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METALÚRGIA FÍSICA II – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICA 1° LABORATORIO DE METALURGICA FISICA II

I - TITULO:

RECOCIDO Y NORMALIZADO DE ACEROS DE HOJA DE MUELLE AISI 9260

II - OBJETIVOS:

2.1.- Obtener microestructura próxima a la del equilibrio, para que el acero tenga una dureza apropiada y útil. 2.2.- Ablandar el acero para poder conformarlo en frío. 2.3.-Con el normalizado obtener estructuras de equilibrio fino, (tamaño de grano ferrifico y perlita laminar fina).

III - FUNDAMENTO TEÓRICO : 

INTRODUCCION El tratamiento térmico consiste en una combinación de operaciones de calentamiento, y enfriamiento, con tiempos determinados, aplicados a un metal o aleación en el estado sólido, en una forma tal que producirá las propiedades deseadas. El objeto de los tratamientos es mejorar las propiedades mecánicas, o adaptarlas, dándole características especiales a las aplicaciones que se le van a dar a las piezas de esta manera se obtiene un aumento de dureza y resistencia mecánica, así como mayor plasticidad o maquinabilidad para facilitar su conformación. Todos los procedimientos de tratamientos térmicos de aceros, incluyen la transformación o descomposición de la austenita, por lo que el primer paso en cualquier proceso de tratamiento del acero, será el calentar el material a alguna temperatura, que como mínimo sea la del intervalo critico que lleva a la formación de la austenita.

Ing. Ismael Purizaga Fernández.

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METALÚRGIA FÍSICA II – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICA Los factores fundamentales que influyen en el tratamiento térmico, son la temperatura y el tiempo ,tanto es así que el proceso del tratamiento se caracteriza por la temperatura de calentamiento máxima tmax, que es la temperatura hasta la cual se calienta el material durante el tratamiento , el tiempo que se mantiene a la temperatura de calentamiento, por las velocidades de calentamiento Vcal, y de enfriamiento Venfr, las cuales se toman en su valor medio ponderado en todo el proceso, y este valor se hace extensivo a todo el intervalo de temperaturas deseado. Según sea esta velocidad de enfriamiento, dará una estructura cristalina diferente, y unas propiedades físicas y químicas diferentes, para cada acabado. El tratamiento puede ser simple, complejo (varios calentamientos y enfriamientos), escalonado, intermitente, etc., pero todos ellos se pueden representar mediante una gráfica de la Temperatura frente al Tiempo. Durante los tratamientos térmicos, los aceros sufren deformaciones importantes, debidas al desigual y rápido enfriamiento de las diferentes partes de las piezas, asimismo experimentan cambios de volumen, debidos a dilataciones térmicas (al calentarse el acero, este se dilata aumentando su volumen, a medida que se eleva su temperatura, según su coeficiente de dilatación térmica, que esta del orden de 14 x 10-6) y a modificaciones en la microestructura del acero (al calentar un acero, la zona critica se contrae, y luego al enfriarse cuando llega aproximadamente sobre los 710º - 680º, se vuelve a dilatar, esto se produce por los cambios de estructura, es decir, a la transformación de perlita en austenita en el calentamiento, y al contrario en el enfriamiento), debido a estos cambios de volumen, hay que tener cuidado con los tratamientos elegidos, ya que cuando el enfriamiento es lento (recocido), estos cambios ocurren a alta temperatura y los cambios no son importantes, ya que el acero caliente es plástico y admite ciertas deformaciones, pero cuando se templa un acero, la transformación ocurre a baja temperatura y aparecen en la estructura cristalina, cristales de martensita en vez de perlita, entonces es más peligroso porque el acero frio no es plástico, y el aumento de volumen suele ser bastante mayor, además algunas veces este cambio de volumen solo lo sufren ciertas partes de las piezas, y otras no, con lo que existe un riesgo de rotura mucho mayor.

Ing. Ismael Purizaga Fernández.

