PROCESOS DE FABRICACION Tratamientos trmicos Constan de tres
fases A.) Calentamiento hasta la temperatura fijada (temperatura de
consigna): La elevacin de temperatura debe ser uniforme, por lo que
cuando se calienta una pieza o se hace aumentando la temperatura
muy lentamente o se va manteniendo un tiempo a temperaturas
intermedias, antes del paso por los puntos crticos, este ltimo es
el calentamiento escalonado. B.) Permanencia a la temperatura
fijada: Su fin es la completa transformacin del constituyente
estructural de partida. Puede considerarse como suficiente una
permanencia de unos dos minutos por milmetro de espesor en el caso
de querer obtener una austenizacin completa en el centro y
superficie. Largos mantenimientos y sobre todo a altas temperaturas
son "muy peligrosos" ya que el grano austentico crece rpidamente
dejando el acero con estructuras finales groseras y frgiles. C.)
Enfriamiento desde la temperatura fijada hasta la temperatura
ambiente: Este enfriamiento tiene que ser rigurosamente controlado
en funcin del tipo de tratamiento que se realice. Tratamientos en
la masa ms utilizados El tratamiento trmico es una operacin o
combinacin de operaciones que comprenden el calentamiento o
enfriamiento del metal, con el fin de mejorar algunas propiedades,
en relacin con la condicin original del material. Los propsitos
generales del tratamiento trmico son la eliminacin de tensiones
internas, homogeneizacin de las estructuras de moldeo, afino de
grano y cambio de estructura. Todos los procesos bsicos de
tratamiento trmico del acero incluyen la transformacin o
descomposicin de la austenita. Para realizar el tratamiento trmico
tenemos que calentar la muestra de acero hasta una temperatura por
encima de la temperatura crtica superior para formar austenita.
Normalmente la velocidad de enfriamiento en un mismo tratamiento no
influye demasiado en las propiedades finales del acero, siempre que
se haga razonablemente lento. Los principales tratamientos trmicos
que es aplican a una muestra de acero son: recocido total, recocido
de esferoidizacin, recocido para eliminacin de esfuerzos, recocido
de proceso, normalizacin y templado. Tratamientos termo-qumicos del
acero En el caso de los tratamientos trmicos, no solo se producen
cambios en la Estructura del Acero, sino tambin en su COMPOSICION
QUIMICA, aadiendo diferentes productos qumicos durante el proceso
del tratamiento. Estos tratamientos tienen efecto solo superficial
en las piezas tratadas. Algunos tipos de tratamientos trmicos se
realizan a base de algunas reacciones qumicas. Esto permite algunas
mejoras considerables de las que se tienen si se estuviesen
utilizando los mtodos convencionales. Los mtodos de tratamiento
trmico para endurecer el acero son: Cementacin: Las superficies de
las piezas de acero terminadas se endurecen al calentarlas con
compuestos de carbono o nitrgeno. Carburizacin: La pieza se
calienta mantenindola rodeada de carbn vegetal, coque o gases de
carbono. Cianurizacin: Se introduce el metal en un bao de sales de
cianuro, logrando as que endurezca. Nitrurizacin: Se usa para
endurecer aceros de composicin especial mediante su calentamiento
en amoniaco gaseoso. DESARROLLO TERICO 5.1 TRATAMIENTOS TRMICOS
5.1.1 Fundamentos y su Clasificacin El tratamiento trmico es la
operacin de calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado
slido para cambiar sus propiedades fsicas. Con el tratamiento
trmico adecuado se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamao
del grano, incrementar la tenacidad o producir una superficie dura
con un interior dctil.
Los tratamientos trmicos son combinaciones de calentamiento y
enfriamientos a tiempos determinados aplicados a un metal o aleacin
en estado slido con el fin de modificar propiedades de acuerdo a
las condiciones de uso.
Fig. 1.1 Horno continuo para normalizacin de laminacin del acero
Los tratamientos trmicos tienen como objetivo el estudio del efecto
de la composicin, temperatura, tamao de grano y atmsfera del horno
de calentamiento, sobre la microestructura y dureza de los aceros.
Todos los procesos bsicos de tratamientos trmicos para los aceros
incluyen la transformacin o descomposicin de la austenita. La
naturaleza y la apariencia de estos productos de transformacin
determinan las propiedades fsicas y mecnicas de cualquier acero. El
primer paso en el tratamiento trmico del acero es calentar el
material a alguna temperatura en o por encima del intervalo crtico
para formar austenita. En la mayora de los casos, la rapidez de
calentamiento a la temperatura deseada es menos importante que
otros factores en el ciclo de tratamiento trmico. Los materiales
altamente forzados producidos por trabajado en fro deben calentarse
mas lentamente que los que se haya libres de esfuerzos para evitar
distorsin. Se puede considerar la diferencia en temperatura que
tiene lugar dentro de las secciones gruesas y delgadas de artculos
de seccin transversal variable y, siempre que sea posible, se debe
tomar alguna medida para ser ms lento el calentamiento de las
secciones ms delgadas, de tal modo que sea posible minimizar el
esfuerzo trmico y distorsin. Por lo general se har menos dao al
acero al utilizar una rapidez de calentamiento tan lenta como sea
prctico. Para conocer a que temperatura debe elevarse el metal para
que se reciba un tratamiento trmico es recomendable contar con los
diagramas de cambio de fases como el de hierro - hierro - carbono.
En este tipo de diagramas se especifican las temperaturas en las
que suceden los cambios de fase (cambios de estructura cristalina),
dependiendo de los materiales diluidos. Los tratamientos trmicos
han adquirido gran importancia en la industria en general, ya que
con las constantes innovaciones se van requiriendo metales con
mayores resistencias tanto al desgaste como a la tensin. 5.1.2
Diagrama Hierro-Hierro-Carbono Bajo condiciones de equilibrio, el
conocimiento del acero y su estructura se resume mejor en el
diagrama parcial hierro-hierro-carbono. Si una pieza de acero con
0.20% de carbono se calienta lenta y uniformemente y su temperatura
se registra a intervalos definidos de tiempo, se obtiene una curva.
A tal curva se le llama curva de relacin inversa. La abscisa es la
variacin de calentamiento o el tiempo requerido para calentar o
enfriar el acero 10. La curva es una lnea vertical, excepto en
aquellos puntos donde la razn de variacin de calentamiento o
enfriamiento muestren cambios muy marcados. Es evidente que en tres
temperaturas hay un cambio definido en la variacin del
calentamiento. De una manera similar, estos mismos tres puntos
muestran nuevamente enfriamiento, pero ocurre a temperaturas
ligeramente menores. Cuando ocurren cambios originales, estos
puntos se conocen como puntos crticos y se designan por los smbolos
Ac1,Ac2 y Ac3. La letra c es la inicial de la palabra francesa
chauffage, que significa "calentar". Los puntos en la curva de
enfriamiento se designan por Ar1, Ar2 y Ar3. La r se toma de la
palabra refroidissement, que significa "enfriar".
2
Fig. 1.2 Diagrama de fase hierro-carbono-hierro Ciertos cambios
que tienen lugar en estos puntos crticos son llamados cambios
alotrpicos. Aunque la composicin qumica del acero, permanece igual,
sus propiedades cambian. Entre estos cambios, los principales son
la resistencia elctrica, la estructura atmica y la prdida del
magnetismo. Por definicin, un cambio alotrpico es un cambio
reversible en la estructura atmica del metal con un correspondiente
cambio en las propiedades del acero. Estos puntos crticos, deben
conocerse, ya que la mayora de los procesos de tratamiento trmico
requieren un calentamiento del acero a un temperatura arriba de
este grado. El acero no puede endurecerse, a menos que se caliente
a una temperatura mayor que la zona crtica inferior y e ciertos
casos mayor que la crtica superior. Si se hace una serie de curvas
de calentamiento tiempo-temperatura, para aceros de contenido de
carbono diferente y los puntos crticos correspondientes se
representan en una curva temperatura-porcentajes de carbono. Este
diagrama, que se aplica slo bajo condiciones de enfriamiento lento,
se conoce como diagrama parcial hierro-hierro-carbono. Las
temperaturas apropiadas para temple d cualquier acero al carbono se
pueden observar en este diagrama. Considere de nuevo la pieza de
acero con 0.20% de carbono que se h calentado hasta una temperatura
alrededor de 870 C. Arriba del punto A este acero es una solucin
slida de carbono en hierro gamma y se le llama austenita. Los tomos
de hierro estn situados en una malla cbica de cara centrada y no
son magnticos. Al enfriar este acero, los tomos de hierro inician
la formacin de una malla cbica de cuerpo centrado, abajo del punto
Ar3. Esta nueva estructura en formacin se llama, ferrita o hierro
alfa y es una solucin slida de carbn en hierro alfa. La solubilidad
del carbono en el hierro alfa es mucho menor que en el hierro
gamma. En el punto Ar2 el acero se vuelve magntico y, segn se enfra
hasta la lnea Ar, se forma ferrita adicional. En la lnea Ar1 la
austenita remanente se transforma en una nueva estructura llamada
perlita. ste componente es laminar en apariencia bajo una gran
amplificacin. La lamina es alternativamente ferrita y carburo de
hierro. Llamada perlita debido a su apariencia de "madre perla",
con gran amplificacin.
