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Acero termico trabajo de investigacion relacionado a las estructura y tratamientos termicos del acero...

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propiedades del mismo, para adaptarlos a las múltiples aplicaciones donde se requerirá este material.

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Tratamientos Térmicos del Acero CIENCIA DE LOS MATERIALES *Universidad de Cuenca, Facultad de Ciencias Químicas Cuenca, Ecuador e-mail: [email protected], [email protected] [email protected]

Resumen: Por medio de la investigación se pude identificar las distintos tipos de clasificaciones y tratamientos para el acero el cual es una aleación de hierro con pequeñas cantidades de carbono que es muy utilizado en las industrias de distintas áreas, en los cuales resaltan los tratamientos térmicos simples, isotérmicos, de templado y revestido, y superficiales. En cada uno de estos tratamiento tiene la función de generar un cambio al acero de tal forma que pueda tener mayores aplicaciones de las que se conocen modificando aspectos como las impurezas, endurecimiento, entre otros, bajo rangos de temperaturas determinadas considerando además problemas que puedan surgir en tales modificaciones, de tal forma que puedan ser solucionadas con rapidez y el acero modificado cumpla con las expectativas y su uso. Palabras clave: Carburizado, nitruración, isotérmicos, templado y revenido, superficiales. Objetivos:  Identificar las diferentes clasificaciones de tratamientos térmicos, así como los tratamientos pertenecientes a las mismas. 

Reconocer el propósito de cada uno de los tratamientos térmicos investigadas.

INTRODUCCIÓN. El acero es un material resultante de la aleación de hierro con pequeñas porciones de carbono. Actualmente es un material de suma importancia, puesto que tiene múltiples propiedades como son plasticidad, resistencia, y versatilidad, estas al ser requeridas para distintas aplicaciones, como por ejemplo algunas vías de ferrocarril son construidas con este material, algunos automóviles, múltiples estructuras de construcciones, y en un ámbito importante en la ingeniería, se lo emplea para las conducciones de agua y otros fluidos, por estas razones, diversos investigadores durante las últimas décadas han trabajado en como modificar las 1

Tratamientos térmicos simples. Para el acero existen 4 tratamientos térmicos simples: esferoidización, recocido, normalización y recocido de proceso, a estos se los emplea para lograr uno de tres objetivos los cuales buscan la mejora de la maquinabilidad, control del endurecimiento por dispersión y eliminación de los efectos del trabajo en frio. Como cada uno de estos tratamientos están en función de la temperatura, a continuación, se mostrará el diagrama de fases en versión expandida de la parte eutectoide para Fe-Fe3C (Diagrama 1), el cual ayudará a un mejor entendimiento de estos tratamientos.

Diagrama 1. (Askeland, D. (2004). Diagrama de fases en versión expandida de la parte eutectoide para Fe-Fe2C [Imagen]. Recuperado de Ciencia e Ingeniería de materiales.)

Donde: A1= temperatura eutectoide. Acm= temperatura donde empieza a formarse la cementita. A3 = Temperatura donde la ferrita empieza a formarse en el momento de enfriarse.

Esferoidización: Este tratamiento mejora la maquinabilidad, es decir, facilitara la remoción del material en exceso por medio de una herramienta de corte, de manera que la pieza terminada sea realmente la deseada. Este proceso se lo aplica en aceros con gran concentración Fe3C, para este tratamiento se somete a la muestra a 30 C por varias horas por debajo de A1, mediante esto se logra transformar la morfología de Fe3C a la microestructura esferoidita la cual posee un matriz continua de ferrita suave la cual permite la mejora en la maquinabilidad. También la adicción de elementos de aleación como Pb y S mejoran esta propiedad(Askeland & Phulé, 2004).

