tratamiento de los metales para mejorar sus propiedades

TRATAMIENTO DE LOS METALES PARA MEJORAR SUS
PROPIEDADES.
Del estudio de las microestructuras de los aceros y de las propiedades
mecánicas de cada una de ellas se puede extraer una importante
conclusión. Para un cierto contenido de carbonos puede generar tanto
un acero extremadamente resistente y frágil como uno con una baja
resistencia y alta tenacidad. y esto se consigue sin más que producirlo
con la microestructura adecuada.
Esta versatilidad, que no sólo es característica de los aceros, sino que
es una propiedad general de la mayor parte de las aleaciones metálicas,
significa que para cada aplicación concreta se puede buscar el material
más adecuado sin más que cambiar su microestructura
TRATAMIENTOS MECANICOS
Tienen por objeto mejorar las características de los metales por medio de
deformación mecánica, pudiendo realizarse en caliente o en frío.
TRATAMIENTOS TERMICOS
Una de las vías más simples para conseguir un cambio en la
microestructura es la aplicación de los llamados tratamientos térmicos.
Procedimientos en los cuales se somete al material a un proceso
térmico que altera sus propiedades sin variar su composición química,
aunque si su estructura interna. Esta práctica es común en las
aleaciones comerciales por lo que resulta importante familiarizarse con
esta tecnología.
Los T.T. consisten en operaciones de calentamiento y enfriamiento
Etapas de un tratamiento térmico:
1. Calentamiento del material hasta la temperatura prevista
2. Mantenimiento a esta temperatura
3. Enfriamiento hasta la temperatura ambiente
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Tipos principales de tratamientos térmicos:
• Recocido: Se aplica al acero para ablandarlo y proporcionarle la
ductilidad y maleabilidad suficientes para conformarlo plásticamente o
darle su forma final por mecanizado. Se utilizan enfriamientos muy lentos
(por lo general se apaga el horno y se deja que el material se enfríe en su
interior)
• Normalizado: Se suele emplear en piezas fundidas o forjadas con objeto
de afinar el grano de su estructura, al mismo tiempo que la homogeniza y
destruye su anisotropía.
• Temple: Se emplea para la obtención de aceros muy duros y resistentes.
Obtención de martensita.
ƒ Revenido: Es el proceso de calentamiento de un acero
martensitico a temperaturas inferiores ala de transformación
esutectoide para hacerlos mas blandos y ductiles
Ensayo esfuerzo-deformación (σ-ε) para el mismo acero tras ser
sometido a un proceso de templado (T), normalizado (N) y recocido
(R).
Diagrama de equilibrio y microestructuras para cada temperatura de
tratamiento.
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Curvas de transformación de la austenita. Etapas.
.
Esquema comparativo de los diagramas TTT y
CCT para un acero de composición eutectoide.
A = austenita, P = perlita, B = bainita, M =
martensita
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RECOCIDO
Es un tratamiento térmico que partiendo de una estructura austenítica enfriada
lentamente ( dejando las piezas en el horno una vez apagado, introduciéndolas en
baños de sales calientes o recubriendo las piezas con arena o ceniza), se logra que
esta se transforme en componentes estables, provocando un aumento de la
plasticidad del material y una disminución de la dureza.
Se emplea para:
• Homogeneizar la estructura interna
• Afinar el tamaño de grano
• Ablandar el material
• Facilitar el mecanizado
• Eliminar la acritud que produce el trabajo en frió
• Eliminar tensiones internas
• Modificar las propiedades físicas y químicas.
Con el recocido aumentan:
• El alargamiento a la rotura
• La estriición de rotura
• La plasticidad y tenacidad
Disminuyen:
• La tensión de rotura
• El límite de elasticidad
• La dureza
FACTORES QUE INFLUYEN EN EL RECOCIDO:
La temperatura de calentamiento: Es función del tipo de acero y de los fines
propuestos.
El tiempo de calentamiento: Depende del espesor de la pieza y no será inferior
a una hora por cada 25 mm.
La velocidad de enfriamiento: debe ser lo suficientemente lenta como para que
la austenita se transforme en la zona superior de la región perlítica.
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Se pueden presentar diferentes tipos de recocidos según el fin perseguido:
Recocido de regeneración o de ablandamiento
Se calientan las piezas 50-75ºC por encima de A3 ó Acm.
