Metalotecnia - Tratamientos Térmicos. Generalidades

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MATERIALES I:

TRATAMIENTOS TÉRMICOS: GENERALIDADES por Vicente Lorenzo

Tratamientos térmicos

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TRATAMIENTOS TÉRMICOS: GENERALIDADES

1.

INTRODUCCIÓN

3

2.

DEFINICIÓN DE TRA TAMIENTO TÉRMICO

3

3.

CLASIFICACIÓN DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS:

4

4.

EL CALENTAMIENTO EN LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS

8

4.1

HORNOS PARA TRATAMIENTOS TÉRMICOS

8

4.2

VELOCIDAD DE CALENTAMIENTO

15

EJERCICIOS


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1. INT RO DU CC IÓN En capítulos anteriores se han presentado algunas herramientas que permiten interpretar y predecir cuáles son las modificaciones estructurales que provocan los cambios de temperatura en las aleaciones metálicas. Estas herramientas son las que se van a emplear en los próximos capítulos para describir los cambios estructurales que se producen en los tratamientos térmicos de los aceros y, más adelante, en los tratamientos térmicos de otras aleaciones metálicas.

Los diagramas de equilibrio son los instrumentos que dan información sobre la termodinámica del sistema que se pretende estudiar. Un diagrama de equilibrio señala cuál es la estructura hacia la que tendería la aleación en cuestión si hubiera evolucionado desde un estado de equilibrio hasta las condiciones objeto de estudio siguiendo un proceso cuasiestático. Ahora bien, la termodinámica del sistema no predice si ese estado de equilibrio se alcanzará en un tiempo razonable o si, por el contrario, el proceso es tan lento que, a efectos prácticos, la estructura fuera de equilibrio se puede considerar como estable. Para responder a estas cuestiones es necesario contar con información sobre cinética del paso al equilibrio. Las curvas T.T.T. u otras representaciones con contenido análogo son las herramientas que permiten conocer cuál es la celeridad con que se produce el paso a la estructura que marca el diagrama y, por tanto, cuáles son las condiciones en las que se alcanzan o no estados de equilibrio.

2. DEFINICIÓN DE TRA TA MIENTO TÉRMICO El término tratamiento térmico hace referencia al proceso tecnológico en el que se somete un componente metálico a una variación de temperatura programada con el fin de modificar su estructura en estado sólido y adecuar sus propiedades para los fines a los que se destina. En ocasiones, la aplicación del programa de temperatura puede ir acompañada de una modificación localizada de la composición química o de la imposición simultánea de unas solicitaciones mecánicas prefijadas de modo que se llega a una estructura condicionada por el proceso de deformación. Los tratamientos del primero de estos tipos se denominan

termoquímicos mientras que los del segundo se conocen con el calificativo de termomecánicos. Antes de continuar avanzando, resulta interesante precisar algunos extremos relativos a la definición anterior. En primer lugar, hay que señalar que el término estructura debe interpretarse en su acepción más amplia. Así, en este contexto, puede hacer referencia, según Tratamientos térmicos

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siderurgia.etsii.upm.es el caso, a la naturaleza y proporción de fases y constituyentes presentes, a la distribución y morfología de estos últimos, al estado tensional del componente en cuestión o a la heterogeneidad de su composición química. También es importante resaltar que los tratamientos térmicos nunca van acompañados de la formación de fases líquidas porque se puede llegar a quemar la aleación con la consiguiente pérdida de características. Como consecuencia de esto, las temperaturas que se alcanzan en los tratamientos térmicos nunca pueden llegar a la de comienzo de fusión que marca la línea de solidus real. Por último hay que delimitar el sentido del verbo adecuar aplicado a las propiedades de la aleación. El objetivo de un tratamiento térmico no es, en general, alcanzar un valor extremo, ya sea máximo o mínimo, de alguna de las propiedades del material si no que, en la mayoría de las ocasiones, lo que se pretende es llegar a una solución de compromiso entre ciertas propiedades que resulta especialmente favorable para posteriores operaciones de procesado o para la aplicación final que se va a dar a la pieza tratada.

