UNIDAD 5. TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS

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1 UNIDAD 5. TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS 1. DIAGRAMA HIERRO-CARBONO... Pág. 81 Enfriamiento del hierro Aceros Fundiciones Constituyentes de Fe-C (Austenita, ferrita α, ferrita, cementita, perlita, ledeburita, ) Puntos eutéctico y eutectoide 2. CURVAS TTT... Pág. 86 Bainita, martensita 3. TRATAMIENTOS TÉRMICOS... Pág. 88 Temple Revenido Normalizado Recocido 4. TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS... Pág. 94 Cementación o carburación Nitruración Carbonitruración Sulfinización 5. TRATAMIENTOS MECÁNICOS... Pág TRATAMIENTOS SUPERFICIALES... Pág. 98 PORTALESO (ANTONIO BUENO) DIAGRAMA Fe- C DIAGRAMAS EXTREMADURA RAUL LÓPEZ APUNTES RAÚL LÓPEZ CATEDU CATEDU GENERAL 1 Bloque I. Diagramas de equilibrio

2 1. DIAGRAMA HIERRO-CARBONO Enfriamiento del hierro puro Líquido 1538 C Hierro (BCC a o = 29,3 nm) Variación de Tª fusión 1394 C Hierro (FCC a o = 36,5 nm) (Deformable, poco duro, resistencia al desgaste) 910 C Hierro α (BCC a o = 29 nm) (Blando, maleable,..) Aleación Fe-C Hierro puro %C < 0,03 % Acero %C < 2,11% Fundición 2,11% < %C < 4% Fundición (Sin utilidad industrial) 4 % < %C < 6,67% Cementita %C > 6,67 % Constituyentes de las aleaciones Fe-C Austenita Solución sólida de inserción de carbono en hierro con una solubilidad máxima del 2,11 % a C. Es el constituyente más denso de los aceros. Sólo es estable a temperaturas superiores a 727 C Ferrita α Solución sólida de inserción de carbono en hierro α. La relación de los huecos respecto a los átomos de C es menor que en el caso anterior y la solubilidad disminuye (0,02% a 727 C) por lo que se le considera hierro puro. Es el constituyente más blando y dúctil de los aceros. Presenta buenas propiedades magnéticas. Cristaliza en una red BCC Ferrita Solución sólida intersticial de C en hierro. La mayor solubilidad es de 0,09 % a C Cementita.(Fe 3 C) Contiene el 93,33% de Fe y 6,67 % de C. Es el constituyente más duro de los aceros y fundiciones. También es el más frágil. Carece de resiliencia y alargamiento. A temperaturas bajas es magnética (hasta 230 C) Perlita Estructura resultante de la solidificación de un acero eutectoide (láminas de ferrita- 87 %- y cementita-13%-) 2 Bloque I. Diagramas de equilibrio

3 Ledeburita Constituyente de las fundiciones; es una aleación eutéctica formada por austenita - 52 %- y cementita-48%- Martensita Se obtiene por enfriamiento muy rápido de un acero austenizado con una proporción máxima de 0,89 %; es decir, es necesario calentar el acero por encima de 912 C y enfriarlo rápidamente (temple). Cristaliza en una red tetragonal centrada en el cuerpo. Es el constituyente más duro (50 a 68 HRC) de los aceros, su resistencia mecánica es elevada (1.740 a MPa) y su alargamiento unitario bajo (0,5% a 2,5%) y presenta forma de agujas visibles al microscopio. Bainita Se obtiene a partir de la austenita mediante transformación isotérmica. El acero se enfría rápidamente (en baños de sales) hasta una temperatura comprendida entre 250 C y 550 C manteniéndolo un tiempo suficiente para conseguir toda la transformación de la austenita en bainita. Punto eutéctico. (4,3 % de C) Marca la formación de la ledeburita y es la aleación con un punto de fusión más bajo (1.148 C). Al ser un eutéctico toda la masa funde o solidifica a una misma temperatura. Punto eutectoide C (0,89 % de C) Se produce un cambio de fases en estado sólido. Toda la masa de austenita se transforma a 727 C en perlita Punto E (2,11 % C) Divide las aleaciones Fe-C en aceros y fundiciones Enfriamiento hipoeutectoide Enfriamiento hipereutectoide Austenita (%C < 0,89 %) Austenita (%C > 0,89 %) A 3 Ferrita + Austenita A cm Cementita + Austenita 727 C Ferrita + Perlita (Ferrita +cementita). Matriz ferrítica (Resistencia a la tracción, dúctil y blanda) 727 C Cementita + Perlita (Ferrita +cementita). Matriz cementítica (Dura, frágil. Piezas de resistencia al desgaste) Enfriamiento eutectoide Austenita (%C = 0,89 %) Perlita 3 Bloque I. Diagramas de equilibrio