Figura 1.3 Estructura del acero SAE 1095, enfriado en el horno
desde 843 C. Ataque qumico en 5% picral. Se muestran lminas de
cementita y ferrita en perlita. Amplificacin x 1200. Cuando el
contenido de carbono del acero aumenta a ms del 0.20%, la
temperatura a la cual la ferrita es inicialmente rechazada de la
austenita decrece; aproximadamente a 0.80% de carbono, ninguna
ferrita libre es rechazada de la austenita.
3
Este acero es llamado acero eutectoide y es 100% perlita en su
composicin estructural. El punto eutectoide en cualquier metal es
la temperatura mnima a la cual ocurren cambios en una solucin
slida. Indica la ms baja temperatura para la descomposicin en
equilibrio de austenita a ferrita y cementita.. Si el contenido de
carbono del acero es mayor que el eutectoide, se observa una nueva
lnea en el diagrama hierro-hierro-carbono sealada con Acm. La lnea
indica la temperatura a la cual el carburo de hierro es rechazado
inicialmente de la austenita en lugar de la ferrita. Al carburo de
hierro (Fe3C) se le conoce como cementita y es extremadamente duro
y frgil. Los aceros que contienen menos carbono que el eutectoide
se conocen como aceros hipoeuectoides y aquellos con mayor
contenido de carbono se les llama aceros hiperettectoides. Esos
aceros, en estructura, se muestran en una serie de fotomicrografas
. La primera figura muestra hierro puro o ferrita. Segn se
incrementa el contenido de carbono hasta 0.80%, las reas oscuras de
la perlita se forman e incrementan en cantidad, mientras el rea del
fondo blanco de la ferrita disminuye y la muestra es casi toda
perlita.
Fig. 1.4 Fotomicrografias de aleaciones hierro-carbono En la
muestra que contiene 1.41% de carbono, el rea perlitica es menor y
el rea del fondo blanco es ahora cementita y ferrita. La mxima
cantidad de cementita a 1.41% de carbono se han enfriado lentamente
para producir los componentes descritos. Hasta ahora en lo que
concierne al tratamiento del acero, es suficiente, ya que el limite
del contenido de carbono en el acero es 2.0%. si el diagrama se
extiende hasta incluir los hierros fundidos con contenido de
carbono hasta 6.67% . Ya no se muestra ms all de ese punto, ya que
6.67% es el contenido de carbono de la cementita. En realidad, la
mayor parte d los hierros fundidos comerciales tienen un contenido
de carbono de 2.25 a 4.50%. 5.1.3 Tamao De Grano El acero fundido,
una vez enfriado, empieza a solidificarse en muchos pequeos centros
o ncleos. Los tomos en cada grupo tienden a colocarse en forma
similar. Los lmites irregulares de granos, vistos por el
microscopio despus del pulido y ataque qumico, son los contornos de
cada grupo de celdas atmicas que tienen la misma orientacin
general. El tamao de este grano depende de cierto nmero de
factores, siendo el principal el tratamiento en horno que ha
recibido. Los aceros de grano grueso son menos tenaces y tienen
mayor tendencia a la distorsin que aquellos que tienen un grano
fino; sin embargo, tienen mejor maquinabilidad y mayor facilidad
para el endurecimiento profundo, Los aceros de grano fino, adems de
ser tenaces, son ms dctiles y tienden menos a deformarse o
agrietarse durante el tratamiento trmico. El control del tamao de
grano es posible a travs de la regulacin de la composicin en el
proceso de manufactura inicial, pero despus de fabricado el acero,
el control se hace con un tratamiento trmico adecuado. El aluminio,
cuando se usa como desoxidante, es el ms importante factor de
control durante el periodo de manufactura, ya que eleva la
temperatura a la cual ocurre tan rpido crecimiento del grano.
Cuando se calienta una pieza de acero de bajo carbono, no hay
cambio del tamao de grano hasta el punto Ac1. Conforme se
incrementa la temperatura en la zona crtica, la ferrita y la
perlita se transforman gradualmente en austenita y, en el punto
crtico superior Ac3, el tamao de grano promedio es mnimo. Un
calentamiento adicional del acero produce un incremento en el tamao
de los granos austenticos, los cuales a su vez, rigen el tamao
final de los granos cuando se enfran. Un enfriamiento rpido desde
el punto Ac3 dara por resultado una estructura fina, mientras que
un enfriamiento lento o enfriamiento rpido desde una temperatura ms
alta, producira una estructura mas gruesa, el tamao de grano final
depende en un alto grado del tamao previo de grano austenitico en
el acero al momento del temple.
4
No todos los aceros inician el crecimiento de los cristales
grandes inmediatamente despus que se han calentado arriba de la
zona critica superior; algunos aceros pueden calentarse a una
temperatura mas alta con solo un pequeo cambio en su estructura.
Finalmente se alcanza una temperatura conocida como temperatura de
crecimiento y el crecimiento del grano se vuelve rpido. Esta es una
caracterstica de los aceros de medio carbono, de muchas aleaciones
de acero y aceros que se han desoxidado con aluminio. La
temperatura de crecimiento no es una temperatura fija y puede
cambiarse por trabajo previo en caliente o en fro y por tratamiento
trmico. El trabajo en caliente en el acero se inicia a temperatura
muy arriba de la zona crtica, con el acero en un estado plstico.
Refina la estructura granular y elimina cualquier efecto de
crecimiento debido a la alta temperatura. La forja en caliente o
laminacin no deber continuar abajo de la temperatura crtica. El
mtodo principal para determinar el tamao de grano es por examen al
microscopio, aunque puede estimarse aproximadamente por el examen
de una fractura. Para la determinacin al microscopio los lmites de
los granos deben definirse claramente por algn componente. Los
aceros de bajo carbono tienen ferrita precipitada de la austenita
una vez enfriados lentamente y los contornos de estos granos se
revelan claramente con el pulido y el ataque qumico. Ya que un
enfriamiento muy lento puede producir demasiada ferrita primaria,
que permita la evaluacin del tamao previo del grano austentico,
deber emplearse una velocidad de enfriamiento de tal forma que los
componentes proeutectoides se reduzcan solamente a delimitar las
regiones perlticas. Igualmente, para aceros de medio carbono el
tamao previo de grano austentico se representar de modo general por
el rea perltica ms la mitad de la ferrita circunvecina. Los aceros
hipereutectoides tendrn los lmites de los granos definidos por la
cementita que se precipita, En la fotomicrografa se muestra un
ejemplo de un acero con granos grandes. Esta muestra ha sido
calentada a una temperatura excesivamente alta, dando por resultado
un gran crecimiento del grano y alguna separacin cristalina. El
acero que ha sido "quemado" muestra esta separacin debido a la
oxidacin en los lmites del grano y esto no puede remediar se por
tratamiento trmico. Este acero puede volverse til para uso
comercial slo volviendo a fundirlo.
5.1.4 Composicin Del Acero Acero es una aleacin de hierro y
carbono que contiene otros elementos de aleacin, los cuales le
confieren propiedades mecnicas especificas para su utilizacin en la
industria metalmecnica. Los otros principales elementos de
composicin son el Cromo, Tungsteno, Manganeso, Nquel, Vanadio,
Cobalto, Molibdeno, Cobre, Azufre y Fsforo. Estos elementos, segn
su porcentaje, ofrecen caractersticas especificas para determinadas
aplicaciones, como herramientas, cuchillas, soportes, etc. 5.1.5
Propiedades Mecnicas Del Acero Resistencia al desgaste. Es la
resistencia que ofrece un material a dejarse erosionar cuando esta
en contacto de friccin con otro material. Tenacidad. Es la
capacidad que tiene un material de absorber energa sin producir
Fisuras (resistencia al impacto). Maquinabilidad. Es la facilidad
que posee un material de permitir el proceso de mecanizado por
arranque de viruta. Dureza. Es la resistencia que ofrece un acero
para dejarse penetrar. Se mide en unidades BRINELL (HB) unidades
ROCKWEL C (HRC), mediante test del mismo nombre. El tratamiento
trmico en el material es uno de los pasos fundamentales para que
pueda alcanzar las propiedades mecnicas para las cuales esta
creado. La clave de los tratamientos trmicos consiste en las
reacciones que se producen en el material, tanto en los aceros como
en las aleaciones no frreas, y ocurren durante el proceso de
calentamiento y enfriamiento de las piezas, con unas pautas o
tiempos establecido. 5.1.6 Endurecimiento Del Acero
5
El proceso de endurecimiento del acero consiste en el
calentamiento del metal de manera uniforme a la temperatura
correcta (ver figura de temperaturas para endurecido de metales) y
luego enfriarlo con agua, aceite, aire o en una cmara refrigerada.
