BLOQUE I: Materiales TEMA 3: Tratamientos térmicos

Tecnología Industrial II

TEMA 3: TRATAMIENTOS TÉRMICOS 0. INTRODUCCIÓN Al añadir ciertos elementos (azufre, cobalto, cobre, cromo, tungsteno, manganeso, molibdeno, níquel, vanadio…) en la aleación del acero se consigue mejorar algunas de sus propiedades, obteniendo aleaciones específicas para determinadas aplicaciones industriales, como herramientas, cuchillas, fijaciones, soportes,…. Sin embargo la diferencia de comportamiento entre los diversos aceros depende, no sólo de su composición química, sino también del tipo del tratamiento térmico a los que se les someta. Existen piezas que están sometidas a condiciones de trabajo que requieren propiedades específicas para soportar esfuerzos de choque, vibraciones y rozamiento superficial. Para soportar estas condiciones de trabajo, se requiere tenacidad elevada, resiliencia, y una gran dureza superficial. Por este motivo se realizan los tratamientos térmicos, que son procesos en los cuales mediante una sucesión de operaciones de calentamiento y enfriamiento, se modifica la microestructura y la constitución de los metales y aleaciones sin variar su composición química. La finalidad de estos procesos es mejorar las propiedades mecánicas del material, especialmente la dureza, la resistencia, la tenacidad y la maquinabilidad. Pero en estos procesos no se modifica la constitución química de los materiales. Para ello se realizan los tratamientos termoquímicos, que son procesos en los cuales se altera la estructura del metal, modificando su composición mediante un proceso de difusión.

1. TRATAMIENTOS TÉRMICOS Los tratamientos térmicos más importantes son: temple, recocido, revenido y normalizado. Con su aplicación se consiguen estructuras más blandas y más mecanizables, con mayor dureza y resistencia. Otro aspecto que mejoran es la homogeneización de la estructura.

1.1.

TEMPLE

Este tratamiento térmico se caracteriza por enfriamientos rápidos (continuos o escalonados) en un medio adecuado: agua, aceite o aire, para transformar la austenita en martensita. Mediante el temple se consigue: − − − −

Aumentar la dureza y la resistencia mecánica. Disminuir la tenacidad (aumento de la fragilidad). Disminuir el alargamiento unitario. Modificar algunas propiedades eléctricas, magnéticas y químicas. El temple se realiza siguiendo los siguientes pasos:

1. Calentamiento del metal.- Se realiza en horno, siendo lento al hasta los 500ºC y rápido hasta la temperatura de temple, por encima de A3 si el acero es hipoeutectoide, y por encima de A1 si el acero es eutectoide o hipereutectoide. Página 1

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2.

Homogeneización de la temperatura.- Se mantiene a la temperatura de temple durante un determinado tiempo a la pieza para que se homogenice en todo el volumen de la pieza a templar. Este tiempo se estima experimentalmente para cada pieza, aunque se puede calcular aproximadamente

3.

Enfriamiento rápido.- Se saca la pieza del horno y se enfría el material en un fluido denominado medio de temple a una velocidad superior a la crítica de temple con objeto de obtener una estructura martensítica, y así mejorar la dureza y resistencia del acero El medio de temple puede ser: •

Agua: es el medio más económico y antiguo. Se consiguen buenos temples con aceros al carbono. Las piezas se agitan dentro del agua para eliminar las burbujas de gas. •

Aceite: enfría más lentamente que el agua.

•

Aire: se enfrían las piezas con corrientes de aire. Se utiliza para los denominadas aceros rápidos. A la hora de realizar un temple, hay que tener en cuenta los siguientes factores:

−

El tamaño de la pieza, puesto que cuanto más espesor tenga la pieza más habrá que aumentar el tiempo de duración del proceso de calentamiento y de enfriamiento.

−

La composición química del acero, ya que en general, los aceros aleados son más fácilmente templables.

−

El tamaño del grano influye principalmente en la velocidad crítica del temple, teniendo más templabilidad el de grano grueso.

−

El medio de enfriamiento, siendo el más adecuado para templar un acero el que consiga una velocidad de temple ligeramente superior a la crítica. 1.1.1. Templabilidad Se puede definir la templabilidad como la aptitud de un acero para endurecerse por formación de martensita, como consecuencia de un tratamiento térmico. Para determinar el grado de templabilidad de un acero se realiza el ensayo Jominy. El ensayo consiste en realizar el templado de una probeta de dimensiones determinadas según un proceso definido. El estudio de los resultados permite definir el comportamiento del material ante el tratamiento de temple. Para realizar el ensayo, se calienta en primer lugar la probeta cilíndrica 25 mm de diámetro y 100 mm de longitud, a la temperatura de austenización durante 30 minutos en atmósfera controlada. Tras finalizar el calentamiento, se cuelga la probeta por un extremo de modo que un chorro de agua, a temperatura constante, incida directamente sobre su extremo inferior durante 10 minutos. La probeta se irá enfriando a distinta velocidad según la distancia respecto al punto de incidencia del chorro de agua. El extremo inferior de la probeta se enfriará rápidamente, sufriendo un temple más severo y será más duro que el otro extremo. Una vez que la probeta se ha enfriado a temperatura ambiente, se desbasta una tira de 0.4 milímetros de espesor y se determina la dureza Rockwell C a lo largo de los 50 mm primeros de la probeta. En los primeros 12.5 mm las lecturas de dureza se toman a intervalos de 1.6 mm y en los 37.5 mm siguientes cada 3.2 mm. Después se traza una curva de templabilidad representando los valores de dureza en función de la distancia al extremo templado, obteniéndose así la curva de templabilidad. Si la dureza disminuye rápidamente conforme nos alejamos del extremo templado, el acero tendrá una templabilidad baja, mientras que los aceros cuyas curvas son casi horizontales serán de alta templabilidad, es decir, serán susceptibles de endurecerse rápido cuando sufren temple.

