MET 3218 -METALURGIA FISICA II APUNTES DE CATEDRA UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERIA METALURGIA FISICA II

MET 3218 - METALURGIA FISICA II

APUNTES DE CATEDRA

UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERIA CARRERA DE INGENIERIA METALURGICA

MET 3218

METALURGIA FISICA II

Docente: Dipl.- Ing. Edgar Venegas Ledo

Dipl.-Ing. Edgar Venegas Ledo

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APUNTES DE CATEDRA

INDICE CAPITULO I

INTRODUCCION

CAPITULO II

FUNDAMENTO DEL TRATAMIENTO TERMICO

CAPITULO III

TRATRAMIENTOS TERMICOS DEL ACERO

CAPITULO IV

ORGANIZACIÓN DEL TRABAJO Y DEL TALLER


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CAPITULO I

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INTRODUCCION

GENERALIDADES Más del 90% de los materiales metálicos que se emplean, son aleaciones ferrosas. Estas representan un enorme grupo de materiales de ingeniería con amplio rango de microestructuras y sus correspondientes propiedades. La mayor parte de los diseños de ingeniería que requieren del soporte estructural de cargas o de transmisión de potencia, involucran aleaciones ferrosas. Los diferentes materiales metálicos para un mejor aprovechamiento, en algunas ocasiones requieren de tratamientos que puedan conferirles mejores propiedades y adecuarlos de esa manera a los requerimientos provenientes de todos y cada uno de los usos específicos de los mismos. De ahí que en muchos casos estos materiales no sean empleados únicamente en su estado metálico, sino constituyendo aleaciones; es decir, combinaciones de varios de ellos. Sin embargo, en algunos casos aún esto no es suficiente y por ello, tanto los metales como sus aleaciones requieren de ciertos tratamientos a alta temperatura. Es decir, los mismos deben ser sometidos a procedimientos denominados tratamientos térmicos. Para realizar un estudio sistemático de esta temática se dividirá su tratamiento en dos campos fundamentales. Inicialmente se tocará el campo correspondiente al hierro y sus aleaciones y luego se complementará el mismo con el correspondiente a los principales metales no ferrosos y sus aleaciones. EL HIERRO Este material solidifica a 1536°C y sufre tres transformaciones durante su enfriamiento hasta la temperatura ambiente. Desde 1536°C hasta 1392°C, (punto crítico A4) existe en la forma cúbica de cuerpo centrado, o hierro delta. A partir de los 1392°C hasta los 911°C posee la estructura cúbica de cara centrada, llamada hierro gamma. A los 911°C ( punto crítico A3) se transforma en hierro alfa, cambiando su estructura nuevamente a la cúbica de cuerpo centrado. El hierro alfa se convierte en ferromagnético al enfriarse por debajo de los 770°C ( punto crítico A2). La figura 1 muestra estas transformaciones.


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Figura 1 Los puntos de transformación del hierro se simbolizan con una A (de arrêt = detención) y una letra c ( de chauffage = calentamiento), cuando se producen las transformaciones durante el calentamiento y una letra r ( de refroidissement = enfriamiento) si e presentan en el enfriamiento. La figura 2 muestra curvas de temperatura – tiempo, en las que se observan los puntos de transformación del hierro (puntos críticos). Cabe destacar que la aparición y/o desaparición del ferromagnetismo no son más que variaciones de las propiedades del hierro alfa.

Figura 2 Los puntos en que se producen estas transformaciones durante el enfriamiento son algo más bajos que aquellos que ocurren en el calentamiento. La diferencia de temperatura que los separa se denomina histéresis térmica y es tanto mayor cuanto más grandes son las velocidades de enfriamiento. Sin embargo, desde el punto de vista tecnológico, el hierro puro no tiene mucha significancia, por lo que en su aplicación es necesario que el mismo se encuentre combinado formando aleaciones. La aleación base más importante es aquella, producto de su combinación con el carbono. De ahí la importancia de profundizar en el estudio de este sistema.


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EL DIAGRAMA HIERRO – CARBONO Al alearse el hierro con el carbono se desplazan las temperaturas de solidificación y transformación a valores más bajos, tanto mayor es el contenido de carbono. Aparecen también los puntos críticos AC1 y Ar1 que corresponden respectivamente, a la formación de la solución sólida γ a partir de la perlita, o a la descomposición de dicha solución γ en perlita. En el diagrama hierro carbono, figura 3, las líneas continuas y las denominaciones de las estructuras se refieren al sistema metaestable, y las líneas de trazos al estable. En las aleaciones hierro – carbono que no contiene silicio, las transformaciones se realizan según el sistema metaestable y sólo con grandes contenidos de Si y enfriamientos muy lentos se produce la solidificación de las aleaciones en el sistema estable. En el sistema estable no se encuentra el carbono en forma de compuesto o fase cementita, (Fe3C), sino como grafito.

Figura 3


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Como quiera que el sistema metaestable tiene una mayor importancia práctica, a continuación se enfatizará éste. Las líneas que separan entre sí los distintos campos, son los límites de la transformación de unos constituyentes en otros. Por encima de la línea ABC, todo se encuentra al estado líquido; por lo que esta línea se denomina línea líquidus. Por debajo de ella comienza la solidificación, de la fusión a lo largo de un intervalo de temperaturas. Sólo en el hierro puro y en el caso de la composición eutéctica, (aleación Fe – C con 4.3% de carbono), se produce la solidificación a una temperatura constante; en el caso de la aleación eutéctica se obtiene una estructura del sólida denominada ledeburita, en honor al metalurgista Ledebur. Esta reacción eutéctica procede a 1130°C, temperatura por ello denominada temperatura eutéctica. Salvo las dos excepciones mencionadas, la solidificación se produce en todas las aleaciones a lo largo de un intervalo de temperatura. Por debajo de la línea ABC, se producen primeramente a partir del líquido, soluciones sólidas Fe-C (soluciones delta o gamma), mientras que al alcanzar la línea CE solidifican también cristales de cementita, Fe3C. A lo largo de la línea AHJEC, termina la solidificación, la estructura está constituida debajo de la línea AE por solución sólida gamma; bajo la EC, por solución sólida gamma, cementita secundaria y ledeburita; con mayores contenidos de C, por cementita primaria y ledeburita. Continuando posteriormente las transformaciones en el estado sólido. A continuación, en la figura 4 se presentan por separado ambos sistemas; en la parte superior es sistema metaestable hierro cementita y en la parte inferior el sistema hierro grafito.


