TRATAMIENTO TERMICOS DE LOS ACEROS

INTRODUCCIÓN

A.1—NATURALEZA FÍSICA Y QUÍMICA

A.2—MICROESTRUCTURA

A.3-CLASIFICACION DE LOS ACEROS

A.4—DIAGRAMAS DE FASES

B) TRATAMIENTOS TERMICOS

B.1—RECOCIDO

B.2--TEMPLE

B.3—REVENIDO

B.4--NORMALIZADO

A) INTRODUCCIÓN

El acero es una aleación de hierro con carbono en una proporción que oscila entre 0,03 y 2%. Se suele componer de otros elementos, ya inmersos en el material del que se obtienen. Pero se le pueden añadir otros materiales para mejorar su dureza, maleabilidad u otras propiedades.

Las propiedades físicas de los aceros y su comportamiento a distintas temperaturas dependen sobre todo de la cantidad de carbono y de su distribución. Antes del tratamiento térmico, la mayoría de los aceros son una mezcla de tres sustancias, ferrita, perlita, cementita. La ferrita, blanda y dúctil, es hierro con pequeñas cantidades de carbono y otros elementos en disolución. La cementita es un compuesto de hierro con el 7% de carbono aproximadamente, es de gran dureza y muy quebradiza. La perlita es una mezcla de ferrita y cementita, con una composición específica y una estructura características, sus propiedades físicas con 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 compuesto de perlita. El acero con cantidades de carbono aún mayores es una mezcla de perlita y cementita.

A.1—NATURALEZA FÍSICA Y QUÍMICA DEL ACERO

Acero en realidad es un término que nombra a una familia muy numerosa de alea-

ciones metálicas, teniendo como base la aleación Hierro Œ Carbono. El hierro es

un metal, relativamente duro y tenaz, con diámetro atómico d A = 2,48 Å ( 1

amstromg Å = 10 -10 m), con temperatura de fusión de 1 535ºC y punto de ebullición

2 740ºC. Mientras el Carbono es un metaloide, con diámetro mucho más pequeño

(d A = 1,54 Å ), blando y frágil en la mayoría de sus formas alotrópicas (excepto

en la forma de diamante en que su estructura cristalográfica lo hace el más duro de

los materiales conocidos). Es la diferencia en diámetros atómicos lo que va a

permitir al elemento de átomo más pequeño difundir a través de la celda del otro

elemento de mayor di Cuando una sustancia logra disolverse en otra se tiene una solución, donde a la primera, que es minoritaria, se le llama soluto y a la segunda, que es mayoritaria,se le llama solvente. Estas sustancias pueden ser sólidas, líquidas o gaseosas.

Al igual que el carbono, actúan otros elementos que devienen en intersticiales.

debido a su diámetro atómico menor a 2 Å, lo que les da mayor posibilidad de

difusión a través de los intersticios de la estructura cristalina del hierro. Estos

elementos son el Nitrógeno (d A = 1,42 Å), Hidrógeno (d A = 0,92 Å), Boro (d A =

1,94 Å), Oxígeno (d A = 1,20 Å), etc. Va a ser esta posibilidad de difusión intersticial

la responsable de una gran cantidad de posibilidades tecnológicas y variantes de

propiedades en el acero, especialmente las vinculadas al endurecimiento, gracias

a la solución sólida intersticial de carbono en hierro, y a la formación de compues-

tos intersticiales como carburos y nitruros que aparecen como componentes usual-

mente muy duros en los aceros aleados.

Por otro lado, otros elementos como el cromo, níquel, titanio, manganeso, vanadio,

cobre, etc. con diámetros atómicos cercanos al del hierro (condición indispensable),

formarán soluciones sólidas sustitucionales en un intervalo que dependerá de la

semejanza de estructura cristalina, de la afinidad química y de las valencias relati-

vas. Estas soluciones sustitucionales son las más frecuentes y numerosas entre los

metales, especialmente en el acero. . En un metal que está formado por la unión de electrones girando alrededor de un

núcleo, como es posible que pueda tener tan buena solidez, tenacidad y dureza.

¿Qué fuerzas explican esta cohesión? El enlace metálico es un enlace muy pecu-

liar que permite la movilidad de los electrones alrededor de los núcleos generan-

do una cohesión entre ellos, gracias a fuerzas de repulsión entre núcleos y entre

electrones, y a fuerzas de atracción entre núcleos positivos y electrones; y, a la

vez, permite un ordenamiento muy regular de los iones (átomos que han perdido

o ganado electrones, según su valencia) dando lugar a una estructura cristalina. La

estructura cristalina se caracteriza por una distribución regular de los átomos (y

iones) en el espacio. Hay 14 estructuras posibles de cristalización, aunque la ma-

yor parte de los metales cristalizan en tres tipos de estructuras, dos de ellas cúbi-

cas y una hexagonal. El enlace metálico es el responsable de la dureza, la resistencia mecánica y la plasticidad que caracterizan a los metales. Es su gran movilidad de los electrones lo que explica también el brillo metálico y las conductividades térmica y eléctrica.

