TRATAMIENTOS TÉRMICOS.

Transcripción

1 TRATAMIENTOS TÉRMICOS. Ingeniería de materiales Desde la antigüedad se ha apreciado como el fuego es capaz de cambiar las propiedades de las sustancias. Con fuego los hombres de la edad de piedra desdoblaban las proteínas de la carne de los animales, para aprovechar mejor sus nutrientes y endurecían las varas de madera de sus flechas para darles mayor rigidez. Para los antiguos griegos, el fuego formaba parte de los cuatro elementos fundamentales: agua, aire, tierra y fuego. Representaba el triunfo de la humanidad sobre los dioses, al ser robado por prometeo de la forja de Hefesto. Durante mucho tiempo los tratamientos térmicos han sido un medio relativamente económico para mejorar las propiedades mecánicas de los metales. Involucran la adecuada aplicación de procesos de calentamiento y enfriamiento, con el propósito de efectuar los cambios necesarios, en las estructuras cristalinas del material, para el mejoramiento de las propiedades requeridas. Se pueden llevar a cabo tratamientos térmicos sobre piezas, a lo largo del proceso de manufactura de un producto. En algunos casos, el tratamiento se aplica antes del proceso de formado, por ejemplo para ablandar el metal y ayudar a formarlo más fácilmente mientras se encuentra caliente. En otros casos, se usa el tratamiento térmico para aliviar los efectos del endurecimiento por deformación que ocurren durante el formado y poder así producir en la pieza una deformación posterior. Y finalmente, el tratamiento térmico puede realizarse durante o casi al finalizar la secuencia de manufactura para lograr la resistencia y dureza requeridas en el producto terminado. Como ejemplo interesante de tratamientos térmicos sucesivos en un proceso de fabricación, se tiene la elaboración tradicional de espadas de combate japonesas, las cuales están constituidas por capas sucesivas de material ferroso con diferentes propiedades mecánicas, capas con alta resiliencia y poca dureza en el centro, pero con gran dureza en el exterior. Los principales tratamientos térmicos son: 1) Templado (formación de martensita en el acero) 2) revenido, 3) recocido, 4) endurecimiento por precipitación y 5) Tratamientos superficiales. TEMPLADO. Consiste en calentar el material hasta una temperatura lo suficiente alta para convertirlo entera o parcialmente en austenita, dentro o por arriba de su zona crítica; esta temperatura puede determinarse por medio del diagrama de fases para la composición particular de la aleación. Procediendo luego a enfriar rápido, para evitar la intersección con la nariz de la curva de templabilidad y obtener una estructura martensítica. La dureza obtenida dependerá de la velocidad del temple, contenido de carbono y dimensiones de la pieza. Si el material tiene secciones amplias, el tiempo de calentamiento deberá ser mayor. Velocidad critica de templado Es la mínima velocidad de enfriamiento, que da por resultado un 100% de martensita La transformación a austenita implica un cambio de fase que requiere tiempo y calentamiento; en consecuencia, se debe mantener el acero a temperatura elevada por un periodo suficiente de tiempo para permitir que se forme la nueva fase y alcance la homogeneidad de composición requerida. Para aceros de bajo y medio carbono, el temple en un baño de agua, como medio enfriador, es un método muy utilizado; para aceros al alto carbono y aleados, se usa generalmente aceite mineral, debido a que su acción no es tan severa como la del agua. El temple en salmuera suministra el enfriamiento más rápido de las superficies calentadas, mientras que el temple al aire es el más lento. El problema es que mientras más efectivo sea el medio de temple en el enfriamiento, es más probable que cause esfuerzos internos, distorsión y grietas en el producto. Métodos de calentamiento Se puede alcanzar la temperatura deseada en los tratamientos térmicos, aumentando la energía interna de las piezas, mediante diferentes formas de calentamiento, entre las más comunes se encuentran. 1

