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TRATAMIENTOS TERMICOS

MATERIA:

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TRATAMIENTOS TÉRMICOS

TIPO DE ASIGNATURA: FORMACIÓN PROFESIONAL OPTATIVA NRO. CRÉDITOS: 3

Objetivos Generales de la Asignatura: Conceptuales. Se pretende que el alumno tras cursar esta asignatura sea capaz de: 

EMPLEAR los conocimientos sobre aleaciones metálicas y los diagramas de estado para preparar y realizar los tratamientos térmicos en productos metálicos.



DETERMINAR el tipo de tratamiento térmico, en función de las propiedades de funcionamiento requeridas en los productos tratados.



ELABORAR el régimen de tratamiento (temperatura de calentamiento, tiempo de permanencia y velocidad de enfriamiento) requerido en las distintas operaciones del proceso de tratamiento térmico seleccionado.



DETERMINAR las propiedades del producto tratado térmicamente.



PLANIFICAR la puesta en marcha, funcionamiento y parada de los equipos e instalaciones que permita realizar procesos en condiciones de calidad según las normas de seguridad y medioambientales y de las especificaciones técnicas requeridas.

Procedimentales. Se pretende que el alumno, tras cursar esta asignatura sea capaz de: 

ANALIZAR los diagramas de estado de diversa aleaciones metálicas obteniendo el régimen de tratamiento térmico requerido por el material.



DISEÑAR las hojas de instrucciones de los tratamientos térmicos que hay que realizar, partiendo del plano de la pieza.



PREPARAR las piezas metálicas para proceder al tratamiento térmico, aplicando las normas y especificaciones técnicas y en condiciones de calidad, seguridad y tiempo adecuadas.



ORGANIZAR los equipos e instalaciones para proceder al tratamiento térmico, aplicando el proceso establecido, en condiciones de seguridad y tiempo adecuadas.



COMPROBAR la propiedades obtenidas después de realizado el tratamiento térmico o termoquímico, demostrando que cumple con lo requerido.

Actitudinales: Se espera que la asignatura ayude al alumno a:  DESARROLLAR rigor científico y metodología experimental en el planteamiento y resolución de problemas relacionados con la tecnología de tratamientos térmicos.  DESARROLLAR una disposición positiva para generar buenas relaciones humanas.  DESARROLLAR una gran adaptabilidad a situaciones nuevas. ___________________________________________________________________________________________________ DEPARTAMENTO DE MATERIALES ING. RODRIGO RUIZ O.

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  

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DESARROLLAR una mecánica de trabajo precisa, eficaz y segura en laboratorios. ADIESTRAR para identificar problemas y proponer soluciones. ESTIMULAR su disposición para trabajar permanentemente en equipo.

CONTENIDO: UNIDAD

1: INTRODUCCIÓN



Generalidades



Nociones fundamentales sobre las aleaciones



Diagramas de estado, diagrama de estado hierro-carbono



Aleaciones hierro-carbono: aceros al carbono, fundiciones de hierro



Aceros aleados



Transformaciones del acero durante el Calentamiento. Diagramas de transformación isotérmica y cinética.



Descomposición de la austenita durante el enfriamiento. Diagramas TTT.



El diagrama de estado y el tratamiento térmico.

UNIDAD

2: TRATAMIENTOS TERMICOS



Teoría del tratamiento térmico.



Conceptos generales.



Régimen del tratamiento térmico



Clasificación de los tratamientos térmicos



Recocido, normalizado, Temple, Revenido



Endurecimiento superficial de piezas de acero.



Proceso tecnológico del tratamiento térmico de los aceros al carbono



Proceso tecnológico del tratamiento térmico de los acero aleados



Proceso tecnológico del tratamiento térmico de las fundiciones de hierro.

UNIDAD 3: TRATAMIENTOS TERMOQUIMICOS 

Teoría del tratamiento termoquímico



Cementación,



Nitruración,



Cianuración y Nitrocementación



Metalización por difusión

UNIDAD 4: TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LAS ALEACIONES DE METALES NO

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TRATAMIENTOS TERMICOS

FERROSOS. 

Aleaciones a base de cobre



Proceso tecnológico del tratamiento térmico de las aleaciones a base de cobre.



Aleaciones a base de aluminio



Proceso tecnológico del tratamiento térmico de las aleaciones a base de aluminio.

UNIDAD

5: EQUIPOS DE LOS TALLERES Y NORMAS DE SEGURIDAD



Clasificación de los equipos de los talleres térmicos



Equipo principal



Equipo complementario



Equipo auxiliar



Seguridad en el trabajo en los talleres térmicos



Medidas contra incendios en los talleres y fábricas



Medidas de protección ambiental al utilizar la tecnología de los tratamientos térmicos.

BIBLIOGRAFÍA TÍTULO

AUTOR

Tratamientos Térmicos

Luchessi

Tecnología de los oficios Metalúrgicos

Leyensetter

Principios de los Tratamientos Térmicos

Grossman/Bain

Metalografía y Tratamientos Térmicos

Yu. M Lajtin

Tratamientos Termoquímicos

Yu. M Lajtin

Tecnología de los Tratamientos Térmicos

Yu. M Lajtin

Metalografía Vo. 1 y 2

A. P. Guliaev

Tratamiento Térmico

V. Zúev

Tecnología de los Metales

A. Malishev

Metalurgia, Metalografía y Materiales de Construcción B. A. Kuzmin Ciencia de Materiales para Ingeniería Materiales Industriales

Carl. A. Keyser José Lasheras

Naturaleza y Propiedades de los Materiales para Ingeniería Zbigniev Jostrzobski Tecnología de los Metales

Hans Appold, Kurt Feiler, (GTZ)

Materiales y Procesos de Manufactura para Ingenieros Lawrence E. Doyle

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UNIDAD 1: INTRODUCCION 

Generalidades

En la historia de la humanidad juega un papel de suma importancia el desarrollo de armas, herramientas, instrumentos, aperos agrícolas, maquinarias, etc. que a lo largo de milenios de existencia del hombre han marcado su nivel de desarrollo, de tal modo que importantes cambios sociales, han sido condicionados por el impulso dado a las relaciones de producción, por medio de la introducción de nuevos materiales de construcción y maquinaria novedosa. La utilización del hierro y el bronce en cada momento histórico provocaron el desarrollo de nuevos procedimientos metalúrgicos que, aunque artesanales y transmitidos de generación en generación sentaron las bases de la metalurgia física tal y como la conocemos en nuestros días. Sorprende en la actualidad la altísima calidad que lograron los herreros y forjadores africanos de la zona cercana al lago Victoria, que desde el siglo VII a.C. obtuvieron aceros de alta resistencia fundiendo hierro en altos hornos construidos de una cerámica que desarrollaron en esa región, y que permitían alcanzar temperaturas de hasta 1400ºC. Los aceros obtenidos en las acerías de Damasco para la fabricación de sables y cimitarras así como los aceros que se manufacturaron en el Japón feudal alcanzaron propiedades de dureza y flexibilidad que raramente se encuentran en los aceros industriales en la actualidad. Al pasar la humanidad a la producción mecanizada a la par con la experiencia empírica y el conjunto de procedimientos asimilados para utilizar los instrumentos de trabajo, adquieren importancia creciente la instrucción, la cultura y los conocimientos científicos, imprescindibles para trabajar con las máquinas e irlas modificando en la medida que las necesidades de la producción lo requerían. Es decir el hombre no sólo utilizó los medios de trabajo existentes sino que desarrolló otros nuevos. La experiencia, los conocimientos científicos y los hábitos de los hombres son indispensables para perfeccionar la técnica, la tecnología de la producción, la labor de los inventores y la racionalización. De hecho la necesidad de fabricar máquinas que cumplieran los requerimientos acordes a los nuevos tiempos creó una demanda de materiales novedosos como nunca antes en la historia humana. Esta demanda indujo investigaciones que permitieron desarrollar aceros y fundiciones mucho más resistentes. Las tecnologías de fundición, forja y tratamiento térmico de los metales se enriqueció en la misma medida que la humanidad fue aumentando sus niveles de producción. El surgimiento de la industria mecánica se remonta al siglo XVIII cuando en Inglaterra tuvo lugar la primera revolución industrial.Se habla de la aparición del telar de lanzadera, de la máquina de hilar, las máquinas de vapor de Newcomen y James Watt, la locomotora y el ferrocarril de Georges Stephenson, el barco de vapor en los EE.UU. por Robert Fulton y otros que harían la lista muy larga. Aparecen además las máquinas herramientas; ya era posible la existencia de máquinas que facilitaran la fabricación de otras máquinas. Surgen las tecnologías de unión por remaches que permitieron empezar a unir piezas y elementos de estructuras metálicas. En 1860 en Inglaterra se construyò el HMS Warrior, el primer buque con casco de hierro del mundo. Ninguno de estos éxitos hubiera sido posible sin la existencia de una industria metalúrgica poderosa y de un desarrollo científico técnico que ya mostraba en aquel período un crecimiento acelerado. No obstante ya el acero común al carbono (que no incluye elementos de aleación) conocido desde la antigüedad, comenzaba a mostrar algunas limitaciones ante las nuevas exigencias que el desarrollo imponía. Ante esta disyuntiva un nuevo paso de avance lo

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constituyó el desarrollo de aceros aleados que permitieron construir nuevos equipos, automóviles, aviones, armamentos, buques, máquinas herramientas, etc. La existencia ya a mediados del siglo XIX de una gran cantidad de variedades de aceros para diferentes utilizaciones, hizo necesario darse a la tarea de clasificar los aceros de acuerdo a su composición química, propiedades físicas y mecánicas, teniendo en cuenta fundamentalmente su designación de servicio. El industrial alemán Werner Krupp, fundador del imperio industrial del mismo nombre estableció la primera norma para sus empresas productoras de acero en 1859. Casi simultáneamente se establecieron clasificaciones y normas en los principales países productores de acero como Inglaterra, Estados Unidos, Rusia y Francia. Este trabajo tiene como objetivo; brindar a los estudiantes de ingeniería mecánica y a los ingenieros tecnólogos, una herramienta que les permita seleccionar un acero, teniendo en cuenta sus características generales de composición química y su designación de servicio, cuando se encuentren realizando Proyectos de Ingeniería Mecánica. Aunque en el trabajo se acude al empleo de ejemplos de aceros clasificados de acuerdo a las normas AISI y ASTM, es importante puntualizar que lo fundamental a la hora seleccionar un acero es tener en cuenta su composición química, la cual define cual o cuales serían los procesos tecnológicos de fortalecimiento a emplear en cada caso. Tampoco es objetivo de este curso brindar una extensa información acerca de caso particulares de selección de aceros. Para ello los estudiantes deberán auxiliarse de las diferentes normas disponibles en nuestro país y reflejadas en la literatura técnica, tanto impresa como electrónica. Estructura cristalina de los metales. De acuerdo a su naturaleza los cuerpos pueden ser amorfos a cristalinos. En los cuerpos amorfos el paso del estado de agregación líquido al sólido es gradual. Por ejemplo el vidrio sólido, si se calienta va ablandándose y pasa poco a poco al estado líquido. La transición inversa será completamente suave, el vidrio líquido en la medida que baja la temperatura se va haciendo cada vez más espeso hasta que finalmente se “solidifica”. En el vidrio no existe una temperatura de transición del estado líquido al “sólido”, tampoco existen las temperaturas (puntos) de cambio brusco de propiedades.

Figura 1: Curvas de enfriamiento correspondientes a un sólido cristalino metálico y un sólido amorfo.

El vidrio sólido transparente ordinario es un líquido espeso subenfriado. Este estado es amorfo, y se caracteriza por la carencia de una temperatura de fusión determinada, y por la inexistencia de una disposición regular de los átomos en forma de red cristalina.

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Ahora bien los metales no son cuerpos amorfos sino cristalinos o sea sus átomos están dispuestos en un espacio de acuerdo a un orden geométrico determinado que se repite con determinada regularidad formando una red cristalina. Esta red podemos figurárnosla en forma de una red espacial en cuyos nodos se encuentran los átomos unidos por líneas imaginarias, en otras palabras, es el conjunto de planos cristalográficos situados paralelamente y a una misma distancia. Retículo cristalino de los metales. Celdilla elemental: Son el conjunto menor de átomos que conservan las mismas propiedades geométricas de la red y que al repetirse muchas veces en el espacio constituirán la red cristalina. Existen 14 tipos de celdillas elementales. De ellas solo se encontrarán 4 de ellas con sus variantes en los metales y aleaciones metálicas. Estas son: 1. Red cúbica centrada en el cuerpo (BCC): La red representa un cubo cuyo parámetro es a. Los átomos están dispuestos en los vértices y en el centro del cubo. Tienen poca densidad de compactación, es decir los átomos ocupan un 68% del volumen de la red. Su número de coordinación es 8. Ej: Fe ( α ), Mo, Na, etc. 2. Red cúbica centrada en las caras: (FCC) La red representa un cubo cuyo parámetro es a. Con 8 átomos en los vértices del cubo y 6 en los centros de cada una de las caras. La densidad de compactación es del 74%. El índice de coordinación es 12. Ej: Fe ( γ ), Ni, Co, Cu, Al, Ti, etc. 3. Red hexagonal compacta (HCP). La red tiene forma de prisma recto cuya base es un hexaedro. Tiene dos parámetros, los lados de la base del prisma a y su altura c. Doce átomos están dispuestos en los vértices de la red, 2 átomos en el centro de la base y 3 átomos en el interior de la red. La densidad de computación es 74% y el índice de coordinación es 12. Ej: Ti, Co, Cd, Mg. 4. Red Tetragonal centrada en el cuerpo: Tiene forma de prisma recto de base centrada. Los átomos están dispuesto de igual forma que en la (BCC) presenta dos parámetros, el lado de la base a y la altura c. La relación c/a recibe el nombre de grado de tetragonalidad. El índice de coordinación es igual a 8.

Figura 2 Tipos de redes cristalinas presentes en los metales: a) red cúbica centrada en el cuerpo. b) red cúbica centrada en las caras. c) red hexagonal compacta. d) red tetragonal.

Características de la red cristalina. · Parámetros de la red: Caracteriza las dimensiones de la red en Angstrom. A través de la difracción de Rayos X, se puede calcular el parámetro de una red con una exactitud de una cien milésima de Angstrom (1Å = 10-9mm). · Índice de coordinación: Es el número de átomos que se encuentran más próximos y equidistantes de un átomo dado.

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· Número de átomos correspondientes a una celdilla elemental: En la red cúbica centrada en el cuerpo los átomos de los vértices pertenecen a 8 celdillas. Por consiguiente cada átomo aporta a una celdilla 1/8 de su volumen. El átomo central pertenece a la celdilla, por lo tanto a una celdilla elemental le corresponde: (1/8 x 8) + 1 = 2 átomos. En la red cúbica centrada en las caras al pertenecer los átomos de las caras a dos celdillas la ecuación quedaría: (1/8 x 8) + (1/2 x 6) = 4 átomos. · Densidad de compactación: Es el volumen que pueden ocupar los átomos en la red cristalina. Admitiendo que el átomo tiene forma de esfera, pueda calcularse su valor. 

NOCIONES FUNDAMENTALES SOBRE LAS ALEACIONES.

Se entiende por aleación la sustancia obtenida por la fusión de dos o más elementos. También son posibles otros procedimientos para preparar aleaciones, como la sinterización, la electrólisis y la sublimación (en este caso las sustancias se llaman seudoaleaciones) pero lo más corriente es la producción de aleaciones por fusión de diversas sutancias. Una aleación puede constar de varios elementos metálicos, o de metales y no metales, en todo caso poseerá propiedades metálicas, por lo que se llama ALEACIÓN METÁLICA. La estructura de una aleación metálica es más compleja que la de un metal puro y depende principalmente de las interacciones en que intervienen los componentes de la aleación. En estado sólido puede no existir interacción química entre los componentes - sustancias simples- que forman la aleación. Entonces la estructura de la aleación es la de una mezcla mecánica. Las sustancias que forman una aleación pueden reaccionar químicamente y formar compuestos químicos, o disolverse una en otra originando soluciones.

Además, de las

soluciones y compuestos químicos pueden formarse fases tales, que es imposible incluírlas totalmente en las enumeradas y que son uan especie de intermedias. Mezclas Mecánicas. Las mezclas mecánicas de dos componentes se forman cuando estos son incapaces de disolverse mutuamente en estado sólido y no reaccionan químicamente formando compuestos. En estas condiciones las aleaciones estarían formadas por cristales de A y B claramente distinguibles en la microestructura.

Figura 3 Ejemplo de mezcla mecánica.

