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Universidad de Guayaquil Facultad de Ing. Industrial Diseño Industrial I Docente: Ing. Tomás Ruiz Sánchez Trabajo de Investigación: "Tratamiento térmico y termoquímico de los aceros" Estudiantes: Ceballos Hidalgo Carlos Luis Martillo Antepara Sheyla Mariuxi Parra Cortez Byron Gregorio Peñafiel Alava Alexander Gabriel

Tratamiento térmico y termoquimico de los aceros

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Page 1: Tratamiento térmico y termoquimico de los aceros

Universidad de GuayaquilFacultad de Ing. Industrial

Diseño Industrial IDocente: Ing. Tomás Ruiz Sánchez

Trabajo de Investigación: "Tratamiento térmico y termoquímico de los

aceros"

Estudiantes:

Ceballos Hidalgo Carlos Luis

Martillo Antepara Sheyla Mariuxi

Parra Cortez Byron Gregorio

Peñafiel Alava Alexander Gabriel

Rodríguez Carchi Carlos Alberto

2016 – 2017

Page 2: Tratamiento térmico y termoquimico de los aceros

Capítulo I: Generalidades

1.1 Introducción...................................................................................................................................3

1.2 Antecedentes................................................................................................................................. 4

1.3 Justificación.................................................................................................................................... 5

1.4 Objetivos.......................................................................................................................................... 5

1.4.1 Objetivo General..................................................................................................................5

1.4.2 Objetivos Específicos.........................................................................................................5

Capítulo II: Marco teórico

2.1 Tratamiento térmico..................................................................................................................6

2.2 Tratamientos térmicos de preparación.............................................................................6

2.3 Redes espaciales y sistemas cristalinos.............................................................................6

2.3.1Fases alotrópicas del acero y sus características................................................10

2.3.2 Aleaciones binarias..........................................................................................................11

2.3.3 Aleaciones binarias Fe – C............................................................................................11

2.3.4 Diagrama de equilibrio de las aleaciones Fe – C.................................................13

2.4 Tratamiento térmico del acero......................................................................................19

2.4.1 Parámetros para el tratamiento térmicos.............................................................21

2.4.2 Propiedades mecánicas de los materiales.............................................................22

2.4.3 El recocido........................................................................................................................... 22

2.4.4 Normalización o normalizado.....................................................................................32

2.4.5 El temple o templado......................................................................................................34

2.4.6 Revenido del Acero..........................................................................................................52

2.4.7 Tratamientos térmicos especiales............................................................................56

2.4.8 Hornos utilizados para tratamientos térmicos...................................................62

2.5 Tratamientos termoquímicos del acero..........................................................................66

2.5.1 Etapas para los tratamientos termoquímicos......................................................67

2.5.2 Tipos de tratamiento termoquímicos......................................................................67

Capítulo III: Conclusiones y Recomendaciones

3.1 Conclusiones............................................................................................................................... 75

3.2 Recomendaciones..................................................................................................................... 76

Capítulo IV: Bibliografía

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4.1 Biblíografía……………………………………………………………………………………………..76

Capítulo I: Generalidades

1.1 Introducción

El estudio de los aceros es importante debido a que ellos representan por mucho los materiales metálicos más ampliamente usados, primeramente por el hecho de que pueden ser manufacturados en grandes cantidades en especificaciones muy precisas, a un costo relativamente bajo. También proporcionan un rango extenso de propiedades mecánicas, desde niveles de resistencia moderada con excelente ductilidad y tenacidad hasta muy altas resistencias con una ductilidad adecuada. Por esto, no debe de sorprender que los hierros y los aceros comprenden hoy en día,, sobre el 80 % en peso de las aleaciones de uso industrial.

Considerando que el gran número de propiedades mecánicas que pueden imprimirse a los aceros, son en su gran mayoría el resultado de los tratamientos térmicos a los que pueden sujetarse estos materiales metálicos, es necesario entender la gran importancia que tienen estos en sus procesos de conformado.

La utilización de tratamientos térmicos permite lograr las más diversas características del acero y sus aleaciones, así como de otros muchos metales. En consecuencia dichos tratamientos tienen una importancia primordial en las distintas fases de fabricación de la industria moderna. En este artículo se pretende dar una somera información sobre los diferentes tratamientos térmicos, sus procedimientos y resultados.

Los procedimientos en los tratamientos térmicos son muy numerosos y variados según el fin que se pretende conseguir. La gran cantidad de tratamientos térmicos, las distintas aleaciones y sus reacciones y las diferentes exigencias técnicas requieren soluciones y conocimientos profundos de la materia. El tratamiento térmico pretende endurecer o ablandar, eliminar las consecuencias de un mecanizado, modificar la estructura cristalina o modificar total o parcialmente las características mecánicas del material.

Los Tratamientos Térmicos en verdad son una ciencia y además una ciencia exacta, es decir, no son procesos en los que el azar o el destino proporcionan la mejor solución. Mucha gente de la industria piensa que los tratamientos térmicos son procesos que no necesitan el grado de Competencia o de Conocimientos Teóricos que algunos otros procesos industriales requieren; sin embargo, los conocimientos teóricos en los que se basan estos, solamente los llegan a adquirir aquellos Ingenieros cuya visión va más allá de la concepción de que los tratamientos térmicos son “meras recetas” que ya se tienen bien definidas a nivel industrial y que por ello no requieren de conocimientos teóricos profundos, es decir, no cabe otra solución que la de conocer el comportamiento de los metales científicamente por el conocimiento de su naturaleza íntima y de las leyes que ésta les impone, pues con ello, aunque no nos sea conocida concretamente una

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propiedad determinada, se conocerá la trama que liga a todos ellos y por tanto, el ingeniero que posea tales conocimientos fundamentales estará en condiciones de estudiar utilitariamente las diversas aleaciones industriales y desarrollar científicamente su labor, pues el mecanismo íntimo de los diversos fenómenos metálicos le será conocido y ello le permitirá ir con paso seguro del terreno, y generar todas las tareas que le sean exigidas dentro de su ámbito de desarrollo profesional.

1.2 Antecedentes

Los griegos descubrieron hacia el 1000 AC una técnica para endurecer las armas de hierro mediante un tratamiento térmico.

Todas las aleaciones de hierro fabricadas hasta el siglo XIV d.c se clasifican en la actualidad como hierro forjado. Para obtener estas aleaciones, se calentaba en un horno una masa de mineral de hierro y carbón vegetal. Mediante este tratamiento se reducía el mineral a una masa esponjosa de hierro llena de escoria formada por impurezas metálicas y cenizas de carbón vegetal. Esta masa esponjosa se retiraba mientras permanecía incandescente y se golpeaba con pesados martillos para eliminar la escoria y darle una determinada forma.

El hierro que se producía en estas condiciones solía tener un 3% de partículas de escoria y un 0,1% de otras impurezas. En algunas ocasiones, y por error, solían producir autentico acero en lugar de hierro forjado.

Los artesanos del hierro acabaron por aprender a fabricar acero, calentando hierro forjado y carbón vegetal en un recipiente de arcilla durante varios días, con lo que el hierro absorbía suficiente carbono para convertirse en acero.

Después del siglo XIV se aumentó el tamaño de los hornos empleados para fundir. En estos hornos, el mineral de hierro de la parte superior se convertía en hierro metálico y a continuación absorbía más carbono debido a los gases que lo atravesaban. Como resultado daba arrabio, un metal que funde a temperatura menor que el hierro y el acero. Posteriormente se refinaba el arrabio para obtener acero.

En la producción moderna de acero se emplean altos hornos que son modelos perfeccionados de los que se usaban antiguamente. El arrabio se refina mediante chorros de aire. Este invento de debe a un británico llamado Henry Bessemer, que en 1855 desarrollo este inventó.

Los materiales a los que se aplica el tratamiento térmico son, básicamente, el acero y la fundición, formados por hierro y carbono. También se aplican tratamientos térmicos diversos a los sólidos cerámicos.

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1.3 Justificación

El acero es el más importante de todos  los productos siderúrgicos y esto lo confirma el hecho de que se dedique a su obtención el 80% del hierro líquido producido en los altos hornos. Uno de los hechos que justifica la importancia del acero en la industria es la posibilidad de obtener una gran variedad de propiedades con el mismo tipo de material. Por ejemplo, podemos disponer de aceros maleables para chapas, de aceros inoxidables para trabajos en ambientes húmedos, de aceros magnéticos para aplicaciones electromecánicas, de aceros de elevada dureza y resistencia al desgaste y a las altas temperaturas para herramientas de corte, etc.

Gran parte de la variabilidad de las propiedades se debe a los distintos tratamientos a que se somete el acero entre los que destacan la laminación, el forjado, los tratamientos térmicos como el temple, el recocido, el revenido y el normalizado, tratamientos superficiales como la cementación y la nitruración, etc.

1.4 Objetivos

1.4.1 Objetivo General

Conocer los tratamientos térmicos y termoquímicos del acero

1.4.2 Objetivos Específicos

Estudiar las estructuras cristalinas presentes en los metales.

Entender el comportamiento de los metales a diferentes temperaturas.

Comprender las reacciones de los aceros al ser tratado térmico y termoquímicamente.

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Capítulo II: Marco teórico

2.1 Tratamiento térmico

Es todo proceso de calentamiento y enfriamiento controlados al que se somete un metal con el propósito de variar alguna o algunas de sus propiedades. Un tratamiento térmico permite alterar notablemente las propiedades físicas. Sin embargo un tratamiento térmico incorrectamente ejecutado supondrá siempre un perjuicio en mayor o menor grado.

Por todo ello deben conocerse perfectamente los tratamientos térmicos, así como su correlación con las demás operaciones de fabricación, al objeto que los resultados obtenidos sean aprovechables.

2.2 Tratamientos térmicos de preparación

Se refiere a los procesos térmicos encaminados a preparar el material para la fabricación, entre lo que se encuentra la mejora de las características de mecanizabilidad, la reducción de las fuerzas de conformación y del consumo de la energía y la recuperación de la ductilidad para deformaciones ulteriores.

Las posibilidades de los tratamientos térmicos son enormes, permitiendo que un mismo metal sea ablandado para facilitar su labra, y luego, mediante otro proceso, dotarlo de un conjunto de propiedades completamente distintas al disponerlo para el servicio.

2.3 Redes espaciales y sistemas cristalinos

El término sólido generalmente describe un estado en el que se tiene un agregado de átomos, iones o moléculas, en el cual la sustancia posee un volumen y forma definida. La habilidad que poseen los sólidos para soportar fuerzas cortantes, así como recuperar la forma original después de haber sufrido una pequeña deformación, los distingue de los gases y de los líquidos.

La estructura de los sólidos puede variar desde cuerpos cristalinos simples a muy complejos y sólidos amorfos, de acuerdo al tipo de enlace y al arreglo geométrico de los átomos o moléculas que lo forman.

Se puede decir que la característica fundamental de un sólido cristalino es la periodicidad de su estructura. Ésta periodicidad implica que un cristal representa un arreglo ordenado de átomos o grupos de átomos en una “forma” repetitiva

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regular. Esta forma resulta de la repetición regular infinita en el espacio de unidades estructurales idénticas o bloques de construcción, los cuales pueden ser muy simples o muy complejos. Los sólidos cristalinos se caracterizan entonces, por poseer un orden de largo alcance, formado por millones y millones de estas unidades estructurales, mejor conocidas como “celdas unitarias”.

Con base en lo anteriormente dicho, se puede considerar una red espacial como un ordenamiento infinito de puntos en el espacio arreglados de tal forma que dividen el espacio dentro de volúmenes iguales, llenando totalmente el espacio considerado.

Cada punto, conocido como punto propio de la red cristalina, tiene alrededores idénticos con cualquier otro punto. La celda unitaria se considera como el volumen más pequeño que posee el arreglo de la red cristalina. Cuando se apila una celda unitaria con otra cara a cara, llenan totalmente el espacio, generando de esta forma la “red espacial”. Bravais demostró que existen únicamente catorce posibles arreglos de puntos en una red tridimensional, conocidas como estructuras cristalinas, las cuales surgen de siete”sistemascristalinos” en los que todos los sólidos cristalinos entran. Dichos sistemas se muestran en la tabla 2.1.

Tabla 2.1 Sistemas cristalinos

La geometría de una red espacial o sistema cristalino, está completamente definida por las constantes de la red (longitud de los lados) a, b y c, y los ángulos interaxiales α, β ,γ . Del total de las catorce celdas unitarias existentes, sólo algunas poseen importancia para el estudio de los metales.

La figura 2.1 muestra seis de las celdas unitarias que se presentan con mayor frecuencia en los metales y aleaciones. En los cristales cúbicos el parámetro de la red tiene el mismo valor en las tres direcciones del cristal y suele denotarse por la

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letra “a”. Sin embargo, en otros cristales el parámetro de la red puede tener tres valores diferentes.

Figura 2.1 Representación esquemática de las seis celdas unitarias más importantes en losmetales: a) Cúbica a cuerpo centrado, b) Cúbica a caras centradas, c) Tetragonala cuerpo

centrado, d) Ortorrómbica a caras centradas, e) Hexagonal simple y f)Romboédrica

La Celda Hexagonal compacta, característica del magnesio y algunos otros metales puros, puede considerarse formada por tres celdas unitarias de la celda Hexagonal simple como se muestra en la figura 2.2 (a)

En la figura 2.2 (b) y (c) se muestra la celda hexagonal compacta, en la que se ve la secuencia de apilamiento de ”planos compactos” que la constituyen y que es: AB, AB, AB...., cabe mencionar que dentro del sistema cristalino cúbico, únicamente la estructura cristalina cúbica a caras centradas (FCC), figura 2.2 (d), está formada por planos compactos, pero siguiendo una secuencia de apilamiento dada por: ABC, ABC, ABC..., por lo que esta estructura posee la celda unitaria más compacta del sistema cúbico.

Figura 2.2.- Celda Hexagonal Compacta. a) Celda hexagonal compacta con una celda simplemostrada por la línea de trazo continuo; b) Empaquetamiento de esferas de las dos

primeras capas;c) Arreglo hexagonal compacto mostrando la secuencia de apilamiento ABA; d)Secuenciade apilamiento ABCA para una estructura FCC.

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En este punto es importante mencionar que dentro de una celda unitaria se pueden designar posiciones, direcciones y planos a partir de un sistema de ejes coordenados, que para el sistema cúbico se denota por a 1, a 2 , a 3 . Las posiciones se denotan por tres números separados por comas y que están dados con base en el valor unitario que posee cada lado de la celda, ver la figura 2.3(a). Las direcciones se denotan por tres números encerrados entre paréntesis cuadrados [h k l] y puede definirse como una línea o “vector” que une cualquiera dos puntos de la red.

Cualquier otra línea paralela a esa dirección cristalográfica forma parte de una familia de direcciones, la cual se identifican por ir encerrada entre paréntesis triangulares, < h k l > y está formada por todas las posibles combinaciones de los tres dígitos que designan la familia, incluyendo los índices negativos. Los índices de una dirección son simplemente las componentes vectoriales de ella, resueltas a lo largo de cada eje, figura 2.3(b).

Figura 2.3- a) Forma en la que se denotan las posiciones en una celda unitaria cúbica. b) Índicescristalográficos para las direcciones: A [100], B [111], C[122] c) Índices de

Millerpara el plano (111) en una celda unitaria cúbica.

