Procesos de fabricación

Dr. Víctor castellano

Tratamientos térmicos del acero

Rodriguez amado ian miguel 13250984

Instituto Tecnológico deInstituto Tecnológico de Tlalnepantla Tlalnepantla

Resumen:

Las piezas durante el servicio pueden verse afectadas por la corrosión,

entendida esta como la destrucción de materiales a consecuencia de

reacciones químicas o electroquímicas con el medio que las rodea (según

DIN 50900)

La corrosión química es debida a la descomposición superficial de la

pieza por reacciones con ciertas sustancias (humedad, ácidos, lejías,

soluciones salinas) en las que desempeña un papel importante el oxígeno

y la oxidación.

Para que se produzca corrosión electroquímica tiene que existir un

líquido conductor de la electricidad (agua, humedad.), un electrolito, entre

dos metales. Formando así lo que se llama un elemento galvánico, donde

el polo es corroído. Este elemento galvánico puede originarse por el

contacto de dos metales distintos sin capa aislante intermedia (corrosión

intercristalina), por existir grietas internas en el metal (corrosión de

contacto), por estar la estructura del metal constituido por cristales de

diferentes sustancias (corrosión intercristalina), por existir grietas

internas en los cristales del metal, provocando tensiones eléctricas en las

partes del cristal (corrosión transcristalina)

TRATAMIENTOS TERMICOS DEL ACERO

ÍNDICE

1.- INTRODUCCIÓN

2.- TRATAMIENTOS TÉRMICOS

2.1.- RECOCIDO

2.2.- TEMPLE

2.2.1.- TEMPLABILIDAD

2.3.- REVENIDO

1.- INTRODUCCIÓN

¿Qué importancia tienen los tratamientos de los metales en tecnología?,

¿Qué clase de tratamientos existen?, ¿Qué es la corrosión?, ¿Cómo se

atenúa la corrosión en los metales?,... estas y otras preguntas las

contestaremos a lo largo del desarrollo del tema.

Los metales, sobre todo los aceros y sus aleaciones, tal como se

encuentran en el comercio, después de su proceso de obtención, colada,

solidificación y forja, no tienen la estructura adecuada para conseguir las

mejores características de utilización. Por ello es preciso someterlos a

una serie de tratamientos que puedan modificar la estructura interna o

únicamente la composición superficial y así modificar las propiedades

mecánicas (dureza, resistencia a la fatiga, resiliencia,...) de las piezas,

acorde con el uso posterior que se haga de ellas.

También puede suceder que la corrosión conduzca a la formación de

pequeñas grietas, que al estar la pieza sometida a tensiones mecánicas,

estas actúan como entalladuras que pueden provocar la rotura de la pieza

(corrosión con formación de grietas existiendo tensiones mecánicas).

Debido a todas estas reacciones las piezas deben someterse a

procedimientos anticorrosivos que tiendan a alargar la vida de

funcionamiento.

2.- TRATAMIENTOS TÉRMICOS

Los tratamientos térmicos tienen por objeto modificar la estructura de los

materiales metálicos mediante el ciclo de calentamiento y enfriamiento.

Esto permite modificar ciertas propiedades, sobre todo mecánicas,

relacionadas con la estructura de los metales.

Sólo son susceptibles de tratamientos térmicos las aleaciones que

experimentan transformaciones en estado sólido.

Estos tratamientos térmicos se aplican principalmente en los aceros. Es

preciso, para comprender las transformaciones de la estructura de un

acero, conocer sus componentes estructurales. Las variaciones de las

propiedades vienen dadas en función del contenido de carbono, según el

contenido de carbono se distinguen tres tipos de aceros:

- Eutectoide (del griego: igualado, nivelado): acero con un 0,86% de C que

tiene una cantidad equilibrada de cristales de hierro (ferrita, estructura

centrada en el centro que tiene un átomo de hierro en los ocho vértices

del cubo y un átomo de hierro en el centro) y carburo de hierro

(cementita) que forman cristales homogéneos e uniformes denominados

perlita.

