TRATAMIENTO TÉRMICO DE LOS ACEROS Un proceso de tratamiento térmico adecuado permite aumentar significativamente las propiedades mecánicas de dureza, tenacidad y resistencia mecánica del acero. Los tratamientos térmicos cambian la microestructura del material, con lo que las propiedades macroscópicas del acero también son alteradas. Los tratamientos térmicos que pueden aplicarse al acero sin cambiar en su composición química son: • • • • Temple Revenido Recocido Normalizado Se parte de temperaturas donde la austenita (Fe γ) es estable. Al bajar la temperatura la austenita pasa a ser inestable y comienza la transformación a ferrita (Feα) y cementita (Fe3C). Si el acero es eutectoide (0,8%C) comienza la transformación directamente de austenita perlita (mezcla eutecoide laminar de ferrita y cementita). Si el acero es hipoeutectoide comienza a transformarse primero la ferrita proeutectiode, aumentando la concentración de C en la austenita inestable sin transformar hasta alcanzar la concentración del eutectoide a la temperatura crítica inferior. En ese momento, y en forma isotérmica comienza la transformación de la austenita remanente el perlita. De este modo u acero hipoeutectoide es menos duro y resistente por estar sus granos con mayor presencia de ferrita que es la más blanda de las fases de la aleación. Si el acero es hipreutectoide, la fase proeutectoide es de cementitapor lo que el acero es muy resistente, duro y frágil por la presencia de carburo envolviendo a la perlita. A medida que aumenta la velocidad de enfriamiento, aumenta la velocidad de nucleación y disminuye la velocidad de crecimiento. Esto formará láminas cada vez más finas que dificultarán la deformación. Cuanto más fina la estructura más resistente y duro será el acero y con menor resiliencia. Velocidad de Nucleación vs Velocidad de Crecimiento V E L O C I D A D Crecimiento Nucleación 1/T ¿Qué pasa si se supera la velocidad de nucleación? Microconstituyentes posibles en un acero • Fe γ: austenita • Fe3C: cementita { Fe α: ferrita Mezcla eutectoide de α +Cem PERLITA MARTENSITA Solución sobresaturada de C en Fe Aparece una estructura de Fe sobresaturada en C. Esta sobresaturación deforma la estructura que debería ser cúbica centrada en el cuerpo (bcc), presentando una estructura tetragonal. Esta estructura muy resistente, dura y frágil se llama martensita. A la vista microscópica se observa una estructura acicular. MARTENSITA Entre los factores que afectan a los procesos de tratamiento térmico del acero se encuentran la temperatura y el tiempo durante el que se expone a dichas condiciones al material. Otro factor determinante es la forma en la que el acero vuelve a la temperatura ambiente. El enfriamiento del proceso puede incluir su inmersión en aceite o el uso del aire como refrigerante. El método del tratamiento térmico, incluyendo su enfriamiento, influye en que el acero tome sus propiedades comerciales. Según ese método, en algunos sistemas de clasificación, se le asigna un prefijo indicativo del tipo. Por ejemplo, el acero O-1, o A2, A6 (o S7) donde la letra "O" es indicativo del uso de aceite (del inglés: oil quenched), y "A" es la inicial de aire; el prefijo "S" es indicativo que el acero ha sido tratado y considerado resistente al golpeo (Shock resistant). http://es.wikipedia.org/wiki/Acero#Tratamientos_t.C3.A9rmicos Curvas de las “s” o TTT γ Austenita Estable T ºC 722 ºC 700 600 GRUESA γ inestable Perlita α Ferrita MEDIA + FINA 500 Fe3C Cementita 400 ARBORECENTE 300 o superior Bainita 200 100 ACICULAR ms comienzo T martensita Martensita + γ retenida mf fin Transform. martensita MARTENSITA 0ºC 0,1 1 10 o inferior 10 2 10 3 10 4 10 5 Tiempo seg Se denominan así por su aspecto y porque representan a la temperatura, el tiempo y la transformación Temple El temple es un proceso por el cual las aleaciones de acero y el hierro fundido se fortalecen y endurecen. Esto se realiza calentando hasta austenizar a una cierta temperatura, dependiendo del material (temperatura crítica de transformación), y luego enfriándolo rápidamente El material es entonces a menudo es revenido para reducir la fragilidad que puede aumentar por el rápido enfriamiento del proceso de endurecimiento. Las piezas que pueden ser templados incluyen engranajes, ejes y bloques de desgaste. Proceso El temple de metales es una progresión: El primer paso es el calentamiento a la temperatura requerida. (austenización) El