Se consigue regenerar estructuras defectuosas creadas por otros tratamientos
térmicos mal efectuados, afinar el grano y así mejorar sensiblemente las
características mecánicas.
Recocido de homogenización
Se calientan las piezas a 200ºC por encima de A3 ó Acm.
Se da a los lingotes de acero después de su afino para eliminar las irregularidades
químicas (segregaciones) que presentan en su composición. Se realiza a latas
temperaturas para acelerar la difusión.
Se obtienen estructuras de grano grueso que se puede afinar luego por un recocido
de regeneración.
Recocido de eliminación de tensiones (estabilización).
Se calientan las piezas a temperaturas próximas o inferior a A3 ó Acm, con lo que
se mantiene un buen nivel de dureza, a la vez que al aumentar la movilidad de los
átomos se eliminan tensiones.
Se emplea en lo aceros que han sufrido trabajos en caliente de forja o laminación y
a los mecanizados o estirados para eliminar las tensiones generadas en estos
procesos.
Recocido contra acritud o de recristalizacion
Se calientan las piezas entre 500ºC y 800ºC dependiendo del porcentaje de
carbono del acero.
Se da a los aceros que han sido trabajados en frío para eliminar la acritud y que el
acero se pueda seguir deformando.
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Recocido isotérmico.
Se emplea en piezas sometidas a estampación o matrizadas, en las que la
temperatura después de la operación es del orden de 850-900ºC. El proceso
consiste en enfriar rápidamente las piezas por debajo de temperatura A1 y
mantener esa temperatura hasta que la austenita se haya transformado en perlita.
Terminada la transformación las piezas se pueden enfriar de cualquier modo.
Recocido de globalización o esferoidización, mejora de la
maquinabilidad.
Se da a los aceros de alto contenido en carbono que poseen mucha cementita.
Requiere varias horas a unos 30ºC por debajo de la temperatura A1, la cementita
cambia a partículas esféricas para reducir las superficies de borde. Obtenemos una
matriz continua de ferrita blanda y mecanizable.
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NORMALIZADO
Los aceros que se han deformado plásticamente contienen granos de perlita. Estos
granos son relativamente grandes, lo que resulta un inconveniente en sus
eventuales aplicaciones. Para mejorar sus propiedades y obtener una distribución
de granos uniforme se someten a un proceso de afinado o normalizado. El
tratamiento es análogo al recocido, es decir, consta de las mismas etapas , pero en
la fase de mantenimiento el material se calienta entre 55 y 85°C por encima de la
línea A3 en el caso de aceros hipoeutectoides, o de A1 si son aceros
hipereutectoides y el enfriamiento se realiza a una velocidad moderada, por
ejemplo dejando enfriar el material libremente hasta temperatura ambiente en el
aire en calma por lo que la velocidad de enfriamiento no será lo suficientemente
elevada como para formar martensita y la estructura resultante es perlita y ferrita
o cementita de grano fino.
La microestructura formada a partir de este proceso es la perlita fina, que es un
compuesto más rígido que el basado en perlita gruesa.
Este tratamiento se suele utilizar en piezas que han sufrido trabajos en caliente o
en frío enfriamientos irregulares o sobrecalentamientos.
El objetivo de este T.T. es volver al acero al estado que se supone normal, después
de haber sustituido tratamientos defectuosos, o bien después de haber sido
trabajado en caliente o en frío por forja, laminación…
Es un tratamiento térmico similar al recocido, del que se diferencia en que la
velocidad de enfriamiento y la temperatura de calentamiento son algo más
elevadas.
Se da a los aceros con contenido en carbono inferior al 0,25% dada la baja
templabilidad de estos, consiguiéndose así un tratamiento adecuado para la mejora
de las propiedades mecánicas.
Se consigue afinar la estructura y eliminar tensiones internas.
Ventajas sobre el recocido;
•
•
•
•
Es mas fácil de ejecutar
Es más rápido y económico
Da estructuras mas finas
Da mas resistencia mecánica
Como desventaja podemos citar que no se consigue la dureza deseada.
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Procesos de regeneración de aleaciones eutectoides. a) Recocidos de austenización y
normalizado. b) Revenidos de ablandamiento. c) Recocidos contra acritud.
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TEMPLE
Es un T.T. en el que partiendo de una estructura austenítica y con un
enfriamiento suficientemente rápido, se consigue transformar esta en martensita
(solución sólida sobresaturada de carbono en hierro alfa de elevada dureza y alta
tensión a la rotura, con una gran perdida de plasticidad).