4 2. CURVAS TTT DIAGRAMA TRANSFORMACIÓN-TIEMPO- TEMPERATURA - Se representa en el eje de abcisas el tiempo en escala logarítmica y en el eje de ordenadas la temperatura. Se obtendrá una curva TTT para cada aleación. - Un número determinado de probetas se calientan por encima de la temperatura de austenización. - Se introducen en hornos isotérmicos a diferentes temperaturas (por debajo de la temperatura de austenización) - Para cada temperatura se representa el momento en que aparece el primer núcleo de perlita y el que representa el último vestigio de austenita. 4 Bloque I. Diagramas de equilibrio

5 DIAGRAMA TTT DE UN ACERO EUTECTOIDE (0,79 %C) Vc Tiempo requerido para que fijada un Tª constante cualquiera la austenita se transforme en otra fase Una vez calentada la probeta a una Tª superior a la de austenización se deja enfriar a distintas velocidades (V i) Velocidad crítica de temple. Velocidad mínima de enfriamiento para que se transforme la austenita en martensita. CARACTERÍSTICAS DE LA TRANSFORMACIÓN MARTENSÍTICA - No se produce el fenómeno de difusión por tratarse de procesos sa bajas temperaturas. - La transformación depende de la Tª, no del tiempo (M s o M i y M f) - El contenido en carbono de la martensita será el mismo que el de la austenita previa. - La temperatura de comienzo de la transformación disminuye al aumentar el contenido de carbono u otros elementos. - En la transformación de la austenita a la martensita se produce un aumento de volumen que puede resultar peligroso debido principalmente a la baja plasticidad de la martensita que se origina. - La cantidad de martensita formada aumenta al disminuir la Tª pero no de una forma proporcional. - Se trata de un proceso irreversible. - La estructura de la martensita tiene forma de agujas. - La martensita presenta grandes tensiones. 5 Bloque I. Diagramas de equilibrio

6 3. TRATAMIENTOS TÉRMICOS RESUMEN APUNTES IES SEFARAD (Resumen de e-ducativa.catedu) 1. Temple (Ac3 o Ac1 + 50º) (Enfriamiento rápido. Dureza y alta resistencia mecánica. Tensiones internas) a. Temple continuo de austenización completa (Hipo) b. Temple continuo de austenización incompleta (eutectoides e hiper) c. Temple escalonado (Martempering) d. Temple superficial e. Temple isotérmico (Austempering) (Bainita) 2. Revenido (Bonificado) (Enfriamiento lento. Elimina tensiones. Reduce fragilidad. Incremento de la ductilidad. Disminución de la dureza.) (Martensita revenida BBC) 3. Normalizado (Ac3 o Ac1 + 55º - 85º) (Enfriamiento lento aire-. Perlita + ferrita o cementita + ferrita de grano fino. Acero en su estado normal. Previo al temple. Posterior a forja o laminación) 4. Recocido (Ac3 o Ac1 + 15º-45º) (Enfriamiento muy lento horno-) Perlita + ferrita o cementita + ferrita de grano grueso. (Ablandamiento del acero, ductilidad y maleabilidad para conformarlo plásticamente. Mejora del mecanizado de las piezas) TEMPLE. Tratamiento térmico que consiste en calentar el acero hasta una Tª superior a la de austenización (aproximadamente por encima de A 3 (aceros hipoeutectoides) y A 1(aceros eutectoides e hipereutectoides) al objeto de transformar toda la masa en austenita (-FCC) y seguido de un enfriamiento rápido (con velocidad superior a la crítica) lo que permite que toda la austenita se transforme en martensita e impide la formación de perlita y/o ferrita que son más blandos. Con el temple se consigue mejorar la dureza, resistencia mecánica, resistencia eléctrica, etc. Ejemplos: herramientas de corte, brocas, sierras, cuchillos, etc. 6 Bloque I. Diagramas de equilibrio

