TEMPLE+REVENIDO BONIFICADO DEL ACERO

Transcripción

1 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS TRATAMIENTO TERMICO. Conjunto de calentamientos y enfriamientos controlados a que puede ser sometida una aleación sólida con el fin de modificar su estructura micrográfica (y en consecuencia sus propiedades), sin que cambie la composición química de la aleación. En el caso de los aceros se basan en la serie de transformaciones que puede experimentar la austenita en función de las condiciones de enfriamiento. Se reserva el nombre de TRATAMIENTOS TERMOMECÁNICOS para aquellos que producen modificaciones estructurales de la aleación por calentamiento y, simultáneamente, conformación mecánica de la aleación sólida antes del enfriamiento Se denominan TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS los que comportan además, una modificación química en la periferia de la aleación. TEMPLE+REVENIDO BONIFICADO DEL ACERO

2 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS Se trata de estudiar las condiciones más favorables, de calentamiento y enfriamiento, para obtener una determinada estructura y la forma en que influye ésta en las características físicas, químicas, mecánicas y estructurales de los aceros, con el fin de conseguir las mejores características en la utilización. Con ellos se pueden alcanzar algunos de los objetivos siguientes: Conseguir la estructura de menor dureza o mejor maquinabilidad. Eliminar la acritud que origina el trabajo en frío. Eliminar las tensiones de cualquier origen, que pueden ser la causa de deformaciones después del maquinado, o producir roturas en servicio. Eliminar las tensiones internas, originadas por deformación de la red atómica, las cuales elevan la dureza y aumentan la fragilidad. Conseguir una estructura más homogénea que antes de dar el tratamiento térmico. Conseguir máxima dureza y resistencia. Mejorar la resistencia a los agentes químicos. Variar alguna de las características físicas. Ocasionar modificaciones estructurales, de dimensión y de forma de los microconstituyentes, sin modificar su naturaleza. Producir mediante procesos químicos o químico-físicos, modificaciones en la composición química del material en su superficie. Conferir propiedades particulares a las capas superficiales.

3 ENFRIAMIENTO EN LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS CON AUSTENIZACIÓN PREVIA Varios de los tratamientos térmicos y termomecánicos de los aceros requieren primeramente lograr por calentamiento que el acero tenga estructura austenítica (AUSTENIZACIÓN), para, desde esas altas temperaturas, transformar luego por ENFRIAMIENTO y conseguir aquella estructura en los constituyentes que se deseen en cada caso. La temperatura de austenización previa al temple (temperatura de temple) no debe ser alta con el fin de evitar sobrecalentamientos y/o quemados. Tal ocurre, por ejemplo, en varios de los tratamientos térmicos: recocido de regeneración, normalizado, temple, recocido isotérmico, etc. en algunos tratamientos termoquímicos (por ejemplo cementación) en algunos termomecánicos (recristalización en fase gamma, conformado de la austenita, etc.).

4 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS // ENFRIAMIENTO DESDE EL ESTADO AUSTENÍTICO El enfriamiento puede ser CONTINUO (Tratamientos con Enfriamiento Continuo: Curvas CCT) y realizarse de diversas maneras: enfriando dentro del horno, al aire, en agua, en aceite, etc. En otros casos el enfriamiento es ISOTÉRMICO (Tratamientos Isotérmicos o Curvas TTT); conseguido, por ejemplo, mediante inmersión en un baño de sales fundidas o de plomo fundido. La estructura micrográfica que presentará el acero al término del tratamiento térmico será el resultado de la interacción entre las curvas de enfriamiento (de la superficie y del núcleo de la pieza) y la curva TTT. Según sea más o menos rápido el enfriamiento (mayor o menor velocidad de enfriamiento) desde el estado austenítico, una misma pieza de acero puede presentar en un determinado punto de su interior una estructura: martensítica, bainítica, de perlita fina de perlita gruesa.

5 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS // ENFRIAMIENTO DESDE EL ESTADO AUSTENÍTICO Los FACTORES que condicionan la estructura micrográfica de una pieza al término de un tratamiento térmico con austenización previa pueden resumirse en tres: (i) Curva T.T.T. del acero (ii) Severidad del medio refrigerante (su aptitud para absorber calor de la superficie de la pieza) (iii) Tamaño de la pieza a tratar (Masa, forma y dimensiones) (i).- Curva T.T.T La curva T.T.T. del acero, y en concreto su posición respecto al origen de tiempos, depende del tamaño de grano de la austenita y de la composición química del acero. Esa curva resultará más alejada del origen de tiempos cuanto mayor sea el tamaño de grano austenítico y cuantos más elementos en solución sólida tenga la austenita. Por ello se dice que el acero tiene tanta más templabilidad -mayor facilidad para el temple- cuanto más apartada del origen de tiempos se halle su curva TTT. Así, para un acero muy aleado su curva TTT estará muy desplazada del origen de tiempos y podría obtenerse martensita por simple enfriamiento al aire desde la temperatura de austenización. Los aceros que templan por simple enfriamiento al aire se denominan "autotemplantes". Para que los aleantes resulten eficaces en el temple han de estar solubilizados previamente en la austenita. Composición.-Tanto las curvas TTT, de enfriamiento isotérmico, como las modificadas, de enfriamiento continuo, dependen de la composición química del acero, por tanto, ésta será la que nos fija los otros factores: temperatura, tiempo de permanencia en ella y ley de enfriamiento o velocidad.