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Figura 4:: Diagram ma de estado hierro carbono Superior: Sis stema me etaestable Infferior: Sisttema esta able elacionar las texturas que se presen ntan es estas e condiciones en el Para re sistema a hierro ca arbono, se recurre e a una representa ación esqu uemática que se muestra a en la fig gura 5.

Dipl.-Ing. Edggar Venegas Ledo

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Figura 5: Representació ón esque emática del d siste ema meta aestable hierro cementtita, así co omo la re elación existente en ntre comp posición de las alea aciones hierro carbono, c su s textura y constituyentes. DENOM MINACIO ON DE LOS S CONSTI ITUYENT TES ESTRUCTURAL LES FERRIT TA Está co onstituida por los cristales c d hierro alfa o de de elta (estru uctura criistalina cúbica de cuerpo centrad do) y pue ede conten ner 0.10% %C a 149 92°C, 0.02 25% a d 0.006% % a la tem mperatura a ambientte. La zona de esta abilidad 723°C y menos de de la ferrita es stá delimitada en el diagra ama de equilibrio por el eje e de ordenad das y las líneas l GPQ Q y AHN. AUSTENITA mma. Cúbiico de carra centrad da, que puede p dis solver carb bono y Es el hierro gam ón. En el diagrama a Fe-C se encuentra a la región n de la otros elementos de aleació p el polígono NJE ESG. A 1130°C puede disolv ver un austenita pura limitada por o de carbo ono de 2% %. El hierrro gamma no es ma agnético. máximo CEMEN NTITA Es un carburo c de e hierro co on 6.67% % de C, es s extremad damente dura. Cua ando la cementtita solidifica, directtamente del d líquido o, se deno omina, cem mentita prrimaria y cuando la pre ecipitación n se prod duce a partir de la austen nita se la llama cementtita secund daria.


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PERLITA Se denomina a los agregados laminares, formados por láminas alternas de ferrita y cementita. La perlita de equilibrio tiene un contenido de carbono de 0.8%, lo que corresponde aproximadamente al 12% de cementita y al 88% de ferrita. La perlita suele clasificarse según el espesor de sus láminas, en perlita gruesa, perlita fina (antes denominada sorbita), y perlita finísima (antes llamada trostita). La perlita no es una fase, sino una mezcla de fases, y se encuentra en el diagrama de equilibrio por debajo de la línea PKS como denominación de una forma especial de mezcla de los verdaderos constituyentes de equilibrio ferrita y cementita. LEDEBURITA Se denomina así a la estructura eutéctica. MARTENSITA Se conoce con este nombre al producto no estable de transformación de la austenita, que se forma cuando la velocidad de enfriamiento es tan grande que no da tiempo a la formación de perlita. En tanto que en la formación de perlita el carbono disuelto en la red gamma se precipita antes de que ésta se convierta en alfa; en la formación de martensita no hay tiempo para que el carbono salga de la red, por lo que sus átomos quedan atrapados, sobresaturándola, originando tensiones internas elevadas. En este hecho se basa la posibilidad de endurecer los aceros por el procedimiento de temple. EFECTOS DE LOS ELEMENTOS ALEANTES CARBONO Es el elemento aleante más importante, al analizar el diagrama de equilibrio Fe-C, se han mencionado ya los efectos que produce sobre el hierro. SILICIO Sirve para desoxidar el acero y para limitar la segregación de los lingotes. Estrecha la región gamma, por lo que los aceros bajos en carbono y con más de 2% de Si son ferríticos. Al aumentar el contenido de carbono, se hace menos intenso el efecto del Si y la región gamma vuelve a extenderse hacia la derecha. El Si disminuye además el contenido de C de la perlita y desplaza la temperatura de formación de ésta a valores más altos. Favorece la formación de grafito, con lo que disminuyen la resistencia y la templabilidad y se produce con frecuencia fractura negra. Incrementa la resistencia a la tracción, el límite elástico, la dureza, la resistencia mecánica en caliente, la resistencia al desgaste y las resistencias a la corrosión y la formación de cascarilla ( oxidación en caliente). Dipl.-Ing. Edgar Venegas Ledo

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Aminora, la resilencia, la maquinabilidad, la forjabilidad, la densidad, las conductividades eléctrica y térmica y la sensibilidad al sobrecalentamiento. MANGANESO En la fabricación del acero se emplea para la desoxidación y la desulfurización. El manganeso ensancha la región gamma, por lo que los aceros que contienen más del 12% de Mn son austeníticos. Desplaza a valores más bajos la temperatura de formación de la perlita y aminora el contenido de C de ésta. La presencia de Mn incrementa la solubilidad de C en la austenita y con ello favorece la formación de carburos. El Mn aminora las velocidades críticas de enfriamiento del acero, por lo que con más de 3% de Mn, aún el enfriamiento en aire del tratamiento de normalizado produce estructuras bainíticas. Si el contenido es mayor, se llega a suprimir completamente la formación de perlita y bainita y se forma martensita en el enfriamiento en aire. Incrementa: la resistencia a la tracción, el límite elástico, la resistencia a la fatiga, la resistencia al desgaste, la formación de carburos y la dilatación térmica. Aminora: la maquinabilidad, las conductividades térmica y eléctrica, la sensibilidad a la fractura frágil. NIQUEL Es soluble en el hierro y ensancha la región gamma, por lo que los aceros con 1.5% y más del 15% de Ni son completamente austeníticos. Además el níquel desplaza el punto de la perlita a temperaturas más bajas y contenidos de carbono inferiores. CLASIFICACION DE LAS ALEACIONES DE HIERRO Las aleaciones hierro – carbono, pueden ser clasificadas en función del contenido de carbono que poseen. Para ello se las divide inicialmente en dos grandes grupos. Aquellas con contenidos de C entre 0.05% y 2%, se denominan aceros. En tanto que las aleaciones con contenidos comprendidos entre el 2% y el 6.67% de C, se denominan fundiciones. A su vez, los aceros se clasifican en función del punto de la reacción eutectoide, en:


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• • •

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Aceros hipoeutectoides: Aquellos con contenidos de carbono menores al 0.8% de C Aceros eutectoides: Aquellos con 0.8% de C exactamente Aceros hipereutectoides: Aquellos con contenidos de carbono entre 0.8% y 2% de C.

Por su parte las fundiciones, se subdividen en función de la reacción eutéctica en: • • •

Fundiciones hipoeutécticas: 4.3% de C Fundiciones eutécticas: Fundiciones hipereutécticas: 6.67% de C

Aquellas con contenidos entre 2% y Aquellas con 4.3% de C exactamente Aquellas con contenidos entre 4.3% y

A su vez, los aceros, en función de la cantidad de elementos aleantes que contengan, se pueden clasificar en: • •

Aceros de baja aleación Aceros altamente aleados

Aquellos aceros que contienen más del 5% en peso total de adiciones distintas al carbono, se denominan aceros altamente aleados. Las adiciones de estos elementos aleantes, tienen un incremento importante en los costos, que sólo se justifican si con ello se logra aumentar sustancialmente las propiedades tales como resistencia estructural o una mayor resistencia a la corrosión. ACEROS AL CARBONO Y DE BAJA ALEACIÓN La mayor parte de las aleaciones ferrosas corresponden a esta categoría. Esto debido a su precio moderado y a la ausencia de grandes cantidades de elementos aleantes, además de ser lo suficientemente dúctiles para moldearse con facilidad. El producto final es resistente y durable. Sus aplicaciones van desde la producción de cojinetes de bolas hasta las láminas de metal que forman la carrocería de los automóviles. En la tabla siguiente se presenta un sistema de designación de éstos. Este es el sistema AISI ( American Iron and Steel Institute) – SAE ( Society of Automotive Engineers). En este sistema, los dos primeros números dan un código para designar el tipo de adiciones de aleación y los dos o tres últimos números dan el contenido promedio de carbono en centésimas de porcentaje de peso. La nomenclatura se da en tablas o listas que son convenientes pero arbitrarias y por lo general son estandarizadas por organizaciones profesionales. Esta nomenclatura tradicional tde a ser tan variada como las mismas aleaciones. Hay un esfuerzo creciente para emplear un sistema de Dipl.-Ing. Edgar Venegas Ledo

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numeración unificado para la designación de las aleaciones, UNS, ( Unified Numbering System). Una clase interesante de aleaciones que se conoce con el nombre de aceros de alta resistencia y baja aleación ( HSLA) ha surgido en respuesta a los requerimientos de reducción de peso en los vehículos. Las composiciones de muchos aceros HSLA comerciales son patentadas y se especifican por la propiedades mecánicas en lugar de su composición.


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Sistema de designación AISI – SAE para los aceros al carbono y de baja aleación Numerales y dígitos 10XX 11XX 12XX 15XX 13XX 23XX 25XX 31XX 32XX 33XX 34XX 40XX 44XX 41XX

Tipo de acero y contenido nominal de aleación Aceros al carbono Al carbono no aleado Resulfurizado Resulfurizado y refosforizado Al carbono Aceros al manganeso Mn 1.75 Aceros al níquel Ni 3.5 Ni 5.0 Aceros al níquel - cromo Ni 1.25; Cr 0.65 y 0.80 Ni 1.75; Cr 1.07 Ni 3.50; Cr 1.50 y 1.57 Ni 3.00; Cr 0.77 Aceros al molibdeno Mo 0.20 y 0.25 Mo 0.40 y 0.52 Aceros al cromo – molibdeno Cr 0.50, 0.80, y 0.95; Mo 0.12 Cr 0.20, 0.25 y 0.30; Mo 0.12


Numerales y dígitos 43XX 43BVXX 47XX 81XX 86XX 87XX 88XX 93XX 94XX 97XX 98XX 46XX 48XX 50XX 51XX 50XXX 51XXX 52XXX

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Tipo de acero y contenido nominal de aleación Aceros al cromo-níquel-molibdeno Ni 1.82; Cr 0.50 y 0.80; Mo 0.25 Ni 1.82; Cr 0.50; Mo 0.12 y 0.25; V 0.03 Ni 1.05; Cr 0.45; Mo 0.20 y 0.35 Ni 0.30; Cr 0.40; Mo 0.12 Ni 0.55; Cr 0.50; Mo 0.20 Ni 0.55; Cr 0.50; Mo 0.25 Ni 0.55; Cr 0.50; Mo 0.35 Ni 3.24; Cr 1.20; Mo 0.12 Ni 0.45; Cr 0.40; Mo 0.12 Ni 0.55; Cr 0.20; Mo 0.20 Ni 1.00; Cr 0.80; Mo 0.25 Aceros al níquel – molibdeno Ni 0.85 y 1.82; Mo 0.20 y 0.25 Ni 3.50; Mo 0.25 Aceros al cromo Cr 0.27, 0.40, 0.50 y 0.65 Cr 0.80, 0.87, 0.92, .0.95, 1.00 y 1.05 Cr 0.50; C 1.00 min. Cr 1.02; C 1.00 min. Cr 1.45; C 1.00 min