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METALÚRGIA FÍSICA II – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICA Las variaciones de las propiedades del material, que se producen como consecuencia de los tratamientos térmicos, deben de ser permanentes, para poder beneficiarnos constructivamente de estos cambios, ya que si no tendría ningún sentido. Los tratamientos térmicos se pueden clasificar en tres tipos, los cuales tienen ciertas semejanzas, en los tres se calienta el acero a una temperatura ligeramente superior a la crítica, y luego, después de un periodo de permanencia en esta temperatura, suficiente para conseguir el estado austenitico, se enfrían las piezas. La diferencia fundamental entre los tres tratamientos es la velocidad de enfriamiento, que es lo que caracteriza a cada tratamiento, siendo así que las dos primeras partes (calentamiento y permanencia), se pueden estudiar en común para los tres tipos, que son:  Recocido  Temple  Revenido En estos tratamientos hay que alcanzar una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior (excepto el recocido subcritico), para conseguir que todo el acero pase al estado austenitico, este exceso de temperatura es de 50 a 70 grados por encima para el normalizado, 40 a 60 grados para el temple, y de 20 a 40 grados para el recocido. Para conseguir que toda la masa del acero este formada por cristales de austenita. Hace falta que el acero este a la temperatura de tratamiento cierto tiempo, que dependerá de la masa de las piezas, de la temperatura, de la velocidad de calentamiento, de la clase de acero, y del estado inicial y final del material, el tiempo de mantenimiento empieza cuando toda la pieza (incluyendo la parte del interior), ha alcanzado la misma temperatura, ya que al rebasar las temperaturas críticas, todo el carbono forma solución con la austenita, en las cuales unas partes pueden tener más concentración de carbono que otras, y este porcentaje tiende a igualarse en toda la masa, proceso este que se puede ver retardado por las fronteras de grano, por impurezas de fósforo y oxigeno etc. Cuando se alcanza la temperatura de austenizacion en los aceros hipoeutectoides tiene que transcurrir un tiempo para que el carbono se difunda en las zonas que antes fueron Ing. Ismael Purizaga Fernández.

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METALÚRGIA FÍSICA II – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICA ferriticas. El tiempo necesario para tener una estructura de austenita homogénea, también varía con la máxima temperatura alcanzada y con la forma de la microestructura inicial, cuanto más alta sea la temperatura, menos tiempo será necesario para homogeneizar la microestructura. La duración del calentamiento depende también de la clase tratamiento que vayamos a realizar, en los normalizados se usaran permanencias más cortas. En los recocidos las permanencias serán más largas, ya que no solo hay que conseguir la formación del estado austenitico, sino también la difusión y homogeneización de los constituyentes. En este tiempo de mantenimiento del acero a temperatura elevada, los cristales de austenita se desarrollan y aumentan de tamaño, y a mas temperatura y más duración, más se desarrollan y más gruesos se hacen, y como el tamaño de los cristales del acero final dependen del tamaño de los cristales de austenita, tendremos un producto final de cristales gruesos, por eso para afinar un acero de granos gruesos, basta con calentarlo a una temperatura lo más justo por encima de la crítica y luego enfriarlo al aire , siendo esto el recocido. 

RECOCIDO En los trabajos de forja, doblado, enderezado, torneado, etc., en los aceros se desarrolla tensiones internas que deben eliminarse antes de templar la pieza, pues en otro caso darían origen a la formación de grietas. Para eliminar estas tensiones internas se procedo al recocido de las piezas, que consiste en calentarlas y enfriarlas lentamente. El recocido antes del temple se recomienda no solo para herramientas que acaban de ser preparadas, sino también siempre que hayan de templarse las que, hallándose en uso, están siendo sometidas a choque. Cuando se rebasa la temperatura indicada para el recocido se dice que el acero esta recalentado; si se exagera más la temperatura, el acero esta quemado. El primero puede regenerarse calentándolo de nuevo en presencia de carbono; el quemado no puede regenerarse.

Ing. Ismael Purizaga Fernández.

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METALÚRGIA FÍSICA II – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICA Al calentar los aceros para su temple es preciso, si se utiliza la fragua emplear carbón de madera o coque. La temperatura del temple depende de la clase del acero por lo que se debe consultar a la casa suministradora. Para los aceros corrientes suele ser: 

Hasta el rojo cereza oscura (700ºC) para aceros duros.