siguiente paso es s el enfriamiento de la pieza. El agua es uno de los medios de enfriamiento más eficientes, donde se adquiere la máxima dureza, pero hay una pequeña posibilidad de que se causen deformaciones y pequeñas grietas. Cuando se puede sacrificar la dureza se util utilizan aceites.. Estos tienden a oxidarse y formar un lodo, que consecuentemente disminuye la eficiencia. La velocidad de enfriamiento de aceite es mucho menor que la del el agua. Tasas intermedias interm entre el agua y el aceite se puede obtener con agua que contiene contienen n sales especiales que lentizan la velocidad de enfriamiento. enfriamiento Para minimizar la distorsión, las piezas cilíndricas largas se templan verticalmente; las piezas planas en el borde, y las secciones gruesas deben entrar primero en el baño. El baño ño se agita para evitar las burbujas de vapor. Efectos del temple Antes de endurecer el material, la microest microestructura ructura del material es una estructura de perlita que es uniforme y laminar. Si se supera la velocidad de nucleación de la perlita se forma martensita que tiene alta resistencia y dureza pero relativamente baja resiliencia (resistencia resistencia a la rotura por impacto) Calentamiento Equipos Hay tres tipos de hornos que se utilizan comúnmente en temple: horno baño de sal, horno continuo, y la caja de horno. Cada uno se utiliza en función de los objetivos del proceso. Velocidad de calentamiento El calentamiento debe ser gradualmente para evitar grietas y tensiones térmicas. Temperatura de calentamiento Se debe tener cuidado en subir la temperatura (para aumentar la velocidad de austenización) porque se puede producir sobrecalentamiento del grano cristalino, con quema de los bordes de los granos que produce infiltración de oxígeno, oxidación, descarburación, fragilidad excesiva de martensita, retención de austenita. En consecuencia, la temperatura depende del medio de enfriamiento utilizado: 30 ° C mayor que Ac 3 (temperatura crítica superior) si se trata de agua, 50ºC mayor si es aceite y 70ºC si es aire. Medios de enfriamiento Cuando se temple, hay muchos tipos de sustancias donde enfriar. Algunos de los más comunes son: aire, las sales fundidas, el aceite salmuera (agua salada) y el agua. Estos medios se utilizan para aumentar la severidad del enfriamiento. La exposición a fluidos debe asegurar: • • • Una velocidad de enfriamiento de alta en el intervalo A1 (temp crit inferior) – Ms (temp comienza de formación de martensita) para evitar la formación de perlita o bainita Una suave velocidad gama Ms – Mf (temp fin de formación de martensita) (pero no demasiado baja para evitar la creación excesiva austenita retenida. El líquido no debe descomponerse en contacto con el metal caliente. El agua es el medio de enfriamiento más común, especialmente para aceros al carbono y algunos aceros de baja aleación, pero no es el fluido ideal. Su acción puede mejorarse con la adición de sustancias que elevan el punto de ebullición, por ejemplo con NaCl o NaOH. El aceite mineral es adecuado para aceros aleados de baja y media, que es capaz de formar austenita estable y luego transformada con una baja velocidad crítica de enfriamiento. Es más cerca del fluido ideal, reduciendo la tensión interna y defectos del temple. El aire se recomienda para alta aleación y las piezas complejas de baja o media aleación. REVENIDO Es un tratamiento complementario del temple, que regularmente sigue a éste. El tratamiento de revenido consiste en calentar al acero seguido del templado, a una temperatura menor al punto crítico, seguido de un enfriamiento controlado que puede ser rápido cuando se deseen resultados elevados en resiliencia (tenacidad), o lento, para reducir al máximo las tensiones térmicas que puedan causar deformaciones. Fines • • • Mejorar los efectos del temple, llevando al acero a un punto de mínima fragilidad. Reducir las tensiones internas de transformación, que se originan en el temple. Cambiar las características mecánicas, en las piezas templadas generando los siguientes efectos: • Reducir la resistencia a la rotura por tracción, el límite elástico y la dureza. • Elevar las características de ductilildad; alargamiento estricción y las de tenacidad; resilencia. Etapas Consta de tres etapas: 1ª etapa: hasta 450ºC, la martensita pasa de tetragonal a cúbica y se forman carburos ξ (epsinon) de estructura cúbica y con contenido de Fe2,4C 2ª etapa: desde 350ºC a 550ºC solapándose con la primera y tercera etapa. La austenita retenida pasa a vainita. 