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El análisis metalográfico de esta aleación mostrará que existen dos fases de los componentes A y B y el análisis quìmico indicarà que existen dos componentes. Si en esta aleación se analizan por separado las propiedades de los cristales A y de los cristales B estas serán idénticas a las de los metales puros A y B. Las propiedades mecánicas dependen de la relación cuantitativa entre los componentes y del tamaño y forma de los granos siendo sus valores intermedios entre los de las propiedades características de los componentes puros. Combinación química. Si se forma un compuesto químico. a) La relación entre el número de átomos de cada elemento coincide con la proporción estequiométrica la cual puede expresarse por medio de una fórmula sencilla (AnBm). b) Se formará una red cristalina específica (distinta de los elementos que integran el compuestos químico) en la cual los átomos de los componentes están ordenados de manera regular. La combinación química también se caracteriza por tener una determinada temperatura de fusión (disociación) y por variar a saltos las propiedades cuando varía la composición. Si un compuesto químico se forma con elementos metálicos, en los nodos de las redes se encontrarán los iones con carga positiva retenidos por el gas electrónico, es decir, en este caso por el llamado enlace metálico. El enlace en este caso no es rígido y por esto en determinadas condiciones la cantidad de un elemento cualquiera puede ser mayor o menor al que corresponde a la relación estequiométrica. Por esta causa la formación de compuestos químicos con átomos metálicos no cumple la ley de valencia. Al formarse un compuesto químico de un metal con un no – metal aparece el enlace iónico. Como resultado de la interacción de los elementos en este caso el átomo de metal cede electrones de valencia y se convierte en un ion positivo, y el átomo del metaloide acepta los electrones, los incorpora a su capa exterior y se transforma en ion negativo. En la red de un compuesto de este tipo los elementos son retenidos por la atracción electrostática. En los compuestos de este tipo el enlace es rígido y la composición química constante y corresponde exactamente a la relación estequiométrica, es decir, no puede haber exceso ni defecto de átomos de cualquiera de los elementos que forman el compuesto químico.

SOLUCIÓN SOLIDA. En estado líquido la mayoría de las aleaciones metálicas que se utilizan en la técnica son líquidos homogéneos, es decir, soluciones líquidas. Al pasar al estado sólido, en muchas de estas aleaciones se conserva la homogeneidad y, por consiguiente la solubilidad. La fase sólida que se forma como resultado de la cristalización de una aleación de este tipo se llama Solución ___________________________________________________________________________________________________ DEPARTAMENTO DE MATERIALES ING. RODRIGO RUIZ O.

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Solida. El análisis químico, demuestra que en las soluciones sólidas hay dos o más elementos, mientras que según el análisis metalográfico esta solución, lo mismo que el metal puro, tiene granos homogéneos, es decir, existe un solo tipo de red. La solución sólida tiene una sola fase, está constituida por un tipo de cristales y posee una sola red cristalina, además, no existe una relación rigurosamente determinada de sus componentes sino en un intervalo de concentraciones.

En la solución sólida, uno de los componentes conserva su propia red cristalina –disolvente- y el otro componente en forma de átomos separados se distribuye en la red cristalina del primer componente –soluto-. Las soluciones sólidas pueden ser por sustitución e intersticiales (por inserción). Independientemente del tipo las soluciones sólidas son monofásicas. SOLUCIONES SÓLIDAS POR SUSTITUCIÓN. El componente A, mantiene su red cristalina, la disolución del componente B en el metal A se efectuará por sustitución parcial de los átomos A por los B en la red del metal básico.

Figura 5 Solución sólida por sustitución.

Las soluciones sólidas por sustitución pueden ser limitadas e ilimitadas. Cuando la solución sólida es total, cualquier cantidad de átomos del metal A puede ser sustituida por átomos del metal B.

Las condiciones que favorecen la formación de estas aleaciones son: ___________________________________________________________________________________________________ DEPARTAMENTO DE MATERIALES ING. RODRIGO RUIZ O.

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

Los átomos del soluto y del solvente difieren en diámetro en no más de 15%.



Las redes cristalinas del solvente y del soluto son similares.



Las sustancias deben tener una naturaleza electroquímica similar (están cercanas entre sí en la tabla periódica); puesto que si uno es electropositivo

y el otro e4s

electronegativo, tenderán a formar compuestos químico o ínter metálico, no soluciones sólidas. 

En igualdad de condiciones, es más probable que un metal de valencia menor disuelva a uno de valencia mayor, y no al contrario. Se ha encontrado que esta regla es especialmente válida en el caso de las aleaciones cobre, plata y oro con metales de valencia mayor.

SOLUCIONES SOLIDAS INTERSTICIALES (POR INSERCIÓN). En este caso los átomos del soluto se sitúan en los intersticios de la red cristalina del disolvente, como se observa en la figura.

Como en las soluciones sólidas de este tipo los átomos del soluto deben insertarse en la red del disolvente, se deben cumplir las siguientes condiciones: 

El diámetro del átomo de soluto no es mayor del 59%, del diámetro del átomo de disolvente. (Elementos como H, N, C, O, B).



El elemento disolvente (solvente) es polivalente.



Las sustancias están cercanas entre sí en la tabla periódica.

En cualquiera de los casos, puede resultar solubilidad limitada o nula, si las condiciones difieren de las ideales. DIAGRAMAS DE ESTADO (O DE EQUILIBRIO). Para poder entender a cabalidad los procesos de cristalización y transformaciones de fase, los especialistas en Tratamientos Tèrmicos se auxilian en los diagramas de equilibrio. Estos describen los procesos que transcurren durante los enfriamientos y calentamientos de un sistema aleante dado. Es decir que si se quiere pronosticar las estructuras que se obtendrán durante un tratamiento térmico dado usando el diagrama de estado de la aleación se podrá realizar este pronóstico. Esto será posible siempre y cuando el enfriamiento o el calentamiento sean de equilibrio. ___________________________________________________________________________________________________ DEPARTAMENTO DE MATERIALES ING. RODRIGO RUIZ O.

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Un Diagrama de Estado es la representación gráfica del estado de una aleación, si varía la composición de una aleación, su temperatura o presión, el estado de la composición de la aleación, su temperatura o presión, el estado de la aleación también cambia, esto se refleja gráficamente en el diagrama de estado. El diagrama de estado muestra los estados estables, es decir, los estados que en esas condiciones poseen el mínimo de energía libre. Por esto el diagrama de estado también puede llamarse diagrama de equilibrio, ya que indica las fases en equilibrio que existen en unas condiciones dadas. De acuerdo con esto los cambios de estado reflejados en el diagrama también se refieren a las condiciones de equilibrio, es decir, en ausencia de sobrecalentamiento ó subenfriamiento. Sin embargo, para adentrarse en el estudio de un diagrama de estado es indispensable dominar algunos conceptos relacionados con los mismos como aleación metálica, componente, fase, constituyente estructural, etc. Una Aleación matálica es la sustancia obtenida por fusión de dos o más elementos uno de los cuales al menos debe ser un elemento metálico. Como es natural la estructura de una aleación metálica será más compleja que la de un metal puro y depende principalmente de las interacciones en que intervienen los componentes de la aleación. A continuación se pasará a definir los conceptos de fase, constituyente estructural y componente. Se llaman componentes a las sustancias simples que componen la aleación. Por lo tanto un metal puro será un sistema de un componente, una aleación de dos metales un sistema binario. El componente principal de una aleación metálica será siempre un elemento metálico. Los compuestos químicos se consideran como componentes si no se disocian en las partes que las componen en el intervalo de temperatura que se analizan. Una FASE se define como una porción de materia que es química y estructuralmente homogenea. No puede subdividirse por medios mecánicos o distinguirse en partes más pequeñas con un microscopio óptico ordinario, que esta separada de las demás partes del mismo (fases) por una superficie de separación, al pasar la cual la composición química, la estructura de la sustancia o el estado cambia bruscamente. Constituyente estructural son los elementos constitutivos de diferentes estructuras cristalinas que pueden estar formadas por una o más fases. Ej: Perlita, Austenita, Ferrita, Ledeburita, Cementita. Las diferentes formas de combinación de los elementos componentes que se encuentran en la práctica en las aleaciones metálicas pueden ser clasificadas como mezclas mecánicas, soluciones sólidas, compuestos químicos. Para construir un diagrama de estado se debe partir de las curvas de enfriamiento correspondientes, para ello, se debe recordar que la mayoría de las sustancias pueden existir como gases, líquidos y sólidos, dependiendo de su temperatura.

El agua es una de esas

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sustancias que pueden existir como vapor, cuando tiene la temperatura suficiente; como líquido y como sólido (hielo), cuando llega a estar suficientemente fría.

Si se eleva la temperatura del agua hasta el punto de ebullición, y se le permite que enfríe lentamente, el cambio a la temperatura en función del tiempo puede representarse en la forma mostrada en la figura, dicha gráfica se denomina CURVA DE ENFRIAMIENTO.

Se observa que cuando se produce un cambio de estado (tal como el de agua líquida a hielo sólido), se produce una pausa en el proceso de enfriamiento. Esta pausa se debe a que la sustancia absorve o entrega Calor Latente. El calor latente es la energía térmica necesaria para producir un cambio de estado en una sustancia a temperatura constante. Los estados gaseoso, líquido y sólido de una sustancia se mencionan frecuentemente con el nombre de fases, y se dice que una sustancia se encuentra en su fase gaseosa, en su fase líquida, o en su fase sólida. Más adelante se verá que dentro del estado sólido se producen también cambios de fase. El gráfico arriba mencionado constituye la curva teórica de enfriamiento del agua. En virtud que para la tecnología de los tratamientos térmicos, se requiere fundamentalmente dominar el mecanismo de cristalización (solidificación) de los metales, centramos nuestra atención en el paso del estado líquido al sólido, denominado CRISTALIZACIÓN

PRIMARIA.

Este

proceso transcurre como resultado del paso a un estado más estable en sentido temordinámico, con una energía libre menor. F = H - TS H = es la variación de la energía total del sistema; T

= es la temperatura absoluta

S = es la variación de la entropía. ___________________________________________________________________________________________________ DEPARTAMENTO DE MATERIALES ING. RODRIGO RUIZ O.

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La variación de la energía libre del líquido y sólido en función de la temperatura se muestra en la figura:

(VARIACIÓN DE LA ENERGÍA LIBRE DEL LÍQUIDO Y SÓLIDO EN FUNCIÓN DE LA TEMPERATURA) A la temperatura crítica Tc (de transformación de fase), las magnitudes de las energías libres del estado líquido y sólido son inguales. La temperatura Tc corresponde a la temperatura de equilibrio de cristalización del material dado, durante la cual ambas fases (la líquida y la sólida) pueden existir simultaneamente. A una temperatura mayor a Tc mas estable es el líquido, que posee menor reserva de energía libre, y por debajo de esta temperatura, es más estable el sólido. El proceso de cristalización se desarrolla, si existe una diferencia de energias libres, que aparesca a causa de que la energia libre del sólido es menor a la del líquido (en virtud a la segunda ley de termodinámica, ningún proceso puede desarrollarse expontáneamente sin disminución de energía libre del sistema). Por consiguiente el proceso de cristalización transcurre solamente cuando la substancia se sobreenfría ( o subenfría) hasta una temperatura mucho menor que la temperatura de equilibrio Tc.

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T = Tc – Ti (se llama grado de sobreenfriamiento). La curva de enfriamiento explicada, es la común de una substancia pura, por ello debemos ampliar la explicación a las curvas de enfriamiento para diferentes aleaciones.

La aleación utilizada como ejemplo, es la formada por sal común (clorudo de sodio) y el agua. Para efecto de comparación en la figura, se presentan las curvas de enfriamiento del agua pura y de la solución de sal en agua, dentro de intervalos de temperaturas que abarcan las fases líquidas y sólidas.

Puesto que el agua se separa bajo la forna de cristales de hielo entre los puntos de detención de la soluciones hipoeutécticas, y como la sal se separa entre los puntos de la detención de las soluciones hipereutécticas la solución restante presenta siempre unaconcentración constante, esta es la misma en el caso de la solución eutéctica. El hecho de que el exceso de agu de sal sea rechazado de la solución da por resultado que al final siempre se logra un equilibrio eutéctico, por esto el diagrama formado con las curvas de enfriamiento se denomina DIAGRAMA DE EQUILIBRIO TERMICO.

Las curvas de enfriamiento explicadas para la solución sal-agua, son semejantes a las generadas por otras substancias, incluyendo las formadas por metales o un metal y un no metal, que constituyen las aleaciones binarias. Los diagramas de equilibrio termico producido mediante las curvas de enfriamiento de tales ___________________________________________________________________________________________________ DEPARTAMENTO DE MATERIALES ING. RODRIGO RUIZ O.

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aleaciones adoptan una de las formas mostradas en las figuras siguientes:

Tipo A: Diagrama de estado de las aleaciones que crean las mezclas mecánicas de los componentes puros (Ejemplo plomo-antimonio).

Tipo B: Diagrama de estado de aleaciones para los casos de solubilidad ilimitada de los componentes en estado sólido (soluciones ) (ejemplo aleacion cobre-niquel).

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Tipo C: Diagrama de estado de las aleaciones para el caso de solubilidad limitada de los componentes de estado sólido (ejemplo aleación plata-cobre). Es importante identificar la relación existente entre las propiedades de las aleaciones y el tipo de diagrama de estado es así: En las mezclas mecánicas, las propiedades (dureza H, electroconductibilidad E y otras) varían en forma lineal.

En las soluciones sólidas las propiedades cambian de acuerdo con una dependencia curvilínea.

En las aleaciones con solubilidad limitada, las propiedades cambian de acuerdo a una curva característica quebrada.

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REGLA DE LAS FASES DE GIBBS. La regla de las fases fue enunciada por Willard Gibbs y tiene que ver con el número de variables que es necesario especificar para fijar el estado termodinámico de un sistema. Las variables comunes son la presión, la temperatura y la composición. En un sistema en equilibrio, el número de variables independientes, V, o grados de libertad, que se necesitan para fijar el estado termodinámico está dado por la siguiente regla de las fases de Gibbs: V = C - P + 2 Donde: C es el número de componentes; P es el número de fases y el dos representa las variables de presión y temperatura. Los líquidos y sólidos son las fases que nos ocupan, son incompresibles a presiones ordinarias y, por consiguiente, la presión es un factor insignificante en sus sistemas. Por lo tanto, la regla de las fases se reduce a: V = C

- P

+ 1

Para líquidos y sólidos, donde el 1 representa la variable de temperatura. En el caso de un componente puro: C = 1 y V = 1 - P + 1, cuando este componente se encuentra en un estado de una sola fase, ya sea sólida o líquida, P = 1, y encontramos que V = 1. Hay una variable que es necesario especificar para definir el estado termodinámico del sistema, la temperatura. Si hay dos fases en el sistema, como en la fusión parcial, entonces P = 2 y V = 0. Este estado es lo que se conoce como un estado invariante (de variable cero). La única temperatura en la que un componente puro tiene fases sólida y líquida en equilibrio simultáneamente corresponde al punto de fusión, que es una constante en todos los sólidos cristalinos. En las aleaciones binarias, C = 2 y V = 3 - P. En un estado de una sola fase, por debajo de la curva de solidus o por encima de la curva de liquidus, V = 2, lo que significa que se debe especificar tanto la composición como la temperatura para indicar el estado termodinámico de la solución sólida de una sola fase. Si existen dos fases, como en el intervalo de temperaturas T L

-

TS, entonces V = 1. Esto significa que sólo es necesario especificar una variable, ya sea la composición o la temperatura, para indicar el estado termodinámico. El cambio de una variable afecta a la otra. INTERPRETACION DE UN DIAGRAMA DE EQUILIBRIO Un diagrama de equilibrio, pueden interpretarse con facilidad, siendo unas reglas simples, para cualquier temperatura y composición total de la aleación. Regla 1. Para determinar la fase o fases presentes, se debe encontrar la intersección de la abscisa (composición) con la ordenada (temperatura). El punto encontrado, indica la zona del diagrama que puede ser monofásica o tener varias fases. (Esto es, líquido, sólido o líquido y sólido). ___________________________________________________________________________________________________ DEPARTAMENTO DE MATERIALES ING. RODRIGO RUIZ O.

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Regla 2. Si la zona en la que se encuentra el punto tiene una sola fase, su composición será la misma que la de la aleación total. Regla 3. Si el Estado se localiza en una zona donde se encuentran presentes dos fases, los porcentajes de cada fase se determinan, trazando perpendiculares al eje de composición desde la intersección de la ordenada (temperatura) con los límites de la región bifásica. Las intersecciones de las perpendiculares con eje de composición, indican las composiciones de las fases presentes. La línea que interseca a la línea líquidus con la de temperatura, indica la composición de la fase sólida. La composición de la fase líquida se determina mediante la perpendicular trazada desde la intersección de la línea sólidus con la temperatura. Regla de la Palanca Inversa. Gráficamente se utiliza lo que se llama la regla de la palanca inversa. Por ejemplo tomando el diagrama Cu-Ni una aleación del 30% de Cu y 70% de Ni.

H

G

I

1083ºC

Ni Cu

Diagrama de fases aplicando la regla de la palanca inversa.

I = 79 G = 70 H = 57

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GH = 70 - 57 = 13 IH = 79 - 57 = 22 IG = 79 - 70 = 9

Regla 4. Las composiciones de las fases deben ser tales que su composición sea la misma que la total. Esta es la base para determinar el porcentaje de los componentes en cada fase presente. El diagrama de estado, permite determinar la composición de cada fase, así la fase sólida, contendrá a % del componente A y (1 – a) % del componente B. DIAGRAMA DE EQUILIBRIO HIERRO – CARBONO. Las aleaciones de hierro y carbono (aceros y fundiciones de hierro) son las aleaciones metálicas más importantes de la técnica moderna. Por su volumen, la producción de fundiciones de hierro y aceros supera en más de diez veces la producción de todos los demás metales juntos. En el caso de las aleaciones ferrosas el diagrama de estado que se toma como punto de partida para el estudio del comportamiento metalúrgico de dichas aleaciones es el diagrama de estado. Caracterización del Fe y el C. Características del Hierro.    

Metal de color gris plateado. Temperatura de fusión 1539°C. Dureza 80 HB y elongación relativa = 50%. Presenta dos formas alotrópicas Feα y Feγ.

