TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE ALEACIONES FERROSAS
Tratamientos Térmicos
Tratamiento de los Materiales IMAVE
Conjunto de calentamientos y enfriamientos controlados de un material, con el objeto de modificar alguna o algunas de sus propiedades.
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TRATAMIENTO TÉRMICO DEL ACERO
Calentamiento hasta temperatura austenítica
Mantención a dicha temperatura, de manera de lograr una estructura de 100% austenita homogénea
Enfriamiento a la velocidad adecuada para obtener las propiedades que se desea.
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TRATAMIENTO TÉRMICO DEL ACERO
Calentamiento hasta temperatura austenítica
Mantención a dicha temperatura, de manera de lograr una estructura de 100% austenita homogénea
Enfriamiento a la velocidad adecuada para obtener las propiedades que se desea.
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Tratamientos Térmicos del Acero
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Modificación en la estructura granular (o microestructura) Un cambio en las propiedades mecánicas principalmente
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Un endurecimiento del acero
• •
Modificación de las propiedades
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Un ablandamiento del acero
•
Un aumento de la tenacidad del acero
•
•
Un aumento de la dureza superficial, manteniendo o aumentando la tenacidad en el resto del volumen Un incremento de resistencia a la fatiga
la
Un incremento de resistencia a la corrosión
la
•
• • •
• • •
• •
Temple Austemperado Normalizado Recocido de regeneración Revenido Temple - Revenido Austemperado
Cementación Cementación - Temple Cianuración - Temple Nitruración
Temple – Revenido Austemperado Ceme Cement ntac ació ión n - Tem Tem le Nitruración Cromatizado
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CICLOS TÉRMICOS (I) •
Cualquier tratamiento térmico puede representarse en coordenadas Temperatura – tiempo, como se muestra en la siguiente figura:
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CICLOS TÉRMICOS (II) Nota: m1 y m3 pueden ser variables y las etapas 1 y 3 pueden ser divididas en ciclos, como se muestra en la siguiente figura:
a) Calentamiento escalonado; enfriamiento natural.
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b) Calentamiento rápido; enfriamiento escalonado.
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CICLOS TÉRMICOS (III) También se puede representar la combinación de dos o más tratamientos:
Ciclo con dos tratamientos
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TRATAMIENTOS TÉRMICOS ESPECÍFICOS Recocido
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Recocido •
Ablandar los aceros para mejorar su “maquinabilidad” regenerar su microestructura y aliviar tensiones
Tipos de Recocido • • • •
Recocido de regeneración Recocido subcrítico o de alivio de tensiones Recocido de proceso Recocido de globulización.
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Ciclo térmico para diversos tipos de recocido de aceros Recocido de regeneración o supercrítico •
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Se aplica para recuperar el grano después de un tratamiento térmico o mecánico inapropiado. Se austeniza entre 20 y 30ºC sobre la temperatura de austenización. Después se hace enfriamiento lento, a menudo dentro del mismo horno en que se calentó. Su objeto es regenerar la estructura del acero y ablandarlo.
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Recocido de subcrítico o de alivio de tensiones •
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Se calienta el acero hasta temperaturas comprendidas entre 550 y 650 ºC y después se enfría normalmente. Tiene por objeto eliminar las tensiones residuales provocadas por deformación en frío (acritud).
Recocido de proceso •
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Es muy parecido al recocido anterior, pero el calentamiento se hace hasta temperaturas entre 650 y 700 ºC, aproximadamente. Su objeto es también eliminar las tensiones residuales provocadas por una deformación plástica previa, pero se asegura una recristalización total que ablande al máximo el acero, de modo que quede en condiciones de continuar siendo deformado. Este tratamiento se hace en los casos en que se requiera altas deformaciones, evitando la posibilidad de fracturas, como en el trabajo de laminación.
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Recocido de globulización •
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Puede realizarse sub o supercrítico, aunque suele ser un calentamiento oscilante alrededor de la temperatura eutectoide, con lo que se produce la globulización de la cementita. Se aplica para ablandar aceros hipereutectoides. Así se aumenta la maquinabilidad de esos aceros. También se aplica a los aceros de alta aleación, con el mismo objeto, como condición comercial. Comercialmente se denomina a este tratamiento “recocido blando”.
