Metalurgia Mecánica
Tratamientos térmicos del acero
Cat.: Ing. César Tejaxún
Universidad Mariano Gálvez de Guatemala Ingeniería Mecánica
NORMALIZADO
Su objetivo es refinar la estructura de grano y mejora la homogeneidad del acero. Ayuda a mejorar la tenacidad. En el normalizado, el acero se calienta por encima de su temperatura crítica, al igual que en el recocido, pero se enfría al aire libre, lo que es un proceso más rápido en comparación con el enfriamiento lento del recocido. Aplicaciones: Generalmente usado para mejorar las propiedades mecánicas de los aceros estructurales y para preparar el acero antes de otros tratamientos térmicos.
INTRODUCTION HERE
RECOCIDO
Llamamos recocido al tratamiento térmico cuyo objetivo principal es el ablandamiento del acero. Existen diferentes tipos de recocidos, en los que también se desea regenerar la estructura o eliminar tensiones internas.
Consisten en calentamientos a temperaturas adecuadas, seguidos generalmente de enfriamientos lentos. Las diferentes clases de recocidos que se emplean en la industria se pueden clasificar en tres grupos:
Recocidos de austenización completa, subcríticos y recocidos de austenización incompleta.
INTRODUCTION HERE
1. RECOCIDO DE AUSTENIZACIÓN COMPLETA O DE REGENERACIÓN
En este caso el calentamiento se hace a una temperatura ligeramente mas elevada que la critica superior (nos aseguramos la austenización completa de su estructura) y luego el material se enfría muy lentamente. Sirve para ablandar el acero y regenerar su estructura.
2. RECOCIDO SUBCRÍTICO
El calentamiento se hace por debajo de la temperatura crítica inferior (antes de que comience la austenización del acero), no teniendo tanta importancia como en el caso anterior la velocidad de enfriamiento, pudiendo incluso enfriarse el acero al aire sin que se endurezca. Por medio de este tratamiento se eliminan tensiones del material y aumenta su ductibilidad.
Podemos distinguir tres clases de recocidos subcríticos
2.1 RECOCIDO SUBCRÍTICO DE ABLANDAMIENTO
Su objetivo es ablandar el acero por un procedimiento rápido y económico. Con este tratamiento no conseguimos las menores durezas, pero en muchos casos puede ser suficientes para mecanizar perfectamente el acero. El proceso consiste en calentar el acero hasta una temperatura, que siendo inferior a la critica (por debajo del punto de austenización), sea lo mas elevada posible y luego enfriar al aire.
Si deseamos realizar un recocido rápido para ablandar en poco tiempo un acero de herramientas (de 0.50% a 1.40%C) y de baja aleación, pero sin tener gran interés en que la dureza que se obtenga sea la minima que se puede alcanzar, se puede realizar un recocido subcrítico a 680ºC y enfriar luego al aire.
En algunos aceros de herramientas y aceros de construcción de alta aleación, después de este tratamiento, suelen ser algunas veces demasiado elevadas para el mecanizado.
2.2 RECOCIDO SUBCRÍTICO CONTRA ACRITUD
Se efectúa a temperaturas de 550º A 650ºC, y tiene por objeto, principalmente aumentar la ductibilidad de los aceros de poco contenido de carbono (menos del 0.40%C) estirados en frío. Con el calentamiento a esa temperatura la cristalización alargada de la ferrita se va transformando en nuevos cristales poliédricos mas dúctiles que los primeros, que permiten estirar o laminar nuevamente el material sin dificultad. El enfriamiento se suele hacer al aire.
Podemos realizar éste tratamiento cuando trabajamos la chapa en frío y se va endureciendo por acritud.
2.3 RECOCIDO SUBCRÍTICO GLOBULAR
En ocasiones para obtener en los aceros al carbono y de baja aleación una estructura globular de muy baja dureza, en cierto modo parecida a la que se obtiene en el recocido globular de austenización incompleta, se les somete a los aceros a un calentamiento a temperaturas inferiores pero muy próximas a la critica, debiendo luego enfriarse el acero lentamente en el horno.
3. RECOCIDO DE AUSTENIZACIÓN INCOMPLETA (GLOBULIZACIÓN)
Son tratamientos que se suelen dar a los aceros al carbono (0.50% – 1.40% de carbono) o aleados, para ablandarlos y mejorar su maquinabilidad. Consiste en calentamientos prolongados a temperaturas intermedias entre la critica superior e inferior, seguidos siempre de un enfriamiento lento. El fin que se consigue es el de obtener la menor dureza posible y una estructura microscópica favorable para el mecanizado de las piezas.
3. RECOCIDO DE AUSTENIZACIÓN INCOMPLETA (GLOBULIZACIÓN)
A veces se hace el recocido empleando un ciclo oscilante de temperaturas superiores y otras inferiores al punto de inicio de la transformación de la austenita, denominándose recocido globular oscilante. Otras veces se emplean temperaturas ligeramente superiores al punto del comienzo de la austenización, lo denominamos recocido globular de austenizacion incompleta.