3. CL A SIFICA CIÓN DE LO S TRA TA MIENTO S TÉRM ICOS: Los tratamientos térmicos propiamente dichos (excluyendo tratamientos termoquímicos y termomecánicos) se pueden clasificar atendiendo, entre otros criterios, a la naturaleza de los cambios estructurales que provocan. Conforme a este aspecto, los tratamientos térmicos se pueden agrupar en tres categorías:

1. Tratamientos que buscan aproximar la estructura del metal a la de equilibrio: estos tratamientos, que se caracterizan por enfriamientos relativamente lentos, reciben el nombre genérico de recocidos. Los recocidos se subdividen a su vez en dos tipos diferentes:

a. Recocidos que buscan modificar la naturaleza, proporción y distribución de los constituyentes de aleaciones que pueden sufrir transformaciones de fase en estado sólido: estos tratamientos consisten en un calentamiento por encima de alguna temperatura crítica seguido de un mantenimiento a la temperatura de recocido que garantice que se alcanza el equilibrio y un posterior enfriamiento lento hasta temperatura ambiente. En estos procesos es fundamental que la velocidad de enfriamiento sea suficientemente lenta al atravesar el intervalo de temperaturas de transformación. Una vez superado este rango de temperaturas se puede enfriar con mayor velocidad. El ciclo térmico de estos tratamientos se recoge en esquema en la figura 3-1.


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Figura 3-1. Programa de variación de temperatura para recocidos del tipo 1(a)

b. Recocidos que pretenden una aproximación al equilibrio sin modificar la naturaleza ni la proporción de las fases presentes. Entre estos objetivos se pueden incluir, por ejemplo, la reducción de la energía elástica almacenada en el sistema, la modificación de la distribución de las fases o de su morfología o la reducción de la heterogeneidad. Todos estos procesos de paso al equilibrio son térmicamente activados y, por tanto, su velocidad crece al elevar la temperatura. En muchas ocasiones, basta con un calentamiento para acercar el metal al equilibrio en un tiempo aceptable. Cuando se tratan aleaciones que pueden sufrir transformaciones de fase en estado sólido, los tratamientos que buscan conseguir estos fines pueden ser, según el caso, supercríticos, subcríticos, intercríticos u oscilantes. En la figura 3-2 se recogen las algunas de las posibilidades para los tratamientos de este tipo.

Figura 3-2. Programas de variación de temperatura para los recocidos del tipo 1-b en aleaciones que no sufren o sí sufren transformaciones de fase en estado sólido


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siderurgia.etsii.upm.es 2.

En este segundo grupo se incluyen aquellos tratamientos que fijan a temperatura ambiente una estructura que no es de equilibrio. Estos tratamientos, que se caracterizan porque los enfriamientos con los que finalizan son suficientemente rápidos para evitar la formación de las estructuras de equilibrio, se pueden subdividir a su vez en dos clases:

a.

Aquellos que congelan a temperatura ambiente estructuras que corresponden a un equilibrio a temperaturas más elevadas. Estos tratamientos reciben, en muchas ocasiones, el nombre de tratamientos de solubilización porque las estructuras que se fijan son soluciones sólidas sobresaturadas según se ilustra en la figura 3-3(a). En ciertos casos, se puede emplear el término hipertemple para referirse a este tipo de tratamientos.

b.

El segundo grupo incluye aquellos tratamientos designados con el nombre general de

temples que buscan provocar descomposición de fases en equilibrio a temperaturas elevadas en otras metaestables tal como se esquematiza en la figura 3-3(b).

Figura 3-3. Representación esquemática de los ciclos térmicos de los tratamientos del tipo 2. 3.

En la mayoría de las ocasiones, las piezas que han sufrido un tratamiento del tipo 2 no son directamente utilizables. Los tratamientos del apartado anterior van, en estos casos, seguidos de otro tratamiento que busca obtener una estructura más estable. Los tratamientos de este tercer tipo pueden ser de dos clases diferentes dependiendo de la naturaleza del tratamiento previo:


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siderurgia.etsii.upm.es a.

Las soluciones sobresaturadas que resultan de los tratamientos de solubilización se suelen someter a un calentamiento posterior hasta una temperatura inferior a la del solvus para provocar la precipitación del soluto que se encuentra disuelto en exceso seguido de un enfriamiento lento. Con estos tratamientos, que se conocen con el nombre de maduración se busca obtener una dispersión fina de las partículas de la segunda fase, distribución que resulta especialmente favorable desde el punto de vista de las propiedades mecánicas.

b.

Un temple siempre va seguido de un revenido: un tratamiento subcrítico que tiene como finalidad descomponer en mayor o menor medida las fases metaestables que se formaron en el tratamiento previo. La temperatura de revenido determina generalmente la extensión de la descomposición de las fases no estables y, en consecuencia, la microestructura y propiedades de la pieza tratada.

