TRATAMIENTO DE LOS METALES UNIDAD 1:TRATAMIENTOS TRMICOS DE LOS ACEROS1. INTRODUCCIN Los tratamientos trmicos son un conjunto de calentamientos y enfriamientos controlados de un material, con el objeto de modificar alguna o algunas de sus propiedades. En el acero, la mayora de los tratamientos trmicos supone un calentamiento hasta temperatura austentica, seguido de una mantencin a dicha temperatura, de manera de lograr una estructura de 100% austenita homognea y posteriormente de un enfriamiento a la velocidad adecuada para obtener las propiedades que se desea. Los tratamientos trmicos traen aparejado una modificacin en la estructura granular (o microestructura) del acero y un cambio en las propiedades mecnicas principalmente. Existen varios tipos de tratamientos trmicos, a saber: Aquellos en que slo hay modificacin de estructura (y propiedades) Aquellos en que adems hay cambio de composicin. Para diferenciarlos de los anteriores, se les denomina tratamientos termoqumicos Aquellos en que durante el cambio estructural se le hace deformacin plstica al acero. As se logra una suma entre el efecto de la modificacin estructural y la acritud que produce la deformacin plstica. A este tipo de tratamientos se les denomina termomecnicos La modificacin en propiedades, puede corresponder a: - Un endurecimiento del acero (temple; austemperado; normalizado) - Un ablandamiento del acero (recocido de regeneracin; recocido de alivio de tensiones; recocido de globulizacin; revenido) - Un aumento de la tenacidad del acero (temple revenido; austemperado) - Un aumento de la dureza superficial, manteniendo o aumentando la tenacidad en el resto del volumen (tratamientos termoqumicos de cementacin, seguida de temple; cianuracin seguida de temple; nitruracin; boracin) - Un incremento de la resistencia a la fatiga (Temple revenido; austemperado; cementacin temple; nitruracin) - Un incremento de la resistencia a la corrosin (nitruracin; calorizado; cromatizado) Los aceros responden excepcionalmente bien a los tratamientos trmicos, debido a que el hierro presenta cambios alotrpicos. De estos, el ms importante ocurre entre 910 y 729C, para los aceros hipoeutectoides (de menos de 0.8% de carbono) y entre 1100 y 729C, para los aceros hipereutectoides. Este cambio alotrpico corresponde al cambio de estructura FCC, que tiene a temperaturas altas, a una estructura BCC, a temperaturas menores. A esto se agrega una reaccin del tipo eutectoide, que ocurre alrededor de los 729C (dependiendo de la cantidad de aleantes y de la velocidad de enfriamiento del acero) Ciclos trmicos Cualquier tratamiento trmico puede representarse en coordenadas Temperatura tiempo, como se muestra en la figura 1. Temperatura (T) 2 1m1

Figura 1 3m3

1: Calentamiento 2: Manutencin a T = cte. 3: Enfriamiento m1: Velocidad de calentamiento m2: Velocidad de enfrriamiento

tiempo

(t)

NOTA: m1 y m3 pueden ser variables y las etapas 1 y 3, pueden ser divididas en etapas, como se muestra en las figura 2

T

T

tiempo

tiempo

Figura 2. (a) Calentamiento escalonado; enfriamiento natural. (b) Calentamiento rpido; enfriamiento escalonado Tambin se puede representar la combinacin de dos o ms tratamientos, como se muestra en la figura 3.

TTemperatura de austenizacin

temple

revenido

tiempo

Figura 3 Ciclo temple - revenido

Lneas de temperatura crtica en el diagrama hierro carburo de hierro. Si se ampla la zona del diagrama Fe Fe3C, correspondiente a los aceros, en el rango de temperaturas entre 600 y 1100 C, tal como se muestra en la figura 4, se puede identificar las lneas como se indica:

Am A3

Ac3 Ac1

Acm Arm Ac3,1

A1

A3,1 Ar3 Ar1 (c)

Ar3,1

(a)