6 (ii).- Severidad del agente refrigerante La severidad de un agente refrigerante puede valorarse no sólo cualitativamente (tiene más severidad el agua que el aceite y éste más que el aire), sino también cuantitativamente. Los medios de enfriamiento más corrientes son el agua, aceite, agua salada muy agitada, baños de sales fundidas, plomo fundido, aire en calma y a presión, etc. Las velocidades de enfriamiento más elevadas se consiguen con salmueras agitadas Veamos cómo enfría la superficie del acero Mecanismo del proceso de enfriamiento. Consideremos que la pieza que se va a enfriar tiene forma cilíndrica y que su longitud es muy superior al diámetro, con lo cual la pérdida de calor tendrá lugar preferentemente a través de la superficie lateral del cilindro. Además se considera que la temperatura en la pieza es uniforme en el momento de introducirla en el medio de enfriamiento. Si éste se encuentra a una temperatura T m, muy inferior a la de la pieza, cuando la introducimos en él, se establece inmediatamente en la superficie de separación de ambas un elevado gradiente de temperatura que hace que aparezca un flujo de calor. La velocidad de flujo de calor través de la intercara metal - refrigerante sigue la ley de Newton: q A T T T s = Temperatura de la superficie de la pieza T m =Temperatura del medio refrigerante A = Coeficiente de conductividad térmica de la intercara (depende de la naturaleza de la capa de la intercara y del estado de la superficie de la pieza) s m (1) De la expresión anterior se deduce que la velocidad de evacuación de calor en la superficie de la pieza es tanto más elevada cuanto mayor sea A y mayor el gradiente de temperatura en la intercara.

7 Como consecuencia de la evacuación del calor en la superficie de la pieza, se establece en el interior de ésta otro gradiente de temperatura entre el núcleo y la superficie, que da lugar a un flujo de calor cuya velocidad viene dada por la expresión (Ley de Fourier): T T T T q k 2 k R D n s n s (2) k = Conductividad térmica del acero D = Diámetro de la pieza T n = Temperatura del núcleo T s = Temperatura de la superficie De la expresión anterior se deduce que la velocidad de evacuación de calor del interior de la pieza, depende de la conductividad térmica del metal, de sus dimensiones y de la diferencia de temperatura entre el núcleo y la periferia. Por otra parte, el principio de conservación del calor exige que la velocidad de salida de éste por la superficie, sea igual a la velocidad con que llega, esto es, se ha de verificar que q = q, [(1)=(2)], por tanto: T T 2k A T T k T T D D n s 2 s m s n o bien: A 1 T T T T 2k D s m s n Si D (Diámetro de la pieza) permanece constante, de la expresión anterior se deduce que cuanto mayor sea A/2k, tanto menor será el gradiente (T s - T m ) con relación a (T s -T n ), o lo que es igual, si el valor de A/2k es muy elevado, la superficie de la pieza se enfría muy rápidamente, ya que entonces (T s - T m ) ha de ser muy pequeño. Para que se cumpla la condición (3), se requiere que transcurra un breve intervalo de tiempo después de introducir la pieza en el medio de enfriamiento. Una vez que se han establecido los dos gradientes de temperatura: (T s - T m ) y (T s -T n ), el enfriamiento continúa y la variación de temperatura, tanto en el núcleo como en la periferia, sigue la ley de Newton. (3)

8 (ii).- Severidad del agente refrigerante Para conocer la eficacia de los diversos medios de enfriamiento, es preciso conocer la serie de fenómenos que tienen lugar desde que se introduce la pieza en el medio refrigerante, hasta que se alcanza la temperatura final, y la influencia que éstos ejercen en la velocidad de enfriamiento. En general pueden considerarse tres etapas, perfectamente definidas durante el enfriamiento. El coeficiente A varía durante el enfriamiento de la superficie de la pieza. Tal ocurre, por ejemplo, si el refrigerante es agua en reposo. ETAPA A.- Cuando se introduce una pieza de acero, calentada a la temperatura de austenización, en un liquido refrigerante cuya temperatura de ebullición es muy inferior a la temperatura de la pieza, al ponerse en contacto, se forma instantáneamente, en la superficie de separación de ambas, una capa de vapor que rodea al metal y lo aísla del líquido, verificándose el enfriamiento por radiación y conducción a través de la capa gaseosa (las burbujas de vapor dificultan la transmisión de calor). La velocidad de enfriamiento en esta etapa es bastante baja, debido a que el coeficiente de película (A) también lo es, y la transmisión del calor desde el interior de la pieza al medio exterior tiene lugar gracias al elevado gradiente de temperatura acero-liquido El valor del coeficiente de película en esta etapa depende del calor de vaporización del líquido, de las capacidades caloríficas del vapor y del líquido y de la temperatura de ebullición, que en esta fase es la más importante. En el agua este coeficiente es inferior que en el aceite. Enfriamiento de la superficie del acero

9 ETAPA B.- Conforme va disminuyendo la temperatura en la superficie de la pieza, disminuye también el espesor de la capa de vapor que rodea a la misma y, en ciertos puntos, el líquido en forma de gotitas llegará a ponerse en contacto con el acero. Este contacto es sólo momentáneo, puesto que la gota se vaporiza tan pronto como toca el acero, desplazándose las burbujas por gravedad y convección; se establece así una serie de contactos ininterrumpidos líquidoacero, que dan origen a una velocidad de enfriamiento mucho más elevada que en la etapa anterior, pues a pesar de ser menor el gradiente de temperaturas acero-liquido, el valor del coeficiente de película (A) es mucho más elevado que el anterior. Al desprenderse las burbujas e iniciarse corrientes de convección en el líquido, la transmisión de calor es rápida (A aumenta). La temperatura a la cual tiene lugar la transición de la etapa A a la B es tanto más elevada cuanto mayor es la temperatura de ebullición del líquido. El valor del coeficiente de película en esta etapa depende de la viscosidad del líquido, agitación del baño o de la pieza (según tamaño) y, principalmente, del calor de la vaporización. La capacidad de enfriamiento del agua en esta etapa es muy elevada. Enfriamiento de la superficie del acero

10 ETAPA C.- Se llega a esta etapa cuando la superficie de la pieza se ha enfriado tanto, que alcanza la temperatura de ebullición del líquido refrigerante. En esta etapa existe un contacto íntimo pieza-liquido, de forma que el calor perdido por la pieza pasa directamente al líquido a través de la intercara, sin llegar a producir vaporización. Ahora la velocidad de enfriamiento es muy pequeña, pues aun cuando el coeficiente de película (A) es muy elevado, el gradiente de temperatura es muy bajo, ya que el enfriamiento se realiza por conducción y convección del líquido. En estas condiciones el coeficiente de película depende de la capacidad calorífica del líquido, de su grado de agitación y, principalmente, de su conductibilidad calorífica. En el caso considerado -tres valores distintos del coeficiente de película A-, se toma para éste un valor promedio, que vamos a denominar M. Enfriamiento de la superficie del acero