7 La velocidad crítica de temple se define como la velocidad de enfriamiento mínima para que toda la masa de austenita se transforme en martensita (oscila entre ºC/seg). La velocidad de enfriamiento también influye en el tamaño medio del grano, siendo éste tanto menor cuanto mayor haya sido la velocidad. Los factores que influyen en el temple son los siguientes: Composición del acero. A mayor contenido de carbono o de otros elementos si se trata de aceros aleados (Mo, Al, Si, W y V) menor velocidad de enfriamiento se necesita y mayor dureza y profundidad de temple se consigue. Temperatura de temple. Los aceros hipoeutectoides será necesario calentarlos por encima de A ºC, ya que el producto proeutectoide es más blando (ferrita), mientras que los aceros hipereutectoides bastará con hacerlo por encima de A ºC ya que la cementita en este caso es más dura. Tiempo de calentamiento. Depende del tamaño de la muestra ya que si el tiempo es corto no se produce la austenización completa de la pieza, y si es excesivo, se puede producir un grano grueso que empobrece el temple. Velocidad de enfriamiento. Debe ser superior a la crítica para impedir que se produzcan otras transformaciones indeseables de la austenita y conseguir así la máxima dureza. Por su parte, la velocidad de enfriamiento depende a su vez de la temperatura de temple, del medio refrigerante y de las dimensiones de la pieza. Así, mientras el calentamiento se hace en hornos especiales, el enfriamiento se puede hacer empleando agua, aceites minerales, baños de sales, aire, etc. Existen varios tipos de temple: Temple continuo de austenización completa. Se aplica en aceros hipoeutectoides, calentando el material (ferrita + perlita) hasta A ºC, seguido de un enfriamiento rápido hasta conseguir un único constituyente: la martensita. Temple continuo de austenización incompleta. Se aplica en aceros hipereutectoides, calentando el material (cementita + perlita) hasta A ºC, por lo que la ferrita de la perlita se transforma en austenita, quedando intacta la cementita. Enfriando a la velocidad adecuada obtenemos martensita + cementita. Temple escalonado (Martempering) Consiste en calentar la pieza de acero hasta la asutenización completa y enfriarla rápidamente en un baño de sales hasta una Tª próxima a ºC, donde se mantiene un tiempo para evitar así que la austenita sufra otro tipo de transformación. Una vez que la pieza ha adquirido esa Tª se saca del baño y se enfría rápidamente hasta la Tª ambiente. 7 Bloque I. Diagramas de equilibrio

8 Temple superficial. Consiste en aplicar un temple en la superficie ( entre 1 y 3 mm) de la pieza en cuestión, enfriándola de forma rápida. El calentamiento se puede hacer por medio de un soplete o por inducción eléctrica. Se recurre a este temple cuando queremos que una pieza presente una elevada dureza superficial y buena resistencia al desgaste, pero que su alma tenga pocas tensiones internas. Temple isotérmico o Austempering. Consiste en calentar el acero a la Tª de austenización y mantenerlo el tiempo necesario para obtener austenita. Posteriormente se enfría hasta una Tª determinada para igualar la Tª en toda masa a una Tª superior a la de comienzo de formación de la martensita, luego se vuelve a enfriar para obtener bainita (mayor tenacidad) REVENIDO. Se aplica exclusivamente a los aceros templados para eliminar las tensiones creadas en el temple, conservando parte de la dureza y mejorando la tenacidad y la plasticidad. Consiste en calentar las piezas después de templarlas hasta una temperatura inferior a la crítica inferior (A 1) seguido de un enfriamiento más bien lento con el fin de que la martensita del temple se transforme en una estructura más estable (martensita revenida BCC). NORMALIZADO. Consiste en calentar el acero entre 55 y 85 ºC por encima de la Tª crítica superior (A 3 para los aceros hipoeutectoides y A 1 para los hipereutectoides) manteniéndose durante un tiempo en ella. El enfriamiento posterior se realiza al aire. De esta forma la velocidad de enfriamiento no es muy elevada como para formar martensita, y lo que se obtiene es perlita + ferrita de grano fino en el caso de los aceros hipoeutectoides o perlita + cementita de grano fino en el caso de los hipereutectoides. El objetivo que se pretende con este tratamiento es volver al acero a su estado normal, y se suele aplicar a los aceros que se han deformado plásticamente por laminación o forja con el fin de afinar el tamaño del grano y eliminar tensiones internas y como tratamiento previo al temple. Es un tratamiento adecuado para aceros con un contenido en carbono inferior al 0,25 % RECOCIDO Recocido significa ablandamiento por calor. Consiste en calentar el acero entre 15-45ºC por encima de la Tª crítica superior (A 3 para los aceros hipoeutectoides y A 1 para los hipereutectoides) seguido de un enfriamiento muy lento (se suele apagar el horno y se deja que el material se enfríe en su interior). De esta forma la velocidad de enfriamiento no es muy elevada como para formar martensita, y lo que se 8 Bloque I. Diagramas de equilibrio

9 obtiene es perlita + ferrita de grano grueso en el caso de los aceros hipoeutectoides o perlita + cementita de grano grueso en el caso de los hipereutectoides. El recocido se aplica al acero para ablandarlo y proporcionarle la ductilidad y maleabilidad suficientes para conformarlo plásticamente, facilitando el mecanizado de las piezas (aumenta la elasticidad y disminuye la dureza). Los factores de los que depende el recocido son básicamente tres: Tª de calentamiento, tiempo de calentamiento y velocidad de enfriamiento. Se aplica para eliminar los defectos del conformado en frío. Existen diferentes tipos según la Tª de calentamiento: 1. Recocido completo. Afina el grano. Hipoeutectoides 2. Recocido incompleto. Elimina tensiones 3. Recocido de globalización. Hipereutectoides 4. Recocido de recristalización. Reduce tensiones y elimina acritud. 5. Recocido de homogeneización. Elimina segregaciones 9 Bloque I. Diagramas de equilibrio