Curva de enfriamiento del hierro puro.

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El hierro puro contiene 99.99% de Fe. Las clases de hierro técnico contienen 99.80-99.91% de Fe. Las propiedades mecánicas del hierro se caracterizan por las magnitudes siguientes:

Estos índices pueden variar dentro de ciertos límites, porque en las propiedades del hierro influyen una serie de factores p.e. el aumento del tamaño de grano hace que disminuya la dureza. El hierro forma soluciones con muchos elementos. Con los metales, soluciones por sustitución; con el carbono, nitrógeno, hidrógeno, soluciones por inserción. Que el hierro exista en dos formas alotrópicas o redes cristalinas amplía las posibilidades de transformaciones de fases, lo que es aprovechado por el tratamiento térmico de las aleaciones de hierro con otros componentes y fundamentalmente con el carbono. Caracterización del carbono (C).   

Es el otro componente en la aleación Hierro Carbono. Es un elemento no metálico. En estado libre se denomina grafito.

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

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Dureza 3 HRC.

Es muy interesante el hecho de que el carbono en su forma natural (grafito) puede servir para la fabricación de lápices y al combinarse con el hierro puede formar compuestos químicos de características totalmente diferentes como la cementita. Diagrama de estado Fe – C. Diagrama metaestable.

La línea ABCD es la línea del líquido y la AHJECF la del sólido. Como el hierro además de formar con el carbono el compuesto químico Fe3C, tiene dos transformaciones alotrópicas a y g, en el sistema existen las fases siguientes: Líquido: Solución líquida de carbono en hierro. Existe por encima de la línea del líquido y se designa por L. Cementita: existe en la vertical DFK se designa por su fórmula química Fe3C. Reacción Peritéctica: ocurre a 1499ºC ocurre a 1499ºC., cuando L + α → γ;

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Como resultado de esta reacción se formará austenita. Ocurre para aleaciones con el 0,5% de Carbono. Reacción eutéctica. L → γ + Fe3C (Ledeburita); esto ocurre (a 1147ºC) y 4,3% de C.

Zona del Diagrama Fe – C correspondiente a la reacción eutéctica. Como resultado de la reacción se formará la mezcla eutéctica. La mezcla eutéctica de Austenita y Fe3C se llama ledeburita. L ═> Austenita + Fe3C Ocurre esta reacción para todas las aleaciones con más de 2,14%C. En esta zona se observa además la línea de pérdida de solubilidad de la austenita. A la cementita segregada de la austenita se le llama secundaria, siendo denominada cementita primaria, la que solidifica desde el líquido (ambas estructuras son idénticas). ___________________________________________________________________________________________________ DEPARTAMENTO DE MATERIALES ING. RODRIGO RUIZ O.

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Reacción eutectoide. Austenita → Ferrita + Fe3C (Perlita); a 723ºC.

Zona del Diagrama Fe – C correspondiente a la reacción eutectoide. El producto de la transformación es una mezcla eutectoide. La mezcla de Ferrita y Fe3C se llama perlita. Ocurre para aleaciones con 0,8% de C. CONSTITUYENTES MONOFÁSICOS DEL DIAGRAMA Fe – C. LA FERRITA: Es una solución sólida de carbono en el hierro alfa Fe (C). La solubilidad máxima de carbono en la ferrita es aproximadamente de 0,008% de C a 20°C y 0,03% de C a 723°C. Su red cristalina es cúbica de cuerpo centrada. La ferrita es una solución sólida intersticial, los átomos de carbono se disponen en los intersticios de la red de Fe. La ferrita es magnética y muy plástica. La dureza es HB 80 – 100. Rt = 32Kgf/mm2. LA AUSTENITA: Es una solución sólida de carbono en el hierro gama que se designa por Fe (C). La solubilidad máxima de carbono en la austenita es 2,14% a 1147°C y 0,8 de C a 723°C. La red cristalina es CCC. La austenita es una solución sólida intersticial no magnética. Esta fase se encuentra sólo a altas temperaturas y la temperatura 723°C. es el límite inferior de la existencia estable de la austenita en las aleaciones hierro – carbono. La dureza es HB 180- 200; Rt = 68 kgf/mm2. LA CEMENTITA: Es un compuesto químico de hierro en carbono (Fe3C). La cementita tiene una red cristalina compleja (rómbica) y una dureza muy alta, HB 650 – 800, es bastante frágil. Su temperatura de fusión es 1600°C. La cementita no es estable y en condiciones determinadas (mediante una rápida transformación martencítica en el temple) se desintegra desprendiendo carbono libre en forma de grafito: Fe3C – 3Fe + C. EL GRAFITO: Es el carbono libre, blando (HB 3) y posee una baja resistencia. En las fundiciones de hierro y el acero grafitizado se halla en inclusiones de diversas formas (laminar, ___________________________________________________________________________________________________ DEPARTAMENTO DE MATERIALES ING. RODRIGO RUIZ O.

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globular, nodular, etc.).

Al variar la forma de las inclusiones de

grafito, cambian las

propiedades mecánicas y tecnológicas. ESTRUCTURAS BIFÁSICAS

LA PERLITA: Es una mezcla mecánica (Eutectoide, es decir, semejante a la eutéctica, pero formada desde una fase sólida) de la ferrita y cementita, conteniendo el 0,8% de C. La perlita puede ser laminar HB 300, Rt=105 Kgf/mm, o también globular HB 140, Rt=114 Kgf/mm2, lo que depende de la forma de la cementita (laminar o globular). LA LEDEBURITA: Es una mezcla mecánica (Eutéctica) de austenita

y cementita, a

temperatura superior a 723°C, que contiene un 4,3% de C. la ledeburita se forma durante la solidificación de la masa fundida a 1147°C. Bajo los 723°C la austenita se transformar en perlita y entonces la estructura de la ledeburita será: perlita más cementita (una mezcla mecánica). La dureza de la ledeburita es: HB 600-700 y es muy frágil. CLASIFICACIÓN DE LAS ALEACIONES HIERRO – CARBONO. Según el contenido de carbono las aleaciones hierro – carbono se dividen en aceros y fundiciones de hierro. Llámense aceros a las aleaciones hierro – carbono en las que el contenido de carbono no supera el 2,14% de C. Los aceros que contienen menos de 0,8% de C se denominan hipoeutectoides; con 0,8% de C, eutectoides, y más de 0,8% de C, hipereutectoides. Llámense fundiciones de hiero las aleaciones de hierro – carbono cuyo contenido en carbono es superior a 2,14% de C e inferior a 6,67% de C. las fundiciones de hierro que contienen menos de 4,3% de C, reciben el nombre de hipoeutécticas; con 4,3% de C, es la aleación Eutéctica, y con más de 4,3% y menos de 6,67% de C, hipereutécticas.

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ACERO AL CARBONO.

El acero al carbono de producción industrial, es una aleación de composición química compleja. Además de la base - hierro entre 97,0% al 99,5% - hay muchos elementos cuya presencia se debe a las peculiaridades tecnológicas de su producción (magnesio, silicio, aluminio); o a la imposibilidad de excluirlos totalmente del metal (azufre, fósforo, oxígeno, nitrógeno, hidrógeno) o a circunstancias casuales (cromo, níquel, cobre y otros). En dependencia del procedimiento de fundición, los aceros se diferencian principalmente por las impurezas que contienen. Sin embargo, un elemento, el carbono, se introduce especialmente en el acero al carbono ordinario. El carbono influye mucho en las propiedades del acero, incluso cuando su contenido varía de un modo insignificante. Por esto, cuando el contenido de todas las impurezas es muy pequeño, el elemento principal, por medio del cual puede hacerse variar las propiedades de una aleación ferrosa, es el carbono. Las propiedades del acero al carbono son muy sensibles al contenido de este último elemento. Los aceros pueden tener diferente contenido de carbono, por ello se tiene: Los aceros de bajo contenido de carbono, que tienen hasta un 0,25% aproximadamente, de este elemento y son los más dúctiles y blandos de los aceros; no responden de manera apreciable al calentamiento y al enfriamiento por inmersión y; por lo común, no se endurecen por medio de estos métodos. Las secciones ligeras, incluyendo las barras y los lingotes, se fortalecen con frecuencia por medio de los trabajos en frío. Las aplicaciones típicas del acero de bajo contenido de carbono son las piezas de carrocerías, el chasis de los automóviles, que requieren gran ductilidad y facilidad para ser soldadas; asimismo, se usa en grandes cantidades para la producción de recipientes, para estructuras metálicas y para piezas labradas a máquina. Los aceros de contenido medio de carbono, tienen, aproximadamente, de 0,30 a 0,50% de carbono. Ese contenido de carbono es suficiente para permitir el endurecimiento, por lo tanto, esas composiciones se pueden someter a tratamientos térmicos, para mejorar sus propiedades. Los aceros de este tipo se utilizan para las vías y ruedas de ferrocarril, varillas de conexión, cigüeñales y otras aplicaciones similares. Los aceros de alto contenido de carbono, tienen más del 0,55% de carbono (hasta aproximadamente 0,95%), son los aceros al carbono más duros, fuertes y menos dúctiles, y los que mejor responden al tratamiento térmico. Por esta razón no pueden soldarse con facilidad. Casi siempre se utilizan en el estado templado, con el fin de que desarrollen su mejor combinación de dureza, resistencia, tenacidad y ductilidad.

Se utilizan para herramientas

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agrícolas de corte, alambre de alta resistencia a la tensión, resortes, herramientas y dados.

EL TRATAMIENTO TÉRMICO Y EL DIAGRAMA DE ESTADO. Durante el tratamiento térmico se produce una transformación que transcurre en un tiempo, y es imposible establecer el cambio que introduce el tiempo, si se desconoce cuál es el estado de la aleación. El diagrama de estado muestra a qué tipos de tratamientos térmicos puede someterse una aleación y en que intervalos de temperatura debe hacerse el tratamiento. Al realizar los tratamientos en la aleación deben ocurrir transformaciones de fase en estado sólido, es decir, al calentarla deben producirse variaciones considerables de la solubilidad o transformaciones alotrópicas. El estudio de los procesos del Tratamiento Tèrmico del acero comenzó por D.Chernov de los puntos críticos del acero en 1868. El postulado de Chernov acerca de que las propiedades de los aceros se determinan por la estructura y que esta depende de la temperatura de calentamiento y de la rapidez del enfriamiento, fue generalmente reconocido y durante los decenios siguientes, los investigadores establecieron la relación entre la estructura y las condiciones de su formación (principalmente la temperatura de calentamiento y la velocidad de enfriamiento). En los años 20 y 30 de este siglo investigadores como el soviético S.Steinberg, los norteamericanos Mell y Bain y los alemanes Weber, Hannerman y Esser, con sus numerosas y profundas investigaciones establecieron la cinética de las transformaciones del acero en sus diferentes composiciones químicas. TRANSFORMACIONES DEL ACERO DURANTE EL CALENTAMIENTO. Para el análisis de las transformaciones durante el calentamiento de los aceros, se tomará la parte del diagrama Fe-C correspondiente a las aleaciones por debajo de 1147ºC de temperatura y por debajo de 2,14% de Carbono. A las curvas de transformaciones de fase se le asignarán las siguientes nomenclaturas: 

A1 (Ac1 ó Ar1): Línea de la reacción eutectoide.



A3 (Ac3 o Ar3): Línea de transformación alotrópica de austenita en ferrita.



Am (Acm o Arm): Curva de pérdida de solubilidad de la austenita.

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Zona del Diagrama Fe – C correspondiente a la reacción eutectoide con las curvas de transformación de fases empleadas en el tratamiento térmico del acero. Para el estudio de las transformaciones de fase del acero se utilizará el acero eutectoide es decir, aquel que tiene 0,8%C y 100% de perlita. Durante las transformaciones de fase del resto de los aceros, habrá que tener en cuenta la presencia de otros constituyentes estructurales como lo son la ferrita y la cementita. El comienzo de la transformación de Perlita en Austenita solo puede efectuarse, si el calentamiento es muy lento. En las condiciones normales de calentamiento la transformación se retrasa y se obtiene un sobrecalentamiento. La perlita sobrecalentada por encima del punto crítico se transforma, a velocidad distinta en dependencia del grado de sobrecalentamiento en austenita. Diagrama de transformación de fase de la perlita durante el calentamiento. En la fig. Se representa gráficamente los datos que muestran el tiempo de transformación en austenita a diversas temperaturas (en dependencia del grado de sobrecalentamiento).

La

posición de las curvas demuestra que cuanto más alta es la temperatura, tanto más deprisa (es decir, en un intervalo menor de tiempo) transcurre la transformación.

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Por ejemplo, si la temperatura se mantiene a 780ºC, la transformación perlita en austenita se termina en 2 minutos, y a 740ºC, en 8 minutos. Si se toma una velocidad de calentamiento del acero como se muestra en el gráfico V2. Esta recta corta las líneas inicial y final de la transformación en los puntos a y b. Por consiguiente, en el calentamiento continuo se realiza la transformación en el intervalo de temperaturas que va desde “a” hasta “b”. Si el calentamiento es más lento V1, la línea corta las curvas de transformación a temperaturas más bajas y la transformación se produce también a temperaturas más bajas. Las curvas de principio y fin de transformación, son aproximadamente asintóticas

a la

horizontal A1, la cortan en el infinito. El calentamiento con una velocidad infinitamente pequeña corta a la horizontal en el infinito, donde se confunden las curvas de principio y fin de la transformación y donde la transformación de la perlita en austenita se produce en un solo punto, es decir, a temperatura constante.

Esta será la transformación en equilibrio.

Las

transformaciones reales, a diferencia de las en equilibrio, transcurren a temperaturas superiores a TA1 y no a una temperatura constante, sino en un intervalo de ellas que se encuentran tanto más elevado, cuanto más rápidamente se calienta el acero. El fin del proceso de la transformación se caracteriza por la formación de la austenita y la desaparición de la perlita. Pero esta austenita recién formada será heterogénea incluso en el volumen de un grano. En aquellos sitios en que antes había láminas de cementita, el contenido de carbono será mayor que en aquellos en que yacían láminas de ferrita. Por esto la austenita recién formada no es homogénea. Para obtener una austenita de composición homogénea no solo hay que pasar durante el calentamiento el punto final de la transformación perlito-austenítica, sino sobrecalentar por encima de este punto o mantener esta temperatura para que puedan terminar los procesos de difusión dentro del grano autentico.

CRECIMIENTO DEL GRANO AUSTENITICO. El comienzo de la transformación perlito-austenítica va acompañada de la formación de los primeros granos de austenita. Los primeros granos de austenita se forman en el límite entre la ferrita y la cementita, constituyentes estructurales de la perlita, la transformación comienza formándose muchos granos pequeños. Por consiguiente, una vez que termine la transformación de la perlita en austenita, se forma una gran cantidad de pequeños granos de austenita.

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El tamaño de estos granos caracteriza la magnitud llamada grano inicial de austenita. El calentamiento posterior una vez terminada la transformación, provoca el crecimiento de los granos de austenita.

El crecimiento del grano es un proceso que se desarrolla espontáneamente, ya que en este caso disminuye la superficie total de los granos, y la alta temperatura no hace nada más que asegurar la velocidad suficiente del mismo.

Se distinguen dos tipos de aceros: el de grano fino hereditario y el de grano grueso hereditario; el primero ( 1 ) se caracteriza por ser poco propenso al crecimiento del grano; el segundo ( 2 ), por ser muy propenso.

El paso del punto crítico TA1 va acompañado de una brusca disminución del grano. Si se sigue calentando, el grano de la austenita, en el acero de grano fino, no crece hasta los 950 - 1000ºC, después de lo cual se eliminan los factores que impedían el crecimiento y el grano comienza a ___________________________________________________________________________________________________ DEPARTAMENTO DE MATERIALES ING. RODRIGO RUIZ O.

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crecer rápidamente. En el caso del grano grueso nada impide su crecimiento, el cual comienza inmediatamente después de pasar el punto crítico. Por granulación hereditaria debe entenderse la tendencia del grano austenítico al crecimiento. El tamaño del grano obtenido en el acero como resultado de un tratamiento térmico determinado se llama grano real. Así pues se tienen, el grano inicial, el momento que termina la transformación perlito-austenítica, el grano natural o tendencia de los granos de austenita al crecimiento, y el grano real o tamaño del grano de la austenita en unas condiciones concretas dadas. Los granos de austenita solo crecen durante el calentamiento, por eso la temperatura máxima de calentamiento del acero en estado austenítico y su granulación hereditaria determinan el tamaño definitivo del grano.

TRANSFORMACIONES DEL ACERO DURANTE EL ENFRIAMIENTO.

La transformación de la austenita en perlita consiste en la descomposición de la solución sólida de carbono en hierro  - en la solución sólida de carbono en hierro hierro  casi puro y cementita: Fe (C )

Fe ( C ) + Fe 3 C

La formación puede iniciarse no en el punto TA1, sino únicamente después de cierto subenfriamiento, cuando la energía libre de la mezcla ferrita y cementita, resulta ser menor que la de la austenita, Fig.

