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• Ian Gómez Quintero

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TRATAMIENTOS TERMICOS JACQUELINNE PERALTA RODRÍGUEZ

INTRODUCCIÓN En este reporte se hablará sobre los tratamientos térmicos aplicados, en este caso al acero y fundiciones. Los tratamientos térmicos se pueden definir como aquellos procesos de los cuales se pueden obtener propiedades especiales en una pieza con ayuda de la temperatura y de una velocidad de enfriamiento apropiada. Los tratamientos térmicos se pueden clasificar en: a) convencionales y b) termoquímicos, los primeros a la vez se pueden clasificar (en dependencia de la forma como se obtiene las diferentes microestructuras durante el enfriamiento), en: tratamientos con enfriamiento continuo o con enfriamiento isotérmico. Los tratamientos termoquímicos en general son llamados tratamientos térmicos superficiales. Otro tipo de tratamiento, el cual busca la precipitación de partículas duras en el acero es conocido como envejecimiento. Para el entendimiento de los tratamientos térmicos, es indispensable comprender una serie de conceptos como: fases, microestructuras, transformaciones de fase, medios de enfriamiento, templabilidad, temperatura de austenización, etc. Algunos de estos conceptos serán tratados brevemente a continuación.

RESUMEN El Tratamiento Térmico involucra varios procesos de calentamiento y enfriamiento para efectuar cambios en la estructura de un material, los cuales a su vez modifican sus propiedades mecánicas. El objetivo principal de los tratamientos térmicos es proporcionar a los materiales unas propiedades específicas para su conformación o uso final. Es importante indicar que los tratamientos térmicos no modifican la composición química de los materiales, pero si otros factores tales como los constituyentes estructurales y la granulometría, y como consecuencia las propiedades mecánicas. Estos se pueden realizar sobre una parte o la totalidad de la pieza, ya sea en uno o varios pasos de la secuencia de manufactura. En algunos casos, el tratamiento se aplica antes del proceso de recocido para ablandar el metal y ayudar a formarlo más fácilmente mientras se encuentra caliente, en otros casos, se usa para aliviar los efectos del endurecimiento por deformación, sin embargo también se puede realizar al final de la secuencia de manufactura para lograr resistencia y dureza.

PALABRAS CLAVE Recocido, térmicos, temple, termoquímicos, dureza.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS El tratamiento térmico involucra varios procesos de calentamiento y enfriamiento para efectuar cambios microestructurales en un material, los cuales modifican sus propiedades mecánicas. Sus aplicaciones más comunes son en los metales. En algunos casos el tratamiento se aplica antes del proceso de formado, y en otros casos se utiliza para aliviar los efectos de endurecimiento por deformación posterior. El tratamiento térmico puede realizarse durante la secuencia de manufactura o casi al finalizar esta, para lograr la resistencia y dureza requeridas en el producto terminado. Entre os tipos de tratamientos se encuentran: 1. Recocido: Consiste en calentar el metal a una temperatura adecuada en la cual se mantiene por un cierto tiempo (llamado recalentamiento), y después se enfría lentamente. recocido se realiza sobre un metal en cualquiera de los siguientes casos: 1) para reducir la dureza y la fragilidad, 2) para alterar la microestructura de manera que puedan obtenerse las propiedades mecánicas deseadas, 3) para ablandar los metales y mejorar su maquinabilidad o formabilidad 4) para recristalizar los metales trabajados en frío (endurecidos por deformación) 5) para aliviar los esfuerzos residuales inducidos por los procesos de formado previos. Se usan diferentes términos para el recocido, dependiendo de los detalles del proceso y de la temperatura usada, relativa a la temperatura de recristalización del metal que está bajo tratamiento. (Groover, 2007) En general, el recocido puede dividirse en tres etapas: 1) Recuperación: En esta primera etapa el material recupera sus propiedades físicas, como son: Conductividad térmica, conductividad eléctrica, resistividad, etc. Las propiedades mecánicas no cambian. 2) Recristalización: En esta segunda etapa, los materiales trabajados en frío sufren una recristalización, en la que aparece un nuevo juego de granos libres de deformación. Desaparece la dureza y la resistencia adquirida por el trabajo en frío y se recupera la ductilidad. 3) Crecimiento de grano: En esta tercera etapa los granos grandes crecen a expensas de los granos pequeños, teniendo como objetivo lograr un tamaño de grano homogéneo y no que en realidad se desee que crezca el grano. El recocido depende casi totalmente de dos factores: a) La formación de austenita b) La subsecuente transformación de la austenita. (Universidad Nacional Autonoma de México, 2012) El recocido total se asocia con metales ferrosos (por lo general, aceros al medio y bajo carbono); el proceso implica calentar la aleación hasta la región austenita seguida de un enfriamiento lento en el horno para producir perlita gruesa. (Groover, 2007)

