TT- Informe temple aceros hipoeutectoides e hipereutectoides. PDF

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Se presenta un informe hecho en clases virtuales sobre el AISI 1045 y AISI 1095....

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Laboratorio de Tratamiento Térmico Fecha de realización: Diciembre del 2020 Fecha de presentación: Enero del 202

Tratamiento de temple en aceros hipoeutectoides e hipereutectoides

Ivon Cajar, Alejandro Conde, Freddy Salinas 1 Estudiante, Facultad de Ingeniería; Programa de Ingeniería Mecánica, Tratamiento Térmico.

Resumen— Los tratamientos termoquímicos son tratamientos térmicos en los que, además de los cambios en la estructura del acero, también se producen cambios en la composición química de la capa superficial, añadiendo diferentes productos químicos hasta una profundidad determinada. Estos tratamientos requieren el uso de calentamiento y enfriamiento controlados en atmósferas especiales. En esta práctica, se abordará los tratamientos térmicos en aceros, según criterio de lo teórico indicado en clases. Palabras clave: acero, tratamiento térmico, carbón, diagrama, temple, revenido. Abstract— Thermochemical treatments are thermal treatments in which, in addition to changes in the structure of the steel, there are also changes in the chemical composition of the surface layer, adding different chemicals to a certain depth. These treatments require the use of controlled heating and cooling in special atmospheres. In this practice, heat treatments in steels will be addressed, according to the theoretics in class. Keywords: Steel, heat treatment, coal, diagram, quenching, tempered. I.

INTRODUCCIÓN

El acero, como material indispensable de refuerzo en las construcciones, es una aleación de hierro y carbono. Una de sus características es admitir el temple, con lo que aumenta su dureza y su flexibilidad. El hierro en estado puro no posee la resistencia y dureza necesarias para las aplicaciones de uso común. Sin embargo, cuando se combina con pequeñas cantidades de carbono se obtiene un metal denominado acero, cuyas propiedades

varían en función de su contenido en carbono y de otros elementos en aleación, tales como el manganeso, el cromo, el silicio o el aluminio, entre otros. Se denomina acero hipereutectoide, a aquellos aceros que en su composición y de acuerdo con el diagrama hierro-carbono tienen un porcentaje de carbono entre el 0,77% y el 2%. Su constituyente principal es la cementita. Se denomina acero hipoeutectoide a los aceros que según el diagrama hierro-carbono tienen un

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Tratamiento de temple de un acero hipoeutectoides e hipereutectoides.

contenido en carbono inferior al correspondiente a la composición eutectoide (0,77% de C). El acero hipoeutectoide está formado por una mezcla de ferrita más perlita. II.

MARCO TEORICO

El tratamiento térmico de un temple se denomina de la siguiente característica: Enfriamiento rápido del lacero desde una temperatura elevada, esto se logra sumergiendo la pieza en agua, aceite, solución polimérica, sal fundida, salmuera o aire comprimido. Los factores que se consideran el temple son: tipo de temple, calentamiento, temperatura de austenización, tiempo de sostenimiento y modos de enfriamiento. Tipos de temple Las características microestructurales que se quiere obtener. Por lo cual se logra con temples como: Temple Ordinario o Directo: No se aplica a piezas de formas complicadas y a materiales sensibles a la distorsión y al agrietamiento. Temple Escalonado: Se usa cuando la velocidad de enfriamiento de la pieza que se va a templar debe cambiarse abruptamente en un momento dado durante el enfriamiento. Se usa para minimizar la distorsión y las gritas y el cambio dimensional.

Temple Austempering: Es un tratamiento isotérmico se enfría la pieza en un baño que se mantiene a una temperatura constante entre 260°C y 400°C por debajo de la nariz perlítica y por encima de la zona de transformación martensítica por un tiempo prolongado con el fin de que se forme bainita. Aumenta la ductilidad, reduce la distorsión. Temple Patenting: Tratamiento usado en la industria del alambre se aplica principalmente al acero no aleado o de baja aleación con un %C 0,6 a 1,1. El tratamiento se hace templando continuamente en un baño que se mantiene entre 500°C a 540°C en el cual permanece por periodos de 10 a 90 segundos. Con el fin de que se forme perlita fina. Da una combinación de alta ductilidad y resistencia moderadamente alta. Calentamiento La primera fase del tratamiento térmico. La naturaleza oxidante de la atmosfera del horno y el espesor de la pieza, son determinantes en la velocidad de calentamiento. El tiempo de calentamiento se puede calcular a partir de las expresiones de transferencia de calor con ecuaciones de este tipo y basándose en ensayos, se ha encontrado que, para los aceros al carbono, el tiempo de calentamiento es proporcional al diámetro y se puede determinar con la siguiente ecuación [8]. 𝑡(𝐷) =

2 2 𝐷 + (1) 3 75

Temple Martempering: El objetivo es disminuir las grietas, distorsión o los esfuerzos residuales.

