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1 Hornos y tratamientos térmicos [Trabajo práctico #4] Materiales y Combustibles Nucleares 2008 Ingeniería Nuclear Instituto Balseiro, CNEA, UNCu 1 Autores: Bazzana Santiago Hegoburu Pablo Ordoñez Mariano Pieck Darío

2 Materiales y combustibles nucleares 2008 Nuclear - Instituto Balseiro Ingeniería Bazzana Santiago, Hegoburu Pablo, Ordoñez Mariano, Pieck Dario En este trabajo se analizan los datos obtenidos en la visita al edificio de materiales del CAB, en el cual se observaron distintos hornos y se realizó un ensayo de dureza, para distintas probetas de un mismo material (acero 3335), tratadas por distintos procesos de endurecimiento térmico. 1. Introducción Un horno es un dispositivo que genera calor y que lo mantiene dentro de un compartimiento cerrado. En la industria metalúrgica, se lo utiliza para realizar tratamientos térmicos sobre los materiales, de modo de obtener propiedades mecánicas y microestructuras deseadas para algún uso particular (mediante el agregado de aleantes y/o el método de enfriado). Según su principio de funcionamiento, se los puede agrupar en 3 tipos: Calentamiento por efecto Joule, entre los cuales se encuentran los hornos de inducción eléctrica y arco eléctrico. Calentamiento por elevación de la temperatura del medio circundante, como los hornos de calentamiento por resistencia eléctrica y los de calentamiento por combustión. Calentamiento por interacción de radiación con la muestra, entre ellos, los que emplean radiación láser y los de haces de electrones. Calentamiento por Efecto Joule INDUCCIÓN ELÉCTRICA Este tipo de hornos establecen corrientes parásitas en la muestra a través de un campo magnético variable generalmente inducido por una bobina 2

3 exterior en medios cerrados o abiertos. Las corrientes al circular por el material, el cual posee una resistencia dada, producen calentamiento en forma volumétrica por el denominado efecto Joule. Con estos hornos se puede focalizar el lugar donde se produce el calentamiento, teniendo la ventaja de producir materiales de alta pureza o crecimiento de grano controlado. CALENTAMIENTO POR ARCO ELÉCTRICO En este tipo de hornos se introduce una corriente eléctrica en la muestra a través de su superficie, provista por un electrodo no consumible adecuadamente elegido. El principio de funcionamiento es similar al de las soldadoras T.I.G. descriptas en trabajos anteriores. El crisol debe ser seleccionado de tal forma que sea conductor eléctrico, resista las condiciones de trabajo y no reaccione químicamente con el material a fundir. Calentamiento del medio circundante: CALENTAMIENTO POR RESISTENCIA ELÉCTRICA Esta clase de hornos produce la elevación de temperatura de un ambiente en donde se introduce el material a fundir. Tal elevación de temperatura es realizada por el paso de altas densidades de corriente eléctrica a través de una resistencia elegida para tal fin. El calor llega desde la resistencia al material a través de radiación y convección. Se debe aislar adecuadamente el ambiente de calentamiento para no perder eficiencia calorífica. La mayoría de estos hornos suelen llegar hasta los En un horno de este tipo fue donde se realizó el calentamiento de las probetas para realizar, con ellas, las comparación de los distintos métodos de endurecimiento. CALENTAMIENTO POR COMBUSTIÓN Estos hornos generan calor a través de la combustión de ciertas sustancias con poderes caloríficos altos, este calor se transmite al material a través del medio circundante o por contacto directo. Existen hornos por combustión que producen una llama, a la cual se expone al material y otros donde el material combustionante no genera llama. 3