11 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS Se denomina severidad, H, del agente refrigerante al cociente: k = Conductividad térmica del acero (que puede considerarse constante para todos los aceros, a excepción de los que tienen contenidos altos en cromo). M = Valor promedio del coeficiente de conductividad térmica de la intercara El valor de H es mayor cuanta más capacidad de absorción de calor tenga el medio refrigerante. Así, el valor de H resulta mayor para el agua que para el aire. El valor de H para un mismo refrigerante aumenta si se agita el medio refrigerante. Por métodos experimentales pueden determinarse los valores H para diferentes medios refrigerantes y diversos grados de agitación de éstos. De un medio refrigerante, "ideal", podría decirse que tiene severidad infinita (H= ) si la periferia de la pieza alcanza instantáneamente la temperatura del medio refrigerante al ser introducida en él. Nótese que ello no implicaría que ocurra lo mismo con las temperaturas del núcleo de la pieza: iría disminuyendo de temperatura paulatinamente a medida que fueran fluyendo el calor desde el interior de la pieza hasta su superficie en contacto con aquel medio ideal. Prácticamente no existe ningún medio de enfriamiento que cumpla esta condición. Introduciendo el valor de H en la fórmula: A 1 T T T T 2k D s m s n se obtiene: Como la distribución de temperaturas en el interior de la pieza depende de T s - T n, si tenemos en cuenta la expresión anterior, se llega a la conclusión de que esa distribución es función del producto HD. Por tanto, si HD es muy pequeño, se producirá un elevado gradiente superficial y un pequeño gradiente interior; por el contrario, si HD es muy grande, el gradiente superficial será bajo y el interior, muy elevado. En resumen, la severidad de temple H es la que regula el enfriamiento superficial, mientras que el producto HD, la distribución de temperaturas en el interior de la pieza. H HD T T T T s m s n M 2k

12 Severidades de enfriamiento para diversos refrigerantes y grados de agitación AGITACIÓN Aire Sales Aceite Agua Agua salada Sin agitación 0,02 0,25-0,30 0,25-0,30 0,9-1 2 Agitación débil 0,30-0,35 0,30-0,35 1-1,1 2-2,2 Agitación moderada 0,35-0,40 0,35-0,40 1,2-1,3 Agitación media 0,40-0,50 0,40-0,50 1,40-1,5 Agitación fuerte 0,50-0,80 0,50-0,80 1,6-2 Agitación muy fuerte 0,08 0,8-1,1 4,0 5,0

13 (iii).- TAMAÑO DE LA PIEZA El tamaño de la pieza de acero es otro de los factores que influyen en la estructura micrográfica lograda al término de un tratamiento térmico por enfriamiento desde el estado austenítico. Supóngase un cilindro de diámetro D 1 y longitud tan grande que la cesión de calor sea solamente radial (no por las bases del cilindro). Cuando se enfría en un refrigerante de severidad H 1 (por ejemplo agua tranquila). Al enfriar se establece entre la periferia y el eje del cilindro un gradiente de temperatura. Este varía con el tiempo, ya que el calor a ceder -el calor almacenado en el interior del cilindro- es proporcional al volumen. En cambio, el calor que se cede al medio refrigerante es proporcional a su superficie lateral. El cociente Volumen/Superficie es igual a D 1 /4. Por tanto la relación entre el calor almacenado y el calor que puede ceder aumenta con el diámetro. Por eso, para un mismo refrigerante de severidad H 1 (por ejemplo agua tranquila), al comparar las curvas de enfriamiento de la periferia y del centro de dos cilindros de acero cuyos diámetros sean D 1 y D 2 ( D 1 <D 2 ), se observa que para el redondo de mayor diámetro, D 2, tanto el núcleo como la periferia enfrían más lentamente que en el redondo de diámetro D 1. Al cabo de un tiempo t 1, no sólo la temperatura de la periferia es mayor en el redondo de diámetro, D 2, sino que además su gradiente de temperatura entre periferia y núcleo resulta mayor que en el redondo de diámetro D 1. Por otro lado, si se empleara un agente refrigerante de menor severidad que H 1 (por ejemplo aire) esos gradientes resultan menores en ambos casos. Enfriamiento de la superficie (V p ) y del núcleo (V n ) al variar el tamaño del redondo (D I <D 2 ) y la severidad del refrigerante. a) Redondo de diámetro D 1 enfriado en agua. b) Redondo de diámetro D 2 enfriado en agua. c) Redondo de diámetro D 1 enfriado al aire. d) Redondo de diámetro D 2 enfriado al aire.

14 La estructura micrográfica que presentará el acero al término del tratamiento térmico será el resultado de la interacción entre las curvas de enfriamiento -de la superficie y del núcleo de la pieza (dependientes de la severidad del agente refrigerante y del tamaño de la pieza)- y la curva TTT (que depende solamente de la composición químiica del acero y del tamaño de grano de su austenita. Según sea más o menos rápido el enfriamiento desde el estado austenítico, una misma pieza de acero puede presentar en determinado punto de su interior una estructura martensítica, o de otro tipo (bainítica, perlitica fina o de perlita gruesa).