Podemos realizar éste tratamiento para la globulización de la cementita, mejorando la tenacidad de nuestras herramientas después del temple y sobre todo menos deformaciones durante el temple, con lo que el riesgo de aparición de grietas se reduce. Calentamos la herramienta a 780ºC entre 1-6 horas, el enfriamiento hasta los 600ºC debe ser muy lento, del orden de 20ºC/hora. A partir de los 600ºC podemos enfriarla al aire. En los aceros de menos de 0.80%C es mas difícil obtener estructuras globulares.
3. RECOCIDO DE AUSTENIZACIÓN INCOMPLETA (GLOBULIZACIÓN)
Se deben tomar medidas para reducir la descarburización del acero al carbono de herramientas, cuidando la naturaleza de la atmósfera del horno. En el recocido debemos controlar la atmosfera, que debe ser ligeramente reductora. Se recomienda recocer en cajas cerradas llenas con carbón vegetal bien seco o virutas de fundición.
Cuando se desean obtener durezas muy bajas podemos realizar un DOBLE RECOCIDO, primero uno de regeneración y luego uno sub-crítico.
FORMACIÓN DE LA MARTENSITA
Es el constituyente o estructura típica de los aceros templados. Se podría decir que es una solución sólida sobresaturada de carbono o carburo de hierro en el HIERRO ALFA, y se obtiene por enfriamiento rápido de los aceros desde alta temperatura.
Después de los carburos (de los aceros aleados) y el carburo de hierro o CEMENTITA, es el constituyente mas duro de los aceros.
Presenta un aspecto acicular en forma de agujas en zigzag con angulos de 60º.
Su contenido en carbono puede variar desde porcentajes muy pequeños hasta 1% de Carbono, y algunas veces en aceros hipereutectoides (aceros con mas del 0.77% de carbono), aun suele se mas elevado.
Sus propiedades mecánicas varían en función de su composición, aumentando resistencia mecánica, dureza y fragilidad con el contenido de carbono.
PROPIEDADES MECÁNICAS:
Resistencia mecánica 170-250 kg/mm² (1700 – 2500 MPa)
Dureza 50 – 68 HRC
Alargamiento 2.5 – 0.5%.
Austenita
Martensita
Ferrita
BCC
FCC
BCT
FORMACIÓN DE LA MARTENSITA – DIAGRAMA TTT
Diagrama de Transformación-Tiempo-Temperatura
La transformación de la martensita es el estudio de las transformaciones de fase durante el enfriamiento, se utiliza el diagrama de descomposición isotérmica de la austenita, denominado también diagrama T.T.T. (Transformación-Tiempo-Temperatura).
Estos diagramas tienen en cuenta una variable determinante en el proceso y que los diagramas de fase Fe-C no tienen en cuenta, el tiempo que dura el proceso.
Estos diagramas representan las curvas de enfriamiento respecto a las coordenadas temperatura-tiempo.
FORMACIÓN DE LA MARTENSITA – DIAGRAMA TTT
En este ejemplo se utiliza un acero eutectoide (0.8%C), en el gráfico se representa en el eje de abscisas el tiempo en escala logarítmica y en el eje de ordenadas la temperatura.
FORMACIÓN DE LA MARTENSITA – DIAGRAMA TTT
FORMACIÓN DE LA MARTENSITA – DIAGRAMA TTT
Las curvas azules se obtienen utilizando una serie de probetas de un cierto tipo de acero calentadas hasta que han alcanzado la temperatura ligeramente superior a la de temperatura de austenización y mantenidas en esa temperatura el tiempo suficiente como para que toda la probeta se haya austenizado completamente.
Las curvas rojas indican el tiempo requerido para que la austenita se transforme en otra fase. Las estructuras que se forman también se indican sobre el diagrama.
FORMACIÓN DE LA MARTENSITA – DIAGRAMA TTT
A continuación se comienza a enfriar cada una de las probetas a distintas velocidades y se van observando los microconstituyentes que se van obteniendo.
Cada enfriamiento dará lugar a una curva diferente:
La línea V1: Se corresponde con un enfriamiento lento. Como producto final se obtiene como una perlita de poca dureza (láminas gruesas).
FORMACIÓN DE LA MARTENSITA – DIAGRAMA TTT
La línea V2: Corresponde a un enfriamiento más rápido. La velocidad de difusión disminuye formándose productos más dispersos y más duros, pero el microconstituyente obtenido sigue siendo perlita, aunque de grano más fino, llamado también sorbita.
A medida que va aumentando la velocidad de enfriamiento se obtienen diferentes líneas, y como producto final diferentes microconstituyentes. Así la línea V3 produce trostita, la V4 bainita superior y la V5 vainita inferior.
Hay que tener en cuenta que para templar el acero, lo que se pretende es que toda la austenita se transforme en martensita. Es por ello que el enfriamiento ha de realizarse a una velocidad tal que no tengan tiempo de producirse los procesos difusivos de descomposición de la austenita en la región superior de temperaturas (V6).
A la velocidad mínima de enfriamiento, para que se forme martensita a partir de la austenita se le denomina velocidad crítica de temple (VC). Por lo tanto para templar un acero es necesario que se enfríe con una velocidad mayor que la crítica, de lo contrario se obtendrían productos perlíticos, principalmente troostita o bainita, lo que disminuirá la dureza del material tratado.
