Tratamientos térmicos del acero: Calentamiento, Permanencia y Enfriamiento, Resúmenes de Matemáticas

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Tema 6:

TRATAMIENTOS TÉRMICOS DEL ACERO

Son operaciones o conjunto de operaciones que consisten en someter a los aceros en estado sólido a uno o varios ciclos térmicos con el objeto de “mejorar” sus características a través de provocarle cambios en su estructura.

Con Normalizado Enfriamiento lento Recocido otros Completos Con Temple Enfriamiento rápido Martempering Clasificación Austempering

Temples Por inducción Superficiales A la llama Superficiales Cementación T. termoquímicos Nitruración Carbonitrurado, etc.

Todo tratamiento térmico consta de tres etapas:  Calentamiento  Permanencia a una temperatura determinada  Enfriamiento

En la mayoría de ellos, el calentamiento debe hacerse hasta unos 30 a 50ºC por encima de la temperatura Ac3 obtenida del diagrama Fe-C. Las piezas deben colocarse en el horno frío y la temperatura elevarse lentamente, tanto más cuanto mayor sea la sección de la pieza o cuando se tratan aceros especiales de alta aleación, para evitar tensiones por dilataciones desiguales entre el núcleo y la superficie. Cuando, como ocurre frecuentemente, se carga el horno ya caliente, sólo en esos casos particulares se especifica uno o dos precalentamientos.

La pieza debe permanecer en el horno hasta que la temperatura se iguale en todos sus puntos y la estructura se homogeinice. Una regla conservadora recomienda que el tiempo de permanencia sea de una hora por pulgada de espesor.

Si la temperatura es demasiado alta o el tiempo excesivo, se producirá un SOBRECALEN- TAMIENTO, es decir, se obtendrá tamaño de grano basto (muy grande) que es perjudicial para el acero. En ese caso, si no hubo alteración de los bordes de grano, luego del sobrecalentamiento puede regenerarse la estructura mediante otro tratamiento térmico. En cambio, cuando penetra oxígeno en ellos, se produce un QUEMADO, que ya no puede corregirse.

6.1 Transformaciones estructurales de la austenita Cuando el enfriamiento del acero es lento, los cambios de fase que tendrán lugar pueden predecirse mediante el diagrama de equilibrio Fe-C ya estudiado. En cambio, si las transformaciones se

denomina martensita , tiene elevada dureza, fragilidad y límite de fatiga, y ocupa mayor volumen que la austenita que le dio origen. Observada al microscopio, presenta aspecto acicular, más fino para elevados porcentajes de carbono.

La transformación de austenita en martensita no depende del tiempo, comienza a un valor de temperatura denominado Ms y termina cuando ha descendido hasta otro llamado, Mf. Los valores de Ms y Mf dependen del acero, disminuyendo cuando aumenta el contenido de carbono y de otros elementos aleantes como cromo, manganeso y níquel, y cuando el grano austenítico es grande. Más adelante este tema se desarrollará con mayor profundidad. Cuando Ms y Mf son bajas y la nariz perlítica se encuentra desplazada a la derecha del diagrama, el acero es más templable. La velocidad crítica (tangente a la nariz, sin tocarla) es menor y puede obtenerse martensita enfriando en medios menos severos como el aceite. La templabilidad de un acero indica su capacidad para adquirir dureza en el temple y que ésta penetre hacia el interior

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6.2 TRATAMIENTOS CON ENFRIAMIENTO LENTO

La velocidad exacta de enfriamiento depende del tamaño de la pieza a enfriar, del número de piezas en la carga del horno y de la circulación del aire alrededor de las mismas.

Al limitar parcialmente la difusión, la formación de ferrita libre en los aceros hipoeutectoides, se suprime parcialmente, resultando una cantidad de perlita ligeramente más elevada que en equilibrio. La limitación del proceso de difusión, también provoca la aparición de perlita de láminas finas.

Consisten en una austeni- zación seguida de un enfriamiento controlado, generalmente en horno o al aire, de modo de producir microes- tructuras próximas a las de equili- brio. Dentro de esta clasificación se incluyen los procesos denominados normalizados o recocidos.

Los productos forjados, las piezas coladas y el acero laminado en caliente se normalizan para obtener una estructura más uniforme que, en general, mejora las propie- dades y conduce a un resultado óptimo en cualquier tratamiento térmico posterior. Con el normalizado también se eliminan tensiones inter- nas y se uniformiza el tamaño de grano del acero.

