TRATAMIENTO TERMICO Y TERMOQUIMICO SEMANA 3 TRATAMIENTO TERMICO RECOCIDO-NORMALIZADO-TEMPLE Jaime González Vivas Aprendí que no se puede dar marcha atrás, que la esencia de la vida es ir hacia adelante. La vida, en realidad, es una calle de sentido único. Un buen mecánico de automóviles puede solucionar rápidamente sus defectos porque conoce a fondo los mecanismos y su funcionamiento. De la misma manera si conocemos bien el mecanismo de lo que pasa en tratamientos térmicos podemos solucionar los problemas originados en los procesos y que no conducen a los resultados esperados. Para ello tendremos que hacer un poco de teoría: simple, accesible, que nos ayude a comprender los fenómenos que ocurren. Ing. Jaime González Vivas. TRATAMIENTOS TÉRMICOS DEFINICIÓN • Los tratamientos térmicos son operaciones de calentamiento y enfriamiento cuidadosamente controlados, y que se aplican a un metal o aleación en estado sólido, con el fin de obtener ciertas propiedades deseadas para su empleo. • Los tratamientos térmicos no modifican la composición química del acero. Con los tratamientos térmicos se modifica la constitución del acero, modificando el estado en que se encuentra el carbono, y el estado alotrópico del hierro. • Todos los procesos básicos de tratamientos térmicos para aceros incluyen la transformación o descomposición de la austenita. La naturaleza y la apariencia de estos productos de transformación determinan las propiedades físicas y mecánicas de cualquier acero CLASIFICACIÓN SIMPLE DE LOS ACEROS • Un acero es básicamente una aleación de hierro y carbono con un contenido de este último inferior a 2,11% en peso, que puede contener además otros elementos aleantes que influyen en forma mas o menos importantes en sus propiedades químicas y mecánicas. DEL PUNTO DE VISTA COMERCIAL • Aceros de construcción • Aceros estructurales • Aceros herramienta • Aceros para uso especiales cementables C<0,25% Aceros de Construcción C < 0,65% bonificables o de refinación C>0,25% Al carbono Aleados Al carbono Aleados PROPIEDADES MECANICAS, SUS PARAMETROS Pm = f (Cq , g ,Tt , Ø) MICROESTRUCTURAS Mℓ = f2 (Cq , g , Tt , Ø) Líneas de temperaturas criticas Efecto del sobrecalentamiento de la autenita sobre el tamaño final del grano de perlita. ETAPAS DEL TRATAMIENTO TÉRMICO ZONA CRÍTICA RECOCIDO TEMPLE NORMALIZADO TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE RECOCIDO Se entiende por recocido el calentamiento del acero por encima de las temperaturas de transformación de fase, seguido de un enfriamiento lento (por lo general junto con el horno). Los objetivos del recocido son tanto eliminar las tensiones internas producidas por tratamientos anteriores (como el templado) como aumentar la plasticidad, la ductilidad y la tenacidad del material. Al enfriarse lentamente los aceros se aproximan al equilibro de fase y estructura. Las estructuras obtenidas después del recocido, están indicadas en el diagrama hierro, cementita. Después de recocido el acero adquiere una fuerza y resistencia a la rotura baja. Son básicamente tratamientos térmicos de ablandamiento en el que se mejora fundamentalmente la deformabilidad. La ductilidad, la maquinabilidad, se alivian tensiones internas, se homogeniza la composición química del material. Entre los tratamientos de recocido mas empleados están: 1. Recocido de regeneración o austenización completa 2. Incompleto. 3. Globulización, o ablandamiento. 4. Recristalización. 5. Homogenización 6. Isotérmico. RECOCIDO DE REGENERACIÓN O AUSTENIZACIÓN COMPLETA Tiene como objetivo obtener una estructura blanda, homogénea y de grano fino, con propiedades uniformes en el acero. Es un tratamiento apropiado para: • piezas fundidas • piezas forjadas • piezas soldadas La estructura final después del recocido debe ser lo más próxima a la del equilibrio que se deduce del diagrama Fe-C. RECOCIDO DE GLOBULIZACION O BLANDAMIENTO • Reduce la dureza del acero para mejorar su maquinabilidad. En el caso de que la unión soldada haya quedado endurecida por temple involuntario se debe ablandar mediante recocido de regeneración • El recocido de ablandamiento se emplea en aceros hipereutectoides empleando una temperatura muy cercana a Ac1 (723°C) o recocido de globulización Acero 0,8%C recocido de austenización completa Acero 0,8%C recocido de globulización RECOCIDO CONTRA ACRITUD • Los aceros de bajo %C (<0,2%C) empleados para procesos de fabricación por conformación plástica en frío ( carrocerías, muebles, tuberías estiradas en frío, etc) deben poseer una elevada ductilidad, la cual se pierde por acritud. Para continuar la deformación del acero con acritud es necesario recocer el acero a temperaturas cercanas a 540°C pero inferiores a Ac1 RECOCIDO DE ALIVIO DE TENSIONES • Se