Transformación martensítica
Transformación en la cual la austenita se subenfría a una velocidad superior a la crítica (Vc). Con ello se origina martensita (solución sólida de carbono en Feγ) de red tetragonal.
Las principales características del proceso son:
- Ocurre sin difusión.
- El contenido de carbono de la martensita sigue siendo el de la austenita que la generó.
- La transformación tiene lugar a intervalos a partir de la curva de inicio de transformación (Mi) hasta la curva final de transformación (Mf).
- Se trata de una transformación irreversible.
- La tetragonalidad de la martensita depende de la concentración de carbono.
- Se forma una estructura en forma de láminas o agujas.
- El metal así obtenido queda en estado inestable con una gran cantidad de tensiones internas.
TEMPLE
Es el tratamiento térmico al que se someten las piezas ya fabricadas de acero para aumentar su dureza, resistencia a esfuerzos y tenacidad. El tratamiento térmico para formar martensita consiste en dos pasos: austenitización y enfriamiento por inmersión. Con frecuencia, después de estos pasos sigue un templado para producir martensita templada. La austenización implica calentamiento del acero a una temperatura lo suficientemente alta para convertirse entera o de manera parcial en austenita. Esta temperatura puede determinarse por medio del diagrama de fases para la composición particular de la aleación. La transformación a austenita implica un cambio de fase que requiere tiempo y calentamiento. En consecuencia, el acero debe mantenerse a una temperatura elevada por un periodo suficiente de tiempo para permitir que se forme la nueva fase y se logre la homogeneidad de composición requerida.
El paso de enfriamiento por inmersión implica que el enfriamiento de la austenita sea lo suficientemente rápido para evitar el paso a través de la nariz de la curva TTT, como se indica en la trayectoria de enfriamiento. La velocidad de enfriamiento depende del medio de inmersión y de la velocidad de transmisión de calor dentro de la pieza
de acero. Se usan varios medios de inmersión en las operaciones comerciales de tratamiento térmico que incluyen: 1) salmuera —agua salada, generalmente agitada—; 2) agua dulce —destilada, no agitada—; 3) aceite destilado y 4) aire. La inmersión en salmuera agitada proporciona el enfriamiento más rápido de las superficies calentadas de la pieza, mientras que el temple al aire es el más lento. El problema es que mientras más efectivo sea el medio de inmersión en el enfriamiento, es más probable que cause esfuerzos internos, distorsión y grietas en el producto.
El proceso de calentamiento hasta la temperatura de TEMPLE es muy importante. El calentamiento debe ser lento hasta los 450-500ºC, a partir de ésta temperatura podemos aumentar la velocidad de calentamiento hasta la temperatura de temple. Si la pieza es grande, el calentamiento debe ser lo mas homogéneo posible en el exterior y en el núcleo de la pieza. Un gradiente alto de temperatura entre el exterior y el interior de la pieza provocaría grietas (que aparecerán durante o después del templado) debido a las dilataciones térmicas y los cambios de volumen que sufre el acero con las transformaciones de microestructuras.
FORMACIÓN DE LA MARTENSITA – DIAGRAMA TTT
TEMPERATURAS DE CALENTAMIENTO EN LOS PROCESOS DE TEMPLE
TIPOS DE TEMPLE
REPRESENTACIÓN DE LOS DIFERENTES TIPOS DE TEMPLE
REPRESENTACIÓN DE LOS DIFERENTES TIPOS DE TEMPLE
FACTORES QUE INFLUYEN EN EL TEMPLADO
REVENIDO
El acero después del temple queda generalmente demasiado frágil. La fragilidad del acero templado se corrige por medio del REVENIDO, que es un tratamiento que se realiza siempre después del TEMPLE y consiste en calentar el acero a una temperatura inferior a la temperatura de austenización, mantenerlo un tiempo determinado y enfriarlo al aire.
El objetivo no es eliminar los efectos del temple, sino modificarlos. Sacrificamos dureza y resistencia mecánica tras el revenido, pero AUMENTAMOS LA TENACIDAD. De ésta manera aumentamos la energía de deformación antes de romperse nuestra pieza o herramienta (resistencia al impacto), DISMINUYENDO SU FRAGILIDAD. Eliminando también las tensiones internas que tienen los aceros templados tras el enfriamiento brusco.
Diagrama Temple + Revenido
Influencia del revenido en la dureza después del temple
Influencia de la temperatura de revenido de un acero de 0.4%C templado al agua a 810ºC con una dureza después del temple de 58 HRC. Observamos como vamos perdiendo dureza según aumentamos la temperatura de revenido. A 200ºC obtenemos una dureza de 54 HRC y con un revenido a 300ºC obtenemos una dureza de 50 HRC.
Proceso del revenido
Una vez templado el acero y enfriado, conviene realizar el revenido cuanto antes. Dependiendo de la aleación, del método de enfriamiento, de la geometría y del tamaño de la herramienta, nos pueden aparece grietas durante el temple, o incluso muchas horas después.
