EL TRATAMIENTO TRMICO A LOS PRODUCTOS DEL ACERO

TRATAMIENTO TRMICO A LOS PRODUCTOS DEL ACERO

Fernando Pantoja M.Sc.Departamento de MaterialesNoviembre 2014

CONTENIDOIntroduccinDiagrama Fe-CFases presentes en el aceroClasificacin de los acerosMicroestructuras de los aceros (en enfriamiento lento)Curva Tiempo-Temperatura-Transformacin Tratamientos trmicosTempladoRevenidoRecocidoNormalizado

TRATAMIENTOS TRMICOS DE LOS ACEROSLos tratamientos trmicos, en general, son operaciones de calentamiento y enfriamiento de los metales o aleaciones, a temperaturas y velocidades variables, mediante los cuales se persigue fundamentalmente, conseguir cambios en la estructura cristalina, cambio de fases, bien en su nmero o proporcin, o distribucin, permaneciendo su naturaleza, es decir, su composicin qumica inalterable.Pueden ser:- Volumtricos (afectan al total de la pieza tratada)- Superficiales Principales propsitos de los tratamientos trmicosHomogeneizarMejorar la ductilidadReducir esfuerzos internosReducir el tamao de granoEndurecer la superficie, manteniendo el interior dctilAumentar la tenacidadAdicionar elementos qumicos (aumentar dureza superficial)Remover elementos qumicos (no tiene mucha aplicacin)Diagrama de FasePara conocer a que temperatura debe elevarse el metal para que se reciba un tratamiento trmico es necesario contar con los diagramas de cambio de fase.En este tipo de diagramas se especifican las temperaturas en las que suceden los cambios de fase (cambios de estructura cristalina), dependiendo de los materiales diluidos.

DIAGRAMA DE EQUILIBRIO HIERRO CARBONO.

Las aleaciones de hierro y carbono (aceros y fundiciones de hierro) son las aleaciones metlicas ms importantes de la tcnica moderna. Por su volumen, la produccin de fundiciones de hierro y aceros supera en ms de diez veces la produccin de todos los dems metales juntos.En el caso de las aleaciones ferrosas el diagrama de estado que se toma como punto de partida para el estudio del comportamiento metalrgico de dichas aleaciones es el diagrama de estado. Diagrama Fe-CEl diagrama de hierro-carbono experimenta muchas fases como son la austenita, cementita, ferrita, perlita, bainita, martensita, entre otras.Estas fases pasan por muchos cambios debido a la temperatura y algunos procesos como son el temple y el revenido, los cuales ayudan a aumentar las propiedades mecnicas de los materiales utilizados, tales como la tenacidad, dureza, entre otras.

Caracterizacin del Fe y el C.

Caractersticas del Hierro.Metal de color gris plateado.Temperatura de fusin 1539C.Dureza 80 HB y elongacin relativa = 50%.Presenta dos formas alotrpicas Fe y Fe.Curva de enfriamiento del hierro puro.

Continuacin El hierro puro contiene 99.99% de Fe. Las clases de hierro tcnico contienen 99.80-99.91% de Fe. Las propiedades mecnicas del hierro se caracterizan por las magnitudes siguientes:

Continuacin Estos ndices pueden variar dentro de ciertos lmites, porque en las propiedades del hierro influyen una serie de factores p.e. el aumento del tamao de grano hace que disminuya la dureza.El hierro forma soluciones con muchos elementos. Con los metales, soluciones por sustitucin; con el carbono, nitrgeno, hidrgeno, soluciones por insercin.Que el hierro exista en dos formas alotrpicas o redes cristalinas ampla las posibilidades de transformaciones de fases, lo que es aprovechado por el tratamiento trmico de las aleaciones de hierro con otros componentes y fundamentalmente con el carbono.Caracterizacin del carbono (C)Es el otro componente en la aleacin Hierro Carbono.Es un elemento no metlico.En estado libre se denomina grafito.Dureza 3 HRC.

Es muy interesante el hecho de que el carbono en su forma natural (grafito) puede servir para la fabricacin de lpices y al combinarse con el hierro puede formar compuestos qumicos de caractersticas totalmente diferentes como la cementita.Diagrama de estado Fe C. (Diagrama metaestable).

Continuacin La lnea ABCD es la lnea del lquido y la AHJECF la del slido. Como el hierro adems de formar con el carbono el compuesto qumico Fe3C, tiene dos transformaciones alotrpicas a y g, en el sistema existen las fases siguientes:Lquido: Solucin lquida de carbono en hierro. Existe por encima de la lnea del lquido y se designa por L.Cementita: existe en la vertical DFK se designa por su frmula qumica Fe3C.

Reaccin eutcticaL + Fe3C (Ledeburita); esto ocurre (a 1147C) y 4,3% de C.

Zona del Diagrama Fe C correspondiente a la reaccin eutctica.

Continuacin .Como resultado de la reaccin se formar la mezcla eutctica. La mezcla eutctica de Austenita y Fe3C se llama ledeburita.

L > Austenita + Fe3COcurre esta reaccin para todas las aleaciones con ms de 2,14%C. En esta zona se observa adems la lnea de prdida de solubilidad de la austenita.A la cementita segregada de la austenita se le llama secundaria, siendo denominada cementita primaria, la que solidifica desde el lquido (ambas estructuras son idnticas).Reaccin eutectoideAustenita Ferrita + Fe3C (Perlita); a 723C.