(b) Figura 4 Lneas de temperatura critica

En la figura 4.a se representa la zona del diagrama Fe Fe3C en que se considera las lneas crticas. Estas se muestran en la figura 4.b. A3 indica la lnea que separa la zona monofsica de la bifsica + . A1 es la lnea que separa la zona bifsica + de la zona + Fe3C. Am es la lnea que separa la zona monofsica de la bifsica + Fe3C. Y por ltimo, A3,1 representa la lnea que separa las zona bifsica + Fe3C de la zona + Fe3C. La figura 4.c muestra como estas lneas se desplazan hacia arriba en el calentamiento y hacia abajo en el enfriamiento. En estos caso al subindice que identifica la lnea, se le antepone la letra c en el caso de calentamiento y r en el caso de enfriamiento. Estas letras provienen de las palabras francesas chauffage (calentamiento) y refroidissement (enfriamiento). Para austenizar un acero, es decir, para calentarlo hasta la zona , es necesario superar la temperatura correspondiente a la lnea Ac3 en los aceros hipoeutectoides, por ejemplo. La posicin de las lneas crticas no slo se ve afectada por la velocidad de calentamiento o de enfriamiento, sino tambin por la cantidad de elementos aleantes que tenga el acero. El cromo; el tunsteno; el silicio y el molibdeno desplazan hacia arriba las lneas criticas, mientras que el nquel y el manganeso las bajan. Ejemplo: Suponiendo que las lneas crticas se desplazan unos 20 C hacia arriba, en un calentamiento normal, se austeniza los aceros hipoeutectoides hasta unos 25 C por encima de A3, para templarlos. Haciendo esta consideracin, determinar la temperatura de austenizacin de un acero AISI 1060, para luego ser templado.Solucin: (Ver figura 5) 910 C

Suponiendo que la lnea A3 se aproxima a una recta, se tiene dos tringulos semejantes y se puede plantear:x 910 729 = 0.8 0.6 0.8 0

x729 C

181 x = 45.25 C 0.8 Tterica = 729 C + x = 774.25 C La temperatura de austenizacin es: Taus = Tterica + 25 C = 799.25 C 800 C x = 0.2 0.6 %C 0.8 %C

0%C

Curvas de enfriamiento en diagramas TTT Aunque los diagramas TTT se han construido para transformaciones isotrmicas, a menudo se superpone curvas de enfriamiento continuo, para inferir la transformacin que se obtendr y as asociar ese enfriamiento con u tratamiento trmico convencional. Esto se muestra en la figura 6. Ciclo trmico T1

Taus recocido

1

Curvas de enfriamiento

Aperlita

TC

A*

temple tiempo

martensita

log t

Figura 6 (a) Ciclo trmico para un recocido de regeneracin y para un temple, (b) Superposicin de la etapa de enfriamiento, en ambos tratamientos, a un diagrama TTT

Las curvas de enfriamiento mostradas en la derecha, son de velocidad constante, aunque no lo parecen, debido a que la escala de las abscisas es logartmica (log t). Para dibujar estas curvas se usa la expresin: T = Taus ve t , en que ve es la velocidad de enfriamiento. Se usa un valor constante o promedio de la velocidad de enfriamiento para simplificar. Es claro que la curva de enfriamiento a alta velocidad produce martensita y corresponde a un temple y la curva de baja velocidad produce perlita gruesa, es decir, es un recocido de regeneracin. Diagramas TTT (explicacin adicional)Austenita estable Austenita Inestabletransformacin de Zona

Ac1 Perlita gruesa

A+F+C

Perlita fina Bainita superior

Temperatura

Productos finales + Fe3C

Austenita Inestable

Bainita inferior

Austenita inestable + martensita tiempo (escala logartmica)

Figura 7. Diagrama TTT de un acero eutectoide. (0.8 %C) (no hecho a escala) Este diagrama nos da la siguiente informacin: A medida que se baja la temperatura ( en le rango 722C a 550C) la transformacin (a Ferrita + Cementita) se hace cada vez mas rpida En el rango 550C a 215 C, sucede lo inverso, es decir la reaccin se hace mas lenta segn desciende la temperatura. A 215C se inicia la transformacin martenstica.

Lo anterior puede explicarse as: Existen dos fuerzas que gobiernan la transformacin austentica. La primera es la tendencia de cualquier sistema termodinmico a llegar a un punto de equilibrio, si est en un estado de no equilibrio. La segunda fuerza se opone a la transformacin. Esta fuerza es la dificultad de los tomos para moverse (difundir) en el estado slido. Ambas fuerzas crecen con la disminucin de temperatura, pero la segunda crece mas rpidamente, de modo que desde 550C hacia abajo empieza a tener preponderancia y a retardar la reaccin. La zona de la derecha del diagrama TTT esta formada como ya sabemos por ferrita y cementita. Esta zona se puede dividir en cuatro sub-zonas segn como estn distribuidas la ferrita y la cementita. (ver figura 8) Desde MS hacia abajo empieza a aparecer la fase martensita MS, M50, M90, Mf son lneas rectas horizontales, pues como ya dijimos, estas son temperaturas invariantes (no dependen de la velocidad de enfriamiento).