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Recocido isotérmico •
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Se calienta el acero hasta temperaturas similares a las del recocido de regeneración Se mantiene a esa temperatura para homogenizar la austenita y luego se enfría violentamente a una temperatura un poco menor a la crítica para mantenerlo a esta hasta lograr una transformación isotérmica de la austenita en perlita + ferrita o perlita + cementita, según sea el acero. El objeto de este tratamiento es obtener perlita de grosor uniforme.
a. Ciclo térmico del recocido de globulización.
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b. Curva de enfriamiento correspondiente al mismo tratamiento. Primavera 2009
Normalizado •
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Su objeto es afinar y homogenizar el grano del acero, por lo que es un tratamiento imprescindible antes del temple de aceros de herramientas. Para hacer un normalizado se calienta el acero hasta unos 50 ºC por encima la temperatura de austenización, seguido de una mantención a esa temperatura para homogenizar la austenita y de un enfriamiento posterior en “aire tranquilo”. En el caso de aceros muy aleados, se requiere enfriamiento a una velocidad menor, pues un enfriamiento al aire puede producir una parcial o total transformación martensítica. Los aceros de baja aleación se normalizan en forma natural después de su conformado en caliente, de allí el nombre de este proceso. En la siguiente figura se muestra una comparación entre los ciclos térmicos del recocido de regeneración; del normalizado y del temple.
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Comparación entre los ciclos térmicos del recocido de regeneración; del normalizado y del temple
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Tabla 1: Comparación cualitativa entre las propiedades obtenidas con el normalizado y el recocido de regeneración
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Temple •
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El temple consiste en calentar y homogenizar la austenita de un acero en la misma forma que se hace en un recocido de regeneración y a continuación darle un enfriamiento rapido, de manera de lograr la transformación martensítica. Su objeto es endurecer y aumentar la resistencia mecánica de los aceros.
Esquema de la transformación martensítica
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Condiciones del temple •
Se considera un buen temple, aquel que conduce a una transformación martensítica lo más cercana al 100%, pero se considera aceptable, según los requerimientos de la pieza templada o las dificultades del proceso de temple, una transformación superior al 50%. No se logra un 100% de transformación si:
No se supera la velocidad crítica de temple (línea “i”)
Queda austenita retenida (sin transformar), debido a que en el enfriamiento no se alcanza la temperatura de finalización de la transformación martensítica (M f). Esto ocurre en los aceros muy aleados y de alto carbono.
Transformación martensítica parcial Tratamiento de los Materiales IMAVE
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Práctica del temple •
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Como se muestra en la siguiente figura, en el ciclo térmico del temple existen tres etapas: calentamiento para austenizar; mantención a temperatura elevada para homogenizar la austenita y enfriamiento rápido. De las tres etapas, la más importante es la última, pues allí ocurre la transformación martensítica, pero las dos primeras etapas no dejan de tener importancia. Durante el enfriamiento ocurre la transformación martensítica. Como esta transformación es la que produce mayores tensiones internas, el enfriamiento debe hacerse a la menor velocidad, compatible con un temple total, es decir, superando la “velocidad crítica de temple” (VCT).
Ciclo Térmico del Temple Tratamiento de los Materiales IMAVE
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Hay diferentes tipos de tensiones que se generan durante el enfriamiento, estas son:
Tensiones por contracción, debido a la diferencia de temperatura entre distintos puntos de la pieza. El valor del esfuerzo es, en este caso: = E· · T
Tensiones por cambio de fase, que son mayores a las anteriores
Tensiones residuales, que corresponden a esfuerzos internos que quedan en las piezas después del temple.
Determinación de la Velocidad Crítica del Temple
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El enfriamiento se produce introduciendo la pieza caliente en un medio (medio de temple), que la enfríe a la velocidad adecuada para que el acero sufra transformación martensítica. La velocidad de enfriamiento que producen distintos medios sobre piezas de acero de ½” de diámetro y 2.5” de longitud se indica en la tabla 2. (Los valores indicados varían según la fuente de origen)
Tabla 2. Velocidades de enfriamiento de distintos medios de temple
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Se consigue aumentar la velocidad de enfriamiento promedio y evitar la formación de “bolsas de vapor”, al agitar el medio de temple, como se muestra en la figura:
Etapas de un enfriamiento en agua y efecto de la agitación, en la rapidez de reducción de la temperatura Si se agita el agua, se elimina la capa estática de vapor que se forma sobre la pieza a altas temperaturas y desaparece la etapa I, como se muestra en la línea de trazos. Esto incrementa la velocidad promedio de enfriamiento.