En principio se podría pensar que los tratamientos térmicos que se han clasificado en los párrafos anteriores son reversibles, es decir, que los cambios producidos por alguno de ellos podrían ser borrados por otro. Así, por ejemplo, se podría pensar que una aleación cuya estructura inicial es la de equilibrio se puede someter a tratamientos sucesivos de los grupos 2 y 3 y, posteriormente, tras un recocido volver al estado original. En la práctica esto no es así porque las modificaciones estructurales producidas por los tratamientos térmicos van acompañadas de otros efectos químicos y mecánicos que pueden deteriorar de forma irreversible el material.

Los efectos químicos a los que se acaba de hacer referencia surgen como consecuencia de la interacción entre la atmósfera del horno en que se realiza el tratamiento y la pieza a tratar. Las atmósferas de los hornos pueden contener monóxido y dióxido de carbono, hidrógeno, vapor de agua y metano además de nitrógeno y oxígeno. Las proporciones de estos gases determinan el carácter de la atmósfera y las modificaciones que pueden provocar en la composición química superficial de la pieza. Entre los efectos de las interacciones atmósferapieza que, habitualmente, no son buscados intencionadamente se pueden incluir la oxidación o la descarburación en piezas de acero tratadas.

A los efectos de tipo químico que se han descrito se superponen otros de tipo mecánico. Durante la aplicación de los tratamientos térmicos siempre se desarrollan tensiones en el seno de las piezas a tratar como consecuencia de la diferencia de temperaturas y, por tanto, de la expansión térmica entre distintos puntos de las mismas. Además, si la aleación a tratar experimenta transformaciones de fase durante el tratamiento, aparecen tensiones cuando estos cambios no se producen de forma simultánea en toda la pieza. Sea cual sea el origen de los esfuerzos mecánicos, su aparición puede provocar la deformación, el agrietamiento o incluso la rotura de la pieza que se está tratando con la consiguiente inutilización de la misma. Tratamientos térmicos

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siderurgia.etsii.upm.es Más preocupante incluso que lo anterior puede resultar la formación de microgrietas cuyo desarrollo pueda provocar su fallo en servicio bajo la acción de tensiones inferiores a la de cálculo o el rechazo de la pieza en operaciones de procesado posteriores.

4. EL CAL ENTAM IENTO EN LOS TRATA MIENTOS TÉRMICOS Según se acaba de discutir cualquier tratamiento térmico comienza con un calentamiento. Como esta etapa es común a todos los tratamientos y no presenta ninguna característica específica salvo el valor de la temperatura que se desea alcanzar, se va a describir con cierto detalle esta fase inicial antes de pasar a describir los diferentes tratamientos de los aceros.

4.1 Hornos para tratamientos térmicos Las instalaciones que se emplean para el calentamiento de las piezas a tratar se pueden clasificar atendiendo a diferentes criterios entre los que se pueden incluir el modo de funcionamiento, el tipo de energía empleado para el calentamiento o las características de la atmósfera.

Cuando se aplica el primer criterio, los hornos se pueden clasificar en hornos continuos y

hornos de funcionamiento intermitente. Los hornos de funcionamiento intermitente son muy versátiles admitiendo gran variedad de ciclos térmicos con temperaturas máximas de trabajo que no suelen pasar de los 1300°C y con la posibilidad de emplear atmósferas controladas. Como contrapartida, estos hornos requieren un trabajo importante de manipulación de piezas de modo que su utilización está normalmente justificada tanto por su flexibilidad como por la necesidad de trabajar con productividades reducidas cuando se miden en términos de masa de material tratado por unidad de tiempo de utilización de horno (este criterio justifica el empleo de hornos de este tipo con gran capacidad en tratamientos prolongados).

Los hornos de mufla son los más sencillos entre los hornos de funcionamiento intermitente. Estos hornos están formados por la caja o envolvente metálica, el aislamiento térmico que rodea la cámara en cuyo interior se disponen las piezas y el sistema de calentamiento y control. En muchas ocasiones, el movimiento de piezas en los hornos de mufla se realiza a mano lo que limita el tamaño de las piezas a tratar (figura 4.1). Cuando es necesario tratar piezas que son grandes o de manipulación difícil es necesario recurrir a hornos intermitentes con dispositivos que facilitan el desplazamiento relativo de la carga y el horno como los hornos Tratamientos térmicos

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siderurgia.etsii.upm.es con máquina de cargar , de solera móvil o de carro (figura 4.2), los de ascensor , los de pozo o los de campana (figura 4.3).

Figura 4.1. Horno eléctrico de mufla: en la pared lateral se pueden ver las resistencias de calentamiento.