El endurecimiento produce una estructura granular fina que aumenta
la resistencia a la traccin (tensin) y disminuye la ductilidad. El
acero al carbono para herramientas se puede endurecer al calentarse
hasta su temperatura crtica, la cual se adquiere aproximadamente
entre los 1450 F y 1525 F (790 a 830 C) lo cual se identifica
cuando el metal adquiere el color rojo cereza brillante. Cuando se
calienta el acero la perlita se combina con la ferrita, lo que
produce una estructura de grano fino llamada austenita.
Fig. 1.5 Temperaturas para el endureciemiento del acero Cuando
se enfra la austenita de manera brusca con agua, aceite o aire, se
transforma en martensita, material que es muy duro y frgil. 5.1.7
Diagramas De Transformacin Isotrmica El diagrama de fase
hierro-hierro-carbono es til para seleccionar las temperaturas de
partes que deben calentarse para diferentes operaciones de
tratamiento y tambin indica el tipo de estructura esperada en
aceros enfriados lentamente. Aunque es muy til en todas las
operaciones de tratamiento trmico, no da mucha informacin en
relacin con los efectos de la velocidad de enfriamiento, tiempo,
estructura del grano o estructura asequibles cuando se interrumpe
el temple a ciertas temperaturas elevadas. Los diagramas de
transformacin isotrmica, tambin conocidos como diagramas de
transformacin tiempo-temperatura o curvas S se han realizado para
proporcionar esa informacin. Este diagrama indica la forma de los
cambios en los aceros austenitizados, si se mantienen a una
temperatura constante. Conociendo esa temperatura, las veces en las
cuales la transformacin principia y termina pueden determinarse; la
estructura resultante se indica en el diagrama. Para obtener una
estructura martenstica, el acero debe enfriarse con suficiente
rapidez de tal forma, que la curva de enfriamiento no intersecte la
nariz de la curva de transformacin. La que muestra que la curva de
enfriamiento pasa a travs de las lneas Ms y Mf (principio y fin de
la transformacin de austenita a martensita). La forma general de
una curva de transformacin tiempo-temperatura difiere para cada
acero dependiendo del contenido de carbono, de la presencia de
aleaciones y del tamao de grano austentico. La mayor parte de los
elementos de aleacin en el acero desplazan las curvas hacia la
derecha permitiendo as ms tiempo para endurecer el acero
completamente, sin tocar la nariz de, la curva. Este incremento en
templabilidad del acero permite el endurecimiento de secciones de
mayor espesor de las que seran posibles en otra forma.
6
En aceros al carbn que reducen su contenido de carbono, la curv
a se desplaza hacia la izquierda y tambin ascienden las lneas de
temperatura Ms y Mf. Esto hace muy difcil producir martensita
mediante el temple de un acero hipoeutectoide. El acero al carbn
que tiene una composicin eutectoide responde bien a los
tratamientos de endurecimiento. Los aceros que tienen un tamao de
grano fino austentico desplazan la curva hacia la izquierda,
haciendo as ms difcil el endurecimiento de un arco de grano fino
que de uno de grano grueso. Sin embargo, los aceros de grano grueso
son ms propensos a agrietarse o deformarse durante el temple, de
tal forma que su templabilidad ascendente tiene poca ventaja. 5.2
Recocido normalizado temple y revenido 5.2.1 Temple El temple
consiste en calentar el acero a una temperatura determinada por
encima de su punto de transformacin para lograr una estructura
cristalina determinada (estructura austentica), seguido de un
enfriamiento rpido con una velocidad superior a la crtica, que
depende de la composicin del acero, para lograr una estructura
austentica, martenstica o baintica, que proporcionan a los aceros
una dureza elevada. Para conseguir un enfriamiento rpido se
introduce el acero en agua, aceite, sales o bien se efecta el
enfriamiento con aire o gases. La velocidad de enfriamiento depende
de las caractersticas de los aceros y de los resultados que se
pretenden obtener. En casos determinados se interrumpe el
enfriamiento en campos de temperatura comprendidos entre 180-500
C., alcanzndose de esta manera un temple con el mnimo de variacin
en las dimensiones de las piezas, un mnimo riesgo de deformacin y
consiguindose durezas y resistencias determinadas, de acuerdo con
las estructuras cristalinas en lo que se refiere a austenita,
martensita o bainita. Los procedimientos de temple descritos se
refieren a un temple total del material, otros tratamientos
permiten una ms amplia variacin de las caractersticas aadiendo
carbono o nitrgeno a la superficie de las piezas. El fin que se
pretende conseguir con el ciclo del temple es aumentar la dureza y
resistencia mecnica, transformando toda la masa en austenita con el
calentamiento y despus, por medio de un enfriamiento rpido la
austenita se convierte en martensita, que es el constituyente tpico
de los aceros templados. El temple tiene por objeto endurecer y
aumentar la resistencia de los aceros. Para ello, se calienta el
acero a una temperatura ligeramente ms elevada que la crtica
superior, entre 900-950C, y se enfra luego, ms o menos rpidamente
dependiendo de las caractersticas de la pieza, en un medio como
agua, aceite, entre otros. El factor que caracteriza a la fase de
enfriamiento es la velocidad del mismo que debe ser siempre
superior a la crtica para obtener martensita. La velocidad crtica
de los aceros al carbono es muy elevada. Los elementos de aleacin
disminuyen en general la velocidad crtica de temple y en algunos
tipos de alta aleacin es posible realizar el temple al aire; a
estos aceros se les denomina autotemplantes. Factores que influyen
en el proceso del temple El tamao de la pieza: cuanto ms espesor
tenga la pieza ms hay que aumentar el ciclo de duracin del proceso
de calentamiento y de enfriamiento. La composicin qumica del acero:
en general los elementos de aleacin facilitan el temple. El tamao
del grano: influye principalmente en la velocidad crtica del
temple, tiene mayor templabilidad el de grano grueso. El medio de
enfriamiento: el ms adecuado para templar un acero es aquel que
consiga una velocidad de temple ligeramente superior a la crtica.
Los medios ms utilizados son: aire, aceite, agua, bao de Plomo, bao
de Mercurio, bao de sales fundidas y polmeros hidrosolubles. Los
tipos de temple son los siguientes Temple total o normal Temple
escalonado martenstico o "martempering" Temple escalonado baintico
o "austempering" Temple interrumpido y Tratamiento subcero. A
continuacin se presenta una imagen en la cual se muestran las
diferentes temperaturas a las cuales se deben de calentar el acero
para obtener determinados temples.
7
Figura 6. Temperaturas de calentamiento del acero Tabla 1:
Temperaturas para templar acero endurecido Color Paja claro Paja
mediano Paja obscuro Morado Azul obscuro Azul claro Grados F 430
460 490 520 570 600 Grados C 220 240 255 270 300 320 Tipos de
aceros Herramientas como brocas, machuelos Punzones dados y fresas
Cizallas y martillos rboles y cinceles para madera Cuchillos y
cinceles para acero Destornilladores y resortes
Mtodo de Jominy para tornillos Es un proceso para obtener un
tratamiento trmico de templado, el cual es usado principalmente en
tornillos; este consiste en hacer incidir una corriente de agua
primero y salmuera posteriormente, sobre un extremo del tornillo.
Enfriados de esta manera conseguiremos que la velocidad de
enfriamiento sea muy rpida obteniendo la mayor proporcin de fase
martensita posible evitando que esta se transforme a medida que
disminuye la temperatura. Este procedimiento es el que mayor dureza
confiere a los tornillos. En particular, los enfriados con salmuera
resultarn de mayor dureza que los enfriados con agua, y la punta
del tornillo donde la velocidad de enfriamiento es mayor acumular
la mayor cantidad de martensita.
Figura 7: Mtodo de Jominy para tornillos
8
5.2.2 Revenido Es un tratamiento habitual a las piezas que han
sido previamente templadas. El revenido consigue disminuir la
dureza y resistencia de los aceros templados, se eliminan las
tensiones creadas en el temple y se mejora la tenacidad, dejando al
acero con la dureza o resistencia deseada. Si un acero se templa
correctamente, alcanza su mxima dureza, que depende en primer lugar
de su contenido en carbono, pero el acero en este estado es muy
frgil y en consecuencia debe ser revenido a una temperatura entre
150 C y el punto de transformacin del mismo. Los revenidos
efectuados entre 150-220 C influyen poco en la dureza pero mejoran
la resistencia, eliminando una parte de las tensiones producidas
durante el enfriamiento. Esta clase de revenido se utiliza sobre
todo en aceros para herramientas que requieren una gran dureza, en
otros casos se efectan los revenidos entre los 450-600 C. En estos
casos el acero templado pierde parte de la dureza conseguida pero
se aumenta la resistencia y la elasticidad. Variando la temperatura
y la duracin del revenido se influye sobre el resultado final en lo
referente a dureza y resistencia del acero. Una prolongacin del
tiempo de mantenimiento a temperatura, visto desde el punto de la
dureza, significa lo mismo que un aumento de la temperatura, pero
no en absoluto en lo referente a la estructura, por lo tanto, la
temperatura y duracin del tratamiento depende de los resultados
finales exigidos, (dureza, resistencia ). En casos determinados se
precisan dos revenidos consecutivos, ya que en el temple puede no
transformarse la austenita en su totalidad, permaneciendo en la
estructura parte de la misma no transformada (austenita residual).
