MICROESTRUCTURAS DE LOS ACEROS Los constituyentes metálicos que pueden presentarse en los aceros al carbono son: ferrita, cementita, perlita, sorbita, troostita, martensita, bainita, y rara vez austenita, aunque nunca como único constituyente. También pueden pueden estar presentes constituyen constituyentes tes no metálicos metálicos como óxidos, silicatos, sulfuros y aluminatos. aluminatos. El análisis de las microestructuras de los aceros al carbono recocidos y fundiciones blancas deben realizarse en base al diagrama metaestable Hierro-carburo de hierro o Cementita.
Diagrama Fe-C
Las microestructuras que presenta el diagrama de equilibrio para los aceros al carbono son: FERRITA (Hierro a) Es una solución sólida de carbono en hierro alfa, su solubilidad a la temperatura ambiente es del orden de 0.008% de carbono, por esto se considera como hierro puro, la máxima solubilidad de carbono en el hierro alfa es de 0,02% a 723 °C.
Microestructura del acero al carbono, cristales blancos de ferrita La ferrita es la fase más blanda y dúctil de los aceros, cristaliza en la red cúbica centrada en el cuerpo, tiene una dureza de 90 Brinell y una resistencia a la tracción de 28 kg/mm2, llegando hasta un alargamiento del 40%. La ferrita se obsera al microscopio como granos poligonales claros. En los aceos, la ferrita puede aparecer como cristales mezclados con los de perlita, en los aceros de menos de 0.6%C, figura 6; formando una red o malla que limita los granos de perlita, en los aceros de 0.6 a 0.85%C en forma de agujas o bandas circulares orientados en la dirección de los planos cristalográficos de la austenita como en los aceros en bruto de colada o en aceros que han sido sobrecalentados. Este tipo de estructura se denomina Widmanstatten. La ferrita también aparece como elemento eutectoide de la perlita formando láminas paralelas separadas por otras láminas de cementita, en la estructura globular de los aceros de herramientas aparece formando la matriz que rodea los glóbulos de cementita, figura 9, en los aceros hipoeutectoides templados, puede aparecer mezclada con la martensita cuando el temple no ha sido bien efectuado. CEMENTITA Es el carburo de hierro de fórmula Fe3C, contiene 6.67 %C y 93.33 % de hierro, es el microconstituyente más duro y frágil de los aceros al carbono, alcanzando una dureza Brinell de 700 (68 Rc) y cristaliza en la red ortorómbica.
Microestructura del acero 1%C, red blanca de dementita En las probetas atacadas con ácidos se observa de un blanco brillante y aparece como cementita primaria o proeutéctica en los aceros con más de 0.9%C formando una red que envuelve los granos de perlita, formando parte de la perlita como láminas paralelas separadas por otras láminas de ferrita, se presenta en forma de glóbulos o granos dispersos en una matriz de ferrita, cuando los aceros de alto carbono se han sometido a un recocido de globulización, en los aceros hipoeutectoides que no han sido bien templados.
PERLITA Es el microconstituyente eutectoide formado por capas alternadas de ferrita y cementita, compuesta por el 88 % de ferrita y 12 % de cementita, contiene el 0.8 %C. Tiene una dureza de 250 Brinell, resistencia a la tracción de 80 kg/mm2 y un alargamiento del 15%; el nombre de perlita se debe a las irisaciones que adquiere al iluminarla, parecidas a las perlas. La perlita aparece en general en el enfriamiento lento de la austenita y por la transformación isotérmica de la austenita en el rango de 650 a 723°C.
Microestructura del acero al carbono, cristales oscuros de perlita
Si el enfriamiento es rápido (100-200°C/seg.), la estructura es poco definida y se denomina Sorbita, si la perlita laminar se somete a un recocido a temperatura próxima a 723°C, la cementita adopta la forma de glóbulos incrustados en la masa de ferrita, denominándose perlita globular.
AUSTENITA Es el constituyente más denso de los aceros y está formado por una solución sólida por inserción de carbono en hierro gamma. La cantidad de carbono disuelto, varía de 0.8 al 2 % C que es la máxima solubilidad a la temperatura de 1130 °C. La austenita no es estable a la temperatura ambiente pero existen algunos aceros al cromo-níquel denominados austeníticos cuya estructura es austenita a temperatura ambiente. La austenita está formada por cristales cúbicos centrados en las caras, con una dureza de 300 Brinell, una resistencia a la tracción de 100 kg/mm2 y un alargamiento del 30 %, no es magnética.
Microestructura de la austenita La austenita no puede atarcarse con nital, se disuelve con agua regia en glicerina apareciendo como granos poligonales frecuentemente maclados, puede aparecer junto con la martensita en los aceros templados.
MARTENSITA Es el constituyente de los aceros templados, está conformado por una solución sólida sobresaturada de carbono o carburo de hierro en ferrita y se obtiene por enfriamiento rápido de los aceros desde su estado austenítico a altas temperaturas. El contenido de carbono suele variar desde muy poco carbono hasta el 1% de carbono, sus propiedades físicas varían con su contenido en carbono hasta un máximo de 0.7 %C.
