Proceso del temple

Siderurgia. Tratamiento térmico del acero. Aumento de dureza del material. Temperatura de austenización. Austenita. Martencita. Revenido

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TEMPLE

INDICE

Introducción__________________________________ 3

Tratamientos térmicos de acero___________________ 4

Temple ______________________________________ 5

Medio de temple_______________________________ 9

Revenido ____________________________________ 12

Conclusión ___________________________________ 16

Bibliografía ___________________________________17

INTRODUCCIÓN

El proceso básico para endurecer el acero mediante tratamiento térmico consiste en calentar el metal hasta una temperatura a la que se forma austenita, generalmente entre los 750 y 850 ºC, y después enfriarlo con rapidez sumergiéndolo en agua o aceite. Este tratamiento térmico de endurecimiento, como el temple, que forman martensita, crea grandes tensiones internas en el metal, que se eliminan mediante el revenido, que consiste en volver a calentar el acero hasta una temperatura menor. El revenido reduce la dureza y resistencia y aumenta la ductilidad y la tenacidad.

El objetivo fundamental del proceso de tratamiento térmico es controlar la cantidad, tamaño, forma y distribución de las partículas de cementita contenidas en la ferrita, que a su vez determinan las propiedades físicas del acero.

Hay muchas variaciones del proceso básico. Los ingenieros metalúrgicos han descubierto que el cambio de austenita a martensita se produce en la última fase del enfriamiento, y que la transformación se ve acompañada de un cambio de volumen que puede agrietar el metal si el enfriamiento es demasiado rápido.

Hay también otros métodos de tratamiento térmico para endurecer el acero. En la cementación, las superficies de las piezas de acero terminadas se endurecen al calentarlas con compuestos de carbono o nitrógeno. Estos compuestos reaccionan con el acero y aumentan su contenido de carbono o forman nitruros en su capa superficial.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS DEL ACERO

El efecto de los tratamientos térmicos en el acero puede ser verdaderamente grande. Una piensa de acero puede ser tan dura como para ser una herramienta de corte, y un sencillo tratamiento la volverá a ser tan blanda que podrá ser mecanizada en la forma deseada

 

Las propiedades físicas de los aceros y su comportamiento a distintas temperaturas dependen sobre todo de la cantidad de carbono y de su distribución en el hierro. Antes del tratamiento térmico, la mayor parte de los aceros son una mezcla de tres sustancias: ferrita, perlita y cementita. La ferrita, blanda y dúctil, es hierro con pequeñas cantidades de carbono y otros elementos en disolución. La cementita, un compuesto de hierro con el 7% de carbono aproximadamente, es de gran dureza y muy quebradiza. La perlita es una profunda mezcla de ferrita y cementita, con una composición específica y una estructura característica, y sus propiedades físicas son intermedias entre las de sus dos componentes. La resistencia y dureza de un acero que no ha sido tratado térmicamente depende de las proporciones de estos tres ingredientes. Cuanto mayor es el contenido en carbono de un acero, menor es la cantidad de ferrita y mayor la de perlita: cuando el acero tiene un 0,8% de carbono, está por completo compuesto de perlita. El acero con cantidades de carbono aún mayor es una mezcla de perlita y cementita. Al elevarse la temperatura del acero, la ferrita y la perlita se transforman en una forma alotrópica de aleación de hierro y carbono conocida como austenita, que tiene la propiedad de disolver todo el carbono libre presente en el metal. Si el acero se enfría despacio, la austenita vuelve a convertirse en ferrita y perlita, pero si el enfriamiento es repentino la austenita se convierte en martensita, una modificación alotrópica de gran dureza similar a la ferrita pero con carbono en solución sólida.

TEMPLE

Temple, en metalurgia e ingeniería, proceso de baja temperatura en el tratamiento térmico del acero con el que se obtiene el equilibrio deseado entre la dureza y la tenacidad del producto terminado. Los artículos de acero endurecidos calentándolos a unos 900 °C y enfriándolos rápidamente en aceite o agua se vuelven duros y quebradizos. Si se vuelven a calentar a una temperatura menor se reduce su dureza pero se mejora su tenacidad. El equilibrio adecuado entre dureza y tenacidad se logra controlando la temperatura a la que se recalienta el acero y la duración del calentamiento. La temperatura se determina con un instrumento conocido como pirómetro; en el pasado se hacía observando el color de la capa de óxido que se formaba sobre el metal durante el calentamiento.