Esta austenita puede transformarse en el curso de un revenido, ya
sea en el calentamiento a temperatura o en periodo de mantenimiento
de sta, o bien en el enfriamiento despus del revenido, logrndose
martensita o bainita. Un segundo revenido puede ser necesario para
eliminar la fragilidad debida a las tensiones producidas por la
transformacin en las distintas fases. Loa aceros que poseen una
asutenita residual muy estable, como algunos aceros rpidos,
requieren a veces tres revenidos. Objetivos del revenido Mejorar
los efectos del temple, llevando al acero a un estado de mnima
fragilidad. Disminuir las tensiones internas de transformacin, que
se originan en el temple. Disminuir la resistencia a la rotura por
traccin, el lmite elstico y la dureza. Aumentar las caractersticas
de ductilidad; alargamiento estriccin y las de tenacidad;
resiliencia. Factores que influyen en el revenido La temperatura de
revenido sobre las caractersticas mecnicas El tiempo de revenido (a
partir de un cierto tiempo lmite la variacin es tan lenta que se
hace antieconmica su prolongacin, siendo preferible un ligero
aumento de temperatura de revenido) La velocidad de enfriamiento
(es prudente que el enfriamiento no se haga rpido) Las dimensiones
de la pieza (la duracin de un revenido es funcin fundamental del
tamao de la pieza recomendndose de 1 a 2 horas por cada 25mm de
espesor o dimetro).
5.2.3 Recocido Consiste bsicamente en un calentamiento hasta
temperatura de austenizacin (800-925C) seguido de un enfriamiento
lento. Con este tratamiento se logra aumentar la elasticidad,
mientras que disminuye la dureza. Tambin facilita el mecanizado de
las piezas al homogeneizar la estructura, afinar el grano y
ablandar el material, eliminando la acritud que produce el trabajo
en fro y las tensiones internas. Con este nombre tambin se conocen
varios tratamientos cuyo objetivo principal es "ablandar" el acero
para facilitar su mecanizado posterior. Tambin es utilizado para
regenerar el grano o eliminar las tensiones internas. Se debe tener
en cuenta que los recocidos no proporcionan generalmente las
caractersticas ms adecuadas para la utilizacin del acero y casi
siempre el material sufre un tratamiento posterior con vistas a
obtener las caractersticas ptimas del mismo. Cuando esto sucede el
recocido se llama tambin "tratamiento trmico preliminar" y al
tratamiento final como "tratamiento trmico de calidad". El recocido
pretende conseguir lo contrario que el temple, es decir un
ablandamiento del material que se consigue al poner en equilibrio
la estructura cristalina que se haba deformado por el fro, por
tratamientos trmicos o por la mecanizacin de la pieza.
Los tipos de recocidos son los siguientes Recocido de
regeneracin Recocido de engrosamiento de grano Recocidos globulares
o esferoidales Recocido de homogenizacin
9
Recocidos subcrticos Recocido isotrmico Recocido blanco.
Recocido isotrmico Otros recocidos se efectan para modificar la
reparticin de los componentes de la estructura cristalina
(transformacin de la perlita laminar), a ste recocido denominado
isotrmico el cual es muy frecuente en piezas estampadas para la
industria de automocin. Aparte de los tratamientos indicados existe
un gran nmero de otros muy especficos como envejecimiento,
boronizado, sulfinizado, desgasificado, oxidacin, recristalizacin ,
reduccin sinterizado, etc. Recocido total Este proceso consiste en
el calentamiento del acero a la temperatura adecuada durante un
tiempo y luego enfriar muy lentamente en el interior del horno o en
algn material aislaste del calor. Debido al enfriamiento lento el
proceso puede ser asociado al diagrama de equilibrio hierro-carburo
de hierro, que en nuestro caso se trata de una muestra de acero
hipoeutectoide y corresponde el proceso al diagrama siguiente
representado en la figura. El propsito general del recocido es
refinar el grano, proporcionar suavidad, mejorar las propiedades
elctricas y magnticas y, en algunos casos, mejorar el
maquinado.
Figura 8: Microestructura de las fases perlita y ferrita. La
figura muestra la microestructura de las fases perlita y ferrita.
Al calentar y traspasar la lnea crtica inferior, la perlita se
transformar en pequeos granos de austenita por medio de la reaccin
eutectoide, dejando la ferrita inalterada; al seguir calentando y
traspasar la lnea crtica superior los granos grandes de ferrita se
transformarn en pequeos granos de austenita con lo que se obtendr
una microestructura de austenita con granos muy pequeos; dejando
enfriar lentamente la muestra se formarn pequeos granos de ferrita
proeutectoide y pequeas reas de gruesa perlita laminar. Recocido
para la eliminacin de esfuerzos Este proceso se utiliza para
eliminar esfuerzos residuales debidos a un fuerte maquinado u otros
procesos de trabajo en fro. Este recocido, tambin denominado
subcrtico, se lleva a cabo a temperaturas por debajo de la lnea
crtica inferior A3. Recocido de proceso Es un proceso muy parecido
al recocido para eliminar esfuerzos, ya que se calienta el acero a
una temperatura por debajo de la lnea crtica inferior. La
utilizacin de este tipo de tratamiento se orienta hacia las
industrias de lminas y cable. Si se aplica despus del proceso en
fro se suaviza el acero por medio de la recristalizacin, para un
posterior trabajo. 5.2.4 Normalizado El normalizado es un recocido
que se efecta para proporcionar una buena y fcil mecanizacin de las
piezas, lo cual depende de su estructura cristalina. El normalizado
se efecta antes del temple, ya que el resultado de ste depende del
estado inicial de la estructura de las mismas. Tambin se realizan
recocidos para la eliminacin de tensiones a temperaturas inferiores
al punto de transformacin.
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Muchas veces se efectan recocidos en piezas que previamente
fueron templadas y revenidas. Para ello debe elegirse una
temperatura que logre la disminucin de la dureza y la resistencia.
La temperatura baja exigida puede ser compensada por la duracin del
recocido. La velocidad de enfriamiento despus del recocido tiene
una gran importancia, ya que un enfriamiento rpido puede provocar
nuevas tensiones y si es demasiado lento existe el peligro de
fragilidad. Muchas veces se efectan recocidos en piezas que
previamente fueron templadas y revenidas. El tratamiento trmico de
normalizacin del acero se lleva a cabo al calentar aproximadamente
a 20C por encima de la lnea de temperatura crtica superior seguida
de un enfriamiento al aire hasta la temperatura ambiente. El
propsito de la normalizacin es producir un acero ms duro y ms
fuerte que con el recocido total, de manera que para algunas
aplicaciones ste sea el tratamiento trmico final. Sin embargo, la
normalizacin puede utilizarse para mejorar la maquinabilidad,
modificar y refinar las estructuras dendrticas de piezas de
fundicin, refinar el grano y homogeneizar la microestructura para
mejorar la respuesta en las operaciones de endurecimiento. El hecho
de enfriar ms rpidamente el acero hace que la transformacin de la
austenita y la microestructura resultante se vean alteradas, ya que
como el enfriamiento no se produce en condiciones de equilibrio, el
diagrama hierro-carburo de hierro no es aplicable para predecir las
proporciones de ferrita y perlita proeutectoide que existirn a
temperatura ambiente. Ahora, se tendr menos tiempo para la formacin
de la ferrita proeutectoide, en consecuencia, habr menos cantidad
de esta en comparacin con los aceros recocidos. Aparte de influir
en la cantidad de constituyente proeutectoide que se formar, la
mayor rapidez de enfriamiento en la normalizacin tambin afectar a
la temperatura de transformacin de austenita y en la fineza de la
perlita. El hecho de que la perlita (que es una mezcla eutectoide
de ferrita y cementita) se haga ms fina implica que las placas de
cementita estn ms prximas entre s, lo que tiende a endurecer la
ferrita, de modo que esta no ceder tan fcilmente, aumentando as la
dureza. El enfriamiento fuera del equilibrio tambin cambia el punto
eutectoide hacia una proporcin de carbono ms baja en los aceros
hipoeutectoides y ms alta en los aceros hipereutectoides. El efecto
neto de la normalizacin es que produce una estructura de perlita ms
fina y ms abundante que la obtenida por el recocido, resultando un
acero ms duro y ms fuerte. 5.3 CEMENTADO, NITRURADO Y CIANURADO
5.3.1 CEMENTACIN: Consiste en el endurecimiento de la superficie
externa del acero al bajo carbono, quedando el ncleo blando y
dctil. Como el carbono es el que genera la dureza en los aceros en
el mtodo de cementado se tiene la posibilidad de aumentar la
cantidad de carbono en los aceros de bajo contenido de carbono
antes de ser endurecido. Es el mtodo mas antiguo conocido de
producir una superficie dura es el temple superficial o cementacin.