729C

Ac1

A*A+F+C Perlita de grano fino

Perlita de grano grueso

11 32 40 41 43 Dureza (Rockwell C) 38

Bainita superior (arborescente) Temperatura

A*50% transformacin

Bainita inferior (acicular)

50 55 57

215C

Ms M50 M901 10 2 10 4

tiempo (seg)

Figura 8. Diagrama TTT de un Acero eutectoide. (Detallado) Hasta el momento hemos trabajado con el diagrama TTT de un acero eutectoide, por la facilidad de anlisis. Veamos como es dicho diagrama para otros aceros. Sabemos que al enfriar aceros hipoeutectoides, antes de la reaccin eutectoide se forma proeutectoide, pues bien, en un diagrama TTT debe aparecer la zona en que se genere esta ferrita proeutectoide. Esto se muestra en la figura 9.a. El diagrama TTT de aceros hipereutectoides se muestra en la figura 9.b. Ntese que este diagrama existe una zona en que hay equilibrio entre austenita inestable y cementita proeutectoide antes de la zona de transformacin isotrmica de la austenita en los productos finales (F + C).Austenita Ac3 Ac1 Temperatura (C) Austenita Acm Ac3,1 A*F+C F+C

A+FTemperatura (C)

A+C A*

A*A*F+C F+C

A* + Mlog t

A* + Mlog t

Figura 9. Diagramas TTT. a) Acero Hipoeutectoide. b) Hipereutectoide. Conviene hacer notar desde ya que la posicin de la nariz de un diagrama TTT, que es quien determina la velocidad critica de temple, estar tanto mas alejada hacia la derecha, cuanto mayor sea el contenido de carbono del acero. Por otra parte la presencia de elementos de aleacin, tambin desplaza hacia la derecha la nariz del diagrama y adems modifica su forma. El efecto combinado se advierte en la figura 10. Diagramas de transformacin continua de la austenita: diagramas tc o cct. En la mayora de los tratamientos trmicos el enfriamiento es continuo, de manera que las transformaciones se hacen durante un descenso de la temperatura. Esto hace que no se puede explicar tales transformaciones con los diagramas TTT. Para explicar lo que realmente sucede en un enfriamiento continuo, se han desarrollado

una serie de diagramas ( cada uno de ellos valido para un acero en particular), a los que se denomina genricamente Diagramas TC o diagramas CCT, es decir, diagramas de enfriamiento continuo. La figura 11 muestra el diagrama CCT, ce un acero eutectoide.A1

Temperatura

Temperatura

Fin de la transformacin

23 C/seg 100% Martensita

150 C/seg

100% Perlita

log t

Tiempo (escala logartmica)

Figura 10

Figura 11

El uso de estos diagramas es bastante sencillo, pues basta trazar sobre el una curva de enfriamiento continuo, para determinar la estructura que se obtiene a temperatura ambiente. En el diagrama anterior se han trazado varios curvas de enfriamiento, las que nos dan tres rangos de velocidad de enfriamiento: Para enfriamiento a velocidades mayores que 150 C/seg, se obtiene una estructura 100 % martenstica. Para velocidades de enfriamiento inferiores a 32 C/seg, se obtiene una estructura 100% perltica. Para velocidades de enfriamiento que estn entre las ya sealadas, se obtiene una mezcla de martensita y perlita nodular.

Ntese que en un acero eutectoide es imposible obtener bainita, enfriamiento continuo a velocidad constante. El uso de los diagramas TC es sencillo, pero su construccin es muy complicada, por esta razn no se dispone de ellos para todos los aceros. Para obviar esta dificultad, se superponen curvas de enfriamiento continuo a diagramas TI, a pesar de que ello constituye un error conceptual. Veremos ahora la relacin que existe entre u diagrama TC y un diagrama TTT del mismo acero, superponiendo ambos diagramas solo para tranquilizar nuestra conciencia, al demostrar que el error que se comete al emplear diagramas TTT en un enfriamiento continuo no es tan grande.

TEMPERATURA

DIAGRAMA TTT DIAGRAMA CCT

Figura 12. Superposicin de Diagramas.

log t

Del anlisis de la figura anterior, podemos concluir que las lneas de comienzo y fin de la transformacin austentica estn ligeramente desplazadas hacia abajo y hacia la derecha en el diagrama TC respecto al diagrama TTT. Esto indica que en enfriamiento continuo, las transformaciones se hacen a menor temperatura y en mayor tiempo que a temperatura constante. Por esta razn el error que se comete al emplear diagramas TTT, para interpretar un enfriamiento continuo es casi favorable al experimentador, pues se comete errores por exceso de calculo de las velocidades de enfriamiento. Para terminar con los diagramas de transformacin de la austenita, superpondremos curvas de enfriamiento continuo al diagrama TTT de un acero eutectoide y revisaremos las estructuras obtenidas. Esto se hace en la figura 13.