Numerales y dígitos 61XX 72XX 92XX

9XX XXBXX XXLXX

Tipo de acero y contenido nominal de aleación Aceros al cromo – vanadio Cr 0.60, 0.80 y 0.95; V 0.10 y 0.15 min Aceros al tungsteno – cromo W 1.75; Cr 0.75 Aceros al silicio – manganeso Si 1.40 y 2.00; Mn 0.65, 0.82 y 0.85; Cr 0.00 y 0.65 Aceros de alta resistencia y baja aleación Varios grados SAE Aceros al boro B denota acero al boro Aceros plomados L denota acero plomado

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ACEROS DE ALTA ALEACIÓN En los aceros, las adiciones de elementos aleantes, deben ser cuidado y justificación, debido a que éstas son muy costosas.

hechas con

Por ejemplo, en los aceros inoxidables, se requiere adicionar otros elementos, con el fin de prevenir el daño a ser causado por una atmósfera corrosiva. En éstos la acción más importante se debe al cromo, que por lo general fluctúa entre el 4 y el 10%, excepcionalmente se emplea un 30%. En la tabla siguiente se encuentran cuatro grupos principales de estos tipos de aceros. Los aceros de herramientas requieren de adiciones con el propósito de alcanzar suficiente dureza para aplicaciones de maquinado. Este tipo de aceros se emplean para cortar, moldear o para dar forma a otro material Las llamadas superaleaciones requieren adiciones para proporcionar estabilidad en aplicaciones a alta temperatura como las paletas de las turbinas. Este término se emplea para designar a una amplia variedad de materiales, en especial aquellos con resistencia a alta temperatura. La mayor parte de estas aleaciones tiene como base al hierro; sin embargo, también existen otras en base al cobalto y al níquel. Este tipo de materiales son altamente costosos, pero los requerimientos de la tecnología actual obligan y garantizan su uso. Por ejemplo entre 1950 y 1980, el uso de superaleaciones en motores de reacción se elevó del 10% al 50% en peso. HIERROS FUNDIDOS O FUNDICIONES Se denominan también así a las fundiciones; es decir, aleaciones hierro – carbono con contenidos mayores al 2% de C. Por lo general, estas aleaciones contienen también alrededor del 3% de Si para controlar la cinética de la formación de carburo. Las fundiciones tienen puntos de fusión relativamente bajas, no forman películas indeseables en la superficie cuando se vierten y sufren una contracción moderada durante la solidificación y enfriamiento. Existen cuatro variedades de hierro fundido • •

El hierro blanco, tiene una superficie de fractura cristalina de color blanco. Durante el fundido se forman grandes cantidades de carburo de hierro, Fe3C, dando lugar a un material duro quebradizo. El hierro gris, tiene una superficie de fractura gris con una estructura finamente faceteada. Un contenido significativo de Si ( 2 a 3% en peso), provoca la precipitación de grafito, C, en lugar de cementita, ( Fe3C). Las hojuelas de grafito putiagudas y afiladas contribuyen a la fragilidad característica de este tipo de material.


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• •

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El hierro dúctil, recibe este nombre, debido al mejoramiento de sus propiedades mecánicas. La ductilidad se incrementa en un factor de 20 y la resistencia es del doble. El hierro maleable, primero se funde como hierro blanco y luego se somete a un tratamiento térmico para producir precipitados nodulares de grafito.

Nomenclatura de aleaciones para algunos aceros inoxidables comunes Tipo

Número UNS

C

Mn

Si

Cr

Ni

Austeníticos 201 304 310 316 347

S20100 S30400 S31000 S31600 S34700

0.15 0.08 0.25 0.08 0.08

5.5-7.5 2.00 2.00 2.00 2.00

1.00 1.00 1.50 1.00 1.00

16.018.0 18.020.0 24.026.0 16.018.0 17.019.0

3.5-5.5 8.010.5 19.022.0 10.014.0 9.013.0

Ferríticos 405 430

S40500 S43000

0.08 0.12

1.00 1.00

1.00 1.00

11.514.5 16.018.0

Martensíticos 410 501

S41000 S50100

0.15 0.10 min.

1.00 1.00

1.00 1.00

11.513.0 4.0-6.0

Endurecidos por precipitación 17-4 PH 17-7 PH

S17400 S17700

0.07 0.09

1.00 1.00

1.00 1.00

15.517.5 16.018.0


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Mo

Cu

Al

2.0-3.0

0.100.30

0.400.65

3.0-5.0 6.57.75

3.0-5.0 0.751.5

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Nomenclatura de aleaciones para algunos aceros para herramientas comunes

AISI

Nomenclatura SAE

UNS

Aceros al molibdeno de alta velocidad M1 M1 T11301 Aceros al tungsteno de alta velocidad T1 T1 T12001 Aceros al cromo de trabajo en caliente H10 T20810 Aceros al tungsteno de trabajo en caliente H21 H21 T20821 Aceros al molibdeno de trabajo en caliente H42 T20842 Aceros endurecidos por aire, de aleación media y trabajo en frío A2 A2 T30102 Aceros al alto carbono, alto cromo y de trabajo en frío D2 D2 T30402 Aceros endurecidos por aceite y de trabajo en frío O1 O1 T31501 Aceros resistentes a choques S1 S1 T41901 Aceros de baja aleación para herramientas de propósito especial L2 T61202 Aceros de bajo carbono para moldear P2 T51602 Aceros endurecidos por agua para herramientas W1 W108 T72301 W109 W110 W112


C

Mn

Si

Cr

Ni

Mo

W

V

0.78-0.88

0.15-0.40

0.20-0.50

3.50-4.00

0.30 máx.

8.20-9.20

1.40-2.10

1.00-1.35

0.65-0.80

0.10-0.40

0.20-0.40

3.75-4.00

0.30 máx.