Este proceso, en resumen, consiste simplemente en calentar el
hierro o el acero arriba de Ac 1 mientras esta en contacto con un
material carbonoso, el que puede ser solid, lquido o gas. El
hierro, a temperaturas cercanas y mayores que su temperatura crtica
tiene una afinidad por el carbono. El carbono es absorbido por el
metal para formar una solucin slida con el hierro y convertir la
superficie exterior en acero de alto carbono. Como la operacin
continua, el carbn se difunde gradualmente en el interior de la
pieza. La profundidad de la capa depende del tiempo y temperatura
del tratamiento. La forma ms antigua de cementacin se conoce como
cementacin en capa y consiste en colocar las piezas por tratar en
un recipiente cerrado con un material carbonoso, tal como carbn
vegetal o coque. Es un proceso tardado y se utiliza para producir
capas bastante gruesas, de 0.75 a 4 mm de espesor. La cementacin
encapa se utiliza principalmente para piezas grandes o para
procesar pequeos lotes de piezas. Para capas menos profundas, de
0.10 a 0.75 mm, se usa frecuentemente la cementacin gaseosa,
utilizando tanto combustible derivados de hidrocarburos como gases
naturales y propano. La cementacin gaseosa se usa particularmente
para el temple superficial de piezas pequeas que puedan templarse
por enfriamiento directo desde el horno, al final del ciclo de
calentamiento.
En la cementacin liquida, el acero se calienta arriba de Ac1 en
un bao de sal de cianuro originando que el carbn y algo de nitrgeno
se difundan en la capa. Es similar al cianurazo, excepto que la
capa tiene mayor contenido de carbono y menor de nitrgeno. La
cementacin liquida puede utilizarse para espesores de capas hasta
6.35 mm aunque, en la mayora de los casos, el espesor no excede de
0.64 mm. Este mtodo se adapta mejor para temple superficial de
piezas de tamaos pequeo y mediano. El acero utilizado para
cementacin, comnmente es un acero al carbono de aproximadamente de
aproximadamente de 0.15 % de carbono, el que no reacciona
perceptiblemente al tratamiento trmico. Durante este proceso, la
capa exterior se convierte en un acero de alto carbono, con un
contenido que varia de 0.9 a 1.20 % de carbono.
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Un acero con contenido de carbono variable y, consecuentemente,
diferentes temperaturas crticas, requiere un tratamiento trmico
especial. Ya que hay un crecimiento del grano en el acero durante
el prolongado tratamiento de cementacin, la pieza deber calentarse
a la temperatura critica del ncleo y luego enfriarse, refinando as
la estructura del ncleo. El acero deber entonces recalentarse a un
punto arriba de la zona de transformacin de la capa Ac1 y templarse
para producir una estructura dura y fina. La temperatura de
tratamiento trmico ms baja de la capa resulta del hecho que los
aceros hipereutectoides se austenitizan normalmente para
endurecerlos justo arriba de la zona crtica inferior. Se puede
utilizar un tercer tratamiento de revenido para reducir los
esfuerzos. Objeto de la cementacin El templado y revenido
proporcionan dureza a la pieza, pero tambin fragilidad. Por el
contrario, si no se templa el material no tendr la dureza
suficiente y se desgastar. Para conservar las mejores cualidades de
los dos casos se utiliza la cementacin. La cementacin tiene por
objeto endurecer la superficie de una pieza sin modificacin del
ncleo, dando lugar as a una pieza formada por dos materiales, la
del ncleo de acero con bajo ndice de carbono, tenaz y resistente a
la fatiga, y la parte de la superficie, de acero con mayor
concentracin de carbono, ms dura, resistente al desgaste y a las
deformaciones, siendo todo ello una nica pieza compacta. Aceros de
cementacin Son apropiados para cementacin los aceros de baja
contenido de carbono, que conserven la tenacidad en el ncleo. El
cromo acelera la velocidad de penetracin del carbono. Los aceros al
cromo nquel tienen buenas cualidades mecnicas y responden muy bien
a este proceso. Una concentracin de nquel por encima del 5% retarda
el proceso de cementacin 5.3.2 Cianurado El cianurado o
carbonitrurado lquido como se llama algunas veces, es tambin un
proceso que combina la absorcin del carbono y nitrgeno para obtener
dureza superficial en aceros de bajo carbono que no reaccionan al
tratamiento trmico ordinario. La pieza por endurecer se sumerge en
un bao de sales fundidas de cianuro de sodio a una temperatura
ligeramente superior a la zona Ac1, dependiendo el tiempo de
inmersin en la profundidad de la capa. Despus, la pieza se templa
en agua o aceite para obtener una superficie dura. Con este proceso
pueden obtenerse fcilmente profundidades de capa de 0.10 a 0.40 mm.
El cianurado se usa principalmente para el tratamiento de partes
pequeas. 5.3.3 Nitrurado La nitruracin es un tratamiento
termoqumico, dado que se modifica la composicin del acero
incorporando nitrgeno, dentro del proceso de tratamiento trmico.
Proporciona dureza superficial a las piezas, por absorcin de
nitrgeno mediante calentamiento en una atmsfera de nitrgeno. El
nitrurado es algo similar a la cementacin ordinaria, pero utiliza
material y tratamiento diferentes para lograr los componentes de la
superficie dura. En este proceso, el metal se calienta a una
temperatura alrededor de 510 C y se mantiene as por un periodo de
tiempo, en contacto con gas de amoniaco. El nitrgeno del gas se
introduce en el acero formando nitruros muy duros los que se
dispersan finamente por toda la superficie del material. Se han
encontrado que el nitrgeno tiene mayor capacidad de endurecimiento
con ciertos elementos que con otros; de aqu que se hayan
desarrollado aleaciones de acero especiales de nitrurado. El
aluminio, en la zona de 1 al 1 %, ha demostrado ser especialmente
adecuado en el acero, ya que se combina con el gas para formar un
componente muy estable y duro. La temperatura de calentamiento vara
de 494 a 565 C. El nitrurado lquido utiliza las sales de cianuro
fundidas y, como en el nitrurado gaseoso, la temperatura se
mantiene debajo de la zona transformacin. El nitrurado o la
cementacin en baos de cianuro. Se obtienen espesores de capa 0.03 a
0.30 mm, mientras que para nitrurado con gas el espesor de la capa
puede ser hasta 0.64 mm. En general, las aplicaciones de los dos
procesos de nitrurado son similares.
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El nitrurado desarrolla una alta dureza en la superficie del
acero. Esta dureza vara de 900 a 1100 Brinell, la que es
considerablemente mayor que la que se obtiene por la cementacin
ordinaria. Los aceros nitrurados, en virtud del contenido de su
aleacin, son ms resistentes que los aceros ordinarios y reaccionan
rpidamente al tratamiento trmico. Se recomienda que estos aceros se
maquinen y traten trmicamente antes del nitrurado, debido a que no
hay oxidacin ni es necesario trabajo posterior a este proceso.
Afortunadamente, la estructura interior y propiedades no son
afectadas en forma apreciable por el tratamiento de nitrurado y, ya
que no es necesario el temple hay una ligera tendencia al alabeo,
al desarrollo de grietas o al cambio de condiciones de cualquier
forma. La superficie resiste en forma efectiva la accin corrosiva
del agua, de salpicaduras del agua salada, de los lcalis, petrleo
crudo y gas natural.