4 Calentamiento por interacción de radiación: CALENTAMIENTO LÁSER Los hornos láser, como su nombre lo indica, hacen incidir uno o varios haces láser en la superficie del material a fundir, con lo que se eleva la temperatura del mismo hasta la condición deseada. Las configuraciones son diversas, pero en general se trabaja con atmósfera controlada de gases inertes o vacío. Tiene la gran ventaja de ser altamente preciso en la focalización del calentamiento producido y las altas temperaturas logradas. CALENTAMIENTO POR HAZ DE ELECTRONES Este horno trabaja con condiciones similares al horno láser, con la diferencia que en este caso se hacen incidir electrones sobre la superficie de la muestra, lo cual permite mayor penetración y permite derretir mayor volumen de material. Este tipo de hornos funden en atmósfera de vacío dado el bajo camino libre medio de los electrones en pequeñas presiones absolutas de gas. 2. Desarrollo En la visita realizada al laboratorio de materiales, se observaron los siguientes hornos: Hornos de Fundición: HORNO INDUCTIVO Uno de los hornos observados en la visita y su crisol. El crisol es de alúmina o grafito y tiene una capacidad de 12 kg de acero y 1,6 lt, el mismo está rodeado de la bobina que produce la inducción, la cual está refrigerada por agua y la tensión en bornes de ésta no supera los 150 V, con lo que se produce una corriente menor a 300 A. La potencia es de 80 kw, con una frecuencia de 4 khz, suministrados por una fuente que posee un bastidor propio en el cual se pueden elegir los parámetros eléctricos. Posee una cámara de alto vacío a la cual una vez cerrada se puede acceder mediante una compuerta por la cual pueden ingresar los siguientes accesorios: un pirómetro infrarrojo para la medición de la temperatura, una termocupla de PtRd sumergible, un cargador de aleantes y un mezclador. 4

5 Además, el laboratorio posee otro horno de inducción, el cual permite la focalización del calor entregado, por lo tanto es utilizado en trabajos especiales, como ser el crecimiento de granos y purificación de materiales por difusión. La muestra es introducida en el horno y la bobina calentadora es desplazada desde la parte inferior a la superior "empujando" las partículas indeseables por difusión. HORNO DE RESISTENCIA ELÉCTRICA Uno de los hornos de resistencia eléctrica observado se muestra en la figura, está revestido interiormente por ladrillos refractarios que se calientan por medio de resistencias de FeNi o Kanthal 1400 (no oxidable) colocadas entre ellos. El material a fundir se coloca dentro del horno en un crisol. El material del crisol varía dependiendo de las temperaturas a las que debe ser sometido y del tipo de acero o aleación que debe fundirse. Una vez fundido el material se vierte en el molde deseado. 5

6 Los hornos de resistencia presentes son del tipo mufla, de pequeñas dimensiones. Estos hornos no son utilizados como hornos principales de fundición sino para realizar tratamientos térmicos, que fue para lo que lo utilizamos nosotros. En ellos se puede regular la temperatura con una precisión de un grado centígrado. En el caso de necesitar una mayor capacidad de aislación se puede utilizar material refractario poroso, el cual posee un tercio de la densidad de los ladrillos anteriores y en caso de querer mayor aislación aún se pueden utilizar mantas de alúmina. HORNO DE ARCO ELÉCTRICO El horno de arco eléctrico observado se muestra en la figura, consiste en una campana de vidrio con un crisol de Cu cuya configuración se elige según el trabajo a realizar para colocar el material a fundir. Dentro de la campana se genera vacío o atmósfera inerte de Ar. Mediante la utilización de una torcha de Cu con punta de W se genera un arco eléctrico contra la pieza produciendo altas temperaturas en ella y causando la 6