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Cuanto más baja es la temperatura de la transformación, tanto mayor es el subenfriamiento, y mayor la diferencia entre las energías libres y tanto más deprisa se efectúa la transformación. En el caso de la transformación perlítica se forman fases que difieren mucho por su composición de la inicial: la ferrita que casi no contiene carbono y la cementita, que contiene un 6,67% de C. Entonces se tiene que al aumentar el subenfriamiento entran en acción dos factores que influyen de un modo diametralmente opuesto sobre la velocidad de transformación. El descenso de la temperatura por una parte, aumenta la diferencia de las energías libres de la austenita y la perlita, lo que acelera la transformación, y por otra parte, provoca una disminución de la velocidad de difusión del carbono, y esto retarda la transformación. La acción conjunta de ambos factores conduce a que, al principio, cuando aumenta el subenfriamiento, la velocidad de transformación crece, alcanza el máximo con cierto valor de subenfriamiento, y después disminuye.

El proceso de formación de la perlita es el de engendramiento de sus centros de cristalización y el posterior crecimiento de sus granos. Por consiguiente, la diferencia de velocidad de la transformación perlítica a distinto grado de subenfriamiento se determina por el hecho de que de un modo semejante depende del grado de subenfriamiento, tanto, la velocidad de crecimiento (v.c.), como la formación del número de centros de nucleación (n.c.) de la perlita que se forma. A la temperatura TA1 y por debajo de 200°C estos dos parámetros son nulos, y su valor máximo lo tienen cuando el subenfriamiento está entre 150° y 200°C por debajo de TA1. De lo expuesto se deduce que en cuanto se dan las condiciones necesarias, se generan los centros de cristalización y de ellos crecen los granos. Este proceso transcurre en un tiempo y puede representarse en forma de curva cinética de transformación que muestra

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la cantidad de perlita que se forma en dependencia del tiempo transcurrido desde el principio de la transformación.

El periodo inicial se caracteriza por una velocidad bastante pequeña de transformación: este es el llamado periodo de incubación o periodo de inercia. El punto “a” de la curva indica el instante en que se manifiesta el comienzo de la transformación (esto corresponde por lo general, a la transformación del 1% de perlita). En la Curva, transformacio-tiempo, se ve que la velocidad de transformación aumenta a medida que se desarrolla ésta. El máximo de la velocidad de transformación corresponde aproximadamente al tiempo en que se ha transformado ya un 50% de la Austenita. En lo sucesivo la velocidad disminuye y, finalmente, termina la transformación en el punto b. La velocidad de transformación depende del grado de subenfriamiento. Cuando los subenfriamientos son pequeños o muy grandes, la transformación se efectúa despacio ya que son pequeños los valores de v.c. y n.c.; en el primer caso debido a que es pequeña la diferencia de energías libre, y en el segundo caso, por que es pequeña la capacidad de difusión de los átomos. Cuando la velocidad de transformación es máxima, las curvas cinéticas suben con mucha pendiente y la transformación concluye en un pequeño espacio de tiempo, como se muestra en la fig.

En la figura se muestra una serie de curvas cinéticas que están referidas a diversas temperaturas (a distintos grados de subenfriamiento). Cuando la temperatura t1 es alta (el grado de

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TRATAMIENTOS TERMICOS

subenfriamiento pequeño), la transformación se efectúa lentamente y la duración del periodo de incubación y el tiempo de transformación son grandes.

Si desciende

la temperatura de

transformación, es decir, si aumenta el grado de subenfriamiento, la

velocidad de

transformación crece y por esto disminuye la duración del periodo de incubación y de toda la transformación. El máximo de la velocidad de transformación corresponde a la temperatura t3; un descenso mayor de la temperatura ocasiona ya una disminución de la velocidad de transformación. Si en un diagrama se trazan los segmentos de las curvas de la transformación austenito - perlítica correspondientes al comienzo de la transformación y al final de la misma, es decir, si los puntos “a” y “b” se colocan según las verticales a medida que desciende la temperatura se obtiene la fig. Siguiente:

La curva del principio de la transformación en dependencia del grado de subenfriamiento indica el tiempo en que la transformación no se observa prácticamente, es decir, en que se tiene austenita

subenfriada, y en el rango de temperaturas de 500° a 600°C el inicio de la

transformación en perlita se realiza al cabo del espacio de tiempo más corto. La segunda curva muestra el tiempo necesario, con el subenfriamiento dado, para la transformación total de la ___________________________________________________________________________________________________ DEPARTAMENTO DE MATERIALES ING. RODRIGO RUIZ O.

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austenita en perlita. Y en el rango de 500 – 600° C también es mínimo este tiempo. Conviene decir que en el sentido horizontal la escala es logarítmica, esto se hace para que resulte más fácil la representación ya que cerca del punto crítico y de la inflexión de la curva son muy diversas las velocidades de formación de la perlita. Para el primer caso la transformación termina al cabo de unas decenas de minutos y el segundo caso termina en uno o dos segundos.

La línea horizontal M indica la temperatura de comienzo de la transformación martensítica. El mecanismo de esta transformación difiere de la formación de la perlita y se estudiará más adelante. Para el caso de los aceros hipoeutectoides, el diagrama de transformación isotérmica se muestra en la figura adjunta:

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TRATAMIENTOS TERMICOS

En el caso de los aceros hipereutectoides, el diagrama de transformación isotérmica se muestra en la figura adjunta:

TRATAMIENTO TÉRMICO. La tecnología de los metales tiene tres aspectos fundamentales: 1. La metalurgia u obtención de un metal de composición dada. 2. La tecnología mecánica u obtención, partiendo del metal, de las piezas con la forma exterior necesaria. 3. El tratamiento térmico u obtención de las propiedades que debe tener las piezas. El tratamiento térmico es un conjunto de operaciones que consisten en el calentamiento, mantenimiento a la temperatura dada y enfriamiento de las piezas metálicas con el fin de cambiar la estructura y las propiedades de las aleaciones que las compone. Cualquier proceso de tratamiento térmico puede ser representado gráficamente en las coordenadas de temperatura – tiempo.

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TRATAMIENTOS TERMICOS

TEMPERATURA Y TIEMPO. El objetivo de todo proceso de tratamiento térmico consiste en conseguir que, calentando el metal hasta una temperatura determinada enfriándolo después, se produce el cambio deseado en su estructura. Los factores fundamentales que influyen en el tratamiento térmico son la temperatura y el tiempo. El régimen del tratamiento térmico se caracteriza por los siguientes parámetros principales: La temperatura de calentamiento Tmax, es decir, la máxima temperatura hasta la cual se calienta la aleación durante el tratamiento térmico; el tiempo que se mantiene la aleación a la temperatura de calentamiento Tm; la velocidad de calentamiento Vcal. La velocidad de enfriamiento Venf.

Si el calentamiento (o enfriamiento) se efectúa a velocidad constante, este se representa en las coordenadas T – t por una línea recta con determinado ángulo de inclinación. Si la velocidad de calentamiento (o enfriamiento) no es uniforme, la velocidad verdadera dT Vverd = -----dt En la práctica lo más frecuente es determinar el valor de la velocidad media de calentamiento (o enfriamiento).

Vcal =

Tmäx .

T mäx.

------

Venf = --------

t Cal.

tenf.

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TRATAMIENTOS TERMICOS

Por lo tanto, por medio de la gráfica T – t puede representarse cualquier proceso de tratamiento térmico.

CLASIFICACIÓN DE LOS TIPOS DE TRATAMIENTO TÉRMICO. Las variaciones de las propiedades de una aleación que se crean como el resultado de un tratamiento térmico deben ser permanentes, caso contrario el tratamiento térmico no tendría ningún sentido. Para que cambien las propiedades de una aleación es necesario que como resultado del tratamiento térmico se produzcan en ella variaciones estables, debidas a las transformaciones de fase. Todos los tratamientos térmicos pueden Clasificarse de la siguiente manera: (CUADRO DE CLASIFICACION DE LOS TRATAMIENTOS TERMICOS)

RECOCIDO. Este proceso de tratamiento térmico consiste en el calentamiento del acero

hasta una

temperatura determinada, el mantenimiento a esta temperatura y luego el enfriamiento lento con el propósito de obtener una estructura de equilibrio. En función de las propiedades que se quieran obtener en el acero, se emplean distintos tipos de recocido: 1.- Difusivo (de homogenización); 2.- Completo; 3.- Incompleto; 4.- Isotérmico; 5.Esferoidizante; 6.- de Recristalización; 7.- De relajación (Alivio de tensiones). RECOCIDO DIFUSIVO (PARA HOMOGENIZACIÓN) Se utiliza para reducir la heterogeneidad química de los grandes lingotes de acero, eliminar las segregaciones dendríticas y para reducir o eliminar las tensiones internas.

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TRATAMIENTOS TERMICOS

El acero se calienta a una velocidad de 100° a 150°C / hr., hasta llegar a temperaturas de 1000° a 1150° C. A esta temperatura se debe mantener por un tiempo de 8 – 15 horas. Luego el enfriamiento debe ser lento, con el horno 100° a 200°C/ hr. A las altas temperaturas, los átomos adquieren gran movilidad, lo que produce la difusión de los átomos de los lugares con una mayor concentración de elementos químicos, a los lugares de menor concentración, lográndose el equilibrio químico. Al mismo tiempo se logra corregir el tamaño de los granos, aunque estos aumentan mucho la estructura final es de grano grueso. Este recocido se utiliza para homogeneizar los tochos de aceros y eliminar su estructura dendrítica, mejorando la plasticidad. RECOCIDO COMPLETO. Se emplea para aceros hipoeutectoides después de ser trabajados en caliente de piezas forjadas, estampadas, moldeadas, su propósito es afinar el grano quitar las tensiones internas.

En el acero se calienta hasta temperaturas superiores a las críticas T A3 en 30° a 50° C. El tiempo de permanencia a dicha temperatura debe ser de ¼ del tiempo de calentamiento. ___________________________________________________________________________________________________ DEPARTAMENTO DE MATERIALES ING. RODRIGO RUIZ O.

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TRATAMIENTOS TERMICOS

Luego el enfriamiento debe ser lento de 100° a 200° C /hr. Durante el recocido completo, se verifica la recristalización completa, lo que conduce a obtener una estructura de grano fino. Normas aproximadas de tiempo de calentamiento. PIEZAS CILINDRICAS. Horno a temperatura de 600° C

100 seg. por cada mm de diametro

Horno a temperatura de 800° C

50 seg. por cada mm de diametro

En baño de sales a

800° C

25 seg. por cada mm de diametro

En baño de Plomo a

800° C

10 seg. por cada mm de diametro

Si las piezas son de sección cuadrada el tiempo será 1,5 veces si son planchas 2 veces. RECOCIDO INCOMPLETO. Se emplea para piezas de acero hipereutectoide.

Se calienta el acero a temperaturas superiores en 30° a 50° C a la temperatura crítica T A1. Pero inferiores a T Am. La permanencia y enfriamiento igual que en el recocido completo. En los aceros hipereutectoides este recocido se puede utilizar para eliminar las tensiones internas reducir la dureza, elevar la plasticidad y mejora la maquinabilidad. En los aceros hipereutectoides de produce una recristalización total. Son sometidos al recocido incompleto los aceros hipereutectoides altos en carbono, los aceros para herramientas, para cojinetes, de bolas, etc. RECOCIDO ISOTÉRMICO.

Se diferencia de los anteriores en el hecho de que la desintegración de la austenita en la Ferrita y Cementita, se produce a una temperatura constante.

Después de haber realizado la

descomposición de la austenita, la velocidad de enfriamiento no tiene ya mayor importancia, por ello después de la transformación isotérmica se puede terminar el enfriamiento al aire.

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TRATAMIENTOS TERMICOS

La temperatura de calentamiento debe ser igual que en el recocido completo (acero hipoeutectoide) o que el recocido incompleto (acero hipereutectoide). Luego de mantenerlo a una temperatura el acero es lentamente enfriado en una sal fundida hasta una temperatura inferior a TA1. (680° a 700°C). A esta temperatura se mantiene (exposición isotérmica) hasta la completa transformación de la austenita en perlita y luego se enfría al aire libre. El recocido isotérmico es el mejor procedimiento para reducir la dureza y mejorar la maquinabilidad de los aceros. El recocido isotérmico reduce el tiempo de recocido en piezas pequeñas de 2 –3 veces. RECOCIDO ESFEROIDIZANTE.

Permite la transformación de la perlita laminar en granular, esferoidizada. Esto mejora la maquinabilidad del acero. El régimen de recocido para obtener la perlita granular es como sigue: El calentamiento del acero se efectúa hasta una temperatura algo mayor que TAC1 el posterior enfriamiento inicialmente hasta 780° C, luego hasta 550° - 600°C. Y en adelante en el aire.

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TRATAMIENTOS TERMICOS

El enfriamiento adecuado garantiza la descomposición de la austenita en perlita (Ferrita Cementita) granular, esferoidal. El recocido de esferoidización puede ser realizado también por medio de calentamiento variando periódicamente la temperatura en las proximidades de T AC1.

El

recocido

esferoidizante se emplea para los aceros que contienen más de 0,65% de Carbono P.e. Aceros para cojinetes de bolas. RECOCIDO DE RECRISTALIZACIÓN. Se emplea para eliminar el endurecimiento por deformación en frío, debido a la deformación plástica del metal producido durante el laminado en frío, estampado, embutido, etc. Al efectuar la deformación plástica del metal en frío, los granos se deforman y fragmenta ello aumenta la dureza del metal, reduce la plasticidad y provoca su fragilidad. En esto consiste la esencia del endurecimiento por deformación en frío, llamado también Acritud. El recocido de recristalización se realiza mediante el calentamiento hasta una temperatura inferior a Tac1. (650° a 700°C), el mantenimiento a esa temperatura y el enfriamiento lento. Al calentar el metal hasta las temperaturas indicada, aumenta la movilidad difusiva de los átomos en estado sólido transcurren los procesos de cristalización secundaria (recristalización).

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TRATAMIENTOS TERMICOS

En los límites de los granos deformados crecen nuevos granos globulares y la estructura deformada desaparece completamente, En este caso se restablece la estructura inicial y las propiedades del metal. El recocido de recristalización se utiliza a menudo como una operación intermedia en los procesos tecnológicos de laminación en frío, estampación, embutición profunda, trefilado, etc. T recr. =  * Tfusión 

= Coeficiente

Para metales y aleaciones técnicamente finas. 

= 0,3 a 0,4

Para aleaciones de soluciones sólidas 

= 0,5 a 0,6 en ocasiones alcanza 0,8

RECOCIDO DE RELAJACIÓN. Sirve para disminuir las tensiones internas aparecidas por operaciones anteriores como; fundición forja, soldadura, mecanizado. Para ello se calienta las piezas hasta temperaturas tales como 550° a 600°C. Permanecía durante 1 a 2 horas y a continuación se enfría muy lentamente con lo cual se consigue eliminar o disminuir las tensiones internas.

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TRATAMIENTOS TERMICOS

Resumiendo, se tiene en el diagrama hierro – carbono, todos los tipos de recocidos tratados.

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TRATAMIENTOS TERMICOS

NORMALIZADO. Es la operación de tratamiento térmico en la cual el acero es calentado hasta temperaturas superiores en 30° a 50° C a TAc3 o TAcm, y luego permanecía a esa temperatura y el posterior enfriamiento al aire. Durante el normalizado se reducen las tensiones internas, tiene lugar la recristalización del acero que afina la estructura de grano basto del metal, las uniones soldadas, piezas formadas o fundidas.

La normalización del acero en comparación con el recocido es un tratamiento térmico más corto, y como consecuencia de mayor rendimiento. Por ello los aceros al carbono son sometidos a la normalización y no al recocido. Al elevarse el contenido de Carbono en el acero, aumenta la diferencia de las propiedades entre el acero recocido y el normalizado. Así, para los aceros con hasta 0,2% de C. es preferible la normalización. Para aceros que contienen hasta 0,4 % C, el normalizado aumenta la dureza, lo que se debe tener en cuenta. Por ello no siempre el normalizado puede sustituir al recocido. Después del normalizado los aceros adquieren una estructura de grano fino, mayor resistencia y dureza que después del recocido. La normalización se emplea para afinar la estructura de grano grueso para mejorar la maquinabilidad y la estructura antes del temple. En el acero hipereutectoide el normalizado elimina la red de la Cementita secundaria. DEFECTOS DEL RECOCIDO Y NORMALIZADO. En estos tratamientos térmicos pueden aparecer los defectos siguientes: oxidación, descarburación, sobrecaletamiento requemado del metal. OXIDACIÓN.- Se produce al calentar las piezas de acero en hornos de reverbero o eléctricos, ___________________________________________________________________________________________________ DEPARTAMENTO DE MATERIALES ING. RODRIGO RUIZ O.

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TRATAMIENTOS TERMICOS

en los cuales la superficie de la pieza interacciona con los gases del horno, como resultado el metal se oxida en las piezas se forma una costra, un compuesto químico del metal con el oxígeno. Al elevar la temperatura y aumentando la duración del mantenimiento de la pieza a esa temperatura, se eleva bruscamente la oxidación.

La creación de la costra no solo afecta

negativamente por la perdida de metal, sino también daña la superficie de los metales, por lo cual debe ser limpiado o maquinado. DESCARBURACIÓN.- Es el quemado del carbono en la superficie de las piezas, ocurre por la oxidación del carbono antes que el Fe. La descarburación reduce bruscamente las propiedades de resistencia de los aceros. Para proteger las piezas contra la oxidación y por consiguiente también contra la descarburación. En el recocido y el normalizado se emplean atmósfera protectoras en el espacio de trabajo del hierro, también el tratamiento se hace en cajas o tubos cerrados con arcilla, así como en cajas llenas de carbón vegetal o de viruta de fundición. SOBRECALENTAMIENTO.-

A

temperaturas

excesivamente

altas

de

recocido

y

permanencias muy prolongadas en las piezas de acero se forma la estructura de grano grueso que se llama estructura de sobrecalentamiento: El sobrecalentamiento puede ocurrir al calentar los lingotes o las palanquillas para la deformación en caliente. El sobrecalentamiento provoca la reducción de las propiedades plásticas del acero.