2 Flama directa. Las piezas se exponen directamente a la flama con el propósito de incrementar la transferencia de calor por convección, la flama se logra mediante la combustión de sólidos como el carbón mineral o vegetal, o líquidos como la mayoría de los hidrocarburos comerciales, y gases. Con este proceso se obtienen superficies duras con un núcleo dúctil, se pueden tratar piezas grandes sin calentarlas en su totalidad, sin embargo no se controla fácilmente la profundidad de la capa. El calentamiento se obtiene por la flama producida por cualquier combustible, como por ejemplo la oxiacetilénica aplicada directamente sobre la superficie de la pieza. Flama indirecta En esta modalidad también existe liberación de gases ya que la temperatura necesaria para el tratamiento térmico se alcanza mediante la combustión de hidrocarburos, sin embargo la flama no se dirige a las piezas, pues el conjunto se encuentra confinado en un blindaje térmico. Inducción Es un método relativamente rápido ya que solo requiere algunos segundos para calentar hasta una profundidad de significativa para un tratamiento térmico;. No se presenta oxidación, su operación es limpia y la distorsión producida es pequeña. Es ideal para acero al medio carbono, en piezas donde es importante que la composición de la superficie no varíe, como cigüeñales, engranes y otras piezas sometidas a desgaste. La pieza a templar se coloca dentro una bobina de inducción, a la que se le aplica una corriente eléctrica alterna de alta frecuencia; el calentamiento se logra debido a las corrientes inducidas de Foucault y las perdidas por histéresis en la superficie del material al magnetizarse y desmagnetizarse a gran velocidad. Eventualmente la pieza debe someterse a procesos de enfriamiento controlado, hasta adquirir la dureza requerida Horno eléctrico El calentamiento se logra mediante el uso de resistencias eléctricas, adecuadamente dispuestas dentro de un espacio confinado, coordinadas por un sistema de control automatizado TEMPLABILIDAD El término templabilidad se refiere a la capacidad relativa de un acero de ser endurecido por transformación de la austenita a martensita. Es una propiedad que determina la profundidad por debajo de la superficie templada a la cual el acero se endurece o la severidad del temple requerido para lograr una cierta penetración de la dureza. Los aceros con buena templabilidad se endurecen a más distancia bajo la superficie y no requieren altas velocidades de enfriamiento, por lo que la templabilidad no se refiere a la máxima dureza que se puede lograr, ya que 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 cromo, el manganeso, el molibdeno y el níquel en menor grado. El mecanismo mediante el cual operan estos elementos aleantes, es el aumento del tiempo antes de que ocurra la transformación de austenita a perlita en el diagrama TTT. En efecto, la curva TTT se mueve hacia la derecha, permitiendo así velocidades de enfriamiento más lentas. Por tanto la trayectoria del enfriamiento es capaz de seguir más fácilmente una ruta más lenta hacia la línea Ms, evitando el obstáculo impuesto por la nariz de la curva TTT. Prueba Jominy El método más común para medir la templabilidad es el ensayo de Jominy. Involucra el calentamiento de una probeta de diámetro= 1.0 pulg (25.4 mm) y una longitud =4.0 pulg (102 mm) hasta austenitizar y después es templado de uno de sus extremos con agua fría mientras se sostiene verticalmente. La velocidad de enfriamiento en la probeta de prueba disminuye con el incremento de la distancia desde el extremo que se templa. La templabilidad es indicada por la dureza de la probeta como una función de la distancia desde el extremo templado. 2