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Medios de Enfriamientos en el Temple Enfriamiento en agua •
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El templado en agua es de uso común. Es una de las formas más rápidas y más severas de enfriar metales, por lo que se deben tomar precauciones para evitar fracturas en las piezas. Los aceros al carbono puro con contenido inferior al 0,25 % de carbono serán endurecidos en agua solo parcialmente. Los aceros con un contenido entre 0,30 y 0,40 % de carbono se endurecen completamente en agua sin peligro de fractura. Los aceros con contenido de carbono superior al 0,40 % no se enfrían en agua debido a que los esfuerzos ocasionados por el abrupto cambio de temperatura pueden romper la pieza.
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Enfriamiento en aceite •
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El templado en aceite tiene una velocidad de enfriamiento más lenta que el agua. Los aceros al carbono puro con menos de 0,40 % de carbono no responden a un templado en aceite. Los aceros con un contenido entre 0,40 y 0,50 % de carbono son parcialmente endurecidos en aceite. Con un contenido por encima del 0,50 % de carbono, los aceros son totalmente endurecidos
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Enfriamiento en aire •
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El chorro de aire es el método más lento de templado. El templado en aire se usa comúnmente en aceros de alta aleación que pueden fracturarse si se usara aceite y/o agua. El enfriamiento al aire del acero al carbono generalmente produce una microestructura casi totalmente perlítica.
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Los defectos más comunes ocasionados en el temple son: •
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Oxidaciones y descarburaciones: Se deben al calentamiento en atmósferas inadecuadas. Exceso de fragilidad: Por calentamiento a temperaturas excesivas que provocan el crecimiento del grano. Falta de dureza: Por calentamiento a temperatura demasiado baja, por descarburación superficial o por velocidades de enfriamiento superiores a la crítica. Deformaciones: Por calentamiento o enfriamiento desigual de las piezas o apoyos inadecuados en el proceso. Grietas y roturas: Por desigual enfriamiento del núcleo y la periferia de la pieza.
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REVENIDO •
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El revenido es el paso final en el tratamiento térmico de las piezas de fundición de hierro y de acero que han sido templadas. Se aplica para reducir la excesiva fragilidad debida a la existencia de esfuerzos residuales propios de la estructura martensítica y aumentar consecuentemente la tenacidad del acero. El revenido consiste en calentar el acero previamente templado a temperaturas entre 250 y 650ºC, dependiendo de las propiedades que se desean, seguido de una mantención a la temperatura elegida para completar la transformación de la martensita en “martensita revenida”. El enfriamiento posterior es libre, excepto en los aceros que presentan “fragilidad de revenido” (aceros de alto Cr y/o Mn, revenidos entre 580 y 650ºC). Estos aceros deben ser enfriados en agua, después del revenido.
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Curva Dureza – Temperatura de revenido (Curva de Revenido) •
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Al aumentar la temperatura de revenido, baja la dureza del acero y aumenta la tenacidad del mismo. Estas curvas se usan para seleccionar la temperatura de revenido de un acero obtener la dureza deseada. A mayor tenacidad dureza
menor
Cambio de propiedades en el revenido, para un acero AISI 4140
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AUSTEMPERADO •
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Se le conoce también con los nombres de austempering o austemple. Es un tratamiento térmico que reemplaza ventajosamente al ciclo temple – revenido en algunas piezas de algunos aceros.
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Es una transformación isotérmica de la austenita en la zona de 250 C – 600 C
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Con el austemperado se obtiene 100 % de bainita uniforme
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Ventajas del austemperado frente al ciclo temple – revenido •
Hay menor generación de esfuerzos residuales
•
Se obtienen propiedades más uniformes a lo largo de las piezas
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Se logra, para la misma dureza y resistencia final, mayor tenacidad y ductilidad en el acero.