El

sobrecalentamiento de un metal puede ser remediado con un posterior tratamiento térmico. REQUEMADO.- Es el resultado de un largo mantenimiento del metal en el horno a altas temperaturas, próxima a la temperatura de fusión, el oxígeno del aire ambiente a elevadas temperaturas penetra en el interior del metal y oxida los límites de los granos como resultado se debilita la unión mecánica entre los granos, el metal pierde la plasticidad se torna frágil. El requemado es un defecto irreparable. DEFORMACIÓN Y AGRIETAMIENTO.- Al calentar demasiado rápido las piezas, sobre todo las de grandes dimensiones, se produce la dilatación térmica de las capas exteriores debido a la cual en la zona central de la pieza pueden surgir las tensiones de tracción (tensiones térmicas) las cuales provocan la formación de grietas o la deformación de la pieza. Después de alcanzar la temperatura de recocido o normalizado es necesario uniformizar las temperaturas a todas las partes de las piezas, puesto que en calentamiento irregular hace que la estructura del metal no sea uniforme, por lo cual se obtienen distintas propiedades mecánicas en diversas secciones de las piezas.

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TRATAMIENTOS TERMICOS

TEMPLADO. Es el tratamiento térmico que consiste en el calentamiento del acero hasta la temperatura óptima, manteniéndolo así cierto tiempo y el subsiguiente enfriamiento rápido a una velocidad mayor que la crítica (Vcrit. es la mínima velocidad de enfriamiento, a la cual la austenita se transforma en martensita sin aparecer estructuras del tipo perlítico).

- Resultado del temple

- Aumenta la resistencia mecánica y la dureza. - Disminuye la ductilidad del acero.

- Parámetros fundamentales - Temperatura de calentamiento y velocidad de enfriamiento

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TEMPERATURA DE TEMPLE.

Para los aceros hipoeutectoides se deben calentar hasta la temperatura de 30° a 50° C por encima de la línea TA3 con este calentamiento la estructura Ferrita + Perlita se transforma en austenita. Al enfriarlo a una velocidad mayor que la crítica se obtienen la martensita. A este tipo de temple se le da el nombre de completo.

Si al acero hipoeutectoide se le calienta hasta una temperatura mayor que TA1 pero menor que TA3 la estructura Ferrita + Perlita se transforma en Austenita + Ferrita y al enfriarlo se obtienen junto con la martensita, zonas de ferrita. La presencia de ferrita como constituyente blando disminuye la dureza del Acero templado. Este tipo de temple se llama “Incompleto”. Los aceros hipereutectoides se calientan hasta una temperatura de 30° a 50° C por encima de TA1, es decir, en el intervalo 760° - 790° C.

Con este calentamiento la perlita se transforma totalmente en Austenita y la Cementita queda sin

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disolverse; la estructura consta de Austenita + Cementita; después del enfriamiento a una Venf > Vcrit, la austenita se transforma en martensita y la estructura del acero templado se compone de martensita + cementita, y una pequeña cantidad de austenita retenida. La presencia de la Cementita en la estructura aumenta la dureza y su resistencia al desgaste. Si el acero hipereutectoide se calienta a una temperatura mayor que TAcm, en la estructura habrá martensita con una elevada cantidad de austenita retenida. La presencia de austenita en la estructura disminuye la dureza. Todos los aceros hipereutectoides de someten a temple incompleto. La transformación de austenita en martensita se incia a cierta temperatura (denominada temperatura de inicio de la transfomración martensítica) TMi. Para que ocurra la transformación es indispensable el enfriamiento ininterrumpido de la austenita hasta una T < TMi, una vez que se alcanza determinada temperatura ( TMi ), termina la transformación de austenita en martensita.

La posición de las temperaturas TMi y TMf no depende de la velocidad de enfriamiento, sino de la composición química del acero.

TIEMPO DE CALENTAMIENTO.

El tiempo de calentamiento depende de la estructura de la instalación de calentamiento, En los hornos eléctricos soplados con aire la velocidad de calentamiento es de 0,8 – 1 minuto por 1 mm de sección. En el baño de sales esta velocidad es 2 veces mayor y en metal fundido (Plomo) tres o cuatro veces mayor. Alcanzada la temperatura determinada, la pieza se dejan reposar hasta que se uniformece la temperatura en toda la sección, finalice las transformaciones de fase y se homogenice la

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composicón de austenita en todo el volumen. Frecuentemente el tiempo de permanencia se toma igual a 1/5 del tiempo de calentamiento.

VELOCIDAD DE ENFRIAMIENTO.

El medio de enfriamiento (de temple) debe garantizar alta velocidad de enfriamiento para evitar la aparición de la estructura perlítica. En la zona de temple de la transformación martensítica (En el rango de temperaturas TMi hasta TMf ) es conveniente que el enfriamiento sea lento para disminuir las tensiones internas. Como medios de temple (enfriamiento) se puede tener el agua, soluciones de agua y diversas sales, aceite, el aire, etc. Durante el enfriamiento se distinguen tres etapas:

En la Etapa A, al rededor de la pieza se forma una camisa de vapor a través del cual se evacua el calor, siendo su velocidad de enfriamiento pequeña. Esta etapa se denomina “Ebullición con película”. En la Etapa B, la camisa de vapor se rompe y el líquido entra en contacto con la pieza caliente formando en su superficie burbujas. En este periodo el enfriamiento transcurre a gran velocidad. Etapa que se llama efervescencia de burbujas. En la Etapa C.- el calor se evacua por convección con una velocidad de enfriamiento bastante pequeña. Como medio de temple el agua posee alta velocidad de enfriamiento, pero tiene algunos inconvenientes: la capacidad de enfriamiento disminuye bruscamente al elevarse su temperatura; posee alta velocidad de enfriamiento a las temperaturas de formación de la martensiita. Para mejorar esta características, se pueden usar las sales disueltas en el agua. ___________________________________________________________________________________________________ DEPARTAMENTO DE MATERIALES ING. RODRIGO RUIZ O.

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TRATAMIENTOS TERMICOS

El aceite mineral enfría más lenta y uniformemente que el agua y sus disoluciones. La capacidad enfriadora del aceite queda invariable al aumentar la temperatura de 20° a 180° C. Los defectos del aceite son: la inflamabiildada; propensión a espesar el transccurrir el tiempo, lo que disminuye su poder templante, en las piezas puede dejar manchas por quemaduras.

MÉTODOS PARA TEMPLAR.- Dependiendo de la configuración de la pieza, del tipo de acero de las propiedades requeridas, se aplican diferentes métodos de temple. TEMPLE EN UN SOLO MEDIO. La pieza se calienta hasta la temperatura de temple se enfría en un solo refrigerante.

Si el

medio de enfriamiento es líquido, para el enfriameinto uniforme, la pieza una vez sumergida, se desplaza hacia arriba hacia abajo o en círiculo o con ayuda de paletas se mueve el líquido. Se puede hacer el templado local o total (chorro de agua en el sitio).

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El inconveniente del temple en un solo medio es el aparecimiento de considerables tensiones internas que pueden provocar la aparición de grietas. TEMPLE PROGRAMADO. Las piezas al principio se enfrían en el agua hasta una temperatura un poco mayor a TMi luego se las traslada rápidamente a otro medio (aceite, etc.) en el que se deja enfriar hasta 20°C. EN el segundo medio disminuye las tensiones internas de transformación de Austenita en martensita. Se usa para templar acero de alto carbono. Se requiere gran habilidad del operador.

TEMPLE ESCALONADO. La pieza caliente se enfría en el medio para templar con una temperatura algo superior a T Mi, y se mantiene en el hasta que la temperatura se uniformice. Este mantenimiento no debe ser muy prolongado para que la austenita no se transforme en bainita. Luego sigue el enfriamiento final al aire durante el cual la austenita se transforma en martensita. Aquí se reduce las variaciones volumétricas, las deformaciones y el peligro de que se formen grietas.

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TRATAMIENTOS TERMICOS

TEMPLE ISOTÉRMICO. Se hace del mismo modo que el escalonado con la particularidad de que es más prolongada la permanencia en el medio para templar. Durante esta permanencia se produce la transformación isotérmica de

la austienita formando bainita. (230° a 250° C).

Normalmente al temple

isotérmico se someten los aceros aleados. Como medio de enfriamiento se usan soluciones de sales de agua.

TEMPLE CON AUTOREVENIDO. De la pieza caliente a templar, solo la parte de trabajo de la pieza se sumerge en el medio refrigerante sacándola después de una breve permanencia. La parte de trabajo de la pieza se calienta nuevamente por el calor de aquella parte que no se sumergió en el medio.

La

temperatura de revenido se determina por los colores de revenido que aparecen en la superficie de la pieza así: Amarillo claro

280° C

Marrón

225° C

Azul oscuro Gris

295° -310° C 330 ° C

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TRATAMIENTOS TERMICOS

El calentamiento ulterior se interrumpe iniciándose inmediatamente el enfriamiento de toda la pieza en el agua.

TEMPLE A TEMPERATURAS BAJO CERO. Consiste en la continuación del enfriamiento del acero templado hasta una temperatura inferior a + 20° C pero no menor que el punto M fin. La finalidad del método es la transformación más completa de la austenita retenida en martensita. El tratamiento a temperaturas bajo cero, solamente para los aceros cuyo punto Mf. Del final de la transformación martensítica está situado a temperaturas inferiores a la temperatura ambienteCuando se trata de aceros al carbono este tratamiento es racional si su contenido de carbono supera 0,6%.

Este tratamiento

representa una parte del ciclo total de tratamiento térmico y se realiza

inmediatamente después del teimple puesto que la pausa en el

enfriamiento estabiliza la

austenita disminuye el efecto del tratamiento. Como resultado del tratamiento aumenta la dureza, incrementa el volumen y se estabilizan las dimensiones de las piezas.

Para el

enfriamiento se utilizan habitualmente anhídrido carbónico con acetona (-78°C). PROPIEDAD DE ENDURECIMIENTO Y TEMPLABILIDAD DEL ACERO. Por propiedad de endurecimiento se entiende la capacidad del acero de adquirir gran dureza después de realizado el temple. Esta propiedad depende en lo fundamental del contenido de carbono en el acero. Cuanto más carbono hay en el acero tanto mayor es su dureza después del temple. Se denomina templabilidad de los aceros su propiedad de templarse hasta una profundidad determinada.Es decir, la capacidad del acero de formar estructura martencítica o troostitomartencítica hasta determinada profundidad. La templabilidad del acero depende de la estabilidad de la Austenita subenfriada y, por ___________________________________________________________________________________________________ DEPARTAMENTO DE MATERIALES ING. RODRIGO RUIZ O.

TRATAMIENTOS TERMICOS

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consiguiente de la velocidad crítica de enfriamiento.

Profundiad de templabilidad: se entiende la distancia desde la superficie hasta la capa con estructura semimartensitica compuesta de un 50% de martensita un 50% de troostita. La profundidad de templabilidad depende de la composición química del acero o más exactamente del valor de la velocidad crítica del temple: cuanto mayor sea Vcrit tanto mayor es la profundidad de templabilidad.

La figura muestra la profundidad de temple (parte rayada de la sección) de varias probetas de diversos diámetros, de un mismo acero, templadas en agua y en aceite. La distribución de las zonas templadas y no templadas indica que, para cada medio de enfriamiento, existe una sección máxima que se templa en todo su diámetro (Dc), entonces Dcaceite < Dcagua. Porque el aceite enfria más lentamente que el agua. El diámetro crítico, indica la sección máxima que se templa hasta el núcleo al utilizar un determinado medio de enfriamiento. El diámetro crítico es una magnitud importante y conveniente para seleccionar el tipo de acero para fabricar la pieza.

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TRATAMIENTOS TERMICOS

TEMPLE SUPERFICIAL. En la construcción de maquinaria moderna se aplica en gran escala el temple superficial, con el fin de conseguir la estructura martensítica en la capa superficial, conservando el núcleo blanco (árboles, ruedas dentadas). Esto se consigue mediante un calenteamiento de la capa superficial de la pieza hasta la temperatura de temple y su posterior enfriamiento. Temple por calentamiento con llama del soplete de gas (flameado) La capa superficial de la pieza se calienta con la llama de un soplete de oxiacetileno hasta la temperatura de temple se enfría con un chorro de agua. El espesor de la capa templada constituye habitualmente de 2 a 5 mm y su dureza es la misma que en el caso del temple. Este método se emplea principalmente para el temple de piezas grandes.

Temple superficial con corriente de Alta Frecuancia Durante el calentamiento con corriente de alta frecuencia pueden templarse piezas de diversa configuración es posible automarizar totalmente el proceso de temple. El calentamiento con corriente de alta frecuencia se diferencia de otros métodos, porque el calor se genera en la propia pieza, mientras que al calentar en hornos, en baños de sales, con llama de gas el calor se propaga desde la superficie hacia el centro por conductividad térmica.

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Debido al calentamiento rápido (durante varios segundos), para producir todas las transformaciones en el acero es necesaria una temperatura de temple superior a la temperatura de temple normal en unos 100° a 200°C, lo que no provoca el crecimiento de grano del acero. En relación con el temple ordinario, el acero templado con el calentamiento con corriente de alta frecuencia; presenta las siguientes ventajas; una microestructura más fina; dureza más alta, buena resistencia al desgaste elevada resistencia mecánica para una disminución relativamente pequeñas de la tenacidad y un límite de fatiga más alto. La corriente de alta frecuencia para el calentamiento del metal por inducción se obtiene de un motor generador (de 500 a 5000 e incluso hasta 15000 Hz de frecuencia) o de un generador electrónico (de hasta 10’000.000 Hz). La distribución de la corriente alterna por la sección de un conductor no es uniforme. La densidad de la corriente es mayor en la superficie que en el núcleo. Prácticamente se considera que la corriente pasa por una capa superficial cuya profundidad (  ) depende de la frecuencia:

donde: f es la frecuencia de la corriente, Hz; , la profundidad a que penetra, cm; , la resistividad eléctrica, . Mm /m; , la permeabilidad magnética, T.m / A;

De esta ecuacón se deduce que cuanto mayor sea la frecuencia, tanto menor será la profundidad de penetración de la corriente ( ). Por lo tanto, para conseguir una capa endurecida de 1 mm de espesor la frecuencia óptima de la corriente es 60.000 Hz, aproximadamente, para una capa de 2 mm, cerca de 15.000 Hz y para una capa de 4 mm, unos 4.000 Hz Y para el caso de espesores de pocas micras, se recomienda frecuencias de 200.000 a 300.000 Hz. DEFECTOS QUE PUEDEN ORIGINARSE DURANTE EL TEMPLE

La dureza insuficiente de la pieza templada se ocasiona por un calentamiento incompleto o por ___________________________________________________________________________________________________ DEPARTAMENTO DE MATERIALES ING. RODRIGO RUIZ O.

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TRATAMIENTOS TERMICOS

falta de rapidez en el enfriamiento con un velocidad inferior a la Velocidad crítica. La dureza por manchas es resultado del calentamiento irregular del acero antes de templarlo o del enfriamiento irregular.Ambos tipos de defectos se evitan observando los regímenes de calentamiento enfriamiento, con un normalizado previo para obtener una estructura homogénea. Ambos defectos pueden ser eliminados con el temple reiterado. La oxidación y descarburación de la superficie: es el resultado del calentamiento de las piezas en hornos con atmósfera oxidante. Una medida eficaz para evitar este defecto consiste en calentar la pieza en hornos con una atmósfera protectora o en baños de sales. La distorsión (deformación de la pieza): grietas ocurren a causa de las grandes tensiones que aparecen en el curso del temple, debido a que se obtienen distintas estructuras con volumen específico diferente a causa del enfriamiento irregular de las diferentes partes de la pieza (ángulos agudos, cambios bruscos de sección). Las piezas de forma complicada hay que fabricarlas de un acero que tenga una menor velocidad crítica de temple. Las grietas son defectos irreversibles. La distorsión se puede eliminar con el enderezamiento o rectificado después del revenido.

REVENIDO DEL ACERO. Es el tratamiento térmico en el cual el acero se calienta hasta una temperatura inferior a TA1, se mantiene a esta temperatura prefijada y después se enfría a una velocidad determinada (normalmente, al aire). El revenido es la operación final del tratamiento térmico que se realiza después del temple a fin de disminuir las tensiones internas obtener estructuras de mayor equilibrio. - Las tensiones en las piezas templadas pueden eliminarse tanto más completamente cuanto más alta sea la temperatura de revenido. - Por otro lado al bajar la velocidad de enfriamiento, disminuye la magnitud de las tensiones residuales. - Las tensiones que se producen después del revenido en aire o aceite son 7 o 2,5 veces menores respectivamente que las tensiones que aparecen después de efectuar el revenido en el agua. - Las características del revenido son: disminución de la dureza y resistencia, en tanto que crecen los índices de plasticidad. Se tienen tres tipos de revenidos: Revenido a Bajas temperaturas. Se realiza en la zona de temperaturas de 80° a 200° C. Este revenido sirve para reducir el grado de tetragonalidad de la red cristalina de martensita a causa de que el carbono se separa en forma ___________________________________________________________________________________________________ DEPARTAMENTO DE MATERIALES ING. RODRIGO RUIZ O.