Existen varios tipos de temple, clasificados en función del resultado que se quiera obtener y en función de la propiedad que presentan casi todos los aceros llamada templabilidad (capacidad a la penetración del temple), que a su vez depende, fundamentalmente, del diámetro o espesor de la pieza y de la calidad del acero.

El término temple también se utiliza para describir un proceso de trabajo en frío que aumenta la dureza del metal, sobre todo en el caso de aceros con bajo contenido en carbono y de metales no ferrosos.

El templado del acero se realiza en tres escalones: calentamiento a temperatura de temple, detención a esta temperatura y enfriamiento rápido. El temple se consigue al alcanzar la temperatura de austenización y además que todos los cristales que componen la masa del acero se transformen en cristales de austenita, ya que es la única estructura constituyente del material que al ser enfriado rápidamente se transforma en martensita, estructura que da la máxima dureza a un acero hipoeutectoide.

Los aceros inferiores a 0,3% de carbono no toman temple debido a que al ser enfriados rápidamente de la temperatura de austenización fijan estructuras no martensíticas como por ejemplo: Perlita y Ferrita.

La temperatura de austenización es variable, dependiendo del porcentaje de carbono que contenga el acero. De acuerdo con un diagrama de nombre Hierro Carbono se distingue una zona llamada hipoeutectoide a la cual pertenecen los aceros de porcentajes de carbono inferiores al 0,83% hasta 0,008% y otra superior a estas de nombre hipereutectoide.

TEMPERATURA DE TEMPLE O DE AUSTENIZACION

En el caso de los aceros hipoeutectoides la temperatura de austenización recomendada es de unos 30 grados Celsius por encima de su temperatura critica superior, Ac3. Esta temperatura es la misma que se indica para otro tratamiento térmico como es el recocido. Si el calentamiento se produce a temperaturas inferiores a A3, quedará sin transformarse cierta cantidad de ferrita proeutectoide; la cual después del temple, dará origen a la existencia de puntos blandos y una dureza menor.

En los ordinarios de carbono hipereutectoides, la temperatura de austenización se encuentra normalmente las líneas Acm y A3 ( como se demuestra en el diagrama de hierro carbono ) La línea Acm tiene una pendiente tan pronunciada, que para que se disuelva toda la cementita proeutectoide, se requiere temperaturas muy elevadas con el consiguiente desarrollo del tamaño de grano austenítico y la formación de una fase grosera y perjudicial que puede dar origen a la aparición de grietas en el enfriamiento.

HOMOGENEIDAD DE LA AUSTENITA

Al hablarse de homogeneidad de la austenita, se refiere a la uniformidad que presentan los granos de austenita en cuanto al contenido de carbono. Si se calienta un acero tipo hipoeutectoide a la temperatura de temple,, cuando por el calentamiento el acero atraviesa la línea AC1, los granos de austenita formados por transformación de la perlita, contendrán 0,8% de carbono. Al proseguir el calentamiento, la ferrita proeutectoide se disolverá y los granos de austenita formados contendrán muy poco carbono por lo que, cuando se atraviesa la línea Ac3 el contenido de carbono de los granos de austenita no será igual en todos ellos. En el Temple los granos de austenita más pobres en carbono, como tienen una velocidad critica de temple elevada, tenderán a transformarse en estructuras no martensíticas; mientras que los de mayor contenido de carbono, al tener una velocidad critica de temple pequeña, se transformaran en martensítica. Lo anterior da lugar a que la micro estructura formada no sea uniforme y posea una dureza variable. Este inconveniente puede evitarse calentando el material muy lentamente, con lo cual el carbono tiene suficiente tiempo para difundir, obteniéndose una micro estructura uniforme. Pero debido a la excesiva duración de este proceso, hace que no sea aplicable industrialmente. Un proceso que resulta más adecuado, consiste en mantener el material en cierto tiempo a la temperatura de austenización, ya que a dicha temperatura el carbono se difunde más rápidamente y las uniformidades logran al cabo de un breve periodo de tiempo. Sin embargo, como se estableció para el recocido, para tener la seguridad que el carbono sea difundido totalmente, es recomendable mantener el material a la temperatura de austenización una hora por pulgada de diámetro o espesor.