Los planos en una celda cúbica se representan por dígitos encerrados entre paréntesis, (h k l), conocidos como “Índices de Miller”, los cuales son iguales a los recíprocos de las correspondientes intersecciones con los ejes, figura 2.3 (c). Al igual que en el caso de las direcciones, para los planos también se tienen familias, denotadas por llaves, {h k l} y están formadas por todas las posibles combinaciones de los índices de Miller, incluyendo índices negativos. Es importante tener presente que muchos de los elementos existen en formas cristalinas diferentes, que dependen de condiciones externas como la temperatura y la presión. Este fenómeno se llama “Alotropía o Polimorfismo”. Bajo las condiciones normales de presión atmosférica, cada estado alotrópico de un metal existe en equilibrio durante un intervalo de temperatura. El ejemplo más conocido es el que presenta el hierro: a temperaturas por debajo de los 908°C, los átomos de hierro se encuentran formando una red espacial cúbica a cuerpo centrado, (BCC). Al calentar el hierro por arriba de los 908°Cy hasta los 1401°C los átomos de hierro se encuentran formando una red cúbica a caras centradas, (FCC). Al calentar el hierro por encima de los 1401°C y hasta los 1538°C se produce un segundo cambio alotrópico, formándose nuevamente una estructura cúbica a cuerpo centrado, (BCC), como se muestra en la figura 2.4. Estos cambios alotrópicos son el resultado de un cambio en la temperatura, lo que se refleja en un “reacomodo” de los átomos para formar distintas estructuras cristalinas; la

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alotropía es un fenómeno que resalta la importancia de los cambios de temperatura en los metales, a continuación se analizan otros fenómenos dependientes de la temperatura.

Figura 2.4.- Diagrama de enfriamiento mostrando la alotropía del hierro puro.

2.3.1Fases alotrópicas del acero y sus características

El acero presenta tres variedades alotrópicas:

Cuando funde a 1 539°C y posteriormente solidifica, su sistema cristalográfico esBCC (Cúbico Centrado en el Cuerpo o BodyCubicCentered). A esta fase se ledenomina fase δ (delta), la de máxima temperatura.

Cuando reducimos la temperatura a entre 1 400°C y 900°C, su sistema cristalográfico cambia a FCC (Cúbico Centrado en las Caras o FaceCubicCentered). Ésta es la denominada fase γ (gamma).

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Cuando se enfría desde 900o C hasta temperatura ambiente, su estructuracristalográfica cambia nuevamente a BC

2.3.1.1 Características de cada fase alotrópica:

Fase α: presenta dos átomos por celda, y no disuelve el carbono. La máxima cantidad de carbono que puede contener es de un 0,008% a temperatura ambiente. A 723o C la máxima solubilidad del carbono aumenta al 0,025%.

Fase γ: posee cuatro átomos de carbono por celda. Presenta mayor volumen por celda o cubo que la fase α, es decir, que sus parámetros de red son mayores. Pero el número de átomos por unidad de volumen se mantiene constante. La solubilidad del carbono es del 2% alrededor de los 1 130o C.

Fase δ: el volumen por celda es semejante al del hierro en fase α, y la solubilidad del carbono vuelve a ser limitada. Hacia 1 487o C sólo admite un 0,07%.

2.3.2 Aleaciones binarias

En el caso de las aleaciones binarias, es importante determinar dos parámetros fundamentales:

1. La estructura, es decir, qué fases están presentes en la aleación.

2. La composición, es decir la cantidad de carbono que contiene. En general a temperatura ambiente el carbono se encuentra en forma de cementita o Fe 3 C (carburo de hierro). A altas temperaturas, el Fe 3 C se disocia, y el carbono forma una solución sólida con el hierro en la fase γ.

2.3.3 Aleaciones binarias Fe – C

Según la cantidad de carbono que contiene el hierro podemos hablar de las siguientes estructuras:

a. Aceros, o aleaciones Fe – C que contienen un 2% en carbono

b. Fundiciones, o aleaciones Fe – C con más del 2% de carbono.

Además, es posible incorporar otros elementos al hierro, en lugar de o además del carbono como por ejemplo el cromo, el níquel, el vanadio, etc., usados primordialmente para mejorar o potenciar determinadas propiedades.

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Dentro de los aceros encontramos tres tipos principales, según su % de carbono:

a. Aceros hipoeutectoides, con un contenido en carbono inferior al 0,89%.

b. Aceros eutectoides, con un contenido en carbono igual al 0,89%.

c. Aceros hipereutectoides, con un % en carbono superior al 0,89%.

Dentro de las fundiciones existen también tres tipos:

a. Fundiciones hipoeutécticas, con un contenido en carbono comprendido entre un 2 y un 4,3%.

b. Fundiciones eutécticas, con un 4,3% de carbono.

c. Fundiciones hipereutécticas, con más de un 4,3% de carbono.

Tabla 2.2. Tipos de reacciones invariantes

El máximo contenido en carbono que admite un hierro es de un 6,67%, que corresponde a la proporción de carbono en la cementita o Fe 3 C.

Los aceros pueden trabajarse por forja: se calienta y se trabaja cuando está al rojo vivo, manteniendo el estado sólido.

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Las fundiciones sólo permiten la conformación en estado líquido. Acostumbran, además, a contener impurezas de fósforo, azufre, silicio y otros elementos.

2.3.4 Diagrama de equilibrio de las aleaciones Fe – C

2.3.4.1 Constituyentes de equilibrio y no equilibrio de las aleaciones Fe – C

Las fases destacadas del diagrama de fases de las aleaciones binarias hierro – carbono son:

Ferrita:Aleación sólida intersticial en hierro α donde se sitúan algunos átomos de carbono. La solubilidad del carbono es del 0,008%, mientras que a 723°C presenta una solubilidad del 0,025%. Esta fase se mantiene hasta los 900o C. En este caso, aunque permanece en estado sólido, la dureza es de 90 HB (baja), la elongación del orden del 30 – 40% y la resistencia a la rotura es de unos 28 kg/mm². Presenta propiedades magnéticas.

Figura 2.5.- Ferrita

Cementita:Es el constituyente más duro. Las proporciones de Fe3C son siempre constantes e iguales al 6,67% de carbono, y el resto de hierro. Es el más frágil, pues se rompe con mayor facilidad que el resto cuando se le aplica fuerza de choque. Su dureza es de 700 HB, y cristaliza en el sistema ortorrómbico. Las tres dimensiones del paralelepípedo son diferentes (a ≠ b ≠ c). Posee propiedades magnéticas a temperatura ambiente, pero las pierde a entre 210 – 220°C. Tiene gran resistencia a la compresión.

Perlita:Es una mezcla eutectoide de ferrita y cementita. Se forma cuando la proporción de carbono es del 0,89%. Las capas alternas presentan un 13,5% de cementita (componente de alto contenido en carbono) y un 46,5% de ferrita (componente de bajo contenido en carbono). Dicha proporción se mantiene constante. La perlita aparece cuando un acero o aleación Fe – C se enfría lentamente, desde que se encuentra a temperatura superior a la crítica hasta la temperatura ambiente. Sus propiedades básicas son una mayor dureza que la ferrita pero menor que la cementita (aproximadamente 200 HB); es muy

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deformable pero no permite elevadas elongaciones (máximo un 15% de deformación). Presenta una resistencia a la rotura de 80 kg/mm².

Austenita:Se trata de una solución sólida intersticial de carbono en hierro γ. La solubilidad máxima de carbono es del 2% a 1 130°C, pero en función de la temperatura dicha solubilidad podrá variar hasta un mínimo de 0,008%. Es estable a temperaturas superiores a 723°C (temperatura crítica), mientras que por debajo no existe por no ser estable. Es muy dúctil, pues permite elongaciones del 30%; también es blando (300 HB) y su resistencia a la rotura es de 100 kg/mm². No presenta propiedades magnéticas. En especial, tiene gran resistencia al desgaste.

Figura 2.6.- Austenita

Figura 2.7. (a) Metalografía de un acero de bajo carbono (0,18%). Los granos oscuros son de ferrita ylos granos claros son de perlita. (b) Detalle de los granos de perlita formados por

láminas claras(cementita) y oscuras (ferrita)

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Figura 2.8 Cuatro metalografías de acero de bajo, medio y alto carbono. La perlita es escasa en losaceros de bajo carbono y aumenta hasta ocupar casi todo el espacio en los aceros de alto

carbono

2.3.4.1.1Constituyentes que no son de equilibrio:

Martensita: Solución intersticial sobresaturada de carbono en hierro α. Se obtiene por enfriamiento rápido desde una estructura austenítica. La estructura cristalina se deforma, es decir, no es un cubo, sino un paralelepípedo de base cuadrada. El %de carbono es variable, pudiendo llegar al 1%, y dependerá del contenido en carbono que posea antes del enfriamiento. Las propiedades físicas varían con el contenido en carbono: la dureza, la fragilidad y la resistencia mecánica aumentan al incrementar el % en carbono, teniendo su punto máximo en un 0,9%. Presenta poca elongación (no se deforma fácilmente) y propiedades magnéticas. Tiene gran dureza debido a las tensiones internas que se crean en la estructura por la presencia del carbono.

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Figura 2.9 Martensita

Troostita: Es un agregado fino de cementita y hierro α o ferrita. Es una variante de la perlita. Se puede obtener mediante dos procedimientos diferentes:

Enfriando a una velocidad ligeramente inferior a la crítica de temple (velocidad de enfriamiento necesaria para pasar de estructura austenítica a martensita, y por tanto, velocidad elevada).

Por transformación isotérmica, manteniendo al acero en forma austenítica a entre 500 y 600°C durante varias horas.

Sorbita:Agregado fino de cementita y hierro α; se trata de una variante de la perlita. Se obtiene mediante dos modificaciones:

Enfriamiento desde el estado austenítico a velocidad inferior a la crítica de temple.

Por transformación isotérmica, manteniendo la temperatura entre 600-650°C durante un cierto tiempo.

Estas tres estructuras (perlita, troostita y sorbita) son constituyentes laminares que se forman variando la velocidad de enfriamiento.

Bainita:Se obtiene sólo por transformación isotérmica desde austenita a una temperatura de entre 250 – 550°C. Según el intervalo de temperaturas se pueden producir dos tipos de bainita.

Superior: cuando la temperatura está entre 500 y 550o C (en la zona alta).

Inferior: cuando la temperatura oscila entre 250 y 400°C.

Está formada por capas delgadas de Fe 3 C o cementita en una matriz de ferrita (por lo tanto, posee una estructura similar a la de la perlita). Las dos bainitaspresentan aspectos diferentes:

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La bainita superior tiene dichas capas más paralelizadas.

La bainita inferior presenta un aspecto más acicular (forma de agujas).

2.3.4.1.2Constituyentes de equilibrioLedeburita:Es el constituyente eutéctico de las aleaciones Fe – C. Pertenece al grupo de las fundiciones, con una proporción fija de carbono del 4,3%, aunque no es un compuesto químico. La encontramos a temperaturas inferiores o iguales a 1 130°C, hasta un mínimo de 723°C. A partir de aquí se convierte en ferrita y cementita (es decir, perlita). Está formada por un 45% de austenita con un 2% de carbono aproximadamente y un 52% de cementita.

Steadita: Se trata de una aleación ternaria. Es un constituyente eutéctico de las aleaciones Fe – C, y más de un 0,15% de fósforo, es muy común. Contiene aproximadamente un 10% del fósforo que lleva una aleación.

Grafito:Reduce la dureza de la aleación en la que se encuentra. Le otorga menor plasticidad y elasticidad. Se reduce también la resistencia mecánica, pero se incrementa la resistencia al desgaste y a la corrosión. Actúa como lubricante y se puede presentar en forma laminar o nodular.

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Figura 2.10. Diagrama de fases de las aleaciones hierro-carbono

Presenta dos equilibrios: • Estable: aleación que consta de hierro y carbono en forma de grafito. • Metaestable: aleación de hierro y cementita. Fundamentalmente, se habla de equilibrio estable en el caso de fundiciones, pues en ellas el contenido en carbono es muy elevado, por lo que se formará grafito más fácilmente; por su parte, el equilibrio que rige a los aceros es el metaestable.

2.3.4.1.3Puntos y líneas a destacar en el diagrama de equilibrio Fe–C

Punto C (4,3% de C, 1130°C): punto eutéctico. Marca el límite entre la forma de líquido y la ledeburita: por encima de estas condiciones tendremos líquido. Si se deja que llegue al equilibrio a 1130°C, se obtendrá ledeburita.

Reacción: L (4,3% de C) (1,76% de C) + Fe3C (6,67% de C), a t =γ 1130°C

La ledeburita contiene el 48% en austenita más un 52% en cementita.

Punto S (0,89% de C, 723o C): punto eutectoide. En este caso, marca el equilibrio entre austenita y perlita (mezcla de un 13,5% de cementita y un 86,5% de ferrita).

Reacción: (0,89% de C) γ Fe3C (6,67% de C) + (0,025% de C)α

Punto E: marca la máxima solubilidad del carbono en la austenita o hierro γ.

Punto J (0,18% de C, 1492o C): punto peritéctico, en el que la solidificación de la aleación tiene lugar a una temperatura intermedia entre los puntos de fusión de cada uno de los elementos que componen la aleación. La transformación entre líquido y hierro δ da lugar a hierro en fase γ.

Reacción: L (0,4% de C) + (0,08% de C) (0,18% de C), a t = 1492º Cδ γ

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Punto P: es la máxima solubilidad del carbono en hierro α. La proporción de carbono en la ferrita oscila entre 0,008 y 0,025%.

Línea GS: es la línea límite de mínima existencia de austenita pura. Por debajo de dicha línea existe una mezcla de austenita + ferrita.

El cambio magnético de la ferrita se produce a 768o C. Por debajo de esta temperatura, la ferrita es magnética, mientras que por encima pierde esas propiedades.

Línea SE: es la línea superior de existencia de cementita en los aceros.

Línea A 0 (210o C): indica el cambio magnético de la cementita. Por debajo de 210oC presenta propiedades magnéticas, mientras que por encima las pierde.

Punto D (6,67% de C, 1536o C): es el punto de fusión de la cementita pura

Punto N: punto de transformación alotrópica de hierro δ a hierro α.

2.4 Tratamiento térmico del acero

Una definición de tratamiento térmico (MetalsHandbook) es: “una combinación de operaciones de calentamiento y enfriamiento, en tiempos determinados y aplicadas a un metal o aleación en el estado sólido en una forma tal que producirá propiedades deseadas”

Los tratamientos térmicos del acero se basan en la aplicación de las transformacionesestructurales que experimenta el acero (transformaciones alotrópicas) y de los procesos derecristalización y de difusión.

Consisten en calentar el acero a elevadas temperaturas (por encima de la temperaturaeutectoide, 723°C) para conseguir la formación de austenita y después mantener esatemperatura durante tiempo suficiente para que la transformación sea completa.Después, se enfría a temperaturas diferentes para que la austenita no se transforme enperlita, sino en otro constituyente con unas propiedades de dureza mejores.

Estos tratamientos modifican la constitución (forma alotrópica del hierro y el estado delcarbono), pero no la composición.

Con el tratamiento térmico adecuado se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamañodel grano, incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un interior dúctil. La clavede los tratamientos térmicos consiste en las reacciones que se producen en el material, tanto enlos aceros como en las aleaciones no férreas, y

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ocurren durante el proceso de calentamiento yenfriamiento de las piezas, con unas pautas o tiempos establecidos.