Aceros de nitruracin No todos los aceros son actos para
nitrurar. Resulta conveniente que en la composicin de la aleacin
haya una cierta cantidad de aluminio 1%. Tambin es aplicable a los
aceros inoxidables, aceros al cromo nquel y ciertas fundiciones al
aluminio o al cromo. No es aconsejable en aceros al carbono, el
nitrgeno penetra rpidamente en la superficie de la pieza y la capa
nitrurada puede desprenderse. Prctica de la nitruracin Las piezas a
nitrurar se mecanizan, y luego se templan y revienen, con objeto de
que el ncleo adquiera una resistencia adecuada. Finalmente, una vez
mecanizadas a las cotas definitivas, se procede a efectuar la
nitruracin. Las piezas a nitrurar se colocan dentro de un horno
elctrico, con circulacin de gas amonaco por el interior,
manteniendo la temperatura y la concentracin de nitrgeno durante
todo el tiempo que dure el proceso hasta su finalizacin. A aquellas
partes de la pieza que no se deban nitrurar se les da un bao de
estao y plomo al 50%, que cubre la superficie de la pieza aislndola
del nitrgeno. 5.3.4 Otros tipos de Tratamientos Trmicos
Carburizacin por empaquetado Este procedimiento consiste en meter
al material de acero con bajo contenido carbnico en una caja
cerrada con material carbonceo y calentarlo hasta 1650 o 1700 F
(900 a 927 C) durante 4 a 6 horas. En este tiempo el carbn que se
encuentra en la caja penetra a la superficie de la pieza a
endurecer. Entre ms tiempo se deje a la pieza en la caja con carbn
de mayor profundidad ser la capa dura. Una vez caliente la pieza a
endurecer a la temperatura adecuada se enfra rpidamente en agua o
salmuera. Los tratamientos termoqumicos son tratamientos trmicos en
los que, adems de los cambios en la estructura del acero, tambin se
producen cambios en la composicin qumica de la capa superficial,
aadiendo diferentes productos qumicos hasta una profundidad
determinada. Estos tratamientos requieren el uso de calentamiento y
enfriamiento controlados en atmsferas especiales. Entre los
objetivos ms comunes de estos tratamientos estn aumentar la dureza
superficial de las piezas dejando el ncleo ms 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 corrosin. Cementacin (C): aumenta la
dureza superficial de una pieza de acero dulce, aumentando la
concentracin de carbono en la superficie. Se consigue teniendo en
cuenta el medio o atmsfera que envuelve el metal durante el
calentamiento y enfriamiento. El tratamiento logra aumentar el
contenido de carbono de la zona perifrica, obtenindose despus, por
medio de temples y revenidos, una gran dureza superficial,
resistencia al desgaste y buena tenacidad en el ncleo. Nitruracin
(N): al igual que la cementacin, aumenta la dureza superficial,
aunque lo hace en mayor medida, incorporando nitrgeno en la
composicin de la superficie de la pieza. Se logra calentando el
acero a temperaturas comprendidas entre 400 y 525 C, dentro de una
corriente de gas amoniaco, ms nitrgeno. Cianuracin (C+N):
endurecimiento superficial de pequeas piezas de acero. Se utilizan
baos con cianuro, carbonato y cianato sdico. Se aplican
temperaturas entre 760 y 950 C. Carbonitruracin (C+N): al igual que
la cianuracin, introduce carbono y nitrgeno en una capa
superficial, pero con hidrocarburos como metano, etano o propano;
amoniaco (NH3) y monxido de carbono (CO). En el proceso se
requieren temperaturas de 650 a 850 C y es necesario realizar un
temple y un revenido posterior.
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Sulfinizacin (S+N+C): aumenta la resistencia al desgaste por
accin del azufre. El azufre se incorpor al metal por calentamiento
a baja temperatura (565 C) en un bao de sales.
Para evitar deformaciones y disminuir la tensin superficial se
recomienda dejar enfriar la pieza en la caja para posteriormente
sacarla y volverla a calentar entre 1400 y 1500 F (rojo cereza) y
proceder al enfriamiento por inmersin. La capa endurecida ms
utilizada tiene un espesor de 0.38 mm, sin embargo se pueden tener
espesores de hasta 4 mm. Carburizacin en bao lquido El acero a
cementar se sumerge en un bao de cianuro de sodio lquido. Tambin se
puede utilizar cianuro de potasio pero sus vapores son muy
peligrosos. Se mantiene la temperatura a 1500 F (845 C) durante 15
minutos a 1 hora, segn la profundidad que se requiera. A esta
temperatura el acero absorber el carbono y el nitrgeno del cianuro.
Despus se debe enfriar con rapidez al acero en agua o salmuera. Con
este procedimiento se logran capas con espesores de 0.75 mm.
Carburizacin con gas En este procedimiento se utilizan gases
carburizantes para la cementacin. La pieza de acero con bajo
contenido carbnico se coloca en un tambor al que se introduce gas
para carburizar como derivados de los hidrocarburos o gas natural.
El procedimiento consiste en mantener al horno, el gas y la pieza
entre 1650 y 1750 F (900 y 927 C). despus de un tiempo
predeterminado se corta el gas carburizante y se deja enfriar el
horno. Luego se saca la pieza y se recalienta a 1400 F (760 C) y se
enfra con rapidez en agua o salmuera. Con este procedimiento se
logran piezas cuya capa dura tiene un espesor hasta de 6 mm, pero
por lo regular no exceden de 0.7 mm. Carbonitruracin La difusin de
carbono y nitrgeno se denomina carbonitruracin, tratamiento trmico
muy frecuente debido a sus numerosas ventajas. Dicho tratamiento se
realiza en las mismas condiciones que la cementacin ya sea en bao
de sales de una composicin determinada o en atmsfera gaseosa con
adicin de nitrgeno por medio de la disociacin de amoniaco.
Tratamientos trmicos del acero. A travs de los tratamientos trmicos
podemos modificar las propiedades de los metales, mediante
alteraciones de su estructura, pudiendo as desempear con garantas
los trabajos demandados. Las aleaciones de tipo ferroso son las que
mejor se prestan a ello. El tratamiento trmico consiste en calentar
el acero a una temperatura determinada, mantenerlo a esa
temperatura durante un cierto tiempo hasta que se forme la
estructura deseada y luego enfriarlo a la velocidad conveniente.
Los factores temperatura-tiempo deben ser muy bien estudiados
dependiendo del material, tamao y forma de la pieza. Con el
tratamiento conseguiremos modificar microscpicamente la estructura
interna de los metales, producindose transformaciones de tipo
fsico, cambios de composicin y propiedades permitindonos conseguir
los siguientes objetivos: Estructura de mejor dureza y
maquinabilidad. Eliminar tensiones internas y evitar deformaciones
despus del mecanizado. Estructura ms homognea. Mxima dureza y
resistencia posible. Variar algunas de las propiedades fsicas.
El tratamiento trmico en el material es uno de los pasos
fundamentales para que pueda alcanzar las propiedades mecnicas para
las cuales est creado. Este tipo de procesos consisten en el
calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado slido para
cambiar sus propiedades fsicas. Con el tratamiento trmico adecuado
se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamao del grano,
incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un
interior dctil. La clave de los tratamientos trmicos consiste en
las reacciones que se producen en el material, tanto en los aceros
como en las aleaciones no frreas, y ocurren durante el proceso de
calentamiento y enfriamiento de las piezas, con unas pautas o
tiempos establecido.
14
Para conocer a que temperatura debe elevarse el metal para que
se reciba un tratamiento trmico es recomendable contar con los
diagramas de cambio de fases como el de hierro hierro carbono. En
este tipo de diagramas se especifican las temperaturas en las que
suceden los cambios de fase (cambios de estructura cristalina),
dependiendo de los materiales diluidos. Los principales
tratamientos trmicos son: Temple: su finalidad es aumentar la
dureza y la resistencia del acero. Para ello, se calienta el acero
a una temperatura ligeramente ms elevada que la crtica superior
(entre 900 950 C) y se enfra luego ms o menos rpidamente (segn
caractersticas de la pieza) en un medio como agua, aceite, etc. Al
elevar la temperatura del acero, la ferrita y la perlita se
transforman en austenita, que tiene la propiedad de disolver todo
el carbono libre presente en el metal. Si el acero se enfra
despacio, la austenita vuelve a convertirse en ferrita y en
perlita, pero si el enfriamiento es repentino, la austenita se
convierte en martensita, de dureza similar a la ferrita, pero con
carbono en disolucin slida. Revenido: slo se aplica a aceros
previamente templados, para disminuir ligeramente los efectos del
temple, conservando parte de la dureza y aumentar la tenacidad. El
revenido consigue disminuir la dureza y resistencia de los aceros
templados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se
mejora la tenacidad, dejando al acero con la dureza o resistencia
deseada. Se distingue bsicamente del temple en cuanto a temperatura
mxima y velocidad de enfriamiento. Recocido: Consiste bsicamente en
un calentamiento hasta temperatura de austenizacin (800 925 C)
seguido de un enfriamiento lento. Con este tratamiento se logra
aumentar la elasticidad, mientras que disminuye la dureza. Tambin
facilita el mecanizado de las piezas al homogeneizar la estructura,
afinar el grano y ablandar el material, eliminando la acritud que
produce el trabajo en fro y las tensiones internas. Normalizado:
tiene por objeto dejar un material en estado normal, es decir,
ausencia de tensiones internas y con una distribucin uniforme del
carbono. Se suele emplear como tratamiento previo al temple y al
revenido. Equipos de calentamiento. Pueden ser de calentamiento
total o parcial. Los primeros son: Hornos semimuflas: son aquellos
en los cuales la llama entra dentro de la cmara donde se encuentra
la pieza. Hornos muflas: la llama rodea por fuera la cmara de la
pieza. Hornos de sales: en estos, la pieza se sumerge en un bao de
sales fundidas. Hornos de atmsfera controlada: la cmara que
contiene la pieza es hermtica y en su interior encontramos una
atmsfera gaseosa. Los hornos de calentamiento parcial o superficial
de la pieza, son los de induccin (ver Temple por Induccin).