Formas alotrópicas son las diversas formas en que un metal alotrópico puede

presentarse, según su estructura cristalográfica. Cuando un metal monocomponente

o monofásico, sin haber variado su composición química, sufre un cambio rever-

sible de estructura cristalina, se dice que es alotrópico.

Se llama fase a un componente que constituye una entidad diferenciada de las

otras fases, en base a su composición química, a su naturaleza física, a su estruc-

tura cristalográfica, a sus propiedades físicoquímicas, etc.

El hierro es un metal alotrópico pues pasa de una estructura b.c.c., conocida como

hierro alfa, que existe desde temperatura ambiente hasta los 910 ºC, a una estruc-

tura f.c.c. del hierro gamma, que existe entre los 912 y 1 500ºC, y luego retorna a

la estructura b.c.c., esta vez, del hierro delta, que existe hasta los 1 540ºC.

El enlace metálico es el responsable de la dureza, la resistencia mecánica y la

plasticidad que caracterizan a los metales. Es su gran movilidad de los electrones

lo que explica también el brillo metálico y las conductividades térmica y eléctrica.

Formas alotrópicas son las diversas formas en que un metal alotrópico puede

presentarse, según su estructura cristalográfica. Cuando un metal monocomponente

o monofásico, sin haber variado su composición química, sufre un cambio rever-

sible de estructura cristalina, se dice que es alotrópico.

Se llama fase a un componente que constituye una entidad diferenciada de las

otras fases, en base a su composición química, a su naturaleza física, a su estruc-

tura cristalográfica, a sus propiedades físicoquímicas, etc.

El hierro es un metal alotrópico pues pasa de una estructura b.c.c., conocida como

hierro alfa, que existe desde temperatura ambiente hasta los 910 ºC, a una estruc-

tura f.c.c. del hierro gamma, que existe entre los 912 y 1 500ºC, y luego retorna a

la estructura b.c.c., esta vez, del hierro delta, que existe hasta los 1 540ºC.

. Celdas unitarias b.c.c. (estructura cúbica de cuerpo

centrado) y f.c.c. (estructura cúbica de cara centrada), corres-

pondientes al hierro alfa y hierro gamma, respectivamente. Serán estas fases del hierro las cuales asimilarán los átomos de carbono principal-

mente, pero también átomos de otros elementos en menor cantidad, para dar lugar

a la formidable familia de aleaciones conocida como acero. De tal forma que estas

fases también estarán presentes en los aceros aunque, lógicamente, presentarán

cambios de composición que incluyen a los nuevos elementos presentes.

Las propiedades mecánicas en los aceros son influenciadas fuertemente por el

contenido de carbono, ya que determinan cantidades diferentes de uno de los com-

ponentes más duros en el acero, como es la cementita, o de su mezcla eutectoide,

la perlita. Aún en estado de temple (endurecido por enfriamiento rápido), el con-

tenido de carbono del acero sigue siendo importante pues una martensita de ma-

yor contenido de carbono será también más dura.

A.2—MICROESTRUCTURA

Veamos un poco más adentro en la estructura del acero. Un producto de acero,

como una barra o una plancha, es un sólido que está formado por granos. Al

microscopio son granos los que se observan como microcomponentes del acero.

Estos granos pueden ser de alguna de las fases, o mezcla de fases, que están

presentes en todo acero normal: ferrita, perlita, cementita; por lo que pueden tener

diferente aspecto.De esta forma un acero al carbono, de un contenido de carbono de 0,20 %, estará formado por una proporción de 75% de fase ferrita (cuyo contenido de carbono, a

temperatura ambiente, no pasa de 0,008 %) y aproximadamente 25 % de perlita

(cuyo contenido de carbono es fijo y corresponde a 0,8 %); mientras un acero de

mayor contenido de carbono (por ejemplo, 0,40 %) tendrá mayor proporción de

perlita (aproximadamente 50 % )

Los granos, a su vez, están formados por agregados de cristales. Son estos cristales los que van a determinar en gran medida las propiedades del acero. Como ya ha sido dicho, cada fase tiene diferente estructura cristalina o cristalográfica, y, por tanto, cada fase posee diferentes propiedades.

El acero poseerá, en general y proporcionalmente, las propiedades promedio del conjunto.

CLASIFICACIÓN DEL ACERO

Los aceros se clasifican en cinco grupos principales: aceros al carbono, aceros aleados, aceros de baja aleación ultrarresistentes, aceros inoxidables y aceros de herramientas.

Aceros al carbono

El 90% de los aceros son aceros al carbono. Estos aceros contienen una cantidad diversa de carbono, menos de un 1,65% de manganeso, un 0,6% de silicio y un 0,6% de cobre. Con este tipo de acero se fabrican maquinas, carrocerías de automóvil, estructuras de construcción, pasadores de pelo, etc.

Aceros aleados

Estos aceros están compuestos por una proporción determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos; además de cantidades mayores de manganeso, silicio y cobre que los aceros al carbono. Estos aceros se emplean para fabricar engranajes, ejes, cuchillos, etc.