2. Normalización: Sus velocidades de enfriamiento son más rápidas. La normalización permite que el acero se enfríe en aire, a temperatura ambiente. El resultado es perlita fina con una resistencia y dureza más altas pero con una ductilidad más baja que el tratamiento de recocido total. Con frecuencia, las piezas trabajadas en frío son recocidas para reducir los efectos del endurecimiento por deformación y para incrementar su ductilidad. El tratamiento permite que el metal endurecido por deformación se recristalice de manera completa o parcial, dependiendo de las temperaturas, los periodos de recalentamiento y las velocidades de enfriamiento. Cuando el recocido se realiza para permitir trabajos posteriores sobre la pieza se llama proceso de recocido. Cuando se realiza en toda la pieza (trabajada en frío) para remover los efectos del endurecimiento por deformación, y ésta no va a someterse a ninguna deformación subsecuente, se llama recocido. Si las condiciones de recocido permiten la recuperación total de la estructura de grano original del metal trabajado en frío, entonces ha ocurrido la recristalización. Después de este tipo de recocido, el metal tiene una nueva geometría creada por la operación de formado, pero su estructura de grano y sus propiedades asociadas son esencialmente las mismas que antes del trabajo en frío. Si el proceso de recocido sólo permite un retorno parcial a la estructura de grano del estado original, se denomina recuperación por recocido. 3. Templado: es un tratamiento térmico que se aplica a los aceros endurecidos para reducir su fragilidad, incrementar su ductilidad y tenacidad y aliviar los esfuerzos en la estructura de la martensita. El tratamiento implica calentamiento y mantenimiento a una temperatura por debajo de la eutectoide durante aproximadamente una hora, seguido de un enfriamiento lento. El resultado es la precipitación de partículas muy finas de carburo de la solución martensítica hierro-carbono y la transformación gradual de la estructura cristalina de BCT a BCC. Esta nueva estructura se llama martensita templada. Una ligera reducción en resistencia y dureza producen una mejora en ductilidad y tenacidad. La temperatura y el tiempo del tratamiento de templado controlan el grado de suavización del acero endurecido, ya que el cambio de la martensita no templada a la templada implica difusión. El término templabilidad se refiere a la capacidad relativa de un acero de ser endurecido por transformación a martensita. Es una propiedad que determina la profundidad por debajo de la superficie enfriada por inmersión a la cual el acero se endurece o la severidad de la inmersión requerida para lograr una cierta penetración de la dureza. Los aceros con buena templabilidad pueden endurecerse más profundamente debajo de la superficie y no requieren altas velocidades de enfriamiento. La

templabilidad no se refiere a la máxima dureza que se puede lograr en el acero; eso depende del contenido de carbono. La templabilidad de un acero se incrementa mediante la aleación. Los elementos aleantes que tienen el mayor efecto son el cromo, el manganeso, el molibdeno (y el níquel en menor grado). El mecanismo con el cual operan estos elementos aleantes es el aumento del tiempo antes de que inicie la transformación de austenita a perlita en el diagrama TTT. En efecto, la curva TTT se mueve hacia la derecha, lo que permite velocidades de enfriamiento más lentas durante la inmersión. (Groover, 2007) La templabilidad en un acero depende de: 1. La composición química del acero 2. Del tamaño del grano autentico 3. De la estructura del acero antes del temple La templabilidad se determina usualmente por dos métodos: 1. Método Grossman o del Dímetro Crítico ideal 2. Método Jominy 1. Método de Grossman o del Dímetro Crítico Ideal Para aplicar este método, se deben templar barras de acero de diferentes dímetros entre 0,5 y 2,5 plg, en un cierto medio de temple, luego se hacen cortes transversales de estas y se examinan metalográficamente, la barra que contiene 50% de martensita en el centro define el diámetro crítico real, D0. Ver figura 17. D0 depende ciertamente del poder de extracción de calor del medio de temple, a partir de esto, se define el temple ideal como aquel temple por medio del cual la temperatura de la superficie de una barra metálica se enfría instantáneamente a la temperatura del medio enfriamiento, así se determina un diámetro crítico ideal, DI. La severidad del medio de enfriamiento se determina a partir de un coeficiente H, el cual en el caso del temple ideal es infinito. FIGURA 2. Relación entre la severidad de temple H y diámetro ideal.