Endurecimiento del acero El proceso de endurecimiento del acero
consiste en el calentamiento del metal de manera uniforme a la
temperatura correcta y luego enfriarlo con agua, aceite, aire o en
una cmara refrigerada. El endurecimiento produce una estructura
granular fina que aumenta la resistencia a la traccin (tensin) y
disminuye la ductilidad. Cuando se calienta el acero la perlita se
combina con la ferrita, lo que produce una estructura de grano fino
llamada austenita. Cuando se enfra la austenita de manera brusca
con agua, aceite o aire, se transforma en martensita, material que
es muy duro y frgil. TEMPLE (CON REVENIDO)
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Este procedimiento tiene lugar en los aceros que tienen un
porcentaje de carbono mayor al 0,30 %. Despus del temple siempre
debe de realizarse la operacin de revenido. Despus que se ha
endurecido el acero es muy quebradizo o frgil lo que impide su
manejo pues se rompe con el mnimo golpe debido a la tensin interior
generada por el proceso de endurecimiento. Para contrarrestar la
fragilidad se recomienda el temple del acero (en algunos textos a
este proceso se le llama revenido y al endurecido temple). Este
proceso hace ms tenaz y menos quebradizo el acero aunque pierde
algo de dureza. El proceso consiste en limpiar la pieza con un
abrasivo para luego calentarla hasta la temperatura adecuada, para
despus enfriarla con rapidez en el mismo medio que se utiliz para
endurecerla. Recordaremos cuales son los cristales de acero que
sufren transformaciones durante un tratamiento trmico: Austenita.
Si al acero lo calentamos a 1000 C, y lo enfriamos rpidamente, uno
de los cristales que obtenemos es la austerita. Es una solucin
slida de carburo de hierro, dctil y tenaz, blanda, poco magntica y
resistente al desgaste. Bainita. Es una mezcla difusa de ferrita y
cementita, que se obtiene al transformar isometricamente la
austenita a una temperatura de 250 500 C. Martensita. Es el
constituyente de los aceros cuando estn templados, es magntica y
despus de la cementita es el componente ms duro del acero. Ferrita.
Es hierro casi puro con impurezas de silicio y fsforo (Si-P). Es el
componente bsico del acero. Cementita. Es el componente mas duro de
los aceros con dureza superior a 60Hrc con molculas muy
cristalizadas y por consiguiente frgil. Perlita. Compuesto formado
por ferrita y cementita. Existen diferentes tipos de temple de los
cuales describiremos los ms interesantes. Temple continuo completo.
Se aplica a los aceros hipoeutectoides (contenido de carbono
inferior a 0,9%). Se calienta la pieza hasta la temperatura de
temple y seguidamente se enfra en el medio adecuado (agua, aceite,
sales, aire) con lo que obtendremos como elemento constituyente
martensita. Temple continuo incompleto. Se aplica a los aceros
hipereutectoides (contenido de carbono superior a 0,9%). Se
calienta la pieza hasta la temperatura indicada, transformndose la
Perlita en austenita y quedando intacta la cementita. Despus de
enfriar, la estructura resultante estar formada por martensita y
cementita. Temple escalonado. Consiste en calentar el acero a
temperatura adecuada y mantenerlo hasta que se transforme en
austenita, seguidamente se enfra con una temperatura uniforme en un
bao de sales hasta transformarlo en bainita. Temple superficial. Se
basa en un calentamiento superficial muy rpido de la pieza y un
enfriamiento tambin muy rpido, obteniendo la austenizacin solo en
la capa superficial, quedando el ncleo de la pieza blando y tenaz y
la superficie exterior dura y resistente al rozamiento. Temple por
induccin
Es un proceso de endurecimiento de acero en el cual las
superficies de las piezas se calientan rpidamente a temperatura de
austenitizacin mediante induccin electromagntica, (con un diseo
adecuado del inductor, se puede confinar el calor a reas pequeas).
Una vez alcanzada la temperatura de austenitizacin se aplica una
ducha de agua fra que produce el temple. El principio del
calentamiento por induccin es el siguiente: una bobina que conduce
una corriente de alta frecuencia rodea o se coloca sobre la pieza,
se inducen as corrientes alternativas que generan rpidamente calor
en la superficie. Las corrientes inducidas de alta frecuencia
tienden a viajar por la superficie del metal, por tanto, es posible
calentar una capa poco profunda del acero sin necesidad de calentar
el interior del material. La profundidad del calentamiento depende
de la frecuencia de la corriente, la densidad de potencia y el
tiempo de aplicacin de sta. Mientras mayor es la frecuencia, menor
es la profundidad calentada, de forma que: altas potencias (100 kHz
a 1 Mhz), y tiempos cortos (en segundos), calientan espesores de
0,25 mm; en cambio, potencias menores (25 kHz), y tiempos ms largos
calientan espesores de 10 mm. Se utiliza en aceros al carbono, con
contenido medio de C, en stos produce superficies endurecidas
delgadas. Tambin se puede utilizar en aceros aleados; los aceros de
baja aleacin se endurecen fcil y superficialmente mediante este
mtodo; en cambio, los aceros altamente aleados son ms lentos y
pueden necesitar de un aumento de temperatura para lograr la
estructura deseada, sin embargo, como el calentamiento mediante
este mtodo es muy rpido, se pueden calentar sin peligro de
crecimiento excesivo de grano.
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Las piezas de aceros endurecidas mediante este procedimiento
sufren menor distorsin total que si se las hubiese templado luego
de calentarlas en un horno. La microestructura del acero antes del
templado por induccin es importante para determinar el ciclo de
calentamiento que se utilizar, as por ejemplo, las estructuras que
despus del templado y revenido tienen carburos pequeos y
uniformemente dispersos se austenitizan ms fcilmente, pudindose
obtener superficies endurecidas de poca profundidad y de mxima
dureza superficial mediante grandes velocidades de calentamiento.
Entre las ventajas de este proceso podemos destacar el hecho que no
necesita de personal especializado para su operacin debido a que es
un proceso prcticamente automtico. Entre las desventajas resaltan
el alto costo del equipo, el alto costo de mantenimiento y el hecho
que no es econmico si se desean endurecen pocas piezas. RECOCIDO
Cuando se tiene que maquinar a un acero endurecido, por lo regular
hay que recocerlo o ablandarlo. El recocido es un proceso para
reducir los esfuerzos internos y ablandar el acero. El proceso
consiste en calentar al acero por arriba de su temperatura crtica y
dejarlo enfriar con lentitud en el horno cerrado o envuelto en
ceniza, cal, asbesto, etc. Su funcin es la de afinar y ablandar el
grano, eliminando las tensiones y la acritud producida por la
conformacin del material en fro. Recocido de regeneracin. Tiene por
objeto afinar el grano de los aceros sobrecalentados. Recocido
globular. Se realiza para lograr una ms fcil deformacin en fro.
Recocido contra la acritud. Recuperamos las propiedades perdidas en
la deformacin en fro (acritud). Recocido de ablandamiento.
Ablandamos piezas templadas con anterioridad para su mecanizacin.
Recocido de estabilizacin. Elimina las tensiones de las piezas
trabajadas en fro. Recocido isotrmico. Mejoramos la maquinabilidad
de las piezas estampadas en caliente. Doble recocido. Para lograr
una estructura mecanizable en aceros de alta aleacin.
REVENIDO Con este tratamiento eliminamos la fragilidad y las
tensiones creadas en la pieza. Siempre hay que realizarlo despus
del temple. Consiste en calentar las piezas a una temperatura
inferior a la del temple, consiguiendo que la martensita se
transforme en una estructura ms estable, terminando con un
enfriamiento rpido, dependiendo del tipo de material. La
temperatura y el tiempo de calentamiento son los factores que ms
influyen en el resultado del revenido. Hay que tener muy en cuenta
que el revenido es fundamental para conseguir el adecuado temple y
una buena tenacidad en las piezas. Se calienta y enfra el acero
para conseguir una estructura molecular del material (temple) para
posteriormente volver a calentarlo y enfriarlo modificando as la
estructura anteriormente conseguida (revenido).
Tratamientos termoqumicos del acero Se efecta en aceros de bajo
porcentaje de carbono (menos del 0,30 % C). En el caso de los
tratamientos termoqumicos, no solo se producen cambios en la
estructura del acero, sino tambin en su composicin qumica, aadiendo
diferentes productos qumicos durante el proceso del tratamiento.
Estos tratamientos tienen efecto solo superficial en las piezas
tratadas y consiguen aumentar la dureza superficial de los
componentes dejando el ncleo ms blando y flexible. Requieren el uso
de calentamiento y enfriamiento en atmsferas especiales.