Desventajas •
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El austemperado está limitado por el espesor de las piezas, pues solo es exitoso cuando el espesor es menor a 1 cm aproximadamente. En muchos aceros el tratamiento resulta oneroso, por los largos tiempos que requiere la transformación bainitica para producirse.
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RESUMEN DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS TOTALES
Diversos tratamientos térmicos totales
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Factores que influyen en el temple •
La velocidad de enfriamiento de una muestra depende de la rapidez de eliminación de energía térmica, que es función a su vez de:
Composición del acero.
Temperatura a la que hay que calentar.
Tiempo de calentamiento.
Velocidad de enfriamiento.
Características del medio donde se realiza el temple.
Tamaño y geometría de la muestra.
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Tipos de Temple •
Se pueden distinguir tres tipos de temple:
Temple normal
Martemple o martempering
Temple subcero
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Temple Normal •
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En el temple normal hay gran diferencia entre las temperaturas del centro y de la superficie de la pieza, en el momento en que en esta última comienza la transformación martensítica, de manera que se generan fuertes esfuerzos que eventualmente podrían fracturar la pieza. La generación de esfuerzos térmicos ( = E× × T) se puede evitar igualando la temperatura de la superficie y el centro, como se muestra en la figura (b), que corresponde al tratamiento de martemple.
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Martemple o martempering •
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El martemple se realiza enfriando violentamente la pieza en un horno de baño de sales que mantiene una temperatura apenas superior a Ms (inicio de la transformación martensítica). La pieza se mantiene en este horno justo el tiempo para alcanzar el vértice del diagrama TTT y después se retira y enfría libremente. Este tratamiento requiere conocer muy bien el diagrama TTT del acero y es aplicable sólo en los casos en que efectivamente es posible igualar las temperaturas del centro y de la superficie de la pieza en el tiempo que permite el diagrama, esto es, generalmente piezas pequeñas o de pequeño espesor. En caso que sea posible hacer este tratamiento, no se corre peligro de fractura de piezas.
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Temple Subcero •
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El temple subcero permite completar la transformación martensítica, que como se sabe, ocurre en enfriamiento en un rango de temperaturas. Este tratamiento se hace a aceros muy aleados, que por su composición tienen la temperatura Mf (término de la transformación martensítica) a una temperatura muy baja y que por lo tanto no tienen una transformación completa en el temple normal. Si no se completa la transformación por no llegar a Mf, queda austenita retenida, que es peligrosa, pues puede transformarse en martensita en situaciones no deseables.
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Forma de introducir las piezas en el baño de enfriamiento •
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Es importante para lograr un templado uniforme y evitar deformaciones en las piezas templadas que la posición de las piezas al ser introducidas en el baño se realice de la forma adecuada. Las piezas esbeltas, deberán introducirse de forma que la dimensión mayor se posicione verticalmente. Como ejemplos de este tipo de piezas, se pueden citar las brocas y los punzones.
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CALENTAMIENTO •
Existen cuatro posibilidades para calentar una pieza de acero.
Horno a la temperatura de austenización
Horno a temperatura superior a la de austenización
Horno frío
Horno a temperatura intermedia
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Horno a la temperatura de austenización
Donde: TH = Temperatura del horno TS = Temperatura de la superficie de la pieza TC = Temperatura en el centro T = Diferencia de temperatura entre la superficie y el centro de la pieza
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Horno a temperatura superior a la de austenización
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Horno frío
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Horno a temperatura intermedia
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Calentamiento •
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Las alternativas más usadas en la industria son las del horno a temperatura de austenización y el horno a temperatura intermedia, por haber un compromiso entre una diferencia de temperatura ( T) baja entre el centro y la superficie de la pieza, lo que reduce las posibilidades de distorsión en el calentamiento y un tiempo de mantenimiento corto a alta temperatura que reduce las posibilidades de oxidación de los aceros. Las características de estos calentamientos son:
Se usa en producción continua;
Produce la mayor velocidad de calentamiento, pero provoca la mayor diferencia de temperatura entre el centro y la superficie de las piezas;
Produce la menor diferencia de temperatura, pero se tiene el mayor tiempo de calentamiento;
Es usado principalmente en el temple de aceros de alta aleación, que requieren largos tiempos para descomponer los carburos, de allí que trate de reducirse el tiempo de mantenimiento a temperatura de austenización y se alargue el tiempo a temperaturas medias.