3ª etapa: desde 500ºC a 650ºC. Los carburos ξ (epsinon) se redisuelven y se forma cementita globular REVENIDO Máxima 3er Etapa: Resistencia martensita cúbica pasa a Fe α + Cem Globular 500º a 650ºC 1er Etapa: martensita tetragonal pasa a cúbica 2a Etapa: γ retenida pasa a bainita 350º a 550ºC 200º a 450ºC Resiliencia Temp ºC Mínima 200 300 400 500 600 700 RECOCIDO EN ACEROS El objeto del recocido es destruir los estados anormales de los metales y aleaciones. El fin principal de los recocidos es ablandar el acero para poder trabajarlo mejor. Atendiendo a llegar a la temperatura máxima γ Austenita Estable T ºC 722 ºC 700 600 GRUESA γ inestable Perlita α Ferrita MEDIA + FINA 500 Fe3C Cementita 400 ARBORECENTE 300 o superior Bainita 200 100 ACICULAR ms comienzo T martensita Martensita + γ retenida mf fin Transform. martensita MARTENSITA 0ºC 0,1 1 10 o inferior 10 2 10 3 10 4 10 5 Tiempo seg Recocido supercrítico: Cuando se calienta el acero a temperaturas superiores a las criticas. Definición de Temperatura superior a la crítica: La máxima temperatura para que no se funda el material. Recocido de ablandamiento subcrítico: Se obtiene calentando el acero a una temperatura algo inferior a la crítica, dejando enfriar la pieza al aire. Se logra ablandar los aceros aleados de gran resistencia, al cromo níquel y cromo molibdeno así como también para los aceros al carbono las temperaturas más apropiadas están entre 700º y 725º. La ventaja de este tratamiento es que es muy sencillo y rápido y no exige ningún cuidado especial en el enfriamiento. RECOCIDO DE REGENERACIÓN Para transformar todo el material se ausenta y enfría después lentamente en el interior del horno se obtiene así una constitución final de ferrita y perlita si se trata de un acero hipoeutectoide o cementita y perlita. Se refiere a quitar imperfecciones que quedaron. Este tiene por objeto destruir la dureza anormal producida e una aleación por enfriamiento rápido involuntario o voluntario. También se realiza a temperaturas muy elevadas pero inferiores al de homogeneización y se aplica exclusivamente a las aleaciones templables es decir a las que se endurece en enfriamientos rápidos. En este recocido se trata más que nada de quitar imperfecciones como dureza. RECOCIDO DE GLOBULIZACIÓN Este al calentarlo a la temperatura máxima recomendada, pues debería mantenerse un tiempo muy prolongado a esta temperatura para obtener la transformación austenitica total mientras el porcentaje de austenita tenga un porcentaje del 90%. Si uno quiere obtener mayor tenacidad se debe enfriar muy rápido. Las temperaturas de calentamiento para obtener estructuras globulares no deben de ser muy superiores a la crítica inferior. Las temperaturas más elevadas para el recocido de autenización incompleta, están comprendidas entre los 760º y 780º para los aceros al carbono, 800º a 850º para los aceros de aleación media y 875º para los aceros de alta aleación. RECOCIDO CONTRA ACRITUD Acero Frágil y tan duro que se rompe. Se dice que tiene demasiada acritud. Para mejorar la ductibilidad y maleabilidad del acero y poder someterlo a nuevos estirados o laminados. Se hace el recocido contra acritud que consiste en un calentamiento a una temperatura de 600º o 700º, seguido de un enfriamiento al aire o dentro del horno si se quiere evitar la oxidación dentro del horno. Este recocido se hace cuando se tienen impurezas y para dar más cristalinidad y quitar esas impurezas, así como hacer más maleable y dúctil el acero. DEFORMACIÓN EN FRIO Cizallamiento Esfuerzo de tracción Kg/mm2 Rotura Elongación cm µ Se emplea en aceros que se están deformando en frío superando el límite de fluencia y que se romperán al tener que seguir deformando. Especialmente en la fabricación de alambres y el embutido de chapas. Normalizado El normalizado es un tratamiento térmico que se emplea para dar al acero una estructura y características tecnológicas que se consideran el estado natural o inicial del material que fue sometido a trabajos de forja, laminación o tratamientos defectuosos. Se hace como preparación de la pieza para el temple. El procedimiento consiste en calentar la pieza entre 30 y 50 grados centígrados por encima de la temperatura crítica superior, tanto para aceros hipereutectoides, como para aceros hipoeutectoides, y mantener esa temperatura