calienta el material a una T< T recristalización para no modificarlo microestructuralmente con el objetivo de atenuar las tensiones residuales. • La temperatura de recocido es de 500°-650°C y el enfriamiento es al aire. • A >T recocido > alivio de tensiones RECOCIDO DE ALIVIO DE TENSIONES • El recocido de alivio de tensiones constituye el tratamiento térmico postsoldadura • Las uniones soldadas de %C> 0,35% son generalmente sometidas a alivio de tensiones, salvo que sean luego bonificadas. • Para evitar el agrietamiento el tratamiento de alivio de tensiones debe de realizarse de inmediato antes que la temperatura descienda por debajo de la temperatura entre pasadas recomendada. • Un alivio de tensiones completo se consigue mediante calentamiento entre 590675°C durante 1h /pulg. de espesor ¿Cuando es necesario efectuar un recocido de alivio de tensiones? 1. 2. 3. 4. 5. Cuando el acero tiene un %C > 0,35% Cuando se ha soldado aceros al carbono-manganeso (elevada presencia de tensiones residuales. Riesgo a fisuración en frío) Cuando la unión soldada estará expuesta a ambientes corrosivos que provoquen corrosión bajo tensión (soda caústica, soluciones de nitratos, etc). Uniones soldadas de fundiciones (T: 620°C enfriamiento muy lento) En aceros inoxidables austeníticos debido a su elevado coeficiente de dilatación. De 850°C 1h/ pulgada de espesor a 650°C 4h/ pulg espesor 6. 7. 8. 9. En aceros inoxidables martensíticos con %C>0,10, es recomendable recocer en el rango de 650 - 800°C inmediatamente después de la soldadura sin dejar que la temperatura descienda a T. Ambiente. En aceros inoxidables ferríticos a T>800°C asegurándose un enfriamiento rápido en el rango de 400°-600°C para evitar la fragilización En aleaciones de Ni de solución sólida en el rango de temperaturas de 425°-870°C o entre 315°-425°C cuando no se quiere reducir la dureza de la aleación (en este caso la eliminación de tensiones es parcial) En aleaciones de aluminio a T de 350°C Recocido de Homogenización Elimina la segregación química y cristalina. Se obtiene grano grueso. Es necesario un recocido completo posterior. El requemado tiene lugar cuando el metal se calienta hasta una temperatura próxima a la de fusión. En este caso se van produciendo la fusión y la oxidación de las fronteras de granos del metal. El requemado es un defecto irremediable. El sobre calentamiento se caracteriza por la textura de grano grueso y puede subsanarse con tratamiento térmico recurriendo al recocido o normalizado. Analizando la microestructura del acero hipoeutectoide sumamente sobrecalentado, se revela la estructura de Widmannstatten típica. En dicha estructura la ferrita tiene una textura acicular y se dispone en determinados planos cristalográficos. Este defecto estructural se puede eliminar por el recocido o normalizado. Estructura de Widmannstatten Es una estructura acicular, grosera, típica de los aceros en bruto de colada; proporciona fragilidad y, por lo tanto es indeseable. La ferrita aparece rodeando los granos y a partir de él se desarrollan las agujas o ramificaciones características de dicha estructura. Se originan por altas temperaturas de coladas, en el aporte y zonas afectadas por el calor en soldaduras, o durante transformaciones en estado sólido, cuando la velocidad de enfriamiento es demasiado alta para permitir la formación de ferrita intergranular. Acero al carbono de 0,35 %C, laminado en caliente y enfriado desde 870ºC en el horno (recocido). 200X 500X Tratamientos térmicos. Normalizado Consiste en llevar el acero por encima del Ac3, con el objeto de conseguir su austenización completa, homogeneizarlo en ese estado y enfriarlo, con mayor velocidad que en el recocido, por lo general al aire libre. El calentamiento se realiza a una temperatura algo mayor que el recocido completo (temperatura de austenización 40-60ºC por encima de Ac3) y la mayor velocidad de enfriamiento permite obtener estructuras perlíticas laminares muy finas. El normalizado es apto para: (a).-Eliminar tensiones producidas por operaciones anteriores. (b).-Preparar el acero para operaciones de mecanizado merced a la estructura blanda obtenida. (c).-Proporcionar mejores propiedades mecánicas en razón de su estructura perlítica fina. Temperatura de tratamiento En aceros hipoeutectoides, la temperatura a que deberá llevarse la pieza será de 40-60 °C mayor que su AC3. En aceros hipereutectoides, mayor que su Acm Si una cero hipoeutectoide no es autotemplante el enfriamiento al aire desde el estado austenítico suele producir estructuras de ferrita y perlita laminar en la periferia y en el núcleo de la pieza normalizada (Figura). Por tanto, si se comparan los resultados de un normalizado con los de un recocido de regeneración en un mismo acero hipoeutectoidede contenido en carbono C1%, el acero normalizado presentará : mayor proporción de perlita; menor diámetro de grano de la ferrita proeutectoide; menor separación S0entre láminas de cementita; y más proporción de fe-rrita en el interior de la perlita. En conclusión, el límite elástico, la carga de rotura, la dureza y, casi siempre, la tenacidad del acero normalizado resultarán mayores que la del acero recocido. ACERO DE UN 0,35 % C Acero al carbono de 0,35 %C, laminado en caliente a 870ºC y normalizado (enfriado al aire). Problema 01.