Aceros de baja aleación ultrarresistentes

Es la familia de aceros mas reciente de las cinco. Estos aceros son más baratos que los aceros convencionales debido a que contienen menor cantidad de materiales costosos de aleación. Sin embargo, se les da un tratamiento especial que hace que su resistencia sea mucho mayor que la del acero al carbono. Este material se emplea para la fabricación de bagones porque al ser más resistente, sus paredes son más delgadas, con lo que la capacidad de carga es mayor.

Además, al pesar menos, también se pueden cargar con un mayor peso. También se emplea para la fabricación de estructuras de edificios.

Aceros inoxidables

Estos aceros contienen cromo, níquel, y otros elementos de aleación que los mantiene brillantes y resistentes a la oxidación. Algunos aceros inoxidables son muy duros y otros muy resistentes, manteniendo esa resistencia durante mucho tiempo a temperaturas extremas. Debido a su brillo, los arquitectos lo emplean mucho con fines decorativos. También se emplean mucho para tuberías, depósitos de petróleo y productos químicos por su resistencia a la oxidación y para la fabricación de instrumentos quirúrgicos o sustitución de huesos porque resiste a la acción de los fluidos corporales. Además se usa para la fabricación de útiles de cocina, como pucheros, gracias a que no oscurece alimentos y es fácil de limpiar.

Aceros de herramientas

Estos aceros se emplean para fabricar herramientas y cabezales de corte y modelado de maquinas. Contiene wolframio, molibdeno y otros elementos de aleación que le proporcionan una alta resistencia, dureza y durabilidad.

A.4—DIAGRAMA DE FASES DEL ACERO

Bien, ya hemos dicho que los aceros están compuestos por ciertas fases, las cuales a su vez tienen ciertas características diferenciadas. La diferente proporción de estas fases determinará en mucho las propiedades del acero. También se ha dicho que el contenido de carbono y de otros elementos influyen sobre las propiedades del acero, esto quiere decir que estos elementos se meterán dentro de estas fases cambiando a su vez sus propiedades. La forma más simple de visualizar este hecho es a través de un diagrama de fases en equilibrio hierro-carbono.

El diagrama hierro-carbono solo tiene una zona de interés tecnológico que lo

constituye la porción hierro-carburo de hierro. El carburo de hierro conocido como cementita es un compuesto Fe 3 C con 6,67 % de carbono. Este es un diagrama metaestable, pues para fines prácticos se puede considerar que la cementita es una fase iacuasiestablel_ y técnicamente representa condiciones de equilibrio útiles para entender las transformaciones que veremos en los aceros.

Considerando el contenido de carbono, es práctica común dividir este diagrama

en dos partes: la de las fundiciones (entre aproximadamente 2 y 6,67 % de carbono) y la de los aceros (entre 0 y 2 % de carbono). Vemos, además varias zonas definidas dentro del diagrama. Tenemos varias soluciones sólidas. La solución sólida gamma (derivada de la fase gamma del hierro) se llama austenita y posee una estructura f.c.c. A alta temperatura se tiene la región de la solución sólida delta (derivada de la fase delta del hierro) con estructura f.c.c. Mientras que a menor temperatura se tiene la región de la ferrita (derivada de la fase alfa del hierro) también con estructura f.c.c

La transformación más importante en este diagrama, desde el punto de vista de su utilización técnica, lo constituye la transformación austenítica:

Austenita ! Ferrita + Cementita

Esta transformación se verifica a 723ºC , que es conocida como la temperatura

eutectoide, y su control constituye un poderoso medio de determinar las propiedades mecánicas del acero adecuándolas a nuestro uso. El control y aprovechamiento de esta transformación constituye una buena parte del campo de aplicación de los tratamientos térmicos.

La velocidad de enfriamiento determinará la microestructura final presente en el

acero, decidirá si la fase presente es de naturaleza metaestable o estable o si es una fase fuera del equilibrio; y por tanto determinará las propiedades mecánicas, físicas, químicas, etc. asociadas a las fases presentes.

Si esta transformación se realiza enfriando lentamente se producirá la mezcla

eutectoide conocida como perlita, formada por finas capas alternadas de cementita y ferrita. Cuanto más lentamente se realice esta transformación más gruesas serán estas capas y mayor será el tamaño de grano del acero (esto sucede en el tratamiento térmico conocido como recocido). Si el enfriamiento es menos lento se tendrá una perlita con capas o lamelas más finas, como sucede en el normalizado.El acero recocido es más blando que el acero normalizado.

Si mediante un enfriamiento acelerado, desde la zona austenítica, logramos evitar la transformación eutectoide tendremos una fase fuera del equilibrio llamado martensita. Este nuevo componente microestructural posee alta dureza aunque con una cierta fragilidad. La martensita es una solución sólida sobresaturada de carbono atrapado en hierro alfa lo que lleva a una estructura

tetragonal de cuerpo centrado derivada de la estructura b.c.c. El eje

z de la celda cúbica es mayor debido a la inclusión de átomos de carbono. Esta

fuerte alteración de la red es la responsable de la alta dureza de la martensita y

también de su aspecto microestructural acicular.