Recocido y normalización: Estos dos tratamientos permiten el endurecimiento por dispersión, para endurar el acero, se debe controlar la finura de su perlita. Para ello como primer paso se debe realizar la austenitización procedimiento que consiste en calentar el acero con el fin de producir austenita homogénea (CCCa fase γ). El tratamiento por recocido actuará en el acero permitiendo producir perlita gruesa mediante un lento enfriamiento en un horno, mientras que, la normalización producirá perlita fina mediante un enfriamiento más rápido al aire fuera del horno. Conforme al recocido, el proceso de austenitización para aceros hipoeutectoides se lo realizará a 30 C por encima de la temperatura A3, de esta manera se producirá fase γ al 100%, mientras que para un acero hipereutectoide se lo realiza a 30 C por encima de A1, evitando de esta manera la formación de una película frágil y continua de Fe3C en los límites de grano que ocurren en enfriamiento lento desde la región 100% γ. Para estos aceros su lento enfriamiento dentro de un horno provocara una perlita gruesa con buena ductilidad, pero con resistencia relativamente baja. Conforme a la normalización, la austenitización se realiza a 55 C por encima de Acm o A3, el acero se remueve del horno y se enfría al aire rápidamente produciendo perlita fina lo que desencadena en una resistencia más alta (Callister, 1995). Recocido de proceso: Este tratamiento es usado en aceros con menos del 0,25% de C, se lo emplea para la eliminación del trabajo en frio, cuyo su principal objetivo es eliminar o reducir los esfuerzos residuales, es decir aquellos esfuerzos que permanecen en un sólido después de haber sido retirada la causa original que provoco dicho esfuerzo (cabe recalcar que estos pueden ser deseables o indeseables). Para ello a la muestra a tratar se la somete a una temperatura en 80 C y 170 C por debajo de la temperatura A1 (Askeland & Phulé, 2004).

Tratamientos térmicos isotérmicos Cuando la temperatura de transformación isotérmica disminuye, la perlita se hace fina antes de la formación de la vainita y a temperaturas relativamente bajas se produce martensita (Askeland & Phulé, 2004). Revenido la fase austenitica y recocido isotérmico: El revenido en la fase austenica o tratamiento térmico de trasformación utilizado para obtener bainita,

involucra austenizar el acero, templado a temperaturas bajas, por debajo de la curva TTT y a una temperatura constante baja hasta convertir toda la austenita en bainita.

Diagrama 2. (Tratamientos térmicos de revenido en la fase austenitica y recocido isotérmico en un acero 1080) La perlita obtenida por un recocido isotérmico y normalización se usa para controlar la finura de la misma, además se puede dar propiedades uniformes, en la sección transversal del acero por las magnitudes de rapidez de enfriamiento y microestructura, los diagramas TTT describen solo tratamientos térmicos a una temperatura dada, por lo tanto, no es posible describir en los diagramas TTT, tratamientos térmicos con curvas de enfriamiento.

Efecto de los cambios en la concentración de carbono en el diagrama TTT. Tanto para un acero hipoeutectoide o en uno hiperectectoide, los diagramas TTT debe mostrar una fase primaria, para un acero 1050 y un 10110 en la figura se muestran los diagramas de transformación isotérmicas los cuales muestran un cambio lo cual es la presencia de una “ala” que parte de la nariz de la curva y es asíntota a la temperatura A3 o Acm, representa el tiempo de comienzo de ferrita y cementita en aceros hipoeutectoides y hipereutectoides respectivamente.

Si una temperatura se mantiene entre A1 y A3 un acero 1050 se austenitiza, la ferrita primaria forma núcleos y crece, para alcanzar el equilibrio de ferrita y austenita, por consiguiente, el resto de austenita pasa a ser perlita. Si a una temperatura de nariz y correspondiente a A1, un acero 1050 austenitizado se enfría, la ferrita primaria forma un núcleo y crece hasta llegar al equilibrio y el

resto de la austenita pasa a ser perlita, de la misma forma para el acero hipereutectoide para ambos casos. Si el acero está por debajo de la nariz de la curva, se obtiene bainita, sin tomar en cuenta la cantidad de carbono del acero, por otro lado, si se trabaja a temperaturas por debajo de Ms se obtiene martensita.

Diagrama 3. (TTT para a) un acero 1050 y b) un acero 10110)

Interrupción de la transformación isotérmica: Al interrumpir un tratamiento térmico isotérmico se produce microestructuras por ejemplo en un acero 1050 a 800 C y templado obtenemos austenita inestable que al templar a 350C pasa a obtener bainita, para obtener una estructura final de ferrita, perlita y bainita. Al interrumpir el tratamiento térmico a 350C y templar cualquier austenita inestable ahora forma martensita, obteniendo una estructura final de ferrita, perlita, bainita y martensita. (Askeland & Phulé, 2004)

Diagrama 4. (Producción de estructuras complicadas al interrumpir el tratamiento térmico isotérmico de un acero 1050).

Tratamientos térmicos de templado y revenido.