17.25-18.75

0.90-1.30

0.35-0.45

0.25-0.70

0.80-1.20

3.00-3.75

0.30 máx.

0.26-0.36

0.15-0.40

0.15-0.50

3.00-3.75

0.30 máx.

0.55-0.70

0.15-0.40

3.75-4.50

0.30 máx.

4.50-5.50

0.95-1.05

1.00 máx.

0.50 máx.

4.75-5.50

0.30 máx.

0.90-1.40

0.15-0.50

1.40-1.60

0.60 máx.

0.60 máx.

11.00-13.00

0.30 máx.

0.70-1.20

1.10 máx.

0.85-1.00

1.00-1.40

0.50 máx.

0.40-0.60

0.30 máx.

0.40-0.55

0.10-0.40

0.15-1.20

1.00-1.80

0.30 máx.

0.45-1.00

0.10-0.90

0.50 máx.

0.70-1.20

0.10 máx.

0.10-0.40

0.10-0.40

0.75-1.25

0.10-0.50

0.15-0.40

0.70-1.50

0.10-0.40

0.10-0.40

0.15 máx.

0.20 máx.

0.10 máx.

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2.00-3.00

0.50 máx.

Co

0.25-0.75 8.50-10.00

0.30-0.60

5.50-6.75

1.75-2.20

0.40-0.60

0.30 máx.

1.50-3.00

0.15-0.30

0.25 máx.

1.00 máx.

0.10-0.30

0.15 máx.

0.10 máx.

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Nomenclatura de aleaciones para las superaleaciones comunes

Aleación

Número UNS

Aleación de base hierro 16-25-6 Aleaciones de base cobalto Haynes 25 R30605 Aleaciones de base níquel Hastelloy B N10001 Inconel 600 N06600 Aleaciones endurecidas por precipitación de base hierro Incoloy 903 Aleaciones endurecidas por precipitación de base cobalto Ar-213 Aleaciones endurecidas por precipitación de base níquel Astroloy Incoloy 901 N09901 Inconel 706 N09706 Nimonic 80 A N07080 Rene 41 N07041 Rene 95 Udimet 500 Waspaloy N07001


Cr

Ni

16.0

25.0

20.0

10.0

50.0

1.0 máx. 15.5

63.0 76.0

2.5 máx.

28.0

0.1 máx.

38.0

15.0

0.1

19.0

0.5 máx.

65.0

15.0 12.5 16.0 19.5 19.0 14.0 19.1 19.5

56.5 42.5 41.5 73.0 55.0 61.0 48.0 57.0

15.0

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Co

Mo

W

Nb

Ti

Al

Fe

C

Otros

50.7

0.06

1.35 Mn

3.0

0.10

1.5 Mn

5.0 8.0

0.05 0.08

0.7

41.0

0.04

3.5

0.5 máx.

0.17

4.4

<0.3 36.2 37.5 1.5 <0.3 <0.3 4.0 máx. 2.0 máx.

0.06 0.10 0.03 0.05 0.09 0.16 0.08 0.07

6.00

1.0 11.0 8.0 19.0 13.5

15.0

3.0

1.4

4.5

5.25 6.0

10.0 3.5 4.0 4.3

3.5

3.5

3.5 2.7 1.75 2.25 3.1 2.9 3.0 3.0

0.2 1.4 1.5 3.5 3.0 1.4

6.5 Ta

2.9 ( Nb +Ta)

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Nomenclatura de aleaciones para algunos hierros fundidos comunes

Número Aleación UNS

C

Mn

Si

P

S

Ni + Cu

Cr

Mo

2.2-2.8

0.2-0.6

1.0-1.6

0.15

0.15

1.5

1.0

0.5

3.40 min.

0.600.90

1.602.10

0.12

0.12

Hierro dúctil no aleado

3.503.80

0.301.00

2.002.80

0.08 máx.

0.02 máx.

Hierro maleable, ferrítico de grado 32510

2.302.70

0.250.55

1.001.75

0.05 máx.

0.030.18

Hierro blanco de bajo carbono, aleado para resistencia a la abrasión Hierro gris automotriz SAE J431, para trabajo pesado, grado SAE G2500A F1009


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0.020.60

Mg

0.030.05

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CAPITULO II FUNDAMENTOS DEL TRATAMIENTO TERMICO TRANSFORMACIONES ESTRUCTURALES Como se pudo establecer a través de los resultados encontrados por los investigadores Weber y Rose, la representación del diagrama de estado no es suficiente para representar las variaciones que se presentan en los procesos de enfriamiento de los diferentes aceros, debido a que éstas sufren el efecto de la velocidad de enfriamiento. Este efecto se muestra en la figura 7, en la cual se observa wue la zona especialmente de la reacción eutectoide es la que sufre serios cambios tanto enm lo que respecta a la temperatura de reacción de la misma como en el ran de composición en el cual se verifica la reacción.

Figura 7: Modificación del diagrama de equilibrio Fe-C por efecto de la velocidad de enfriamiento En la figura 8, se muestra el diagrama de Maurer, que presenta el efecto de la velocidad de enfriamiento sobre la transformación de la austenita de un acero al carbono. En él se puede observar con claridad la dependencia de esta transformación con la velocidad. Lo propio se observa en la figura9, para un acero aleado, determinándose que no sólo aparecen las transformaciones que muestra la anterior figura, sino que aparece una zona intermedia de transformación que los españoles denominan


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zona de las bainitas en tanto que la escuela anglosajona denota la misma como zona intermedia.