- Hipoeutectoide: acero con menos del 0,86% de C, contiene poco carbono

para formar la estructura perlita por lo que queda ferrita sobrante

formando una estructura no equilibrada llamada ferrita-perlita.

- Hipereutectoide: acero con más de 0,86% de C, todos los cristales de

hierro se emplean en formar perlita quedando carburo de hierro

(cementita) sobrante dando una estructura no equilibrada que se designa

con el nombre de perlita-cementita.

Los diferentes estados de la estructura, que son dependientes del

contenido de C y de la temperatura, aparecen representados en el

diagrama hierro-carbono de la figura 41.1.

Figura 41.1.- Diagrama hierro- carbono

En el caso del acero eutectoide se realiza la transformación de estructura

al llegar a los 723C. En este punto se descompone la perlita y el carbono

se disuelve completamente en el hierro. La nueva estructura formada se

llama austenita (estructura centrada en las caras pues tiene los átomos de

hierro distribuidos en los vértices del cubo y en el centro de las caras,

dejando el interior del cubo hueco de forma que el átomo de carbono se

pueda alojar en el interior).

En los aceros hipoeutectoides al llegar con el calentamiento a los 723 C

(Línea P-S) pasa toda la perlita a austenita mientras que la ferrita restante

sólo se transforma en austenita en el campo de temperaturas

comprendidas entre las líneas P-S y G-S.

En los aceros hipereutectoides cambia su estructura en la línea S-K. La

perlita pasa a austenita y la cementita se transforma en austenita en el

campo de temperaturas G-S-K.

En el enfriamiento lento vuelve la estructura, liberando los átomos de

carbono, a su estado de partida. Pero si se enfría bruscamente desde

temperaturas por encima de la línea GSK, se formará una red centrada en

el centro y a los átomos de carbono no les dará tiempo para salir del

interior de los cubos en los que se

Hallaban. La coexistencia del átomo de hierro y del carbono en el interior

refuerza la red cristalina proporcionando al acero una mayor dureza. Esta

estructura recibe el nombre de martensita.

La primera fase de todo tratamiento térmico consiste en calentar la pieza

de acero desde la temperatura ambiente hasta la temperatura deseada,

siendo ésta, la mayor parte de los tratamientos térmicos de los aceros, la

temperatura a la cual se obtiene una estructura austenítica en el acero.

El calentamiento hasta la temperatura de austenización debe conducirse

de forma que no se establezcan elevadas diferencias de temperatura entre

la periferia y el núcleo de la pieza, pues de lo contrario, como

consecuencia de la desigual dilatación de ambas zonas, pueden

engendrar elevadas tensiones que originen grietas. Por tanto, se debe

aumentar la temperatura con una velocidad de calentamiento que es

función del espesor máximo de la pieza a calentar.

La homogeneidad en la estructura austenítica permaneciendo un tiempo

en la temperatura de austenización. Ese tiempo es función del espesor de

la pieza y de su composición.

Temperatura de calentamiento y tiempo de permanencia son dos factores

a tener en consideración en la fase de calentamiento pues un exceso de

ambos puede producir estructuras de acero no deseadas, como puede

ser el acero sobrecalentado (debido al aumento de uno de los dos

factores se produce un aumento en el tamaño del grano austenítico) o el

acero quemado (por exceso de temperatura de calentamiento se produce

una fusión en los bordes de los granos que facilita la oxidación

intergranular, fig.41.2).

La elección del dispositivo de calentamiento debe ser de forma que:

A) Se pueda alcanzar en él la temperatura adecuada con una velocidad de

calentamiento más conveniente.

B) La temperatura de las piezas colocadas en su interior es uniforme.

C) Se pueda mantener constante la temperatura (±5C) durante el tiempo que

se desee.