Uno de los tratamiento más utilizados durante siglos es el templado la cual genera buenas características al acero con respecto a su endurecimiento. Lo mismo pasa con el tratamiento de revenido que se enfoca en las propiedades finales del acero. Estos tipos de tratamiento han sido utilizados por ejemplo para aceros de Damasco y espadas de samurái japonesas.(Askeland & Fulay, 2012, p. 504)

Diagrama 5. (Efecto de temperatura de revenido a las propiedades mecánicas de acero 1050.) Austenita retenida: Para que exista la transformación de martensita a partir de austenita se debe dar una serie de procesos: 1. Cuando se forman placas de martensita en el templado, las mismas van rodeando a la austenita que sufrirán una deformación para dar espacio a la martensita que posee menor densidad. 2. Al ser la martensita fuertemente resistente a estos cambios o transformaciones, la misma se agrieta o puede permanecer atrapada dentro de la estructura como “austenita retenida”. 3. Al existir austenita en la estructura esto puede crear que la martensita se ablande, y por ende se genera más ductilidad en el proceso de revenido. 4. La austenita retenida en la estructura por acción de la temperatura baja se trasforma en martensita ya que la martensita revenida puede ser deformada. 5. Para la eliminación de martensita dura y quebradiza va ser necesario otro paso que nos permita eliminarla.

Esfuerzos residuales y agrietamiento. El cambio de volumen en el material a tratar o bajas temperaturas es un efecto de los esfuerzos residuales. Par evitarlo es necesario el uso de un recocido de alivio de esfuerzos internos, de esta manera se reduce al mínimo los esfuerzos residuales. Otra causa de

esfuerzos es el trabajo por templado, donde existirán descensos de temperatura brucos lo que da como resultado la martensita. Entonces, en el interior del material la austenita se transforma produciendo una característica de tensión con respecto a la superficie del material. Si el esfuerzo residual es mayor a la resistencia a la fluencia se dan grietas por templado en la superficie.(Askeland & Fulay, 2012, p. 506)

Diagrama 7. Tratamiento térmico de templado por arriba de la nariz. Diseño para reducir los esfuerzos residuales y grietas que se puedan dar en el templado. Tabla 1. Coeficiente

H, para varios medios de templado.

Diagrama 6. Gráfica de incremento de temperatura con la reducción respectiva de temperaturas de Ms y Mf.

Figura 1. Diferencia de estructuras de acero a distintas temperaturas. Una manera de evitar estos es tener controladas las temperaturas de tal forma que el templado del acero se de en todo el material de manera uniforme sin generación o poca tensión. Donde, se enfría a penas por encima de la temperatura Ms y lo mantiene así hasta que la temperatura sea igual al acero, entonces un templado controlado permite que el acero se convierta en martensita en un mismo tiempo. A este tipo de templado se lo denomina “templado por arriba de Ms” o “temple martensítico ininterrumpido”. Es importante considerar que los diagramas TEC están relacionados con tratamientos térmicos, más no isotérmicos. (Askeland & Fulay, 2012, p. 506)

Rapidez de templado. Durante el proceso de templado se puede crear microconstituyentes no deseados como por ejemplo la creación de perlita por el enfriamiento que es mayor a la nariz de la curva.

Factores de rapidez para que el acero se enfrié: 1. Superficie: Nunca el centro del material se enfría antes que su superficie. 2. Con el aumento de tamaño la rapidez de enfriamiento disminuye 3. La rapidez dependerá de la temperatura.

Diagramas de transformación de enfriamiento continúo. Existe un diagrama pertinente para entenderlo conocido como (TEC). Donde podrá ser visualizado las microestructuras producidas en el acero en distintas magnitudes con respecto a la rapidez de enfriamiento. A diferencia del diagrama TTT es necesario tiempos más largos que nos permitan o ver las transformaciones. (Askeland & Fulay, 2012, p. 508)

usando una flama de gas, una bobina de inducción, un rayo láser o un haz electrónico. Si se desea también se puede endurecer solo áreas seleccionadas de la superficie que estén más sujetas a la falla por fatiga o por desgaste.