Por lo que trataremos de revenir nuestra herramienta inmediatamente después del temple, calentando la pieza que debe estar limpia y pulida para poder ver bien los colores del revenido. Es conveniente mantener la pieza a la temperatura de revenido para asegurarnos que la temperatura es homogénea en todo su volumen. No nos interesa que el núcleo quede frágil, por lo que debemos asegurar que la temperatura del revenido llega al núcleo de nuestra herramienta. Existe cierta relación entre las propiedades mecánicas obtenidas en un revenido a mas alta temperatura y menos tiempo, que con mas tiempo de revenido a mas baja temperatura.
Los herreros antiguos realizaban el revenido en la fragua, pero para mayor precisión el horno es la mejor opción.
Temperatura del revenido
La temperatura de revenido ya sea para herramientas para trabajar el metal, la madera o la piedra, o cualquier tipo de herramienta de corte, depende de las propiedades mecánicas que deseemos obtener, del tipo de herramienta y uso, de su geometría y por supuesto del acero escogido.
Los factores que rigen la calidad del revenido son la temperatura y el tiempo. La velocidad de enfriamiento no influye para nada.
Podemos englobar las herramientas y su temperatura de revenido en tres grupos:
1.- Herramientas de corte fino y duro que no actúen por choque. Las temperaturas están comprendidas entre los 220 y los 255ºC, que corresponden a los colores amarillo claro (220-230ºC), paja oscuro (240ºC) y marrón amarillento (255ºC). Este revenido disminuye muy poco la dureza y fragilidad.
Temperatura del revenido
2.- Herramientas cortantes que deban trabajar al choque o estén sometidas a impacto, recibir golpes o torsiones. Sus temperaturas están comprendidas entre los 265 y los 285ºC. Corresponde a los colores marrón rojizo (265ºC), purpura (275ºC) y violeta (285ºC).
3.- Herramientas de filo menos duro que deban ser muy tenaces. Las temperaturas están comprendidas entre los 295ºC correspondiente al azul oscuro o aciano, el azul claro a 315ºC y el gris azul grisáceo a los 330ºC.
Los colores del revenido
Si la pieza está llena de oxido después del forjado y del templado, no podremos ver los colores del revenido. Una vez templada, es necesario realizar un limpiado mediante piedra de esmeril, lija o lima, cuanto mas pulida la superficie mejor veremos los colores del revenido. Los colores que apreciamos durante el revenido son debidos al espesor de la capa de oxidación del material pulido. Si enfriamos, los colores del revenido se mantienen hasta que se vuelva a calentar la pieza.
Revenido a unos 265ºC de hacha calzada con acero de ballesta F-1430. Revenido con el calor residual del temple.
Los colores del revenido
Modificación de los microconstituyentes durante el revenido
Las variaciones en las propiedades mecánicas que los aceros experimentan durante el revenido, son debidas a cambios en la microestrutura, que consisten, principalmente, en la descomposición mas o menos completa de la martensita, en otros constituyentes mas estables, por medio de la difusión del carbono a las temperaturas de revenido.
Sin entrar en mas detalle, podemos decir que en revenidos a temperaturas inferiores a 300ºC, el porcentaje de carbono de la martensita baja hasta el 0.25%, bajando su dureza, que se compensa con la aparición de un carburo denominado epsilon. A mas temperatura también van produciéndose otros microconstituyentes durante el revenido, pero lo que debemos tener en cuenta es que vamos perdiendo dureza cuanto mas alta sea la temperatura de revenido.
UNE F-5211 – AISI D2 – K110 BÖHLER
Acero para trabajo en frío
TEMPLE:
1020-1040ºC de enfriamiento para piezas de geometría complicada al aire, y de geometría sencilla en aire comprimido, aceite, baño de sales a 220-250ºC o 500-550ºC.
Para llegar a la temperatura de temple, igualmente conviene calentar despacio el acero hasta los 600ºC, mantenerlo y llevarlo hasta la temperatura de forja dejando tiempo que la temperatura llegue al interior.
Tiempo de permanencia después del calentamiento a fondo: 15-30 min, dependiendo del espesor.
Dureza 58-61 HRC tras el temple.
REVENIDO:
Se debe realizar inmediatamente después del temple, mediante un calentamiento lento a temperatura de revenido. Con un tiempo de permanencia en el horno de 1 hora por cada 20 mm (recomiendan mínimo 2 horas), enfriamiento al aire
UNE F-5317 – AISI H11 – BÖHLER W300
Acero para trabajo en caliente
TEMPLE:
1000-1040ºC. Enfriamiento al aire, aceite o baños de sales. Tiempo de permanencia después del calentamiento a temperatura de temple de 15 a 30 minutos en función de la geometría.
52 – 56 HRC temple en aceite o baño de sales.
50-54 HRC temple al aire.
REVENIDO:
Calentamiento lento a temperatura de revenido inmediatamente después del temple. Tiempo de permanencia en el horno: 1 hora por cada 20 mm de espesor, pero mínimo 2 horas.
UNE F-1140 – SAE 1040
Acero al carbono
TEMPLE:
840ºC. Enfriamiento al agua.
860ºC. Enfriamiento al aceite.
54 – 60 HRC temple a 840ºC al agua.