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1.1.2. 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.

Austenización completa

1.2.

Austenización incompleta

Temple + revenido

Martempering

Austempering

RECOCIDO

Se trata de calentar el metal hasta una determinada temperatura y enfriarlo después muy lentamente (incluso en el horno donde se calentó). De esta forma se obtienen estructuras de equilibrio. Son generalmente tratamientos iniciales mediante los cuales se ablanda el acero. Su finalidad es suprimir los defectos del temple. Mediante el recocido se consigue: − − −

Aumentar la plasticidad, ductilidad y tenacidad. Eliminar la acritud. Afinar el grano y homogeneizar la estructura.

Es tratamiento térmico muy utilizado y según las temperaturas que se alcanzan en el proceso se pueden distinguir los siguientes tipos:

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1. Recocido completo.- afina el grano cuando ha crecido producto de un mal tratamiento. Se realiza en aceros hipoeutectoides. 2. Recocido incompleto.- elimina tensiones pero sólo recristaliza la perlita. Es más económico que el anterior. 3. Recocido de globalización.- mejora la mecanibilidad en los aceros eutectoides e hipereutectoides. 4. Recocido de recristalización.tensiones y elimina la acritud.

reduce

5. Recocido de homogenización.- elimina la segregación química y cristalina. Se obtiene grano grueso por lo que es necesario un recocido completo posterior. 1.3.

REVENIDO

Como ya se ha visto, el temple produce un aumento de la fragilidad debido a las tensiones internas que se generan al producirse la transformación martensítica. Para evitarlo, se somete el metal a un proceso de revenido, que consiste en elevar la temperatura hasta una inferior a la de transformación (punto crítico AC1) para transformar la martensita en formas más estables. Mediante el revenido se consigue: − − 1.4.

Disminuir la resistencia mecánica y la dureza. Aumentar la plasticidad y la tenacidad. NORMALIZADO

Se trata de calentar el metal hasta su austenización y posteriormente dejarlo enfriar al aire. La ventaja frente al recocido es que se obtiene una estructura granular más fina y una mayor resistencia mecánica. La desventaja es que la dureza obtenida es mayor. Mediante este proceso se consigue: − −

Subsanar defectos de las operaciones anteriores de la elaboración en caliente (colada, forja, laminación,…) eliminando las posibles tensiones internas. Preparar la estructura para las operaciones tecnológicas siguientes (por ejemplo mecanizado o temple).

El normalizado se utiliza como tratamiento previo al temple y al revenido, aunque en ocasiones puede ser un tratamiento térmico final. En el caso de los aceros con bastante contenido en carbono y mucha templabilidad, este tratamiento puede equivaler a un temple parcial, donde aparezcan productos perlíticos y martensíticos. Para aceros con bajo contenido de carbono no aleados no existe mucha diferencia entre el normalizado y el recocido. Cuando se trata de aceros de contenido medio en carbono (entre 0.3 – 0,5%C) la diferencia de propiedades es mayor que en el caso anterior; en general, el proceso de normalizado da más dureza.

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2. TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS Los más importantes son: cementación, nitruración, cianuración y sulfinización. Además de los producir cambios en la estructura, también se producen cambios en la composición química de su capa superficial añadiendo distintos productos. Estos tratamientos requieren el uso de calentamiento y enfriamiento controlados en atmósferas especiales. Los objetivos que se persiguen mediante estos procesos son variados, pero entre ellos podemos destacar: − − −

Mejorar la dureza superficial de las piezas, sin disminuir la tenacidad del núcleo. Aumentar la resistencia al desgaste aumentando el poder lubrificante. Aumentar la resistencia a la fatiga y/o la corrosión, sin modificar otras propiedades esenciales tales como ductilidad.

Se aplican sobre herramientas de arranque de viruta, camisas de pistones,..

2.1.

CEMENTACIÓN

Consiste en aumentar la cantidad de carbono de la superficie, en estado sólido (carbón vegetal), líquido (cianuro sódico) o gaseoso (hidrocarburos). Se consigue teniendo en cuenta el medio o atmósfera que envuelve el metal durante el calentamiento y enfriamiento. Se consiguen superficies de gran dureza y resistencia superficial. Se aplica a piezas resistentes al desgaste y a los choques.

2.2.

NITRURACIÓN

Consiste en aportar nitrógeno a la superficie de la pieza por medio de una corriente de amoniaco. Se consiguen durezas muy elevadas y superficies muy resistentes al desgaste, la corrosión y la fatiga sin perder la dureza. Se aplica a piezas sometidas a choques y rozamientos (ruedas dentadas, árboles de levas, ejes de cardán, aparatos de medida).

2.3.

CIANURACIÓN

Es una mezcla de cementación y nitruración. Se endurecen las piezas introduciendo carbono y nitrógeno mediante baños de cianuro, carbonato y cianato sódico. Después hay que templar las piezas.

2.4.

SULFINIZACIÓN

Consiste en aportar a la superficie azufre, carbono y nitrógeno para mejorar la resistencia al desgaste, favorecer la lubricación y evitar el agarrotamiento. Se aplica a herramientas.

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