Figura 4.2. Horno de solera móvil


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Figura 4.3. Hornos de campana eléctrico y de gas para recocido de hilo de cobre

Una alternativa al concepto de horno de cámara son los hornos de sales . Estos hornos de constan básicamente de un depósito que contiene un baño de sales fundidas a la temperatura de trabajo (figura 4.4). Como el calentamiento se consigue por inmersión de las piezas en las sales líquidas, la transmisión de calor es muy eficiente de modo que el equilibrio térmico se consigue rápidamente. Además, como no hay contacto entre la atmósfera y la pieza caliente se evitan problemas de oxidación y, cuando se considera adecuado, es posible modificar la composición de la periferia de la pieza a voluntad ajustando la composición del baño. En ciertos casos se pueden emplear metales fundidos en lugar de sales. La utilización de este tipo de hornos tiene como inconveniente los problemas asociados a la manipulación de las sales.

Figura 4.4. Batería de hornos de sales con electrodos sumergidos Un procedimiento de calentamiento discontinuo de utilización creciente en la industria son los hornos de lecho fluidizado. En estos hornos, las piezas a tratar se sumergen en un lecho de Tratamientos térmicos

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siderurgia.etsii.upm.es alúmina en polvo que se mantiene fluido por el paso de la corriente de los gases de combustión. Las velocidades de calentamiento que se consiguen con estos hornos son intermedias entre las de los hornos de sales y metales fundidos y los hornos de radiación. Las principales ventajas de estos hornos son que, por un lado, es posible controlar la composición de la atmósfera y que, por otro lado, el aprovechamiento energético de los gases de combustión es máximo ya que la atmósfera se genera en el mismo lecho.

El método de tratamiento discontinuo que permite obtener los mejores resultados es el empleo de hornos de vacío (figura 4.5). Estas instalaciones, que pueden trabajar con un vacío -4

de 10 mbar y admiten temperaturas que llegan hasta los 1600°C, son las menos eficientes desde el punto de vista energético y las que requieren las mayores inversiones.

Por estas

razones, sólo se utilizan cuando los sobrecostes están justificados por las exigencias en los resultados del tratamiento de piezas de especial responsabilidad.

Figura 4.5. Hornos de vacío Los hornos continuos constan de los mismos elementos básicos que los hornos de funcionamiento intermitente (una o varias cámaras aisladas, sistemas de calentamiento y control) junto con un sistema que permite el desplazamiento ininterrumpido de las piezas. Estos hornos, que se prestan a una automatización relativamente sencilla, resultan especialmente adecuados cuando se han de tratar grandes volúmenes de piezas en condiciones idénticas ya que garantizan la obtención de resultados uniformes en la fabricación de series medias o grandes. Los hornos de funcionamiento continuo se pueden clasificar atendiendo al sistema de movimiento de las cargas en hornos de solera rotatoria y hornos de cámara recta. Dentro de este último grupo caben distintas posibilidades para el sistema de movimiento de las cargas como son, por ejemplo, la utilización de rodillos , cintas de malla, bandas continuas , cadenas


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siderurgia.etsii.upm.es transportadoras , máquinas empujadoras , vigas galopantes , solera vibratoria o así como diferentes combinaciones entre los posibles sistemas de desplazamiento (figura 4.6).

Figura 4.6. Horno continuo para tratamiento de perfiles de aluminio y horno de cinta para recocido en atmósfera controlada de plata en planchas laminadas Cuando los hornos de tratamiento se clasifican atendiendo al método de calentamiento se pueden considerar dos grandes grupos: los hornos de llama y los eléctricos .

En el primer grupo se incluyen los hornos de gas , tanto propano, natural como manufacturado, y los de fuel , hornos que tienen como ventaja fundamental el bajo coste de la energía si bien su control y ajuste resulta más complejo que el de los hornos eléctricos, su funcionamiento requiere una intervención humana más importante y su instalación exige contar con equipos de ventilación adecuados. Los hornos de llama con sistema de calentamiento directo no son admisibles en ciertos casos como consecuencia de las interacciones entre los gases de combustión y la superficie de las piezas a tratar. Para salvar este inconveniente se deben emplear tubos radiantes , sistema que permite un calentamiento indirecto y la utilización de atmósferas controladas. En estos casos, los quemadores se encuentran en el interior de tubos fabricados con una aleación refractaria o con materiales cerámicos basados en el carburo de silicio a lo largo de los cuales circulan los gases de combustión. Estos gases se pueden utilizar para precalentar el aire de combustión antes de ser emitidos a la atmósfera con lo que se consigue un alto aprovechamiento energético.