3 Una vez frío, se corta una superficie plana a lo largo de la probeta, para remover los carburos Corte 4 Fibra de vidrio Se practican diez marcas equidistantes, sobre la superficie plana Se mide la dureza a lo largo de la superficie de la probeta Se busca proteger la pieza con fibra de vidrio para minimizar la transferencia de calor Oroz HRC Prueba Jominy REVENIDO Consiste en un recalentamiento del acero endurecido por temple a una temperatura inferior a la crítica, seguido de un enfriamiento a cualquier velocidad, la estructura que se obtiene es martensita revenida. El revenido es posible debido a la inestabilidad de la martensita. Mediante este tratamiento es posible reducir: La dureza, resistencia a la tensión y la fragilidad; aumentando su ductilidad y tenacidad. Los revenidos a baja temperatura (150 a 205 C) no originan un gran decremento en la dureza y se usan para liberar los esfuerzos internos. Los elementos de aleación tienen gran influencia en el revenido, produciendo un retraso en la velocidad de suavización, de manera que requieren temperaturas de revenido más altas, para obtener la suavidad deseada Austemplado. Es una transformación isotérmica que convierte la austenita en bainita. El proceso se limita a piezas pequeñas con buena templabilidad. Martemplado. El acero es templado rápidamente desde la región austenítica, hasta una temperatura justo por encima de la línea M s, donde se mantiene lo suficiente hasta permitir que el núcleo y la superficie de la pieza alcancen la misma temperatura. Cuando esto ocurre, la pieza es enfriada al aire a temperatura ambiente, formando así martensita. Posteriormente el acero se recalienta a una temperatura que varía con los contenidos de carbono y aleantes. 3

4 Revenido Austemplado Martemplado El propósito principal del martemplado es el de reducir al mínimo la distorsión, agrietamiento y los esfuerzos internos que resultan del templado en aceite o agua. RECOCIDO El propósito del recocido es suavizar el acero duro, pero sirve también para aliviar los esfuerzos, eliminar gases, alterar la ductilidad, la tenacidad, las propiedades magnéticas, eléctricas o refinar el tamaño de grano. Recocido completo: En este es borrada toda estructura previa dejada por cualquier tratamiento térmico, refina la estructura cristalina y suaviza el metal. Cuando el acero se calienta por encima de su zona crítica, los componentes vuelven a transformarse en austenita, por lo que un enfriamiento lento proporciona el tiempo suficiente para completar la transformación de la austenita en los componentes más suaves. Ver línea roja de la figura. Recocido isotérmico: Proporciona un ciclo corto de recocido, ya Recocidos isotérmico y completo que el acero es templado rápidamente hasta la temperatura donde comienza la formación de ferrita (), justo por encima de la nariz. Es mantenido a esa temperatura, hasta lograr la transformación de la austenita remanente en perlita. Terminada la reacción, la pieza puede enfriarse a cualquier temperatura. La perlita generada, tendrá una estructura más uniforme que la lograda con otros métodos. 4

5 Recocido entre pasos: Consiste en el calentamiento del acero a una temperatura ligeramente por debajo de la zona crítica, con un posterior enfriamiento lento. Hay menos tendencia del acero a oxidarse en el proceso. NORMALIZADO Este tratamiento térmico se utiliza para homogenizar las microestructuras de los aceros y obtener materiales con una dureza y resistencia superior a la del acero recocido. Consiste en calentar el acero de 10 a 50 C arriba de la zona crítica superior, para austenitizar y enfriar en aire suave a la temperatura ambiente. El tiempo de permanencia a la temperatura de normalizado, debe ser suficiente para homogenizar la austenita, en algunos casos se ha reportado hasta una hora para profundidades de hasta 25 mm Este proceso se usa principalmen te con aceros de bajo y medio carbono para lograr una estructura de grano mas uniforme, liberar esfuerzos internos. La mayoría de los aceros comerciales son normalizados después de laminados o fundidos. ESFEROIDIZADO Es útil para aceros hipereutectoides que deben maquinarse. Se produce por calentamiento lento del acero a una temperatura por debajo de la zona crítica, manteniéndose ahí por un periodo de tiempo, hasta obtener en la cementita una estructura esferoidal llamada Esferoidita. La estructura globular obtenida presenta una menor tendencia a la concentración de esfuerzos y mejora la maquinabilidad de los aceros. Puede obtenerse también por calentamientos y enfriamientos alternativos. ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACIÓN Llamado también endurecimiento por envejecimiento. Involucra la formación de finas partículas (precipitados) que actúan para bloquear el movimiento de las dislocaciones y hacer más resistente y duro al metal. Los antiguos pueblos del norte de España, practicaban un método que lograba envejecer el acero de las espadas, al enterrar las hojas de acero, en terreno de montaña, por periodos largos de tiempo. Es el principal tratamiento térmico para hacer resistentes las aleaciones de aluminio, cobre, magnesio, níquel y otros metales no ferrosos. Los tratamientos de endurecimiento por precipitación se utilizan también para hacer resistentes numerosos aceros de aleación que no forman martensita por los métodos usuales. La condición necesaria para que un sistema de aleación pueda ser endurecido por precipitación es la presencia de una línea de solvus, que se caracteriza por la precipitación de una segunda fase sólida. Ver figura 1. En este sistema, una composición que se puede endurecer por precipitación es Fig. 1 Diagrama de fase de un sistema de aleación formada por los metales A y B que pueden endurecerse por precipitación aquella que contiene dos fases a temperatura ambiente, pero que se puede calentar a una temperatura tal que disuelva la segunda fase. La composición C mostrada en la figura (circulo) satisface este requerimiento. El proceso consiste en tres pasos, ilustrados en la figura 2: 5

6 1.- Se calienta la aleación a la temperatura T s arriba de la línea solvus dentro de la región de la fase alfa y se sostiene por un período suficiente para disolver la fase beta 2.- Se enfría a temperatura ambiente, para templar y crear una solución sólida sobresaturada 3.- Tratamiento por precipitación, en el cual se calienta la aleación a una temperatura Tp, debajo de Ts, para provocar la precipitación de partículas finas de la fase beta. Este tercer paso se llama envejecimiento, y por ésta razón algunas veces se le llama al proceso entero endurecimiento por envejecimiento. Temperatura Dureza a b Ts Tp Temperatura ambiente Tiempo Fig. 2 Tratamiento Térmico: (1) tratamiento de la solución, (2) templado y (3) tratamiento por precipitación Tiempo Fig. 3 Efecto de la temperatura y el tiempo durante el tratamiento por precipitación (envejecimiento): (a) alta temperatura de precipitación y (b) baja temperatura de precipitación. El envejecimiento puede ocurrir en algunas aleaciones a temperatura ambiente, y así el término endurecimiento por precipitación resulta más adecuado para los tres pasos del proceso. Cuando el envejecimiento es realizado a temperatura ambiente se usa el término envejecimiento natural; pero a temperatura elevada, se usa frecuentemente el término envejecimiento artificial. Durante el paso de envejecimiento se logra una alta resistencia y dureza en la aleación. A temperaturas elevadas en el tratamiento por precipitación, como en el caso de (1), la dureza se eleva en un tiempo relativamente corto; mientras que a bajas temperaturas, como en (2), se requiere más tiempo para endurecer la aleación, pero su máxima dureza será probablemente más grande que en el primer caso. La continuación del proceso de envejecimiento como se observa en la gráfica, da por resultado una reducción en las propiedades de dureza y resistencia. A esta reducción se le da el nombre de sobre envejecimiento. El efecto total es similar al del recocido. TRATAMIENTOS TÉRMICOS SUPERFICIALES Existe una amplia gama de tratamientos térmicos llamados superficiales, debido a que solamente se desea que una pequeña capa superficial de las piezas, se vea afectada en sus propiedades mecánicas. Se practica principalmente en piezas terminadas. El temple a la flama y de inducción, también pueden considerarse como tratamientos superficiales CEMENTACIÓN Conocido también como temple superficial, consiste en calentar el acero hasta la zona crítica ( C), mientras está en contacto con un material carbonoso, que puede ser sólido líquido o gaseoso. Posteriormente se procede a practicar un templado convencional. Debido a la afinidad del carbono con el hierro a esa temperatura, se forma una película de acero al alto carbono en la superficie. Capa superficial Material sin afectar Se aplica principalmente en aceros al bajo carbono, y se alcanzan durezas superficiales de 55 a 65 HRC y se presenta algo de distorsión en las piezas. Condiciones 1.