Para conocer a que temperatura debe elevarse el metal para que se reciba un tratamientotérmico es recomendable contar con los diagramas de cambio de fases como el de hierro–carbono. En este tipo de diagramas se especifican las temperaturas en las que sucede

Los tratamientos térmicos en los aceros se clasifican en cinco grupos principales:

a) Los recocidosb) El normalizadoc) El temple o templadod) El revenidoe) Tratamientos térmicos especiales

Es importante en este punto mencionar la necesidad de tomar en cuenta que cada uno de lostratamientos considerados arriba, incluyen para la pieza o piezas a tratar un ciclo decalentamiento, mantenimiento a la temperatura seleccionada y un ciclo de enfriamiento. Estosciclos de calentamiento y enfriamiento, así como el mantenimiento a la temperaturaseleccionada, van a depender del tamaño, forma y espesor de la pieza o piezas. Por esta razón esnecesario tomar en cuenta que los factores mencionados anteriormente afectan en gran medidalos resultados esperados en la pieza después del tratamiento térmico, lo que nos lleva aconsiderar la necesidad de llevar a cabo una serie de ensayos, a fin de poder establecer con todaexactitud las condiciones óptimas bajo las cuales se obtienen los resultados esperados de dureza,resistencia y ductilidad de las piezas.

A mayor temperatura el hierro se encuentra en estado líquido. Si se añade carbono alhierro, sus átomos podrían situarse simplemente en los intersticios de la red cristalina de ésteúltimo; sin embargo en los aceros aparece combinado formando carburo de hierro (Fe3C) o Cementita, de modo que los aceros al carbono están constituidos realmente por ferrita y cementita.

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Figura 2.11 Diagrama fases de las aleaciones principales hierro- carbono

2.4.1 Parámetros para el tratamiento térmicos

Los parámetros y procesos que afectan la composición y propiedades materiales de los componentes metálicos incluyen los siguientes:

Tipo de aleación Calentamiento Enfriamiento Trabajo Tiempo Atmósfera Recubrimiento superficial Difusión superficial

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2.4.2 Propiedades mecánicas de los materiales

Las características mecánicas de un material dependen tanto de su composición químicacomo de la estructura cristalina que tenga. Los tratamientos térmicos modifican esa estructuracristalina sin alterar la composición química, dando a los materiales unas características mecánicasconcretas, mediante un proceso de calentamientos y enfriamientos sucesivos hasta conseguir laestructura cristalina deseada.

Entre estas características están:

Resistencia al desgaste: Es la resistencia que ofrece un material a dejarse erosionarcuando está en contacto de fricción con otro material.

Tenacidad: Es la capacidad que tiene un material de absorber energía sin producir fisuras(resistencia al impacto).

Maquinabilidad: Es la facilidad que posee un material de permitir el proceso demecanizado por arranque de viruta.

Dureza: Es la resistencia que ofrece un acero para dejarse penetrar. Se mide en unidadesBRINELL (HB) o unidades ROCKWEL C (HRC), mediante el test del mismo nombre.

2.4.3 El recocido

Se puede entender el recocido como el calentamiento del acero por encima de lastemperaturas de transformación a la fase austenítica (700-900 °C)seguida de un enfriamiento lento. El resultado de este lento enfriamiento es el de obtener un equilibrio estructural y de fase en los granos del metal.

Dependiendo del porcentaje de carbono; luego del recocido se pueden obtener diversasestructuras tales como Ferrita+ Cementita en los aceros Hipoeutectoides; Perlita en los acerosEutectoide; y Perlita+ Cementita en los aceros Hipereutectoides.

En general, tiene como finalidad una temperatura que permita obtener plenamente la faseestable a falta de un enfriamiento lo suficientemente lento como para que sedesarrollen todas lasreacciones completas.

Se emplea para ablandar metales y ganar tenacidad, generalmente aceros. Se obtienen aceros más mecanizables. Evita la acritud del material. La eliminación de las tensiones generada en el temple. Aumentar la plasticidad ductilidad y tenacidad del material. Regenerar su microestructura

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Los procedimientos de recocido se clasifican en:

Recocido completo o recocido total Recocido de difusión o de homogeneización Recocido de ablandamiento (esferoidización) Recocido isotérmico Recocido Intermedio

2.4.3.1 Recocido Completo o Recocido Total.

Es el proceso mediante el cual la estructura distorsionada en frío retorna a una red cuyoestado se halla libre de tensiones por medio de la aplicación de calor. Este proceso se efectúatotalmente en estado sólido y puede dividirse en las tres fases siguientes: Recuperación,Recristalización y Crecimiento del Grano.

2.4.3.1.1 Fases del recocido

La recuperación: la restauración consiste fundamentalmente en la eliminación de tensionesinternas y se realiza con simples calentamientos a bajas temperaturas.

Cuando cesa de actuarsobre un material policristalino la carga que ha originado su deformación plástica, no desaparecetotalmente la deformación elástica, ya que la diferente orientación de los cristales hace que algunode ellos no pueda recuperar su posición inicial. Cuando la temperatura aumenta, algunos de estosátomos deformados elásticamente vuelven a su estado anterior, eliminándose la mayor parte delas tensiones internas. En algunos casos puede haber un ligero flujo plástico que provoca un ligeroendurecimiento y aumento de la resistencia. La conductividad eléctrica también aumenta, pero lamicroestructura no presenta ningún cambio apreciable. Industrialmente, este tratamiento deestabilización a bajas temperaturas se denomina recocido de alivio de tensiones.

La recristalización: Al aumentar la temperatura de restauración se hacen perceptibles en lamicroestructura nuevos cristales diminutos. Estos tienen la misma composición y presentan lamisma estructura cristalina que los granos originales sin deformar, y su forma no es alargada, sino que son aproximadamente de dimensiones uniformes (equiaxiales). Por lo general se suelen desarrollar en las zonas del grano más intensamente deformadas, como suelen ser los límites degrano y los planos de deslizamiento. Las agrupaciones de átomos que dan lugar a estos nuevoscristales se denominan núcleos.

El fenómeno de la recristalización puede considerarse como lacombinación de dos procesos distintos, uno de nucleación de granos libres de distorsión, y otrode crecimiento de estos núcleos, los cuales se desarrollan absorbiendo el materialinestabletrabajado en frío.En la deformación plástica los planos de

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deslizamientos y los límites de grano son puntos localizados de energía interna elevada, debido a la acumulación de dislocaciones en ellos.

Ahora bien, la misma naturaleza de la acritud impide a los átomos de la red distorsionada moverse para formar una red libre de distorsión. Esta energía absorbida por la deformación en frío, no puede recuperarse de otra forma que no sea aplicándole calor, para luego cederla en forma de energía de recristalización y desarrollar nuevos núcleos de granos libres de distorsión. Parte de este calor es absorbido por los átomos vecinos, los cuales cuentan, gracias a esto con la energía suficiente para vencer la rigidez de la red distorsionada y poder pasar a formar parte de la estructura cristalina de los granos libres de distorsión, iniciándose el crecimiento del grano.

El número de puntos de energía elevada es proporcional al porcentaje de deformación en frío aplicado.

Temperatura de recristalización: es la temperatura a la cual un material con mucha acritud cristaliza en una hora. Cuanto mayor es la deformación previa del metal, más baja es la temperatura necesaria para provocar la recristalización, ya que la red está más distorsionada y la energía interna con que cuenta es mayor. Al aumentar la duración del recocido, disminuye la temperatura de recristalización.

El crecimiento del grano: La energía libre de los granos grandes es inferior a la de los granos pequeños. Esta disminución de energía se asocia a la reducción de superficies de contorno de grano. Por lo tanto, en condiciones ideales, el mínimo estado energético de un metal será el correspondiente al monocristal. Esta disminución de energía constituye pues, la fuerza directriz del proceso de crecimiento de grano, siendo la fuerza que se le opone la rigidez de la red. Al aumentar la temperatura disminuye la rigidez de la red, aumentando la velocidad de crecimiento de grano y a cada temperatura de calentamiento existe un tamaño de grano máximo, para el cual estas dos fuerzas están equilibradas. Por tanto teóricamente es posible conseguir granos muy grandes con solo mantener el material durante un largo periodo de tiempo a las temperaturas más elevadas de la región de crecimiento de grano.

2.4.3.1.2 Etapas del recocido

Las etapas de un recocido son:

1. Calentamiento del material a una temperatura prefijada.

2. Mantenimiento del material durante un cierto tiempo a la temperatura anterior.

3. Enfriamiento lento hasta la temperatura ambiente a una velocidad determinada.

1. Calentamiento

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Las piezas de poco espesor y de formas sencillas se pueden introducir directamente en loshornos calientes a una temperatura entre 750 y 850°C. Cuando las piezas son gruesas, el calentamiento debe ser progresivo y uniforme para dar tiempo a que el corazón de la pieza también alcance la temperatura de recocido.

Esto evitará, como se ha mencionado, la generación de tensiones y grietas no deseadas. Al mismo tiempo se permite al acero el paso por las diferentes zonas críticas. Los calentamientos rápidos son muy peligrosos en piezas gruesas y este efecto negativo se agrava cuando aumenta el contenido de carbono del acero, en los cuales el porcentaje de perlita es alto. La temperatura de recocido suele ser de unos 20 a 40°C superior a la temperatura crítica inferior. Es decir debe ser la temperatura suficiente para asegurar una homogeneidad aceptable de la austenita.

2. Permanencia a la temperatura de recocido

Para que se forme una austenita homogénea es necesario que el porcentaje de carbono deba ser el mismo en toda la masa de la pieza. La difusión del carbono es más rápida cuando aumenta la temperatura. El tiempo de permanencia oscila entre media hora y una hora por pulgada de espesor de pieza. Cuando el calentamiento se ha realizado lentamente, se mantiene media hora por pulgada, y si el calentamiento ha sido rápido se eleva el mantenimiento a una hora por pulgada.

3. Enfriamiento lento hasta la temperatura ambiente a una velocidad determinada.

Cuando se mantiene el acero a una temperatura más elevada que la temperatura crítica superior, los cristales de austenita tienden a aumentar de tamaño tanta cuanta más alta sea la temperatura y mayor duración del calentamiento. Para afinar el grano bastará con calentar la pieza a una temperatura lo más justo por encima de la crítica y luego enfriar más o menos rápidamente al aire.

El recocido se suele utilizar también para eliminar defectos que se generan por deformación en frío.

Las temperaturas de recocido son relativamente bajas. Los tiempos de calentamiento y enfriamiento de las piezas a tratar dependen de la forma y el tamaño de las piezas. Las velocidades de variación de temperatura altas provocan tensiones internas altas. Estas tensiones internas pueden provocar deformaciones y grietas en el material

El recocido depende casi totalmente de dos factores:

a) La formación de austenitab) La subsecuente transformación de la austenita.

Después del trabajo en frío (forjado o rolado) el acero, consiste de una mezcla de granos deferrita y de perlita (carburos en forma de laminillas en una matriz ferrítica), deformados por la acción mecánica del rolado o del forjado; estas

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estructuras se convierten en austenita calentando el acero a una temperatura superior a la crítica superior. En los aceros hipoeutectoides será aproximadamente de 30°C (50°F) arriba de A3. A esta temperatura ocurrirá la recristalización del acero que producirá un afino de grano.

El afino de grano para un acero hipereutectoide ocurrirá aproximadamente 30°C (50°F) arriba de la temperatura crítica inferior A3, 1. Calentamientos por encima de esta temperatura harán el tamaño de grano mayor, lo que se reflejará al enfriar el material, en la obtención de áreas perlíticas grandes. La microestructura de un acero hipereutectoide recocido, consistirá de áreas de perlita laminar burda, rodeadas de una red de cementita proeutectoide; sin embargo, debido a la fragilidad de la cementita, el recocido no debe ser nunca un tratamiento térmico final para los aceros hipereutectoides. La presencia de un límite de grano grueso y duro dará como resultado una mala maquinabilidad.

Es importante tomar en cuenta que a temperaturas de austenitización bajas, la estructura consiste de austenita más carburo o ferrita, o ambas, dependiendo de la composición del acero y del tiempo de permanencia a esa temperatura. Sin embargo, conforme aumenta la temperatura de austenitización, la estructura del acero se hace más homogénea debido a que se facilita la transformación de la ferrita en austenita y la disolución de los carburos en esta misma fase. Este grado de homogeneidad es una consideración importante en el desarrollo de estructuras recocidas y es la base para la primera regla de recocido:

Regla 1.- Entre más homogénea sea la estructura del acero austenitizado, más laminar será la estructura del acero recocido. Inversamente, entre más heterogénea sea la estructura del acero austenitizado, más esferoidal será la estructura recocida.

Esta regla también puede expresarse como sigue: “Entre mayor sea la temperatura de austenitización, mayor es la tendencia de la estructura del acero recocido a ser laminar, mientras que entre más cercana se encuentre ésta temperatura a la crítica, mayor será la tendencia de la estructura del acero recocido a ser esferoidal”

Si se permite que la austenita se transforme a temperaturas apenas por debajo de la crítica inferior (≈ 15°C por debajo), el producto puede ser carburos esferoidales relativamente bastos o perlita laminar basta. Sin embargo, cualquiera que sea el producto formado, éste será muy suave.

Para transformaciones entre 30° y 60°C debajo de la crítica inferior, el producto de transformación es más duro y menos basto. En aceros de baja aleación el acero tiene tendencias a ser laminar en lugar de ser esferoidal.Para transformaciones entre los 50° y 120°C debajo de la crítica inferior, el producto es una mezcla de ferrita y carburo con una dureza mayor.

Con base en lo anterior tenemos las reglas dos y tres del recocido:

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Regla 2.- Para desarrollar la condición más suave en el acero, austenitize a una temperatura menor de 50°C arriba de la crítica y transforme a una temperatura menor de 56°C debajo de la crítica inferior.

Regla 3.- Debido a que el tiempo para llevar a cabo una transformación completa, a una temperatura menor de 60°C debajo de la crítica inferior puede ser muy largo, permita que la mayor parte de la transformación se lleve a cabo a una temperatura mayor, donde se formará un producto suave y termine la transformación a una temperatura menor, donde el tiempo para que se complete la transformación es corto.

Debido a que nada de importancia ocurre para el éxito de la transformación de recocido, durante el enfriamiento entre las temperaturas de austenitización y la de transformación, la cuarta regla del recocido es:

Regla 4.- Después de que el acero ha sido austenitizado, enfríelo tan rápidamente como sea posible a la temperatura de transformación con el fin de decrecer el tiempo total de la operación de recocido.

Después de que la austenita se ha transformado completamente, el acero puede enfriarse rápidamente sin afectar su estructura o dureza. Por ello, la quinta regla del recocido es:

Regla 5.- Después de que el acero se ha transformado completamente, a una temperatura que produce la microestructura y dureza deseada, enfríe el acero hasta la temperatura ambiente tan rápido como sea posible, para disminuir más el tiempo total de la operación de recocido.

Estas cinco reglas aseguran un recocido exitoso y deben seguirse y tomarse en cuenta para este tipo de tratamiento térmico.

2.4.3.2 Recocido de Difusión o de Homogeneización.

Como su nombre lo indica, se utiliza el fenómeno de la difusión para obtener un materialhomogéneo (segunda denominación). El objetivo de este tipo de recocido es el de reducir la heterogeneidad química provocada por la solidificación. Esta heterogeneidad es la consecuencia de la segregación cristalina y en bloque.