D) Su atmósfera será tal que las piezas durante el calentamiento no

experimentaran oxidación o descarburación aparente.

Una clasificación de los dispositivos de calentamiento, atendiendo a la

relación entre el metal y el hogar, será:

1) Hornos en que el metal se halla en contacto con el combustible o su

llama: fragua, sopletes,...

2) Hornos en que el metal no está en contacto con la llama pero sí con los

gases de combustión: horno de cámara.

3) Hornos en que el metal no está en contacto con la llama ni con los gases:

mufla y eléctricos.

La segunda fase del tratamiento térmico es el enfriamiento de la pieza,

dependiendo de como se lleve a cabo nos podemos encontrar con los

siguientes tratamientos:

2.1.- Recocido

Tratamiento térmico en el que la austenita, enfriada lentamente, se

transforma en los constituyentes más estables. Se emplea para:

homogeneizar la estructura, afinar el grano, facilitar el mecanizado,

eliminar la acritud que produce el trabajo en frío, las tensiones internas y

modificar las propiedades físicas y químicas.

El enfriamiento lento se consigue dejando la pieza en el interior del horno

y regulando automáticamente la disminución de la temperatura, o bien

apagando y dejándolo enfriar a la temperatura ambiente. También puede

hacerse sacando la pieza del horno e introducirla en baños fundidos

(sales o metales) donde se regula el enfriamiento, o recubriéndolas con

arenas o cenizas calientes.

Según el fin que nos propongamos, se distinguen los siguientes tipos de

recocido:

- Recocido homogéneo: Para destruir las heterogeneidades químicas

(segregaciones de carbono, azufre y fósforo) que se originan durante la

solidificación. En este caso la temperatura de calentamiento es muy

elevada obteniéndose acero sobrecalentado que hay que regenerar.

- Recocido de regeneración: Se da a los aceros sobrecalentados para afinar

el tamaño de grano y cuando se desee destruir el efecto de un tratamiento

térmico mal efectuado.

- Recocido de ablandamiento: Se efectúa cuando hay necesidad de

mecanizar piezas de acero templadas, con objeto de quitarles la dureza y

facilitar la operación de mecanizado.

- Recocido de estabilización: Se da después de los trabajos de forja,

laminado y mecanizado, así como a las piezas fundidas, para eliminar las

tensiones internas, pero sin llegar a ablandarse demasiado.

- Recocido isotérmico: Consiste en enfriar las piezas, en estado austenítico,

en un baño de sales, dejándolas allí hasta que la austenita pasa a perlita.

Conseguido esto, se enfría al aire. Es más rápido que los de enfriamiento

continuo.

2.2.- Temple

Tratamiento térmico en el que la austenita, enfriada lentamente, no sufre

una regresión estructural sino que se transforma en martensita de mayor

dureza.

Con este tratamiento se pretende modificar las propiedades físicas

(magnetismo remanente y resistencia eléctrica) y químicas ( los aceros

templados resisten mejor que los aceros recocidos, la acción de ciertos

ácidos).

Las piezas se enfrían cediendo calor al medio de enfriamiento, a través de

su superficie, con tanta mayor velocidad cuanto mayor es la diferencia de

temperaturas entre ambas. Esta velocidad de enfriamiento depende de

una constante, M, denominada coeficiente de película o conductividad

térmica de la entre cara ( su valor es función del estado de la superficie de

la pieza, de la naturaleza de la capa de la entrecara, temperatura inicial del

medio, de su volumen, viscosidad, densidad, calor latente de

vaporización, temperatura de ebullición y conductibilidad calorífica) y de

la temperatura, dimensiones y conductibilidad térmica, K, de la pieza.

La eficacia del medio se mide por su severidad de temple, definida por la

expresión:

H= M/2K, que regula la velocidad de enfriamiento en la superficie de la

pieza.