Figura 8: Diagrama de Maurer, con la representación de temperaturas y velocidades de transformación en un acero al carbono

Figura 9: Diagrama de velocidades y temperaturas de transformación para un acero con 0.4%C, 1.3%Cr y 4.3%Ni. LOS DIAGRAMAS TEMPERATURA – TIEMPO – TRANSFORMACION Dipl.-Ing. Edgar Venegas Ledo

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En base a estas consideraciones, se hizo imperioso el pensar en construir un diagrama que permita visualizar la velocidad. Se llegó a establecer que para ello se podía introducir una tercera variable, cual es el tiempo en la representación convirtiendo ésta en una de tres dimensiones a partir de la representación en dos dimensiones del diagrama de estado Fe-C. Luego en base a esta consideración a los efectos prácticos se determinó realizar cortes a este volumen formado para valores de composición constantes, con lo que se obtenían representaciones en la que sí se visualizaban las transformaciones en función de la velocidad de enfriamiento. De esta manera surgieron los diagramas que hoy conocemos con el nombre de diagramas TTT, ( Tiempo, Temperatura, Transformación); también denominados de la S por su forma en el inicio de la transformación. La figura 10 presenta uno esquemático

Figura 10: Representación esquemática de un diagrama TTT TIPOS DE DIAGRAMAS TTT Existen dos tipos de diagramas, éstos corresponden a las condiciones en la que se llevarán a cabo los procesos de tratamientos térmicos, de tal manera que posibiliten la correcta selección de las condiciones, la interpretación correcta y precisa del curso de las transformaciones y las condiciones en las cuales estas transformaciones tomarán lugar. Por tanto se construyeron diagramas TTT: • •

Isotérmicos, para los procesos que se efectúen a temperatura constante. Continuos, para aquellos procesos en los cuales durente el mismo la temperatura varía permanentemente.


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ISOTERMICO Muestra el camino que se debe seguir para alcanzar una determinada temperatura a la cual se desea llevar adelante la transformación, determinándose entonces el tiempo que debe permanecer la pieza a la misma. Es adecuado para interpretar los procedimientos que se llevan a cabo a temperatura constante, tales como: obtención de perlita, tratamientos bainíticos y temples en baños calientes. La figura 11, a manera de ejemplo nos presenta el diagrama TTT isotérmico para un acero eutectoide.

Figura 11: Diagrama TTT isotérmico de un acero eutectoide CONTINUO Permite explicar los procesos del temple y las transformaciones que se presentan. En la figura 12, se presenta el mismo para un acero eutectoide. Se pueden establecer diferencias importantes en el inicio y finalización a una temperatura determinada de las transformaciones que ocurren. En este diagrama se puede determinar la velocidad crítica de temple que es necesaria para que se forme martensita.


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Figura 12: Diagrama TTT continuo de un acero eutectoide LA TEMPLABILIDAD Y SU ENSAYO Muchas veces se denomina templabilidad de un acero a su tendencia a la formación de martensita o su capacidad de endurecerse por el temple. La dureza que se alcanza en un proceso de temple determinado depende de la velocidad de enfriamiento y de la proporción en que se repriman las transformaciones en las zonas perlítica y bainítica. Cuando se suprimen totalmente se alcanza la máxima dureza. La relación existente entre la velocidad de enfriamiento y la temperatura de transformación fue estudiada por H. J. Wiester en 1932. En la figura 13 se puede observar que, al aumentar la velocidad de enfriamiento, los puntos Ar3 y Ar1 se desplazan a temperaturas más bajas.

FIGURA 13: Posición de los puntos de transformación en función de la velocidad de enfriamiento de un acero no aleado con 0.4% de C. A menor velocidad que la crítica inferior de enfriamiento, la estructura se transforma únicamente en perlita y al alcanzarse esa velocidad empieza a Dipl.-Ing. Edgar Venegas Ledo

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formars se por primera p v vez marttensita. Al A ir hac ciéndose más ráp pido el enfriam miento, se forma ca ada vez más m marte ensita y la a perlita es e cada ve ez más fina. Cuando C se s alcanz za la ve elocidad crítica c su uperior de d enfriamiento desaparecen las s perlitas s finas y finísima as y la estructura forma ada es exclusiv vamente martensita m a. PENETRACIÓN DE LA DU UREZA Y TEMPLAB BILIDAD etración de d la durez za depend de de la templabilid dad del material, m (ffunción La pene del con ntenido de elemen ntos de aleación a d del acero)), de las condicion nes de temple y de la se ección tran nsversal de d la pieza a templada a. estra las curvas c de penetració ón de la dureza d en dos acero os, uno La figurra 14 mue de baja a templabilidad y otro de alta.

vés de la sección s de e un acero o Figura 14: Variación de la durreza a trav de alta a templab bilidad y en otro de baja. RMINACIÓ ÓN DE LA A TEMPER RATURA DE D TEMPL LE Y DUR REZA MÁX XIMA DETER La figurra 15 muestra el re esultado de d prueba as realizad das con un u acero CK45 C a diferenttes tempe eraturas de austeniz zación y posterior p te emple en agua.

F Figura 15: Determin nación de la dureza y la temp peratura de d temple.. Dipl.-Ing. Edggar Venegas Ledo

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La figura 16 muestra com mo la penetración de d la dure eza para un determ minado acero depende d de d la tem mperatura.. Pero como adem más depen nde tambiién del contenido de ca arbono y la presen ncia o no de elem mentos ale eantes y de los ecesario tomar en cuenta c tam mbién esto os paráme etros. medios templanttes será ne

Figura 16 6: Curvas de penetrración de la dureza en el ace ero C 45. YO DE LA A TEMPL LABILIDA AD DE LOS L ACE EROS PARA TEMP PLE Y ENSAY REVEN NIDO La temp plabilidad se mide determina d ando la va ariación de e la durez za a través de la sección de difere entes prob betas temp pladas. El curso o de la du ureza no sólo s depen nde de la templabilidad del acero, a sino o de la eficienc cia del medio de tem mple, por lo que es necesario o determin nar: •

La a severida ad del medio templa ante

•

El diámetro o crítico

•

o ideal El diámetro


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Figura 17: Curvas de pe enetración n de la dureza en un acero co on 0.3% de d C y 3% de Nii.