Los hornos eléctricos más empleados para el tratamiento térmico de los metales son los

hornos de resistencias . Estos hornos son de calentamiento indirecto ya que el calor se transmite fundamentalmente por radiación desde una resistencia por la que circula una corriente eléctrica.

Al trabajar de este modo la temperatura de servicio de las resistencias


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siderurgia.etsii.upm.es deben ser muy superiores a las de tratamiento térmico lo que obliga a emplear aleaciones refractarias. La elección de las aleaciones para resistencias depende de su temperatura de trabajo utilizándose aleaciones de base Ni-Cr por debajo de los 1200°C, aleaciones Fe-Cr-Al hasta los 1400°C y resistencias especiales fabricadas por técnicas de pulvimetalurgia en molibdeno, tántalo o wolframio que permiten trabajar a temperaturas de 1600, 2400 y 2700°C, respectivamente. También es posible la utilización de materiales no metálicos como el carburo de silicio, el bisiliciuro de molibdeno o el grafito. Cuando la atmósfera del horno resulta perjudicial para la vida de las resistencias, se pueden emplear tubos radiantes que las protejan. Los hornos de resistencias son menos contaminantes que los de llama, su funcionamiento es más silencioso, el control del proceso es más preciso pero los costes de inversión y operación son más elevados. Entre los sistemas de calentamiento que se utilizan en los talleres de tratamiento y que emplean energía eléctrica hay que incluir también los equipos de inducción empleados para tratamientos superficiales (figura 4.7) y los hornos de sales con electrodos

sumergidos (figura 4.4).

Figura 4.7. Horno de inducción para calentamiento de redondos de acero. La imagen de la izquierda muestra el sistema de extracción y la de la derecha la bobina. Cuando los hornos se clasifican en función de la naturaleza de su atmósfera se pueden distinguir tres tipos básicos: hornos sin control de la atmósfera, hornos de atmósfera controlada y hornos de vacío. Las atmósferas de los hornos juegan un papel doble ya que, por un lado, Tratamientos térmicos

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siderurgia.etsii.upm.es evitan que se produzcan reacciones indeseables y, por otro lado, permiten realización de otras reacciones que pueden ser de interés en ciertos casos como, por ejemplo, en los tratamientos termoquímicos. Las atmósferas de los hornos están formadas por nitrógeno, oxígeno, hidrógeno, óxidos de carbono (CO y CO2), vapor de agua y, en ciertos casos, por otros gases como, por ejemplo, metano. Las atmósferas controladas pueden ser de carácter oxidante,

reductor o neutro. Además, en el caso de las aleaciones férreas, conviene tener presente su comportamiento carburante o descarburante. En la figura 4.8 se ha representado el diagrama de equilibrio para las reacciones entre mezclas de óxidos de carbono y la austenita saturada que ilustra como la composición de la atmósfera determina su carácter. La línea continua corresponde al equilibrio 2 CO

Í

CO2 + [C] donde [C] representa el carbono disuelto en la

austenita mientras que la discontinua corresponde al equilibrio Fe + CO2

Í

FeO + CO. Por

encima de la línea continua, la austenita se descarbura mientras que por debajo el acero se enriquece en carbono. A la derecha de la línea discontinua, la segunda reacción está desplazada en el sentido de la reducción del CO2 y la oxidación del acero con la consecuente formación de cascarilla mientras que a su derecha se produce la reducción del acero. En consecuencia, las atmósferas cuyo punto representativo está contenido en la zona 1, son carburantes y reductoras, las de la zona 2, descarburantes y reductoras mientras que las de la zona 3 son oxidantes y descarburantes.

1000

) 900 C ° ( a r u 800 t a r e p m 700 e T 600 0.0

2

3

1

0.2

0.4 0.6 CO 2 /C O

0.8

1.0

Figura 4.8. Diagrama de equilibrio para las reacciones entre la austenita saturada y los óxidos de carbono Antes de continuar con la descripción de las atmósferas de los hornos, conviene precisar que las reacciones indeseables entre la atmósfera y la superficie de las piezas que se van a tratar se pueden evitar cuando se trabaja con hornos sin control de la atmósfera. Esto se consigue impidiendo su contacto bien por aplicación de pastas protectoras o bien disponiendo las piezas en un lecho adecuado como puede ser carbón vegetal o virutas de fundición. Tratamientos térmicos