15 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS / RECOCIDO Mediante el recocido un acero es llevado al estado austenítico homogéneo mediante un calentamiento adecuado, provocándose luego la descomposición de la austenita mediante UN ENFRIAMIENTO MUY LENTO (que se asemeje a un enfriamiento en condiciones de equilibrio), que puede ser realizado dentro del horno o de arena previamente calentada, con la finalidad de dar lugar a la transformación de la estructura de manera gradual y completa y que se obtengan los constituyentes más estables. Aplicando el tratamiento de recocido se consigue una estructura con el máximo de ferrita y perlita gruesa, compatible con la consiguiente composición del acero. El RECOCIDO se utiliza con los siguientes fines: (a).- Para regenerar la estructura cristalográfica afinando el grano. (b).- Eliminar las tensiones internas producidas mediante los tratamientos termomecánicos o mecánicos en frío de forja, estampado, laminado, distintos maquinados, etc. Eliminar los efectos del trabajo en frío (Acritud) (c).- Para "ABLANDAR" los aceros ya que de esta manera se los proporciona con la mayor proporción de ferrita posible, constituyente este sumamente blando, y posibilitar así o facilitar material apto para realizar tratamientos mecánicos en frío (Recocido de ablandamiento o industrial). ELLO ES POSIBLE POR HABER LOGRADO, EN EL ENFRIAMIENTO, ESTRUCTURAS FERRITOPERLÍTICAS QUE SON MÁS BLANDAS QUE LAS BAINÍTICAS O LAS MARTENSÍTICAS. El recocido proporciona a los aceros valores de dureza sumamente bajos. (d).- Para mejorar las propiedades de las piezas tratadas en virtud de una mejor distribución en toda la masa de los distintos componentes químicos o estructurales. (Recocido de homogeneización). Así, con el recocido podemos lograr la total eliminación de la acritud y las tensiones internas en la masa metálica y el afinado de la estructura cristalina y la total desaparición de los efectos del temple que pueda haberse realizado con anterioridad.

16 FACTORES QUE INFLUYEN EN EL RECOCIDO Temperaturas de recocido.- La temperatura que se debe alcanzar en el tratamiento de recocido, el tiempo de estabilización (homogeneización) y el período de enfriamiento varían según el tipo de recocido que se desee hacer (finalidad que se desee alcanzar), naturaleza del material y tamaño de las piezas. Para lograr simplemente la disminución de tensiones bastará un calentamiento a una temperatura aproximada a A c1 ( C). En este caso el calentamiento debe ser tanto más prolongado cuanto menor sea la temperatura de recocido, mientras que si deseamos restaurar totalmente el cristal proporcionando una estructura totalmente uniforme, deberá calentárselo durante algunas horas a una temperatura superior al A c3. Tiempo de calentamiento.- El tiempo de permanencia de las piezas a la temperatura de recocido, es función del espesor, y puede fijarse en un tiempo no inferior a una hora por cada 25 mm de espesor en la sección de su parte más gruesa. Este tiempo es preciso empezar a contarlo desde el instante en que toda la masa de acero ha alcanzado la temperatura deseada. Los calentamientos en baños de sales requieren menos tiempo, debido a que en ellos el calor se transmite con más rapidez. Velocidad de enfriamiento.-ha de ser lo suficientemente lenta para permitir que todas las transformaciones de la austenita se desarrollen en la zona superior de la reacción perlítica (Figura). Se obtiene así una estructura formada por ferrita o cementita proeutectoides, según el tipo de acero, y perlita laminar.

17 Según el fin que persigamos se pueden distinguir varios tipos de recocido, los cuales se representan en las figuras 1 y 2. En la figura 1 se exponen esquemáticamente los diversos tipos de recocido en sus tres etapas : calentamiento (línea oblicua ascendente), austenización (línea paralela) y enfriamiento (línea oblicua, descendente, que intersecta con las curvas TTT. La figura 2 es una ampliación, más detallada, de la región correspondiente al diagrama práctico de equilibrio Fe-C. En general podemos considerar los siguientes tipos de recocido: (a).- Recocido de homogeneización (b).- Recocido de ablandamiento o industrial (c).- Recocido de recristalización (d).- Recocido isotérmico (e).- Doble recocido Figura 1 Figura 2

18 Recocido de homogeneización. Al solidificar una aleación de composición C I el primer sólido es rico en el componente A (MAYOR PUNTO DE FUSIÓN) y el último es más rico en B. Esto da una heterogeneidad en el interior del grano. Con el recocido de homogeneización se pretende homogeneizar la composición, calentando casi hasta la temperatura solidus (con esto también homogeneizamos las propiedades). T CADA CRISTAL TIENE UNA PORCION CENTRAL DE ALTO PUNTO DE FUSION, QUE VA SIENDO RODEADA POR CAPAS DE UN PUNTO DE FUSION CADA VEZ MÁS BAJO C I Se usa en aceros de alto contenido de C o en piezas obtenidas por colado (aceros brutos de colada) con el objeto de eliminar las grandes diferencias estructurales que se producen en los aceros sobrecalentados u obtenidos por este método (solidificación del lingote). El calentamiento en el recocido de regeneración (Homogeneización), es el de mayor temperatura realizándose a C por encima del A C3, con el objeto de obtener una austenización completa y homogénea, tratando de favorecer al máximo la difusión; solamente queda limitada por el peligro de quemar el acero, ya que el sobrecalentamiento que pueda originarse, se eliminará posteriormente durante el trabajo de laminación en caliente.. La temperatura deberá ser tanto mayor cuanto menor sea el tenor de C que posea el acero. Como en todos los tratamientos térmicos, en este, el enfriamiento es la etapa fundamental del proceso, por lo cual deberán extremarse en esta parte del tratamiento los controles correspondientes. Si se desea obtener una estructura fina de ferrita y eutectoide, para un acero hipoeutectoide, el enfriamiento debe realizarse dentro de los límites prefijados, con una velocidad mayor tendente a evitar el crecimiento del grano cristalino; la velocidad de enfriamiento debe ser tanto mayor cuanto menor sea su contenido de C. B A

19 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS / RECOCIDOS SUPERCRÍTICOS Hay dos tratamientos: - RECOCIDO DE REGENERACIÓN (O DE AUSTENIZACIÓN COMPLETA) - RECOCIDO DE AUSTENIZACIÓN INCOMPLETA Se denominan recocidos supercríticos porque requieren la austenización previa del acero al menos por encima de la temperatura crítica A e Tienen por finalidad ablandar el acero para poder mecanizarlo o conformarlo en frío. Ello es posible por haber logrado, en el enfriamiento, una estructura ferrito-perlítica que es más blanda que la bainítica o la martensítica.