10 4. TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS Son operaciones de calentamiento y enfriamiento de los aceros, durante los cuales se modifica la composición química del material, adicionando al mismo tiempo otros elementos para mejorar sus propiedades superficiales tales como la dureza, la resistencia a la corrosión, al desgaste y a los esfuerzos de fatiga. Los principales son 1. CEMENTACIÓN Se aplica en piezas con bajo contenido en carbono (<0,3%), aleadas o no, sometidas a desgaste y a golpes, es decir, que poseen dureza superficial y resiliencia. Consiste en aumentar la cantidad de carbono de la capa superficial, calentándola hasta la temperatura de austenización en presencia de un medio cementante (atmósfera donde existe carbono y oxígeno en estado atómico). De esta forma, el carbono se difunde por la superficie y en función del tiempo de exposición y de la temperatura varía el espesor a conseguir (entre 0,5 y 1,5 mm) 2. NITRURACIÓN Tratamiento de endurecimiento superficial aplicado a ciertos aceros y fundiciones, que se efectúa en hornos especiales exponiendo las piezas a una corriente de amoniaco a 500ºC aproximadamente. Los aceros nitrurados son más duros y resistentes a la corrosión y se utilizan para endurecer camisas de cilindros, herramientas de corte, brocas, árboles de levas, etc. 3. CIANURACIÓN 10 Bloque I. Diagramas de equilibrio

11 Se trata de una mezcla de los dos procesos anteriores. Consiste en endurecer la superficie de las piezas de acero a través de una capa superficial rica en carbono (cementación) y en nitrógeno (nitruración). Las piezas a tratar se introducen en un baño líquido (mezcla de cloruro de cianuro y carbonato sódico) a una temperatura entre ºC y en presencia de oxígeno del aire. Una vez que se consigue la capa adecuada en función del tiempo de exposición, es conveniente darle un temple superficial para aumentar su dureza. 4. CARBONITRURACIÓN Introduce carbono y nitrógeno en una capa superficial, que proviene de hidrocarburos como metano, etano o propano a º C. Necesita temple y revenido posterior. 5. SULFINIZACIÓN Permite incorporar una capa superficial de carbono, nitrógeno y en especial azufre a los aceros, a las aleaciones férricas y al cobre. Se consigue introduciendo las piezas en un baño de sales a 565ºC, aumentando así la resistencia al desgaste y disminuyendo el coeficiente de rozamiento, favoreciendo al mismo tiempo la lubricación. Se utiliza en herramientas de corte para mecanizado de torno y fresa. 5. TRATAMIENTOS MECÁNICOS Son operaciones de deformación del material, que permiten mediante esfuerzos mecánicos, mejorar su estructura interna al eliminar fisuras y tensiones internas. Estos tratamientos pueden ser: En frío: permiten deformar el material a temperatura ambiente por golpes o laminación ( estampación, embutición, punzonado, trefilado y laminación) En caliente: una vez calentado, permite deformar el material, generalmente por golpes(laminación, inyección, extrusión y forja) 6. TRATAMIENTOS SUPERFICIALES Permiten mejorar la superficie del material sin alterar su composición química. Cualquier tratamiento de este tipo requiere que la superficie a tratar se someta previamente a un proceso de decapado, pulido y desengrasado. Los más comunes son: - Cromado: Se deposita cromo sobre la superficie del material a proteger con el fin de aumentar además de su dureza superficial, su resistencia al desgaste, al rayado y a la corrosión. Se suele hacer por electrolisis en un medio ácido. - Metalización: se proyecta con una pistola sobre la superficie en cuestión, metal fundido pulverizado (oxígeno + acetileno + polvo metálico) - Recubrimiento por inmersión: la pieza se somete a un baño de metal fundido durante un tiempo, hablando entonces de galvanizado (cinc) y estañado (estaño). Los recubrimientos también se pueden hacer con productos orgánicos (pinturas y lacas) o con inorgánicos como el vidrio fundido. 11 Bloque I. Diagramas de equilibrio

12 - Electrolisis: controlando el tiempo de inmersión y la intensidad de corriente eléctrica, se puede controlar la cantidad de metal depositado. En este caso, el metal protector (Zn) se utiliza como ánodo y el metal a proteger como cátodo empleando como electrolito una solución del metal que se ha de depositar en forma de sulfatos. Por este procedimiento se realiza el cobreado, niquelado, cincado etc. VÍDEO DIDÁCTICO DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS 12 Bloque I. Diagramas de equilibrio