TRATAMIENTOS TERMICOS DE LOS ACEROS

El tratamiento termico consiste en una combinación de operaciones de calentamiento, y enfriamiento, con tiempos determinados, aplicados a un metal o aleación en el estado solido, en una forma tal que producira las propiedades deseadas , por lo que el calentamiento , con el unico fin de favorecer una deformación, no se incluye dentro de esta definición.

El objeto de los tratamientos es mejorar las propiedades mecánicas, o adaptarlas, dándole características especiales a las aplicaciones que se le van a dar la las piezas de esta manera se obtiene un aumento de dureza y resistencia mecánica, así como mayor plasticidad o maquinabilidad para facilitar su conformación

Todos los procedimientos de tratamientos termicos de aceros, incluyen la transformación o descomposición de la austenita,por lo que el primer paso en cualquier proceso de tratamiento del acero, será el calentar el material a alguna temperatura , que como minimo sea la del intervalo critico que lleva a la formación de la austenita.

Los factores fundamentales que influyen en el tratamiento termico, son la temperatura y el tiempo ,tanto es asi que el proceso del tratamiento se caracteriza por la temperatura de calentamiento maxima tmax , que es la temperatura hasta la cual se calienta el material durante el tratamiento , el tiempo que se mantiene a la temperatura de calentamiento, por las velocidades de calentamiento Vcal , y de enfriamiento Venfr , las cuales se toman en su valor medio ponderado en todo el proceso, y este valor se hace extensivo a todo el intervalo de temperaturas deseado. Según sea esta velocidad de enfriamiento , dara una estructura cristalina diferente, y unas propiedades físicas y químicas diferentes, para cada acabado,(según lo comentado en la parte del diagrama de fases).

El tratamiento puede ser simple, complejo ( varios calentamientos y enfriamientos), escalonado, intermitente,etc, pero todos ellos se pueden representar mediante una grafica de la Temperatura frente al Tiempo.

Durante los tratamientos termicos, los aceros sufren deformaciones importantes, debidas al desigual y rapido enfriamiento de las diferentes partes de las piezas, asimismo experimentan cambios de volumen , debidos a dilataciones termicas ( al calentarse el acero , este se dilata aumentando su volumen , a medida que se eleva su temperatura, según su coeficiente de dilatación termica, que esta del orden de 14 x 10 -6 ) y a modificaciones en la microestructura del acero ( al calentar un acero, la zona critica se contrae , y luego al enfriarse cuando llega aproximadamente sobre los 710º-680º, se vuelve a dilatar, esto se produce por los cambios de estructura, es decir, a la transformación de perlita en austenita en el calentamiento, y al contrario en el enfriamiento), debido a estos cambios de volumen, hay que tener cuidado con los tratamientos elegidos, ya que cuando el enfriamiento es lento (recocido), estos cambios ocurren a alta temperatura y los cambios no son importantes, ya que el acero caliente es plastico y admite ciertas deformaciones, pero cuando se templa un acero , la transformación ocurre a baja temperatura y aparecen en la estructura cristalina , cristales de martensita en vez de perlita, entonces es mas peligroso porque el acero frio no es plastico, y el aumento de volumen suele ser bastante mayor , ademas algunas veces este cambio de volumen solo lo sufren ciertas partes de las piezas, y otras no, con lo que existe un riesgo de rotura mucho mayor.

Las variaciones de las propiedades del material , que se producen como consecuencia de los tratamientos termicos , deben de ser permanentes , para poder beneficiarnos constructivamente de estos cambios, ya que si no no tendría ningun sentido.

Los tratamientos termicos se pueden clasificar en tres tipos , los cuales tienen ciertas semejanzas, en los tres se calienta el acero a una temperatura ligeramente superior a la critica, y luego , después de un periodo de permanencia en esta temperatura , suficiente para conseguir el estado austenitico, se enfrian las piezas. La diferencia fundamental entre los tres tratamientos es la velocidad de enfriamiento , que es lo que caracteriza a cada tratamiento, siendo asi que las dos primeras partes (calentamiento y permanencia), se pueden estudiar en comun para los tres tipos , que son:

--Recocido (de primer y segundo genero)

--Temple

--Revenido

en estos tratamientos hay que alcanzar una temperatura ligeramente mas elevada que la critica superior ( excepto el recocido subcritico ) , para conseguir que todo el acero pase al estado austenitico , este exceso de temperatura es de 50 a 70 grados por encima para el normalizado, 40 a 60 grados para el temple, y de 20 a 40 grados para el recocido.

Para conseguir que toda la masa del acero este formada por cristales de austenita ,. Hace falta que el acero este a la temperatura de tratamiento cierto tiempo , que dependera de la masa de las piezas , de la temperatura , de la velocidad de calentamiento , de la clase de acero , y del estado inicial y final del material , el tiempo de mantenimiento empieza cuando toda la pieza ( incluyendo la parte del interior ), ha alcanzado la misma temperatura , ya que al rebasar las temperaturas criticas , todo el carbono forma solucion con la austenita , en las cuales unas partes pueden tener mas concentración de carbono que otras, y este porcentaje tiende a igualarse en toda la masa , proceso este que se puede ver retardado por las fronteras de grano, por impurezas de fosforo y oxigeno etc.

