revenidoson inferiores a aquellos que han sido endurecidos y en su totalidad revenidos.

2. El grado de debilitaci6n depencie en la dureza del acero. Al ser m6s duro el acero, esmds probable que las propiedades del mismo se vean adversamente afectadas por unendurecimienio incompleto.

El grado de dureza a veces es expresado como porcentaje de maftensita que seproduce por el temple. Este valor puede ser estimado dependiendo del contenido decarbono como tambi6n de la dureza luego del temple.

La relaci6n dureza y resistencia a la tensi6n no se ve afectada por elendurecimiento incompleto. El lfmite de fatiga para cualquier dureza puede disminuir siel acero no ha sido totalmente endurecido antes del revenido.

96

El grado depafte.

El punto de cedencia, la ductilidad y la tenacidad tenderSn a disminuir, para unadureza dada por un endurecimiento incompleto. La raz6n entre el punto de cedencia yla resistencia a la tensi6n puede disminuir de un 5 a 10o/o del que se puede encontraren un acero endurecido completamente. La elongaci6n y la reducci6n de Srea tambi6ndisminuir5n, pero el mayor efecto de un endurecimiento incompleto se ver6 reflejado enla prueba de impacto.

El uso de un factor de disefio para la resistencia es un procedimiento reconocido peroun factor similar se debe utilizar para la tenacidad para proteger contra los efectos delas bajas temperaturas, altas aplicaciones de carga y altas concentraciones de esfuezocada uno de los cuales tiende a promover la falla fr6gil.

un endurecimiento incompleto que se puede tolerar depende del tipo de

La decisi6n con respecto al grado de dureza que se necesita para una pieza especificarequiere cuidadosa consideraci6n de los varios factores involucrados en la fabricaci6n yel seruicio.

t:6.2 Templabilidad

En la selecci6n de los aceros para un artlculo en particular, la pregunta m5simportante que se debe realizar es si las propiedades mecdnicas gue se requierenpodr6n ser obtenidas despu6s de haber aplicado un tratamiento t6rmico, en lasdimensiones y la forma de la parte en cuesti6n. La respuesta a esta pregunta es dadapor la capacidad de endurecimiento del acero. Compamdo con un acero de bajoendurecimrento, un acero de alto endurecimiento con la misma secci6n puede serendurecido por un enfriamiento menos dr5stico, como puede ser un templado en aceiteen lugar de agua, o aire en lugar de templado en aceite.

La minima capacidad de endurecimiento que se requiere es determinada por elgrado de endurecimiento incompleto que es aceptable para la pieza en cuesti6n. Estotambi6n es afectado por el tipo de endurecimiento, por el m5ximo contenido decarbono que puede ser utilizado y por las condiciones del taller.

ASTM A400 nos muestra una guia para la selecci6n de un grado aceptabledependiendo de la seccidn y de las propiedades que se desean (o grados aceptable conun endurecimiento incompleto). Las tablas a continuaci6n son aplicables a aceros quehan sido endurecidos por un templado moderado como los es el templado en aceite.Las clases P-l a la P-7 han sido desarrolladas para aplicaciones de servicio severodonde se requiere de un alto punto de cedencia (90,000 psi o mds) combinado de unabuena ductilidad y una alta dureza; estas clases deben ser endurecidas a una durezaequivalente a un minimo de 80o/o maftensita y revenido a 800oF o m6s. Por otra pafte,

97

las Clases Q-1 a la Q-7 son para condiciones de servicio moderado donde se requierede un moderado a alto punto de cedencia (75,000 psi o m6s), correspondientes a laresistencia tensil.