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de carbono . Esta red está enlazada coherentemente con la de martensita, o sea, que ambas tienen algunos planos cristalográficos comunes.

Las tensiones internas disminuyen quedando invariable ala dureza del acero. Como resultado del revenido a baja temperatura la martensita templada se transforma en la revenida que es de elevada resiliencia y plasticidad. A este revenido se someten las herramientas cortantes y de medida, fabricadas con acero al carbono de baja aleación. Así también las piezas después del temple superficial la cementación. La duración del revenido es de 1 – 2,5 horas. Revenido a temperaturas medianas. Se realiza entre 350° - 500° C, a las cuales el carbono E se transforma en Cementita que se separa de la red cristalina de la solución sólida. La formación de la Cementita el aumento de sus granos van acompañadas de una disminución de dureza aumento de plasticidad.

En este revenido se forma la mezcla ferrito - cementitica dispersa que tiene estructura granulosa de Cementita. Esta estrucutra se denomina troostita de revenido. A este revenido se someten los resortes, muelles, estampas. Este tratamiento puede realizarse en sales fundidas en hornos eléctricos de aire caliente. Revenido en Alta Temperatura. ___________________________________________________________________________________________________ DEPARTAMENTO DE MATERIALES ING. RODRIGO RUIZ O.

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Se efectúa entre 500° – 600° C. Sirve para eliminar totalmente las tensiones internas la formación de las partículas de Cementita.

Resultado, disminuye la dureza, pero aumenta notablemente su plasticidad y resiliencia. La estructura formada se llama sorbita de revenido. Constituida por masa ferritica que tienen inclusiones de partículas de Cementita. El revenido en alta temperatura se utiliza para piezas que en su funcionamiento experimentan grandes tensiones resistencias al choque. Este tratamiento puede realizarse en sales fundidas hornos eléctricos. Las propiedades después de este revenido son mejores que después del recocido.

El tratamiento térmico que consiste primero en el temple luego en el revenido a alta temperatura recibe el nombre de bonificado (mejoramiento). A temperaturas entre 250° a 350° C. Se produce la transformación de la austenita residual en ___________________________________________________________________________________________________ DEPARTAMENTO DE MATERIALES ING. RODRIGO RUIZ O.

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TRATAMIENTOS TERMICOS

martensita revenida.

ACEROS ALEADOS. Son aquellos aceros en los cuales con el objetivo de obtener propiedades necesarias se introducen elementos de aleación. Elementos de aleación: Son los elementos que se adicionan al acero en determinadas concentraciones con el fin de variar su estructura y propiedades.

INFLUENCIA DE LOS ELEMENTOS DE ALEACIÓN EN LOS ACEROS. Al analizar el efecto de los elementos de aleación sobre el hierro o sobre aleaciones hierro carbono, hay que distinguir entre dos grandes grupos de elementos que desplazan las temperaturas de transformación A3 y Am hacia valores más bajos. Al segundo grupo corresponden los elementos que elevan las temperaturas de transformación A3 y Am a medida que aumenta la proporción de aleantes. ELEMENTOS DE ALEACIÓN QUE AMPLIAN LA REGIÓN AUSTENITICA (  ).

Los elementos de aleación que amplían la región  sin la aparición de una nueva fase son el níquel, manganeso y cobalto. Los elementos que amplían la región austenìtica, pero que marcan un límite a la zona por la aparición de otra fase, son el carbono, el nitrógeno y cobre. A este grupo pertenecen además los elementos: zinc, oro y renio, los cuales no tienen utilidad en la práctica.

ELEMENTOS DE ALEACIÓN QUE DISMINUYEN LA REGIÓN AUSTENITICA (  ). Aquí también aparecen dos subgrupos. Al primer grupo, pertenecen elementos que originan una ___________________________________________________________________________________________________ DEPARTAMENTO DE MATERIALES ING. RODRIGO RUIZ O.

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reducción completa de la región, las cuales pertenecen al grupo del hierro, como son: el cromo, volframio, molibdeno, vanadio y titanio, así como el silicio, aluminio, fósforo berilio. A dicho grupo hay que añadir además el arsénico, estaño y antimonio. Sin embargo estos últimos carecen de interés como elementos de aleación a no ser que existan como impurezas fortuitas del acero. Al segundo grupo pertenecen elementos, que reducen la región, pero está limitada por la aparición de otra fase, dichos elementos son el tantalio, niobio, circonio y cerio. Los dos primeros elementos han llegado a tener importancia en la fabricación de los aceros cromo – níquel austeníticos, soldables; en tanto que los dos últimos suelen emplearse en pequeñas cantidades para la elaboración de aceros resistentes al calor. (Fig.).

En los aceros aleados los elementos de aleación pueden encontrarse.

1. El estado libre (el cobre y el plomo se hallan en forma de inclusiones metálicas). 2. En forma de compuestos intermetálicos con el hierro o entre si (forman la mayoría de los elementos de aleación). 3. En forma de oxidados y sulfuros (los óxidos los forman todos los elementos que se introducen para desoxidar el acero). Los sulfuros, los forman los elementos que poseen mayor afinidad con azufre que con hierro. 4. En forma de carburos (muchos elementos que tienen afinidad con carbono pueden disolverse en la Cementita o formar carburos independientes). 5. Formando soluciones en el hierro (Los elementos situados a la izquierda del hierro en la tabla periódica, se pueden tanto disolver como formar carburos, los que están a la derecha forman soluciones sólidas de hierro). ___________________________________________________________________________________________________ DEPARTAMENTO DE MATERIALES ING. RODRIGO RUIZ O.

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INFLUENCIA DE LOS ELEMENTOS DE ALEACIÓN SOBRE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS. 

Elementos de aleación que amplían la región .

En estas aleaciones la formación de la perlita (Ferrita + Cementita) tiene lugar a temperaturas bajas. La transformación de la austenita en ferrita y Cementita se situa en regiones, en las que la velocidad de difusión es considerablemente menor, a causa de las bajas temperaturas. Por lo tanto, la adición de la perlita, lo que significa que con la aplicación de los mismos medios de enfriameiento que se aplican a los aceros no aleados, se consignan mayores profundidades de temple, dado que la velocidad de enfriamietno es mayor que la de fromación de la perlita. Por otra parte, para conseguir profundidades de temple iguales a las que se logran en aceros al carbono, es posible emplear medio más suaves de enfriamiento, con el fin de reducir la deformación y el riesgo de agrietamientos.

La disminución de la velocidad máxima de transformación perlítica, además, tiene como causa que la difusión de los átomos de carbono se ve obstaculizado por los átomos extraños que se han incorporado en la red. Tanto en el manganeso como en el Níquel, forman con el hierro soluciones sólidas de sustitución, es decir, que en la red cristalina, uno o más átomos de Mn o Ni. Ahora bien, en los tres elementos citados el radio atómico es aproximadamente igual a 1,2 A° (1 A° = 10-8 cm) siendo el hierro el que lo tiene menor. Debido a que los átomos no tienen exactamente la misma dimensión, la ocupación de una red por átomos extraños tiene como consecuencia modificaciones de la movilidad de los átomos de carbono, lo cual conlleva la disminución de su velocidad de difusión, lo cual ayuda a la reducción de la velocidad de formación de perlita y, por lo tanto, aumenta la profundidad de temple.

La influencia de los elementos de aleación no repercute solamente sobre las transformaciones en la zona de perlita, sino con frecuencia también sobre la zona de martensita. Así tanto el manganeso como el níquel dan lugar a un desplazamiento de la formación de martensita hacia temperaturas más bajas. Pero, si se añaden cantidades suficientes de manganeso o níquel dan lugar a un desplazamiento de la formación de martensita hacia temperaturas más bajas. Si se añaden cantidades suficiente de manganeso o níquel, puede no alcanzarse el comienzo de la formación de martensita, incluso a temperatura ambiente,. En este caso el acero está formado

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por una solución sólida sin transformar. Tales aceros se denominan, conforme a su estructura a la temperatura ambiente, aceros austeníticos, que tienen características completamente diferentes de los transformados en la zona martensítica o en la zona perlítica. Por ejemplo, en estos aceros no se producen una transformación magnética, por tanto los aceros austeníticos no son magnéticos, además son suaves, extraordinariamente dúctiles, insensibles a los choques y tienen altos valores de resistencia, la fluencia a temperaturas elevadas es mucho mayor que en los que experimentan transformación. No obstante, es un inconveniente, la elevada acritud que toman por deformación en frío, la que se pone de manifiesto durante el maquinado.

La

estructura austenítica repercute en la resistencia a la corrosión, capacidad de pulido, características y conductividad térmica.

La presencia del Ni, Mn, Cu, Co, retardan la transformación de la austenita, porque desplazan la línea de iniciación de la transformación de austenita en perlita hacia la derecha, resultado de lo cual se eleva la estabilidad de la austenita subenfriada.

b) Elementos de aleación que disminuyen la región . En estas aleaciones la temperatura de transformación A3 se desplaza hacia temperaturas más altas, por lo tanto, la máxima velocidad de transformación de perlita, debe hallarse también a temperaturas más elevadas. Esto significaría, que debido a la alta velocidad de difusión, la transformación tendría que desarrollarse más deprisa que en los aceros no aleados.

La

consecuencia sería una menor profundidad de temple, pero, esta profundidad de temple no disminuye en realidad, sino que aumenta considerablemente. La razón se encuentra en que los

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elementos de aleación que por lo general se añaden a las aleaciones hierro – carbono, son los metales, cromo, vanadio, volframio, molibdeno, tantalio, niobio, titanio (por orden de menor tamaño atómico). Estos elementos de aleación, con el carbono existen en el acero, forman carburos especiales, cuyo comportamiento es más o menos estable, frente a la propensión a su disolución. En los procesos de precipitación y disolución estos carburos especiales tienen un comportamiento bastante más lento que el carburo de hierro, lo mismo para su formación que para su disolución. Puesto que tanto el carburo como el elemento de aleación debe experimentar una migración por difusión, esto influye tanto en la transformación austenita en ferrita o perlita, así como también en la precipitación de los carburos desde la martensita durante el revenido.

En cuanto a la formación de perlita, lo dicho significa que se retrasa, es decir, se contrarresta el aumento de la velocidad de transformación producido por una temperatura de transformación más alta, todo ello da lugar en general al retraso de la transformación a un aumento de la profundidad de temple.

TRATAMIENTO TÉRMICO DE LOS ACEROS ALEADOS. El tratamiento térmico de los aceros aleados en comparación con el tratamiento de los aceros al carbono, tiene una serie de particularidades tecnológicas. Estas particularidades consisten en la diferencia de las temperaturas y velocidades de calentamiento, la duración del tiempo de ___________________________________________________________________________________________________ DEPARTAMENTO DE MATERIALES ING. RODRIGO RUIZ O.

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permanencia a estas temperaturas y el modo de enfriamiento. Las TEMPERATURAS CRÍTICAS de algunos aceros aleados son superiores y de otros inferiores a las de los aceros al carbono. Todos los elementos de aleación es posible dividirlos en dos grupos: los elementos (Cr, V, W, Si, Ti y otros) que elevan los puntos críticos A1 y A3, y como consecuencia también la temperatura de calentamiento durante el tratamiento térmico (recocido, normalizado y temple), y los elementos (Mn, Ni, Cu y otros) que hacen descender los puntos críticos. Para los aceros aleados se requiere MAYOR tiempo de calentamiento, puesto que estos tienen peor conductividad térmica que los aceros al carbono.

También, requieren un largo

mantenimiento a elevadas temperaturas para obtener mejores propiedades mecánicas, ya que ello asegura una completa solubilidad de los carburos de aleación en la austenita. La velocidad de enfriamiento para el tratamiento térmico se determina en correspondencia con la estabilidad de la austenita subenfriada y el valor de la velocidad de temple crítica. Prácticamente muchos aceros aleados se templan en aceite, es decir, a una velocidad de enfriamiento menor que el acero al carbono. Los aceros aleados poseen una mayor capacidad de temple que los aceros al carbono. Cuanto mayor es el grado de aleación de los aceros. TEMPLE Y REVENIDO DE LOS ACEROS DE BAJA ALEACIÓN. Los aceros de baja aleación, contienen aproximadamente de un 0,8% a 1,7% de carbono y en total menos de 5% de elementos aleantes (cromo, tungsteno, níquel, molibdeno, vanadio, etc.). CALENTAMIENTO.- Según sea su composición se calienta a una temperatura de temple de 780° a 850° C (colores de incandescencia rojo cereza al rojo claro).

La velocidad de

calentamiento del acero aleado debe ser tanto más pequeña cuanto más bajo es el contenido de elementos de aleación.

Todos los elementos de aleación (salvo el cobalto) empeoran la

termoconductividad del acero, en virtud de lo cual, para evitar las deformaciones de las piezas, los agrietamientos internos y otros defectos que se producen por la gran diferencia de temperaturas en la superficie y en el núcleo, las piezas de aceros aleados se calientan más lenta y uniformemente que las de acero al carbono. El tiempo de PERMANENCIA a esa temperatura deberá ser el suficiente para que se uniformice la temperatura y debe ser un cuarto del tiempo de calentamiento. ENFRIAMIENTO.-

La velocidad de enfriamiento de los aceros aleados depende de las

propiedades mecánicas que se desean obtener, pero siempre es considerablemente menor que la de los aceros al carbono. En general, se los templa en aceite, pocas veces en agua.

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En lugar de aceite se pueden usar sales fundidas a unos 200°C, en las que se introducen las piezas en el baño hasta que haya obtenido dicha temperatura, a continuación se expone al aire sin corrientes, para enfriarlas hasta la temperatura ambiente. Este temple, se denomina en baño caliente o temple e escalonado, y tiene la ventaja de que se evitan casi por completo las deformaciones y el peligro de agrietamientos. REVENIDO.- Las temperaturas de revenido son de 220° C a 320° C. Todo el tratamiento térmico es parecido al de los aceros al carbono, aunque se debe aclarar que en los aceros aleados la velocidad de enfriamiento influye en las propiedades mecanicas, sobre todo en la resiliencia.

TEMPLE Y REVENIDO DE LOS ACEROS FUERTEMENTE ALEADOS.Son los aceros que tienen más del 5 % de elementos de aleación, su contenido de carbono está comprendido entre el 0,3% a 2% puede contener hasta un 18% de tungsteno, un 11% de cobalto y otros elementos como molibdeno, cromo, vanadio, ec.

CALENTAMIENTO.- Las temperaturas de temple están comprendidas entre 950° a 1200° C y en aceros rápidos llega hasta 1350°C (colores de incandeciencia del amarillo, rojo hasta el amarillo blanco). Debe mantenerse del modo más exacto que se pueda, la temperatura prescripta por el fabricante.

TIEMPO DE PERMANENCIA.- Identico que en el caso de los aceros de baja aleación. ENFRIAMIENTO.- Los aceros de alta aleación se templan en aceite, baño caliente o con un chorro de aire caliente a presión (temple al aire). En caso de temple en baño caliente la temperatura del baño es de 400° a 600°C. A continuación se enfria hasta la temperatura ambiente, exponiendo la pieza al aire sin corrientes. Los aceros fuertemente aleados se templan completamente y se deforman poco.

REVENIDO.- Las temperatura de revenido son más altas (450° a 500°C), porque muchos elementos aleantes desplazan los procesos de ablandamiento durante el calentamiento de los aceros templados a zonas de temperaturas más altas, es decir, elevan la estabilidad del acero revenido.

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Durante el revenido de algunos aceros aleados (aceros al cromo-niquel, al cromo-manganeso, etc), se observa una brusca reducción de la resilencia, este fenómento se denomina fragilidad de revenido. Se distinguen dos tipos de fragilidad de revenido, la irreversible o fragilidad de I género que se advierte en todos los aceros en las zonas de temperatura de 250°-350°C y la reversible o fragilidad de II género que se observa en los aceros aleados en la zona de temperaturas de 459° a 600°C. Por fragilidad de revenido se entiende la disminución brusca de la resiliencia durante el revenido del acero. La fragilidad de I género, no depende de la velocidad de enfriamiento y es motivada por las siguientes causas: la transformación de la austenita residual en martensita y la descomposición no uniforme de martensita formando la cementita en los límites de grano durante el revenido.

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TRATAMIENTOS TERMICOS

ENDURECIMIENTO SUPERFICIAL DE LOS PRODUCTOS DE ACERO. TRATAMIENTO TERMOQUÍMICO DEL ACERO

Tratamiento Termoquímica.- Es la operación en la cual el metal se somete a la acción térmica y química cuya finalidad es cambiar la composición, la estructura y las propiedades de la capa superficial del acero. El tratamiento Termoquímico se basa en la difusión, es decir, en la penetración en el acero de los átomos de diferentes elementos. Esta operación solo tiene lugar cuando el elemento que se difunde forma con el metal principal una solución sólida o un compuesto químico. El proceso de tratamiento Termoquímica se compone de tres etapas: 

Descomposición de las moléculas y la formación de átomos activos del elemento que difunde. P.e.:

2CO 

CO2 + C

2NH3  3H2 + 2N 

La adsorción cuando los átomos del elemento que difunde se ponen en contacto con la superficie de la pieza de acero formando enlaces químicos con los átomos del metal.



La difusión, es decir, la penetración del elemento de saturación hacia la zona interior del metal.