Cuando se alcanza la temperatura de austenizacion en los aceros hipoeutectoides tiene que transcurrir un tiempo para que el carbono se difunda en las zonas que antes fueron ferriticas.. El tiempo necesario para tener una estructura de austenita homogénea, tambien varia con la máxima temperatura alcanzada y con la forma de la microestructura inicial, cuanto mas alta sea la temperatura, menos tiempo sera necesario para homogeneizar la microestructura.

La duración del calentamiento depende también de la clase tratamiento que vayamos a realizar , en los normalizados se usaran permanencias mas cortas

En los recocidos las permanencias seran mas largas , ya que no solo hay que conseguir la formación del estado austenitico , sino también la difusión y homogeneización de los constituyentes.

En este tiempo de mantenimiento del acero a temperatura elevada , los cristales de austenita se desarrollan y aumentan de tamaño , y a mas temperatura y mas duración , mas se desarrollan y mas gruesos se hacen , y como el tamaño de los cristales del acero final dependen del tamaño de los cristales de austenita , tendremos un producto final de cristales gruesos , por eso para afinar un acero de granos gruesos , basta con calentarlo a una temperatura lo mas justo por encima de la critica y luego enfriarlo al aire , siendo esto el recocido.

--RECOCIDO

Se pueden distinguir dos tipos , de primer grado o subcritico , que es el calentamiento de un metal dentro de una misma fase , sin cambio de la misma , y un posterior enfriamiento a una velocidad lenta, con esto se consigue llevar al metal al estado estable , eliminando tensiones residuales y dislocaciones de la red produciendo una recristalizacion y el de segundo genero en el que se produce un cambio de fase. El objetivo del recocido es ablandar el acero y regenerar su estructura , es la primera operación a realizar en un tratamiento termico ya que subsana defectos de los procesos de fabricación del acero, como la colada, la forja ,etc. y prepara el metal para las operaciones mecanicas siguientes como el mecanizado ,extrusionado ,etc.

Si no hay necesidad de cambiar la distribución del componente ferritico, y el grano de la estructura inicial no es muy grueso, el calentamiento se producira por debajo de la temperatura critica de fusion, consiguiendo solo una recristalizacion del componente perlitico (recocido de austenizacion incompleta). Normalmente en los aceros hipereutectoides, y algunos hipoeutectoides que se suelen recocer con austenizacion incompleta , no se cumple la condicion de que todo el material este en estado austenitico al comenzar el enfriamiento, con lo que se utilizan temperaturas entre la critica inferior y la superior. En estos casos se produce una estructura globular ( de perlita globular) , ya que es la de distribución micrográfica mas uniforme, y la que después del temple da mayor tenacidad , y son mucho mas faciles de mecanizar.

Esta técnica se suele utilizar para los aceros de herramientas,

Los recocidos subcriticos ( por debajo de la temperatura critica inferior), se pueden dividir en tres clases , que son :

-recocido de ablandamiento: sirve para ablandar el acero rapidamente, calentando el acero a una temperatura lo mas elevada posible , pero siempre inferior a la critica, para dejarlo enfriar al aire .

-recocido contra acritud: se realiza a temperaturas mas bajas que las del ablandamiento(550-650º) , y se consigue un aumento de la ductilidad de los aceros de bajo contenido en carbono , destruyendo la cristalizacion alargada de la ferrita y se crean cristales poliedricos mas dúctiles.

-recocido subcritico globular: para conseguir una estructura globular similar a la de la austenizacion incompleta, se somete a los aceros a un calentamiento a temperaturas inferiores , pero proximas a la critica inferior, enfriándose en el horno.

En el recocido de segundo genero o de austenizacion completa ,se calienta el material por encima del punto critico superior , y se mantiene caliente hasta lograr una homogenización del material, luego producimos un enfriamiento lento para conseguir que el acero quede blando , cuanto mas lento sea el enfriamiento mas blando sera el acero , si se aumenta la velocidad de enfriamiento al atravesar el acero la zona critica , se aumenta la dureza , si esta velocidad sobrepasa la velocidad critica , la austenita comienza a transformarse en otros constituyentes.

El acero se puede sacar del horno cuando ya los cristales de austenita se han transformado completamente en perlita blanda , este punto depende de la velocidad de enfriamiento , por ejemplo a una velocidad de 10 grados -hora , el proceso de transformación ocurre sobre los 700*680 grados , y a 20 grados - hora, la transformación ocurre a 680-650 grados

TEMPLE:

El temple es un tratamiento termico que consiste en enfriar muy rapidamente , la mezcla austenitica homogénea , que tenemos después de calentar el acero ,

Con este enfriamiento rapido se consigue un aumento de dureza , ya que el resultado microscopico final es una mezcla martensítica . La temperatura de temple para los aceros hipoeutectoides son de 30-50 grados, por encima de esta temperatura , el grano de austenita crece mucho, obteniéndose austenita basta de baja tenacidad . El tiempo de enfriamiento debe de ser rapido pero solo en el intervalo de temperatura de 650-400 grados, que es donde la austenita es menos estable , y es donde se forma la mezcla de ferrita y cementita , por encima de 650 grados la velocidad puede ser mas lenta , pero no tanto que permita la precipitación de ferrita o la transformación de austenita en perlita , por debajo de los 400 grados comienza la zona de estabilidad de la austenita , y el enfriamiento puede volver a ser lento, y en el intervalo de 200-300 grados, el enfriamiento debe de ser lento para evitar tensiones termicas resultantes de un enfriamiento rapido.