20 RECOCIDOS SUPERCRÍTICOS RECOCIDO DE REGENERACIÓN O DE AUSTENIZACIÓN COMPLETA Para efectuar un recocido de regeneración se calienta el acero hasta una temperatura T superior a su A 3c, (T > A 3c ) y se mantiene a esa temperatura hasta lograr la estructura austenítica en todos los puntos de la masa de acero. Desde esa temperatura el enfriamiento debe ser suficientemente lento (figura) con el fin de lograr los constituyentes de equilibrio del diagrama Fe-Fe 3 C. El enfriamiento debe ser más lento que en el normalizado. Conviene enfriar rápidamente entre A 3r y A e, con el fin de disminuir el tiempo total del tratamiento. Ese rápido enfriamiento conlleva que se obtienen granos de ferrita proeutectoide finos y, por tanto, no se obtiene el máximo ablandamiento. Después, desde una temperatura ligeramente superior a A e, debe enfriarse muy lentamente para obtener perlita laminar gruesa. Una vez lograda totalmente la estructura ferrito-perlítica la velocidad de enfriamiento ya es indiferente. Suele hacerse al aire. Recocido de regeneración La carga de rotura de un acero con un contenido C 1 (%) de carbono, así enfriado, en primera aproximación es igual a: R m (MPa)= C 1 y su Dureza Brinell aproximada resulta ser: HB =3.03(30+65C 1 )= C 1. Por razones técnicas el recocido de regeneración sólo se emplea en aceros hipoeutectoides cuando se desea obtener perlita laminar; por ejemplo, para un posterior fresado. Por razones económicas se prefieren otros recocidos; por ejemplo, el recocido de austenización incompleta o, incluso, el recocido subcrítico. El recocido de regeneración no se emplea en aceros hipereutectoides porque comporta riesgos de sobrecalentamiento y/o quemado.

21 RECOCIDOS SUPERCRÍTICOS RECOCIDO DE AUSTENIZACIÓN INCOMPLETA Para efectuar un recocido de austenización incompleta se calienta la pieza de acero hasta una temperatura T 1 comprendida entre A e y A 3c. [T 1 (A e,a 3c )]. Se mantiene a esa temperatura un tiempo menor que el preciso para lograr plenamente las fases de equilibrio, que son ferrita y austenita. A esa temperatura habrá cementita además de ferrita y austenita. Esa cementita proviene de la perlita que tenía previamente el acero (o de bainita o martensita) y no se descompuso plenamente en hierro y átomos de carbono durante el calentamiento a T 1. A continuación se enfría lentamente la pieza de acero desde esa temperatura T 1. Al término de la transformación se obtiene una estructura de ferrita y de un agregado que recibe el nombre de globulita. Su morfología está constituida por glóbulos de CFe 3 dispersos en una matriz de ferrita. Recocido de austenización incompleta. La estructura del acero después de este recocido de austenización incompleta resulta más blanda que la obtenida en el recocido de regeneración y, por tanto, más ventajosa para poder efectuar luego operaciones de conformado en frío del acero o de torneado. En definitiva, para ablandar un acero, resulta casi siempre ventajoso el recocido de austenización incompleta respecto al recocido de regeneración. Además, éste recocido, al requerir temperaturas de austenización inferiores a A 3, consume más energía. Por otra parte el recocido de austenización imcompleta no presenta riesgos de sobrecalentamiento y puede emplearse también en aceros hipereutectoides.

22 RECOCIDOS SUPERCRÍTICOS. El recocido de austenización incompleta suele denominarse, también, RECOCIDO GLOBULAR por la forma no laminar que adopta el eutectoide (la perlita). Se puede efectuar de varias maneras, como puede verse en la figura 1. Una alternancia en las temperaturas antes del enfriamiento favorece la morfología globular y, por tanto, el ablandamiento del acero. Esa alternancia, al facilitar la nucleación heterogénea de cementita, logra transformar más rápidamente la austenita eutectoide en globulita. En lo que antecede se ha supuesto que el enfriamiento, tanto en el recocido de regeneración como en el recocido de austenización incompleta, se efectúa de modo continuo; por ejemplo programando el descenso de temperatura del horno. Figura 1.- Ciclos para estructuras de cementita globular

23 RECOCIDO ISOTÉRMICO Varias son las razones que pueden aconsejar el empleo del RECOCIDO ISOTÉRMICO para un determinado acero, tanto si el calentamiento ha sido de austenización completa como de austenización incompleta. 1.- Puede fijarse esa temperatura constante y la transformación de la austenita será uniforme en cualquier punto de la pieza. Ello permite controlar el espaciado entre láminas, S o, de la perlita, y la regularidad de esa perlita tanto en las zonas masivas como en las de menor sección de la pieza. 2.- Puede elegirse una temperatura de las sales fundidas de forma que toda la austenita se transforme plenamente en perlita diluida (sin aparición de ferrita proeutectoide), y ello permite, además, enmascarar la estructura bandeada característica de los aceros forjados. El recocido isotérmico se hace particularmente necesario cuando el acero tiene gran templabilidad; como ocurre con muchos aceros autotemplantes empleados para herramientas. En esos casos el lento enfriamiento continuo entre A e y A e -50 ºC, necesario para posibilitar la transformación de la austenita en perlita, puede durar días, pues de lo contrario las estructuras finales serían bainíticas o martensíticas. En cambio, con enfriamiento isotérmico, la transformación isotérmica de la austenita en perlita puede realizarse brevemente: habida cuenta de la gran capacidad de absorción de calor de las sales fundidas si se compara con la del aire caliente. Eso mismo justifica que, para aceros de gran templabilidad, después de conformar una pieza en estado gamma se aconseje su inmediata inmersión en sales fundidas cuya temperatura sea inferior y próxima a A e. Si, en cambio, esa pieza se dejara enfriar al aire después de la forja se obtendría una estructura dura, de bainita o martensita, inadecuada para aquellas operaciones complementarias. Con ese enfriamiento isotérmico después de forja se ahorra energía al lograr directamente una estructura perlítica, blanda, apta para las operaciones de mecanizado y taladros que la pieza requiera a continuación. Recuérdese que la resistencia mecánica, R m, de la perlita es inversamente proporcional a la raíz cuadrada del espaciado interlaminar S o.