REVENIDO:
Calentamiento lento a temperatura de revenido inmediatamente después del temple. La temperatura de revenido depende de las propiedades mecánicas finales que deseemos obtener.
Diagrama de Revenido del acero F-1140 o SAE 1045. Nos indica la dureza final en función de la temperatura de revenido.
THANKS!
Tratamientos térmicos del acero
ctejaxun
Created on March 11, 2021
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Metalurgia Mecánica
Tratamientos térmicos del acero
Cat.: Ing. César Tejaxún
Universidad Mariano Gálvez de Guatemala Ingeniería Mecánica
NORMALIZADO
Su objetivo es refinar la estructura de grano y mejora la homogeneidad del acero. Ayuda a mejorar la tenacidad. En el normalizado, el acero se calienta por encima de su temperatura crítica, al igual que en el recocido, pero se enfría al aire libre, lo que es un proceso más rápido en comparación con el enfriamiento lento del recocido. Aplicaciones: Generalmente usado para mejorar las propiedades mecánicas de los aceros estructurales y para preparar el acero antes de otros tratamientos térmicos.
INTRODUCTION HERE
RECOCIDO
Llamamos recocido al tratamiento térmico cuyo objetivo principal es el ablandamiento del acero. Existen diferentes tipos de recocidos, en los que también se desea regenerar la estructura o eliminar tensiones internas. Consisten en calentamientos a temperaturas adecuadas, seguidos generalmente de enfriamientos lentos. Las diferentes clases de recocidos que se emplean en la industria se pueden clasificar en tres grupos: Recocidos de austenización completa, subcríticos y recocidos de austenización incompleta.
INTRODUCTION HERE
1. RECOCIDO DE AUSTENIZACIÓN COMPLETA O DE REGENERACIÓN
En este caso el calentamiento se hace a una temperatura ligeramente mas elevada que la critica superior (nos aseguramos la austenización completa de su estructura) y luego el material se enfría muy lentamente. Sirve para ablandar el acero y regenerar su estructura.
2. RECOCIDO SUBCRÍTICO
El calentamiento se hace por debajo de la temperatura crítica inferior (antes de que comience la austenización del acero), no teniendo tanta importancia como en el caso anterior la velocidad de enfriamiento, pudiendo incluso enfriarse el acero al aire sin que se endurezca. Por medio de este tratamiento se eliminan tensiones del material y aumenta su ductibilidad.
Podemos distinguir tres clases de recocidos subcríticos
2.1 RECOCIDO SUBCRÍTICO DE ABLANDAMIENTO
Su objetivo es ablandar el acero por un procedimiento rápido y económico. Con este tratamiento no conseguimos las menores durezas, pero en muchos casos puede ser suficientes para mecanizar perfectamente el acero. El proceso consiste en calentar el acero hasta una temperatura, que siendo inferior a la critica (por debajo del punto de austenización), sea lo mas elevada posible y luego enfriar al aire. Si deseamos realizar un recocido rápido para ablandar en poco tiempo un acero de herramientas (de 0.50% a 1.40%C) y de baja aleación, pero sin tener gran interés en que la dureza que se obtenga sea la minima que se puede alcanzar, se puede realizar un recocido subcrítico a 680ºC y enfriar luego al aire. En algunos aceros de herramientas y aceros de construcción de alta aleación, después de este tratamiento, suelen ser algunas veces demasiado elevadas para el mecanizado.
2.2 RECOCIDO SUBCRÍTICO CONTRA ACRITUD
Se efectúa a temperaturas de 550º A 650ºC, y tiene por objeto, principalmente aumentar la ductibilidad de los aceros de poco contenido de carbono (menos del 0.40%C) estirados en frío. Con el calentamiento a esa temperatura la cristalización alargada de la ferrita se va transformando en nuevos cristales poliédricos mas dúctiles que los primeros, que permiten estirar o laminar nuevamente el material sin dificultad. El enfriamiento se suele hacer al aire. Podemos realizar éste tratamiento cuando trabajamos la chapa en frío y se va endureciendo por acritud.
2.3 RECOCIDO SUBCRÍTICO GLOBULAR
En ocasiones para obtener en los aceros al carbono y de baja aleación una estructura globular de muy baja dureza, en cierto modo parecida a la que se obtiene en el recocido globular de austenización incompleta, se les somete a los aceros a un calentamiento a temperaturas inferiores pero muy próximas a la critica, debiendo luego enfriarse el acero lentamente en el horno.
3. RECOCIDO DE AUSTENIZACIÓN INCOMPLETA (GLOBULIZACIÓN)
Son tratamientos que se suelen dar a los aceros al carbono (0.50% – 1.40% de carbono) o aleados, para ablandarlos y mejorar su maquinabilidad. Consiste en calentamientos prolongados a temperaturas intermedias entre la critica superior e inferior, seguidos siempre de un enfriamiento lento. El fin que se consigue es el de obtener la menor dureza posible y una estructura microscópica favorable para el mecanizado de las piezas.