Debido a que la velocidad de difusión es una función exponencial de la temperatura, se hará el recocido de difusión a la temperatura más alta posible. La influencia de este tratamiento sobre las diferentes segregaciones depende principalmente de:

Las diferencias en concentración Las distancias de difusión La velocidad de difusión de los diferentes elementos

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A una escala cristalina, la segregación de los elementos solubles desaparece rápidamente, ya que las diferencias de concentración y las distancias de difusión son pequeñas. Sin embargo, la segregación en bloque de los elementos solubles será más difícil de eliminar debido a las mayores distancias de difusión.

Las heterogeneidades debidas a precipitaciones de fases no solubles en el estado sólido no pueden ser eliminadas por este tratamiento térmico.

El recocido de difusión se aplica por ejemplo en los lingotes de acero, durante el calentamiento como preparación al forjado y laminado, aunque también puede utilizarse para reducir simultáneamente la heterogeneidad química y mecánica de un material trabajado en caliente.

Es conveniente tener presente que a nivel industrial el propósito principal de éste recocido, sólo es el de calentar el lingote hasta la temperatura de laminado en caliente y no el de llevar a cabo el proceso de homogeneización.

2.4.3.3 Recocido de ablandamiento (Esferoidización)

El propósito de este tratamiento térmico es el de obtener una estructura de acero que corresponda a la dureza mínima. Esa estructura es la de carburos globulares en una matriz ferrítica en aceros hipereutectoides.

La dureza mínima corresponde a la óptima deformabilidad en procesos de conformado no cortante como el doblado, el laminado en frío, embutido, etc. Para conformado cortante como aserrar, tornear, taladrar, fresar y cepillar, también es válido lo anterior para aceros con más de 0.5% de carbono.

En el caso de aceros suaves con contenido de carbono entre 0.1 % a 0.25 % de carbono, el estado suavizado es desfavorable para el conformado cortante, ya que las virutas pegan y provocan una superficie rugosa. Para éstos aceros, la estructura normalizada corresponde a la mejor maquinabilidad.

De acuerdo al contenido de carbono, la mejor maquinabilidad se obtiene con las microestructuras mencionadas a continuación:

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Tabla 2.3. Microestructura óptimaLa estructura de carburos globulares se puede obtener por un calentamiento prolongado, demateriales rolados, enfriados lentamente o normalizados, a una temperatura justo por debajo de la temperatura crítica inferior. Tal operación se conoce como “recocido subcrítico”. La globulización total de los carburos por este método requiere de un gran tiempo de permanencia en el horno, aproximadamente 10 horas. Sin embargo, se ha encontrado que el procedimiento de recocido utilizado para producir perlita (recocido isotérmico), con algunas modificaciones, se puede emplear para obtener microestructura de carburos globulares, es decir, si después del tratamiento de austenitización existen carburos libres, la transformación (en el rango de temperaturas en la cual se debe obtener perlita basta) procederá como una globulización de los carburos, más bien que con la formación de una microestructura perlítica. Esto se consigue empleando temperaturas de austenitización sólo ligeramente por encima de la temperatura crítica superior (AC3).

También se acostumbra utilizar temperaturas de calentamiento no mayores de alrededor de 35°C sobre la temperatura crítica inferior (Ac1). El principio se basa en el hecho de que si se calienta brevemente la perlita por arriba de la temperatura AC, los ángulos agudos y las laminillas delgadas de los carburos se disolverán preferentemente. Durante el enfriamiento consecuente debajo de A C1 , el carbono se precipitará sobre las partículas de carburo no disueltas, las cuales funcionan como núcleos, de manera que se forman carburos más gruesos y más redondos, a diferencia de las laminillas originales. Es posible aplicar este principio de dos formas:

1) Calentando el material un tiempo determinado a una temperatura por arriba de C1, seguido por una recristalización isotérmica a una temperatura por debajo de A C1 .

2) Dejando oscilar la temperatura por arriba y por debajo de AC1. Este último método da mejores resultados, pero solamente puede aplicarse a cantidades pequeñas de acero en hornos chicos, cuya inercia térmica permita dichas oscilaciones rápidas de temperatura.Es importante hacer notar que las laminillas delgadas y agudas de cementita se disuelven más rápidamente y por tanto, son susceptibles de formar más fácilmente carburos globulares en distribución muy regular con un mínimo de dureza y máxima ductilidad. Por esta razón, en muchos casos se realiza un normalizado antes del recocido de ablandamiento, con el propósito de obtener una estructura perlítica muy fina y regular.

En resumen, los diferentes métodos que pueden aplicarse para obtener un acero con carburos globulares son:

a) Mantener un tiempo bastante prolongado al acero a una temperatura por debajo de A C1. Esta temperatura debe ser muy cercana a AC1.

b) Calentando y enfriando alternadamente a temperaturas que están un poco arriba y un poco abajo de A C1.

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c) Calentando a una temperatura arriba de AC1 o AC3 y luego enfriando, ya sea muy lentamente en el horno o manteniendo a una temperatura muy apenas por debajo de A C1.

d) Enfriando a una velocidad conveniente desde la temperatura mínima a la cual todo el carbono se disuelve, para evitar que se vuelva a formar una red de carburos y luego recalentar de acuerdo a los métodos a y b, (aplicable a aceros hipereutectoides conteniendo una red de carburos).

2.4.3.4 Recocido Isotérmico.

Este tratamiento térmico tiene como objetivo principal obtener perlita gruesa, esto se puedelograr por medio de una transformación isotérmica del material, lo cual se logra enfriándolohasta la temperatura de transformación apropiada para obtener perlita basta, y manteniéndolo a esta temperatura hasta que la transformación se complete. La figura 2.12 muestra en forma esquemática el tratamiento térmico del recocido isotérmico. Este ciclo de recocido puede hacer posible una reducción importante en el tiempo de uso del horno para recocido. Ni el tiempo desde la temperatura de austenitización a la temperatura de transformación, ni el tiempo desde la temperatura de transformación a temperatura ambiente son críticos, por lo tanto pueden disminuirse tanto como se desee o como sea posible en la práctica. Además, si no es necesario obtener una perlita sumamente blanda, la transformación se puede llevar a cabo en la raíz de la curva donde la transformación se completa más rápidamente y por tanto, la operación requerirá menos tiempo; sin embargo, hay que tener presente que en este caso la perlita es mucho más fina y de una dureza mayor.

El recocido isotérmico es más práctico para aquellas aplicaciones en las cuales se puede sacar ventaja por lograr un rápido enfriamiento a la temperatura de transformación y desde ésta hasta temperatura ambiente. Así, para pequeñas partes las cuales pueden manejarse en forma conveniente en baños de sal o plomo, el recocido isotérmico requiere de tiempos muchos menores comparados con el tiempo requerido para el recocido completo.

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Figura 2.12.- Representación esquemática de diferentes ciclos de transformación empleando las curvas de transformación isotérmica TTT.

2.4.3.5 Recocido Intermedio.

Recocido intermedio es el término empleado para describir el recocido subcrítico demateriales trabajados en frío. En este caso, se acostumbra calentar el material a una temperatura suficientemente alta, para causar la recristalización de la estructura trabajada en frío y de esta forma eliminar la dureza del acero.

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Un ejemplo importante de recocido intermedio es el recocido en caja de placa de acero de bajo carbono rolada en frío. La placa se empaca en grandes cajas las cuales se sellan para protegerlas de la oxidación.

El recocido intermedio generalmente se realiza dentro del intervalo de temperaturas que van de los 595 o C a los 705 o C (1100 a 1300 o F). El calentamiento y la permanencia a la temperatura seleccionada, generalmente toman alrededor de 24 horas después de lo cual la carga se enfría lentamente dentro del horno, sin sacarla de las cajas. El proceso entero toma alrededor de 40 horas

2.4.4 Normalización o normalizado.

La normalización o normalizado a veces llamada perlitización, tiene como propósito obteneruna estructura perlítica de grano fino y distribución homogénea, la cual corresponde a las propiedades mecánicas óptimas de un acero perlítico.

Este tratamiento se efectúa principalmente sobre aceros hipoeutectoides y consiste en un calentamiento arriba de AC3 o AC1 , seguido de un enfriamiento al aire.

De acuerdo con lo mencionado arriba, se puede ver que el normalizado consiste de dos recristalizaciones por transformación de fase: una primera recristalización se obtiene por la transformación de la ferrita y la cementita (perlita) en austenita y la segunda recristalización por la transformación de la austenita a ferrita y perlita.

Cada transformación de fase provoca una recristalización y afino de grano.Sobrepasando la temperatura C3 o C1 en el calentamiento, los granos de ferrita y/o perlita forman pequeños granos de austenita, cuyo número depende principalmente del grado de nucleación, lo que a su vez depende de la velocidad con la que se sobrepasa la temperatura de transformación: Lo mismo es válido para la transformación de austenita a ferrita y perlita, o perlita, por eso es el enfriamiento al aire.

La práctica usual en el normalizado implica un calentamiento desde 35 a 65°C sobre la temperatura crítica A C3,1 o A cm. La figura 2.13 muestra el intervalo de temperaturas para el normalizado. Como puede verse en dicha figura, para aceroshipereutectoides, es necesario calentar por encima de la línea A cm a fin de disolver la red de cementita.

La normalización también se puede utilizar para mejorar la maquinabilidad, modificar y refinar las estructuras dendríticas de piezas de fundición, y refinar el grano y homogeneizar la microestructura para mejorar la respuesta en las operaciones de endurecimiento.

El incremento en la rapidez de enfriamiento por aire afecta en varias formas la transformaciónde la austenita. Debido al enfriamiento bajo condiciones fuera de

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equilibrio, las cantidades deferrita y perlita proeutectoide o cementita y perlita proeutectoide que se obtendrá a temperatura ambiente, ya no serán las que se pueden obtener a partir del diagrama de equilibrio; hay menos tiempo para la formación del constituyente proeutectoide (ferrita o cementita), en consecuencia los aceros hipoeutectoides normalizados contendrán menos cantidad de ferrita proeutectoide y los aceros hipereutectoides contendrán menos cantidad de cementita proeutectoide, en comparación con los aceros recocidos.

Figura 2.13.- Intervalo de recocido, normalizado y endurecimiento para aceros al carbono

Para los aceros hipereutectoides, la normalización reducirá la continuidad de la red decementita proeutectoide y en algunos casos puede eliminarse por completo.

La tabla 3.1 presenta las temperaturas de normalización para algunos grados comunes de acero al carbono. Basado en la experiencia a nivel industrial, las temperaturas dadas en la tabla pueden variar entre 28°C debajo y 56°C arriba de los valores indicados.

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Tabla 2.4.- Temperaturas típicas de normalizado para aceros al carbono.

2.4.5 El temple o templado.

Uno de los atributos del acero, el cual es con toda certeza el de mayor significado para los tratamientos térmicos es su capacidad para endurecerse. Este atributo tiene un doble significado, es importante no únicamente con relación a la obtención de un alto nivel de dureza o resistencia por tratamiento térmico, sino también con relación a la obtención de un alto grado de tenacidad por medio del tratamiento térmico, lograda a partir de una microestructura deseable, generalmente martensita revenida o bainita inferio..

Debe entenderse con claridad que el endurecimiento (hardenability) se refiere al “ancho de endurecimiento” que se puede lograr bajo ciertas condiciones de enfriamiento bien establecidas, y no a la dureza máxima que se puede obtener en un acero dado.

La máxima dureza depende totalmente del contenido de carbono, mientras que el endurecimiento depende de factores como: el carbono, los elementos de aleación, y del tamaño de grano de la austenita.

Por lo antes mencionado, es claro que para obtener una microestructura martensítica con las propiedades deseables, el acero debe ser tratado térmicamente; el temple y el revenido son los tratamientos térmicos comúnmente utilizados para este fin y por ello representan el tratamiento térmico final utilizado ordinariamente para obtener las propiedades óptimas en materiales tratados térmicamente.

El templado involucra un calentamiento hasta la región de estabilidad de la austenita (temperatura de austenitización), mantener el material durante un cierto tiempo a esta temperatura de austenitización y después un enfriamiento continuo

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desde esta temperatura, hasta por debajo de la temperatura de inicio de la formación de la martensita (M s ), a una velocidad de enfriamiento tan grande (mayor que la crítica) que la transformación a perlita o bainita se inhibe y el producto de la transformación será la martensita. El propósito de este tratamiento es el de obtener, para cada composición de acero, la dureza máxima.

2.4.5.1 Calentamiento y Temperatura de Austenitización.

El primer paso en el tratamiento térmico de temple, como en la mayoría de los tratamientos descritos anteriormente, es el calentamiento del material a una temperatura a la cual se forme la austenita; en general, la temperatura de austenitización real deberá ser tal, que todos los carburos se disuelvan y de esta manera se le saque ventaja al hecho de tener al carbono en solución sólida intersticial dentro de la austenita, para poder tener el efecto de endurecimiento.

Hay que cuidar que la temperatura de austenitización no sea muy elevada ya que ello implicaría un crecimiento pronunciado del grano. Las piezas deberán mantenerse a la temperatura de austenitización el tiempo suficiente para que los carburos se disuelvan, pero cuidando que este tiempo no sea excesivo y pueda ocurrir un crecimiento del grano.

Velocidades de calentamiento muy elevadas pueden crear esfuerzos muy altos, particularmente cuando están involucradas secciones de forma irregular, por lo que no es conveniente esto. La práctica común indica que es mejor calentar las piezas junto con el horno y no introducirlas cuando el horno ya esté a la temperatura de austenitización. Un tiempo de calentamiento de una hora por 25 milímetros (una hora por pulgada) de sección es lo que se emplea comúnmente, siendo esto una regla de seguridad. Sin embargo, en numerosos casos se pueden emplear velocidades de calentamiento mayores, en cuyo caso, la regla de seguridad en la práctica se deberá determinar en forma experimental.

La velocidad de calentamiento se determinará conbase en los siguientes factores:

Masa del material que se va a calentar Velocidad a la que el material puede absorber el calor La temperatura a la que se desea calentar La temperatura y transferencia de calor características del medio de

calentamiento

En general la velocidad de calentamiento será más rápida entre mayor sea la temperatura, y los tiempos variarán con el cuadrado del espesor o diámetro. Baños de sal o metal fundidos generalmente tienen coeficientes de transferencia de calor más altos y, por esto, calentarán más rápidamente que hornos en los cuales el calentamiento es en aire. Debido a que la velocidad de calentamiento es una función de la diferencia de temperatura entre la pieza y el medio de calentamiento, se pueden obtener calentamientos rápidos utilizando medios de calentamiento a temperatura sobre la temperatura de austenitización deseada y retirando la pieza

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cuando alcance ésta última. La ventaja que proporciona este procedimiento tiene su mejor aplicación en hornos continuos, de gran aplicación en la práctica, en los que la temperatura se mantiene sobre la temperatura deseada y el paso de las piezas metálicas a través del horno se regula de manera que estas alcancen la temperatura deseada, en el extremo final del horno. Sin embargo, es importante tener presente que el control de la temperatura en estos tratamientos no es muy exacto.

Otros aspectos que se deben cuidar en el proceso de calentamiento, son la oxidación y la descarburización.