Hasta cereza (800ºC) para aceros de dureza media.



Hasta cereza claro (900ºC) para aceros dulces.

A - TIPOS DE RECOCIDO Según el fin perseguido, se practican varios tipos de recocido, que son los siguientes: Recocido de homogeneización. Se aplica a los aceros brutos de colada para destruir las heterogeneidades de tipo químico que se han generado durante la solidificación. También se utiliza en forjados y laminados para eliminar las heterogeneidades estructurales que perjudican los valores de tenacidad del acero. La temperatura ha de ser muy elevada, cercana al punto de fusión, y el tiempo de calentamiento muy largo.

Recocido total o de regeneración. Este recocido regenera la estructura de grano grueso en otra de grano fino y se aplica a aceros forjados a elevadas temperaturas, piezas de acero fundido, soldaduras y piezas que han sufrido el recocido de homogenización. La nueva estructura es más tenaz y resiliente, quedando así el acero más blando. La temperatura de calentamiento debe ser ligeramente superior a la de transformación y el enfriamiento, lento.

Recocido globular. Se aplicas a los aceros para herramientas con un elevado porcentaje de carbono, en los cuales hay gran cantidad de carburos muy difíciles de disolver y que dificultan el mecanizado. Su nombre se debe a la estructura que se observa al microscopio, y en los cuales los carburos adoptan la forma esférica o globular. Se efectúa a temperaturas ligeramente inferior a la de transformación. Ing. Ismael Purizaga Fernández.

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Recocido de recristalización o contra acritud. Se da a los aceros trabajados en frio para eliminar la acritud. Se basa en la recristalización del acero a cierta temperatura inferior a la crítica, que permite la recuperación de la ductilidad y la maleabilidad. Consiste en un calentamiento a 500 o 700ºC seguido de un enfriamiento al aire en el horno.

Recocido de ablandamiento. Se aplica aquellos aceros que, después de la forja o laminación, han quedado con durezas tan elevadas que casi no se pueden mecanizar. Se recomienda para ablandar a los aceros aleados de gran resistencia, al Cr-Ni o Cr-Mo. La temperatura adoptada es inferior a la crítica y la duración total es pequeña. Este tratamiento se diferencia del revenido en que este solo se usa para aceros templados.

Recocido de cristalización. Se da a las piezas que han sufrido un trabajo de forjado o laminado, para destruir las tensiones internas que se hayan originado, y que podrían producirse deformaciones en las piezas una vez acabadas. Se realiza a temperaturas no muy altas, aunque en un tiempo muy prolongado, seguida de un enfriamiento muy lento en el propio horno.

Recocido isotérmico. Este tratamiento consiste en calentar el acero a una temperatura superior a la crítica y enfriarlo luego rápidamente hasta una temperatura ligeramente inferior a la de austenisación, manteniéndolo en esta el tiempo necesario para que se verifique toda la transformación de la austenita en perlita; por fin, se deja que siga enfriándose al aire. 

NORMALIZADO

Ing. Ismael Purizaga Fernández.

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METALÚRGIA FÍSICA II – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICA Tratamientos térmicos que se da a los aceros al carbono de construcción. Se utiliza también en piezas fundidas, forjadas, laminadas, mecanizadas, etc.; y en general, siempre que se trate de eliminar las tensiones producidas por cualquier método de conformación. También tiene interés para producir los efectos de un sobrecalentamiento o un tratamiento térmico anterior, ya que afina la estructura.

Consiste en calentar el acero a una temperatura de 30 o 50ºC superior a la crítica (Ac3) y, una vez transformado completamente, dejarlo enfriar al aire en calma. Con esto se consigue un acero más duro y resistente que el que se obtiene con un enfriamiento más lento, en un horno después de un recocido La velocidad de enfriamiento es más lenta que en el temple y más rápida que el recocido, es un tratamiento típico de los aceros al carbono de construcción de 0.15 a 0.40 % de carbono, y las temperaturas normales del normalizado varía según el porcentaje en carbono, que va desde 840º a 935º, según la composición sea desde 0.50 a 0.10 % de carbono. Debido al incremento de velocidad de enfriamiento, hay menos tiempo para la formación de ferrita proeutectoide en los aceros hipoeutectoides y menos cementita proeutectoide en los aceros hipereutectoides en comparación de los recocidos. En los aceros hipereutectoides el normalizado reduce la continuidad de la red de cementita y en algunos casos la elimina, con lo que a más velocidad de enfriamiento más fina será la perlita resultante. Su resultado depende del espesor de la pieza, pues la velocidad de enfriamiento es distinta, siendo mayores en las piezas delgadas que en las gruesas. 