- Temperatura superficial 2.- Agentes químicos Es común llevarla a cabo en piezas tales como engranes, levas, flechas, cojinetes, catarinas y placas de embrague Cementación en capa (caja). Se utiliza carbón vegetal o coque y se consiguen capas de 0.75 a 4 mm. Se utiliza para piezas grandes o lotes completos de pequeñas piezas. 6

7 Cementación Líquida. Se utiliza un baño de sales de cianuro, es similar al cianurado excepto que la capa tiene mas carbono que nitrógeno. Se logran capas hasta de 6.35 mm. ( in) Se utiliza en piezas pequeñas y medianas. Cementación gaseosa. Se utilizan hidrocarburos y se logran capas de 0.1 a 0.75 mm. Se utiliza en piezas pequeñas. CARBONITRURADO El acero (generalmente al bajo carbono) se lleva a una temperatura arriba de la zona crítica ( C), y se expone a una atmósfera gaseosa rica en carbono y nitrógeno (generalmente gas carbonaceo o amoniaco); es común enfriar en aceite. La capa resultante alcanza un espesor de 0.08 a 0.75 mm, alcanzando una dureza de 55 a 62 HRC, con poca distorsión. Suele aplicarse a pernos, tuercas y engranes. CIANURADO Conocido también como carbonitrurado líquido, se utiliza para tratar piezas pequeñas de bajo carbono (0.2%) y aceros aleados (0, %), que no reaccionan a los tratamientos térmicos convencionales. La pieza se calienta a una temperatura superior a la temperatura crítica, entre C, en un baño de sales fundidas de cianuro de sodio (por ejemplo 30% de cianuro de sodio y otras sales), se procede después a practicar el templado en agua o en aceite. La dureza puede alcanzar 65 HRC en la superficie, con una profundidad de capa de a 0.25 mm. Dependiendo del tiempo de exposición, con un poco de distorsión. Se aplica sobre pernos, tuercas, tornillos y engranes pequeños NITRURADO Se aplica en aceros con una composición típica de 1% Al, 1.5% Cr, 0.3% Mo, aceros aleados (Cr, Mo), aceros inoxidables, aceros para herramienta y de alta velocidad. Se calienta el metal entre los 500 y 600 C (inferior a la temperatura de transformación) y se pone en contacto con gas amoniaco, sin necesitar tratamientos térmicos posteriores. Internamente se forman nitruros que se distribuyen finamente en la superficie, a una profundidad que va desde 0.1 hasta 0.64 mm. (0.02 a 0.07 mm, para aceros de alta velocidad) La dureza que puede alcanzarse es de 1100 HV. Se nitruran piezas tales como: engranes, flechas de trasmisión de potencia, válvulas, cortadores, barrenas, piezas de bombas de inyección de combustible Nitrurado líquido. Utiliza sales de cianuro fundidas. Se obtiene un espesor de 0.03 a 0.30 mm, agrega mas nitrógeno que carbono que el cianurado o la cementación en baño de cianuro BORIZADO Se practica en todos los aceros, calentando las piezas en presencia de gases o polvos que contengan boro. Se obtienen superficies extremadamente duras y resistentes al desgaste, con profundidades de capa de a mm. Es común su aplicación en aceros para herramienta y dados. ENDURECIMIENTO SUPERFICIAL POR LASER. La emisión de luz coherente de alta intensidad también se ha utilizado exitosamente para calentar superficies de piezas de diversos tamaños, tal como, dientes de engranes, contornos de válvulas, punzones y componentes de maquinaria en general de tamaño pequeño. Entre las ventajas que ofrece el laser, se encuentran: 1. Muy buena precisión en la aplicación de la energía con la que se obtiene el aumento de la temperatura 2. Las piezas tratadas presentan menor distorsión por choque térmico 3. Se logra alcanzar superficies de la pieza que son de difícil acceso. 4. La capa endurecida nunca será mayor a 2.5 cm 7