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Tiempo de Calentamiento •
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El tiempo de calentamiento depende del tamaño de las piezas; de su posición dentro del horno y por supuesto de la temperatura que se debe alcanzar. En la figura se muestra los tiempos relativos en relación a la posición de las piezas dentro del horno.
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Fig. Tiempos relativos para el calentamiento de piezas, según su disposición en el horno
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El valor de “k” depende de la temperatura de austenización, pero se acepta k = 5 min/cm, en aceros al carbono, para calentar desde temperatura ambiente hasta 850ºC, en un horno que está a esa temperatura. Para aceros muy aleados, este tiempo aumenta por su menor conductividad, pero para la mayoría de los aceros de baja aleación se considera que se calientan a igual velocidad que los aceros al carbono.
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MANTENCIÓN A TEMPERATURA AUSTENITICA •
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En esta etapa se homogeniza la composición de la austenita (que proviene de una ferrita casi sin carbono y de una perlita de 0.8% de carbono). En el caso de los aceros aleados, además deben disolverse los carburos (de cromo; manganeso; molibdeno; tungsteno y vanadio). Esto requiere más tiempo y a mayores temperaturas. La siguiente tabla indica los tiempos para homogenización, en minutos de la austenita en aceros al carbono.
En los aceros de alta aleación, se multiplica estos valores por 1,4. En caso de calentamiento en baño de sales, el tiempo de calentamiento se reduce a 1/3, pero el tiempo de homogenización de la austenita se mantiene.
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TRATAMIENTOS DE ENDURECIMIENTO SUPERFICIAL •
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TRATAMIENTOS SUPERFICIALES
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Modificar las propiedades de una capa delgada del acero, respecto a las propiedades del resto del volumen del material. Los tratamientos más comunes de este tipo persiguen endurecer la capa superficial, manteniendo la zona interior dúctil o tenaz Estas condiciones hacen que una pieza tratada pueda soportar fuerte abrasión y a la vez impactos, como ocurre por ejemplo en los troqueles de corte. Estos tratamientos no sólo dan alta dureza y resistencia al desgaste a las superficies de las piezas, sino que mejoran la resistencia a la fatiga y en el caso de la nitruración mejoran la resistencia a la corrosión
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Piezas a las que se les hace normalmente tratamientos superficiales
Engranajes
Ejes
Rodamientos
Camisas de cilindros
Superficies duras de diversas piezas
Etc.
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Combinación de propiedades que se obtiene con los tratamientos superficiales
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Principales Tratamientos Superficiales
Cementación (Carburación) Principales tratamientos superficiales
Nitruración Cianuración Temple Superficial
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Tratamientos Termoquímicos
A la Llama Por Inducción
Tratamientos Térmicos
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CEMENTACIÓN •
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Consiste en el endurecimiento de la superficie externa del acero al bajo carbono, quedando el núcleo blando y dúctil. Como el carbono es el que genera la dureza en los aceros en el método de cementado se tiene la posibilidad de aumentar la cantidad de carbono en los aceros de bajo contenido de carbono antes de ser endurecido. El carbono se agrega al calentar al acero a su temperatura crítica mientras se encuentra en contacto con un material carbonoso. La cementación se aplica a piezas que deben de ser resistentes al desgaste y a los golpes. Proporciona dureza superficial y resistencia. La temperatura usual de cementación es cercana a los 950ºC y la profundidad de este tratamiento depende del tiempo y de la dureza deseada. Una vez obtenida la capa exterior rica en C, se endurece por temple.