En los aceros hipereutectoides el temple se suele realizar con calentamiento de austenización incompleta , en la masa original caliente hay austenita y una cantidad de cementita y carburos aleados, después del enfriamiento se obtiene martensita y carburos , este proceso produce mejores resultados en la practica industrial.

Factores que influyen en el temple de los aceros son la composición, el tamaño de grano , el tamaño de las piezas .

El estudio de las velocidades criticas del temple debe de hacerse con ayuda de las curvas de la “S” de enfriamiento continuo , las cuales reflejan la influencia de la composición sobre la velocidad de enfriamiento , al aumentar el porcentaje de nanganeso y cromo , las curvas se desplazan hacia la derecha y por tanto las velocidades criticas del temple disminuyen.

El tamaño de grano modifica la situación y forma de la curva “S” ,en aceros de la misma composición , las velocidades del temple de grano grueso son menores que las velocidades de grano fino. El tamaño , volumen , y espesor de las piezas tiene gran importancia, ya quesi enfriamos una pieza grande primero se enfria la superficie exterior rapidamente , pero las capas interiores tardan mas , ya que el calor debe de atravesar las capas exteriores y estas capas tienen una conductividad limitada , con lo cual perfiles delgados enfrian antes que gruesos.

El medio de enfriamiento tambien influye siendo este proceso por etapas , en la primera el acero al sumergirse en el liquido se forma una capa de vapor , al ser su temperatura muy alta, que rodea el metal , y el enfriamiento se hace por conducción y radiación a traves de la capa gaseosa , siendo un enfriamiento muy lento.

En la segunda etapa cuando desciende la temperatura de superficie del metal , la película de vapor va desapareciendo , pero el liquido hierve alrededor de las piezas y se forman burbujas que transportan el vapor por conducción. En la tercera etapa el enfriamiento lo hace el liquido por conducción y conveccion , cuando la diferencia de temperatura del liquido y la pieza es pequeña., con lo que el liquido influye en la velocidad según su temperatura de ebullición, su conductividad termica , su viscosidad , su calor especifico y su calor de vaporización.

La templabilidad de un acero es una propiedad que determina la profundidad y distribución de la dureza alcanzada al producirse un enfriamiento desde la zona austentinica . La templabilidad del hierro aumenta si se añaden aleantes , con lño que a mas carbono mas templabilidad , sin embargo tambien aumenta el volumen , con lo que el enfriamiento de la pieza no es homogéneo , y enfria antes en el exterior que en el núcleo , el cual no se podra dilatar al enfriarse por la compresión ejercida por la pieza ya enfriada , creandose unas tensiones de compresión en el interior y de tracción en la superficie que pueden llegar a romperla, con lo que hay que bajar el contenido en carbono , pero a su vez la templeabilidad baja , con lo que se crea una contradicción.

Se considera que el temple de un acero es aceptable cuando la microestructura esta formada por lo menos con un 50% de martensita , pero para conseguir las mejores características mecanicas en el producto final el porcentaje de martensita debe de estar entre el 50 y el 90 %.

Existen muchos ensayos para determinar la templabilidad , pero el mas utilizado es el ensayo Jominy , cuyos resultados se expresan como una curva de dureza frente a la distancia desde el extremo templado. Del estudio de estas curvas se puede observar que la máxima dureza que se consigue en el temple del acero es función del contenido en carbono , que la presencia de elementos

De aleación en los aceros permite obtener durezas elevadas aun a bajas velocidades de enfriamiento , que pequeñas cantidades de elementos aleados convenientemente seleccionados , ejercen mas influencia en la templabilidad que un gran porcentaje de un solo elemento.

Si se realiza un temple mal , nos podemos encontrar con defectos en la pieza como una dureza insuficiente para nuestros propósitos , que se hayan formados puntos blandos , piezas con mucha fragilidad , descarburación , grietas etc.

La dureza escasa y la formación de puntos blandos se explican por la falta de calentamiento ,por no haber alcanzado la temperatura necesaria, o por no haber permanecido el suficiente tiempo en ella , la fragilidad excesiva es por un temple a temperaturas altas, etc. por lo cual hay que extremar los cuidados a la hora de iniciar un proceso de temple , y realizarlo correctamente, ya que son muchos los factores que pueden echar a perder las piezas , y que no sean validas para nuestros propósitos.