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Para formar las atmósferas controladas es necesario contar con instalaciones auxiliares que se conocen como generadores. En los generadores exotérmicos se quema propano o gas natural. Tras enfriar los gases de combustión se secan o se hacen pasar por un c oabsorbedor que elimina el CO2 y los secan de forma simultánea. Según el caso, se obtienen mezclas de CO2, CO, H2 y N2 o de CO, H2 y N2. Una composición típica del gas que se obtiene con el primer proceso es %CO = 12, %CO2 = 6 y %H2 = 10. El gas rico (%CO = 12, %H 2 = 10) y el gas pobre (%CO = 3, %H2 = 2) son productos que se pueden obtener por medio del segundo de los procesos citados. En los generadores endotérmicos

se produce la disociación de

propano o gas natural en presencia de aire y un catalizador de níquel dentro de un recipiente que se calienta desde el exterior hasta unos 1000°C, obteniéndose mezclas ricas en nitrógeno con CO2, CO y H2 (a título de ejemplo, la composición que se obtiene para una relación propano-aire de 7,6 a 1 y una temperatura de trabajo de 1050°C es %CO 2 = 0,25, %CO = 23, %H2 = 30,5). Como mecanismo adicional de control de la atmósfera, es posible introducir hidrocarburos gaseosos junto con el gas procedente de los generadores en el interior del horno de tratamiento o instilar líquidos orgánicos como, por ejemplo, metanol, etanol o isopropanol. Los disociadores de amoníaco permiten obtener mezclas de hidrógeno y nitrógeno en proporción 3 a 1 que resultan adecuadas para ciertos tratamientos superficiales. Por último, en ciertos casos, las atmósferas controladas se forman por introducción en el horno de mezclas

sintéticas obtenidas a partir de gases industriales. Como es fácil comprender, la elección de un horno de tratamiento es un problema complejo ya que el abanico de opciones es muy amplio. La selección vendrá determinada en cada caso particular por razones relacionadas tanto con la cantidad de metal a tratar, la diversidad de tratamientos a utilizar como con factores locales asociados a la disponibilidad y a los costes de las diferentes fuentes de energía.

4.2 Velocidad de calentamiento Una velocidad de calentamiento elevada puede resultar interesante desde el punto de vista de la productividad pero este modo de proceder puede ser causa de múltiples problemas. Esto es así porque cuanto más rápido sea el calentamiento, más importantes son las diferencias de temperatura entre distintos puntos de la pieza a tratar y, en consecuencia, mayores resultan las tensiones de origen térmico con el consiguiente aumento en el riesgo de deformación o rotura de las piezas. Además, en el caso de que el tratamiento requiera superar alguna temperatura crítica, las tensiones asociadas al cambio de fase no simultáneo en toda la pieza crecen si la velocidad de calentamiento aumenta.


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siderurgia.etsii.upm.es La figura 4-9 muestra la magnitud de estas diferencias en el calentamiento hasta 850°C de una pieza grande. Obsérvese como la diferencia de temperatura entre la periferia y el núcleo de la pieza, separados unos 25 cm, crece inicialmente hasta alcanzar valores superiores a los 100°C muy poco tiempo después de haber encendido el horno. En estas condiciones, la periferia no puede expandirse libremente y queda sometida a esfuerzos de compresión y el núcleo a esfuerzos de tracción. Cuando la periferia de la pieza alcanza la temperatura crítica Ac 1, que en este caso es de 730°C, comienza la formación de austenita a partir de la perlita presente en esta zona con la consiguiente disminución de volumen. Al cabo de unas 7 horas, la descomposición de la perlita en la periferia ha finalizado mientras que en el núcleo no ha comenzado de modo que esta zona relativamente rígida impide la libre contracción de la periferia. En el momento que se considera, que es especialmente peligroso, la periferia de la pieza, que es relativamente plástica por la presencia de la austenita, queda sometida a esfuerzos de tracción mientras que el núcleo, que es relativamente rígido por la presencia de la perlita, está sometido a esfuerzos de compresión.