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Características de la cementación •
Endurece la superficie
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No afecta al corazón de la pieza
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Aumenta el carbono de la superficie
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El enfriamiento es lento y se hace necesario un tratamiento térmico posterior
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Los engranajes suelen ser piezas que se cementan
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Los tres métodos de cementación más comunes son: se introduce la pieza en una caja con una mezcla Cajas para carburación cementante (carbón vegetal + coque) se hace en hornos de baños de sales y se usa cianuro de sodio Baño líquido (NaCN) como agente cementante a una temperatura entre 850 a 950 ºC. se introduce la pieza en hornos con una atmósfera Cementación gaseosa controlada, compuesta por un gas portador (N, H, CO) y un gas carburante (metano, propano o gas natural)
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NITRURACIÓN •
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Consiste en enriquecer la superficie de la pieza en nitrógeno calentándola en una atmósfera específica a temperatura comprendida entre 500 y 580 ºC, formándose una capa de muy poca profundidad, pero de dureza muy superior a la capa de cementado. Durante el proceso no hay deformaciones y obtenemos una mayor resistencia a la corrosión.
Características generales de la nitruración • • • • • •
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Endurece la superficie de la pieza Aumenta el volumen de la pieza Se emplean vapores de amoniaco Es un tratamiento muy lento Las piezas no requieren ningún otro tratamiento Es aplicable a aceros inoxidables, aceros al cromo níquel y ciertas fundiciones al aluminio o al cromo No es aplicable en aceros al carbono no aleados, ya que el nitrógeno penetra rápidamente en la superficie de la pieza y la capa nitrurada puede desprenderse
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CIANURACIÓN •
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Consiste en endurecer la superficie exterior de las piezas introduciendo carbono y nitrógeno. Posteriormente hay que templar las piezas. Es parecida a la cementación líquida, pero se realiza a temperaturas más bajas y se usa una mayor concentración de cianuro en la mezcla de sales (760 a 870 ºC) Produce una capa más profunda, más rica en C y menos N.
Ventajas Eliminación de oxidación Profundidad de la superficie dura y contenido de C uniformes Gran rapidez de penetración • • •
Desventajas Lavado de las piezas posterior al tratamiento para prevenir la herrumbre Revisión de la composición del baño en forma periódica Alta peligrosidad de las sales de cianuro, dado que éstas son venenosas. • • •
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TEMPLE SUPERFICIAL A LA LLAMA •
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En este tratamiento el calentamiento rápido se hace generalmente con una llama de oxiacetileno, que puede ser producida por un soplete único; por un arreglo de varios sopletes o por boquillas especialmente diseñadas. La profundidad de la capa endurecida depende del tiempo de calentamiento; la velocidad de la llama y de la temperatura de llama, es decir de la relación oxígeno/acetileno. Se requiere de alta habilidad del operador, para no sobrecalentar el acero, pues esto generaría un crecimiento excesivo de grano y mucha fragilidad en la capa endurecida.
Ventajas Se puede transportar fácilmente el equipo Se puede hacer tratamiento localizado en algunas zonas de la pieza Se puede tratar piezas grandes y se puede hacer el tratamiento después del acabado de las piezas. • • •
Desventajas La posibilidad de decarburar la superficie de la pieza, pues las llamas más calientes son oxidantes y decarburantes La posibilidad de sobrecalentar las piezas y el poco control del espesor templado. •
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Temple a la llama
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TEMPLE SUPERFICIAL POR INDUCCIÓN DE CORRIENTE •
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El proceso es similar al temple a la llama, excepto en que el calentamiento superficial de las piezas de acero se produce por inducción de corriente o corrientes parásitas. Como el acero tiene una resistividad relativamente alta y las corrientes circulan por la superficie del conductor, la superficie del acero se calienta rápidamente. Si inmediatamente después de calentada la superficie del acero, se enfría violentamente, sólo la zona superficial templa.
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Los aceros recomendados para temple por inducción deben tener un contenido de carbono comprendido entre 0.4 y 0.5%. Si el contenido es mayor, hay peligro de formación de microgrietas en piezas de pequeño diámetro y si es menor, puede no alcanzarse la suficiente dureza. El calentamiento hasta la temperatura de austenización demora unas pocas décimas de segundo y generalmente es superior a la de los hornos normales. La velocidad de calentamiento en todo caso no se produce a velocidad uniforme. En el temple superficial por inducción no hay decarburación del acero y el espesor templado se puede controlar con más exactitud que en el temple a la llama. El mayor inconveniente de este proceso es que debe disponerse de espiras que se adapten a la forma de las piezas y eso es difícil para piezas de forma compleja.
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