Existe un proceso llamado temple superficial que se usa para endurecer superficialmente ciertas piezas de acero conservando la tenacidad de su núcleo, el proceso consiste en calentar las capas superficiales a una temperatura superior a los puntos criticos y enfriar rapidamente siguiendo la seccion de la pieza , como las diferentes capas interiores de la pieza se han calentado a diferentes temperaturas , se ha producido en la pieza diferentes temples, en la superficie el temple sera completo , en el interior , incompleto , y en el centro inexistente.

Hay diferentes metodos como el de calentamiento por llama oxiacetilenica , recomendado para piezas que por su forma o tamaño , no se pueden aplicar otros metodos ,la ventaja de este metodo es que se pueden templar incluso partes de una pieza , el metodo de inducción , que usa el flujo magnetico creado por una corriente alterna de alta frecuencia que pasa por un inductor , la característica mas importante de este metodo es que para cada forma de pieza

Se le colocan unas espiras de una forma determinada , es el metodo mas empleado ya que no se quema el carbono , no se produce oxidación , y no se forma cascarilla , el inconveniente principal es que no se puede utilizar para piezas unicas , ya que hay que crear un inductor especifico para cada forma.

REVENIDO

Después del temple , los aceros suelen quedar demasiado duros y fragiles para los usos a los que estan destinados . Esto se corrige con el proceso del revenido , este proceso consiste en calentar el acero a una temperatura mas baja que su temperatura critica inferior, enfriándolo luego al aire , en aceite o en agua , con esto no se eliminan los efectos del temple , solo se modifican , se consigue disminuir la dureza , resistencia , y las tensiones internas , y se aumenta la tenacidad . El acero , después del temple , esta compuesto por cristales de martensita , si se vuelve a calentar a diferentes temperaturas, entre Temp. Ambiente y 700º y después se enfria al aire , la resistencia a la tracción disminuye a medida que la Temp.. del revenido aumenta , y al mismo tiempo aumenta la ductilidad y la tenacidad , la resistencia al choque o resiliencia , que es baja cuando el revenido se hace a Temp.. inferiores a 450º , aumenta cuando se hace a Temp.. mas elevadas. En ciertos aceros en los que después del temple queda austenita residual , se presenta un aumento de dureza , cuando el revenido se hace entre 350º y 550º , transformándose la austenita en otros constituyentes. Los aceros después del revenido , por lo general se contraen

Estas variaciones de propiedades que suceden en el revenido , se deben a los cambios microestructurales , que consisiten en la descomposición de la martensita que se habia obtenido en el temple y que se transforma en otros constituyentes mas estables . La estructura obtenida en un revenido a 200-250º es de martensita de red cúbica , a 400º se observa un oscurecimiento fuerte ,al aumentar a 600-650º se desarrolla la coalescencia de la cementita. Con ayuda del telescopio electrónico se ha podido llegar a la conclusión que el revenido se hace en tres etapas:

-La primera etapa se realiza a bajas temperaturas , menores de 300º , y se precipita carburo de hierro epsilon y el porcentaje de carbono en la martensita baja a 0.25% , el carburode hierro cristaliza en el sistema hexagonal , en los limites de los subgranos de la austenita , y la martensita cambia su red tetragonal a rec cubica

-En la segunda etapa , solo se presenta cuando hay austenita retenida en la microestructura del acero , la cual se transforma en bainita , que al ser calentada a altas temperaturas también precipita en carburo de hierro , con formación final de cementita y ferrita.

-en la tercera etapa, el carburo de hierro que aparecio en la primera etapa, se transforma en cementita , cuando sube la Temp.. se forma un precipitado de cementita en los limites y en el interior de las agujas de martensita , la cual al aumentar la Temp.. se redisuelve la del interior y se engruesa la del exterior, al subir mas la Temp.. se rompe la cementita exterior , y a 600º la matriz queda constituida por ferrita . al final la martensita se ha transformado en cementita y ferrita.

En los revenidos la martensita obtenida al temple, va perdiendo carbono que aparece en forma de carburo epsilon , y cementita.

Cuando después del temple aparece austenita residual , los cambios microestructurales cuando empieza a calentar , son iguales a los anteriores , pero a 225º comienza la descomposición de la austenita hasta los 400º , produciéndose un oscurecimiento de la estructura. Cuanto mas baja sea la temperatura del temple , la austenita residual sera menos refractaria , y a mas Temp.. del temple será mas difícil conseguir la transformación isotermica de la austenita . Esta austenita sufre una precipitación de carburos complejos de alta aleación , y disminuye el contenido en carbono , después de esta precipitación y al enfriar , se transforma en bainita.

En el caso de herramientas fabricadas con aceros rapidos , se mejoran dando un doble revenido , con el que se eliminan las tensiones residuales y se evita la fragilidad excesiva. En el primer revenido se transforma la martensita tetragonal en revenida , precipitando carburos aleados , disminuyendo la concentración de austenita “ acondicionamiento de la austenita “, que al enfriar se convierte en bainita con características parecidas a la martensita , en el segundo revenido se calienta a 550º , con lo que se evita que quede martensita sin revenir.