24 RECOCIDOS ISOTERMICO. Desde las temperaturas de austenización total o parcial, el acero es enfriado por inmersión en un baño de sales fundidas cuya temperatura sea constante. Esa temperatura debe ser inferior (y próxima) a la temperatura A e. Se le mantiene en dicho baño hasta lograr la total transformación de la austenita en perlita, luego de lo cual se le enfría al aire. En este caso el tratamiento se denomina recocido isotérmico (Figura 2) Varias son las razones que pueden aconsejar el empleo del recocido isotérmico para un determinado acero, tanto si el calentamiento ha sido de austenización completa como de austenización incompleta. Por una parte puede fijarse esa temperatura constante y la transformación de la austenita será uniforme en cualquier punto de la pieza. Ello permite controlar el espaciado entre láminas, S 0, de la perlita y la regularidad de esa perlita tanto en las zonas masivas como en las de menor sección de la pieza. Figura 2.- Recocido isotérmico. V p - Curva de enfriamiento de la periferia de la pieza. V n - Curva de enfriamiento del núcleo de la pieza. Por otra parte puede elegirse una temperatura de las sales fundidas tal que toda la austenita se transforme plenamente en perlita diluida (sin aparición de ferrita proeutectoide) y ello permite, además, enmascarar la estructura bandeada característica de los aceros forjados. Con este tratamiento se obtienen los mismos resultados que con el recocido industrial, consiguiéndose en algunos casos una mejor maquinabilidad y siempre un substancial ahorro de tiempo en la operación.

25 RECOCIDOS ISOTERMICO. El recocido isotérmico se hace particularmente necesario cuando el acero tiene gran templabilidad, como ocurre con muchos aceros autotemplantes empleados para herramientas. En efecto, cuanto más fácil resulta de templar un acero en un medio poco severo tanto más difícil resulta de ablandar. En esos casos, por ejemplo, el lento enfriamiento continuo entre A e y 50 ºC menos necesario para posibilitar la transformación de la austenita en perlita, puede durar decenas de horas; pues de lo contrario las estructuras finales serían bainiticas o martensiticas. En cambio, con enfriamiento isotérmico, la transformación isotérmica de la austenita en perlita puede realizarse en menos tiempo: habida cuenta de la gran capacidad de absorción de calor de las sales fundidas si se compara con la del aire. Eso mismo justifica que, para aceros de gran templabilidad, después de conformar una pieza en estado gamma se aconseje su inmediata inmersión en sales fundidas cuya temperatura sea inferior y próxima a A e. En cambio, si esa pieza se dejara enfriar al aire desde el estado gamma de forja se obtendría una estructura dura, de bainita o martensita, inadecuada para aquellas operaciones complementarias. Con ese enfriamiento isotérmico después de forja se ahorra energía al lograr directamente una estructura perlitica, blanda, apta para las operaciones de mecanizado y taladros que la pieza requiera a continuación. La resistencia mecánica, R m, de la perlita es inversamente proporcional a la raíz cuadrada del espaciado interlaminar S 0.

26 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS / TRATAMIENTOS SUBCRÍTICOS Se conocen con el nombre de tratamientos térmicos subcríticos aquellos cuyo calentamiento nunca alcanza temperaturas que puedan producir la transformación alotrópica: Fe(α) Fe(γ). El recocido subcrítico y el revenido (revenido de la martensita) son dos ejemplos de estos tratamientos. También se incluyen en este epígrafe, subcrítico, los denominados recocidos o revenidos contra tensiones; que, como su nombre indica, tienen por finalidad aliviar las tensiones internas del acero por calentamiento a unos 150 C sin que varíen sus constituyentes micrográficos. El recocido de recristalización de aceros ferríticos agrios - por recocido continuo, o en hornos de campana -, es otro tratamiento subcrítico.

27 RECOCIDOS SUBCRÍTICOS Recocido de ablandamiento o industrial. El recocido subcrítico es otra modalidad de tratamiento empleado para ABLANDAR AL ACERO Se realiza calentando la pieza de acero hasta una temperatura próxima e inferior a A e (aproximadamente 700 C) y permaneciendo un tiempo a esa temperatura. La velocidad de enfriamiento tras el recocido subcrítico puede ser cualquiera ya que no hay transformaciones alotrópicas. La estructura que se logra al término de esa permanencia a temperatura constante es de cementita globular repartida en una matriz de ferrita. La obtención de esa estructura ablanda el acero cualquiera que sea su estructura inicial; tanto si la estructura previa fuera de martensita, como si se tratara de bainita o de perlita (Revenido de la bainita y de la perlita). El ablandamiento que se logra, luego de permanecer a la temperatura subcrítica del tratamiento, es suficiente para el fin que se persigue en la mayor parte de los aceros utilizados para maquinaria: el mecanizado. No se llega a valores de dureza tan bajos como en el caso del recocido de regeneración. Recocido subcrítico

28 RECOCIDOS SUBCRÍTICOS El ritmo de ablandamiento, en función del tiempo de permanencia a la temperatura fijada, es rápido al principio y decrece asintóticamente. Al cabo de un cierto tiempo, por más que se prolongue el tratamiento, llega a ser casi nulo el ablandamiento que se consigue. Este tipo de recocido suele denominarse también "recocido globular", habida cuenta de la forma adoptada por la cementita. Con todo parece más propio reservar ese nombre, y así suele hacerse, para los recocidos de austenización incompleta. Para algunos aceros aleados, autotemplantes y de herramientas, suele resultar insuficiente el ablandamiento logrado por recocido subcrítico y se requieren recocidos de austenización completa o incompleta. Con las limitaciones indicadas en el párrafo anterior el recocido subcrítico presenta varias ventajas respecto a los recocidos supercríticos. Ahorra energía al no precisar temperaturas que superen A e No presenta los riesgos de deformación y/o agrietamiento de la pieza por transformaciones alotrópicas, que no existen en este tratamiento. Las variaciones dimensionales debidas a la transformación alotrópica α γ durante el calentamiento son inherentes a cualquier tratamiento que requiera austenización y hacen necesario que el calentamiento hasta alcanzar la temperatura de austenización sea lento. Tanto más lento cuanto mayor sea el tamaño de las piezas. Esos riesgos de tensiones, deformaciones y grietas durante el calentamiento hasta austenización son comunes a los recocidos de regeneración y de austenización completa, al temple, al normalizado, a la forja en estado gamma, etc. Si se desea obtener perlita globular, más blanda que la perlita laminar deberá realizarse el recocido de globulación que consiste en llevar repetidas veces al metal por encima y por debajo del A C1, con lo que se logra que la cementita precipite, formándose glóbulos de la misma en la matriz de ferrita. La operación se realiza de acuerdo al diagrama.