Tabla 7 Tipos Generals de Acercs

typ€rcpresentatirc

sradesapproximate

hudness as usdgeneral

reouircmentstJrpical

anolications

Thruu$hrrdcnsd

mdium carton

high ca$on

beadng typ

surfacehrdendcarbuizd

flame orinductionlurdened

nirridd

AISI-SAEsteels with0.3 to 0.5olo carbon

AISI--SAE steels wittt0.5 kr 0.T/o cafton

52100

AISI-SAEsteels wittt0.15 to 0.3% ctrbon

AISI-SAE skels widtover 0.47o carbon

Nirallop, also AISI--SAE steels witr 0.3 to

0.57o carbon

375 to 500 BHN

60 to 64 Rc

cane about 0.015 to0.125 in, lhick

case hardness over 60 Rccore hardness up to 45 Rc

case ovcr about 0.050b" thk*

case hardncss orer 55 Rccore hardnas up to 45 Rc

case up h about 0.030in" thbk

cas€ hardness 5OOto

1OOO DPHcore lurdness over 30 Rc

250 h400 BHN

stength, moderate wearresisbnce

highstengtlL highruisbnce to wear and

scuffLrg

wear+esislant case,hi$ enrfurance

stength

wear--rosistant caso

wear-resistant case,high endurance sfength,some conosion resisbnce

and resistance toclevaled tempmtues

st€nglh andbughness shafts, niscclhneousforgings, some gears(ftequentty cyanided),bolts, nut, flanges,

bearing cages

springs, collets

bearings, balls, rollen,spacem, pins, bushings

gears, slufu bearingsinspection fxtues

shafls, pins, some gem,cages, busbingp

shafts, gcan, couplings,bushings

98

?

o 4A I

:"7,/

,

22'

no?'

oV

$ € ! l a 5

$L ?3&

!a€ a36

aS zoo

3I

€ r s

l

l@

E . l n . t l H 6 . d . . $ N s m b . t

FiS 97 Relaci6n entne la dureza y la Resistencia a la Tensi6n para Diferentes Acercs Aleados

Hrdness(H*C)Fig 98 Dureza y Limite de Fatiga para Aaeros Aleados.

c..l

>o0

Jl

()o

cg

f r l

. - l

o -2340o -4340 zo -4140 uo -4340 n

o -1040r -4340 r

99

?qo

l m

t g o

t40

t s

t @

6

3

c

g

I

.

Fig. 99 Propiedades de la Maftensita Revenida, tipico en aleaciones de Aceros de Construcci6nen el rango de 0.30 a 0.50o/o de Carbono.

Tabla 8 las Mec5nicas Dara un Acero Endurecido TotalmenteRcckrvell

Chardness

Brincllhardness

TensileStrengthl000osi

YieldPoint

l000osi

ElonggtionPercent

ReductionofareaPercent

t 4t 6t 820

2224)tt

28

3032l436

l84042

197207217223

23s248262277

2933i l321341

36337940t

90 to 10398 to 108103 to I 14106 to I 17

ll2 to 124l l 8 t o l 3 l124 io 1381 3 l t o 1 4 6

138 to 154146 to 16415l to 170160 to 180

l7 l to 193178 to22l188 to222

69 to 7873 to 8476 to 9079 ro93

85 to 9992 to 1079 9 r o l 1 4107 to 122

l l 6 t o l 3 l125 to 14 l13 l t o 146l4 l t o 157

153 to 170163 to 179176 to 185

22to2t21.5 to27.52l to27.5

20.5 to 26.3

20 to25.519.5 to 24.518.5 to 24| 8 to 22.5

17 to22l6 to 20.515.5 to 20

14.5 to 18.5

t3 .5 lo l 712.5 to l6l l t o 1 5

60 to 6859 to 6758 to 66

57.5 to 65.5

56.5 to 64.555 to 63

54 to 61 .552 to 60

5l to 5949 to 5748 to 5646 to 54

43.5 to 51.542 to 5040 to 49

this table will more accurate for steels with 0.30o/o carbon or higheri sbels with less than0.3oo/o carbon usually have yield pointyalu6lowerthan those shown,

(JOSEPH T. RYERSON & SON, INC.)

