Tratamiento Térmico de Normalizado Aplicado a Un Acero SAE 1020

Tratamiento térmico de normalizado aplicado a un acero SAE 1020 José Leonardo Martinez Niño, Cristian Fernando Rodríguez Rodríguez Facultad de Ingeniería Mecánica, Universidad Libre de Colombia Bogotá- Colombia [email protected] [email protected]

RESUMEN En el presente documento presentamos los resultados conseguidos tras el tratamiento térmico de normalizado a dos probetas de un acero SAE 1020, tratadas a distintas temperaturas con el fin de observar, mediante metalografías, los cambios estructurales que estas tuvieron después de ser tratadas.

ABSTRACT In this paper we present the results obtained after heat treatment of two samples normalized to a steel SAE 1020, treated at different temperatures in order to observe, through metallography, structural changes after these had to be treated.

INTRODUCCION Como parte esencial de la ingeniería mecánica nos encontramos con la ciencia de los materiales, la cual estudia las propiedades estructurales y mecánicas de los materiales ya que esta es muy importante a la hora del diseño de diversos componentes o mecanismos los cuales van a estar sometidos a

cargas externas, por eso es muy importante determinar la estructura del material de trabajo, ya que a partir de esta podemos inferir las propiedades mecánicas que este va a tener, por eso, para mejorar estas propiedades y para que el material de trabajo (en nuestro caso el hacer SAE1020), podemos valernos de una herramienta muy importante, la cual nos permite mejorar las propiedades que necesitemos solo con el aumento de la temperatura en dicho material con un enfriamiento controlado, a estas herramientas la llamamos tratamientos térmicos. En el presente trabajo observamos el cambio de estructura de aceros normalizados a temperaturas distintas con el fin de inferir propiedades como la dureza , para lo cual fue necesario un procedimiento cuidadoso y metódico para conseguir resultados precisos y de confiabilidad.

PALABRAS CLAVE Tratamiento térmico, normalizado, dureza, metalografía, microestructura, propiedades mecánicas.

MARCO TEORICO

disminuye

TRATAMIENTO TERMICO DEL ACERO

3. Recocido: Consiste en un calentamiento de 800 a 950°C, seguido de un enfriamiento lento. Permite aumentar la elasticidad y disminuir la dureza. Facilita la elaboración de las piezas.

Es un proceso al que se somete el acero, el cual consiste en el calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado solido para cambiar sus propiedades física, como la dureza, resistencia y tenacidad. Es importante porque en la actualidad se necesita de metales mas resistentes al desgaste y a la tensión. Los principales son:

tratamientos

térmicos

1.Temple : Este tipo de tratamiento permite tener una mayor dureza en el acero. Consiste en calentar el acero a una temperatura entre los 700 y 1000° C, después debe ser enfriado, para lo cual se debe sumergir o rociar con sustancias como el agua, el aceite, o sales. Existen dos tipos de temple; en el que el proceso se lleva en toda la pieza (interior y exterior) y en el que solo se somete la parte externa de la pieza, llamado temple superficial, para logra una mayor flexibilidad. El tiempo de calentamiento e enfriamiento debe se controlado. 2. Revenido: Se aplica a los aceros que ya han sido templados. Consiste en calentar al acero templado a una temperatura inferior al punto critico (temperatura y presión a la que permiten cambia de fase),el cual suele llevarse a cabo en hornos de sales; se debe mantener la temperatura para que se iguale toda la pieza; seguido de un enfriamiento, el cual debe ser rápido si se quiere tener mayor tenacidad o lento para reducir las tenciones térmicas y evitar deformaciones. Este proceso brinda al acero una mínima fragilidad y

la

dureza.

4. 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. Sepuede utilizar para mejorar : maquinabilidad modificar y refinar las estructuras de piezas de fundición refinar el grano homogenizar la microestructura

METALOGRAFÍA La metalografía es la parte de la metalurgia que estudia las características estructurales o de constitución de los metales y aleaciones, para relacionarlas con las propiedades físicas, mecánicas y químicas de los mismos.

