Tratamiento térmico de recocido

Termodinámica. Procesos industriales. Calentamiento de materiales. Acero. Recuperación y recristalización

  • Enviado por: Margarita Mock
  • Idioma: castellano
  • País: España España
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OBJETIVOS

  • Familiarizar al estudiante con el tratamiento térmico de recocido y sus beneficios.

  • Observar como influye el tiempo de calentamiento en los resultados del tratamiento.

  • Comparar cómo varían los resultados para iguales tiempos según la composición del acero.

TEORIA RELACIONADA

RECOCIDO DEL ACERO.

Todo metal que haya sido previamente trabajado en frío, sean por medio de los mecanismos de deformación plástica por deslizamiento y por maclaje logra alterar las propiedades mecánicas de este metal. El resultado del trabajo en frío es deformar los granos dentro del metal adicionando imperfecciones a los cristales que servirán de anclaje evitando el movimiento interplanar con el consiguiente aumento de las propiedades de Dureza, la resistencia a la Tensión y la resistencia eléctrica; y, por el contrario, disminuyo la ductilidad.

Se puede entender el recocido como el calentamiento del acero por encima de las temperaturas de transformación a la fase austenítica seguida de un enfriamiento lento. El resultado de este lento enfriamiento es el de obtener un equilibrio estructural y de fase en los granos del metal.

Dependiendo del porcentaje de carbono; luego del recocido se pueden obtener diversas estructuras tales como Ferrita+Cementita en los aceros Hipoeutectoides; Perlita en los aceros Eutectoide; y Perlita+Cementita en los aceros Hipereutectoides.

El fin ultimo del recocido del acero tiene baja dureza y resistencia.

El recocido total es el proceso mediante el cual la estructura distorsionada en frío retorna a una red cuyo estado se halla libre de tensiones por medio de la aplicación de calor. Este proceso se efectúa totalmente en estado solido y puede dividirse en las tres etapas siguientes: Recuperación, Recristalización y Crecimiento del Grano.

RECUPERACIÓN

La deformación plástica que ha sufrido un metal provoco la operación de esfuerzos internos que distorciona la red cristalina incrementando la dureza y disminuyendo la ductilidad del metal.

Si llevamos la muestra de metal a una temperatura superior a la ambiental pero por debajo de la temperatura de austenización; las propiedades mecánicas de este no variaran en gran medida lo que es cónsono con la mínima variación de la microestructura del metal.

Siendo el único efecto apreciable el del alivio de los esfuerzos internos productos de la deformación plástica.

Cuando calentamos el metal las dislocaciones se mueven y reagrupan mientras que los esfuerzos residuales se reducen. Durante esta etapa aumenta relativamente la conductividad eléctrica del metal tratado.

RECRISTALIZACION

Si el calentamiento continua, el grano original donde están presente las dislocaciones dará lugar a granos de menor tamaño que estarán libres de imperfecciones y de esfuerzos residuales. Estos nuevos granos no presenta la forma alargada de los granos originales sino que son mas uniformes en sus dimensiones.

Esta parte del proceso tiene como fin ultimo el refinar el tamaño del grano, eliminando las tensiones internas y disminuyendo la heterogeneidad estructural, el recocido contribuye a mejorar las propiedades de plasticidad y viscosidad en comparación con las obtenidas después de fundido forjado o laminado.

El proceso de Recristalización requiere elevar la temperatura por debajo del cual no se dará el proceso de recristalización, mas esta temperatura no es un valor definido sino una temperatura aproximada que recibe el nombre de Temperatura de Recristalización definida como "La temperatura aproximada a la que un material altamente trabajado en frío se recristaliza por completo en una hora".

La Temperatura de Recristalización depende de diversos factores pero entre los principales tenemos:

1. La severidad de la deformación plástica.

2. El tamaño del grano original deformado plásticamente.

3. La temperatura a la cual ocurre la deformación plástica.

4. El tiempo en el cual el metal deformado plásticamente es calentado para obtener la temperatura de Recristalización.

5. La presencia de elementos disueltos en el metal.

Obsérvese que a mayor cantidad de deformación previa, menor será la temperatura necesaria para iniciar el proceso de la Recristalización debido a la mayor distorsión y a la mayor cantidad de energía interna disponible.