[𝑡] = ℎ; [𝐷] = 𝑚𝑚

Se enfría la pieza en un medio fluido caliente a una temperatura por encima de Ms. Se deja la pieza hasta que la temperatura de la pieza sea homogénea sin que se produzca transformación. Posteriormente se enfría al aire quieto a una velocidad moderada de modo que se forme martensita uniformemente generando menos tensiones.

Tiempo de sostenimiento El tiempo depende del grado de disolución de los carburos por lo tanto depende del tipo de acero. Para aceros estructurales de baja aleación se utiliza:

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Tratamiento de temple de un acero hipoeutectoides e hipereutectoides.

𝑡(𝐷) = 15 +

𝐷 2

(2)

[𝑡] = 𝑚𝑖𝑛; [𝐷] = 𝑚𝑚 La ecuación 2 se utiliza para piezas con espesores menores de 25 mm; si la sección es mayor, el tiempo mínimo es media hora, además se puede utilizar la ecuación 3. 1 𝐷 𝑡(𝐷) = + (3) 2 120 [𝑡] = ℎ; [𝐷] = 𝑚𝑚 Para los aceros estructurales de media aleación, se recomienda un tiempo de 25 minuto, sin importar la dimensión [8]. Medio de enfriamiento Forma etapa de capa continua de vapor que rodea toda la probeta. Ocurre porque el suministro de calor desde la superficie de la pieza excede la cantidad necesaria para formar el máximo de vapor unidad de área de la pieza. El enfriamiento es lento porque la envoltura de vapor actúa como aislante y el enfriamiento ocurre principalmente por radiación a través de la película. El punto de ebullición del líquido determina la duración de esta etapa. Cuando un nuevo líquido entra en contacto con la pieza se presenta ebullición y el calor se remueve como calor de vaporización. La velocidad de enfriamiento de esta etapa es mas lenta que en la anterior. Termina cuando la temperatura es igual o menor a la de ebullición y el enfriamiento ocurre por conducción y convección en el líquido. Los factores que afectan esta etapa son: Diferencia entre el punto de ebullición, la temperatura del baño y la viscosidad del fluido. Durante esta etapa se da la formación de martensita, el enfriamiento debe ser lento para minimizar las grietas.

Las propiedades que mas influyen sobre el poder templante son: • • • •

Temperatura de ebullición. Conductividad térmica. Viscosidad. Calor de evaporación.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN Se realizo un tratamiento de temple para un acero hipoeutectoide AISI 1045 y un acero hipereutectoide AISI 1095 por lo tanto, se desarrolló su composición, temperatura, geometría, tiempo y medio de enfriamiento. Dicho lo anterior en la tabla 1, se observa lo siguiente: III.

Hipoeutectoide

Hipereutectoide

Tipo de acero

AISI 1045

AISI 1095

Composición Química

C,Mn,P, S, Si,Al,Nb,Cu,N i,Cr,V,Mo,Ti

C,Mn,P,S

Temperatura de Temple

792°C o superior a AC3

870°C

Geometría de la pieza

Cubo

Cubo

Tiempo de mantenimient o

8,337x10^(-3) h

8,337x10^(-3) h

Medio de Enfriamiento

Agua

Agua

Tabla 1, Datos del tratamiento térmico del Acero AISI 1045 & AISI 1095 En la tabla 2. Se observa su composición química y porcentaje de cada elemento químico para el acero AISI/SAE 1095

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Tratamiento de temple de un acero hipoeutectoides e hipereutectoides. Elemento químico

Porcentaje

C

0.90-1.03

Mn

0.30-0.50

P

0.040

S

0.050

Tabla 2. AISI 1095 (Hipereutectoide)