Tanto el decapado (desincrustación de la capa de óxido) y la descarburización son indeseables, ya que en el caso del decapado, éste representa una pérdida de metal, estropea el acabado superficial y puede ser la causa de una pobre extracción de calor en el templado. Respecto a la descarburización, ésta trae como consecuencia una pérdida de dureza en la superficie del metal y puede afectar en forma muy seria la resistencia a la fatiga del acero. Estos procesos no se presentan juntos necesariamente. La cantidad de óxido que se forma está determinada principalmente por el tiempo y la temperatura de austenitización, por lo tanto éstos deben ser tan bajos como sea posible a fin de minimizar la formación de esta capa. La formación de esta capa materialmente desaparece por la presencia de un 4 % o más de monóxido de carbono en la atmósfera del horno.

Es importante tener presente que para todo tratamiento térmico la seguridad en la práctica se basa en un calentamiento relativamente lento y uniforme hasta la temperatura de austenitización.

Las temperaturas de austenitización recomendadas previas al templado de aceros al carbono y de baja aleación y de aceros para cementación y aleados ya están tabuladas y se muestran en la tabla 2.5. Para la mayoría de las aplicaciones deben cuidarse aspectos como los siguientes:

La máxima temperatura alcanzada en toda la sección La uniformidad de temperatura en la pieza El tiempo de permanencia a la temperatura de austenitización Los factores que influyen sobre el comportamiento de una pieza de acero,

en relación con su velocidad de calentamiento son: la conductividad térmica del acero, la naturaleza de la atmósfera del horno y el espesor de la sección.

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Tabla 2.5.- Temperaturas de austenizacion para aceros al carbono y aleados(AISI-SAE)

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2.4.5.2 Medios de Temple.

La efectividad del templado depende de las características del medio de temple, así como de la habilidad del acero para endurecerse. Por lo tanto, los resultados pueden variar cambiando la composición del acero o la agitación, temperatura y medio de temple.

Cuando se templa una pieza en un determinado medio de temple, la velocidad de enfriamiento depende principalmente de los siguientes factores:

El calor específico y el poder de conducción de calor del acero La masa, forma y estado superficial de la pieza El llamado “poder de enfriamiento” del medio del temple Temperatura del medio de temple

El calor específico y la conductividad calorífica de los diferentes tipos de aceros no muestran una gran diferencia entre sí y nunca pueden acomodarse al tipo de tratamiento a efectuar.

La masa, la forma y el acabado superficial de la pieza, en general, se determinan por características de diseño y no del futuro tratamiento térmico.

De lo antes expuesto se puede deducir que el parámetro principal que determina la velocidad de enfriamiento del acero, será el “poder de enfriamiento” del medio de temple.

Este poder de enfriamiento para un medio de temple depende de factores como:

Calor específico Conductividad calorífica Viscosidad Calor de evaporación o de disociación Formación de capas gaseosas aislantes.

Debido al número de variables involucradas en la determinación del poder de enfriamiento de un medio de temple, éste se lleva a cabo por métodos empíricos en condiciones estándar, como por ejemplo, el templado de una esfera de plata con un diámetro determinado.

El medio de temple ideal deberá mostrar una alta rapidez de enfriamiento inicial para evitar la transformación de la austenita en el rango de temperaturas que abarca la nariz perlítica, y luego una velocidad de enfriamiento menor para el intervalo inferior de temperatura, a fin de minimizar la distorsión de las piezas.

Los medios de temple con los que se cuenta a nivel industrial, no muestran estas propiedades ideales; por ejemplo, el agua y las soluciones acuosas tienen velocidades de enfriamiento iniciales altas, las cuales se mantienen a bajas temperaturas donde el agrietamiento y la distorsión tienden a ocurrir. Los aceites de temple convencionales tienen una etapa inicial mucho mayor que la que tienen

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el agua y las soluciones acuosas, pero la etapa de temperaturas menores posee velocidades de enfriamiento menores, esto se muestra en forma esquemática en la figura 2.14.

Figura 2.14.- representación esquemática de la velocidad de enfriamiento V en función de la temperatura instantánea, para una esfera de plata de 20 mm de diámetro, templada desde

800oC en: (a) agua a 40oC; (b) aceite mineral a 40oC; © baño de sal a 200oC.

Para los medios de temple en los cuales el transporte de calor ocurre principalmente por conducción y convección, como en aire, aire a presión, baños de metal o de sal fundidos, vale en general que la velocidad de enfriamiento del metal llega rápidamente a un máximo inmediatamente después del contacto entre la pieza y el medio de temple, disminuyendo paulatinamente cuando baja la temperatura del metal.

Para el agua, soluciones acuosas y aceites, el transcurso de la velocidad de enfriamiento es más complejo.

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Con base en lo anterior, a continuación se enlistan los medios de temple industriales, en orden de disminución de la severidad de temple:

1. Solución acuosa al 10 % de cloruro de sodio (salmuera)2. Agua3. Sales fundidas4. Aceites5. Aire

2.4.5.3 Mecanismos de Enfriamiento durante el Temple.

La estructura, dureza y resistencia resultantes del tratamiento térmico de temple, están determinadas por la velocidad de enfriamiento durante el proceso. Si la velocidad de enfriamiento es mayor que la crítica, se obtendrá una microestructura completamente martensítica, y si la velocidad es menor la microestructura formada puede ser bainita o perlita fina.

La dureza en ambos casos será distinta, en el primer caso el acero endurece totalmente, mientras que en el segundo caso no endurece totalmente. De aquí que sea necesario conocer los mecanismos de extracción de calor durante el templado.

Se reconocen cuatro etapas del mecanismo de extracción de calor durante el templado:

Etapa A’: Etapa de conducción inicial del líquido.- Los primeros efectos en la inmersión de la pieza en el medio de temple, se caracterizan por la formación de burbujas de vapor que preceden al establecimiento de una capa de vapor envolvente sobre la pieza. Su tiempo de duración es de aproximadamente 0.1 segundos.

Etapa A : Etapa de enfriamiento por medio de una capa de vapor. Se caracterizaprincipalmente por la formación de una capa de vapor continua, delgada y estable que rodea al metal caliente y que es debida a la temperatura tan alta a la que se encuentra el metal, lo cual provoca la vaporización del medio de temple en la superficie del metal.

Etapa B: Etapa de enfriamiento por transporte de vapor.- Esta etapa empieza cuando la temperatura del metal se ha reducido al grado de que la capa de vapor ya no es estable, rompiéndose. Entonces, el líquido del medio de temple produce una violenta ebullición y el calor es removido de la pieza a muy alta velocidad como calor latente de vaporización. Esta etapa es la de enfriamiento más rápido.

Etapa C: Etapa de enfriamiento por medio del líquido.- Esta etapa empieza cuando la temperatura de la superficie de la pieza llega a igualar la temperatura de ebullición del líquido de temple. Debajo de esta temperatura se detiene la

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ebullición (ya no se forma más vapor) y el enfriamiento se llevará a cabo por conducción y convección. Esta etapa es la de enfriamiento más lento.La figura 2.15 representa esquemáticamente la variación de la velocidad de enfriamiento V, medida en el centro de una esfera de plata de 20 mm de diámetro, templada desde 800 o C en:

a) En agua a 40°Cb) En aceite mineral a 40°Cc) En un baño de sal a 200°C

Para el agua aparece claramente el enfriamiento irregular entre los 800 o C y los 500°C y la alta velocidad de enfriamiento a temperaturas relativamente bajas. Para el aceite la formación de vapor es más reducida y la velocidad de enfriamiento es inferior a temperaturas debajo de los 400°C a 500°C. Para la sal líquida no hay ninguna formación de vapor, de modo que se llega muy rápidamente a la velocidad máxima de enfriamiento.

Es importante tener presente que las etapas descritas anteriormente, se presentan en el caso de que la pieza a templar se introduce en el medio de temple y se deja ahí hasta que se enfría totalmente; sin embargo, es posible modificar dichas etapas por medio del movimiento del medio de temple o por movimiento de la pieza. A nivel industrial es más común el movimiento del medio de temple, lo que se conoce como ”agitación”, y se define como el movimiento del medio de temple producido externamente. Este movimiento influye de forma muy importante sobre las características de transferencia de calor del líquido de temple, ya que provoca un rompimiento mecánico de la capa de vapor formada en la etapa A, produciendo un desprendimiento más frecuente de burbujas de vapor durante la etapa B.

2.4.5.4 La Temperatura del Medio de Temple.

La temperatura del líquido afecta marcadamente su habilidad para extraer calor.Generalmente, conforme aumenta la temperatura del medio de temple, la velocidad de enfriamiento disminuye lo cual se debe a un aumento en el tiempo de duración de la etapa A.

Como el medio está más cercano a su punto de ebullición, se necesita menos calor para formar la capa de vapor.La figura 2.15 muestra dos curvas de enfriamiento para muestras templadas en agua a 24°C y 52°C sin agitación; como se puede ver, el temple en agua a 24°C requiere de menos tiempo para enfriar la muestra, siendo cada vez mayor la diferencia para temperaturas bajas.

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Figura 2.15.- Curvas de enfriamiento obtenidas en el centro de muestras templadas en Agua a temperaturas de 75°F (24°C) y 125°F (52°C) sin agitación.

La tabla 2.6 muestra el comportamiento apuntado al inicio de esta sección, en el sentido que entre mayor sea la temperatura del medio de temple, menor es la velocidad de enfriamiento. Esto es particularmente cierto para el agua, salmuera y aceite; sin embargo, las cantidades para el GulfSuper-Quench muestran un incremento en la velocidad de enfriamiento con un aumento en la temperatura del medio de temple.

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Tabla 2.6.- Velocidades de enfriamiento en el centro de una probeta de acero inoxidable de 1⁄2 Pulgada de diámetro por 2 1⁄2 pulgadas de largo, cuando se templan desde 816°C en varios

medios de temple.

La explicación para el comportamiento anterior es la siguiente:

En el caso del aceite hay dos factores a considerar. Conforme aumenta la temperatura del aceite hay una tendencia a que la velocidad de enfriamiento disminuya debido a que sigue estando presente la capa de vapor; sin embargo, conforme aumenta la temperatura del aceite, éste se hace más fluido, lo que trae como consecuencia un aumento en la rapidez de conducción de calor a través del líquido. Estos dos factores determinan la velocidad de enfriamiento, por lo tanto, si existe un incremento en la conducción de calor mayor que el decremento debido a la presencia de la película de vapor, el resultado neto será un aumento en la velocidad de enfriamiento como en el caso del GulfSuper-Quench.

Si lo contrario es cierto, entonces el resultado neto será un decremento de la velocidad de enfriamiento, como lo muestran los datos de la tabla 2.6 para aceites solubles y aceite lento. Las velocidades de enfriamiento óptimas en aceites para templados convencionales, se obtiene para temperaturas entre 50°C y 65°C.

Para prevenir un aumento en la temperatura en el medio durante el temple es necesario proporcionar suficiente volumen del medio de temple.

2.4.5.5 Elección del Medio de Temple.

Para obtener en el temple de los aceros mejores resultados, conviene utilizar el método de enfriamiento menos enérgico que sea capaz de comunicar al acero una

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velocidad de enfriamiento superior a la crítica. De esta forma se consigue una estructura totalmente martensítica, la máxima dureza de acuerdo a su composición y se evita en lo posible las grietas y deformaciones. En piezas enfriadas rápidamente siempre existe el peligro ( independientemente de la composición del acero) de que se creen tensiones, debido a un enfriamiento desigual dentrode la pieza, esto es, mientras la periferia se enfría rápidamente, el corazón de éstase encuentra todavía a una temperatura elevada. En piezas enfriadas lentamente la temperatura es más uniforme en toda la masa y por lo tanto son menos frecuentes las grietas y deformaciones.

La gran diversidad de aceros que existen en la actualidad, crea dudas sobre el medio de enfriamiento más adecuado, para solventar esta situación es necesario guiarse por las recomendaciones de las acerías, de las sociedades metalúrgicas o por el análisis y dimensiones de la pieza.

Las velocidades críticas de temple varían bastante de un acero a otro; por ejemplo, los aceros al carbono exigen las mayores velocidades de enfriamiento, las cuales son, aproximadamente, de 350°C/s para 0.5 % C, 200°C/s para 0.8 % C. En cambio, los aceros especiales tienen velocidades de temple menores, así por ejemplo, la velocidad crítica para un acero para brocas de bajo contenido de tungsteno, es de 35°C/s, aproximadamente.

En general deben seguirse las siguientes reglas de templado:

1. Aceros al carbono (independientemente de su composición) en piezas de más de 5 mm de espesor y aceros de baja aleación en espesores superiores a 25 mm, deben templarse en agua, debiendo tener ésta una temperatura entre 15o y 20o C, no debiendo sobrepasar los 30°C.

2. Para los aceros antes citados, en perfiles inferiores a 5 o 10 mm aproximadamente y todos los aceros de alta aleación, el temple debe realizarse en aceite, estando éste entre 30°C y 60°C se obtienen los mejores resultados.

3. Los aceros de muy alta aleación se templan al aire.

Aunque el fabricante suele señalar en sus catálogos o tablas el medio de enfriamiento que debe emplearse para el temple de cada acero, conviene tener presente que existen excepciones a las normas generales; por ejemplo, aunque un acero al carbono de 1.10% debe dársele un temple en agua, cuando hay que templar una herramienta de menos de 3 mm de espesor, conviene enfriarla en aceite, ya que de esta forma desaparece el peligro de la formación de grietas que puede presentarse en el templado en agua y además, se alcanza la dureza deseada.

Por el contrario, un acero cromo - vanadio con 1 % C, 1.5 %Cr y 0.20 %V, que es de temple en aceite, se templará en agua cuando se utilice para herramientas de 100 g y 200 mm de espesor, que deban quedar con una dureza superior a 60 Rc.

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2.4.5.6 Comparación de los Medios de Temple.

A continuación se analizarán los medios de temple más usados en el tratamiento térmico de temple en los aceros:

Agua. El agua y las soluciones a base de agua son los medios de temple menos caros y de uso siempre y cuando la pieza a templar no sufra distorsiones excesivas o se agriete durante el temple.

Como medio de temple, el agua simple se aproxima a la máxima velocidad de enfriamiento que es posible obtener en un líquido. Otra ventaja es que se puede usar sin problemas de contaminación o daño a la salud, y es un medio efectivo para romper las escamas de óxido de la superficie de piezas que se templan desde hornos que no utilizan atmósfera protectora.

Debe evitarse que el agua se caliente durante el temple, conviene que la temperatura del agua oscile entre 15° y 20°C, pues si la temperatura es superior a 30°C, se prolonga exageradamente la etapa “A” de enfriamiento, lo que constituye un gran inconveniente, ya que disminuye la velocidad de enfriamiento en la zona de los 750°C a los 500°C, favoreciéndose la formación de estructuras blandas, sobre todo en aceros de baja templabilidad. Además, la prolongación de la etapa “A”, que varía con la complejidad de la pieza, favorece la retención del vapor dando como resultado una dureza mal distribuida y una distribución de esfuerzos desfavorable, lo que puede ocasionar distorsiones y agrietamiento.

Salmuera. El término salmuera aplicado al temple se refiere a la solución acuosa conteniendo ciertos porcentajes de sal (cloruro de sodio o cloruro de calcio), junto con aditivos especiales e inhibidores de la corrosión.