En cambio, el objetivo princi- pal del recocido es ablandar el acero, de modo de obtener la maquinaba- lidad óptima.

6.2.1. Normalizado

Consiste en el enfriamiento al aire desde la región austenítica (figura 6.4); el acero queda con una estructura y propiedades que arbitra- riamente, se consideran como normales y características de su composición

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La temperatura Ms y el intervalo de temperaturas de formación de martensita dependen de la composición del acero. En la Fig. 6.7 se muestra el efecto del contenido de carbono.

Los elementos aleantes influyen facilitando la obtención de martensita; por ejemplo, determinado porcentaje de cromo y níquel retarda la transformación de la austenita lo suficiente como para permitir la formación de martensita aún durante un enfriamiento rápido al aire. También producen una disminución de Ms, pero en ello no son tan eficaces como el carbono. Por lo tanto los aceros con contenido de carbono o de elementos aleantes suficientemente altos no pueden transformarse completamente en martensita du- rante el temple hasta la temperatura ambiente. Esas cantidades apreciables de austenita no transformada llamada austenita retenida pueden influir negativamente sobre las propiedades de un acero tratado térmicamente y son por ello indeseables; un enfriamiento posterior (tratamiento Sub-cero) producirá martensita adicional.

De hecho, el grado de tetragonalidad depende directamente del contenido de carbono. El aumento de volumen de aproximadamente 6%, que acompaña a la formación de la martensita, es una causa importante de la distorsión y fisuración que pueden producirse durante los tratamientos térmicos comerciales.

El efecto de endurecimiento del carbono en la martensita es muy grande, como lo muestra la curva de dureza de la Fig. 6.9. Esta se estabiliza a unos HRc 65, que es el máximo valor que se puede obtener.

La transformación de la austenita en martensita es un proceso sin difusión; los átomos de hierro de la austenita, de red cú- bica de caras centradas, cizallan coordina- damente unos respecto a otros en una fracción de distancia interatómica, de tal modo que forman una red tetragonal centrada (Fig. 6.8). Los átomos de carbono, que están en solución sólida intersticial en la austenita, no difunden y son atrapados a lo largo del eje c ‚ de la marten- sita produciendo la tetragonalidad.

Estos elevados valores aparentemente son producidos por las intensas deformaciones localizadas en las inmediaciones de los átomos de carbono. Los elementos de aleación usuales en el acero, se disuelven sustitucionalmente en la austenita y en la martensita, con una deformación de la red relativa- mente pequeña y afectan poco a su dureza. Por otra parte, cuando existen contenidos de carbono elevados, la austenita retenida puede reducir la dureza hasta en 10 unidades Rockwell C.

El aspecto metalográfico de la martensita es marcadamente acicular, formando agujas en zig-zag, con ángulos de 60º. Cuando la transformación es completa y el temple se realiza a temperatura correcta, en general se obtienen estructuras de martensita muy fina, de difícil observación por su aspecto difuso. En cambio, cuando las agujas aparecen sobre un fondo blanco de austenita, la observación es bien clara.

6.3.2. Revenido de la martensita Los aceros después del temple suelen quedar demasiado duros y frágiles para los usos a que van a ser destinados. Estos inconvenientes se corrigen con un revenido; consiste en el calentamiento a una temperatura inferior a la crítica A 1 , enfriándolo luego generalmente al aire. El objeto del revenido no es eliminar los efectos del temple sino modificarlos, disminuyendo la fragilidad, aumentando la tenacidad y eliminando también las tensiones internas que quedan siempre en los aceros templados. Su efecto principal es disminuir la tetragonalidad de la red; además tiene un beneficioso efecto sobre la austenita retenida que pueda hallarse presente. Todo esto en detrimento de la dureza y la resistencia. El revenido se produce como consecuencia de la inestabilidad de la martensita, que tiende a volver a las fases estables (ferrita y carburo) cuando es calentada.

En la Fig. 6.10 se resumen las variaciones de la dureza en función de la temperatura de revenido en aceros con un contenido de carbono de 0,45% y diversas cantidades de elementos aleantes. La auste- nita retenida no es un factor significativo en estos aceros de medio carbono. Generalmente los elementos de aleación retardan algo el revenido y pueden producir un ligero endurecimiento secundario a temperaturas superiores a los 350 ó 400ºC.