Microestructura de la martensita La martensita tiene una dureza de 50 a 68 Rc, resistencia a la tracción de 170 a 250 kg/mm2 y un alargamiento del 0.5 al 2.5 %, muy frágil y
presenta un aspecto acicular formando grupos en zigzag con ángulos de 60 grados. Los aceros templados suelen quedar demasiado duros y frágiles, inconveniente que se corrige por medio del revenido que consiste en calentar el acero a una temperatura inferior a la crítica inferior (727°C), dependiendo de la dureza que se desee obtener, enfriándolo luego al aire o en cualquier medio. TROOSTITA Es un agregado muy fino de cementita y ferrita, se produce por un enfriamiento de la austenita con una velocidad de enfriamiento ligeramente inferior a la crítica de temple o por transformación isotérmica de la austenita en el rango de temperatura de 500 a 600C, o por revenido a 400C. Sus propiedades físicas son intermedias entre la martensita y la sorbita, tiene una dureza de 400 a 500 Brinell, una resistencia a la tracción de 140 a 175 kg/mm2 y un alargamiento del 5 al 10%. Es un constituyente nodular oscuro con estructura radial apreciable a unos 1000X y aparece generalmente acompañando a la martensita y a la austenita. SORBITA Es también un agregado fino de cementita y ferrita. Se obtiene por enfriamiento de la austenita con una velocidad de enfriamiento bastante inferior a la crítica de temple o por transformación isotérmica de la austenita en la zona de 600 a 650C, o por revenido a la temperatura de 600C. Su dureza es de 250 a 400 Brinell, su resistencia a la tracción es de 88 a 140 kg/mm2 ,con un alargamiento del 10 al 20%. Con pocos aumentos aparece en forma muy difusa como manchas, pero con 1000X toma la forma de nódulos blancos muy finos sobre fondo oscuro, de hecho tanto la troostita como la sorbita pueden considerarse como perlita de grano muy fino. BAINITA Es el constituyente que se obtiene en la transformación isotérmica de la austenita cuando la temperatura del baño de enfriamiento es de 250 a 500°C. Se diferencian dos tipos de estructuras: la bainita superior de aspecto arborescente formada a 500-580°C, compuesta por una matriz ferrítica conteniendo carburos. Bainita inferior, formada a 250-400C
tiene un aspecto acicular similar a la martensita y constituida por agujas alargadas de ferrita que contienen delgadas placas de carburos. La bainita tiene una dureza variable de 40 a 60 Rc comprendida entre las correspondientes a la perlita y a la martensita. Los constituyentes que pueden presentarse en los aceros aleados son los mismos de los aceros al carbono, aunque la austenita puede ser único contituyente y además pueden aparecer otros carburos simples y dobles o complejos. La determinación del tamaño de grano austenítico o ferrítico, puede hacerse por la norma ASTM o por comparación de la microfotografías de la probeta a 100X, con las retículas patrón numeradas desde el 1 para el grano más grueso hasta el 8 para el grano más fino. En el sistema ASTM el grosor del grano austenitico se indica con un número convencional n, de acuerdo con la formula: logG=(n-1)log2 Donde G es el número de granos por pulgada cuadrada sobre una imagen obtenida a 100 aumentos; este método se aplica a metales que han recristalizado completamente, n es el número de tamaño de grano de uno a ocho.
Forma, tamaño y distribución de los cristales o granos en la microestructura del acero para comparación a 100X
NOMENCLATURA DE LOS ACEROS SISTEMA S.A.E - A.I.S.I
Como la microestructura del acero determina la mayoría de sus propiedades y aquella está determinada por el tratamiento y la composición química; uno de los sistemas más generalizados en la nomenclatura de los aceros es el que está basado en su composición química. En el sistema S.A.E. - A.I.S.I, los aceros se clasifican con cuatro dígitos XXXX. Los primeros dos números se refieren a los dos elementos de aleación mas importantes y los dos o tres últimos dígitos dan la cantidad de carbono presente en la aleación. Un acero 1040 AISI es un acero con 0.4%C; un acero 4340 AISI, es un acero aleado que contiene o.4%C, el 43 indica la presencia de otros elementos aleantes. Las convenciones para el primer dígito son: 1 - MANGANESO 2 - NIQUEL 3 - NIQUEL-CROMO, principal aleante el cromo 4 - MOLIBDENO 5 - CROMO 6 - CROMO-VANADIO, principal aleante el cromo 8 - NIQUEL-CROMO-MOLIBDENO, principal aleante el molibdeno 9 - NIQUEL-CROMO-MOLIBDENO, principal aleante el níquel.
No hay aceros numerados 7xxx porque estos aceros resistentes al calor prácticamente no se fabrican. Se observa entonces que si el primer número es 1 se sabe que es un acero al carbono; si el dígito siguiente es el 0, o sea que la designación es 10xx, se trata de un acero ordinario al carbono.
REACTIVOS DE ATAQUE
Acido pícrico (picral) 4 g. de ácido pícrico cristalizado, 100 cm3, de alcohol etílico al 95% Utilizable con todos los aceros aleados, aceros especiales y fundición gris, así como para estructuras particularmente finas. Oscurece la
martensita, el ataque se prolonga desde 10 segundos hasta unos cuantos minutos, si se desea un ataque más lento, se sustituye el alcohol etílico por el amílico.
Acido nítrico (nital) 4 cm3 de ácido nítrico concentrado (d= 1,4) 100 cm3, de alcohol etílico al 95% Resalta los diversos constituyentes estructurales y el contorno de los granos de los aceros no aleados. Pone en manifiesto las uniones de los granos de ferrita, la perlita se ennegrese y la cementita se mantiene blanca.
Agua regia glicerinada 10 cm3 de ácido nítrico concentrado (d = 1,4) 30 cm3 de ácido clorhídrico (d = 1,19) 30 cm3 de glicerina bidestilada Pone de manifiesto las estructuras de los aceros especiales resistentes al calor y a la corrosión y de las aleaciones de Ni-Cr. Puede calentarse la probeta en agua hirviendo y también puede utilizarse el agua regia caliente.