La salmuera ofrece las siguientes ventajas sobre el agua simple o sobre los aceites, para el templado:

1) La velocidad de enfriamiento es mayor que la del agua para una misma agitación.2) La temperatura es menos crítica que para el agua, requiriendo, por lo tanto, de menor control.3) La aparición de manchas suaves debido a bolsas de vapor es mucho menor que en el temple en agua.4) La distorsión es menos severa que en el temple en agua.5) Los cambiadores de calor son menos usados para el enfriamiento de baños de salmuera de lo que son empleados para el temple en agua o aceite.

Algunas de las desventajas que presenta la salmuera son:1) La naturaleza corrosiva de la salmuera requiere que, para tener una vida razonable, el equipo de temple se proteja de la corrosión mediante un recubrimiento.2) Se requiere de equipo de extracción de los vapores corrosivos que emanan de los baños de salmuera.

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3) El costo aumenta debido a los inhibidores y aditivos que deben utilizarse.4) El costo también aumenta debido a la necesidad de llevar a cabo pruebas para el control de la solución.

Aceite.

Los mejores aceites para el temple son los aceites minerales. Un buen aceite debe poseer las siguientes propiedades:

1. Su viscosidad debe estar comprendida entre ciertos límites, de manera que no sea muy viscoso ni que tenga baja viscosidad. En el primer caso tiende a carbonizarse y en el segundo a volatilizarse.

2. La volatilidad no debe ser demasiado elevada porque se pierde aceite con el uso y se espesa el baño, con la consiguiente pérdida en la velocidad de enfriamiento, además de que al ponerse en contacto con el metal caliente, desprende numerosas burbujas y se forma mucho vaporal rededor de las piezas, prolongándose la fase “A”

3. La temperatura de inflamación y combustión deben ser lo más elevadas posible, para evitar exceso de humo en el taller y también el peligro de que se inflame el baño.

Lo anterior tiene como consecuencia que los aceites se utilicen con mayor amplitud, en aquellos casos en los cuales se desea templar piezas de forma complicada o en el que se desea el mínimo de distorsión.

2.4.5.7 La Templabilidad.

Se puede definir la templabilidad como la capacidad que tiene un acero de endurecer a profundidad por medio del temple.

Cuando un acero se templa, la velocidad de enfriamiento es máxima en la superficie y disminuye hacia el centro. La formación de martensita sólo ocurre en la parte de la pieza, donde se logró sobrepasar “la velocidad crítica” de enfriamiento. Para aceros no aleados la velocidad crítica es tan alta, que sólo se obtiene una capa relativamente delgada, aún templando en agua.

El transcurso de la velocidad de enfriamiento desde la superficie hasta el centro de la pieza, está determinado por la relación entre masa y superficie y es función del diámetro de la pieza.

La figura 3.4 representa en forma esquemática la velocidad de enfriamiento en función del diámetro de una barra cilíndrica para tres tipos de acero con un templado en agua, aceite y al aire.

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De la figura, se puede ver que el acero al carbono, I, templado en agua, sólo alcanza la velocidad crítica V CI en una capa delgada. Después del temple este acero sólo presentará una zona muy delgada con estructura martensítica.La velocidad crítica V CII para el acero al níquel, II, es mucho más baja, de modoque aún templado en aceite, el material experimenta una transformación martensítica más profunda.

Finalmente, la velocidad crítica V CIII es tan baja que el acero al Cr-Ni, III, se transformará completamente en martensita con un enfriamiento al aire.

Figura 2.16.- Representación esquemática del endurecimientode los siguientes aceros: I: acero al carbono templado en agua.

II: acero con 2% Ni, templado en aceite.III: acero con 1%Cr, 4 % Ni, templado al aire.

La templabilidad de un acero depende de varios factores:

1. La velocidad crítica de enfriamiento depende de la estabilidad de la austenita y de la nucleación durante la transformación.

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2. La estabilidad de la austenita depende principalmente de los elementos de aleación. Como también el carbono extiende la zona , la descomposición de laγ austenita en y cm se reprime cuando aumenta la concentración de carbono, deα modo que la velocidad crítica disminuye.3. La descomposición o transformación de la austenita, como fenómeno de nucleación y crecimiento, se ve influenciada por la presencia de límites de grano y carburos no disueltos que actúan como núcleos, aumentando la velocidad crítica de enfriamiento.

Un calentamiento prolongado a una temperatura de austenitización alta, disolverá gran parte de los núcleos y hará crecer el grano, lo que bajará la velocidad crítica.

De lo anterior se puede concluir lo siguiente:1. En las mismas condiciones de templado, la profundidad de templado y la dureza máxima obtenida en un acero al carbono aumentará hasta el contenido de carbono correspondiente a la concentración eutectoide

2. A un contenido constante de carbono, es posible aumentar la profundidad de templado por unaaustenitización a temperaturas superiores

Debido a los numerosos factores que tienen influencia sobre la templabilidad de un acero, se propusieron varios métodos para determinar experimentalmente un factor de templabilidad. Se trata de poder reproducir siempre y con toda exactitud las condiciones experimentales, como son: temperatura y tiempo de austenitización, método de templado, volumen y forma de las probetas. La prueba más conocida es la de Jominy, propuesta originalmente por Jominy y Boegehold.

2.4.5.8 La Prueba Jominy.

Este ensayo normalizado, según la norma ASTM Designation A255-48T EndQuench Test for Hardenability of Steel, consiste en enfriar una probeta de 1 pulg. de diámetro y 4 pulg. de largo austenitizada, por medio de un chorro de agua a una presión definida por la norma, que se hace incidir en uno de sus extremos. De esta forma cada punto a lo largo de la probeta, a partir de la punta templada, presentará una cierta velocidad de enfriamiento.

La dureza de la probeta se mide sobre uno de sus bordes ya rectificado, efectuando estas mediciones cada dieciseisavo de pulgada en la primera pulgada de longitud y después más espaciadas, permitiendo construir una gráfica Dureza contra distancia del extremo templado, como la mostrada en la figura 2.17.

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Figura 2.17.- Curvas Jominy o de Templabilidad para varios aceros.

La velocidad de enfriamiento varía a todo lo largo de la barra, siendo más elevada en el extremo templado por estar en contacto con el agua. La velocidad de enfriamiento en cualquier punto a lo largo de la barra se ha determinado con toda exactitud. La tabla 2.7 muestra los valores correspondientes. Así, este método describe el procedimiento para determinar la templabilidad de un acero.

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Tabla 2.7.- Relación entre velocidad de enfriamiento y la distancia Jominy.

La templabilidad se hace aparente en el grado al cual el material se endurece cuando se templa a diferentes velocidades de enfriamiento. En la prueba de Jominy la “profundidad de endurecimiento” es la distancia a lo largo de la probeta desde el extremo templado o punta templada.

Se puede considerar que cualquier acero forma martensita en el extremo templado, por lo que la dureza en este punto está determinada exclusivamente por el contenido de carbono. Sin embargo, a una cierta distancia del extremo templado es más probable que se forme bainita o perlita en lugar de la martensita, lo que se verá reflejado en una baja en la dureza de la probeta.

Un acero aleado con una alta templabilidad, tal como un acero 4340, mantiene una curva de templabilidad más bien plana, es decir, mantiene su dureza, sin embargo, un acero al carbono simple, tal como el 1060, tiene una curva que cae rápidamente lo cual indica que tiene una templabilidad muy limitada. El poder de Endurecimiento o Templabilidad está determinado por el contenido de elementos de aleación.

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2.4.5.9 Indice de Templabilidad.

La templabilidad de un acero se designa mediante un código que indica la distancia o distancias desde el extremo templado dentro de la cual se obtiene la dureza deseada.

Por ejemplo: Un acero aleado conteniendo 0.40 % de carbono (4140) podría especificarse que tiene una templabilidad de J 50 = 6, lo que significa una dureza Rc = 50 a una distancia de 6/16 de pulgada desde el extremo templado, figura 2.17, curva inferior.

La AISI ha establecido curvas de templabilidad máxima y mínima, conocidas como bandas de templabilidad, figura 2,18, entre las cuales debe de estar cualquier barra de acero de esa composición. En la figura, el sufijo H se establece para aquellos aceros que se compran con base a una especificación de templabilidad, siendo de importancia secundaria aspectos como la composición química, tamaño de grano, etc.

Figura 2.18.- Bandas de templabilidad para un acero 4140H

Al especificar la templabilidad de un acero pueden emplearse alguno de los dos métodos siguientes:

1.- En este primer método se especifica primero la dureza en la curva inferior, seguida de la dureza en la curva superior igualándolas a la distancia en que se encuentran:

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Por ejemplo, de la figura 2.18 los puntos A denotan durezas de 50 y 58, ambas a 6/16 “ por lo tanto esto se denota por:

J 50/58 = 6/16 de pulg.

2.- Para un valor de dureza seleccionado, se indican las distancias primero en la curva inferior y luego en la curva superior:

J 50 = 6/16 a 21/16 de pulg.

2.4.5.10 Hornos

Los hornos para calentar piezas pequeñas que se desea templar, son cajas metálicas que en su interior van recubiertas de material refractario para evitar pérdidas de calor, estas cajas llevan incorporadas varias resistencias eléctricas que producen el calentamiento de las piezas a la temperatura requerida y llevan incorporado un reloj programador para el control del tiempo de calentamiento y un pirómetro que facilita el conocimiento de la temperatura. que hay en el interior del horno.

Con elementos de gran tamaño, como tubos, los hornos están formados por cámaras; cada cámara tiene el largo del tubo y en cada cámara hay de una serie de quemadores que se encargan del calentamiento de cada cámara. Para poder monitorear la temperatura se usa el termopar y para controlar el horno se usa el PLC o computadoras.

Después del temple se efectúa el revenido, cuyo fin es el aumento de la plasticidad (disminución de la fragilidad) del acero con una

2.4.6 Revenido del Acero

Como ya se mencionó anteriormente, el acero en el estado endurecido carece de aplicación práctica debido a su condición de fragilidad, que surge por la formación de la martensita que trae aunados grandes esfuerzos internos; por ello, es necesario hacer un relevado de esfuerzos a fin de eliminar en cierta medida dichos esfuerzos.

Por esta razón, el revenido tiene como finalidad liberar los esfuerzos internos, mejorando la ductilidad y la tenacidad del acero, pero sin que su propósito sea eliminar la dureza obtenida por el templado.

El revenido del acero comprende el calentamiento del acero endurecido a una temperatura abajo de la crítica inferior (Ac1 ) y enfriándolo a una velocidad conveniente.

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Por lo general, dentro del rango de temperaturas de revenido, hay un decremento en dureza y un mayor aumento en tenacidad, conforme aumenta la temperatura del revenido.

El rango de temperaturas de 200°C a 450°C (400°F a 800°F) representa una zona divisoria entre aquellas aplicaciones que requieren dureza y aquellas que requieren tenacidad. Si la principal propiedad deseada es la dureza o resistencia al desgaste la pieza se reviene a menos de 200°C, en estas condiciones los esfuerzos residuales se reducen notablemente cuando se alcanzan los 200°C. Por otra parte, si se desea que la principal propiedad sea la tenacidad, la pieza se reviene por arriba de 450°C, temperaturas por arriba de ésta prácticamente logran que los esfuerzos internos o residuales desaparezcan casi en su totalidad.

Es importante analizar lo que le sucede a la martensita al calentar el acero dentro de los rangos especificados anteriormente. Como ya quedó establecido con anterioridad, la martensita es una solución sólida supersaturada de carbono atrapado en una estructura tetragonal a cuerpo centrado. Esta es una condición metaestable dado que a temperatura ambiente la fase que debería estar presente es la ferrita con estructura cristalina BCC. Así, al someter a una cierta temperatura al acero, se le está suministrando energía, la cual es aprovechada por los átomos decarbono difundiendo fuera de la martensita precipitándose como carburo y el hierro como ferrita con red BCC.

Cuando se calienta el acero al carbono en el rango de 40°C a 200°C (100°F a 400°F), la estructura adquiere una tonalidad negra y es a veces conocida como martensita negra. La martensita original en la condición de temple está empezando a perder su estructura cristalina tetragonal mediante la formación de un “carburo de transición” hexagonal compacto (carburo épsilon) y martensita de bajo carbono.

En esta condición el acero endurece ligeramente, sobre todo aquellos aceros con alto contenido de carbono, y bajo estas condiciones el acero posee una alta resistencia, lo que trae como consecuencia una baja en la ductilidad y la tenacidad.

Sin embargo, lo más importante es que gran parte de los esfuerzos internos se eliminan.

Calentando en el rango de 230°C a 400°C (450°F a 750°F) cambia el carburo épsilon a cementita ortorrómbica (Fe3C), la martensita de bajo carbono se hace ferrita BCC y cualquier austenita retenida se transforma en bainita. Los carburos son demasiado pequeños para ser resueltos mediante el microscopio óptico y la estructura entera se colora rápidamente en una masa negra. La resistencia es mayor de 200,000 Psi, la ductilidad ha aumentado ligeramente, pero la tenacidad es aún baja. La dureza está entre 40 y 60 Rc dependiendo de la temperatura derevenido.

El revenido en el rango entre 400° y 650°C (750°F a 1200°F) propicia el crecimiento de partículas de cementita lo que a su vez aumenta la cantidad de

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ferrita que es la fase que formará eventualmente la matriz del material. Esta condición hace que el material adquiera una coloración más clara al ser atacado.

Las propiedades mecánicas en este rango son: Resistencia a la tensión 125,000 - 200,000 Psi, elongación 10 - 20 % en 2 pulgadas, dureza 20 - 40 Rc y un aumento rápido en la tenacidad.

Calentando en el rango de 650° a 720°C (1200°F a 1330°F) produce partículas grandes de cementita globular. Esta estructura es muy suave y tenaz y es semejante a la estructura de la cementita esferoidal obtenida directamente de la austenita mediante el recocido de esferoidización.

Tabla 2.8 Temperaturas para revenido de acero endurecido

2.4.6.1 Quienes se someten al revenido

Las piezas templadas con estructura de martensita tetragonal y austenita residual. Ambas estructuras son inestables y tienden a transformarse por calentamiento en estados más estables con cambio de volumen.

Volúmenes específicos de las estructurasAustenita perlita sorbita troostita martensita˂ ˂ ˂ ˂

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Al transformarse la martensita tiene lugar la disminución del volumen (longitud), y al descomponerse la austenita tiene lugar el aumento del volumen.

La temperatura del revenido se ajusta a las necesidades de la posterior utilización de la pieza. Hasta aproximadamente 150 Tanto la velocidad de calentamiento, como la exactitud, la permanencia y el enfriamiento, tienen una gran influencia para conseguir unos resultados óptimos después del revenido. El revenido no tiene influencia sobre la dureza.

El revenido se efectúa en hornos independientes especialmente diseñados para cada caso:

1) Revenido en baño de aceite.2) Revenido en horno de baño de sales.3) Revenido en horno de recirculación forzada de aire.

El efecto del revenido depende de la aleación del acero, del temple, del espesor de la pieza y del tratamiento aplicado.

1. Revenido de bajas temperaturas (entre 180 y 220°C); Con él se reducen las tensiones internas pero se conserva la estructura martesita. Se usa en el revenido de herramientas de corte, en las que debe mantenerse la dureza y resistencia al desgaste.

2. Revenido a medias temperaturas (entre 300 y 400°C) a estas temperaturas lamartensita se modifica y transforma en lo que se conoce como troostita y se aplica en los muelles o matrices.