Templabilidad Determinada por el Método Jominy El método Jominy para la medición de la templabilidad es hoy en día uno de los métodos más empleados por la facilidad de su ejecución y regularidad de resultados. Este método consiste en templar una probeta estandarizada de 1" de

diámetro y 4" de largo del acero en estudio, previamente calentado a la temperatura de austenización. Posteriormente la probeta se enfría mediante un chorro de agua, también estandarizado, que sólo enfría su base inferior. (Escuela Colombiana de Ingenieria, 2008) La velocidad de enfriamiento en el espécimen de prueba disminuye con el incremento de la distancia desde el extremo que se enfría por inmersión. La templabilidad está indicada por la dureza del espécimen como una función de la distancia desde el extremo enfriado por inmersión. (Fundamentos de manufactura moderna, 2007) Tipos de temple: 1. Temple continuo de austenización completa: se aplica a los aceros hipoeutectoides. Se calienta el material a 50ºC por encima de la temperatura crítica superior A3, enfriándose en el medio adecuado para obtener martensita. 2. Temple continuo de austenización incompleta: se aplica a los aceros hipereutectoides. Se calienta el material hasta AC1 + 50ºC, transformándose la perlita en austenita y dejando la cementita intacta. Se enfría a temperatura superior a la crítica, con lo que la estructura resultante es de martensita y cementita. 3. Temple superficial: el núcleo de la pieza permanece inalterable, blando y con buena tenacidad, y la superficie se transforma en dura y resistente al rozamiento. Con el temple superficial se consigue que solamente la zona más exterior se transforme en martensita,y para ello el tiempo durante el que se mantiene el calentamiento debe ser el adecuado para que solamente un reducido espesor de acero se transforme en austenita. 4. Temple Escalonado (Martempering): consiste en calentar el acero a temperatura de austenización y mantenerlo el tiempo necesario para que se transforme completamente en austenita. Posteriormente se enfría en un baño de sales bruscamente hasta una temperatura próxima pero superior a Ms, con el fin de homogeneizar la temperatura en toda la masa y se acaba reduciendo la temperatura para que toda la pieza se transforme en martensita. 5. Temple isotérmico (Austempering): consiste en calentar el acero a temperatura de austenización y mantenerlo el tiempo necesario para obtener austenita. Posteriormente se enfría bruscamente en un baño de sales hasta una temperatura determinada, para igualar la temperatura en toda la masa y luego se vuelve a disminuir la temperatura para que toda la pieza se transforme en bainita. (Tecnologia Industrial II)

4. Revenido.

El Revenido es un tratamiento complementario del Temple, que generalmente prosigue a éste. Después del Temple, los aceros suelen quedar demasiados duros y frágiles para los usos a los cuales están destinados. Lo anterior se puede corregir con el proceso de Revenido, que disminuye la dureza y la fragilidad excesiva, sin perder demasiada tenacidad.

FIGURA 1. Muestra el efecto de la temperatura sobre las propiedades mecánicas del acero.

Este tratamiento térmico consiste en calentar el acero, (después de haberle realizado un Temple o un Normalizado) a una temperatura inferior al punto crítico (o temperatura de recristalización), seguido de un enfriamiento controlado que puede ser rápido cuando se pretende resultados altos en tenacidad, o lentos, cuando se pretende reducir al máximo las tensiones térmicas que pueden generar deformaciones. Es muy importante aclarar que con la realización del proceso de Revenido no se eliminan los efectos del Temple, solo se modifican, ya que se consigue disminuir la dureza y tensiones internas para lograr de ésta manera aumentar la tenacidad. (Escuela Colombiana de Ingenieria, 2008) 5. Tratamiento termoquímico.