r00

Tabla 9alloyfiom

condition

4130, 4140, 4340, 8630, 8735, 8740, 81B30* and 98BV40*all wrought forms

quenched and tempered to F" irdicatdrlultimate tensile $rengthfpsi

longitudinaltraNvers€

rltensile yield sfengh for permamntstrain of 0.002lpsi Iongitudiml

transvers€

;.(compresive yield stres for permanent$rain of 0.002fpsi longitudiml

traNverse

:lultimate stress in pure shearlpsi

:51 ultimate bearing stresfpsie/D= 1.5elD=2.0

i^{f ield bearing streslpsie/D= 1.5elD=2.0

:(elongtion in tensile testf%longitudinaltrajrsverse

103,000103,000

125,000125,000

I 13,000I 13,000

82,000

r94,00025 r.000

151,000180,000

23.023.0

150,0001 50,000

132,000132,000

145,000145,000

95,000

2 r 9,000287,000

I 89,000218,000

r8.518.5

180,000I 80,000

163,000163,000

250,000326,000

230,000256,000

179,000I 79,000

109,000

t5.015.0

I 76,000176,000

200,000200,000

272,00035 1,000

255,000280.000

I 98,000I 98,000

I 19,000

13.5l J . )

260,000*l260,000

217,0002 17,000

149,000

347,000440,000

3 12,000346,000

242,000242,000

l 0J

E(rnodulns of da$icity in hrsionlfii 29,000,000E(moduhs of ela*icity in ompresionlpi 29,000,000G(rnodults of rigiditylpi 11,000,000o(dersiWHb/o in. 0.283(specrfic heat)-8t'/lbtrF 0.114K(ftennal corddivityF$r/hr[q fttrF/ft 22.0a(rnean oefficientof thermal oparsior0 to 200 FFin./in./F 6.3

*: mt a dandard AISI-SAE grade **: values in his olumn for 4340 and vBBV4O onlynote-in the ddinition of bearing \alues, D is equal to the hole diameter and e to the edge distance, merured from he holecerrter to t'e edge of the material in the direction of applid stes. lalue of e/D = 2.0 shall be $ed for larger wlue of edgedistance.

Tabla 10

diameter of round or equivalent round-inches0.5 0.8 1.0 3.5

F,,200,000 psi and above

200,000180,000

41308630

87408735

4140 4340 and 988V40

F

l 0 l

II

____lI

c{

;:->

bo

()()

f r \

IIII

i _L__l

i rI o l :+o(s i t ln2): . 401,2( .McfE)! o +:. ,0(si ' tcMt)I r 5 r10 lSCr l ;I x 808 ' :0

Percent Martensite as QuenchedFig. 1OO Influencia de un endurecim,""t,inT**en relaci6n con el limib de resistencia de

Mec5nicas.Tabla Ll Grados de Tamaffo Limite

speci fication grade

size limitsin.

up to andincludins

mln lmum

tensilestrength

osi

mrnlmum0.2%yteld

strengthPsi

mlnlnum

elongationpercent

mlnlmumreduction

of areapercent

lvl lL-S-8695(ASG) 4037 t% t25,000 t00,000 50iurr.-s-6758(4) 4 t 30 l % r 2s.000 100.000 55MrL-S-60s0(4) 8630 l % | 25,000 i00.000 7 55MtL-S-6098(3) 8735 l t A r2s,000 100,000 55r!{tL-s-6049(3) 8740 t % 125,000 100,000 55MrL-S-5626(3) 4140 2 t25.000 l00,000 55

MrL-S--5000A(2) 4340 J r25,000 t30.000 4 53

102

Tabla 12

dars P:2 P-3 P-4 P-5 P-6 P-?

desircdmininumhudness

qoivdcnl

teosil€strrtrgfr,

p3

quivdent

yrddJtre[glh,

psi

mininum*

at-quenchdhudncs

dianctcr of found (or distuce bdrycar frcc ofrourre or hcrasood) scctioos. in.