FACTORES QUE INFLUYEN EN EL TEMPLE:
1º Composición: La dureza conseguida en el tratamiento depende del
porcentaje de carbono del acero y se puede decir que aumenta con el contenido
de este,
2º La temperatura de calentamiento: Es función del porcentaje de carbono y
suele ser de 50º por encima de las líneas A3 ó A1.
3º El tiempo de calentamiento: Depende del espesor de la pieza y no será
inferior a una hora por cada 25 mm.
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4º La velocidad de enfriamiento:( posición de las curvas de TTT), depende de
la velocidad de eliminación de la energia térmica, que es función de las
características del medio de temple ( calor especifico, agitación..) en contacto
con la superficie de la pieza, del tamaño y de la geometría de la misma.
Velocidad crítica de temple: es la minima velocidad necesaria para que la
austenita se transforme en martensita en toda la pieza.
Medios de enfriamiento:
El fluido ideal de temple será aquel que produzca una velocidad de enfriamiento
superior a la crítica hasta temperaturas inferiores a las de transformación de la
perlita y la bainita y más baja en el intervalo de la transformación de la
martensita. De esta forma se evitará la transformación de la austenita en los
constituyentes más blandos y se conseguirá que se transforme con uniformidad
en martensita sin peligro de que se formen grietas.
Los medios más usados son:
Agua: Es un medio de enfriamiento rápido, ideal para conseguir un temple
muy fuerte. Se emplea para templar acero al carbono. Las piezas dentro del agua
se deben agitar para impedir que el vapor haga de aislante térmico y se retarde el
enfriamiento. Si se agregan sales, p.e, ClNa la velocidad de enfriamiento es
mayor. La temperatura del agua no debe superar los 30ºC.
Aceite mineral: La velocidad es menor que en el agua, ya que el calor
especifico es menor y depende de la viscosidad. El temple conseguido es más
suave y uniforme. Se emplea en aceros aleados y, al igual que en agua, las piezas
deben agitarse.
Metales y sales fundidas: Se emplean para tratamientos isotérmicos y los
metales usados pueden ser: mercurio, plomo y plomo-estaño.
Aire en calma o a presión: Solo se emplea para templar algunos aceros
especiales. La velocidad de enfriamiento es muy pequeña.
El temple del acero nunca constituye un tratamiento final, debido a que la
estructura martensitica obtenida, pese a ser muy dura es al mismo tiempo muy
frágil y se encuentra en un estado alto de de acritud a causa de las fuertes
tensiones internas generadas alrededor de los átomos de carbono.
Por lo tanto se le suele someter a un tratamiento posterior de revenido, con
objeto de obtener una estructura más dúctil y tenaz.
REVENIDO
Es el proceso de calentamiento de un acero martensitico a temperaturas
inferiores a la de transformación esutectoide para hacerlos mas blandos y
dúctiles.
Al ser la martensita una estructura metaestable, cuando se vuelve a calentar se
descompone apareciendo de nuevo ferrita y un carburo de hierro que es función
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de la temperatura de revenido. ( Carburo épsilón , por debajo de 200ºC, y
cementita entre 200 y 700 ºC.
La dureza de la martensita revenida se controla mediante las temperaturas de
revenido y el tiempo. Por encima de 200 ºC , la dureza disminuye gradualmente
hasta la temperatura de 700 ºC, esto se debe principalmente a la difusión de los
átomos de carbono desde lugares intersticiales de la red sometidos a tensión para
formar precipitados de carburo de hierro en una segunda fase.
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TIPOS DE TEMPLE:
Martempering: calentamos hasta la temperatura de austenización, mantenemos
el tiempo necesario para hacer la transformación austenitica completa y luego se
enfría rápidamente en un baño de sales o acite caliente hasta una temperatura
próxima superior a Ms (200-300 ºC), donde se mantiene el tiempo necesario
para que toda la pieza adquiera dicha temperatura sin que la austenita se
transforme y una vez conseguida la homogeneidad de temperatura se extraen las
piezas del baño y se enfrían rápidamente hasta temperatura ambiente.
Se consigue eliminar todas las deformaciones y tensiones al homogeneizar la
temperatura.