el tiempo suficiente para conseguir la transformación completa en austenita. A continuación se deja enfriar en aire tranquilo, obteniéndose una estructura uniforme. Con esto se consigue una estructura perlítica con el grano más fino y más uniforme que la estructura previa al tratamiento, consiguiendo un acero más tenaz. Es lo que llamamos perlita fina (observar diagrama TTT). γ Austenita Estable T ºC 722 ºC 700 600 GRUESA γ inestable Perlita α Ferrita MEDIA + FINA 500 Fe3C Cementita 400 ARBORECENTE 300 o superior Bainita 200 ACICULAR 100 ms comienzo T martensita Martensita + γ retenida MARTENSITA 0ºC 0,1 1 o inferior mf fin Transform. martensita 10 10 2 10 3 10 4 Tiempo seg 10 5 Factores que influyen • • • • La temperatura de cristalización no debe sobrepasar mucho la temperatura crítica. El tiempo al que se debe tener la pieza a esta temperatura deberá ser lo más corto posible. El calentamiento será lo más rápido posible. La clase y velocidad de enfriamiento deberán ser adecuados a las características del material que se trate. Tratamientos isotérmicos El objetivo es lograr bainita (austémpering) o martensita con muy poca deformación (martémpering) Austémpering: Consiste en enfriar rápidamente sin cortar la nariz perlítica hasta temperaturas medias y mantener en sales fundidas hasta transformar la austenita inestable en bainita. γ Austenita Estable T ºC 722 ºC 700 600 GRUESA γ inestable Perlita α Ferrita MEDIA + FINA 500 Fe3C Cementita 400 ARBORECENTE 300 o superior Bainita 200 100 ACICULAR ms comienzo T martensita Martensita + γ retenida MARTENSITA 0ºC 0,1 1 10 o inferior mf fin Transform. martensita 10 2 10 3 10 4 10 5 Tiempo seg Martémpering: Consiste en enfriar rápidamente sin cortar la nariz perlítica hasta temperaturas medias y mantener en sales fundidas un tiempo de estabilización para homogenizar tensiones y antes de cortar la curva de comienzo de transformación enfriar en un medio de temple. γ Austenita Estable T ºC 722 ºC 700 600 GRUESA γ inestable Perlita α Ferrita MEDIA + FINA 500 Fe3C Cementita 400 ARBORECENTE 300 o superior Bainita 200 100 ACICULAR ms comienzo T martensita Martensita + γ retenida MARTENSITA 0ºC 0,1 1 10 o inferior mf fin Transform. martensita 10 2 10 3 10 4 10 5 Tiempo seg Tratamientos termoquímicos Los tratamientos termoquímicos son tratamientos térmicos en los que, además de los cambios en la estructura del acero, también se producen cambios en la composición química de la capa superficial, añadiendo diferentes productos químicos hasta una profundidad determinada. Estos tratamientos requieren el uso de calentamiento y enfriamiento controlados en atmósferas especiales. Entre los objetivos más comunes de estos tratamientos están aumentar la dureza superficial de las piezas dejando el núcleo más blando y tenaz, disminuir el rozamiento aumentando el poder lubrificante, aumentar la resistencia al desgaste, aumentar la resistencia a fatiga o aumentar la resistencia a la corrosión. • • Cementación (C): aumenta la dureza superficial de una pieza de acero dulce, aumentando la concentración de carbono en la superficie. Se consigue teniendo en cuenta el medio o atmósfera que envuelve el metal durante el calentamiento y enfriamiento. El tratamiento logra aumentar el contenido de carbono de la zona periférica, obteniéndose después, por medio de temples y revenidos, una gran dureza superficial, resistencia al desgaste y buena tenacidad en el núcleo. Nitruración (N): al igual que la cementación, aumenta la dureza superficial, aunque lo hace en mayor medida, incorporando nitrógeno en la composición de la superficie de la pieza. Se logra calentando el acero a temperaturas comprendidas entre 400 y 525 °C, dentro de una corr iente de gas amoníaco, más nitrógeno. • • • Cianuración (C+N): endurecimiento superficial de pequeñas piezas de acero. Se utilizan baños con cianuro, carbonato y cianato sódico. Se aplican temperaturas entre 760 y 950 °C. Carbonitruración (C+N): al igual que la cianuración, introduce carbono y nitrógeno en una capa superficial, pero con hidrocarburos como metano, etano o propano; amoníaco(NH3) y monóxido de carbono (CO). En el proceso se requieren temperaturas de 650 a 850 °C y es necesario realizar un temple y un revenido posterior. Sulfinización (S+N+C): aumenta la resistencia al desgaste por acción del azufre. El azufre se incorporó al metal por calentamiento a baja temperatura (565 °C) en un baño de sales.