Figura 18: 1 Relación entre la dureza en el núclleo y el diámetro en redondos de un ace ero con 0..3% de C y 3% de Ni. N

Figura 19: Durez za de la martensita en función del conttenido de carbono. Dipl.-Ing. Edggar Venegas Ledo

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Figura 20: 2 Diagra amas para a la determ minación de d los diámetros críticos ideale es.

Figura 21 1: Probeta a Jominy.

Figura 22: Esque ema de un n dispositivo para el ensayo Jominy J


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Figura 23: Curva Jominy de un acero.

Figura 25: Curvas Jominy de diferentes aceros para temple y revenido.


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Figura 26: Dependencia entre los diámetros críticos Dk y Di, la distancia al extremo templado y la severidad de temple.


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CAPITULO III TRATRAMIENTOS TERMICOS DEL ACERO 1

TRATAMIENTOS TERMICOS DEL ACERO

PREPARACION Antes de iniciar un proceso de tratamiento térmico, es necesario tener completamente identificado el material del cual se trata y el propósito al cual está destinado el mismo en su futuro uso. Esto, por cuanto el tratamiento térmico, en sus características dependerá de la composición química del acero en cuestión, así como del uso al cual está destinado el mismo. Por ello, es recomendable tener muy bien identificados los diferentes materiales y las herramientas con que se trabaja, para garantizar resultados satisfactorios.

ELECCION DEL HORNO El tipo de horno a ser empleado es función de las características de las piezas que están siendo sometidas a tratamiento térmico. Así en el caso de barras, piezas forjadas o brutas, por lo general se emplean hornos de mufla. En cambio, si se trata de piezas en las que se quiere evitar la oxidación superficial (formación de cascarilla), descarburación de la misma, el tratamiento térmico debe llevarse a cabo de preferencia en atmósferas controladas o de lo contrario en baños de sales. Y finalmente, de tratarse de una producción en serie, pueden emplearse hornos continuos.

PRECACUCIONES EN EL TRATAMIENTO TERMICO En el caso de que las piezas deban ser sometidas a tratamientos térmicos y se desee evitar la formación de cascarilla y no se cuente con hornos de atmósfera controlada, se puede recurrir al empleo de capas de carbón, viruta de madera o de arena, para temperaturas menores a los 1000°C. En el caso de los aceros rápidos, se puede recurrir a envolverlos en papel y después en barro, con lo que se evita su descarburación.

PROCESOS DE RECOCIDO RECOCIDO DE NORMALIZACION El recocido de normalización, o simplemente normalización, consiste, según la norma DIN 17014, en calentar a una temperatura un poco por encima del punto superior de transformación Ac3 (en los aceros hipereutectoides, sólo por encima del punto inferior Ac1) y enfriar después en una atmósfera en reposo. Dipl.-Ing. Edgar Venegas Ledo

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La normalización produce una regeneración de la estructura y elimina todas las irregularidades producidas por el tratamiento térmico o por deformación. En la figura 1 se representa el curso de la temperatura en el recocido de normalización.

Fig. 13.- Curso de la temperatura en el recocido de normalización La temperatura de normalización depende esencialmente del contenido de carbono del acero. En los aceros hipoeutectoides suele ser entre 20 y 30°C más alta que el punto Ac3 y en los hipereutectoides por encima de Ac1. 3.2.2 PERLITIZACION Una variedad del recocido de normalización es el recocido isotérmico para obtener perlita, tratamiento que puede llamarse perlitización. Según la norma DIN 17014, consiste en mantener el material, en el curso de un enfriamiento, desde una temperatura superior a Ac3 a una temperatura comprendida dentro del intervalo de formación de perlita, seguido de un enfriamiento posterior cualquiera, con el fin de conseguir una transformación completa en perlita. La figura 2 muestra el curso de la temperatura en la perlitización. Como temperatura de austenización se toma la de normalización. La temperatura del intervalo perlítico se elige de acuerdo con el material que se trate y su diagrama TTT isotérmico. En la figura 3 se representa el curso de la temperatura en la perlitización de un acero con 0.32%C, 1%Si, 1.3%Mn, 1.2%Cr y 1.6%Ni. Para este acero se emplea una temperatura de austenización de 900C y según el diagrama TTT isotérmico se toma una temperatura de perlitización de 650C a la cual se completa la transformación en perlita con un tiempo de mantenimiento de 90 min.


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Fig. 14.(a) Estructura de sobrecalentamiento (b) Estructura del cordón de soldadura en un cordón de soldadura. 250X después del normalizado. 250X

Fig. 15.- Curso de la temperatura en la perlitización

Fig. 16.- Curso de la temperatura en la perlitización dibujada sobre el diagrama TTT isotérmico. Dipl.-Ing. Edgar Venegas Ledo

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3.2.3 PATENTADO Según la norma DIN 17014, este tratamiento se aplica al alambre y a las bandas y consiste en un calentamiento a una temperatura superior a Ac3 y un enfriamiento relativamente rápido destinado a conseguir una estructura favorable para la subsiguiente conformación en frío.

3.2.4 RECOCIDO DE ABLANDAMIENTO La norma DIN 17014 describe el recocido de ablandamiento como un tratamiento en el que el material se calienta a una temperatura muy poco inferior a Ac1 (a veces también superior a Ac1) o bien se mantiene oscilando por encima y por debajo de este punto y luego se le enfría lentamente, con la finalidad de producir un estado lo más blando posible.