Picrato sódico 2 g de ácido pícrico cristalizado 100 cm 3 de solución acuosa de hidrato sádico a 25% Descubre la cementita y los carburos complejos en los aceros especiales. Debe usarse la solución recién preparada e hirviendo. La duración del ataque es de unos 5 a 10 minutos.
Ferricianuro potásico alcalino 10 g. de ferricianuro potásico 10 g. de hidrato sódico lOO cm3, agua destilada. Destaca los carburos en los aceros rápidos y en los especiales resistentes al calor y la corrosión. Se utiliza recién preparada y
normalmente hirviendo, la duración del ataque es de unos 5 a 10 minutos.
Ácido fluorhídrico 0,5 cm3 de ácido fluorhídrico al 40% 99,5 cm3, de agua destilada. Reactivo de uso general para mostrar la microestructura del acero. Se aplica frotando con algodón hidrófilo durante unos 15 segundos.
Ácido sulfúrico 20 cm3, de ácido sulfúrico (d = 1,84) 80 cm3, de agua destilada. Pone de manifiesto los compuestos conteniendo hierro. Se aplica sumergiendo la probeta durante 30 segundos en el reactivo a 700C, y enfriándo bruscamente en agua.
Reactivo triácido 1 cm3 ,de ácido fluorhídrico al 40% 1,5 cm3, de ácido clorhídrico (d = 1.19) 2,5 cm3, de ácido nítrico (d = 1,41) 95 cm5. de agua destilada. Descubre los granos de las aleaciones conteniendo cobre y de las aleaciones A1-Zn-Mg. Es muy adecuado para aleaciones tipo duraluminio y para ver la difusión del cobre en los enchapados. Se aplica por inmersión durante 5 a 20 segundos. Después del ataque se lava con agua caliente y se seca a chorro de aire. No debe eliminarse el depósito formado sobre la superficie.
Ácido fosfórico 40 cm3, de ácido fosfórico a 75% 60 cm3, de agua destilada. Pone en evidencia la microestructura del aluminio en las aleaciones AlMg y las Al-Zn-Mg elaboradas plásticamente. Se aplica por inmersión durante 3 a 10 minutos.
Para el ataque del cobre
Solución al 10% de persulfato amónico Solución al 3% de agua oxigenada y amoníaco concentrado. Solución al 10% de ácido nítrico.
Para bronces y latones 50 cm3, de ácido clorhídrico; 5 g. de percloruro de hierro lOO cm3, de agua destilada.
Reactivo al ácido nítrico 50 cm3, de ácido nítrico 25 cm3, de ácido acético glacial 25 cm3 , de agua destilada. Apropiado para el bronce de aluminio
El microscopio metalográfico está formado por: Banco óptico, aparato para la iluminación de la probeta, objetivo, ocular para la observación directa y cámara fotográfica; el principio de funcionamiento es análogo al microscopio de Le Chatelier, con un arreglo tal que permite observar la luz reflejada por la superficie opaca del metal. El aumento total (X) del microscopio, está dado por el producto del aumento del ocular y el aumento del objetivo.
INFLUENCIA DE LOS ELEMENTOS DE ALEACIÓN EN LAS PROPIEDADES DE LOS ACEROS - Níquel Una de las ventajas más grandes que reporta el empleo del níquel, es evitar el crecimiento del grano en los tratamientos térmicos, lo que sirve para producir en ellos gran tenacidad. El níquel además hace descender los puntos críticos y por ello los tratamientos pueden hacerse a temperaturas ligeramente más bajas que la que corresponde a los aceros ordinarios. Experimentalmente se observa que con los aceros aleados con níquel se obtiene para una misma dureza, un limite de elasticidad ligeramente más elevado y mayores alargamientos y resistencias que con los aceros al carbono o de baja aleación. En la actualidad se ha restringido mucho su empleo, pero sigue siendo un elemento de aleación indiscutible para los aceros de construcción
empleados en la fabricación de piezas para maquinas y motores de gran responsabilidad, se destacan sobre todo en los aceros cromo-níquel y cromo-níquel-molibdeno. El níquel es un elemento de extraordinaria importancia en la fabricación de aceros inoxidables y resistentes a altas temperaturas, en los que además de cromo se emplean porcentajes de níquel variables de 8 a 20%. Los aceros al níquel más utilizados son los siguientes: a) Aceros al níquel con 2, 3 y 5%. Con 0.10 a 0.25% de carbono se utilizan para cementación, y con 0.25 a 0.40% de carbono para piezas de gran resistencia. b) Aceros cromo-níquel-molibdeno con porcentajes de níquel variables desde 1 a 5%; con bajos porcentajes de carbono (0.10 a 0.22%) se emplean para cementación y con porcentajes de 0.25 a 0.40% de carbono se emplean para piezas de gran resistencia. En estos aceros los porcentajes de estos elementos aleados suelen estar en relación aproximada de 1% de cromo y 3% de níquel. c) Aceros de media aleación níquel-molibdeno y níquel-manganeso. Se suelen emplear para piezas de gran resistencia y para piezas cementadas con porcentajes de carbono variables de 0.25 a 0.40% en el primer caso y de 0.10 a 0.25% en el segundo, variando el contenido en níquel de 1 a 2%, el de manganeso de 1 a 1.5% y el molibdeno de 0.15 a 0.40%. d) Aceros inoxidables y resistentes al calor cromo-níqueles, con 8 a 25% de níquel que son de estructura austenitica. e) Otros aceros de menor importancia son los aceros cromo-níqueles para estampación en caliente y para herramientas.