29 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS / RECOCIDO Recocido de recristalizacion. Se realiza sobre aceros que hayan sufrido anteriormente tratamientos mecánicos de deformación en frío, como ser estampado, forja, laminado o trefilado y tiene como objeto el regenerar en el metal su estructura cristalina original y eliminar las tensiones internas que puedan producir fragilidad a fin de hacerlo más apto para resistir los esfuerzos a que se vea sometido. Las temperaturas y tiempos de enfriamiento se escogen según el acero a tratar y el grado de acritud del mismo. En general a C con enfriamiento por aire, los granos de ferrita deformados por el tratamiento mecánico, recuperan su estado poliédrico de cristalización con lo cual vuelven a poseer su anterior ductilidad. Doble recocido. Esta operación consiste en la ejecución de un recocido de regeneración seguido de un recocido de ablandamiento, realizado cuando el acero se halla todavía caliente. Permite obtener grados de dureza sumamente bajos.

30 Esferoidita Si un acero con microestructura perlítica se calienta hasta una temperatura inferior a la eutectoide durante un período de tiempo largo, por ejemplo a 700 C entre 18 y 24 h, se forma una nueva microestructura denominada esferoidita, cementita globular o esferoidal (Figura ). Las partículas de Fe 3 C aparecen como esferas incrustadas en una matriz continua de fase α, en lugar de las láminas alternadas de ferrita y cementita de la perlita o de las partículas alargadas de Fe 3 C en una matriz ferrítica como es el caso de la bainita. Esta transformación tiene lugar mediante difusión del carbono sin cambiar la composición o las cantidades relativas de fases ferrita y cementita. La fuerza impulsora de esta transformación radica en la disminución del límite de fase α- Fe 3 C. La cinética de la formación de la esferoidita no está incluida en los diagramas de transformación isotérmica. Fotomicrografía de un acero con microestructura de esferoidíta. Las partículas pequeñas son de cementita; la fase continua es ferrita α (x1000).

31 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS/NORMALIZADO Consiste en llevar el acero por encima del A c3, con el objeto de conseguir su austenización completa, homogeneizarlo en ese estado y enfriarlo, con mayor velocidad que en el recocido, por lo general al aire libre. El calentamiento se realiza a una temperatura algo mayor que el recocido completo (temperatura de austenización ºC por encima de A c3 ) y la mayor velocidad de enfriamiento permite obtener estructuras perlíticas laminares muy finas. Uno de los peligros del recocido consiste en que, en razón de su enfriamiento lento, pueden reproducirse las estructuras gruesas originales. Esto no ocurre en el normalizado pues su mayor velocidad de enfriamiento lo impide. La mayor temperatura a que se realiza el proceso, acorta el período de homogeneización, por lo que, reduciéndose el total del tiempo de operación (se tarda menos para austenizar plenamente la estructura cuanto más alta es la temperatura de austenización). Pero no se deben sobrepasar las temperaturas recomendadas a fin de evitar los riesgos de sobrecalentarniento y quemado. Es procedimiento más económico, y muy apto para el tratamiento de piezas coladas, por cuya causa se ha difundido muy ampliamente. En síntesis, el normalizado es apto para: (a).- Eliminar tensiones producidas por operaciones anteriores. (b).- Preparar el acero para operaciones de mecanizado merced a la estructura blanda obtenida. (c).- Proporcionar mejores propiedades mecánicas en razón de su estructura perlítica fina. En aceros hipoeutectoides, la temperatura a que deberá llevarse la pieza será de C mayor que su A C3. En aceros hipereutectoides, mayor que su A cm Realizando esta misma operación en algunos aceros aleados (Cr, Ni, Cr-Ni, Mn, etc.), denominados autotemplantes (enfriamiento al aire quieto), se obtiene una estructura martensítica sumamente dura.

32 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS/NORMALIZADO Si un acero hipoeutectoide no es autotemplante (es decir si no se produce martensita por simple enfriamiento al aire desde el estado austenítico, no lo son los aceros al carbono ni los aceros de baja aleación-) el enfriamiento al aire desde el estado austenítico suele producir estructuras de ferrita y perlita laminar en la periferia y en el núcleo de la pieza normalizada (Figura). Si la pieza normalizada es de gran tamaño, la estructura perlítica en el núcleo de la pieza resultará más gruesa que en su periferia; porque el enfriamiento periférico ha sido más rápido. Por tanto la carga de rotura de una probeta extraída del centro de esa pieza de grandes dimensiones resultará menor que la de otra probeta extraída de una zona cercana a la superficie. Con el tratamiento de normalizado se intenta obtener una estructura ferritoperlítica"normal" del acero, con tamaños de grano ferrítico iguales o apenas inferiores al valor 7 ASTM. Este tratamiento suele tener por finalidad corregir la estructura de Widmanstátten derivada de un tamaño austenítico grande. Y, en general, afinar el grano austenítico de los aceros en estado bruto de moldeo (o bruto de laminación), o sobrecalentados durante una austenización. Normalizado por enfriamiento al aire. V p - Curva de enfriamiento de la periferia. V n - Curva de enfriamiento del núcleo. Otras veces el normalizado se utiliza como alternativa del temple+revenido. En ese caso se pretende simplemente lograr una estructura de perlita laminar diluida y fina distribuida en una matriz de ferrita proeutectoide de grano fino. Con esa estructura micrográfica la carga de rotura R m del acero (ref VIII.1.6) y su tenacidad pueden resultar suficientes para muchos de los requerimientos en servicio; sin necesidad de templar y revenir el acero. Así, gran parte de los aceros empleados en ferrocarriles raíles, ruedas, etc se utilizan en estado normalizado.