3. RECOCIDO DE AUSTENIZACIÓN INCOMPLETA (GLOBULIZACIÓN)
A veces se hace el recocido empleando un ciclo oscilante de temperaturas superiores y otras inferiores al punto de inicio de la transformación de la austenita, denominándose recocido globular oscilante. Otras veces se emplean temperaturas ligeramente superiores al punto del comienzo de la austenización, lo denominamos recocido globular de austenizacion incompleta. Podemos realizar éste tratamiento para la globulización de la cementita, mejorando la tenacidad de nuestras herramientas después del temple y sobre todo menos deformaciones durante el temple, con lo que el riesgo de aparición de grietas se reduce. Calentamos la herramienta a 780ºC entre 1-6 horas, el enfriamiento hasta los 600ºC debe ser muy lento, del orden de 20ºC/hora. A partir de los 600ºC podemos enfriarla al aire. En los aceros de menos de 0.80%C es mas difícil obtener estructuras globulares.
3. RECOCIDO DE AUSTENIZACIÓN INCOMPLETA (GLOBULIZACIÓN)
Se deben tomar medidas para reducir la descarburización del acero al carbono de herramientas, cuidando la naturaleza de la atmósfera del horno. En el recocido debemos controlar la atmosfera, que debe ser ligeramente reductora. Se recomienda recocer en cajas cerradas llenas con carbón vegetal bien seco o virutas de fundición. Cuando se desean obtener durezas muy bajas podemos realizar un DOBLE RECOCIDO, primero uno de regeneración y luego uno sub-crítico.
FORMACIÓN DE LA MARTENSITA
Es el constituyente o estructura típica de los aceros templados. Se podría decir que es una solución sólida sobresaturada de carbono o carburo de hierro en el HIERRO ALFA, y se obtiene por enfriamiento rápido de los aceros desde alta temperatura. Después de los carburos (de los aceros aleados) y el carburo de hierro o CEMENTITA, es el constituyente mas duro de los aceros. Presenta un aspecto acicular en forma de agujas en zigzag con angulos de 60º.
Su contenido en carbono puede variar desde porcentajes muy pequeños hasta 1% de Carbono, y algunas veces en aceros hipereutectoides (aceros con mas del 0.77% de carbono), aun suele se mas elevado. Sus propiedades mecánicas varían en función de su composición, aumentando resistencia mecánica, dureza y fragilidad con el contenido de carbono. PROPIEDADES MECÁNICAS: Resistencia mecánica 170-250 kg/mm² (1700 – 2500 MPa) Dureza 50 – 68 HRC Alargamiento 2.5 – 0.5%.
Austenita
Martensita
Ferrita
BCC
FCC
BCT
FORMACIÓN DE LA MARTENSITA – DIAGRAMA TTT
Diagrama de Transformación-Tiempo-Temperatura La transformación de la martensita es el estudio de las transformaciones de fase durante el enfriamiento, se utiliza el diagrama de descomposición isotérmica de la austenita, denominado también diagrama T.T.T. (Transformación-Tiempo-Temperatura). Estos diagramas tienen en cuenta una variable determinante en el proceso y que los diagramas de fase Fe-C no tienen en cuenta, el tiempo que dura el proceso. Estos diagramas representan las curvas de enfriamiento respecto a las coordenadas temperatura-tiempo.
FORMACIÓN DE LA MARTENSITA – DIAGRAMA TTT
En este ejemplo se utiliza un acero eutectoide (0.8%C), en el gráfico se representa en el eje de abscisas el tiempo en escala logarítmica y en el eje de ordenadas la temperatura.
FORMACIÓN DE LA MARTENSITA – DIAGRAMA TTT
FORMACIÓN DE LA MARTENSITA – DIAGRAMA TTT
Las curvas azules se obtienen utilizando una serie de probetas de un cierto tipo de acero calentadas hasta que han alcanzado la temperatura ligeramente superior a la de temperatura de austenización y mantenidas en esa temperatura el tiempo suficiente como para que toda la probeta se haya austenizado completamente.
Las curvas rojas indican el tiempo requerido para que la austenita se transforme en otra fase. Las estructuras que se forman también se indican sobre el diagrama.
FORMACIÓN DE LA MARTENSITA – DIAGRAMA TTT
A continuación se comienza a enfriar cada una de las probetas a distintas velocidades y se van observando los microconstituyentes que se van obteniendo. Cada enfriamiento dará lugar a una curva diferente:
La línea V1: Se corresponde con un enfriamiento lento. Como producto final se obtiene como una perlita de poca dureza (láminas gruesas).
FORMACIÓN DE LA MARTENSITA – DIAGRAMA TTT
La línea V2: Corresponde a un enfriamiento más rápido. La velocidad de difusión disminuye formándose productos más dispersos y más duros, pero el microconstituyente obtenido sigue siendo perlita, aunque de grano más fino, llamado también sorbita.
A medida que va aumentando la velocidad de enfriamiento se obtienen diferentes líneas, y como producto final diferentes microconstituyentes. Así la línea V3 produce trostita, la V4 bainita superior y la V5 vainita inferior.