Cromo Es uno de los elementos especiales más empleados para la fabricación de aceros aleados, usándose indistintamente en los aceros de construcción, en los de herramientas, en los inoxidables y los de resistencia en caliente. Se emplea en cantidades diversas desde 0.30 a 30, según los casos y sirve para aumentar la dureza y la resistencia a la tracción de los aceros, mejora la templabilidad, impide las deformaciones en el temple, aumenta la resistencia al desgaste, la inoxidabilidad, etc. Los aceros con cromo de mayor utilidad son: a) Aceros de construcción, de gran resistencia mecánica de 0.50 a 1.50% de cromo y 0.30 a 0.45% de carbono, aleados según los casos, con níquel y molibdeno para piezas de gran espesor , con resistencias variables de 70 a 150 Kg/mm2.
b) Aceros de cementación con 0.50 a 1.50% de cromo y 0.10 a 0.25% de carbono , aleados con níquel y molibdeno. c) Aceros de nitruracion cromo-aluminio-molibdeno. d) Aceros para muelles cromo-vanadio y cromo-silicio. e) Aceros de herramientas con 0.30 a 1.50% de cromo y 0.070 a 1.50% de carbono. En ellos el cromo mejora la penetración de temple, la resistencia al desgaste, permite el temple en aceite y evita deformaciones y grietas. f) Aceros indeformables con 5 a 12% de cromo. g) Aceros rápidos y de trabajos en caliente. h) Aceros inoxidables martensiticos con 12 y 17% de cromo, aceros austeniticos con 14 a 25% de cromo en cantidades de níquel variables de 8 a 25% y aceros inoxidables con 27% de cromo. El cromo se disuelve en la ferrita y muestra una fuerte tendencia a formar carburos de cromo y carburos complejos.
Molibdeno Mejora notablemente la resistencia a la tracción, la templabilidad y la resistencia al creep de los aceros. Añadiendo solo pequeñas cantidades de molibdeno a los aceros cromo-níqueles, se disminuye o elimina casi completamente la fragilidad Krupp, que se presenta cuando estos aceros son revenidos en la zona de 450º a 550º. El molibdeno a aumenta también la resistencia de los aceros en caliente y reemplaza al wolframio en la fabricación de los aceros rápidos, pudiéndose emplear para las mismas aplicaciones aproximadamente una parte de molibdeno por cada dos de wolframio. El molibdeno se disuelve en la ferrita, pero tiene una fuerte tendencia a formar carburos. Es un potente estabilizador de los carburos complejos y tiende a retarde el ablandamiento de los aceros, durante el revenido. Los aceros de molibdeno más utilizados son: a) Aceros de manganeso-molibdeno, cromo-molibdeno y cromo-níquelmolibdeno de bajo contenido de carbono para cementación, y de 0.15 a 0.40% de carbono para piezas de gran resistencia. b) Aceros rápidos con 6 a 10% de molibdeno; son de utilización relativamente parecida a los aceros rápidos al wolframio, pero en ellos el wolframio es sustituido por el molibdeno. c) Aceros de 0.50 a 6% de molibdeno que se emplean principalmente para construcciones metálicas, tuberías e instalaciones en refinerías de petróleo, en las que llegan a calentasen de 100º a 300º y deben resistir bien el efecto de esos calentamientos relativamente moderados.
Wolframio (tungsteno) Es un elemento muy utilizado para la fabricación de aceros de herramientas, empleándose en especial en los aceros rápidos, aceros para herramientas de corte y aceros para trabajos en caliente. Sirve para mantener la dureza de los aceros a elevada temperatura y evitan que se desafilen o ablanden las herramientas, aunque lleguen a calentarse a 500º o 600º. También se usa para la fabricación de aceros para imanes. El wolframio se disuelve ligeramente en la ferrita y tiene una gran tendencia a formar carburos. Los carburos de wolframio tienen gran estabilidad. Los aceros más utilizados de wolframio son: a) Los aceros rápidos con 18% de wolframio y cantidades variables de cromo, vanadio y molibdeno y 0.701% aproximadamente de carbono. b) Aceros para trabajos en caliente con 9 a 15% de wolframio y 0.30 a 0.40% de carbono. Para algunos usos de menos responsabilidad se emplean aceros de más baja aleación con 1 a 5% de wolframio. c) Aceros para la fabricación de herramientas varias con n1 a 14% de wolframio y otros elementos: cromo, manganeso, vanadio, etc., que se emplean para trabajos de corte. d) Aceros inoxidables cromo-níqueles con wolframio, de gran resistencia mecánica a elevada temperatura .
Vanadio Se emplea principalmente para la fabricación de aceros de herramientas, tiende a afinar el grano y a disminuir la templabilidad. Es un elemento desoxidante muy fuerte y tiene una gran tendencia a formar carburos. El vanadio tiene una gran tendencia muy fuerte a formar carburos, por esta razón, basta con añadir pequeñas cantidades, y pocos aceros, excepto los de herramientas, contienen más de 0.02% de vanadio. Una característica de los aceros con vanadio, es su gran resistencia al ablandamiento por revenido. Los aceros con vanadio más utilizados son: a) Aceros rápidos que suelen contener de 0.50 a 1% de vanadio. b) Aceros de herramientas de diversas clases. Para troqueles indeformables, etc., que suelen tener de 0.10 a 0.30% de vanadio. c) Aceros para muelles cromo-vanadio.