La distribución de temperaturas (o velocidad de enfriamiento) en el

interior de la pieza depende del producto HD, donde D es el diámetro de

redondo equivalente ( suponemos la pieza de forma cilíndrica y de

longitud muy superior al diámetro D, cuyo núcleo o eje se enfría con la

misma velocidad que el punto de la pieza que lo hace con menor

velocidad de enfriamiento).

Los medios de enfriamiento más usuales son:

a) Aire en calma o a presión.- La pieza se enfría por radiación, convección y

conducción, se consigue la menor severidad de temple. Sólo es aplicable

a aceros con baja velocidad crítica de temple ( velocidad mínima de

enfriamiento que se necesita para evitar la regresión de la estructura.

b) Aceites minerales.- Los mejores aceites para templar son los obtenidos

por destilación fraccionada del petróleo. No tienen elevada severidad de

temple y se emplean para templar aceros altos en carbono y de pequeña

sección y también en aceros aleados, cuya velocidad crítica de temple

sea relativamente baja, aún cuando la sección sea algo elevada. En este

último caso se reduce el peligro de grietas y deformaciones.

c) Agua y agua con sales disueltas.- El agua es el medio de enfriamiento

más usado en el temple. se emplea sola o con sales disueltas (10% ClNa),

en reposo o con agitación y suministra la mayor severidad de temple.

Tiene el inconveniente de su baja temperatura de ebullición que hace que

se forma una capa de vapor alrededor de la pieza dificultando el

enfriamiento, lo que se evita por la agitación.

d) Sales y metales fundidos.- Tanto los metales fundidos (mercurio, plomo,

plomo-estaño,...) como ciertas sales se emplean como medios de

refrigeración en los tratamientos isotérmicos. Su comportamiento

respecto a la severidad de temple es muy parecido al de los aceites, sin

embargo, por agitación, se logra aumentarla considerablemente.

Los factores que influyen en el temple son: la composición del acero,

pues la capacidad de temple de un acero se mide por la mayor o menor

dureza que se puede conseguir y es función del % de carbono; la

temperatura de temple, que será diferente según el tipo de acero

empleado; la velocidad de enfriamiento, ya que no es la misma para todos

los puntos de la pieza, para que esta que de totalmente templada

(estructura martensítica), se precisa que la menor de las velocidades de

enfriamiento (en el núcleo de la pieza) sea superior a la velocidad crítica

de temple. Las velocidades más elevadas pueden originar grietas y

deformaciones.

Los principales defectos en el temple son:

- Oxidaciones y descarburación.- Se debe al calentamiento en atmósferas

excesivamente inadecuadas.

- Exceso de fragilidad.- Se produce por calentamiento a temperatura

excesivamente alta, que provocan el crecimiento del grano.

- Falta de dureza.- Puede ser debida: a un calentamiento a temperatura

demasiado baja, a una descarburación superficial o a velocidades de

enfriamiento inferiores a la crítica.

- Deformaciones.- Son debidas a un calentamiento o enfriamiento desigual

de la pieza y también a u apoyo inadecuado durante el calentamiento en el

horno. Para evitar las deformaciones en el enfriamiento, las piezas largas

se introducen en el baño de enfriamiento verticalmente y en dirección de

su eje, y las delgadas, de canto.

- Grietas y roturas.- Pueden ser debidas a los cambios de volumen que se

originan durante el temple, como consecuencia de la desigual velocidad

de enfriamiento entre el núcleo y la periferia de la pieza. También puede

ser por el aumento de volumen que acompaña a la formación de

martensita, que al formarse la del núcleo, ejerce una fuerte presión sobre

la capa periférica, ya transformada, dura y frágil.