PRACTICA DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS En esta práctica se aplicó un tratamiento térmico en diferentes barras de acero, cada una se realizó de la siguiente manera: 1. Primero se cortó el acero 5 barras de 8 cm de largo x 5cm de ancho. 2. A cada barra se le asignó un tipo de tratamiento térmico, en este caso se aplicó el recocido, revenido, temple y normalizado.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

Una vez que se eligió el tratamiento a aplicar en cada barra se encendió el horno, hasta que logró una temperatura entre los 700º y 1200º , o sea la temperatura correcta para austenización. Seguido de esto, se tomó una barra de acero de 8cm de largo x 5cm de ancho y se sumergió en el horno, se dejó ahí aproximadamente 40 minutos, con una temperatura entre los 727º y 1200º, seguido de que se terminó el tiempo austenización se sacó la barra del horno y se sumergió sobre agua, en otras palabras, se aplicó un tratamiento térmico de templado. Terminado lo anterior, se tomó una segunda barra de la misma dimensión, pero ahora se dejó en el horno, por 40 minutos, con una temperatura entre los 727º y 1200º, concluido el proceso de austenización, la barra se enfrió en aceite, debido a que de esta manera se le aplicó, un tratamiento térmico llamado temple. Posteriormente se tomó una tercera barra de acero del mismo tamaño y se sumergió en el horno, se dejó ahí por un tiempo de 40 minutos para que esta fuera austenizada a una temperatura de 727º y 1200º, terminado el proceso, la barra es saco del horno y se enfrió en el hielo. Para la cuarta barra de acero con la misma dimensión que las anteriores, se llevó al proceso de autenticación en el horno, en donde se dejo por de 40 minutos, una vez concluido lo anterior, se procedió a enfriar esta barra al aire libre con el fin de ser aplicado un tratamiento revenido. Después se tomó la última barra de acero y esta se llevó a la austenización con un tiempo de 40 minutos y posteriormente se trató con tratamiento térmico de recocido, ya que en el momento de que se sacó dicha barra de la austenización esta se dejó enfriar al aire libre y de ahí se sumergió nuevamente al horno dejándose enfriar dentro del mismo.

PRUEBA DE DUREZA Una vez aplicados los tratamientos térmicos a cada una de las barras, se realizó una prueba de dureza para confirmar el aplicado de dichos tratamientos, la cual en nuestro caso se desarrolló en el siguiente orden: 1. Para llevar a cabo la prueba es necesario utilizar una punta de balín o diamante, para este caso se seleccionó a la punta de diamante, por lo tanto, se utilizó el tacómetro en la escala C. 2. Se calibró el durómetro, y se modificó a un patrón estándar. 3. Enseguida se acercó para poder calibrarse. 4. Se colocó a la manecilla más pequeña hasta el punto en el que coincidió con la punta. 5. Una vez hecho lo anterior, se dejó soltar la carga, una vez terminado eso, se remontó y se tomó lectura para confirmas el calibre.

6. Una vez calibrado nuestro durómetro, se continuo la prueba de dureza, para ello se introdujo una de las placas, se colocó en el parámetro 0,seguido de esto se soltó la carga, después volvió a montar y terminado ese paso se empezó a tomar lectura de la dureza de dicha placa. NOTA: El paso número 6 se repite para cada una de las placas; además de que para cada placa se repitió la lectura, debido a la calidad del durómetro con el que se trabajó. Cada placa se clasificó de acuerdo a su tratamiento, las lecturas de cada una se muestran en la siguiente tabla: Tabla Dureza. TIPO DE TRATAMIENTO Fabrica Recocido Revenido Temple Normalizado Tratamiento térmico

ROCKWELL

VICKERS

BRINELL

47 57 41 75 29 33

471 633 402 940 294 327

442 … 381 … 279 311

PRUEBA DE DUREZA 940 633 471 442

47

402 381

57 0

ROCKWELL

CONCLUSIÓN

75 0

41

VICKERS

BRINELL

294 279

327 311

29

33