La importancia del examen metalográfico radica en que, aunque con ciertas limitaciones, es capaz de revelar la historia del tratamiento mecánico y térmico que ha sufrido el material. A través de este estudio se pueden determinar características como el tamaño de grano, distribución de las fases que componen la aleación, inclusiones no metálicas como sopladuras, micro cavidades de contracción, escorias, etc., que pueden modificar las propiedades mecánicas del metal. En general a partir de un examen metalográfico bien practicado es posible obtener un diagnóstico y/o un pronóstico. El examen metalográfico puede realizarse antes de que la pieza sea destinada a un fin, a los efectos de prevenir inconvenientes durante su funcionamiento, o bien puede ser practicado sobre piezas que han fallado en su servicio, es decir, piezas que se han deformado, roto o gastado. En este caso la finalidad del examen es la determinación de la causa que produjo la anormalidad. Básicamente, el procedimiento que se realiza en un ensayo metalográfico incluye la extracción, preparación y ataque químico de la muestra, para terminar en la observación microscópica. Si bien la fase más importante de la metalografía es la observación microscópica, la experiencia demuestra que poco se puede hacer si alguna de las operaciones previas se realiza deficientemente. Si la etapa de preparación no se realiza cuidadosamente es posible que se obtenga una superficie poco representativa del metal y sus características. Una preparación incorrecta puede arrancar inclusiones no metálicas, barrer las laminas de grafito en una muestra de fundición, o modificar la distribución de fases si la muestra ha sufrido un sobrecalentamiento excesivo.

DESARROLLO Para llevar a cabo nuestro procedimiento fue necesario preparar las probetas que íbamos a tratar térmicamente con el fin de poder tomar con precisión la dureza inicial de la misma y observar con claridad su microestructura a la hora de hacer la metalografía, para esto hicimos un minucioso proceso de pulido manual (al principio) con el fin de dejarla superficie de la probeta en una sola dirección, luego con una pulidora automática pasamos nuestras probetas por distintas lijas o abrasivos (pasándolas desde el calibre 80 hasta el 1500), para luego pasarlas por paño humedecido con alúmina, el cual estaba montado el una maquina automática de pulido con el fin de perfeccionar este procedimiento. Cuando ya teníamos la superficie de nuestra probeta con brillo tipo espejo, observamos la metalografía con aumentos de 50X, 100X, 200X, 500X y 1000X, con el fin de observar la microestructura inicial del acero (causado después del proceso de laminado o extrusión al cual fue sometido durante su conformado), y óxidos presentes. Al observar estas metalografías no podíamos definir bien el borde de grano, por lo cual atacamos la probeta con NITAL al 3% durante 30 segundos; después de esto, volvimos a llevar nuestras probetas a la maquina metalográfica y tomamos las fotos con lo mismos aumentos que lo hicimos la primera vez, con esto ya pudimos divisar perfectamente el borde de grano y observamos como la parte blanca se distingue como la matriz ferritica, el fondo oscuro eran precipitaciones del carbono y los demás puntos presentes en la estructura eran inclusiones de oxido y

otros constituyentes microestructurales del acero. Seguido de esto llevamos las probetas a la mufla u horno, para elevar la temperatura de la p r o b e t a 1 a 950 °C y la p r o b e t a 2 a 850 °C durante 1 hora de permanencia de estas en dichas muflas. Después de llegar al tiempo establecido para el calentamiento y permanencia a dicha temperatura sacamos las probetas y las llevamos a un sitio donde las dejamos enfriar al aire tranquilo (esto es muy importante ya que el aire debe envolver toda la pieza uniformemente ya que si no lo hacemos pueden provocar tensiones internas dentro del material) durante 5 horas, tiempo en el cual las probetas se enfriaron totalmente.