Si aumentamos el tiempo de recocido lograremos disminuir la temperatura de Recristalización.

Si la intensidad del trabajo en frío es similar en dos muestras; aquella que presente el granos mas fino introducirá un mayor endurecimiento por deformación en el metal y por lo tanto, menor será la temperatura de Recristalización que en aquella de grano mayor.

Si la deformación en frío ocurre a una temperatura menor en una muestra que en otra, mayor será el grado de deformaciones introducidas disminuyendo efectivamente la temperatura de Recristalización para cierto tiempo de recocido que en la otra muestra.

CRECIMIENTO DE GRANO

El crecimiento del grano ocurre debido al proceso de coagulación y reorientación del los granos adjuntos y esto es función de el tiempo y la temperatura.

Conforme la temperatura aumenta, la rigidez de la red disminuye produciendo un incremento en la rapidez de crecimiento del grano.

Los granos grandes tienen menor energía libre que los de tamaño menor. Esto esta asociado con la menor cantidad de área de frontera de grano y esta relacionada con la fuerza que impulsa el crecimiento del grano.

Dicho lo anterior; el tamaño final del grano estará determinado por los parámetros de la energía libre del grano y el grado de rigidez de la red cristalina.

Por tanto, la nucleación y el posterior crecimiento del grano comprendidos en el proceso de recocido serán los factores a controlar para la obtención de propiedades ultimas acorde con las necesidades. Si se favorece una nucleación rápida y un crecimiento lento se obtendrá como resultado un material de grano fino con el incremento en la tenacidad o resistencia al impacto con el aumento en la dureza; en cambio, si la nucleación es lenta y el crecimiento del grano es rápido en tamaño del grano será grueso con el resultado de que el metal disminuye su tenacidad y su maquinabilidad y en cambio aumenta su ductilidad.

RECOCIDO TOTAL

El recocido Total es el proceso consistente en calentar el acero a cierta temperatura y luego enfriar lentamente a lo largo del intervalo de transformación, preferentemente en el horno o en cualquier material que sea buen aislante al calor.

El propósito del recocido es el de refinar el tamaño del grano, proporcionar suavidad, mejorar las propiedades eléctricas y magnéticas y mejorar el maquinado.

Dentro del Recocido Total, el acero es calentado aproximadamente a 100 °F por encima de la temperatura critica manteniendo el metal por un prolongado período de tiempo. Luego, la muestra es enfriada a temperatura ambiente en un enfriamiento muy lento.

El calentamiento desde la temperatura ambiente hasta antes de llegar a la temperatura critica no ocurrirá cambios en el tamaño de los granos; pero al cruzarse la línea critica hasta por encima de 50 °F provocara que las áreas de perlita se transformen en pequeños granos de austenita por medio de la reacción eutectoide, mas los granos de ferrita iniciales permanecerán invariables.

Si el acero es hipoeutectoide o hipoeutectoide la temperatura recomendada para en Recocido Total será de 50°F por encima de la temperatura critica de la aleación.

Si se realiza el enfriamiento desde este punto, no se lograra refinar el tamaño del grano. Si se continua el calentamiento hasta llegar a la regia Austenística se lograra que los granos de Ferrita se transformen en pequeños granos de Austenita de forma tal que toda la estructura presentada será de pequeños granos austenísticos.

Llevando luego este metal por medio de un enfriamiento apropiado se observara que la microestructura se encuentra presente pequeños granos de Ferrita Proeutectoide y pequeñas áreas de Perlita Laminar Gruesa; hablando siempre de los aceros hipoeutectoides.

Para los aceros hipereutectoides la microestructura durante el proceso se describe como gruesos granos austenisticos durante el calentamiento que dará lugar a la formación final de grandes áreas de formación Perlítica gruesas de tipo Laminar. Pero los espacios entre los limites de granos estarán ocupados por una red de Cementita Proeutectoide.

La presencia de esta red de Cementita debilita al acero ya que esta red es un plano de fragilidad por tanto el Recocido Total en los aceros hipereutectoide no puede tomarse como el tratamiento final para este tipo de acero; para mejorar la maquinabilidad de este tipo de acero se debe realizar el siguiente Tratamiento Térmico: La Esferoidización.

ESFEROIDIZACION.