3. Revenido de altas temperaturas (500- 550°C) a estas temperaturas la troostita se convierte en otra forma llamada sorbita, se aplica fundamentalmente para el acero de construcción.

El revenido mejora las características mecánicas reduciendo la fragilidad, disminuyendo ligeramente la dureza.

2.4.6.2 Fases del revenido

El revenido se hace en tres fases:

1. Calentamiento a una temperatura inferior a la crítica.2. Mantenimiento de la temperatura, para igualarla en toda la pieza.3. Enfriamiento, a velocidad variable.

Calentamiento

El calentamiento se suele hacer en hornos de sales. Para los aceros al carbono de

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construcción, la temperatura de revenido está comprendida entre 450 a 600°C, mientras que para los aceros de herramientas la temperatura de revenido es de 200 a 350°C.Mantenimiento de la temperatura

La duración del revenido a baja temperatura es mayor que a las temperaturas más elevadas, para dar tiempo a que sea homogénea la temperatura en toda la pieza.

Enfriamiento

La velocidad de enfriamiento del revenido no tiene influencia alguna sobre el material tratado cuando las temperaturas alcanzadas no sobrepasan las que determinan la zona de fragilidad del material; en este caso se enfrían las piezas directamente en agua.

2.4.6.3 Revenido del acero rápido

Se hace a la temperatura de 500 a 600°C en baño de plomo fundido o de sales. El calentamiento debe ser lento, el mantenimiento del caldeo será por lo menos de media hora; finalmente se deja enfriar al aire.

Factores que influyen:

La temperatura de revenido sobre las características mecánicas El tiempo de revenido La velocidad de enfriamiento Las dimensiones de la pieza

Resultado

Es la precipitación de partículas muy finas de carburo de la solución martensítica hierro-carbono y la transformación gradual de la estructura cristalina de BCT a BCC. Esta nueva estructura se llama martensita revenida. Al conjunto de temple y revenido también se les denomina “bonificado”.

2.4.7 Tratamientos térmicos especiales

2.4.7.1 Austemplado

Es un tratamiento isotérmico, y en él, la austenita se transforma en bainita a temperatura constante. El austemplado (también llamado austempering, temple diferido ó temple bainítico), consiste en calentar el acero a una temperatura ligeramente superior a la crítica (hasta la temperatura de austenitización), seguido de un enfriamiento rápido en un baño de sales, como se muestra en la figura 2.19 (pues de otro modo se corre el peligro de que parte de la austenita se transforme en perlita), manteniéndose a una temperatura constante, durante un tiempo

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suficiente, hasta que se realice la total transformación de la austenita en bainita.

Figura 2.19.- Representación esquemática del austemplado.

La temperatura del baño, debe ser superior a la temperatura del punto M S (iniciación de la martensita), y suele variar de 250°C a 550°C. En la figura 2.20, se muestra una representación esquemática del austemplado en un diagrama TTT.

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Figura 2.20.- Representación esquemática del austemplado en un diagrama TTT.

La principal ventaja del austemplado es la ausencia de esfuerzos internos y grietasmicroscópicas que se producen en los temples ordinarios martensíticos. Además, la tenacidad es mucho más elevada en las piezas tratadas con austemplado, que en las piezas templadas y revenidas, a pesar de tener ambas piezas la misma dureza.

Cuenta con una mayor ductilidad, también hay menos distorsión y peligro de fisuras, por que el temple utilizado no es tan drástico como en el método convencional.

La principal limitación del austemplado, es el efecto del tamaño de la pieza que se trata térmicamente. Sólo son adecuadas las secciones que pueden enfriarse con suficiente rapidez para evitar la transformación a perlita, por lo tanto, se aplica a piezas de espesor menor o igual a 1⁄2 pulgada. Este espesor puede incrementarse un poco para los aceros aleados, pero entonces el tiempo para terminar la transformación a bainita puede ser excesivo.

2.4.7.2 Martemplado .

Es un tratamiento isotérmico y se efectúa calentando el acero y manteniéndolo a una temperatura por arriba de la temperatura crítica superior A 3 , durante un tiempo suficiente para su completa austenitización y enfriándolo luego en un baño de sales fundidas (como se muestra en la figura 2.21), cuya temperatura suele oscilar entre 200 y 300°C y debe ser superior a la temperatura del punto M S .

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Figura 2.21.- Representación esquemática del martemplado.

El acero debe permanecer en el baño de sales el tiempo suficiente para conseguir que toda la pieza, alcance e iguale la temperatura del baño, enfriándose luego la pieza al aire. De esta forma se obtiene una estructura martensítica con muy pocos esfuerzos internos. Cuando convenga disminuir la dureza o resistencia obtenida, se puede dar posteriormente al acero un revenido, para obtener martensita revenida.

Es necesario que el enfriamiento sea suficientemente rápido para que la curva de enfriamiento no corte la nariz del diagrama TTT (como se muestra en la figura 2.22) en ningún punto, pues si lo hiciera, parte de la austenita se transformaría en otros constituyentes.

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Figura 2.22.- Representación esquemática del martemplado en un diagrama TTT.

Es muy importante que la temperatura del baño sea próxima y superior a la temperatura del punto Ms , pues si fuera inferior, parte de la austenita de la periferia se transformaría en martensita antes de que el resto de la austenita del centro, y el proceso sería imperfecto. La temperatura del punto Ms , varía en algunos casos con la temperatura de austenitización.

Para efectuar el martemplado, de un acero determinado, se debe conocer previamente el diagrama TTT del acero, y especialmente la posición de su nariz, la temperatura correspondiente al punto Ms , y el tiempo necesario para que se inicie la transformación a una temperatura ligeramente superior a la correspondiente al punto Ms , que corresponda a la que se va a utilizar en el baño de sales.

El martemplado se emplea en la fabricación de engranes del mecanismo diferencial de automóviles, troqueles, cojinetes de bolas, etc. En realidad, este tratamiento térmico es una variante del temple interrumpido en agua y aire.

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La principal ventaja, es evitar las deformaciones y tensiones internas. Su aplicación queda limitada a piezas que no sean muy grandes.

2.4.7.3 Temples interrumpidos.

Este es un tratamiento de gran utilidad, en especial para los aceros para herramienta. Hay dos tipos de temples interrumpidos, que son:

Temple interrumpido en agua y aceite.

En éste temple se suele enfriar generalmente en agua bajando la temperatura de la pieza hasta unos 300 ó 400°C, enseguida y rápidamente se mete el acero en aceite, sin que antes haya tenido lugar un equilibrio de temperaturas, entre el núcleo y la superficie del acero. Este tratamiento se usa para templar herramientas de forma complicada, fabricadas con acero templable en agua, y tiene como objetivo evitar (con el enfriamiento en aceite), que las diferencias de temperaturas en el acero sean demasiado grandes durante la transformación de la austenita en martensita, lo que evita que se desarrollen esfuerzos que produzcan deformaciones y grietas.

Figura 2.23.- Representación esquemática del temple interrumpido en agua y aceite

Temple interrumpido en agua y aire.

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Consiste en interrumpir el enfriamiento de un acero en agua, sacándolo al aire cuando la temperatura del acero haya bajado hasta unos 250°C. Esto tiene la ventaja de que se igualan las temperaturas en diferentes zonas y se evitan deformaciones y agrietamientos. También se practica en aceite y después al aire.

Este tratamiento se emplea desde hace mucho tiempo para el temple de las limas.

Figura 2.24.- Representación esquemática del temple interrumpido en agua y aire

2.4.8 Hornos utilizados para tratamientos térmicos

2.4.8.1 Hornos de atmósfera controlada

En estos hornos, figura 2.25, se genera una atmósfera gaseosa con la cual se logra una protección contra la oxidación y la descarburización a temperaturas elevadas, las cuales se encuentran en el rango de 780 a 940°C . A través de un sensor que determina el contenido de carbono, se balancea la atmósfera con el porcentaje de carbono del acero obteniéndose superficies limpias.

Se emplean para los siguientes tratamientos: Recocido, normalizado, relevado de esfuerzos, temple y revenido, cementado etc. Sin embargo, sólo son útiles para procesar lotes grandes de piezas (generalmente más de 200 kg).

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Figura 2.25.- Hornos de atmósfera controlada

2.4.8.2 Hornos de baños de sales.

Estos hornos son muy versátiles, figura 2.26 ya que se pueden utilizar diversos rangos de temperaturas, que van desde 140 a 1200°C; además, de tratar lotes pequeños o grandes. Su control es delicado, pues depende de un operador experimentado. Dimensionalmente son muy estables, sin embargo, si se desea evitar cualquier tipo de corrosión en la superficie, no son recomendables, ya que en componentes con perforaciones y cavidades profundas o intrincadas, las sales son difíciles de remover.

Se utilizan para realizar los siguientes tratamientos térmicos: recocido, normalizado, relevado de esfuerzos, cementado, carbonitrurado, temple y revenido, etc.

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Figura 2.26.- Hornos de baños de sales

2.4.8.3 Hornos de vacío

Estos hornos resuelven el problema de la oxidación y la descarburización superficial de una forma muy eficiente, figura 2.27. A través de una profunda succión, se desaloja casi todo el aire que podría oxidar la superficie durante el tratamiento térmico. Una vez logrado el vacío entre las resistencias y la pieza, comienza el calentamiento por medio de una lenta radiación. Después el temple se realiza con nitrógeno a una presión de hasta 6 bars.

Las temperaturas máximas deestos hornos son de hasta 1260 °C empleándose para los siguientes tratamientos: recocido, normalizado, relevado de esfuerzos, temple y revenido, sinterizado, etc.

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Figura 2.27.- Hornos de vacío

2.4.8.4 Hornos semicontinuos

Estos hornos realizan procesos a temperaturas en el rango de 780 a 900°C de forma semicontinua, figura 2.28 .Se tratan piezas pequeñas a granel como flejes, tornillos, clavos, pijas,etc.

Se utilizan para temple y revenido, carburización y carbonitruración.

Figura 2.28.- Hornos semicontinuos.

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2.4.8.5 Reactores criogénicos.

En estos equipos se realizan tratamientos a temperaturas bajo cero, figura 2.29 La temperatura se hace descender lentamente con ayuda de hielo seco, nitrógeno gaseoso y nitrógeno líquido.

Se utilizan básicamente para lograr la transformación de la austenita retenida en martensita, especialmente en aceros de alto carbono y aceros para herramienta.

Figura 2.29.- Equipos para tratamiento subcero.

2.5 Tratamientos termoquímicos del acero

Son tratamientos térmicos en los que, además de los cambios en la estructura del acero, también se producen cambios en la composición química de la capa

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superficial, añadiendo diferentes productos químicos hasta una profundidad determinada. Estos tratamientos requieren el uso de calentamiento y enfriamiento controlados en atmósferas especiales.

Consiste en enriquecer las capas superficiales de la pieza de acero con elementos: Carbono (cementación), Nitrógeno (nitruración), Carbono y Nitrógeno (Carbonitruracióno Cianuración), aluminio (Calorización), cromo (cromado) y otros, para elevar la resistencia al desgaste, la resistencia a la corrosión y otras propiedades.

Tiene como Objetivos:

Aumentar la dureza superficial de las piezas dejando el núcleo más blando y tenaz

disminuir el rozamiento aumentando el poder lubrificante Aumentar la resistencia al desgaste Aumentar la resistencia a fatiga Aumentar la resistencia a la corrosión

2.5.1 Etapas para los tratamientos termoquímicos

La disociación. Consiste en la descomposición de las moléculas y la formación deátomos activos del elemento que difunde.

La absorción. Es cuando los átomos del elemento que difunden se ponen encontacto con la superficie de la pieza de acero formando enlaces químicos con losátomos del metal.

La difusión. Es decir la penetración del elemento de saturación hacia la zonainterior del metal, al penetrar los que se difunden en la red del disolvente lavelocidad de difusión será más alta, siempre y cuando en la reacción se formendisoluciones solidas de sustitución.

La velocidad del proceso depende del tipo de solución sólida que se forme. Si se forma una solución sólida intersticial, el procedimiento es más rápido que si se tratara de solucionessustitucionales.La concentración del elemento difundido en la matriz del acero depende de la velocidad de difusión y de lo activo que sea el medio que rodea la pieza.

La profundidad de penetración depende de la temperatura, del tiempo y de laconcentración del elemento a difundir en el medio que rodea a la pieza.

2.5.2 Tipos de tratamiento termoquímicos

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Cementación (carbono) Nitruración (Nitrógeno) Cianuración Carbonitruración (Carbono y nitrógeno) Recubrimiento por cementación. Sulfinuzación.

2.5.2.1 Cementación

La cementación es un tratamiento termoquímico en el que se aporta carbono a la superficie de una pieza de acero mediante difusión, modificando su composición. La cementación se utiliza en aceros con bajo contenido en carbono (0.15-0.20 %C).

La cementación tiene por objeto endurecer la superficie de una pieza sin modificación del núcleo, dando lugar así a una pieza formada por dos materiales, la del núcleo de acero con bajo índice de carbono, tenaz y resistente a la fatiga, y la parte de la superficie, de acero con mayor concentración de carbono, más dura, resistente al desgaste y a las deformaciones, siendo todo ello una única pieza compacta.

Consiste en recubrir las partes a cementar de una materia rica en carbono, llamadacementante, y someterla durante varias horas a altas temperatura (900°C). La pieza así obtenida se le da el tratamiento térmico correspondiente, temple y revenido, y cada una de las dos zonas de la pieza, adquirirá las cualidades que corresponden a su porcentaje de carbono.

En ocasiones se dan dos temples, uno homogéneo a toda la pieza y un segundo temple que endurece la parte exterior.

La cementación encuentra aplicación en todas aquellas piezas que tengan que poseer gran resistencia al choque y tenacidad junto con una gran resistencia al desgaste, como es el caso de los piñones, levas, ejes, etc.

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Figura 2.30.- Materiales hechos por cementación

Características

Endurece la superficie. No le afecta al corazón de la pieza. Aumenta el carbono de la superficie Su temperatura de calentamiento es alrededor de los 900°C.

2.5.2.1.1 Cementación en carburante sólido.

Es el procedimiento más antiguo. En este caso las piezas, después de su elaboración preliminar, se limpian quitándoles el orín, la suciedad y la grasa; los lugares que no se han de carburar, por ejemplo, la superficie interior del bulón de un pistón, los cuellos de los arboles de levas, se aíslan con un recubrimiento electrolítico de cobre de 0,005mm de espesor.

2.5.2.1.2 Cementación liquida

Se aplica, como regla, para las piezas pequeñas cuando se requiere una profundidad insignificante de la capa carburada (0,3-0,5 mm). y se efectúa en los baños de sales con la siguiente composición: 75-80% de Carbonato de Sodio (Na2CO3), 10-15% de Cloruro de sodio (NaCl), 6-10% de Carburo de Silicio (SiC), con calentamiento hasta 820°-850°C y permanencia hasta 1 hora.

2.5.2.1.3 La carburación gaseosa

Se emplea ampliamente en la construcción de maquinaria para la producción en serie y en masa forma de gases.

Esta cementación se realiza en hornos de mufla de acción continua y de cuba, calentado hasta 930°C durante 6 horas, aproximadamente, para carburar una capa hasta de 1 mm. El tratamiento térmico termina con el revenido a 160°-180°C.