Manganeso: Aparece prácticamente en todos los aceros, debido, principalmente, a que se añade como elemento de adición para neutralizar la perniciosa influencia del azufre y del oxigeno, que siempre suelen contener los aceros cuando se encuentran en estado liquido en los hornos durante los procesos de fabricación. El manganeso actúa también como desoxidante y evita, en parte, que en la solidificación del acero que se desprendan gases que den lugar a porosidades perjudiciales en el material. Si los aceros no tuvieran manganeso, no se podrían laminar ni forjar, porque el azufre que suele encontrarse en mayor o menor cantidad en los aceros, formarían sulfuros de hierro, que son cuerpos de muy bajo punto de fusión (981º aprox.) que a las temperaturas de trabajo en caliente (forja o laminación) funden, y al encontrarse contorneando los granos de acero crean zonas de debilidad y las piezas y barras se abren en esas operaciones de transformación. Los aceros ordinarios y los aceros aleados en los que el manganeso no es elemento fundamental, suelen contener generalmente porcentajes de manganeso variables de 0.30 a 0.80%. Los aceros al manganeso de uso más frecuente son: a) Aceros al manganeso de gran resistencia, que generalmente pertenecen al grupo de aceros de media aleación, en los que al emplearse el manganeso en cantidades variables de 0.80 a 1.60%, con contenidos en carbono de 0.30 a 0.050%, se consigue mejorar la templabilidad y obtener excelentes combinaciones de características mecánicas aun en piezas de cierto espesor. b) Aceros indeformables al manganeso con 1 a 3% de Mn y 1% de carbono, aproximadamente, en los que la presencia de un alto porcentaje de manganeso, hace posible el temple con simple enfriamiento en aceite, o el aire, con lo que las deformaciones de las herramientas son muy pequeñas. c) Aceros austeniticos al manganeso con 12% de Mn y 1% de carbono, aproximadamente, que a la temperatura ambiente son austeniticos y tienen gran resistencia al desgaste, empleándose principalmente, para cruzamientos de vías, mordazas de maquinas trituradoras, excavadoras, etc.
Silicio Este elemento aparece en todos los aceros, lo mismo que el manganeso, porque se añade intencionadamente durante el proceso de fabricación.
Se emplea como elemento desoxidante complementario del manganeso con objeto de evitar que aparezcan en el acero los poros y otros defectos internos. Los aceros pueden tener porcentajes variables de 0.20 a 0.34% de Si. Se emplean aceros de 1 a 4.5% de Si y bajo porcentaje de carbono para la fabricación de chapas magnéticas, ya que esos aceros, en presencia de campos magnéticos variables, dan lugar solo a perdidas magnéticas muy pequeñas, debido a que el silicio aumenta mucho su resistividad. Mejora ligeramente la templabilidad y la resistencia de los aceros a disminuir la tenacidad, y en ciertos casos mejora también su resistencia a la oxidación.
Cobalto Se emplea casi exclusivamente en los aceros rápidos de más alta calidad. Este elemento al ser incorporado en los aceros, se combina con la ferrita, aumentando su dureza y su resistencia. Es uno de los pocos elementos aleados que mueva el punto eutectoide hacia la derecha y reduce la templabilidad de los aceros. El cobalto se suele emplear en los aceros rápidos al wolframio de máxima calidad en porcentajes variables de 3 a 10%.
Aluminio Se emplea como elemento de aleación en los aceros de nitruracion, que suele tener 1% aproximadamente de aluminio. Como desoxidante se suele emplear frecuentemente en la fabricación de muchos aceros. Todos los aceros aleados en calidad contienen aluminio en porcentajes pequeñísimos, variables generalmente desde 0.001 a 0.008% .
Titanio Se suele añadir pequeñas cantidades de titanio a algunos aceros muy especiales para desoxidar y afinar el grano. El titanio tiene gran tendencia a formar carburos y a combinarse con el nitrógeno. En los aceros inoxidables cromo-níquel, actúa como estabilizador de los carburos y evita la corrosión intercristalina.
Cobre El cobre se suele emplear para mejorar la resistencia a la corrosión de ciertos aceros de 0.15 a 0.30% de carbono, que se usan para grandes
construcciones metálicas. Se suele emplear contenidos en cobre variables de 0.40 a 0.50%.
Boro Se ha visto que en cantidades pequeñisimas de boro del orden de 0.0001 a 0.0006%, mejoran notablemente la templabilidad, siendo en este aspecto el más efectivo de los elementos aleados y el de mayor poder templante de todos.
TRATAMIENTOS TERMICOS RECOCIDO Es un tratamiento térmico en el cual se reduce la dureza de una microestructura con acritud mediante permanencia a temperatura elevada. Con el fin de poder apreciar detalles de la evolución microestructural correspondiente a este tratamiento, es necesario analizar el significado de los siguientes cuatro términos: acritud, restauración, recristalización y crecimiento de grano.
La acritud significa deformación mecánica de un material a temperaturas relativamente bajas. El área de acritud se define en relación a la reducción relativa del área de la sección transversal del material, causada por procesos como el laminado. Mientras mas aumente el grado de acritud, la dureza y resistencia del material aumentan. Este proceso se denomina endurecimiento por acritud. El mecanismo responsable de este tipo de endurecimiento se basa en la resistencia a la deformación plástica opuesta por la elevada densidad de dislocaciones que se generan durante el proceso de deformación en frío.
La restauración es la etapa más sutil del recocido. En esta etapa no existe ningún cambio en la microestructura. Sin embargo, la movilidad de los átomos es la suficiente para disminuir la concentración de defectos puntuales en el interior de los granos y, en algunos casos, permitir el movimiento de las dislocaciones hacia posiciones menos energéticas. Este proceso lleva asociada una modesta disminución de dureza y puede ocurrir a temperaturas justo por debajo de las necesarias para producir cambios significativos en la microestructura.