Cuando un acero hipereutectoide es tratado por medio del Recocido Total, el porcentaje de Carbono que posee favorece la formación de una red Cementítica entre los limites de granos debido a la segregación que producirá en el acero una maquinabilidad deficiente y un aumento de la dureza.

El Recocido de Esferoidización tendrá por finalidad mejorar la maquinabilidad del acero y la forma en que lo hace es destruyendo la red de cementita en pequeños fragmentos; este proceso favorecerá la formación de Carburo Esferoidal o globular en una matriz Ferrítica. La forma esferoidal adquirida se debe a que es la forma geométrica que menor energía libre posee en relación a su entorno.

Existen tres métodos utilizados para la Esferoidización de los aceros hipereutectoides dentro de la industria metalúrgica que son los siguientes:

  • Mantener durante un tiempo prolongado a una temperatura justamente por debajo de la línea critica inferior.

  • Calentar y enfriar alternadamente entre las temperaturas que están justamente por encima o por debajo de la línea criticainferior.

  • Calentar a una temperatura o por encima de la línea enfriar muy lentamente en horno o mantener a una temperatura justo por debajo de la línea critica inferior.

  • Por el contrario si se eleva mucho la temperatura por encima de la temperatura critica inferior no solo se despedazara la red cementítica sino también la estructura Perlítica obtenida por el Recocido Total realizado anteriormente.

    Este tratamiento Térmico puede conciderarce con el tratamiento final para los aceros hipereutectoides si es deseada una estructura con mínima dureza, máxima ductilidad o una mayor maquinabilidad.

    RECOCIDO DE PROCESO.

    El Recocido de Proceso es aquel utilizado en la producción de alambres y laminas de acero. En este proceso, el acero aleado es calentado igual que en el Recocido Total pero su enfriamiento es relativamente mas rápido que en el Recocido Total. La temperatura de Recocido esta entre 1000 a 1250 °F.

    Este proceso se aplica después del trabajado en frío y suaviza el acero, mediante la recristalización, acelerando el proceso.

    A esta temperatura se realiza la descomposición Austenítica, después de lo cual se realiza el enfriamiento. La ventaja de este Recocido consiste en la disminución de la duración del tiempo del proceso, sobre todo para los aceros aleados, que son enfriados lentamente con el objeto de disminuir la dureza a los valores requeridos.

    Otra ventaja obtenida es una estructura mas homogénea, puesto que con las exposición al calor, se equilibra toda la sección y la transformación en todo el volumen del acero transcurrirá con igual grado de sobreenfriamiento.

    RECOCIDO PARA LA ELIMINACION DE LOS ESFUERZOS.

    Este Recocido se diferencia del Recocido Total ya que el acero es calentado hasta una temperatura mas baja (un poco mas alta que la línea de temperatura eutectoide).

    Para los aceros hipoeutectoides el recocido incompleto, como también se llama este proceso, se utiliza para la eliminación de los esfuerzos internos y mejorar la facilidad de elaboración por corte.

    Este proceso solo produce la recristalización parcial del acero a cuenta de la transformación Perlita _ Austenita. La Ferrita en exceso solo parcialmente pasa a la solución solida y no se somete totalmente a la recristalización.

    Este proceso facilita el tratamiento mecánico en caliente de aquellos acero hipoeutectoides que no formaron un grano basto dentro de la estructura.

    MATERIALES UTILIZADOS

    • Barras de acero 3135, 1030.

    • Segueta

    • Horno Termolyne 48000

    • Máquina Estampadora

    • Baquelita

    • Lijas

    • Máquinas Lijadoras

    • Microscopio

    • Nital al 3%

    • Durometro Rockwell System, modelo 300 DTR, serie Nº 139

    ANÁLISIS

    En esta sección presentaremos inicialmente los datos recopilados de las durezas de todas las muestras, antes y después de el tratamiento térmico de recocido, y luego haremos algunas comparaciones entre ellas para verificar los efectos y beneficios de este tipo de tratamiento térmico.