1000 800

) C ° ( 600 a r u t a r 400 e p m e T 200

Horno Periferia

Núcleo

0 0

5

10

15

Tiempo (horas)

Figura 4-9. Curva de calentamiento de un redondo de acero al carbono con un diámetro de 500 mm en un horno que se encuentra inicialmente a temperatura ambiente. Es obvio que para minimizar los efectos perniciosos asociados a las tensiones debidas a las diferencias de temperatura entre distintos puntos de la pieza a tratar que se desarrollan en el calentamiento, hay que procurar la distribución de temperaturas sea lo más homogénea posible en todo momento. Se suele admitir que la velocidad de calentamiento es adecuada si la diferencia de temperaturas entre puntos separados por una pulgada (2,54 cm) es siempre inferior a 20°C. Si este criterio se aplica al caso de la figura 4-9 se puede comprobar que la diferencia de temperaturas entre periferia y núcleo alcanza su valor máximo de 180°C al cabo de 3,5 horas. Como el gradiente de temperatura promedio es en ese momento de 18°C/pulgada, el proceso de calentamiento del ejemplo resulta aceptable. Tratamientos térmicos

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Al contrario de lo que sucede para el ejemplo que se está considerado, en la mayoría de las ocasiones no se conoce como varía durante el calentamiento la distribución de temperaturas en el interior de la pieza que se está tratando de modo que el criterio que se ha indicado en el párrafo previo resulta inaplicable. La experiencia demuestra que la pauta anterior es equivalente a que la duración en horas del calentamiento correcto de un redondo desde temperatura ambiente hasta 850°C resulta de multiplicar el diámetro en pulgadas del mismo por un número comprendido entre 0,5 y 1. Cuando este método se aplica al redondo de la figura 4-9 que tiene un diámetro de 20 pulgadas, se concluye que el tiempo de calentamiento debe estar entre 10 y 20 horas. Evidentemente, la duración del calentamiento debe aproximarse al mayor de los valores que resultan de aplicar este procedimiento siempre que sea posible.

El método para determinar la duración del calentamiento que se acaba de describir es directamente aplicable a redondos. Si la geometría de la pieza a tratar no es cilíndrica, ésta se puede sustituir por un redondo con la misma relación volumen/superficie a efectos de cálculo de la duración del calentamiento, aproximación que funciona tanto mejor cuanto menores son las diferencias entre las distintas secciones de la pieza.

Nótese que el tamaño de la pieza es una variable fundamental a la hora de considerar la importancia del efecto que se discute ya que, a igualdad de condiciones de calentamiento, cuanto mayor sea la pieza, más elevados resultan los gradientes de temperatura que se desarrollan. Por esta razón, no es recomendable introducir piezas grandes frías en hornos que se encuentran a temperaturas elevadas.

Otra característica que juega un papel importante es el tipo de acero a tratar ya que las diferencias entre las propiedades térmicas de los distintos grados de aceros son significativas. Así, según se puede comprobar en la figura 4.10, la conductividad térmica de los aceros no aleados cae suavemente al aumentar su contenido en carbono. Además, la misma figura muestra que existen diferencias importantes entre la conductividad térmica de los aceros al carbono a temperatura ambiente, que es del orden de los 1000 W/m.K, y la de los aceros fuertemente aleados como, por ejemplo, la de un acero inoxidable austenítico del tipo X6CrNi19-10 (%C < 0,08; %Cr = 18,00-20,00; %Ni = 8,00-10,50) que es de unos 20 W/m.K.. Esto quiere decir que las diferencias de temperatura entre distintos puntos de una pieza de acero inoxidable austenítico son mayores que las que se observan en una pieza de acero al carbono calentada en idénticas condiciones. Además, las tensiones que se desarrollan como consecuencia de la aparición de un determinado gradiente de temperatura en un acero inoxidable austenítico son mayores que las que aparecen en un acero al carbono. Para justificar la afirmación anterior basta con tener presente que el coeficiente de expansión térmica Tratamientos térmicos

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-1

para los aceros al carbono es de 12.10 K mientras que para aceros inoxidables austeníticos -6

puede tomar valores de 20.10

-1

K . Todas estas razones hacen que el calentamiento de los

aceros de alta aleación en general deba ser más lento que el de los aceros no aleados.

100 80

) 60 C ° . m / 40 W ( λ

20 0 100

200 300 400 Temperatura (°C)

500

Figura 4.10. Variación con la temperatura de la conductividad térmica, λ, de un hierro electrolítico ( < ), aceros no aleados con contenidos de carbono del 0,07% ( = ) y del 0,30% ( 5 ) y un acero inoxidable austenítico del tipo 18-8 ( 6 ).

Otras variables que también influyen sobre la velocidad de calentamiento son el tipo de horno que se emplea, su grado de ocupación o el estado superficial de las piezas. Como los mecanismos de transmisión de calor son distintos para los diferentes tipos de hornos, las velocidades de calentamiento también lo deben ser. La figura 4-11 ilustra como el calentamiento en los hornos de sales es más rápido que en los de mufla. Por supuesto, cuanto mayor sea la cantidad de metal a tratar y, por tanto, la ocupación del horno, más lento resultará el proceso de calentamiento. Por último, hay que señalar el papel que juega el estado superficial de las piezas ya que determina la cantidad de energía radiante que se absorbe y se refleja. Así, los resultados experimentales demuestran que el tiempo necesario para el calentamiento de una pieza brillante es dos o tres veces superior al necesario para calentar una pieza oxidada de las mismas dimensiones.