La recristalización es el resultado desde el punto de vista microestructural de una permanencia de temperaturas en la cual la movilidad de los átomos es la suficiente para afectar a las propiedades mecánicas. Se nuclear nuevos granos equiaxiales y libres de tensiones en las regiones de la microestructura con acritud sometidas a elevadas
tensiones. Estos granos crecen al mismo tiempo hasta que llegan a constituir la totalidad de la microestructura. En esta etapa el tamaño de grano disminuye con el grado de acritud.
Crecimiento de grano. La microestructura que se obtiene durante la recristalización aparece de forma espontánea. Dicha microestructura es estable en comparación con la estructura correspondiente al estado original con acritud. Sin embargo, la microestructura de recristalización contiene una elevada concentración de bordes de grano. La reducción de esas entrecaras de alta energía constituye un método para lograr una mayor estabilización de un sistema.
NORMALIZADO Un tratamiento térmico en el cual las aleaciones porosas se calientan hasta aproximadamente 100F sobre el rango crítico, sosteniendo esa temperatura por el tiempo requerido, y enfriándola a la temperatura del medio ambiente. Se realiza calentando el acero a una temperatura unos 50ºC superior a la crítica y una vez austenizado se deja enfriar al aire tranquilo. La velocidad de enfriamiento es más lenta que en el temple y más rápida que en recocido. Con este tratamiento se consigue afinar y homogeneizar la estructura. Este tratamiento es típico de los aceros al carbono de construcción de 0.15% a 0.60% de carbono. A medida que aumenta el diámetro de la barra, el enfriamiento será más lento y por tanto la resistencia y el límite elástico disminuirán y el alargamiento aumentará ligeramente. Esta variación será más acusada cuanto más cerac del núcleo realicemos el ensayo.
TEMPLES: es un proceso de calentamiento seguido de un enfriamiento, generalmente rápido con una velocidad mínima llamada "crítica". El fin que se pretende conseguir con el ciclo del temple es aumentar la dureza y resistencia mecánica, transformando toda la masa en austenita con el calentamiento y después, por medio de un enfriamiento rápido la
austenita se convierte en martensita, que es el constituyente típico de los aceros templados. El factor que caracteriza a la fase de enfriamiento es la velocidad del mismo que debe ser siempre superior a la crítica para obtener martensita. La velocidad crítica de los aceros al carbono es muy elevada. Los elementos de aleación disminuyen en general la velocidad crítica de temple y en algunos tipos de alta aleación es posible realizar el temple al aire. A estos aceros se les denomina "autotemplantes". Los factores que influyen en la práctica del temple son: •
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El tamaño de la pieza: cuanto más espesor tenga la pieza más hay que aumentar el ciclo de duración del proceso de calentamiento y de enfriamiento. La composición química del acero: en general los elementos de aleación facilitan el temple. El tamaño del grano: influye principalmente en la velocidad crítica del temple, tiene mayor templabilidad el de grano grueso. El medio de enfriamiento: el más adecuado para templar un acero es aquel que consiga una velocidad de temple ligeramente superior a la crítica. Los medios más utilizados son: aire, aceite, agua, baño de Plomo, baño de Mercurio, baño de sales fundidas y polímeros hidrosolubles.
Los tipos de temple son los siguientes: temple total o normal, temple escalonado martensítico o "martempering", temple escalonado bainítico o "austempering", temple interrumpido y tratamiento subcero. En casos determinados se interrumpe el enfriamiento en campos de temperatura comprendidos entre 180-500 ºC., alcanzándose de esta manera un temple con el mínimo de variación en las dimensiones de las piezas, un mínimo riesgo de deformación y consiguiéndose durezas y resistencias determinadas, de acuerdo con las estructuras cristalinas en lo que se refiere a austenita, martensita o bainita. Los procedimientos de temple descritos se refieren a un temple total del material, otros tratamientos permiten una más amplia variación de las características añadiendo carbono o nitrógeno a la superficie de las piezas. A continuación se describen el martempeing, y austempeing.
1.
2.
El Martempering: es un procedimiento que consiste en calentar el acero a la temperatura de austenitización y enfriarlo bruscamente, en un baño de sal o de aceite caliente, hasta una temperatura levemente superior a Ms, manteniéndose constante para uniformizar la temperatura de la pieza, (el tratamiento isotérmico se detiene antes de que comience la transformación bainítica), luego se enfría hasta producir 100% de martensita, con este tratamiento se produce martensita con menor riesgo de distorsiones y fracturas por choque térmico. Se mantiene a un tiempo no muy largo. Si se quiere disminuir su dureza o resistencia se le da luego un revenido. Austempering: es un tratamiento isotérmico que consiste en calentar el acero a la temperatura de austenitización y enfriarlo bruscamente, en un baño de sal, hasta una temperatura levemente superior a M s, tal que, manteniéndola constante la reacción produce una estructura completamente bainítica, (bainita inferior), luego el acero es enfriado al aire, a temperatura ambiente. De este modo se logra una estructura dura pero no excesivamente frágil. Para que el tratamiento sea correcto y la estructura sea totalmente bainítica, el enfriamiento en la primera fase debe ser suficientemente rápido para evitar la formación de perlita.