Diagrama 8. Ejemplo de cuerva TEC para un acero 1080

comparado con el diagrama TTT. Por medio del diagrama TEC cuando tenemos a 5°C/s se obtiene perlita, si enfriamos a 100°C/s se da la trasformación de perlita, pero esto crea una reacción incompleta con respecto al cambio de la austenita a martensita. Entonces, para un cambio del 100% se deberá trabajar en un tratamiento térmico de templado y revestido a temperaturas de 140°C/s.(Askeland & Fulay, 2012, p. 508)

Diagrama 8. Curva TEC para un acero de bajo carbono (0,2%)

TRATAMIENTO EN LA SUPERFICIE Por medio de un tratamiento adecuado, es posible crear una estructura que sea dura y fuerte en su superficie, de manera que se produce una excelente resistencia al desgaste y la fatiga, pero a su vez da un núcleo blando, dúctil y tenaz que proporciona buena resistencia a la falla por impacto.

Figura 5: a) Endurecimiento superficial por calentamiento localizado. b) Solo la superficie se calienta arriba de la temperatura A1 y es templada para producir martensita.

CARBURIZADO Y NITRURACION. Son técnicas en torno a la difusión controlada de carbono y nitrógeno, para obtener una mejor tenacidad, se debe empezar con un acero bajo carbono En el carburizado el carbono se difunde en la superficie del acero a una temperatura por encima de la A3(fig5).Se produce un alto contenido de carbono en la superficie por la rápida difusión y a la elevada solubilidad del carbono en austenita.Cuando el acero es entonces templado y revenido, la superficie se transforma en martensita revenida al alto carbono ,en tanto que el centro ferritico continua siendo blando y ductil.El grosor de la superficie endurecida, de nuevo llamada profundidad de cementado, es mucho menor en aceros carburizados que en aceros endurecidos por flama o inducción.

Calentamiento Selectivo de la Superficie. Para aplicar este método se procede en primer lugar a calentar de manera rápida la superficie de un acero al medio carbono, arriba de la temperatura A3 observada en el gráfico, después de templar el acero, el centro es todavía una mezcla blanda de ferrita y perlita, en tanto que la superficie es martensita. La profundidad de la capa de martensita es la profundidad de cementado. El revenido produce la dureza deseada en la superficie. También es posible calentar en forma local la superficie

Fig6: Carburizado de un acero bajo carbono para producir una superficie al alto carbono resistente al desgaste. Para la nitruración el nitrógeno da un efecto de endurecimiento similar al del carbón en la cianurizacion, para ello el acero se sumerge en un baño de cianuro liquidó que permite que el carbón y el nitrógeno se difundan en el acero.

En la carbonitruracion, se produce un gas que posee monóxido de carbón y amoniaco, en tanto que el carbón como el nitrógeno se difunden en el acero, por ultimo solo el nitrógeno se difunde en la superficie a partir de un gas en la nitruración. La nitruración se realiza por debajo de la temperatura A1

CONCLUSIONES: Los tratamientos térmicos se clasifican 4 grupos principales: simples, isotérmicos, templado y revenido, y superficiales. En los simples existen 4 tipos de tratamientos, el primero Recocido de proceso cuyo objetivo es la eliminación del trabajo en frio, el segundo y tercero vendrían a ser Recocido y Normalización cuya finalidad común es el endurecimiento por dispersión, el cuarto Esferoidización cuyo objetivo es la mejora en la maquinabilidad. Los Tratamientos térmicos isotérmicos utilizan diagramas TTT los cuales describen solo tratamientos térmicos a una temperatura dada, por lo tanto, no es posible describir en los diagramas TTT, tratamientos térmicos con curvas de enfriamiento, para el revenido en la fase austenitica y recocido isotérmico se trabaja

por debajo de la curva TTT y a una temperatura constante baja hasta convertir toda la austenita en vainita, en cuanto a la interrupción de la transformación isotérmica no es posible usarse, pues las temperaturas no pueden cambiarse instantáneamente a grandes diferencias, por esa razón se ocupan los diagramas de transformación de enfriamiento continuo. El tratamiento térmico por temple y revenido son uno de los procesos más antiguos utilizados hasta hoy que genera buenas características al acero con respecto a su endurecimientos y propiedades finales ayudando al acero además a controlar problemas dentro del mismo por medio del control de temperaturas con respecto a los esfuerzos residuales, agrietamientos o microconstituyentes no deseados.

REFERENCIAS. Askeland, D. R., & Phulé, P. P. (2004). Ciencia e ingeniería de los materiales. Thomson. Callister, W. D. (1995). Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales. Reverte....