Cementacin: aumenta la dureza superficial de una pieza de acero
dulce, aumentando la concentracin de carbono en la superficie. Se
consigue teniendo en cuenta el medio o atmsfera que envuelve el
metal durante el calentamiento y enfriamiento. El tratamiento logra
aumentar el contenido de carbono de la zona perifrica, obtenindose
despus, por medio de temples y revenidos, una gran dureza
superficial, resistencia al desgaste y buena tenacidad en el ncleo.
Nitruracin: al igual que la cementacin, aumenta la dureza
superficial, aunque lo hace en mayor medida, incorporando nitrgeno
en la composicin de la superficie de la pieza. Se logra calentando
el acero a temperaturas comprendidas entre 400 525 C, dentro de una
corriente de gas amonaco, ms nitrgeno.
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Cianuracin: endurecimiento superficial de pequeas piezas de
acero. Se utilizan baos con cianuro, carbonato y cianato sdico. Se
aplican temperaturas entre 760 y 950 C.
CEMENTADO Consiste en el endurecimiento de la superficie externa
del acero al bajo carbono, quedando el ncleo blando y dctil. Como
el carbono es el que genera la dureza en los aceros en el mtodo de
cementado se tiene la posibilidad de aumentar la cantidad de
carbono en los aceros de bajo contenido de carbono antes de ser
endurecido. El carbono se agrega al calentar al acero a su
temperatura crtica mientras se encuentra en contacto con un
material carbonoso. Los tres mtodos de cementacin ms comunes son:
cajas para carburacin, bao lquido y gas. La cementacin se aplica a
piezas que deben de ser resistentes al desgaste y a los golpes.
Dureza superficial y resistencia. La temperatura usual de
cementacin es cercana a los 950C y la profundidad de este
tratamiento depende del tiempo y de la dureza deseada. Una vez
obtenida la capa exterior rica en C, se endurece por temple.
Caractersticas de la cementacin Endurece la superficie No afecta al
corazn de la pieza Aumenta el carbono de la superficie Se coloca la
superficie en contacto con polvos de cementar ( Productos
cementantes) El enfriamiento es lento y se hace necesario un
tratamiento trmico posterior Los engranajes suelen ser piezas que
se cementan
Equipos para Cementacin Equipos tpicos para cementacin son los
siguientes: Cajas: se cementa con mezcla cementante que rodea a la
pieza en un recipiente cerrado, el cual se calienta a la
temperatura adecuada durante el tiempo requerido y luego se enfra
con lentitud. Este equipo no se presta para alta produccin, siendo
sus principales ventajas su economa, eficiencia y la no necesidad
de una atmsfera preparada. En realidad, el agente cementante, son
los gases que esta pasta que rodea al material desprende cuando se
calienta en el horno.
Figura 9: Pieza a cementar. Gas: es ms eficiente que el
anterior, los ciclos son ms controlados, el calentamiento ms
uniforme, es ms limpio y requiere de menos espacio. La pieza se
calienta en contacto con CO y/o un hidrocarburo, por ejemplo alguna
mezcla de gases que contengo butano, propano o metano, que
fcilmente se descompone a la temperatura de cementacin El gas tiene
una composicin tpica de: CO 20%, H2 40% y N2 40%, pudiendo
modificarse la composicin de ste para controlar el potencial de C.
NITRURACION Consiste en enriquecer la superficie de la pieza en
nitrgeno calentndola en una atmsfera especifica a temperatura
comprendida entre 500 y 580 C, formndose una capa de muy poca
profundidad pero de dureza muy superior a la capa de cementado.
Durante el proceso no hay deformaciones y obtenemos una mayor
resistencia a la corrosin. Realizacin de la nitruracin Si en un
recinto, un horno de tratamiento trmico, se somete al amonaco (NH3)
a temperaturas de 500 C, se descompone en nitrgeno e hidrgeno. El
hidrgeno, ms ligero, se separa del nitrgeno por diferencia de
densidad. El nitrgeno liberado por la descomposicin del amonaco
forma la atmsfera en el interior del horno que, en contacto con la
superficie de hierro y a esa temperatura, forma nitruro de hierro,
un compuesto de gran dureza pero frgil.
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Si bien este tratamiento da gran dureza superficial a la pieza,
la velocidad de penetracin es muy lenta, aproximadamente 1 mm en
100 horas de tratamiento, pero no necesita de temple posterior. La
nitruracin se da a piezas sometidas a grandes fuerzas de rozamiento
y de carga como, por ejemplo, pistas de rodamientos, camisas de
cilindros o piezas similares, que necesitan un ncleo con cierta
plasticidad, que absorba golpes y vibraciones, y una superficie de
gran dureza contra desgaste y deformaciones. Caractersticas
generales de la nitruracin Endurece la superficie de la pieza
Aumenta el volumen de la pieza Se emplean vapores de amoniaco Es un
tratamiento muy lento Las piezas no requieren ningn otro
tratamiento
Aceros de nitruracin No todos los aceros son aptos para
nitrurar. Resulta conveniente que en la composicin de la aleacin
haya una cierta cantidad de aluminio 1%. Tambin es aplicable a los
aceros inoxidables, aceros al cromo nquel y ciertas fundiciones al
aluminio o al cromo. No es aconsejable en aceros al carbono no
aleados, el nitrgeno penetra rpidamente en la superficie de la
pieza y la capa nitrurada puede desprenderse. Prctica de la
nitruracin Las piezas a nitrurar se mecanizan, y luego se templan y
revienen, con objeto de que el ncleo adquiera una resistencia
adecuada. Finalmente, una vez mecanizadas a las cotas definitivas,
se procede a efectuar la nitruracin. Las piezas a nitrurar se
colocan dentro de un horno elctrico, con circulacin de gas amonaco
por el interior, manteniendo la temperatura y la concentracin de
nitrgeno durante todo el tiempo que dure el proceso hasta su
finalizacin. A aquellas partes de la pieza que no se deban nitrurar
se les da un bao de estao y plomo al 50%, que cubre la superficie
de la pieza aislndola del nitrgeno. CIANURACION. Consiste en
endurecer la superficie exterior de las piezas introduciendo
carbono y nitrgeno. Posteriormente hay que templar las piezas. Se
cementa colocando las piezas en baos de mezclas de sales fundidas,
(cianuro, HCN), de modo que el carbono difunde desde el bao hacia
el interior del metal. Produce una capa ms profunda, ms rica en C y
menos N. Sus principales ventajas son: eliminacin de oxidacin,
profundidad de la superficie dura y contenido de C uniformes y gran
rapidez de penetracin; si bien posee ciertas desventajas como son:
lavado de las piezas posterior al tratamiento para prevenir la
herrumbre, revisin de la composicin del bao en forma peridica y
alta peligrosidad de las sales de cianuro, dado que stas son
venenosas. Cementacin. Mediante este tratamiento se producen
cambios, en la composicin qumica del acero. Se consigue teniendo en
cuenta el medio o atmsfera que envuelve el metal durante el
calentamiento y enfriamiento. Lo que se busca es aumentar el
contenido de carbono de la zona perifrica, obtenindose despus, por
medio de temples y revenidos, una gran dureza superficial,
resistencia al desgaste y buena tenacidad en el ncleo. Nitruracin.
Este tratamiento Termoqumico busca endurecer superficialmente un
acero con nitrgeno, calentndolo a temperaturas comprendidas entre
400-525 C, dentro de una corriente de gas amonaco, ms nitrgeno.
Cianuracin: endurecimiento superficial de pequeas piezas de acero.
Se utilizan baos con cianuro, carbonato y cianato sdico. Se aplican
temperaturas entre 760 y 950 C.
CONCLUSIONES El tratamiento trmico es una operacin o combinacin
de operaciones que comprenden el calentamiento o enfriamiento del
metal, con el fin de mejorar algunas propiedades, en relacin con la
condicin original del material. Los propsitos generales del
tratamiento trmico son la eliminacin de tensiones internas,
homogeneizacin de las estructuras de moldeo, afino de grano y
cambio de estructura.
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Todos los procesos bsicos de tratamiento trmico del acero
incluyen la transformacin o descomposicin de la austenita. Para
realizar el tratamiento trmico tenemos que calentar la muestra de
acero hasta una temperatura por encima de la temperatura crtica
superior para formar austenita. Normalmente la velocidad de
enfriamiento en un mismo tratamiento no influye demasiado en las
propiedades finales del acero, siempre que se haga razonablemente
lento. Los principales tratamientos trmicos que es aplican a una
muestra de acero son: recocido total, recocido de esferoidizacin,
recocido para eliminacin de esfuerzos, recocido de proceso,
normalizacin y templado. En el caso de los tratamientos trmicos, no
solo se producen cambios en la Estructura del Acero, sino tambin en
su composicin qumica, aadiendo diferentes productos qumicos durante
el proceso del tratamiento. Estos tratamientos tienen efecto solo
superficial en las piezas tratadas.
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