MARTENSITA.

Los aceros con alto contenido de carbono pueden asumir tres estructuras. El arreglo centrado en las caras tiene átomos de carbono (esferas oscuras) entre los de hierro. A altas temperaturas el carbono se disuelve en el hierro (austenita). Si el material se enfría lentamente, los carbonos ya no caben y los cristales cambian una estructura cúbica centrada en el cuerpo (ferrita), en cambio, si se enfría rápidamente (templado), los átomos de carbono quedan atrapados en los intersticios y los cristales resultan ser tetragonales centrados en el cuerpo (martensita) que son más duros que la ferrita.

 

Red cristalina de la fase martensita del acero. El carbono queda atrapado en una posición donde no cabe en la red cúbica centrada en el cuerpo, produciéndose así una distorsión elástica

Es un constituyente típico de los aceros templados, se admite que esta formada por una solución sólida sobresaturada de carbono o hierro alfa

Se obtiene enfriando rápidamente los aceros

Tienen una resistencia de 170 a 250 kg/mm2

Una dureza de 50 a 60 Rockewell

Alargamiento 2.5 a 0.5 %

Es magnético

Martensita fue dado por Osmond en honor de Martens .

MEDIO DE TEMPLE

A la vista del mecanismo de disipación de calor, el medio de temple ideal sería aquel que fuera capaz de comunicar inicialmente al acero una velocidad de enfriamiento superior a la critica de tal forma que no haya posibilidad que se realice transformación en la zona correspondiente a la nariz perlítica del diagrama T-I, y después en la zona de temperaturas inferiores, una velocidad de enfriamiento pequeño para que no aparezcan deformaciones. Desgraciadamente no existe medio alguno que presente estas propiedades ideales.

Así, en el agua y en las soluciones acuosas de sales inorgánicas se logran las etapas 1 y 2 velocidades iniciales de enfriamiento elevadas, pero lamentablemente estas se mantienen durante el enfriamiento a bajas temperaturas con el consiguiente peligro que aparezcan grietas y deformaciones. En los aceites de temples normales, la etapa 1 o de enfriamiento por capa de vapor es más larga, mientras que la 2 es más corta, siendo la velocidad de enfriamiento menor.

Los distintos medios de temple utilizados en la industria ordenados en función de la severidad de temple de mayor a menor, son los siguientes:

  • Solución acuosa con 10% de cloruro sódico (salmuera)

  • Agua corriente

  • Sales liquidas o fundidas

  • Soluciones acuosas de aceite sulfonado

  • Aceite

  • Aire

  • ¿CÓMO ELEGIR UNA ATMOSFERA ADECUADA PARA TRATAMIENTO TERMICO?
     
    Hay muchos puntos involucrados en la elección de una correcta atmósfera para tratamiento térmico y estos son:


    1) La Temperatura: La temperatura del horno es una importante variable del proceso ya que si ésta no es lo suficientemente alta para descomponer algunos compuestos de la mezcla gaseosa empleada no habría disponibilidad de CO y H2 en la atmósfera y por ende no cumpliría su labor dicha atmósfera.


    2) El Tiempo: El tiempo tiene un efecto sobre la reacción dentro del horno, por ejemplo el acero puede tolerar una atmósfera decarburante por poco tiempo antes de perder carbono en la superficie.


    3) La composición del Material: La composición del material es uno de los factores más importantes para determinar la atmósfera correcta, por ejemplo para el carbono que contienen los materiales, el nivel de carbono en la atmósfera probablemente debe igualar el contenido de las piezas, esto es importante en los proceso en donde se involucre un carburizado o un decarburado.


    4) El tipo de Horno: El mismo proceso, con el mismo material, con las mismas condiciones puede requerir atmósferas diferentes en hornos diferentes.
    En los hornos continuos hay zonas de alta temperatura y existen zonas donde pueden reaccionar los gases de la atmósfera.
    En hornos de lotes al principio y al final del proceso hay períodos de baja temperatura, es ahí donde puede haber riesgo de oxidación.


    5) Calidad Deseada: La calidad necesaria a la salida de un horno también juega un papel preponderante en la elección de una atmósfera por ejemplo a veces una ligera decarburación es aceptable si las piezas van a maquinarse después del tratamiento térmico.
    Una calidad alta comúnmente es más costosa, por lo que es importante conocer cuál es la norma de calidad aceptable y cuanta decarburación u oxidación puede tolerar el proceso.