7 fundición de aquella, tal arco se genera con un dispositivo tipo gatillo igual al utilizado en la soldadora T.I.G. Debido a las altas temperaturas producidas en la punta de W, la torcha posee un circuito de refrigeración por agua, y el horno permite desplazar o girar las piezas que se encuentran en el interior de la campana mediante un dispositivo para tal fin. Una de las ventajas del crisol de Cu es que no es soluble en los materiales a fundir y tampoco desgasa. 3. Experiencias Luego de esta breve visita para conocer los distintos tipos de hornos se realizó el calentamiento de 5 probetas de acero 3335, esta nomenclatura quiere significar que el acero está compuesto por 3,5 % de Ni, 1,57% de Cr y 0,35% de C, para después someterlas a distintos tipos de métodos de endurecimiento y poder compararlos posteriormente. Los distintos métodos de endurecimiento que se realizaron fueron: templado, templado y revenido (1 hora), normalizado (sin tratamiento térmico), enfriado al aire (normalizado) y recocido. El templado es un tratamiento térmico al que se somete el acero - concretamente a piezas o masas metálicas ya conformadas en el mecanizado- para aumentar su dureza, resistencia a esfuerzos y tenacidad. El proceso se lleva a cabo calentando el acero a una temperatura aproximada de 915 C en el cual la ferrita se convierte en austenita, después la masa metálica es enfriada rápidamente, sumergiéndola o rociándola en agua, en aceite o en otros fluidos o sales. Después del temple siempre se suele hacer un revenido. Es uno de los principales tratamientos térmicos que se realizan y lo que hace es disminuir y afinar el tamaño del grano de la alineación de acero correspondiente. Se pretende la obtención de una estructura totalmente martensítica. El revenido es un tratamiento térmico que sigue al de templado del acero. Tiene como fin reducir las tensiones internas de la pieza originadas por el temple o por deformación en frío. Mejora las características mecánicas reduciendo la fragilidad, disminuyendo ligeramente la dureza, que será más importante cuanto más elevada sea la temperatura de revenido. 7

8 El recocido es el tratamiento térmico que, en general, tiene como finalidad principal ablandar el acero, regenerar la estructura de aceros sobrecalentados o simplemente eliminar las tensiones internas que siguen a un trabajo en frío. Implica un calentamiento hasta una temperatura que permita obtener plenamente la fase estable a alta temperatura seguido de un enfriamiento lo suficientemente lento como para que se desarrollen todas las reacciones completas. El normalizado es un tratamiento térmico que se emplea para dar al acero una estructura y unas características tecnológicas que se consideran normales. El procedimiento consiste en calentar la pieza entre 55 y 85 grados centígrados por encima de de la temperatura crítica superior, y mantener esa temperatura el tiempo suficiente para conseguir la transformación completa en austenita. A continuación se deja enfriar en aire tranquilo. Con esto se consigue una estructura perlítica con el grano más fino y más uniforme que la estructura previa al tratamiento, consiguiendo un acero más tenaz. Es lo que llamamos perlita fina. Una vez finalizados los distintos tratamientos, se prosiguió con el ensayo de dureza (Rockwell). Se obtuvieron los siguientes resultados: Tipo de tratamiento Dureza (HRC) Templado en agua 55 Templado en agua y revenido (1 35,5 hora) Normalizado (de fábrica) 38,5 Normalizado (enfriado al aire) 48 Recocido 21 Tabla 1: Resultados obtenidos del ensayo de dureza. Puede observarse que, como era de esperar, la probeta que fue templada en agua es la que más dureza presenta, seguido por la probeta enfriada al aire, la proveniente de fábrica, el templado con revenido y por último el recocido. 8

9 4. Conclusiones Se visitó las instalaciones del edificio de materiales del CAB. Por medio de ésta se pudieron conocer las técnicas y procedimientos utilizados en el proceso de fundición y tratamiento térmico de materiales. Además se pudieron observar dispositivos de amplio uso en la industria y laboratorios para la tarea de fundición de metales y otros compuestos, como así también sus costos y limitaciones. Se realizaron distintos tratamientos térmicos sobre cuatro probetas: templado en agua, templado y revenido, recocido y normalizado. Luego, se ensayó la dureza para estas probetas, y para una sin tratar. Los datos obtenidos concuerdan con los resultados esperados, salvo por la gran diferencia entre los dos normalizados. Esto puede deberse a un reacomodamiento de vacancias en clústeres, aumentando la dureza del material. 9

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