PERLITA GRUESA PERLITA MEDIA PERLITA FINA

Temperatura

V.C.T.

PERLITA + MARTENSITA 100 % MARTENSITA

log t Figura 13. Curvas de enfriamiento en un diagrama TTT.Nota: VCT es velocidad crtica de temple

RECOCIDO Los recocidos tienen por objeto, entre otros, ablandar los aceros para mejorar su maquinabilidad; regenerar su microestructura y aliviar tensiones. Los tipos de recocido ms comunes son: 1) Recocido de regeneracin 2) Recocido subcrtico o de alivio de tensiones 3) Recocido de proceso 4) Recocido de globulizacin. En la figura 14, se muestran los ciclos trmicos de estos tratamientos.

T4 3 2 1

A3 A3,14

Figura 14 Ciclo trmico para diversos tripos de recocido de aceros

tiempo

Recocido de regeneracin: Se austeniza entre 20 y 30C sobre A3, en los aceros hipoeutectoides o A3,1 en los hipereutectoides. Despus se hace enfriamiento lento, a menudo dentro del mismo horno en que se calent. Su objeto es regenerar la estructura del acero y ablandarlo. Recocido de alivio de tensiones: Se calienta el acero hasta temperaturas comprendidas entre 550 y 650 C y despus se enfra normalmente. Tiene por objeto eliminar las tensiones residuales provocadas por deformacin en fro. Recocido de proceso: Es muy parecido al recocido anterior, pero nel calentamiento se hace hasta temperaturas entre 650 y 700 C, aproximadamente. Su objeto es tambien eliminar las tensiones residuales provocadas por una deformacin plstica previa, pero se asegura una recristalizacin total que ablande al mximo 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 caso de la trefilacin y el trabajo de lmina. Recocido de globulizacin. Se puede hacer de dos maneras, la primera calentando y manteniendo el acero por largo tiempo a una temperatura inmediatamente inferior a A3,1 A1, o bien dando un ciclo de calentamientos y enfriamientos alternados alrededor de estas lneas. Con este tratamiento se consigue una estructura de glbulos de cementita en una matriz ferrtica. Este tratamiento es especialmente aplicable a los aceros hipeeutectoides, para eliminar la red de cementita que rodea islas de perlita en los aceros con recocido de regeneracin. As se aumenta la maquinabilidad de esos aceros. Tambin se aplica a los aceros de alta aleacin, con el mismo objeto, como condicin comercial. Comercialmente se denomina a este tratamiento recocido blando. Recocido isotrmico: Se calienta el acero hasta temperaturas similares a las del recocido de regeneracin, se mantiene a esa temperatura para homogenizar la austenita y luego es enfra violentamente a una temperatura un poco menor a la crtica para mantenerlo a esta hasta lograr una transformacin isotrmica de la austenita en perlita + ferrita o perlita + cementita, segn sea el acero. El objeto de este tratamiento es obtener perlita de grosor uniforme. En las figura 15.a y 15.b se muestran un ciclo trmico y la curva de enfriamiento correspondiente a este tratamiento. T T

tiempo (a) (b)

tiempo

Figura 15 R.R. R.G. R.P. R.A.T (a) Ciclo trmico del recocido de globulizacin. (b) Curva de enfriamiento correspondiente al mismo tratamiento. (c) Zonas de calentamiento para diversos tipos de recocido

(c)

NORMALIZADO Para hacer un normalizado se calienta el acero hasta unos 50 C por encima de A3 por encima de A3,1 , segn si el acero es hipo o hipereutectoide, seguido de una mantencin 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 transformacin martenstica. Su objeto es afinar y homogenizar el grano del acero, por lo que es un tratamiento imprescindible antes del temple de aceros de herramientas. Los aceros de baja aleacin se normalizan en forma natural despus de su conformado en caliente, de all el nombre de este proceso. En la figura 16.a se muestra una comparacin entre las zonas de calentamiento del normalizado y del recocido de regeneracin y el la figura 16.b se muestra una comparacin entre los ciclos trmicos del recocido de regeneracin; del normalizado y del temple. T N TRec. de regeneracin

R.R.

Normalizado Temple

%C (a) (b)

tiempo

En la figura 17.a se muestra una comparacin cualitativa entre la perlita obtenida por recocido y por normalizado y en la figura 17.b se muestra una microfotografa de ambas.