DIAGRAMAS TTT: Los diagramas Temperatura - Tiempo - Transformación gráficamente describen las velocidades, tiempos y temperaturas a las cuales se producen las transformaciones de las

aleaciones

a

estructuras

fuera

del

equilibrio:

Diagrama de Transformación Isotérmica (TI): Ing. Ismael Purizaga Fernández.

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METALÚRGIA FÍSICA II – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICA Diagrama de transformación tiempo - temperatura que indica el tiempo necesario para que una fase se descomponga en otras fases isotérmicamente a diferentes temperaturas. Permite predecir estructura, propiedades mecánicas y el tratamiento

térmico

en

los

aceros.

Diagrama de Transformación de Enfriamiento Continuo (TEC): Diagrama de transformación tiempo - temperatura que indica el tiempo para que una fase se descomponga continuamente en otras fases a diferentes velocidades de enfriamiento. EL ACERO 9260 Empleado para la fabricación de resortes en vehículos, tanto en coches como en camiones, también se emplea en la fabricación de material agrícola. Pese a la creencia extendida, de que el acero 5160, es el acero que más usa en ballestas, es el 9260 o 9262. Más económico y de características similares. El acero 5160, está más reservado para grandes resortes, barras de torsión, y en general en piezas de mayores dimensiones, ya que tiene mucha más calidad. De fácil mecanizado, forjado y templado, es uno de los aceros más empleados y conocidos por todos. Su popularidad se debe a que es un acero fácil de encontrar. La resistencia al desgaste es buena, el único inconveniente es que descarburiza bastante.  Aplicaciones: 

Resortes.



Muelles.



Ballestas.



Herramientas resistentes a los golpes



Puntas de martillo neumáticos.

Ing. Ismael Purizaga Fernández.

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 Composición química: Elemento

Porcentaje %

Carbono - C

0.62

Manganeso - Mn

0.82

Silicio - Si

2.01

Cromo - Cr

0.07

Cuadro 1. Compasión química del acero AISI 9260

Ing. Ismael Purizaga Fernández.

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METALÚRGIA FÍSICA II – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICA Cuadro 1. Composición química del acero AISI 106

Fig 1. Diagrama de transformación de enfriamiento continuo de un acero AISI 9260

Ing. Ismael Purizaga Fernández.

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IV.- EQUIPO A USAR a) Horno eléctrico tipo mufla con control automático de temperatura.

Fig 2. Horno tipo mufla b) Elementos de corte, desbaste, pulido y ataque químico. c) Microscopio metalográfico. d) Fotomicrofografia. e) Termocupla tipo K. f) Un acero aleado AISI 9260.

Fig. 3 Acero aleado 9260

Ing. Ismael Purizaga Fernández.

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METALÚRGIA FÍSICA II – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICA V.- PROCEDIMIENTO

A.- RECOCIDO DE LAS PROBETAS: En esta práctica se realizó el tratamiento térmico de recocido del acero AISI 1060. -

Se midió la dureza del suministro.

-

Se colocó la muestra en el horno a la temperatura de austenización (900°C), dejándolas por espacio de una hora para que toda la probeta se transforme en austenita, luego se apaga el horno y se deja que la probeta se enfríe conjuntamente con el horno para posteriormente examinar la microestructura y la dureza obtenida.

B.- NORMALIZADO DE LAS PROBETAS Las condiciones para el normalizado fueron las mismas que para el recocido. -

Para realizar este tratamiento las muestras se sacan del horno y se dejan enfriar y luego se determina el tiempo de enfriamiento hasta temperatura ambiente y posteriormente se examina la microestructura y la dureza obtenida.