Tolr. ind Over lrl to l. indOttrlfollt

ind

OterlYzt0

2. ind

Ovcr2to

TV.incl

&qZYzlo3, ind

OverJto

3%.indtriclrnesrof [dscdim*in,

BHN RcBHN Rc T003, ind &cr 03t00.6

ind(her 0.6 to I,

ind0ver I to13,ind

(herlJtol.6ind

Over 1.6to 2.0,ind

Avrr.2to

23. ind229t0293.ind

0ver 293lo34l,ind

Over 3,llto 3tE.iad

0vcr 3tt10429.ind

20 toJ3.ind

Over33

to 3E,ind

(hcr

3tlo {2,ind

Over42

lo,l5,ind

I t0.000to

r.ts,000,inc'l

(her

t45,000l0

170,000,ind

Overt70,000

lot90,000,

incl

Ovcrt90,000

t0205,000,

ind

90,fl)0 toI 25,000,

incl

(her125,000

to150,000,

incl

Over150,000

!0

t?0,m0,ind

Ovcr170,000

t01E5,000,

incl

38t

409

455

496

42

u

4E

( l

133{)4130 508305132E63t)

t335 9483{t3135r4042sr35

13403140M741355140E637

TSl4Bs0'

r0M|)

1345 86454063 E7()106Er $A4140 92604640* 9261r

{tr( TS4l40

sl50 50M6E640 50M4E642 50850

314041354640*E6408740

4t376145*K428645E742

514?5t55516061509262

94840

4t37

4t40TS4l40

94M0

41424t45433786508655

50860

51860nB45

E6609840

4t42

41459E40

4t474340t6845

9E4{l

41414337t6845

1lg)TS{150

4331

4340

[43409t50

103

Tabla 13

class G'2 G3 &4 s5 G6 tr7

desiredminimumhardness

equivalent

tensile

equivalent

yield

minimum*43.

quenchedhaldness

diameter offound (or distance between hces of square or heraEona|) seclions, in.

To %, incl Over 7r to l, incl 0ver I to l%incl

Ouerlkto

2, incl

0ver2to

2'/z,incl

Ouer2thto 3, incl

Over 3to

l%. inc

hidness of fratseclions, in.

BHN Rcpsi psi

BHII Rc To 0,3, incl Over 0.3 to 0.6,incl

Over 0.6 to l,incl

Over I to,|.3, incl

0ver .|.3to 1.6,lnd

0ver 1.0to 2.0,Incl

0ver 2to

2.3. lncit87 to293,incl

0ver 293to 311,incl

Over 341to 38E,incl

Over 388t0129,incl

9l(Rb)to 33,incl

0ver33

to j8,incl

Over3E

to 12,incl

0ver12

to 15,incl

190,000 to| 145,000,

I incl

0ver1{5,000

lo170,000,

incl

0ver170,000

to190,000,

incl

0vert90,000

lo205,000,

incl

75,000 to125,000,

incl

0ver125,000

to150,000,

incl

&et150,000

to170,000,

incl

0ver170,000

to185,000,

incl

388

409

455

{96

t2

u

48

51

1330 86301130 508305132

1335f042 508805135

94830

1340 86373135 TSl{85

r 0 t

31{0 50zu{0{7{1355,|40

t315 861510{7 87401063 8t1240.68 gzso

1140 T9ft10a6-ao sos{o5115 508t15150 50850861086{2

8637

3110 8740{1351640'8640

1345 8t42

1137 TS1110

{110 508505t5086128615

t11251475155

6f50

926f

94840

3t108710

{137 TS4t{0{1{0864286458742

4142 94840

5147

51556150

t1{513315160

8650

8655

9262

508605't86081845

{t{0TS11409{810

81845

51860

9810

4142

{145

8655

9840

$47{3408660

86815

1lt2

4145

4141

4337

86815

115t)ISfi50

4141f3379M086B{5

4150

4340

TS4t50

E13409850

r04

LV Referencias1. George Krauss Principles of Heat Treatment of Steel.2. "Suiting the Heat Treatment to the job" United States Steel3. "Three Keys to Satisfaction" Climax Molybdenum Company.4. RWK Honeycombe "Steels Microstructure and Properties" American Society for

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465-49L.

F

105