2.5.2.1.4 Comparaciones

Los cementantes gaseosos son más limpios que los líquidos y los sólidos, pues no dejan residuos. También son más económicos para grandes producciones, pero para pequeñas producciones no resultan rentables. Además, puede utilizarse el mismo horno para realizar un recocido o un revenido posterior. Los cementantes sólidos requieren temperaturas muy elevadas, es decir, gran cantidad de energía ,

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y por tanto, aumenta el coste. La mano de obra para cargar y retirar las piezas del horno también implica costes. El proceso es mucho más largo, y los tratamiento posteriores deben realizarse en otras instalaciones.

Con cementantes líquidos debe destacarse la elevada toxicidad de las sustancias utilizadas, por lo que se requiere una buena ventilación de la zona y una correcta protección de los obreros.

Los tratamientos posteriores se realizan a fin de corregir la estructura quese origina tras la cementación y para afinar los granos e incrementar la dureza.

2.5.2.1.5 Horno para cementación

El proceso de endurecimiento por cementación se utiliza para aceros con poco carbono. La pieza se maleabiliza en gas endotérmico y de alto contenido de carbono. El acero calentado a temperaturas de 900°C asta 1000° absorbe el carbono del gas en el horno para cementación. También se pueden usar horno rotativo para el endurecimiento del acero.

2.5.1.2 Nitruración

La nitruración es un tratamiento termoquímico, en el que se modifica la composición del acero incorporado nitrógeno durante el proceso de tratamiento térmico en una atmosfera rica en nitrógeno.El objetivo de la nitruración es el de elevar la dureza, resistencia al desgaste y resistencia a la corrosión de la capa superficial de las piezas, saturándolas con nitrógeno.

Procedimiento:Existen dos procedimientos para la nitruración: la nitruración en horno y la nitruración iónica.

Para la nitruración en horno se coloca la pieza dentro del horno, dentro del cual se hace circular amoniaco y posteriormente se calienta a temperaturas de aproximadamente 500°C, lo que provoca que el amoníaco se descomponga en nitrógeno e hidrogeno; el hidrógeno, se separa del nitrógeno por diferencia de densidad, y el nitrógeno, al entrar en contacto con la superficie de la pieza, forma un recubrimiento de nitruro de hierro.

En el caso de la nitruración iónica, las moléculas de amoníaco se rompen mediante la aplicación de un campo eléctrico. Esto se logra sometiendo al amoníaco a una diferencia de potencial de entre 300 y 1000 V. Los iones de nitrógeno se dirigen hacia el cátodo (que consiste en la pieza a tratar) y reaccionan para formar el nitruro de hierro (Fe2N).

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Aplicaciones

La nitruración se aplica principalmente a piezas que son sometidas regularmente a grandes fuerzas de rozamiento y de carga, tales como pistas de rodamientos, camisas de cilindros, etc.

Estas aplicaciones requieren que las piezas tengan un núcleo con cierta plasticidad, que absorba golpes y vibraciones, y una superficie de gran dureza que resista la fricción y el desgaste.

Aceros para nitruraciónPara este proceso resulta conveniente que en la composición de la aleación haya una cierta cantidad de aluminio (1% aproximadamente).

Este tratamiento también es aplicable a algunos aceros inoxidables, aceros al cromo-níquel y ciertas fundiciones al aluminio o al cromo.

Endurecimiento por nitración/nitridación y nitrocarburación

Durante la nitración y nitridación en el horno para nitrar y horno para nitridar se difunde el nitrógeno en la superficie del acero a temperaturas entre 500°C y 550°C. Durante el proceso de enfriamiento se extrae nitrógeno.

En la nitrucarburación (fase gaseosa) se difunde a partir del monóxido de carbono y del hidróxido de carbono, además del oxígeno, nitrógeno.

Una vez se haya aplicado el tratamiento completo, el enfriamiento se hará siempre bajo una atmósfera controlada para evitar la contaminación superficial u oxidación de la pieza. A aquellas partes de la pieza que no se deban nitrurar se les da un baño de estaño y plomo al 50%, que cubre la superficie de la pieza aislándola del nitrógeno.

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Figura 2.31.- Hornos para nitrar

2.5.1.3. Cianuración

La cianuración es un tratamiento termoquímico que se da a los aceros. Cuando se quiere obtener una superficie dura y resistente al desgaste, esto se logra empleando un baño de cianuro fundido, la cianuración se puede considerar como un tratamiento intermedio entre la cementación y la nitruración ya que el endurecimiento se consigue por la acción combinada del carbono y el nitrógeno a una temperatura determinada.

La cianuración se efectúa a una temperatura justamente por encima de la crítica del corazón de la pieza, se introduce la pieza en una solución que generalmente consta de cianuro de sodio con cloruro de sodio y carbonato de sodio, el enfriamiento se da directamente por inmersión al salir del baño de cianuro con esto se obtiene una profundidad de superficie templada uniforme de unos 0.25 mm en un tiempo de una hora.

La cianuración liquida de las piezas se realizan a 820°-870°C con permanencia hasta 1 hora en un baño de cianuro que contiene una mezcla de sales, aproximadamente de la siguiente composición: 45% de Cianuro de Sodio (NaCN), 35% de Carbonato de Sodio (Na2CO3), 20% de Cloruro de Sodio (NaCl).Después de la cianuración las piezas se enfrían hasta la temperatura óptima del temple y se templan en agua o aceite según el tipo de acero. Después del temple se efectúa el revenido a 160°-180°C.

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La carburación gaseosa es la saturación de la capa superficial de las piezas con carbono y nitrógeno en un medio gaseoso compuesto de 70-80% de gas cementante y 20-30% de amoniaco y calentamiento hasta 850-900°C. La duración del proceso para lograr una capa de 0,3-0,5 mm de profundidad es de 3 horas; para 0,5-0,7 mm de profundidad, 6 horas; y para 0,7-0,9 mm de profundidad, 8 horas. Una vez carbonitruradas las piezas se someten al temple y revenido.

2.5.1.4 Carbonitruración

Se entiende por carbonitruración, el tratamiento termoquímico en el que se promueve el enriquecimiento superficial simultáneo con carbono y nitrógeno en piezas de acero, con el objetivo de obtener superficies extremadamente duras y un núcleo tenaz, sumado a otras propiedades mecánicas como resistencia a la fatiga, resistencia al desgaste y resistencia a la torsión.

La carbonitruración puede considerarse como un caso particular de la cementación donde la adición de nitrógeno:

Acelera la difusión de carbono. Disminuye la velocidad crítica de temple y así reducir las deformaciones de

temple.

La carbonitruración en baño de sal es un tratamiento que se encuadra entre la nitruración y la cementación. Por esta razón la temperatura de la carbonitruración se sitúa entre las temperaturas de estos dos procesos.

La oferta de nitrógeno, que se difundirá en el acero, dependerá de la composición del baño y también de su temperatura. Sin embargo, se sabe que la oferta de nitrógeno se reduce a medida que aumenta la temperatura

Endurecimiento por carbonitruración y carbonitruración a baja temperatura

Cuando el proceso se produce a temperaturas entre 650°C hasta 770°C, puede difundirse el nitrógeno muy bien y después del enfriamiento rápido se forma una capa de nitridos y carbidos sobre la capa de martensítica con contenido de nitrógeno. En la carbonitruración sobre 770°C hasta 930°C no se forma esa capa sobre la superficie, porque el carbono se puede difundir mejor.

El nitrógeno estabiliza la fase austenita y posibilita así un enfriamiento del material más suave con una dureza más alta. Sin embargo, el espesor de la capa endurecida es menor que en la cementación y el cambio hacia el material interno es más fuerte.

Al igual que en la cementación, el acero se enfría rápidamente y luego se vuelve a calentar en la fase gaseosa después de la maleabilización.

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2.5.1.5 Recubrimiento por cementación

Para impartir a la capa superficial de las piezas una gran resistencia a la formación de orín, resistencia al calor, resistencia a la corrosión, dureza y resistencia al desgaste, se aplica la saturación o recubrimiento de la capa superficial de la pieza con distintos metales: aluminio, cromo, silicio y otros. En estos casos el tratamiento termoquímico se denomina recubrimiento por cementación.

2.5.1.6. Calorización

La calorización, técnica también denominada aluminización, es una cementación del acero al carbono a base de aluminio. Tiene por finalidad aumentar la resistencia a la corrosión del acero a elevadas temperaturas.

Suele aplicar a los depósitos de combustible de los generadores de gas, a las fundas de los termopares, a las cucharas de colada de los metales fundidos, a las válvulas y a otras piezas que trabajan a altas temperaturas.

La calorización en medio solido. Se lleva a cabo introduciendo las piezas en cajas cerradas, dentro de las cuales se suele introducir en forma pulverizada. A su vez, dichas cajas permanecen dentro de un horno a 950°-1000°C durante 4-15 horas.

La calorización liquida. Se realiza sumergiendo la pieza a proteger en un baño de aluminio al que se le ha añadido cloruro de aluminio.

La calorización gaseosa. Se consigue introduciendo las piezas a calorizar en un recipiente cerrado en presencia de cloruro de aluminio en fase gaseosa.

2.5.1.7 Cromización

Se puede realizar en medios solido, líquido o gaseoso que contengan cloruro de cromo (CrCl2). Corrientemente, el proceso se efectúa a la temperatura de 900°-1000°C y con permanencia a esta temperatura unas 10-12 horas.

El cromado por difusión eleva la resistencia a la corrosión, resistencia a la formación de orín, aumenta la dureza y resistencia al desgaste de las piezas de acero y fundición.

2.5.1.8 Silicación

El proceso de saturación de la capa superior de la pieza con silicio, se puede efectuar en medios solido, líquido y gaseoso que contengan cloruro de silicio (SiCl4).

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La silicación en medio gaseoso a 1050°C durante 2 horas, da una profundidad de la capa saturada hasta 1 mm.

La silicación eleva la resistencia a la corrosión en distintos medios: agua de mar, ácidos nítricos, sulfúrico clorhídrico. En este caso aumenta también consideradamente la resistencia y a la resistencia al desgaste de las piezas de acero y fundición.

2.5.1.9 Sulfinuzación

Proceso que consiste en introducir átomos de azufre en la red. Ocasiona un incremento de la resistencia al desgaste. Se lleva a cabo en un baño de sales fundidas (mezcla de sales portadoras de azufre, sulfito sódico, sales protectoras (NaCN) que evitan la oxidación de sulfito a sulfato, y sales de soporte que bajan el punto de fusión de la mezcla).

El espesor máximo obtenido es de 0,3 mm. Aplicando el proceso durante 3 horas a 565°C. La superficie del acero es como una piel de gallina. De ese modo, cuando se somete a fricción, esa rugosidad desaparece, obteniéndose un pulido por el desgaste de los picos y porque los valles van rellenándose con los depósitos procedentes del desgaste de los picos.

La resistencia al desgaste viene dada por el espesor de la capa sulfinuzada siempre se mantiene constante. Si la pieza trabaja a temperaturas del orden de los 1000°C, se mantiene la resistencia a la fricción, pudiéndose producir gripado (unión de las piezas por las altas temperaturas alcanzadas).

Pueden también introducirse átomos de elementos metálicos y no metálicos en la superficie del acero. Dos métodos:

Metalización por difusión: introducimos hasta saturación otros elementos metálicos: aluminio (calorización), cromo (cromización) y zinc (sherardización).

Difusión de elementos no metálicos minoritarios: boro (boración), silicio (siliciuración).

Estos átomos penetran por difusión. Al introducir elementos metálicos, obtenemos una aleación entre el elemento en cuestión y el hierro.

Capítulo III: Conclusiones y Recomendaciones

3.1 Conclusiones

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Las propiedades mecánicas de los diferentes aceros tratados además de su composición química dependen de su estructura cristalina.

Existen diferentes tipos de temple dos de los cuales son temple en agua y en aceite. Al observar estos tratamientos concluimos que el temple depende de la rapidez de enfriamiento.

El revenido se aplica a los materiales previamente templados, se usa para reducir ligeramente los efectos del temple disminuyendo un poco su dureza y aumentando su tenacidad.

El recocido es llevar el material hasta la temperatura de austenización (para asegurar la austenización aumentar como mínimo 50°C) y un enfriamiento lento, este tratamiento disminuye un poco la dureza pero se incrementa la elasticidad.

El normalizado consiste en que el material no tenga de tensiones internas, esto se logra calentando y dejándolo al medio ambiente (para aceros aleados se dice enfriado al aire).

La dureza aumenta cuando templamos los materiales y disminuye un poco al recocerlos, para esto podemos usar las gráficas TTT que nos permiten saber cómo varía la estructura con el tiempo.

Mediante los diferentes tratamientos térmicos realizados como el temple recocido, etc. se puede obtener las propiedades requeridas para los materiales que vamos a usar, y para esto debemos saber a qué temperatura llevarlos y esto se logra con el diagrama hierro carbono.

3.2 Recomendaciones

El factor de mayor importancia en el rendimiento de una pieza fabricada de acero fino es el DISEÑO. El mejor acero, templado bajo las mejores prácticas es completamente inútil si la pieza está mal diseñada. Las condiciones prevalecientes hoy en día exigen resultados y rendimientos máximos al mínimo costo. Buen

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diseño es el primer factor para obtener economía. La rotura de una pieza generalmente ocurre en una región de concentración de esfuerzos. Entonces, al diseñar una pieza se trata de evitar que los esfuerzos se concentren localmente.

Para obtener el máximo rendimiento en la producción y el mayor ahorro en costos, es de suma importancia que el consumidor de aceros finos escoja el acero más adecuado para cada trabajo. Para elegir el acero apropiado, es necesario averiguar las características requeridas en la herramienta, tales como: dureza, profundidad de temple, gama de temperatura de temple, susceptibilidad al sobrecalentamiento, tenacidad, resistencia a la abrasión, duración del filo cortante, deformación y estabilidad dimensional al templar, dureza a temperaturas elevadas, maquinabilidad y susceptibilidad a formación de grietas de rectificado. Las recomendaciones dadas en los catálogos deben servir más bien como guía general y la experiencia del consumidor será la que decida al final que acero será el más correcto para las condiciones de trabajo que existen en su taller o fábrica. En todo caso, cada selección forzosamente significa un compromiso, ya que casi siempre se necesitarían cualidades muy opuestas como, por ejemplo, máxima dureza y máxima tenacidad, cosa que no es posible conseguir con los aceros convencionales.

Capítulo IV: Bibliografía

1.1 Bibliografía

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“ ACEROS, ESTRUCTURAS Y TRATAMIENTOS TÉRMICOS” FELIPE DÍAZ DEL CASTILLO RODRÍGUEZ (M.I. ALBERTO REYES SOLÍS. CUAUTITLÁN IZCALLI. 2012)

http://olimpia.cuautitlan2.unam.mx/pagina_ingenieria/mecanica/ mat/mat_mec/m6/aceros%20estructuras%20y%20tratamientos%20termicos.pdf

http://www.eurotherm.es/metallic-alloys

https://upcommons.upc.edu/bitstream/handle/ 2099.1/5193/02_MemoriaI.pdf?sequence=3

https://sites.google.com/site/conocerlosmateriales/home/ tratamientos-termicos-y-termoquimicos

https://www.ecured.cu/Tratamiento_t%C3%A9rmico

http://www.interempresas.net/MetalMecanica/Articulos/2506- Introduccion-a-los-tratamientos-termicos.html

http://es.slideshare.net/albertojeca/tratamientos-termicos-del-acero

file:///C:/Users/user/Downloads/recomendaciones-para-tratamiento- uddelholm.pdf