Hay que tener en cuenta que para templar el acero, lo que se pretende es que toda la austenita se transforme en martensita. Es por ello que el enfriamiento ha de realizarse a una velocidad tal que no tengan tiempo de producirse los procesos difusivos de descomposición de la austenita en la región superior de temperaturas (V6). A la velocidad mínima de enfriamiento, para que se forme martensita a partir de la austenita se le denomina velocidad crítica de temple (VC). Por lo tanto para templar un acero es necesario que se enfríe con una velocidad mayor que la crítica, de lo contrario se obtendrían productos perlíticos, principalmente troostita o bainita, lo que disminuirá la dureza del material tratado. Transformación martensítica Transformación en la cual la austenita se subenfría a una velocidad superior a la crítica (Vc). Con ello se origina martensita (solución sólida de carbono en Feγ) de red tetragonal.
Las principales características del proceso son:
TEMPLE
Es el tratamiento térmico al que se someten las piezas ya fabricadas de acero para aumentar su dureza, resistencia a esfuerzos y tenacidad. El tratamiento térmico para formar martensita consiste en dos pasos: austenitización y enfriamiento por inmersión. Con frecuencia, después de estos pasos sigue un templado para producir martensita templada. La austenización implica calentamiento del acero a una temperatura lo suficientemente alta para convertirse entera o de manera parcial en austenita. Esta temperatura puede determinarse por medio del diagrama de fases para la composición particular de la aleación. La transformación a austenita implica un cambio de fase que requiere tiempo y calentamiento. En consecuencia, el acero debe mantenerse a una temperatura elevada por un periodo suficiente de tiempo para permitir que se forme la nueva fase y se logre la homogeneidad de composición requerida.
El paso de enfriamiento por inmersión implica que el enfriamiento de la austenita sea lo suficientemente rápido para evitar el paso a través de la nariz de la curva TTT, como se indica en la trayectoria de enfriamiento. La velocidad de enfriamiento depende del medio de inmersión y de la velocidad de transmisión de calor dentro de la pieza de acero. Se usan varios medios de inmersión en las operaciones comerciales de tratamiento térmico que incluyen: 1) salmuera —agua salada, generalmente agitada—; 2) agua dulce —destilada, no agitada—; 3) aceite destilado y 4) aire. La inmersión en salmuera agitada proporciona el enfriamiento más rápido de las superficies calentadas de la pieza, mientras que el temple al aire es el más lento. El problema es que mientras más efectivo sea el medio de inmersión en el enfriamiento, es más probable que cause esfuerzos internos, distorsión y grietas en el producto.
El proceso de calentamiento hasta la temperatura de TEMPLE es muy importante. El calentamiento debe ser lento hasta los 450-500ºC, a partir de ésta temperatura podemos aumentar la velocidad de calentamiento hasta la temperatura de temple. Si la pieza es grande, el calentamiento debe ser lo mas homogéneo posible en el exterior y en el núcleo de la pieza. Un gradiente alto de temperatura entre el exterior y el interior de la pieza provocaría grietas (que aparecerán durante o después del templado) debido a las dilataciones térmicas y los cambios de volumen que sufre el acero con las transformaciones de microestructuras.
FORMACIÓN DE LA MARTENSITA – DIAGRAMA TTT
TEMPERATURAS DE CALENTAMIENTO EN LOS PROCESOS DE TEMPLE
TIPOS DE TEMPLE
REPRESENTACIÓN DE LOS DIFERENTES TIPOS DE TEMPLE
REPRESENTACIÓN DE LOS DIFERENTES TIPOS DE TEMPLE
FACTORES QUE INFLUYEN EN EL TEMPLADO
REVENIDO
El acero después del temple queda generalmente demasiado frágil. La fragilidad del acero templado se corrige por medio del REVENIDO, que es un tratamiento que se realiza siempre después del TEMPLE y consiste en calentar el acero a una temperatura inferior a la temperatura de austenización, mantenerlo un tiempo determinado y enfriarlo al aire. El objetivo no es eliminar los efectos del temple, sino modificarlos. Sacrificamos dureza y resistencia mecánica tras el revenido, pero AUMENTAMOS LA TENACIDAD. De ésta manera aumentamos la energía de deformación antes de romperse nuestra pieza o herramienta (resistencia al impacto), DISMINUYENDO SU FRAGILIDAD. Eliminando también las tensiones internas que tienen los aceros templados tras el enfriamiento brusco.
Diagrama Temple + Revenido
Influencia del revenido en la dureza después del temple
Influencia de la temperatura de revenido de un acero de 0.4%C templado al agua a 810ºC con una dureza después del temple de 58 HRC. Observamos como vamos perdiendo dureza según aumentamos la temperatura de revenido. A 200ºC obtenemos una dureza de 54 HRC y con un revenido a 300ºC obtenemos una dureza de 50 HRC.
Proceso del revenido
Una vez templado el acero y enfriado, conviene realizar el revenido cuanto antes. Dependiendo de la aleación, del método de enfriamiento, de la geometría y del tamaño de la herramienta, nos pueden aparece grietas durante el temple, o incluso muchas horas después. Por lo que trataremos de revenir nuestra herramienta inmediatamente después del temple, calentando la pieza que debe estar limpia y pulida para poder ver bien los colores del revenido. Es conveniente mantener la pieza a la temperatura de revenido para asegurarnos que la temperatura es homogénea en todo su volumen. No nos interesa que el núcleo quede frágil, por lo que debemos asegurar que la temperatura del revenido llega al núcleo de nuestra herramienta. Existe cierta relación entre las propiedades mecánicas obtenidas en un revenido a mas alta temperatura y menos tiempo, que con mas tiempo de revenido a mas baja temperatura. Los herreros antiguos realizaban el revenido en la fragua, pero para mayor precisión el horno es la mejor opción.