    6) La Pureza:  Hay algunas aplicaciones que no requieren alta pureza de los gases, por ejemplo al carburar con N2 y Metanol, se puede emplear una pureza de 99.1% en procesos por lotes de recocido, sinterizado y brazing, por otra parte se requiere alta pureza en aplicaciones donde el proceso es continuo.
      En hornos continuos para recocido y brazing es posible usar 99.5% de pureza, pero frecuentemente se tienen problemas durante el proceso.
      Un nitrógeno con pureza inferior a 99.1% puede emplearse con una unidad deoxo en cualquier proceso, siempre y cuando los flujos sean adecuados y no existan variaciones, es importante notar que una pureza menor de 99.1% no debería usarse directamente en el horno o como purga si se emplean gases flamables en el proceso.

    PROBLEMAS Y CAUSAS QUE SE PRESENTAN EN EL TEMPLE DE LOS ACEROS

     

    PROBLEMA

    CAUSA

    Ruptura durante el enfriamiento

    • Enfriamiento muy drástico

    • Retraso en el enfriamiento

    • Aceite contaminado

    • Mala selección del Acero

    • Diseño inadecuado

    Baja dureza después del temple

    • Temperatura de temple muy baja

    • Tiempo muy corto de mantenimiento

    • Temperatura muy alta o tiempos muy largos

    • Decarburación del Acero

    • Baja velocidad de enfriamiento

    • Mala selección del acero (Templabilidad)

    Deformación durante el temple

    • Calentamiento disparejo

    • Enfriamiento en posición inadecuada

    • Diferencias de tamaño entre sección y continuas

    Fragilidad excesiva

    • Calentamiento a temperatura muy alta

    • Calentamiento irregular

    REVENIDO

    Los aceros, después del proceso de temple, suelen quedar frágiles para la mayoría de los usos al que van a ser destinados. Además, la formación de martensita da lugar a considerables tensiones en el acero. Por lo cual, las piezas, después del temple son sometidas casi siempre a un revenido, que es un proceso que consiste en calentar el acero a una temperatura inferior a la temperatura crítica Ac1. el objetivo del revenido es, eliminar las tensiones internas del material y aumentar la tenacidad y ductilidad del acero, aún cuando este aumento de ductilidad se logre normalmente a costa de una disminución de la dureza y de la resistencia.

    En general, se puede decir que, dentro del amplio intervalo de temperaturas de revenido, a medida que aumenta la temperatura disminuye la dureza y aumenta la tenacidad. Sin embargo, lo último es verdad cuando la tenacidad se determina en función de la estricción de una probeta de tracción, por que cuando se mide en función de la resiliencia, no ocurre lo mismo.

    En la mayor parte de los aceros cuando la temperatura de revenido está comprendida entre 204º y 426ºC, la resiliencia, aunque simultáneamente disminuyen también la dureza y la resistencia.

    La temperatura de revenido varía con el tipo de acero y el empleo y tipo de solicitaciones que haya de soportar la pieza. De una manera general cabe indicar los intervalos siguientes:

    - Aceros de cementación..........................................................140º a 200ºC

    -Aceros de herramientas..........................................................200º a 300ºC

    -Aceros para temple y revenido................................................350º a 650ºC

    -Aceros rápidos.........................................................................550º a580ºC

    La duración del revenido es de gran importancia para que las transformaciones deseadas puedan producirse con seguridad. Generalmente es de 1 a 3 hrs. Los instrumentos de medida, calibres, patrones, galgas, etc, se revienen durante mucho más tiempo, pudiendo alcanzar las duraciones necesarias, en muchos casos, hasta 24hrs.

    Los revenidos pueden ser homogéneos y heterogéneos:

    -Homogéneos: la pieza en su totalidad esta a una temperatura uniforme, se realiza después del temple, con baños de aceite, sales, hornos de circulación de aire y de recocido, cuando las temperaturas son altas. Estas se usan en piezas de construcción, de fabricación en serie y herramientas.