Además del temple de enfriamiento continuo que hemos descrito se

emplea el temple escalonado martensítico o «martempering», una vez

obtenida la estructura austenítica la pieza se enfría rápidamente, en un

baño de sales fundidas, hasta la temperatura próxima(superior) a la de

comienzo de la transformación de austenita en martensita, donde se

mantiene el tiempo necesario para que toda la masa de la pieza adquiera

esta temperatura, sin dar lugar a que la austenita experimente

transformación alguna. Una vez conseguida la homogeneidad de

temperatura se extrae la pieza del baño y se enfría rápidamente a

temperatura ambiente. Otro tratamiento sería el temple escalonado

bainítico.

2.2.1.- Templabilidad

Al estudiar los factores que influyen en la velocidad de enfriamiento,

hemos visto que las dimensiones de la pieza desempeña un papel

fundamental, de forma que en las de bastante sección, a medida que

penetra hacia el núcleo, la velocidad de enfriamiento va disminuyendo.

Esto puede ser el origen de que en una misma sección se formen

distintos constituyentes estructurales durante el temple. Pues bien, a la

mayor o menor aptitud de un acero para que se forme una estructura

martensítica en todos los puntos de su sección, cuando se enfría en unas

condiciones determinadas, a partir del estado austenítico, se le denomina

TEMPLABILIDAD. Como esto depende de la velocidad de enfriamiento

que, a su vez, depende del valor del producto HD. Según su valor

tendremos:

a) Si HD es pequeño, (lo que sucede cuando la severidad de temple es baja y

las dimensiones de la pieza pequeñas) se puede considerar que la

velocidad de enfriamiento es la misma en todos los puntos de la sección.

b) Si HD es grande, (bien porque la severidad de temple sea elevada, bien

porque lo sean las dimensiones de la pieza) entonces la diferencia de

velocidad entre la periferia y el núcleo es elevada. Por tanto, si el acero es

de muy baja templabilidad, sólo quedará templada una pequeña zona

periférica de la pieza; pero si la templabilidad es muy elevada, una pieza

de las mismas dimensiones puede quedar totalmente templada.

Una medida de la templabilidad es el ensayo Jominy que consiste en

templar una probeta (25 mm de diámetro y 100 mm de longitud) en un

dispositivo normalizado (fig. 41.3a y b), de forma que un chorro de agua a

20-25C enfríe sólo la base inferior de la misma, previamente calentada a

la temperatura de temple durante 30 min.. Después se rectifican dos

generatrices opuestas, se mide la dureza a intervalos de 10 mm a partir de

la base templada y se construye la curva jominy correspondiente (fig.

41.4). La templabilidad es tanto mayor cuanto menos desciende la curva.

Figura 41.3 Figura 41.4

2.3.-Revenido

Tratamiento térmico que se da a los aceros después del temple para

quitarles la fragilidad y las tensiones internas. Consiste en calentar las

piezas, después de templadas, para provocar la transformación de la

martensita en formas más estables, seguido de un enfriamiento más bien

rápido. Su efecto depende de la temperatura de calentamiento y del

tiempo de permanencia en ella. Según sea la temperatura de revenido así

se elevan con ello la tenacidad del acero, pero también disminuirá

correlativamente su dureza.

Existen ciertos intervalos de temperatura, donde el revenido, en vez de

aumentar la resiliencia, la disminuye (en los aceros ordinarios se da en el

intervalo 250-400C).

CONCLUSIONES

Destacar la importancia de los tratamientos de los metales en tecnología.

A lo largo de este tema hemos podido observar que el objetivo que se

persigue con los tratamientos es el mejorar las propiedades de las piezas

metálicas, mediante la modificación de su estructura interna o superficial,

para soportar las condiciones de trabajo, así como el prolongar la vida y

seguridad de funcionamiento.

Dado que las piezas tras su proceso de obtención no presentan las

propiedades requeridas para su posterior uso, es preciso someterlas a

ciertos tratamientos térmicos, termoquímicos o de protección

anticorrosiva para conseguir las características demandadas. De ahí, la

importancia de este tema en el mundo industrial.

BIBLIOGRAFÍA

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