6.3.3 Tratamiento térmico de temple La martensita revenida posee generalmente las mejores propiedades técnicas de todas las micro- estructuras del acero. Para obtener una estructura totalmente martensítica el enfriamiento debe ser a una velocidad superior a la crítica indicada por el diagrama de enfriamiento continuo. Esta velocidad crítica,

6.4. TRATAMIENTOS DE ENDURECIMIENTO SUPERFICIAL

La mayor parte de las piezas que componen las máquinas y motores, se fabrican de forma que sus propiedades mecánicas sean uniformes en toda su masa. Sin embargo, en ciertos mecanismos es necesario que algunos componentes tengan superficies muy duras, resistentes al desgaste y a la penetración, y el núcleo central muy tenaz, para poder soportar los choques a que están sometidas. Los procedimientos más usuales para conseguir estas características son los temples superficiales, los tratamientos termoquímicos (cementación, cianuración, nitruración, etc), el depósito por soldadura de delgadas capas de alto contenido de carbono, y el cromado duro.

6.4.1- Temples superficiales El temple superficial es un temple local, durante el cual se endurece sólo la capa superficial hasta una cierta profundidad, dejando sin templar el núcleo de la pieza. Se realiza calentando rápidamente el acero hasta una temperatura superior al punto crítico A 3 , para lograr la austenización completa hasta una determinada profundidad, y a continuación enfriarlo a una velocidad superior a la crítica para la obtención de la martensita. Su objetivo es aumentar la dureza superficial, la resistencia al desgaste y el límite de fatiga de la pieza, mientras que el núcleo se conserva tenaz y soporta las cargas de impacto.

Los aceros empleados deben tener un contenido de carbono superior al 0,4 % para que la martensita obtenida sea efectivamente dura. Por otro lado, para que las capas queden bien adheridas al resto del material y evitar descascaramientos superficiales debidos a la transición demasiado brusca de las zonas duras a las blandas, conviene que el porcentaje de este elemento no supere el 0,60 %.

Existen dos métodos de calentamiento por llama oxiacetilénica y por corrientes inducidas.

6.4.1.1- Temple a la llama

Se emplean instalaciones que constan de uno ó varios sopletes que calientan las partes de la pieza que se desea endurecer, y varios chorros de agua o depósitos que enfrían rápidamente las zonas calientes que quedan templadas y con gran dureza. El foco de calor o la pieza se mueven constante o alternativamente para calentar y templar sucesivamente todas las zonas que hay que endurecer.

Este método es muy empleado para piezas de gran tamaño (rodillos de laminación, ejes, etc.), obteniéndose capas endurecidas de 2 a 5 mm. de espesor, con durezas de 50 a 56 HRc.

6.4.1.2- Temple por inducción

Este procedimiento se utiliza para endurecer superficialmente piezas de aceros de distintos tamaños, hasta muy pequeñas. El calentamiento por corrientes de alta frecuencia se efectúa en pocos segundos, pudiéndose además localizar el tratamiento en zonas muy limitadas.

Las piezas se colocan en el interior de una espira o conjunto de espiras de forma apropiada, a través de las cuales se hace pasar una corriente eléctrica de alta frecuencia que calienta las piezas a elevada temperatura. Luego se enfrían rápidamente con ducha de agua o introduciéndolas en un recipiente de agua o aceite.

Cigüeñales, ejes de distribución, engranajes y muchas otras piezas son sometidas a este tratamiento directamente en la línea de producción. Se obtienen durezas de 55 a 60 HRc, según el contenido de carbono del acero.

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6.4.2. Tratamientos termoquímicos Se llama tratamiento termoquímico a la saturación superficial del acero por difusión de un elemento determinado (C, N, Al, Cr y otros) desde el medio exterior y a alta temperatura. Esto se produce en tres etapas:

1. separación, en la atmósfera, del elemento difundidor al estado atómico; por ejemplo: a) disociación del amoníaco para obtener nitrógeno ( nitruración gaseosa ) 2 NH (^) 3  2 N  3 H 2 b) disociación del monóxido de carbono para obtener carbono ( cementación ) 2 CO  CO 2  C

2. contacto de los átomos del elemento difundidor con la superficie del acero y formación de enlaces químicos con los del metal base

3. difusión hacia el interior del metal. La velocidad de difusión de los distintos elementos en la red cristalina del hierro depende del tipo de solución sólida que formen con él; proceden con más facilidad los formadores de soluciones intersticiales que los sustitucionales. La concentración final en la superficie depende de la actividad química del medio, de manera de asegurar la afluencia de átomos del elemento hacia ella, y de la velocidad de difusión que los conduce al interior del metal. La profundidad de capa obtenida depende de la temperatura y del tiempo de difusión, así como de la concentración del elemento en la superficie.