En algunas clases de aceros , el revenido entre 250-400º , se presenta una disminución de la tenacidad , que se produce en la tercera fase del revenido , cuando la cementita envuelve las agujas de martensita , la fragilidad aumenta cuanto mayor es la red de cementita , y a temperaturas mayores esta red desaparece , y aumenta la fragilidad.

Existe otra fragilidad llamada de Krupp , que se presenta en los revenidos de los aceros cromo-niqueles , y se presenta cuando después del temple , el acero permanece mucho tiempo en el intervalo de 450-550º , esta fragilidad no va acompañada de cambios de dureza, volumen, ni cambios significativos en la estructura , esta fragilidad aparece en los aceros sensibles a este fenómeno independientemente de la velocidad de enfriamiento , para evitar este fenómeno se enfria rapidamente para evitar estar mucho tiempo en este intervalo de temperaturas.

Para valorar la importancia de esta fragilidad se utiliza el coeficiente de susceptibilidad S = resiliencia de enfriamiento muy rapido / resiliencia de enfriamiento lento.

Los factores que influyen en la fragilidad del revenido , son la velocidad de enfriamiento ( como hemos comentado antes) , el tiempo de permanencia en el intervalo de temperatura critica y la duración del revenido a Temp.. superiores a la zona de fragilidad.

NORMALIZADO

El normalizado se lleva a cabo al calentar a unos 35º por encima de la Temp.. critica superior, se mantiene un tiempo , y luego se enfria en aire estático hasta la Temp.. ambiente , con esto se consigue un acero mas duro y resistente que el que se obtiene con un enfriamiento mas lento , en un horno después de un recocido . Este tratamiento se utiliza tanto para piezas fundidas, forjadas o mecanizadas , y sirve para afinar la estructura y eliminar las tensiones que suelen aparecer en la solidificación , forja etc. . La velocidad de enfriamiento es mas lenta que en el temple y mas rapida que el recocido , es un tratamiento tipico de los aceros al carbono de construcción de 0.15 a 0.40 % de carbono , y las temperaturas normales del normalizado varia según el porcentaje en carbono , que va desde 840º a 935º , según la composición sea desde 0.50 a 0.10 % de carbono.

Debido al incremento de velocidad de enfriamiento , hay menos tiempo para la formación de ferrita proeutectoide en los aceros hipoeutectoides y menos cementita proeutectoide en los aceros hipereutectoides en comparación de los recocidos. En los aceros hipereutectoides el normalizado reduce la continuidad de la red de cementita y en algunos casos la elimina , con lo que a mas velocidad de enfriamiento mas fina sera la perlita resultante.

Hay otros métodos de tratamiento térmico para endurecer el acero.

Cementación

Las superficies de las piezas de acero terminadas se endurecen al calentarlas con compuestos de carbono o nitrógeno.

Carburización

La pieza se calienta manteniéndola rodeada de carbón vegetal, coque o gases de carbono.

Cianurización

Se introduce el metal en un baño de sales de cianuro, logrando así que endurezca.

Nitrurización

Se emplea para endurecer aceros de composición especial mediante su calentamiento en amoniaco gaseoso.

CONCLUSIONES

• .El acero es un material indispensable en la civilización actual , la mayor parte de la industria siderurgica actual esta basada en la fabricación y transformación del acero.

• También hemos visto el proceso que se necesita para logra conseguir el acero y las complicaciones que tiene este proceso que es muy complejo.

• Por ejemplo hemos aprendido los diferentes tipos de acabados que se le pueden dar al acero y como se hacen o se logran estos acabados.

• La fabricación del acero comenzó por accidente ya que los expertos en la materia intentando fabricar hierro calentaron excesivamente la masa y la enfriaron muy rápido obteniendo la aleación del acero en lugar de hierro.

• Los sistemas de obtención del acero son muy variados dependiendo de la cantidad del acero a obtener.

• La variedad de aceros es muy extensa dependiendo del método de fabricación y la cantidad de carbono que contenga.

• Algunos tipos de acero pueden volverse a fundir de forma que contaminan menos al ser reciclados y vueltos a utilizar.

BIBLIOGRAFIA

Las referencias bibliográficas relativas a los temas tratados en este trabajo son las indicadas a continuación:

Enciclopedia Encarta multimedia

Enciclopedia Larousse

Introducción al conocimiento de los materiales

“Segundo Barroso Herrero”

Tratamientos Termicos de los Aceros

“ Jose Apraiz Barreiro “

Endurecimiento , revenido y tratamiento termico

“Tubal Cain” biblioteca practica del taller

Internet direcciones varias.

OBJETIVOS

Los objetivos pretendidos con este trabajo son el de realizar un trabajo el cual sea lo mas general , completo y compacto posible , que por si mismo se pueda entender , incluso para alguien que no sepa nada de aceros , que se necesiten las minimas consultas externas , y que por si mismo tenga un desarrollo coherente y adecuado para su estudio.

Que al acbar su lectura se tenga una noción completa y general del acero y de los tratamientos termicos de los mismos.

Lo unico que lamento es no poder haber acompañado con mas graficas y fotos , todos los conceptos aquí desarrollados , ya que no dispongo de scanner y no los he encontrado por internet.

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