    ACERO 3135

    Tabla #1 Mediciones de Dureza Rockwell para 45 minutos

    Muestra #1

    Promedio

    Antes

    19

    25.5

    29

    24.5

    Después

    13

    12

    11

    12

    Tabla #2 Mediciones de Dureza Rockwell para 25 minutos

    Muestra #2

    Promedio

    Antes

    74

    64.5

    66.5

    68.3

    Después

    16

    15.5

    10

    13.83

    Tabla #3 Mediciones de Dureza Rockwell

    Muestra #3

    Promedio

    Antes

    18

    26.5

    28.5

    24.33

    Después

    ACERO 1030

    Tabla #4 Mediciones de Dureza Rockwell para 45 minutos

    Muestra #1

    Promedio

    Antes

    23.5

    15

    13

    17.17

    Después

    9

    10.5

    8.5

    9.3

    Tabla #5 Mediciones de Dureza Rockwell para 25 minutos

    Muestra #2

    Promedio

    Antes

    14

    23

    11.5

    16.17

    Después

    17

    8.5

    15

    13.5

    Tabla #6 Mediciones de Dureza Rockwell

    Muestra #3

    Promedio

    Antes

    18.5

    26.5

    22.5

    22.5

    Después

    Uno de los propósitos del recocido es proporcionar suavidad, además de refinar el grano y mejorar el maquinado. De nuestra experiencia podemos corroborar esto ya que podemos observar que en todas las muestras disminuye la dureza del acero. Ejem para la muestra número #1 de el acero 3135 la dureza promedio disminuyo de 24.5 a 12 unidades de dureza Rockwell, precticamente se redujo un 50% de la dureza medida antes del tratamiento térmico.

    2. Explicar cómo afecta el contenido de carbono a la dureza del acero.

    A medida que se le agrega carbono al hierro, la dureza del acero aumentará, ya que en una solución saturada los átomos de carbono se comportarán como anclajes para futuras imperfecciones en el cristal, evitando el movimiento interplanar con el consiguiente aumento de las propiedades de Dureza, la resistencia a la Tensión y la resistencia eléctrica; y, por el contrario, disminuyo la ductilidad.

    3. Mostrar las microestructuras de las muestras después de un tratamiento térmico de recocido.

    CONCLUSIONES

    De esta experiencia podemos concluir en base a los resultados, que los datos recolectados experimentalmente en el laboratorio van de acuerdo a lo que la toeria formula en cuanto a las propiedades de dureza. El material se hace más blando después de un tratamiento térmico de recocido.

    También podemos decir que esta disminución de dureza también es afectada por el tiempo de horneado, a medida que el tiempo de horneado aumenta, la diferencias de la disminución de dureza también aumenta.

    Otro factor que regula también la dureza y su disminución después de el tratamiento térmico, es la cantidad de carbono presente en la aleación; en nuestra experiencia el acero 3135 es un acero al Niquel-Cromo, con un 35% de carbono en promedio, este material es mucho mas duro que el acero 1030, que es un acero simple sin alear y contiene un 30% de carbón en promedio. De partida la cantidad de carbon es mayor en el acero 3135 y encima de esto esta aleado, definitivamente este acero es mucho mas duro. Ejm para la muestra 1 de 3135 y 45 minutos de horneado tenemos una dureza inicial de 24.5, para la muestra 1 de 1030 y 45 minutos de horneado tenemos una dureza menor correspondiente a 17.17; la primera muestra de 3135 se reduce a un 50% de la inicial mientras que la muestra de 1030 sólo se reduce un poco por encima de el 50 % de su dureza inicial. Lo que nos indica que al aumentar el contenido de carbon aumenta la diferencia en que disminuye la dureza.

    Lastimosamente no pudimos apreciar la microestructura de las muestras donde hubiesemos podido observar un refinamiento del grano inicial, que además de mejorar las propiedades eléctricas y electromagnéticas, es uno de los beneficios de este tratamiento térmico.

    RECOMENDACIONES.

    Queremos llamar la atención de las autoridades de la facultad de Ingeniería Mecánica, a ser un poco más beligerantes hacia el mantenimiento y cuidado de los equipos de el laboratorio, ya que por la falta de estos no podemos realizar nuestros laboratorios completos, ni obtener los resultados esperados.

    BIBLIOGRAFIA

    AVNER, Sydney H., Introducción a la Metalurgia Física, Segunda edición,

    McGraw-Hill, México,1995.

    REED-HILL, Robert E., Principios de Metalurgia Física, Segunda edición,

    CECSA, México , 1980.