6.4.2.1- Cementación En este proceso se incorpora carbono en la capa superficial del acero, con el objeto de lograr una superficie de alta dureza que le proporciona resistencia al desgaste después de un temple, y aumenta el límite de fatiga. Como se realiza en aceros de no más de 0.25 % de C, el núcleo conserva su capacidad de absorber energía de impacto.

La profundidad de capa debe ser tal que no se produzcan deformaciones permanentes en ella. Por lo tanto, será mayor (de 0.8 a 1.4 mm.) cuanto más grande sea el esfuerzo a que está sometida la misma. Si sólo se requiere resistencia al desgaste, se usan capas de baja profundidad (0.1 a 0.5 mm.).

La cementación se realiza a temperatura superior a A 3 (900 a 950ºC) de modo que el carbono difunde en la red cristalina del hierro , hasta alcanzar una composición de 0,8% en la superficie. La capa resulta de una concentración decreciente hacia el interior de la pieza.

Los procesos pueden ser en medio sólido, líquido o gaseoso. En el primer caso, el medio cemen- tante es carbón vegetal‚ activado con CO 3 Ba. Las piezas, después de una limpieza preliminar, se colocan en cajas de acero inoxidable o refractario, entre capas sucesivas del carbón cementante. Una vez tapada y sellada la caja, se introduce en el horno el tiempo calculado de acuerdo con la profundidad de capa deseada.

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La operación final en todos los casos es el revenido a baja temperatura (160-180ºC), obteniéndose martensita revenida con una dureza que alcanza los 59-63 HRc.

La estructura del núcleo depende de la composición del acero que se trata y del proceso de temple adoptado, pero siempre debe mantener buenas condiciones de tenacidad.

6.4.2.2- Nitruración

Se llama nitruración al proceso de saturación de la superficie del acero con nitrógeno, por medio del calentamiento de este en amoníaco o en sales fundidas de cianuro de potasio o sodio, a 480-700ºC. La nitruración aumenta la dureza de la capa superficial, su resistencia al desgaste, el límite de fatiga y la resistencia a la corrosión en medios tales como el aire, agua, vapor, etc. La dureza de la capa nitrurada se conserva durante el calentamiento hasta altas temperaturas (600-650ºC), a diferencia de la capa cemen- tada, que por su estructura martensítica, conserva su dureza sólo hasta 200-250ºC.

La nitruración se usa ampliamente en piezas tales como engranajes, cilindros de motores de alta potencia, cigueñales, etc.

El nitrógeno, que difunde hacia el interior de la pieza, forma compuestos con el hierro cuyas características varían con la concentración del mismo. La capa superficial, denominada capa de compuestos , blanca, es de pequeño espesor y extremada dureza. Por debajo de esta, hay una zona denominada capa de difusión , que es la que confiere resistencia a la fatiga ya que el nitrógeno, además de formar nitruros, distorsiona la red cristalina del hierro.

Normalmente se someten a este proceso aceros de medio contenido de carbono, aleados al aluminio, cromo, molibdeno, vanadio, etc, que adquieren una dureza y resistencia al desgaste especial- mente alta debido a la formación de nitruros como Cr 2 N, Mo 2 N, AlN. Estos precipitan en forma dispersa, dificultando el movimiento de las dislocaciones y aumentando así la dureza de la capa.

La tecnología del proceso de nitruración incluye un tratamiento térmico preliminar, que consiste en el temple y revenido a alta temperatura (600 y 675ºC), para controlar las propiedades del núcleo de la pieza, el mecanizado de las piezas y rectificado a las dimensiones definitivas, la protección de las zonas no sometidas a nitruración con una capa delgada de plomo electrolítico o vidrio líquido, el nitrurado y un pulido final.