Al tomar de nuevo las probetas, pudimos observar como el carbono y los demás elementos precipitaron y formaron una “cascara” alrededor de la probeta, por lo cual fue necesario realizar de nuevo un

procedimiento de pulido, hasta obtener de nuevo el brillo espejo, para poder obtener de nuevo la metalografía del material (atacado con NITAL), y poder distinguir el cambio de estructura en el metal luego del tratamiento térmico de normalizado, y poder tomar la dureza final de las probetas.

TABLAS Y RESULTADOS DUREZA (H.V.) DE LA PROBETA 1 TRATADA A 950°C ANTES DEL TRATAMIENTO

206.5 HV

DESPUES DEL TRATAMIENTO

150.5 HV

Fig1. Estructura inicial a 50X

Tabla 1. Dureza HV de la probeta 1 antes y después del T.T. de normalizado

DUREZA (H.V.) DE LA PROBETA 2 TRATADA A 850°C ANTES DEL TRATAMIENTO

203.5 HV

DESPUES DEL TRATAMIENTO

148.6 HV

Fig.2 estructura inicial a 100X (el punto negro indica una inclusión de oxido en la estructura)

Tabla 2. Dureza HV de la probeta 2 antes y después del T.T. de normalizado

A continuación podemos ver las micrografías tomadas antes del tratamiento térmico (sin atacar con el nital):

Fig3. Estructura inicial a 200X (se observan rayones producidos por el abrasivo y la inclusión en mayor tamaño)

Fig.4 estructura a 500X (se observa la inclusión cada vez mas clara)

Fig.6 estructura inicial de la probeta atacada con NITAL 3% A 50X DE AUMENTO

Fig.5 estructura inicial a 1000X

Fig.7 estructura inicial de la probeta atacada con NITAL 3% A 100X DE AUMENTO (SE COMIENZAN A DIVISAR LOS BORDES DE GRANO)

Después de tomar estas imágenes metalográficas se atacaron las probetas con NITAL 3%, para poder observar con mayor claridad en borde de grano, las imágenes obtenidas las mostramos a continuación:

Fig.8 estructura inicial de la probeta atacada con NITAL 3% A 200X DE AUMENTO (comienza a distinguirse las matrices ferriticas y de precipitados de C)

Fig.9 estructura inicial de la probeta atacada con NITAL 3% A 500X DE AUMENTO (además de las matrices se pueden distinguir las inclusiones y precipitados presentes)

Fig11. Microestructura de la probeta 1 con un aumento del 50X

Fig12. Microestructura de la probeta 2 con un aumento del 50X Fig.10 estructura inicial de la probeta atacada con NITAL 3% A 500X DE AUMENTO (se ve que el grano tiende ser amorfo y hay gran cantidad de inclusiones y precipitaciones)

A continuación presentamos las metalografías después de que las probetas fueran sometidas al Normalizado y atacadas con Nital 3% durante 30s., en estas podemos observar como el tamaño de grano se volvió mas fino y hay menos cantidades de óxidos e inclusiones.

En las anteriores imágenes metalográficas se puede observar que aparentemente un normalizado a una mayor temperatura refina mas el tamaño del grano







Después de observar las imágenes metalográficas a un gran aumento nos damos cuenta que el grano se define mas en la probeta a la cual se sometió al tratamiento de normalizado a 850°, y que no se notan muchas precipitaciones de carburos y/o inclusiones entre los limites de grano, comparado con la probeta sometida a un normalizado a 950°C.



CONCLUSIONES. Del procedimiento mostrado podemos deducir que es notable la reducción de la dureza de la probeta tratada por la normalización , lo cual causa el aumento de otras propiedades mecánicas del material, también nos pudimos dar

cuenta de que el tamaño de grano es mas definido en cuanto la probeta se tenga en una temperatura mas baja durante un tiempo considerable y que este proceso debe ser cuidadoso y meticuloso para poder obtener buenos resultados.

BIBLIOGRAFIA

Tratamiento Térmico de Normalizado Aplicado a Un Acero SAE 1020

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