CURVAS TTT PARA TRATAMIENTOS ISOTÉRMICOS Y DE ENFRIAMIENTO CONTINUO CURVAS TTT PARA ENFRIAMIENTO CONTINUO
Estos tratamientos son los más comunes en la industria. Las curvas TTT para enfriamiento continuo son diferentes de aquellas para transformación isotérmica y no pueden ser deducidas a partir de éstas. La Figura 4.2-1 compara ambos tipos de curvas observándose que las curvas de enfriamiento continuo están más desplazadas hacia tiempos mayores que las de transformación isotérmica. La explicación de esto es la siguiente: la transformación en el caso de enfriamiento continuo demora más debido a que pasa mayor cantidad de tiempo a altas temperaturas, mientras que en el caso isotérmico el material llega instantáneamente a la temperatura de transformación.
CEMENTACIÓN (CARBURACIÓN). Es el proceso más antiguo de saturación de la superficie de los aceros con carbono. Se aplica para obtener dureza y resistencia altas al desgaste de la capa superficial, conservando al mismo tiempo el núcleo blando y tenaz. Los resultados de la cementación dependen de: 1) 2) 3) 4)
Composición del acero. Composición del medio carburante. Temp. De calentamiento y tiempo de permanencia. Carácter del tratamiento térmico después de una cementación.
CEMENTACIÓN UN CARBURANTE SOLIDÓ: Las piezas se colocan en varias filas dentro de la caja de cementación. La mezcla carburante se hecha por capas, compuesta de 75 al 80% de carbón vegetal o de roble en granos finos (4-4mm) y el 20-25% de BaCO3 o Na2CO3. En el fondo de la caja se hecha el carburante en una capa de 25-30mm sobre esta se coloca la primera fila de piezas distanciadas entre si unos 15-20mm y retiradas de la paredes entre 25-30mm sobre la primera fila se hecha otra capa de carburante que se apisona ligeramente sobre estas se coloca otra fila de piezas y se vuelve a poner otra capa de carburante y asi sucesivamente. La caja se coloca en el horno el cual se calienta arriba de Ac3 (920940ºc) y permanecen a esta temp. Durante un tiempo suficiente para conseguir una capa cementada de 1.2-1.7mm aprox. Para obtener una profundidad de la capa cementada de 2.20mm a 900ºc es necesario que la pieza permanezca unas 8hrs aprox. Al oxigeno que queda en la caja reacciona 2C+o2=2CO al ponerse en contacto con la superficie de la pieza, el monóxido de carbono se transforma 2CO=2CO2+C; y el C atómico es absorbido para la superficie de la pieza formando austenita (Fe austenita +C=Fe austenita C). En el enfriamiento, la austenita sufre un cambio. Como resultado de la cementación se obtiene una capa con 3 zonas:
1) Cerca de la superficie se forma la zona hipereutectoide (perlita+cementita malla) con el 1.2% de C, aprox. 2) La zona eutectoide (perlita) con 0.8% de C. 3) Cerca del núcleo se forma la zona hipoeutectoide (ferrita+perlita).
CARBURACIÓN GASEOSA: El carburante se usa en forma de gases CO, CH, C2H6 (etanol), C3H8, C4H10. El horno es calentado hasta 930ºc durante 6hr aprox., para carburar una capa de hasta 1mm. Las piezas de aceros de grano fino (6,8) se someten al temple después de la cementación enfriándola hasta la temp. Optima del temple. Si en el acero se forma la estructura la estructura del grano grueso se aplica un doble temple. El trato térmico termina con el revenido a 160º-180ºc.
CEMENTACIÓN GASEOSA RÁPIDA: Se realiza por calentamiento de inducción con corrientes de alta frecuencia hasta 1050º-1070ºc, lo cual permite carburar el acero hasta una profundidad 1mm durante 30-40min.
CEMENTACIÓN LIQUIDA: Se aplica a piezas pequeñas cuando se requiere una profundidad insignificante de la capa carburada (0.3-0.5mm) y se efectúa en los baños de sales con una composición: 75-80% de Na2CO3, 10-15% de NaCl, 6-140% de SiC, con calentamiento hasta 820-850ºc, con permanencia de 1hr. 2Na2CO3+SiC=Na2SiO3+Na2O+2CO+C El CO y C asegura la saturación de la pieza con carbono luego de la cementación las piezas se someten al temple.
TRAT. TERMICO DE LAS PIEZAS CEMENTADAS. La capa adquiere una alta dureza y resistencia al desgaste. La permanencia a largo tiempo en el horno a alta temp. Contribuye al crecimiento del grano de austenita en toda la pieza. Para evitar esto se aplica. a) Calentamiento reiterado y temple o normalizado a 900º-920ºc para mejorar la estructura del núcleo pobre en carbono.
b) Temple a 770º-780ºc para mejorar la estructura de la capa carburada. c) Revenido a 160º-180ºc para eliminar las tensiones en la martensita. Las piezas cementadas hechas de aceros al carbón se templan en agua y los aceros en aceite.
PROFUNDIDAD DEL TEMPLE. Depende de la composición química del acero o más exactamente del valor de la velocidad crítica de temple: cuando menor es V. Crítica tanto mayor es la profundidad de templabilidad.
LA OXIDACIÓN Y CARBURACIÓN DE LA SUPERFICIE: Es el resultado del calentamiento de las piezas en el horno con atmósfera oxidante. Un medio eficaz para evitar este defecto consiste en calentar la pieza en hornos de mufla con unas atmósferas protectora, o en las siguientes sales fundidas: NaCl, KCl, BaCl2, Na2CO3, BaCO3, etc.