Recocido

Normalizado

(a) Figura 17. Comparacin entre el grosor de la perlita en recocido de regeneracin y en normalizado (b)

En la tabla 1 se muestra una comparacin cualitativa entre las propiedades obtenidas con un recocido de regeneracin y con un normalizado.

Propiedades Dureza Resistencia mecnica Ductilidad Tenacidad Resistencia a la fatiga Tamao de grano Grosor de la perlita

Normalizado Mayor Mayor Menor Mayor Mayor Menor Menor

Recocido de regeneracin Menor Menor Mayor Menor Menor Mayor Mayor

Tabla 1 Comparacin cualitativa entre las propiedades obtenidas con el normalizado y el recocido de regeneracin

TEMPLE El temple consiste en calentar y homogenizar la austenita de un acero en la misma forma que se hace en un recocido de regeneracin y a continuacin darle un enfriamiento rapido, de manera de lograr la transformacin martenstica. Esto se mostr en las figuras 6 y 13. Su objeto es endurecer y aumentar la resistencia mecnica de los aceros. Este endurecimiento se logra como muestra el esquema mostrado en la figura 18.

AustenitaEstructura: Propiedades:

enfriamiento rpido

Martensita BCTFrgil, dura y con altas tensiones residuales

FCCTenaz y dctil Figura 18 Esquema de la transformacin martenstica

Condiciones de un temple Se considera un buen temple, aquel que conduce a una transformacin martenstica lo ms cercana al 100%, pero se considera aceptable, segn los requerimientos de la pieza templada o las dificultades del proceso de temple, una transformacin superior al 50%. No se logra un 100% de transformacin si: - No se supera la velocidad crtica de temple - Queda austenita retenida (sin transformar), debido a que en el enfriamiento no se alcanza la temperatura de finalizacin de la transformacin martenstica (Mf). Esto ocurre en los aceros muy aleados y de alto carbono. En la figura 19 se muestra grficamente porqu no se logra 100% de transformacin martenstica y la relacin entre el comienzo de dicha transformacin con el contenido de carbono del acero.T

400 C

Ms 0C Mftemperatura ambiente 100 C 0.8%C 1.4%C

log t

Figura 19 (a) Transformacin martensitica parcial. (b) Relacin entre Ms y %C en aceros al carbono

Prctica del temple Como se muestra en el ciclo trmico del temple, existen tres etapas: calentamiento para austenizar; mantencin a temperatura elevada para homogenizar la austenita y enfriamiento rpido. De las tres etapas, la ms importante es la ltima, pues all ocurre la transformacin martenstica, pero las dos primeras etapas no dejan de tener importancia.T 2temperatura crtica

1: Calentamiento Austenizacin 2: Mantencin 3: Enfriamiento

1 3

tiempo

Figura 20 Ciclo trmico del temple Calentamiento Existen cuatro posibilidades para calentar una pieza de acero. Ellas se muestran en la figura 21. T TH TS TC TS T TC T THSuperficie (s)

xT tiempo (b) Horno a temperatura superior a la de austenizacin T Significado de las siglascentro ( c )

tiempo (a) Horno a la temperatura de austenizacin T TS TC

pieza modelo

TH

TH TS TC T tiempo tiempo (d) Horno a temperatura intermedia

T

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

(c) Horno fro

Figura 21 Posibilidades de calentamiento y cambio de temperatura en las piezas, en el tiempo

Las alternativas (a) y (d) son las ms usadas en la industria, 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 distorsin en el calentamiento y un tiempo de mantencin corto a alta temperatura que reduce las posibilidades de oxidacin de los aceros. Las caractersticas de estos calentamientos son: (a) Se usa en produccin continua; (b) Produce la mayor velocidad de calentamiento pero provoca la mayor diferencia de temperatura entre el centro y la superficie de las piezas; (c) Produce la menor diferencia de temperatura, pero se tiene el mayor tiempo de calentamiento; (d) Es usado principalmente en el temple de aceros de alta aleacin, que requieren largos tiempos para descomponer los carburos, de all que trate de reducirse el tiempo de mantencin a temperatura de austenizacin y se alargue el tiempo a temperaturas medias. Tiempo de calentamiento El tiempo de calentamiento depende del tamao de las piezas; de su posicin dentro del horno y por supuesto de la temperatura que se debe alcanzar. En la figura 22 se muestra los tiempos relativos en relacin a la posicin de las piezas dentro del horno. D

(a) (b)

( D) (c) (l)

(e)

a