Teniendo en cuenta que se realizo en la tabla 3, para el acero AISI 1045 la clasificación de los elementos químicos y con su respectivo porcentaje esto se ve reflejado de la siguiente manera:

Calculamos para ambos aceros las dimensiones y su respectivo proceso de tratamiento térmicos. Primero, realizamos la geometría para los aceros AISI 1045-1095 su forma es un cubo, tiene dimensiones de (50x50x50) mm y un diámetro de 125000mm. Segundo, El proceso de calentamiento es la primera fase de tratamiento térmico en el cual se expresa: 2 2 𝐷+ 𝑡(𝐷) = 75 3 Con base a la ecuación 1 calculamos el tiempo de calentamiento se expresa lo siguiente: 𝑡(125000) =

2 2 (125000) + 75 3

Elemento químico

Porcentaje

𝑡 = 0,026672ℎ

C

0.429

El resultado obtenido es el mismo para ambos aceros tanto el 1045 & 1095.

Mn

0.771

P

0.002

S

0.016

Si

0.192

Al

0.002

Tercero, el tiempo depende del grado de disolución de los carburos, por lo tanto, depende del tipo de acero. Para el acero 1045 & 1095 el diámetro de espesor es mayor que 25 mm por lo cual determinamos lo siguiente:

𝑡(𝐷) =

Nb

0.002

Cu

0.174

[𝑡] = ℎ; [𝐷] = 𝑚𝑚

Ni

0.072

𝐷 = 125000 𝑚𝑚

Cr

0.052

V

0.001

Mo

0.019

Ti

0.001

Tabla 3. AISI 1045 (Hipoeutectoide)

1 𝐷 + 120 2

𝑡(125000) =

1 125000 + 2 120

𝑡 = 8,337𝑥 10−3 ℎ Finalizando, el tiempo de enfriamiento se tiene en cuenta la temperatura critica a la cual el acero se debe resistir. Por lo cual, definimos como:

Tratamiento de temple de un acero hipoeutectoides e hipereutectoides.

Para el acero AISI 1045 𝑡=

792°𝐶 361°𝑐/𝑠

𝑡 = 2,79 𝑠 Para el acero AISI 1095 𝑡=

870°𝐶 361 °𝐶/𝑠

𝑡 = 2,41𝑠 Preguntas generales 1. ¿Qué otros medios de enfriamiento existen? Explique las características de cada uno de ellos. Los medios de enfriamiento se pueden clasificar en: Formación de burbujas de vapor Etapa de capa de vapor: Se forma una capa continua de vapor que rodea toda la probeta. Ocurre porque el suministro de calor desde la superficie de la pieza excede la cantidad necesaria para formar el máximo de vapor por unidad de área de la pieza. El enfriamiento es lento porque la envoltura de vapor actúa como aislante y el enfriamiento ocurre principalmente por radiación a través de la película. En el temple este enfriamiento es indeseable porque puede permitir la formación de constituyentes blandos. Etapa de ebullición: Produce la velocidad más alta de transferencia de calor; empieza cuando la temperatura ha bajado y la capa de vapor se rompe. Cuando el nuevo líquido entra en contacto con la pieza se presenta ebullición y el calor se remueve como calor de vaporización. El punto de ebullición del líquido determina la duración de esta etapa. Etapa de enfriamiento de líquido: La velocidad de enfriamiento de esta etapa es más lenta que en la anterior. Termina cuando la temperatura es igual o menor a la de ebullición y el enfriamiento ocurre por conducción y convección en el líquido. Los factores que afectan esta etapa son:

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Diferencia entre el punto de ebullición, la temperatura del baño y la viscosidad del fluido. Por lo cual las características de los medios de enfriamiento: -Agua: Medio de temple más antiguo, Sin embargo, el agua pura no es muy adecuada como medio de enfriamiento porque su máxima eficiencia ocurre a 300°C, es decir cuando empieza la formación de martensita en muchos aceros. El agua solo se usa para templar partes simples y simétricas de acero poco templable, ordinarios al carbono o poco aleados en donde el enfriamiento drástico que proporciona el agua no produzca distorsión excesiva o agrietamiento de la pieza -Salmuera: Soluciones acuosas con porcentajes variados de NaCl o CaCl2. Cuando se le agrega el agua 10% de NaCl o CaCl2, su capacidad enfriadora aumenta y al mismo tiempo su mayor poder de extracción de calor se da a 500°C. Esto hace que se requiera un control de temperatura menos crítico y que la aparición de parches blandos o distorsión sea menos severa que con agua. Su principal desventaja es el mayor costo, además, su corrosividad. -Aceites: Son parafínicos, con adiciones de antioxidantes. El enfriamiento en aceite es mucho más lento que en agua. La mayor velocidad se da a los 600°C y es relativamente lenta en el rango de formación de la martensita; por ello el peligro de distorsión y grietas disminuye fuertemente. -Gases: En el proceso se usan cámaras en la cual se hacen circular los gases para dar velocidades de enfriamiento comprendidas entre el aceite y el aire. 2. ¿Qué estructuras se obtienen a partir de un tratamiento de temple? (Especifíquelas según el tipo de acero que utilizó). 1095: Dependiendo de la velocidad de enfriamiento, se forman las siguientes estructuras: -Austenita. -Austenita+ferrita y carburo. -Ferrita y carburo. 1045: Dependiendo de la velocidad de enfriamiento:

Tratamiento de temple de un acero hipoeutectoides e hipereutectoides.

-Perlita. -Bainita. -Martensita. 3. ¿Qué factores se tienen en cuenta para la permanencia de la pieza a temperatura de temple? La composición química del acero a templar, especialmente la concentración de carbono. También es muy importante la presencia de aleantes ya que amplían la franja temporal de enfriamiento en la que se puede obtener martensita. • La temperatura de calentamiento y el tiempo de calentamiento de acuerdo con las características de la pieza. • La velocidad de enfriamiento y los líquidos donde se enfría la pieza para evitar tensiones internas y agrietamiento. CONCLUSIONES Se concluye durante este informe de tratamiento térmico temple, todo aquello que tiene información acerca del proceso en aceros hipereutectoides e hipoeutectoides, propiedades de los aceros, información sobre su composición química. Gracias a este informe, se pudo ampliar más el conocimiento acerca de conceptos que debemos tener en cuenta en un proceso térmico, tiempo de calentamiento, sostenimiento y enfriamiento y tener el conocimiento de su tratado en el proceso de temple y revenido. IV.

V.

REFERENCIAS

[1] ASTM Norma, “E2014 Standard Guide on Metallographic Laboratory Safety,” ASTM Copyright., pp. 1 – 8, 2014. [2] ASTM International, “E7-03-Standard Terminology Relating to Metallography,” Current, vol. 93, no. Reapproved, pp. 1 – 4, 2001. [3] MotorGiga-Diccionario (2018, Marzo 15) [Online].Available:https://diccionario.motorgiga.c om/diccionario/tratamientos-termicos-definicionsignificado/gmx-niv15-con195793.htm

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[4] Imagen 2-3: Metalpinto (2017, Abril 13) [Online].Available:https://metalpinto.com/Trabajo -en-caliente/ACERO-PARA-CUCHILLOS/AISI1095. [5] Imagen 1: Carlos Saiz (2012, Diciembre 14)[Online].Available:http://carlossaiz.blogspot.c om/2012/12/diagrama-hierro-carbono.html [6] Imagen 4: Hector Fernando Rojas Molano (2016, Diciembre) [Online]. Available: https://www.researchgate.net/figure/Figura-3Diagramas-de-esfuerzo-deformacion-para-elacero-AISI-SAE-1045_fig3_320820177 [7] Álvaro Segura Perdono, Brandon Estiven Ladino Cuervo “Influencia del Tratamiento Térmico de temple y revenido en la velocidad de propagación del sonido en un acero SAE 1045” (2015)[Online].Available:http://repository.udistrit al.edu.co/bitstream/11349/3322/1/propagacion%2 0del%20sonido%20en%20acero%20sae%201045. pdf [8] H. patiño, B. Rosero, “Tratamiento térmico de temple, influencia del medio de enfriamiento” (2016) [Online]. Available: https://www.researchgate.net/profile/Hernan_Pati no_Duque/publication/320295979_Tratamiento_t ermico_de_temple_influencia_del_medio_de_enfr iamiento/links/59dc2421aca2728e20183ccf/Trata miento-termico-de-temple-influencia-del-mediode-enfriamiento.pdf...