Análisis químico: 8620 C: 0.18-0.23 Mn: 0.70-0.90 P máx: 0.035 S máx: 0.040 Si: 0.15-0.35 Cr: 0.40-0.60 Mo: 0.15-0.25 Ni: 0.40-0.70 Propiedades Mecánicas
Alargamien Reducció Estado deResistenciLímite to % n deDurez Suministr a TracciónElástico Area % a o Kg/mm² Kg/mm² Brinell Laminado en 65 Caliente
35
20
40
200/22 0
55
30
28
50
160/18 0
Recocido
Tratamiento Térmico Tratamiento Forja Normalizado Recocido Cementación Temple cementada Revenido cementada
Temperatura ºC
900/1200 870/930 860/890 900/925 capa 840/870 capa
150/200
Medio Enfriamiento Arena seca/Aire Aire Horno/Aire Horno/Aceite Aceite Aire
Medidas Disponibles
Dimensiones(m Acabad Perfil m) Tolerancia o Desde Hasta Laminad Redond o en12.70 o caliente Laminad Redond o en12.70 o caliente
90.00
ASTM A - 29
76.20
ISO H - 11
RESULTADOS MICROESTRUCTURA DEL 8620 EN
CONDICIONES INICIALES.
de
tratamient o térmico
Dureza transversal
Condiciones iniciales
75HRB 79HRB 79.5HRB PROM.= 77.8HRB
MICROESTRUCTURA DEL 8620
Dureza % de fases longitudina l 80HRB 83HRB 78HRB PROM= 80.33HRB
EN RECOCIDO
Ferrita=75. 7 Perlita=24.3
Obs.
T. de grano 3
tratamient o térmico
Dureza longitudinal
RECOCIDO
84HRB 84HRB 84.5HRB PROM.= 84.16HRB
MICROESTRUCTURA DEL 8620
tratamient o térmico
Dureza transversal
Normalizado
94 95 96 PROM.= 95
MICROESTRUCTURA DEL 8620
Dureza % de fases Transversal 81HRB 83HRB 87HRB PROM= 83.16HRB
Obs.
Ferrita=50 Perlita=30
T. de grano 6
EN NORMALIZADO
Dureza % de fases longitudina l 96 94.5 93 PROM= 94
Ferrita=60 Perlita=40
EN TEMPLE EN AGUA
Obs.
T. de grano
7
tratamient o térmico
Dureza longitudinal
Temple en agua
99HRB 100HRB 98HRB PROM.= 99HRB
Dureza % de fases Transvers al 94.4HRB 92.5HRB 97.5HRB PROM= 95HRB
Obs. T. de gran o
Ferrita=80 Perlita=18 Agujas(martensi ta) =2
TRATAMIENT DUREZ DUREZ MICROGRAFI # DE % FASE O A A A GRAN TERMICO LONG. TRANS O HRC . TEMPLE y REVENIDO EN ACEITE
85 85.5 87 =86
Faltan microestructuras
85.5 90 88 =87
7
Alfa=60 Ceme.= 40
8
TIEMPO Y TEMPERATUR A Revenido a 650 grados centígrados. Durante media hora
TRATAMIENT DUREZ DUREZ MICROGRAFI # DE % FASE O A A A GRAN TERMICO LONG. TRANS O HRC . TEMPLE y REVENIDO EN agua
85 86 91 =88
85.5 90 88 =87
7
Alfa=80 Ceme.= 20
TIEMPO Y TEMPERATUR A Revenido a 650 grados centígrados. Durante media hora
Faltan microestructuras
Cementación Se combinaron Borbón y bicarbonanato de sodio que fue de 3 a1, luego metimos 10 probetas del acero 8620 y otras 10 del acero 1018 en la mufla esta tardo 25 min. Para llegar a la temperatura deseada que era 950°c para lograr la cementación la mufla se apago después de 10 hr con 30min. Después de la cimentación volvimos a meter 3 probetas de cada acero (1018,8620) para bajarle la dureza lo cual a esto se le reconoce como revenido la mufla estaba a una temperatura de 600°c y duro 1/2hr.
TRATAMIENT DUREZ DUREZ MICROGRÁFI # DE % O A A A GRAN FAS TÉRMICO LONG. TRANS. O E HRC Cementación del acero 1018
30 25 30 =20
=28
TRATAMIENT DUREZ DUREZ MICROGRAFÍ # DE % O A A A GRAN FAS TÉRMICO LONG. TRANS. O E HRC REVENIDO
TIEMPO Y TEMPERATUR A
35 31 29
31 30 30
=30
=30
TIEMPO Y TEMPERATUR A
TRATAMIENT DUREZ DUREZ MICROGRAFÍ # DE % O A A A GRAN FAS TÉRMICO LONG. TRANS. O E HRC
TIEMPO Y TEMPERATUR A
Condiciones iniciales =80
=88
TRATAMIENT DUREZ DUREZ MICROGRAFÍ # DE % O A A A GRAN FAS TÉRMICO LONG. TRANS. O E HRC Cementación del acero 8620
59 66 65 =66
=63
TRATAMIENT DUREZ DUREZ MICROGRAFÍ # DE % O A A A GRAN FAS TÉRMICO LONG. TRANS. O E HRC revenido
TIEMPO Y TEMPERATUR A
43 43 46 =44
TIEMPO Y TEMPERATUR A
46 46 47 =46
TRATAMIENT DUREZ DUREZ MICROGRAFÍ # DE % O A A A GRAN FAS TÉRMICO LONG. TRANS. O E HRC
TIEMPO Y TEMPERATUR A
Condiciones iniciales =80
=88
Faltan microestructuras
CONCLUSIONES: Como ya se ha observado, los tratamientos térmicos realizados prácticamente aumentan la dureza del material tanto transversal como longitudinalmente, el tamaño de grano prácticamente disminuye en todos los tratamientos excepto en el recocido que debe ser el tamaño de grano más grande prácticamente, para reducir la dureza del metal. Y