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1000

) C ° ( a r u t a r e p m e T

1

2

3

80 0 60 0 40 0 20 0 0 0

60

120

180

240

Tiempo (min)

1000

) C ° ( a r u t a r e p m e T

1

2

3

80 0 60 0 40 0 20 0 0 0

5

10

15

20

25

30

Tiempo (min)

Figura 4.11. Curvas tiempo-temperatura para el calentamiento de barras de acero al carbono de 25x100 mm (1), de 50x175 mm (2) y de 100x200 mm (3) que se introdujeron en un horno de mufla (figura superior) y en un horno de sales (figura inferior) a 1000°C Además de la heterogeneidad de la distribución de temperaturas, los cambios de fase que no son simultáneos en distintos puntos de la pieza dan lugar a la aparición de tensiones. Como norma general, si se respetan los tiempos de calentamiento calculados según el método anterior, no debería de haber problemas relacionados con estas tensiones. En cualquier caso, cuando se trabaja con aceros de alta aleación, sus efectos se pueden minimizar trabajando con dos hornos según se muestra en la figura 4-12. En el primero de los hornos, que actúa como horno de precalentamiento, se alcanza una temperatura homogénea inferior a la crítica y, posteriormente, se pasa la pieza al segundo que se encuentra a la temperatura de tratamiento.


Fecha:03/12/01

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1200

) C 80 0 ° ( a r u t a r e p 40 0 m e T 0 0

1

2

3

4

5

6

Tiempo (horas)

Figura 4-12. Curva de calentamiento para el temple de un cilindro de 103 mm de diámetro fabricado en un acero indeformable del tipo D2 (%C = 1,4-1,6; %Mn = 0,20-0,40; %Si = 0,10-0,40; %Cr = 11,50-12,50; %Mo = 0,70-0,90; %V = 0,20-1). Los valores marcados se han medido en el centro del redondo. La discusión anterior demuestra que la etapa de calentamiento en los tratamientos térmicos es compleja de modo que la determinación precisa de las condiciones en las que se debe calentar una pieza sólo puede realizarse de forma empírica.


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EJERCICIOS 1. Según la información del catálogo de un fabricante, un horno de mufla para laboratorio con una cámara de 2 l de capacidad permite llegar desde temperatura ambiente hasta 1200°C en una hora. Estime la potencia del horno suponiendo que el nivel de ocupación de la cámara no pasa del 50% y que el rendimiento es de 0,5. DATOS: 3

Densidad = 5 g/cm , calor específico = 6,5 cal/mol.K, peso atómico = 60 g/mol

2. Una plancha metálica con un espesor de 30 mm que se encuentra a temperatura ambiente se introduce en un horno de sales de 1000°C. Si el metal no sufre cambios de fase y se admite en primera aproximación que sus propiedades no cambian significativamente con la temperatura, la variación de esta magnitud, que se puede determinar por los métodos que se estudian en la asignatura “Termotecnia”, viene dada por las curvas de la figura.

1, 0 Fo = 0.01 0, 8

) 0 T S0, 6 T ( / ) T S T ( 0, 4

Fo = 0,03

Fo = 0,1 0, 2 Fo = 0,3 0, 0 0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

x/ L

Las tensiones de origen térmico que se desarrollan en cada punto resultan proporcionales a la diferencia entre su temperatura y la media de la placa siendo la constante de proporcionalidad

E.λ/(1- ν) donde E es el módulo de Young, λ es el coeficiente de

expansión térmica y ν el módulo de Poisson.

•

¿En qué zonas de la pieza es mayor el riesgo de deformación o agrietamiento?.

•

¿Cuál es el momento más peligroso?.

•

Estime el gradiente de temperaturas al cabo de 0,5 y de 5 s.

•

¿Qué valores pueden llegar a alcanzar las tensiones que se desarrollan?.

•

¿Cómo varían los resultados anteriores con el espesor de la placa?.

DATOS: -6

-1

3

E = 210 GPa, λ = 12.10 K , ν = 0,3, k = 50 W/(m.K), ρ = 5000 kg/m , c p = 0,5 kJ/(kg.K)


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Metalotecnia - Tratamientos Térmicos. Generalidades

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