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CAPITULO IV ORGANIZACIÓN DEL TRABAJO Y DEL TALLER EQUIPO DE LOS TALLERES DE TRATAMIENTOS TERMICOS Las características de un taller de tratamientos térmicos, no son invariables. Estas deben adecuarse a muchas variables que determinan en definitiva la estructura del taller. De manera indicativa, el taller está en función de: • •

Capacidad Naturaleza de la fábrica o Tipo de producto que se tratará o Cantidad del producto o Frecuencia de tratamiento

La figura 1 muestra el plano de un taller de tratamiento térmico, en el cual se encuentran equipos que no necesariamente deben estar presentes en todos los talleres de tratamientos térmicos. Sin embargo, todo taller debe tener altura de 4 m por lo menos.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

14 10

11 16

12 17

13

15

18

Figura 1.- Equipos de un taller de tratamientos térmicos 1 Horno de cámara, eléctrico o calentado por gas o aceite; 2 Horno eléctrico de doble cámara; 3 Baño de sales para el calentamiento para el temple; 4 Baño de sales para el temple bainítico; 5 Baño de cementación; 6 Horno eléctrico de circulación de aire; 7 Baño de sales para el precalentamiento; 8 Baño para alta temperatura con electrodos de inmersión; 9 Baño caliente para aceros rápidos; 10 Horno de circulación de aire; 11 Instalación de medición y regulación de temperatura; 12 Depósito de escurrido; 13 Baño caliente con circulación; 14 Depósito de agua con equipo de duchas cambiable; 15 Depósitos de aceite de refrigeración; 16 Durómetros; 17 Enderezadora; 18 Instalación de lavado.

El tipo de horno a ser empleado, es función de varios factores. Entre otros, del tipo de energía disponible en el lugar.


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Las dimensiones de los hornos, están en función del tamaño de las piezas que serán sometidas a los tratamientos térmicos, con más frecuencia. Esto por cuanto, si existen piezas más grandes que serán tratadas esporádicamente, éstas pueden ser encomendadas a terceros. Un taller no solo debe estar equipado con hornos, sino también con buenas instalaciones de temple. Por ello, se debe tomar en cuenta, al proyectar el taller: • • • • • •

dimensiones de los hornos dimensiones de los baños, ( destinados tanto a los procesos de tratamiento térmico, como al proceso de lavado posterior al tratamiento) dimensiones de las instalaciones auxiliares, almacenes tanto de insumos y materiales, como de producto terminado flujo de los medios templantes, su sistema de refrigeración, limpieza, etc. herramientas y dispositivos adecuados que se requieren para llevar adelante los tratamientos térmicos. Equipo de ensayo y control de calidad

La marcha del trabajo en el taller, depende de la disposici ón de los hornos y baños. Estos últimos deben estar ubicados inmediatamente después de los primeros Con referencia a los equipos de control y regulación, es recomendable reunirlos en un solo sitio con el propósito de tener posibilidades de controlar todos desde un solo punto en forma continua y permanente

Medición de la temperatura Existen varias alternativas tecnológicas para medir la temperatura, entre las más empleadas se tienen las se indican en la siguiente tabla: Aparato Termómetro de mercurio

Características Ordinarios Relleno con nitrógeno a 20 Kp/cm2 Relleno con nitrógeno a 100 Kp/cm2

Termómetros de mercurio y resorte Termómetros de dilatación Varilla o tubo de acero de una varilla Varilla o tubo de acero al níquel o al grafito Termómetros de resistencia De alambre de níquel De alambre de platino Termopares Cobre / constantan Hierro / constantan Cromo-níquel / constantan Níquel-cromo / níquel Platino-rodio / platino Dipl.-Ing. Edgar Venegas Ledo

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Intervalo de medición -30°C a +300°C hasta 500°C hasta 900°C Hasta 600°C Hasta 800°C Hasta 1100°C -200°C a 150°C -200°C a 550°C Hasta 400°C Hasta 700°C Hasta 900°C Hasta 1100°C Hasta 1500°C 35


Pirómetros ópticos

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De radiación total A desaparición del filamento Pirómetros de color Pirómetros fotoeléctricos

600°C a 2000°C 600°C a 3000°C hasta 2000°C 1000°C a 2000°C

Hornos de recocer, templar y revenir Las dimensiones, forma y diseño de los hornos que se emplean en los diversos tratamientos térmicos, dependen de las piezas a tratar. Sin embargo, se debe garantizar un calentamiento perfecto y un servicio rentable, por lo que los hornos deben satisfacer las siguientes condiciones: • • • •

La temperatura necesaria ha de alcanzarse con rapidez y ser fácil de regular La superficie de las piezas no debe ser atacada por la atmósfera del horno La temperatura será uniforme en todo el recinto del horno El horno debe funcionar con seguridad y economía

La norma DIN 24201, proporciona información sobre el calentamiento por resistencia eléctrica y por combustión de los hornos industriales.

Tipos de hornos La figura 2 muestra en forma esquemática los diferentes tipos de hornos que con mayor frecuencia se emplean en los procesos de tratamiento térmico.

Figura2: Esquemas fundamentales y funcionamiento de hornos calentados por gas o aceite

En el horno de cámara, las llamas se extienden por debajo de la bóveda y no tocan a las piezas, con lo que se evita la oxidación de las mismas. El horno con placa de solera, muestra un comportamiento semejante al indicado en el anterior caso. En cambio en los hornos de mufla, ni las llamas ni los gases de combustión tocan las piezas.

Instalaciones de temple


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Son las destinadas, en el taller de tratamientos térmicos, a garantizar el enfriamiento adecuado desde la temperatura de temple. A ellas pertenecen en primer lugar los baños de enfriamiento, que para cumplir su misión deben disponer de una serie de equipos auxiliares; por ej. Sistemas de refrigeración, utensilios para el manejo y movimiento de las piezas a tratar, etc.


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MET 3218 -METALURGIA FISICA II APUNTES DE CATEDRA UNIVERSIDAD TECNICA DE ORURO FACULTAD NACIONAL DE INGENIERIA METALURGIA FISICA II

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