Al penetrar los átomos que se difunden en la red de disolvente, la velocidad de difusión (coeficiente de difusión) será más alta, siempre y cuando en la reacción se formen disoluciones sólidas intersticiales y considerablemente menor cuando se formen disoluciones sólidas de sustitución. La concentración del elemento que difunde en la superficie depende e la afluencia de los átomos de dicho elemento o ésta de la velocidad de los procesos de difusión, o sea, de la transmisión de éstos átomos hacia el interior del metal. El espesor de la carpa de difusión depende

de la temperatura de calentamiento, de la

permanencia en ella durante la saturación y de la concentración del elemento difusible en la superficie. En dependencia de la duración del proceso el espesor de la capa e determina según la ley: Y = Kt ___________________________________________________________________________________________________ DEPARTAMENTO DE MATERIALES ING. RODRIGO RUIZ O.

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Al transcurrir el tiempo la velocidad del aumento del espesor de la capa va disminuyendo.

Cuanto más alta sea la concentración del elemento difusible en la superficie de la pieza, tantomayor será el espesor de la capa.

Cuanto más elevada sea la temperatura del proceso, tanto más alta será la velocidad de difusión de los átomos y, en consecuencia, aumentará el espesor de la capa de difusión.

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TRATAMIENTOS TERMICOS

Los límites de los granos son la zonas donde los procesos de difusión son facilitados por: La presencia de un gran número de defectos en la estructura cristalina. Cuando la solubilidad del elemento difusible en el metal es pequeña, con frecuencia se observa la difusión preponderante en los límites de granos. En los momentos de las transformaciones de fase la difusión transcurre con mayor rapidez.

CLASIFICACIÓN DE LOS TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS (Ver cuadro sinóptico)

CEMENTACIÓN Es el proceso de saturación con átomos de carbono de la capa superficial de las piezas de acero. La cementación se realiza con el objeto de obtener alta dureza en la superficie de la pieza conservando la tenacidad en su núcleo, además ésta contribuye al aumento de la resistencia al desgaste y del límite de fatiga.

A cementación se someten piezas fabricadas con aceros de bajo contenido de carbono (hasta 0,25% de C) que trabajan en condiciones de desgaste por contacto bajo la acción de cargas de signos alternos (casquillos, pernos de émbolos, levas, columnas, etc.). Las piezas se llevan a la cementación después de haberlas tratado mecánicamente, sobrepasar de 0,05 a 0,10 mm para el rectificado.

Las zonas no destinadas a la cementación deben ser protegidas con una delgada capa de cobre (0,02 – 0,04 mm) que se ponen por procedimiento electrolítico, o bien con pastas especiales que ___________________________________________________________________________________________________ DEPARTAMENTO DE MATERIALES ING. RODRIGO RUIZ O.

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TRATAMIENTOS TERMICOS

son mezclas de arcilla refractaria, arena, amianto base de vidrio líquido. La cementación se realiza a temperaturas superiores a A3 (900º – 950°C). Cuanto menor contenido de Carbono tenga el acero, tanto más

elevada deberá ser la temperatura de

calentamiento para la cementación.

Como resultado de la cementación, el contenido de carbono en la capa superficial constituye de 0,8 - 1%. Una concentración más alta favorece la fragilización de la capa ccementada. En la capa cementada el contendido de Carbono es variable, y se puede advertir tres zonas: la hipereutectoide, formada por perlita y Cementita, la eutectoide, formada por perlita y la hipoeutectoide, compuesta por perlita y ferrita.

El espesor de la capa cementada es la suma de las zonas hipereutectoide, eutectoide y la mitad de hipoeutctoide. Normalmente, el espesor de la capa alcanza 0,8 – 1,4 mm para la mayoría de los aceros.

TECNOLOGIA DE LA CEMENTACIÓN. La cementación puede llevarse a cabo en un medio; sólido, líquido y gaseoso, y a estos medios

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se les da el nombre de carburizador o cementante.

Cementación en medio sólido.- De carburizador puede servir el carbón vegetal activado (de roble o de abedul), al semicoque de hulla y el coque de turba. Para acelerar el procedimiento, al carbón vegetal se adicionan activadores como el CaCO3 (carbonato de Bario), Na2CO3 (carhbonato de sosa) y la potasa K2CO3 en cantidades de 10% a 40% de la masa de Carbono. Las piezas preparadas para la cementación se colocan en una caja metálicam, en cuyo fondo tienen una capa de cementante de 20 a 30 mm de espesor. Las piezas se dispoen en capas a 10 – 15 mm una de otra cada capa de las piezas que cubre con cementante, poniendo luego otra capa de pliezas, etc. La última capa se recubre bien con cementante, se cierra la tapa en cuyos bordes se suele poner arcilla refractaria o una mezcla de arcilla y arena. Luego la capa se introduce en el horno a una temperatura 900 – 980°C. El tiempo de calentamiento se determina multiplicando de 7 a 9 minutos por la dimensión (en cm) míiima de la caja. En la caja entre las cpartiículas de carbono hay aire y el oxígeno reacciona con el carbono del cementante formando CO. Este el ponerse en contacto con la superficie de las piezas, se disocia seg{un la reacción 2CO  CO2 + C. El carbono atómico naciente se difunde hacia el interior del metal. Adicionando carbonatos de puede activar el proceso de cementación ya que se dan las reacciones siguietes: BaCO3 + C  BaO2 + 2CO La permanencia a la temperatura de cementación en el horno depende de que espesor de la capa cementada se desea obtener. En la práctica la permanencia se calcula tomando en consideración que dicha capa crece con velocidad de 0,1 mm por una hora. P.e. la capa de 1mm de espesor de obtiene en 9,5 a 10,4 horas. Para controlar la marcha del proceso y el espesor de la capa cementada en la caja, junto con las piezas se colocan probetas redondeas (o cuadradas) de 10 a 15 mm de diámetro del mismo acero que las piezas. Al efectuar la cementación las probetas se sacan periódicamente, se rompen y según su fractura se determina el espesor de la capa cementada. Después de la cementación las piezas deben someterse a la normalización para conseguir grano fino, después del temple y revenido a baja temperatura. Como resultado de este tratamiento la capa superficial adquiere estructura de martensita revenida con inclusiones carburos excesivos con dureza HRC 60 a63. La estructura del núcleo central depende de la composición del acero y del régimen de temple. ___________________________________________________________________________________________________ DEPARTAMENTO DE MATERIALES ING. RODRIGO RUIZ O.

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En los aceros al carbono ella está formada por ferrita y sorbita o troostita, y en los aleados, por martensita pobre en carbono.

Cementación con pastas.- El procedimiento consiste en que en la superficie de la pieza a tratar se pone una capa de sustancia en forma de suspensión, masilla o mezcla pastosa. Después esta se seca y la pieza se calienta hasta la temperatura de cementación. El tipo de pasta determina el procedimiento para aplicarla. Si la pasta es de consistencia relativamente líquida, las piezas se sumergen en ellas, y cuando es más espesa se aplica con brocaha. El espesor de la capa de pasta debe ser 6 a 8 veces mayor que la profundidad prefijada de la capa cementada. Los componenetes principales de las pastas son: el negro de humo (de gas, de acetileno) y de coque pobre en azufre, de 20 a 40% de carbonato sódico o potásico (Na2CO3, K2CO3) 0 a 20% de carbonato de bario, 15% de ferrocianuro potásico. Procurando no destruir la capa de pasta, las piezas se colocan una sobre otra en una caja metálica y se cierra con una tapa. La caja se introduce en el horno a una temperatura de 950° a 1050°; cuanto más alta sea la temperatura de calentamiento tanto menor será la duración del proceso. Terminada la permanencia da dicha temperatura las piezas se dejan enfriar al aire en las cajas. También se puede realizar un enfriamiento ligero hasta la temperatura de temple y efectuar éste utilizando el calentamiento de cementación.

Cementación con gases.- Actualmente, este procedimiento es el más utilizado en las plantas de producción en serie. La cementación con gases permite reducir la duración del proceso, puesto que ya no es necesario calentar cajas, lo que permite mecanizar y automatizar el proceso. También el tratamiento térmico se hace más sencillo y, principalmente, se logra la concentración prefijada e carbono en la capa. Para la cementación la atmósfera carburante que se puede preparar utilizando metano, kerosene, combustible sintétitco, benzol, etc. El carbono atómico se obtienen por disociación del metano: CH4  2H2 + C (atómico).

En los hornos continuos con más frecuencia se usa el metano. Para conseguir la concentración necesaria de carbono (normalmente 0,8%) se emplean atmósferas con potencial de carbono regulado (atmósferas endotérmicas controladas) p.e. atmósferas con adición de hidrocarburos en 1 al 4%. ___________________________________________________________________________________________________ DEPARTAMENTO DE MATERIALES ING. RODRIGO RUIZ O.

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TRATAMIENTOS TERMICOS

Por potencial de carbono de la atmósfera se entiende una determinada concentración de carbono en la superficie de la capa cementada. Para acelerar el proceso, el potencial de carbono de la atmósfera es variable por zonas del horno. Al principio este se mantiene alto de forma que asegure la obtención la capa superficial con una concentración de 1,3 a 1,4% de carbono, después se disminuye para conseguir en la misma capa el contenido óptimo de carbono (0,8%). Para estos fines, a la primera zona que ocupa aproximadamente 2/3 de la longitud del horno se suministra el gas formado por una mezcla de gas natural (10 al 15%)y endotérmico (90 al 85%). A la segunda zona se suministra solo

gas endotérmico que está en equilibrio con la

concentración prefijada de carbono (0,8%) en la superficie de esta forma, debido a la difusión del carbono hacia el interior del metal y a la reacción de la superficie de la pieza con la atmósfera endotérmica, la concentración de carbono en la superficie

va disminuyendo dando

lugar a su distribución más uniforme en el espesor de la capa comentada. Después de la cementación con gases, se hace el temple, habiendo realizado previamente un enfriamiento ligero en el mismo horno hasta la temperatura de 850° a 830°C. La operación final es el revenido y baja temperatura (160° a 180°C).

DEFECTOS DE LA CEMENTACIÓN. 

La corrosión de la superficie de las piezas: se produce cuando el cementante (sólido) contiene sulfatos de bario o de sodio, o bien cuando los carbonatos funden en la superficie de las piezas. Este defecto aparece en forma de finísimos cráteres, chupes superficiales, rugosidades, etc. Es necesario controlar rigurosamente la composición del cementante y emplear agentes ligantes de calidad.



Profundidad desigual de la capa cementada: se produce por calentamiento irregular de las piezas. Además al utilizar cementante fino en cajas de gran tamaño, la diferencia de profundidad de la capa en las piezas puede llegar hasta el 50%, debido a que el cementante sólido tiene baja conductividad, la cual se empeora al disminuir el tamaño de las partículas de carbón. Por ello se debe tratar de utilizar cajas pequeñas, fragmentos de carbono de tamaño recomendable garantizar el calentamiento uniforme de las piezas.



El escaso contenido de carbono en la capa cementada se puede deber a la baja temperatura del proceso, la insuficiente permanencia en ésta, la débil actividad carburadora del cementante y el suficiente suministro del cementante gaseoso.



La descarburación.- Puede producirse en el proceso de cementación como durante el

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TRATAMIENTOS TERMICOS

enfriamiento de las cajas si estas tienen grietas o agujeros que aparecen a causa de quemaduras.

Por esta razón al interior de la caja penetran los gases CO2 y O2 que

reaccionan no solo con el carbono del cementante sino también con el que contiene el acero ocasionando su descarburación. 

Elevada concentración de carbono en la capa cementada: (sobresaturación) tiene lugar cuando es demasiado alto el contenido de carbono en el cementante, cuando aumenta más de lo normal la temperatura de cementación y la duración de permanencia de ésta.



Manchas de cementación: se producen debido a la distribución desigual de los carbonatos en la masa del cementante sólido, la masa del negro de humo en la superficie de la pieza, etc.



Insuficiente profundidad de la capa cementada: se debe a temperatura demasiada baja, o a insuficiente permanencia en ésta.



Grietas en la capa cementada: se observa primordialmente en los aceros al cromo – níquel siendo resultado de una distribución desfavorable de tensiones residuales internas.



La oxidación interna: se produce como consecuencia de la penetración de oxígeno en la capa superficial de la pieza y la oxidación de los elementos de aleación que componen el acero. Como resultado disminuye la propiedad de endurecimiento y penetración del temple. Para evitar este defecto, al final del proceso se suministra al horno una pequeña cantidad de amoníaco.

NITRURACIÓN. Llámese nitruración al proceso de saturación de la superficie del acero con nitrógeno. El proceso se realiza en presencia de amoníaco a temperaturas de 480 a 650 °C.

A éstas

temperaturas, de acuerdo con la reacción 2NH3  2N + 3H2, se forma el nitrógeno atómico que si difunde en las capas superficiales de la pieza.

Para la nitruración se emplean los aceros aleados de contenido medio

de carbono,

que

contienen Cr, W, Mo, V, Al.

Durante la nitruración de los aceros aleados el nitrógeno forma con los elementos de aleación nitruros estables que confieren a la capa nitrurada alta dureza. Antes de nitrurar las piezas se someten al tratamiento térmico que consiste en el temple revenido a alta temperatura (mejoramiento). ___________________________________________________________________________________________________ DEPARTAMENTO DE MATERIALES ING. RODRIGO RUIZ O.

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Las zonas no destinadas a la nitruración deben ser protegidas con una capa delgada (0,001 – 0,015 mm) de estaño formado por procedimiento electrolítico o de vidrio líquido. En el proceso de nitruración el estaño se funde y debido a la tensión superficial es retenido en la superficie del acero en forma de una fina película impermeable para el nitrógeno.

La duración del procedimiento depende del espesor de la capa saturada.

Tanto más alta sea la temperatura de nitruración menor será la duración. Sin embargo, unas temperaturas muy altas provocan la disminución de la dureza de la capa nitrurada. Normalmente, el proceso de nitruración se realiza a temperaturas de 500° a 520°C en este caso, en 24 a 90 hr. se consigue las capas de hasta 0,5 mm de espesor.

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TRATAMIENTOS TERMICOS

Para acelerar la nitruración se usa el ciclo de dos etapas. Al principio, la nitruración se realiza a temperaturas de 500 ° a 520°C; y luego se eleva hasta 580° a 600°C, lo cual acelera 1,5 a 2 veces el proceso sin alterar la dureza de la capa nitrurada.

En el proceso de nitruración se modifican las dimensiones de la pieza a expensas del aumento de volumen de la capa superficial.

Cuanto más alta sea la temperatura más gruesa la capa

nitrurada, tanto mayor cambio sufrirán las dimensiones de la pieza. El proceso de nitruración líquida, se realiza a temperaturas de 570°C. en cianuros fundidos. Durante el proceso de sla fundida a de ser soplada constantemente con aire seco para asegurar la transformación del cianuo (KCNO) que proporciona átomos de carbono y nitrógeno. Las ventajas de la nitruración líquida es la de reducir radicalmente el tiempo en que se obtiene la capa saturada, en comparación con la nitruración gaseosa (la capa de 0,1 a 0,2 mm. De espesor se consigue en 1,5 a 3 hr). Además la ausencia de hidrógeno en el medio al aumento de viscosidad de la capa. El proceso tiene el inconveniente de emplear sales venenosas. De menor uso son los procesos de nitruración en sales sin cianuros, que contienen nitrógeno (KNO3 y NaNO3; NaNO2 y KNO2) y sales neutras fundidas, sopladas con amoníaco NH3.

DEFECTOS DE LA NITRURACIÓN. 

La deformación y modificación de las dimensiones: Se produce en piezas asimétricas y se debe al aparecimiento de grandes tensiones internas de comprensión. Puesto que el volumen específico de la capa nitrurada aumenta después de este tratamiento, las dimensiones de la

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TRATAMIENTOS TERMICOS

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pieza crecen por térmico medio en 4% a 6% del espesor de dicha capa. Por ello en el mecanizado preliminar se hacen las dimensiones un poco menores que las que son necesarias. 

Fragilidad y descascarrillamiento: Al sobresaturar la capa con nitrógeno, en su superficie se forma una cascarilla del gada contituida por nnitruros frágiles, que puede quitarse por rectificado de 0,01 a 0,05 mm de espesor. El descascarrillamiento tiene lugar con más freccencia despue´s de la nitruración de los aceros con estructura de grano gureso.



Insufieiente dureza: causas: 1) la temperatura demasiado alta del proceso; 2) la nitruración del acero de grano fino en el que el nitrógeno se difunde en losllímites de los granos mientaras que el núecleo central queda sin saturar: 3) la descarburacióon que da lugar a la formación de la estructura ferrítica en la cual los nitruros siempre se originan en forma de granso gruesos queno permiten obtener alta dureza.



La dureza desigual.- (con zonas blandas) Ses debe al mal desngrase al preparar la pieza, al tamaño dno uniforme de grano a la circulación débil de los gases en la cámara de trabajo.



Profundidad insuficiente de la Capa: Aparece si el proceso se produce a temperaturas demasiado bajas o con duración muy corta.