33 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS/NORMALIZADO La refrigeración al aire desde el estado gamma resulta más rápida que el enfriamiento de equilibrio correspondiente al diagrama Fe-Fe 3 C. Suele considerarse de equilibrio el enfriamiento que tendría lugar, desde el estado gamma del acero, muy lentamente, en el interior de un horno a puerta cerrada, como habitualmente se hace en el recocido de regeneración. Por tanto, si se comparan los resultados de un normalizado con los de un recocido de regeneración en un mismo acero hipoeutectoide de contenido en carbono C 1 %, el acero normalizado presentará : mayor proporción de perlita; menor diámetro de grano de la ferrita proeutectoide; menor separación S 0 entre láminas de cementita; y más proporción de ferrita en el interior de la perlita. En conclusión, el límite elástico, la carga de rotura, la dureza y, casi siempre, la tenacidad del acero normalizado resultarán mayores que la del acero recocido. Generalmente, en casi todos los materiales, cuando aumenta la dureza disminuye la tenacidad. Pero en el caso de un acero normalizado no necesariamente resultará menor su tenacidad que la de ese mismo acero en estado recocido y por tanto más blando: adviértase que tras normalizado las láminas de la cementita perlítica resultarán más delgadas que en el recocido. Esas láminas delgadas pueden por tanto resultar menos frágiles que las gruesas al admitir una cierta deformación plástica en servicio; y si llegan a quebrarse durante la deformación mecánica, las microgrietas generadas pueden quedar detenidas en el interior de la ferrita que acolcha la lámina de cementita quebrada. Con lo que, según resulte el grado de dilución de la perlita, también la tenacidad puede resultar mejorada por un normalizado.

34 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS / TEMPLE Templar una pieza de acero es lograr que su estructura sea plenamente martensítica. Para ello es necesario austenizar la pieza y enfriarla a velocidad superior a un cierto valor crítico V c, con el fin de evitar las curvas de formación de la perlita y de la bainita. Con este tratamiento se trata de conseguir alguno de los fines siguientes: Mejorar las características mecánicas de resistencia a la tracción, límite elástico y dureza, a expensas de disminuir las de alargamiento, estricción y resiliencia. El temple confiere a los aceros muy poca resiliencia y una gran fragilidad Modificar las propiedades físicas en la siguiente forma: - Aumentar el magnetismo remanente - Aumentar la resistencia eléctrica Modificar las propiedades químicas (en general los aceros templados resisten mejor la acción de ciertos ácidos, que los recocidos). En algunos casos -por ejemplo cuando se desea lograr un filo duro en herramientas tales como cuchillos, cizallas, etc.- la finalidad del temple es endurecer el acero. A esta temperatura deberá mantenerse al acero durante un cierto tiempo con el objeto de obtener una estructura austenítica homogénea. Pero habitualmente se persigue otro objetivo: conseguir que por revenido de la martensita obtenida en el temple se obtenga una fina estructura de cementita dispersa en una matriz de ferrita. De ese modo mejoran simultáneamente la resistencia R m, del acero y su tenacidad. El tratamiento conjunto de temple y revenido suele denominarse bonificado del acero

35 FACTORES QUE INFLUYEN EN EL TEMPLE Temperatura de temple.-las temperaturas de austenización, previas al temple, más convenientes para el tratamiento de temple se representan en la figura. La temperatura de austenización previa al temple, que suele denominarse temperatura de temple no debe ser excesivamente alta: a fin de evitar sobrecalentamientos (que originarían una martensita grosera, poco tenaz) y/o "quemados". En cambio, una austenización incompleta de estos aceros produciría, al templar, una mezcla de ferrita (blanda) y martensita y, por tanto, menor resistencia que si la estructura fuera plenamente martensítica. Como temperatura de temple para los aceros hipoeutectoides suele tomarse: T = A 3c + (40-60 C) A c3 A cm En cambio, los aceros hipereutectoides deben austenizarse sólo parcialmente; al templar no se obtendrá 100% de martensita sino una dispersión de cementita proeutectoide en una matriz de martensita (la cementita es también un constituyente duro). Se parte de una estructura formada por austenita eutectoide y cementita. La razón de templar así los aceros hipereutectoides la austenización completa exigiría superar la temperatura A cm es evitar el sobrecalentamiento y/o quemado del acero. Los aceros hipereutectoides resultan muy propensos al sobrecalentamiento por la proximidad de A cm, a la línea del solidus del diagrama Fe- Fe 3 C; adviértase que, por ejemplo, para un acero de 2 %C la austenización completa exigiría alcanzar temperaturas próximas a la de fusión ( un acero binario de 2.11 %C empezaría a fundir al alcanzarse 1148 C). Además, la puesta en solución de los carburos metálicos requiere permanencias muy prolongadas a la temperatura de austenización, lo cual da origen a un crecimiento muy elevado del grano austenítico, con las desventajas que ocasiona. La temperatura de austenización (por encima de su punto crítico A 3 ) previa al temple (temperatura de temple), no debe ser excesivamente alta, a fin de evitar sobrecalentamientos (que originarían una martensita grosera, poco tenaz) y/o "quemados. A igualdad de los demás factores, todo aumento de la temperatura inicial, se traduce en una mayor velocidad de enfriamiento.

36 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS / FACTORES QUE INFLUYEN EN EL TEMPLE La velocidad de enfriamiento ha de ser lo suficientemente rápida para impedir que se produzca cualquier transformación de la austenita antes de alcanzar la temperatura M s de transformación martensítica. Existe una velocidad mínima de enfriamiento denominada VELOCIDAD CRÍTICA DE TEMPLE que conduce al estado totalmente martensítico. Esta velocidad nos la define la curva de enfriamiento T = f (t), tangente a la nariz perlítica o al mentón bainítico de la curva TTT, tomándose siempre la más desplazada hacia la izquierda. La VELOCIDAD CRITICA DE TEMPLE será tanto mayor cuanto menor es la proporción de C en los aceros comunes y menor es la proporción de elementos de adición en los aceros aleados (Las curvas TTT están más próximas al origen de tiempos). La velocidad crítica de temple está influenciada por: (a).- Tanto por ciento de C del acero (b).-tanto por ciento de los elementos de adición en los aceros aleados (c).- Tamaño de grano. Los aceros de grano más grueso se templan con velocidades de enfriamiento más bajas