Austempering: El proceso en principio es igual al anterior, pero realizando una
transformación isotérmica entre 450ºC y a Ms, se ha de esperar que toda la
austenita se transforme en bainita, a partir de ese momento se continua el
enfriamiento por cualquier medio.
Se consigue mejorar las tensiones y deformaciones internas, disminuyendo la
dureza pero obteniendo una tenacidad y alargamiento unitario superiores. No se
precisa revenido posterior. Se mejoran la ductilidad y la resistencia al impacto de
algunos aceros.
Martempering
Austempering.
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DETERMINACION DE LA TEMPLABILIDAD DE UN ACERO
La templabilidad de un acero se define como la propiedad que determina la
profundidad y la distribución de la dureza inducida por enfriamiento desde la
condición austenítica. (Es la mayor o menor aptitud para que se forme martensita
en toda su sección, cuando se enfrían en unas condiciones determinadas)
Depende principalmente de: la composición del acero, el tamaño del grano
austenítico, y de la estructura del acero antes del enfriamiento.
La templabilidad es una medida de la profundidad a la cual una aleación
específica puede endurecerse; se determina mediante el ensayo JOMINY.
Los aceros de bajo carbono tiene baja templabilidad en cambio los aceros
aleados tienen alta templabilidad, se pueden enfriar incluso en el aire. (Curvas de
templabilidad: comparan la facilidad con la cual diferentes aceros se transforman
en martensita)
Los factores que influyen en la templabilidad son el % de carbono, los elementos
de aleación (cromo, molibdeno, manganeso), el tamaño de grano, y el tamaño de
la pieza.
Capacidad de temple se mide por la mayor o menor dureza que se pueda
conseguir en el acero y depende del porcentaje de carbono. Un acero de bajo
carbono y alta aleación puede formar martensita fácilmente, pero debido a su
bajo contenido en carbono dicha martensita no es dura.
(Curvas de la U)
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ENSAYO JOMINY: Una barra de acero de 25 mm de diámetro y 100 mm de
longitud en estado austenitico, se templa en un solo extremo, proporcionando así
un rango de velocidades de enfriamiento a lo largo de la misma.
Representación esquemática de la probeta del ensayo Jominy (a) instaurada
durante el temple y (b) después del ensayo de dureza a partir del extremo templado y
a lo largo de la arista. (Adaptado de A. G. Cuy, Essentials of Materials Science.
Copyright 1978 McCraw Hill Book Company, Nueva York.)
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Curvas de templabilidad
El extremo templado se enfría más rápidamente y presenta un máximo
de dureza; en esta posición y en la mayoría de los aceros, la
microestructura coincide con 100% de martensita. La velocidad de
enfriamiento decrece con la distancia del extremo templado y la dureza
también disminuye, como índica la figura. Al disminuir la velocidad de
enfriamiento, el carbono dispone de más tiempo para la difusión y facilita
la formación de perlita más blanda, que puede estar mezclada con
martensita y bainita
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TRATAMIENTOS TERMOQUIMICOS
Los metales son sometidos a enfriamientos y calentamientos, a la vez que se
modifica la composición química de su capa externa.
En estos procesos se generan en la superficie tensiones residuales de compresión,
aportando una excelente resistencia a la fatiga, además de una buena
combinación de dureza, resistencia y tenacidad.
Cementación o carburación: Obtenemos tenacidad en el interior con un acero
bajo en carbono y luego difundimos carbono en la superficie del material hacia el
interior a una temperatura superior a A3 y a continuación se da un tratamiento de
temple y revenido. La superficie se convierte en una maertensita templada de
alto carbono en tanto que el centro de ferrita se conserva blando y dúctil.
Nitruración: Se difunde nitrógeno en la superficie a partir de un gas. Se realiza
por debajo de A1
Carbonitruración: Se introduce al acero en un baño de cianuro líquido que
permite al carbono y al nitrógeno difundirse hacia el interior
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TRATAMIENTOS SUPERFICIALES
Se mejoran las propiedades de la superficie de los metales sin alterar su
composición química másica. En este caso a diferencia de los tratamientos
termoquímicos, no es necesario someter al material a proceso alguno de
calentamiento
Se da a piezas que requieren comportamiento mecánico diferente entre el núcleo y
la superficie.
1. Superficie con elevada dureza y resistencia al desgaste
2. Núcleo con alta plasticidad y tenacidad
Temple superficial:
* A la llama
* Por inducción
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