ENDURECIMIENTO SUPERFICIAL DE LOS PRODUCTOS DE ACERO. TRATAMIENTO TERMOQUÍMICO DEL ACERO

Tratamiento Termoquímica.- Es la operación en la cual el metal se somete a la acción térmica y química cuya finalidad es cambiar la composición, la estructura y las propiedades de la capa superficial del acero. El tratamiento Termoquímica se basa en la difusión, es decir, en la penetración en el acero de los ´+ átomos de diferentes elementos. Esta operación solo tiene lugar cuando el elemento que se difunde forma con el metal principal una solución sólida o un compuesto químico. El proceso de tratamiento Termoquímica se compone de tres etapas: 

Descomposición de las moléculas y la formación de átomos activos del elemento que difunde. P.e.:

2CO 

CO2 + C

2NH3  3H2 + 2N

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TRATAMIENTOS TERMICOS



La adsorción cuando los átomos del elemento que difunde se ponen en contacto con la superficie de la pieza de acero formando enlaces químicos con los átomos del metal.



La difusión, es decir, la penetración del elemento de saturación hacia la zona interior del metal.

Al penetrar los átomos que se difunden en la red de disolvente, la velocidad de difusión (coeficiente de difusión) será más alta, siempre y cuando en la reacción se formen disoluciones sólidas intersticiales y considerablemente menor cuando se formen disoluciones sólidas de sustitución. La concentración del elemento que difunde en la superficie depende e la afluencia de los átomos de dicho elemento o ésta de la velocidad de los procesos de difusión, o sea, de la transmisión de éstos átomos hacia el interior del metal. El espesor de la carpa de difusión depende

de la temperatura de calentamiento, de la

permanencia en ella durante la saturación y de la concentración del elemento difusible en la superficie. En dependencia de la duración del proceso el espesor de la capa e determina según la ley: Y = Kt Al transcurrir el tiempo la velocidad del aumento del espesor de la capa va disminuyendo.

Cuanto más alta sea la concentración del elemento difusible en la superficie de la pieza, tantomayor será el espesor de la capa.

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TRATAMIENTOS TERMICOS

Cuanto más elevada sea la temperatura del proceso, tanto más alta será la velocidad de difusión de los átomos y, en consecuencia, aumentará el espesor de la capa de difusión.

Los límites de los granos son la zonas donde los procesos de difusión son facilitados por: La presencia de un gran número de defectos en la estructura cristalina. Cuando la solubilidad del elemento difusible en el metal es pequeña, con frecuencia se observa la difusión preponderante en los límites de granos. En los momentos de las transformaciones de fase la difusión transcurre con mayor rapidez.

CLASIFICACIÓN DE LOS TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS (Ver cuadro sinóptico)

CEMENTACIÓN

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TRATAMIENTOS TERMICOS

Es el proceso de saturación con átomos de carbono de la capa superficial de las piezas de acero. La cementación se realiza con el objeto de obtener alta dureza en la superficie de la pieza conservando la tenacidad en su núcleo, además ésta contribuye al aumento de la resistencia al desgaste y del límite de fatiga.

A cementación se someten piezas fabricadas con aceros de bajo contenido de carbono (hasta 0,25% de C) que trabajan en condiciones de desgaste por contacto bajo la acción de cargas de signos alternos (casquillos, pernos de émbolos, levas, columnas, etc.). Las piezas se llevan a la cementación después de haberlas tratado mecánicamente, sobrepasar de 0,05 a 0,10 mm para el rectificado.

Las zonas no destinadas a la cementación deben ser protegidas con una delgada capa de cobre (0,02 – 0,04 mm) que se ponen por procedimiento electrolítico, o bien con pastas especiales que son mezclas de arcilla refractaria, arena, amianto base de vidrio líquido. La cementación se realiza a temperaturas superiores a A3 (900º – 950°C). Cuanto menor contenido de Carbono tenga el acero, tanto más

elevada deberá ser la temperatura de

calentamiento para la cementación.

Como resultado de la cementación, el contenido de carbono en la capa superficial constituye de 0,8 - 1%. Una concentración más alta favorece la fragilización de la capa ccementada. En la capa cementada el contendido de Carbono es variable, y se puede advertir tres zonas: la hipereutectoide, formada por perlita y Cementita, la eutectoide, formada por perlita y la hipoeutectoide, compuesta por perlita y ferrita.

El espesor de la capa cementada es la suma de las zonas hipereutectoide, eutectoide y la mitad de hipoeutctoide. Normalmente, el espesor de la capa alcanza 0,8 – 1,4 mm para la mayoría de ___________________________________________________________________________________________________ DEPARTAMENTO DE MATERIALES ING. RODRIGO RUIZ O.

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los aceros.

TECNOLOGIA DE LA CEMENTACIÓN. La cementación puede llevarse a cabo en un medio; sólido, líquido y gaseoso, y a estos medios se les da el nombre de carburizador o cementante.

Cementación en medio sólido.- De carburizador puede servir el carbón vegetal activado (de roble o de abedul), al semicoque de hulla y el coque de turba. Para acelerar el procedimiento, al carbón vegetal se adicionan activadores como el CaCO3 (carbonato de Bario), Na2CO3 (carhbonato de sosa) y la potasa K2CO3 en cantidades de 10% a 40% de la masa de Carbono. Las piezas preparadas para la cementación se colocan en una caja metálicam, en cuyo fondo tienen una capa de cementante de 20 a 30 mm de espesor. Las piezas se dispoen en capas a 10 – 15 mm una de otra cada capa de las piezas que cubre con cementante, poniendo luego otra capa de pliezas, etc. La última capa se recubre bien con cementante, se cierra la tapa en cuyos bordes se suele poner arcilla refractaria o una mezcla de arcilla y arena. Luego la capa se introduce en el horno a una temperatura 900 – 980°C. El tiempo de calentamiento se determina multiplicando de 7 a 9 minutos por la dimensión (en cm) míiima de la caja. En la caja entre las cpartiículas de carbono hay aire y el oxígeno reacciona con el carbono del cementante formando CO. Este el ponerse en contacto con la superficie de las piezas, se disocia seg{un la reacción 2CO  CO2 + C. El carbono atómico naciente se difunde hacia el interior del metal. Adicionando carbonatos de puede activar el proceso de cementación ya que se dan las reacciones siguietes: BaCO3 + C  BaO2 + 2CO

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La permanencia a la temperatura de cementación en el horno depende de que espesor de la capa cementada se desea obtener. En la práctica la permanencia se calcula tomando en consideración que dicha capa crece con velocidad de 0,1 mm por una hora. P.e. la capa de 1mm de espesor de obtiene en 9,5 a 10,4 horas. Para controlar la marcha del proceso y el espesor de la capa cementada en la caja, junto con las piezas se colocan probetas redondeas (o cuadradas) de 10 a 15 mm de diámetro del mismo acero que las piezas. Al efectuar la cementación las probetas se sacan periódicamente, se rompen y según su fractura se determina el espesor de la capa cementada. Después de la cementación las piezas deben someterse a la normalización para conseguir grano fino, después del temple y revenido a baja temperatura. Como resultado de este tratamiento la capa superficial adquiere estructura de martensita revenida con inclusiones carburos excesivos con dureza HRC 60 a63. La estructura del núcleo central depende de la composición del acero y del régimen de temple. En los aceros al carbono ella está formada por ferrita y sorbita o troostita, y en los aleados, por martensita pobre en carbono.

Cementación con pastas.- El procedimiento consiste en que en la superficie de la pieza a tratar se pone una capa de sustancia en forma de suspensión, masilla o mezcla pastosa. Después esta se seca y la pieza se calienta hasta la temperatura de cementación. El tipo de pasta determina el procedimiento para aplicarla. Si la pasta es de consistencia relativamente líquida, las piezas se sumergen en ellas, y cuando es más espesa se aplica con brocaha. El espesor de la capa de pasta debe ser 6 a 8 veces mayor que la profundidad prefijada de la capa cementada. Los componenetes principales de las pastas son: el negro de humo (de gas, de acetileno) y de coque pobre en azufre, de 20 a 40% de carbonato sódico o potásico (Na2CO3, K2CO3) 0 a 20% de carbonato de bario, 15% de ferrocianuro potásico. Procurando no destruir la capa de pasta, las piezas se colocan una sobre otra en una caja metálica y se cierra con una tapa. La caja se introduce en el horno a una temperatura de 950° a 1050°; cuanto más alta sea la temperatura de calentamiento tanto menor será la duración del proceso. Terminada la permanencia da dicha temperatura las piezas se dejan enfriar al aire en las cajas. También se puede realizar un enfriamiento ligero hasta la temperatura de temple y efectuar éste utilizando el calentamiento de cementación.

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Cementación con gases.- Actualmente, este procedimiento es el más utilizado en las plantas de producción en serie. La cementación con gases permite reducir la duración del proceso, puesto que ya no es necesario calentar cajas, lo que permite mecanizar y automatizar el proceso. También el tratamiento térmico se hace más sencillo y, principalmente, se logra la concentración prefijada e carbono en la capa. Para la cementación la atmósfera carburante que se puede preparar utilizando metano, kerosene, combustible sintétitco, benzol, etc. El carbono atómico se obtienen por disociación del metano: CH4  2H2 + C (atómico).

En los hornos continuos con más frecuencia se usa el metano. Para conseguir la concentración necesaria de carbono (normalmente 0,8%) se emplean atmósferas con potencial de carbono regulado (atmósferas endotérmicas controladas) p.e. atmósferas con adición de hidrocarburos en 1 al 4%. Por potencial de carbono de la atmósfera se entiende una determinada concentración de carbono en la superficie de la capa cementada. Para acelerar el proceso, el potencial de carbono de la atmósfera es variable por zonas del horno. Al principio este se mantiene alto de forma que asegure la obtención la capa superficial con una concentración de 1,3 a 1,4% de carbono, después se disminuye para conseguir en la misma capa el contenido óptimo de carbono (0,8%). Para estos fines, a la primera zona que ocupa aproximadamente 2/3 de la longitud del horno se suministra el gas formado por una mezcla de gas natural (10 al 15%)y endotérmico (90 al 85%). A la segunda zona se suministra solo

gas endotérmico que está en equilibrio con la

concentración prefijada de carbono (0,8%) en la superficie de esta forma, debido a la difusión del carbono hacia el interior del metal y a la reacción de la superficie de la pieza con la atmósfera endotérmica, la concentración de carbono en la superficie

va disminuyendo dando

lugar a su distribución más uniforme en el espesor de la capa comentada. Después de la cementación con gases, se hace el temple, habiendo realizado previamente un enfriamiento ligero en el mismo horno hasta la temperatura de 850° a 830°C. La operación final es el revenido y baja temperatura (160° a 180°C).

DEFECTOS DE LA CEMENTACIÓN. 

La corrosión de la superficie de las piezas: se produce cuando el cementante (sólido) contiene sulfatos de bario o de sodio, o bien cuando los carbonatos funden en la superficie

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de las piezas. Este defecto aparece en forma de finísimos cráteres, chupes superficiales, rugosidades, etc. Es necesario controlar rigurosamente la composición del cementante y emplear agentes ligantes de calidad. 

Profundidad desigual de la capa cementada: se produce por calentamiento irregular de las piezas. Además al utilizar cementante fino en cajas de gran tamaño, la diferencia de profundidad de la capa en las piezas puede llegar hasta el 50%, debido a que el cementante sólido tiene baja conductividad, la cual se empeora al disminuir el tamaño de las partículas de carbón. Por ello se debe tratar de utilizar cajas pequeñas, fragmentos de carbono de tamaño recomendable garantizar el calentamiento uniforme de las piezas.



El escaso contenido de carbono en la capa cementada se puede deber a la baja temperatura del proceso, la insuficiente permanencia en ésta, la débil actividad carburadora del cementante y el suficiente suministro del cementante gaseoso.



La descarburación.- Puede producirse en el proceso de cementación como durante el enfriamiento de las cajas si estas tienen grietas o agujeros que aparecen a causa de quemaduras.

Por esta razón al interior de la caja penetran los gases CO2 y O2 que

reaccionan no solo con el carbono del cementante sino también con el que contiene el acero ocasionando su descarburación. 

Elevada concentración de carbono en la capa cementada: (sobresaturación) tiene lugar cuando es demasiado alto el contenido de carbono en el cementante, cuando aumenta más de lo normal la temperatura de cementación y la duración de permanencia de ésta.



Manchas de cementación: se producen debido a la distribución desigual de los carbonatos en la masa del cementante sólido, la masa del negro de humo en la superficie de la pieza, etc.



Insuficiente profundidad de la capa cementada: se debe a temperatura demasiada baja, o a insuficiente permanencia en ésta.



Grietas en la capa cementada: se observa primordialmente en los aceros al cromo – níquel siendo resultado de una distribución desfavorable de tensiones residuales internas.



La oxidación interna: se produce como consecuencia de la penetración de oxígeno en la capa superficial de la pieza y la oxidación de los elementos de aleación que componen el acero. Como resultado disminuye la propiedad de endurecimiento y penetración del temple. Para evitar este defecto, al final del proceso se suministra al horno una pequeña cantidad de amoníaco.

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NITRURACIÓN. Llámese nitruración al proceso de saturación de la superficie del acero con nitrógeno. El proceso se realiza en presencia de amoníaco a temperaturas de 480 a 650 °C.

A éstas

temperaturas, de acuerdo con la reacción 2NH3  2N + 3H2, se forma el nitrógeno atómico que si difunde en las capas superficiales de la pieza.

Para la nitruración se emplean los aceros aleados de contenido medio

de carbono,

que

contienen Cr, W, Mo, V, Al.

Durante la nitruración de los aceros aleados el nitrógeno forma con los elementos de aleación nitruros estables que confieren a la capa nitrurada alta dureza. Antes de nitrurar las piezas se someten al tratamiento térmico que consiste en el temple revenido a alta temperatura (mejoramiento). Las zonas no destinadas a la nitruración deben ser protegidas con una capa delgada (0,001 – 0,015 mm) de estaño formado por procedimiento electrolítico o de vidrio líquido. En el proceso de nitruración el estaño se funde y debido a la tensión superficial es retenido en la superficie del acero en forma de una fina película impermeable para el nitrógeno.

La duración del procedimiento depende del espesor de la capa saturada.

Tanto más alta sea la temperatura de nitruración menor será la duración. Sin embargo, unas ___________________________________________________________________________________________________ DEPARTAMENTO DE MATERIALES ING. RODRIGO RUIZ O.

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TRATAMIENTOS TERMICOS

temperaturas muy altas provocan la disminución de la dureza de la capa nitrurada. Normalmente, el proceso de nitruración se realiza a temperaturas de 500° a 520°C en este caso, en 24 a 90 hr. se consigue las capas de hasta 0,5 mm de espesor.

Para acelerar la nitruración se usa el ciclo de dos etapas. Al principio, la nitruración se realiza a temperaturas de 500 ° a 520°C; y luego se eleva hasta 580° a 600°C, lo cual acelera 1,5 a 2 veces el proceso sin alterar la dureza de la capa nitrurada.

En el proceso de nitruración se modifican las dimensiones de la pieza a expensas del aumento de volumen de la capa superficial.

Cuanto más alta sea la temperatura más gruesa la capa

nitrurada, tanto mayor cambio sufrirán las dimensiones de la pieza. El proceso de nitruración líquida, se realiza a temperaturas de 570°C. en cianuros fundidos. Durante el proceso de sla fundida a de ser soplada constantemente con aire seco para asegurar la ___________________________________________________________________________________________________ DEPARTAMENTO DE MATERIALES ING. RODRIGO RUIZ O.

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transformación del cianuo (KCNO) que proporciona átomos de carbono y nitrógeno. Las ventajas de la nitruración líquida es la de reducir radicalmente el tiempo en que se obtiene la capa saturada, en comparación con la nitruración gaseosa (la capa de 0,1 a 0,2 mm. De espesor se consigue en 1,5 a 3 hr). Además la ausencia de hidrógeno en el medio al aumento de viscosidad de la capa. El proceso tiene el inconveniente de emplear sales venenosas. De menor uso son los procesos de nitruración en sales sin cianuros, que contienen nitrógeno (KNO3 y NaNO3; NaNO2 y KNO2) y sales neutras fundidas, sopladas con amoníaco NH3.

DEFECTOS DE LA NITRURACIÓN. 

La deformación y modificación de las dimensiones: Se produce en piezas asimétricas y se debe al aparecimiento de grandes tensiones internas de comprensión. Puesto que el volumen específico de la capa nitrurada aumenta después de este tratamiento, las dimensiones de la pieza crecen por térmico medio en 4% a 6% del espesor de dicha capa. Por ello en el mecanizado preliminar se hacen las dimensiones un poco menores que las que son necesarias.



Fragilidad y descascarrillamiento: Al sobresaturar la capa con nitrógeno, en su superficie se forma una cascarilla del gada contituida por nnitruros frágiles, que puede quitarse por rectificado de 0,01 a 0,05 mm de espesor. El descascarrillamiento tiene lugar con más freccencia despue´s de la nitruración de los aceros con estructura de grano gureso.



Insufieiente dureza: causas: 1) la temperatura demasiado alta del proceso; 2) la nitruración del acero de grano fino en el que el nitrógeno se difunde en losllímites de los granos mientaras que el núecleo central queda sin saturar: 3) la descarburacióon que da lugar a la formación de la estructura ferrítica en la cual los nitruros siempre se originan en forma de granso gruesos queno permiten obtener alta dureza.



La dureza desigual.- (con zonas blandas) Ses debe al mal desngrase al preparar la pieza, al tamaño dno uniforme de grano a la circulación débil de los gases en la cámara de trabajo.



Profundidad insuficiente de la Capa: Aparece si el proceso se produce a temperaturas demasiado bajas o con duración muy corta.

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