VI.- RESULTADOS - Cálculo de la velocidad de enfriamiento en el recocido: Ti: temperatura inicial = 900°C Tf: temperatura final = 25°C t: tiempo de enfriamiento = 24 horas T = Ti - Tf T = 900 – 25 = 875 °C V=T/t V = 875°C / 79200 V = 0.01105°C / seg. Ing. Ismael Purizaga Fernández.

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METALÚRGIA FÍSICA II – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICA - Cálculo de la velocidad de enfriamiento en el normalizado: Ti: temperatura inicial = 900°C Tf: temperatura final = 25°C t: tiempo de enfriamiento = 50 minutos T = Ti - Tf T = 900 – 25 = 875 °C V=T/t V = 875 / 3000 V = 0.29 °C / seg. -cálculo de la temperatura de austenisación de los aceros:

Fig. 4 Intervalo de recocido, normalizado y endurecimiento para aceros al carbono AISI 9260 En °C seria: 815°C-870°C En °F serian: 1525°F -1624°F -cálculo de la temperatura Ms (Según Steven): AISI 9260 (%C=0.62; %Mn=0.82; %Si=2.01; %Cr=0.07)

Ing. Ismael Purizaga Fernández.

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METALÚRGIA FÍSICA II – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICA 𝑀𝑆 (°𝐶) = 561 − 474%𝐶 − 33%𝑀𝑛 − 17%𝑁𝑖 − 21%𝑀𝑜 − 11%𝑁 − 11%𝑆𝑖 𝑀𝑆 (°𝐶) = 561 − 474 ∗ 0.62%𝐶 − 33 ∗ 0.82%𝑀𝑛 − 11 ∗ 2.01%𝑆𝑖 𝑀𝑆 (°𝐶) = 217.95 °𝐶 VII.- CUESTIONARIO 1.

Calcúlese las cantidades relativas de los constituyentes estructurales presentes en los aceros enfriados en el horno por el acero SAE 9260.

Acero SAE 9260: (%C=0.62; %Mn=0.82; %Si=2.01; %Cr=0.07)

Fig. 5 Diagramas de contenido de C vs porcentaje de aleación en peso

Composición

%Carbón

% Carbón

Química

Eutectoide (BAIN)

Eutectoide

0.82% Mn

0.72

0.8

Ing. Ismael Purizaga Fernández.

∆𝑪

0.72-0.8 = -0.08 Página 14

METALÚRGIA FÍSICA II – ESCUELA ACADEMICO PROFESIONAL DE INGENERIA METALÚRGICA 0,07% Cr.

0.74

0.8

Suma

0.72-0.8 = -0.06 -0.14

%Ceutectoide= 0.8-0.1 = 0.66

Fig. 6 Diagrama de Temperatura vs Porcentaje del elemento de aleación

Composición

Temperatura

Temperatura

Química

eutectoide (BAIN)

eutectoide

0.82% Mn

721

723

721-723 = -2

0,07% Cr

724

723

724-723 = 1

Suma Ing. Ismael Purizaga Fernández.

∆𝑻

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Toeutectoide nueva = -1 + 723 = 722 %Ceutectoide nueva = -0.14 + 0.8 = 0.66

P 0.52

Fe3C 0.66

6.67 %𝑃 =

6.67 − 0.66 ∗ 100 = 97.72% 0.67 − 0.52 0.66−0.52

%𝐹𝑒3 𝐶 = 0.67−0.52 ∗ 100 = 2.28%78

2. ¿Es posible determinar el contenido aproximado de carbono de un acero normalizado mediante un estudio microscópico? Explíquese. No; porque la fotomicrografía no nos muestra una fase de equilibrio, lo cual si se vería en un recocido. Esta situación se puede ver en el siguiente ejemplo: Imaginemos que recocemos un acero con 0.4%C esto me dará que él %𝛼=51% y el %P=49% entonces mi porcentaje de carbono seria: %𝐶 = 0.51 ∗ 0.02 + 0.49 ∗ 0.8 = 0.40 Luego al normalizarlo ya no tendrá una estructura de equilibrio entonces ya no podría usar el diagrama Fe-FE3C; además al aumentar la VEM la ferrita disminuiría y la perlita aumentaría la cual sería