- Al observar al microscopio una probeta de un acero al carbono hipereutectoide aparece una estructura formada por granos oscuros rodeados de una retícula blanca, si el ataque se realiza con nital. Después de un calentamiento a 1000°C y posterior enfriamiento brusco en agua, la microestructura está formada por agujas que se destacan sobre un fondo blanco, al efectuar el ataque con idéntico reactivo. Se pide: 1º) Microestructura inicial y final del acero, razonando los fenómenos ocurridos. 2°) Desde el punto de vista, mecánico, criticar el proceso efectuado y los resultados conseguidos. Problema 01.- La figura esquemática nos muestra dos fotomicrografías numeradas como 1 y 2, obtenidas a iguales aumentos, se han obtenido de un mismo acero al carbono en dos diferentes estados. En las fotomicrografías se distinguen las huellas de microdurezas Vickers realizadas en ambas probetas. El ataque se ha realizado con reactivo nitroalcohólico. Se pide: 1°) Microestructuras de ambas probetas. Estado del material en los dos casos. ¿Cómo podría pasarse del estado 1 al 2 y viceversa? Explicación. 2°) Características mecánicas principales del acero en los dos estados. 3º) Si después de calentar el acero a 900°C, se enfriara lentamente en el horno, ¿qué microestructura seobtendría ahora? Representarla. Ventajas e inconvenientes de este estado con respecto al estado 1. Problema 02.- Se dispone de los siguientes aceros I, II y III, de composición: ¿Cuál presentaría mayor riesgo de fisiración en el temple y mayor cantidad de austenita retenida? Ms (ºC)=537-(361*%C)-(38,8 X %Mn)-(19,4 X %Ni)-(38,8 X %Cr)-(27.7 X % Mo) CUESTIONES DE AUTOEVALUACIÓN 1 - En los aceros hipereutectoides la cementita aparece en: a) Bordes de grano de la perlita. b) Bordes de grano de la ferrita. c) Disuelta en la ferrita. d) En los bordes de grano y en la perlita. 2 - ¿Qué contenido aproximado en perlita presentará un acero al carbono con 0,2% de C?: a) 25%. b) 37%. c) 50%. d) 63%. 3 - ¿Qué contenido aproximado en perlita presentará un acero al carbono con 0,6% de C?: a) 25%. b) 37%. c) 50%. d) 75%. 4 - La microestructura de la perlita varía con: a) El contenido en carbono del acero. b) La velocidad de enfriamiento. c) La composición de la ferrita. d) La temperatura de austenización. 5 - En los aceros hipoeutectoides la cementita aparece en: a) En la perlita. b) En los bordes de grano de la ferrita. c) En los bordes de grano de la austenita. d) Disuelta en la austenita. TRATAMIENTO TERMICO DE TEMPLE El templado involucra un calentamiento hasta la región de estabilidad de la austenita (temperatura de austenitizacion), mantener el material durante un cierto tiempo a esta temperatura de austenitizacion y después un enfriamiento continuo desde esta temperatura, hasta por debajo de la temperatura de inicio de la formación de la martensita (Ms), a una velocidad de enfriamiento tan grande (mayor que la critica) que la transformación a perlita o bainita se inhibe y el producto de la transformación será la martensita. El propósito de este tratamiento es el de obtener, para cada composición de acero, la dureza máxima. Estructura martensitica Estructuralmente la martensíta es una solución sólida sobresaturada de C en Fe Temple • Después que se ha producido la austenitización comienza el temple del acero. • La velocidad de enfriamiento depende del medio de temple y la velocidad de transmisión de calor dentro de la pieza de acero. • Se usan varios medios de temple en las operaciones comerciales de tratamiento térmico que incluyen: 1) Salmuera (agua salada) generalmente agitada. 2) Agua fresca en reposo. 3) Aceite en reposo 4) Aire. • El temple en salmuera agitada suministra el enfriamiento más rápido de las superficies calentadas de la parte, mientras que el temple al aire es el más lento. • El problema es que mientras más efectivo sea el medio de temple en el enfriamiento, es más probable que cause esfuerzos internos, distorsión y grietas en el producto. • La velocidad de transferencia de calor en el interior de la pieza depende en gran medida de su masa y geometría. Una forma cúbica grande se enfriará mucho más despacio que una lámina delgada pequeña. GRACIAS