Temperatura del revenido
La temperatura de revenido ya sea para herramientas para trabajar el metal, la madera o la piedra, o cualquier tipo de herramienta de corte, depende de las propiedades mecánicas que deseemos obtener, del tipo de herramienta y uso, de su geometría y por supuesto del acero escogido. Los factores que rigen la calidad del revenido son la temperatura y el tiempo. La velocidad de enfriamiento no influye para nada. Podemos englobar las herramientas y su temperatura de revenido en tres grupos: 1.- Herramientas de corte fino y duro que no actúen por choque. Las temperaturas están comprendidas entre los 220 y los 255ºC, que corresponden a los colores amarillo claro (220-230ºC), paja oscuro (240ºC) y marrón amarillento (255ºC). Este revenido disminuye muy poco la dureza y fragilidad.
Temperatura del revenido
2.- Herramientas cortantes que deban trabajar al choque o estén sometidas a impacto, recibir golpes o torsiones. Sus temperaturas están comprendidas entre los 265 y los 285ºC. Corresponde a los colores marrón rojizo (265ºC), purpura (275ºC) y violeta (285ºC). 3.- Herramientas de filo menos duro que deban ser muy tenaces. Las temperaturas están comprendidas entre los 295ºC correspondiente al azul oscuro o aciano, el azul claro a 315ºC y el gris azul grisáceo a los 330ºC.
Los colores del revenido
Si la pieza está llena de oxido después del forjado y del templado, no podremos ver los colores del revenido. Una vez templada, es necesario realizar un limpiado mediante piedra de esmeril, lija o lima, cuanto mas pulida la superficie mejor veremos los colores del revenido. Los colores que apreciamos durante el revenido son debidos al espesor de la capa de oxidación del material pulido. Si enfriamos, los colores del revenido se mantienen hasta que se vuelva a calentar la pieza.
Revenido a unos 265ºC de hacha calzada con acero de ballesta F-1430. Revenido con el calor residual del temple.
Los colores del revenido
Modificación de los microconstituyentes durante el revenido
Las variaciones en las propiedades mecánicas que los aceros experimentan durante el revenido, son debidas a cambios en la microestrutura, que consisten, principalmente, en la descomposición mas o menos completa de la martensita, en otros constituyentes mas estables, por medio de la difusión del carbono a las temperaturas de revenido. Sin entrar en mas detalle, podemos decir que en revenidos a temperaturas inferiores a 300ºC, el porcentaje de carbono de la martensita baja hasta el 0.25%, bajando su dureza, que se compensa con la aparición de un carburo denominado epsilon. A mas temperatura también van produciéndose otros microconstituyentes durante el revenido, pero lo que debemos tener en cuenta es que vamos perdiendo dureza cuanto mas alta sea la temperatura de revenido.
UNE F-5211 – AISI D2 – K110 BÖHLER Acero para trabajo en frío
TEMPLE: 1020-1040ºC de enfriamiento para piezas de geometría complicada al aire, y de geometría sencilla en aire comprimido, aceite, baño de sales a 220-250ºC o 500-550ºC. Para llegar a la temperatura de temple, igualmente conviene calentar despacio el acero hasta los 600ºC, mantenerlo y llevarlo hasta la temperatura de forja dejando tiempo que la temperatura llegue al interior. Tiempo de permanencia después del calentamiento a fondo: 15-30 min, dependiendo del espesor. Dureza 58-61 HRC tras el temple.
REVENIDO: Se debe realizar inmediatamente después del temple, mediante un calentamiento lento a temperatura de revenido. Con un tiempo de permanencia en el horno de 1 hora por cada 20 mm (recomiendan mínimo 2 horas), enfriamiento al aire
UNE F-5317 – AISI H11 – BÖHLER W300 Acero para trabajo en caliente
TEMPLE: 1000-1040ºC. Enfriamiento al aire, aceite o baños de sales. Tiempo de permanencia después del calentamiento a temperatura de temple de 15 a 30 minutos en función de la geometría. 52 – 56 HRC temple en aceite o baño de sales. 50-54 HRC temple al aire. REVENIDO: Calentamiento lento a temperatura de revenido inmediatamente después del temple. Tiempo de permanencia en el horno: 1 hora por cada 20 mm de espesor, pero mínimo 2 horas.
UNE F-1140 – SAE 1040 Acero al carbono
TEMPLE: 840ºC. Enfriamiento al agua. 860ºC. Enfriamiento al aceite. 54 – 60 HRC temple a 840ºC al agua. REVENIDO: Calentamiento lento a temperatura de revenido inmediatamente después del temple. La temperatura de revenido depende de las propiedades mecánicas finales que deseemos obtener.
Diagrama de Revenido del acero F-1140 o SAE 1045. Nos indica la dureza final en función de la temperatura de revenido.
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