    -Heterogéneo: la pieza es sometida a diferentes temperaturas de revenido en diferentes partes; para que sea esto correcto la temperatura ha de estimarse generalmente sobre la base de los colores del revenido. Se emplean 2 procedimientos:

    Auto revenido: se sumerge en el medio de temple la superficie de trabajo, se la esmerila brillante, con rapidez, después de extraerla del baño

    Revenido externo: se caliente la pieza templada de manera parcial y no uniforme

    REVENIDO POR INDUCCIÓN

    El revenido por inducción consiste en conseguir los mismos efectos metalúrgicos que el revenido en un horno convencional pero con temperaturas más altas y tiempos más cortos. Las temperaturas de revenido normalmente utilizadas en inducción son del orden de 200 a 400ºC. Los tiempos de calentamiento en el revenido por inducción están muy relacionados con la geometría de la pieza, es muy importante que toda la zona a revenir se encuentre a la misma temperatura, en consecuencia, en piezas de geometría simple, los tiempos de revenido suelen ser inferiores a los de piezas más complicadas. Al final del calentamiento por inducción, la pieza suele enfriarse al aire hasta una temperatura aprox. de 100ºC, por debajop de esta temperatura el proceso de revenido esta completado, luego el enfriamiento suele acelerarse mediante ducha o inmersión en un liquido.

    OBJETIVOS DEL REVENIDO

    Modifica las propiedades mecánicas: el acero que ha sido templado es muy resistente pero tiene poca ductilidad y tenacidad, pero si se vuelve a calentar a temperaturas comprendidas entre la temperatura ambiente y 700ºC, y luego se enfría al aire, la dureza y la resistencia a la tracción disminuyen a medida que se eleva la temperatura del revenido y al mismo tiempo aumenta la ductilidad y la tenacidad. La resiliencia o resistencia al choque, aumenta notablemente cuando el revenido se hace a temperaturas mayores que 450ºC.

    Modifica las propiedades físicas: loa aceros por efecto de las transformaciones que experimentan en el revenido, en general se contraen pero también se

    dilatan.

    Modifica las propiedades químicas: Estas modificaciones se deben a cambios de microestructuras que se descomponen de la martensita que se obtiene en el temple y que se transforma en otros constituyentes mas estables.

    Doble revenido

    Con el doble revenido se aumenta el rendimiento de las herramientas fabricadas con aceros rápidos y aceros de alto contenido en cromo, con esto se logra disminuir las tensiones internas antes de poner las herramientas en servicio, el acero se calienta a 550ºc aprox. Con esto la martensita queda revenida. La microestructura es uniforme y esta constituida por martensita revenida y en los aceros rápidos en la microestructura se presentan carburos complejos sin disolver.

    CONCLUSIÓN

    Definimos temple como el tratamiento térmico del acero en el que se le confiere mayor dureza resistencia a la tracción y elasticidad, mediante un enfriamiento rápido en agua, aceite o una corriente de aire, tras haberlo calentado a temperaturas superiores a la critica, transformando la austenita en martencita que es la microestructura de mayor dureza que puede alcanzar el acero. Pero un acero que sea demasiado duro se le tiene que aplicar otro tratamiento térmico complementario del temple llamado revenido (temple-revenido = bonificado) que consiste en calentar el metal que a sido templado a una temperatura definida y dejarlo enfriar lentamente, se utiliza para a los metales las propiedades primitivas que se perdieron al ser templadas.

    Los objetivos del bonificado son, dar dureza y resistencia a la tracción requeridas según la necesidad y al mismo tiempo dar ductilidad y tenacidad para que tengan una optima maquinabilidad. Si es un acero de balo porcentaje de carbono la dureza máxima que alcanza es bajo y si tiene un alto porcentaje de carbono la dureza será increíblemente alta, esto es gracias a la cantidad de carbono que posee el acero.

    Los tratamientos mas comunes que se les aplica a los aceros son los ya mencionados, el recocido, el normalizado y el endurecimiento superficial o cementación.

    BIBLIOGRAFÍA

    -Gran enciclopedia didáctica ilustrada, HOMBRE Y MAQUINAS; editorial Salvat; edición 1988; Barcelona España.

    -Apraiz Tratamientos térmicos; editorial Dossat, edición 1974, Madrid España.

    -Temple del acero, editorial Aguilar, edición 1972, Madrid España

    -Intrenet www.temple.com , www.templerevenido.com .

    -Microsoft Encarta 2003.

    -Tecnología de los oficios metalúrgicos, editorial Reverte, edición 1974, Barcelona España.