Zona del Diagrama Fe C correspondiente a la reaccin eutectoide.El producto de la transformacin es una mezcla eutectoide. La mezcla de Ferrita y Fe3C se llama perlita. Ocurre para aleaciones con 0,8% de C.

CONSTITUYENTES MONOFSICOS DEL DIAGRAMA Fe-C.LA FERRITA: Es una solucin slida de carbono en el hierro alfa Fe (C). La solubilidad mxima de carbono en la ferrita es aproximadamente de 0,008% de C a 20C y 0,03% de C a 723C. Su red cristalina es cbica de cuerpo centrada. La ferrita es una solucin slida intersticial, los tomos de carbono se disponen en los intersticios de la red de Fe. La ferrita es magntica y muy plstica.La dureza es HB 80 100. Rt = 32Kgf/mm2.LA AUSTENITAEs una solucin slida de carbono en el hierro gama que se designa por Fe (C). La solubilidad mxima de carbono en la austenita es 2,14% a 1147C y 0,8 de C a 723C. La red cristalina es CCC. La austenita es una solucin slida intersticial no magntica. Esta fase se encuentra slo a altas temperaturas y la temperatura 723C. es el lmite inferior de la existencia estable de la austenita en las aleaciones hierro carbono. La dureza es HB 180- 200; Rt = 68 kgf/mm2.LA CEMENTITAEs un compuesto qumico de hierro en carbono (Fe3C). La cementita tiene una red cristalina compleja (rmbica) y una dureza muy alta, HB 650 800, es bastante frgil. Su temperatura de fusin es 1600C. La cementita no es estable y en condiciones determinadas (mediante una rpida transformacin martenctica en el temple) se desintegra desprendiendo carbono libre en forma de grafito: Fe3C 3Fe + C.EL GRAFITOEs el carbono libre, blando (HB 3) y posee una baja resistencia. En las fundiciones de hierro y el acero grafitizado se halla en inclusiones de diversas formas (laminar, globular, nodular, etc.). Al variar la forma de las inclusiones de grafito, cambian las propiedades mecnicas y tecnolgicas.ESTRUCTURAS BIFSICAS

LA PERLITAEs una mezcla mecnica (Eutectoide, es decir, semejante a la eutctica, pero formada desde una fase slida) de la ferrita y cementita, conteniendo el 0,8% de C. La perlita puede ser laminar HB 300, Rt=105 Kgf/mm, o tambin globular HB 140, Rt=114 Kgf/mm2, lo que depende de la forma de la cementita (laminar o globular).LA LEDEBURITAEs una mezcla mecnica (Eutctica) de austenita y cementita, a temperatura superior a 723C, que contiene un 4,3% de C. la ledeburita se forma durante la solidificacin de la masa fundida a 1147C. Bajo los 723C la austenita se transformar en perlita y entonces la estructura de la ledeburita ser: perlita ms cementita (una mezcla mecnica). La dureza de la ledeburita es: HB 600-700 y es muy frgil.CLASIFICACIN DE LAS ALEACIONES HIERRO CARBONO.Segn el contenido de carbono las aleaciones hierro carbono se dividen en aceros y fundiciones de hierro.Llmense aceros a las aleaciones hierro carbono en las que el contenido de carbono no supera el 2,14% de C. Los aceros que contienen menos de 0,8% de C se denominan hipoeutectoides; con 0,8% de C, eutectoides, y ms de 0,8% de C, hipereutectoides.Llmense fundiciones de hiero las aleaciones de hierro carbono cuyo contenido en carbono es superior a 2,14% de C e inferior a 6,67% de C. las fundiciones de hierro que contienen menos de 4,3% de C, reciben el nombre de hipoeutcticas; con 4,3% de C, es la aleacin Eutctica, y con ms de 4,3% y menos de 6,67% de C, hipereutcticas.Clasificacin de los acerosDesde el punto de vista de su composicin, los aceros se pueden clasificar en dos grandes grupos:Aceros al carbono: formados principalmente por hierro y carbono.Aceros aleados: Contienen, adems del carbono otros elementos en cantidades suficientes como para alterar sus propiedades (dureza, puntos crticos, tamao del grano, templabilidad, resistencia a la corrosin).Con respecto a su composicin, puede ser:De baja o alta aleacin y los elementos que puede contener el acero pueden ser tanto deseables como indeseables, en forma de impurezas.

(hierro de fundicin)(acero)(Bajo contenido de aleantes)(Alto contenido de aleantes)Aceros inoxidablesClasificacin de aleaciones metlicas ferrosasACERO AL CARBONOEl acero al carbono de produccin industrial, es una aleacin de composicin qumica compleja. Adems de la base - hierro entre 97,0% al 99,5% - hay muchos elementos cuya presencia se debe a las peculiaridades tecnolgicas de su produccin (magnesio, silicio, aluminio); o a la imposibilidad de excluirlos totalmente del metal (azufre, fsforo, oxgeno, nitrgeno, hidrgeno) o a circunstancias casuales (cromo, nquel, cobre y otros).TRANSFORMACIONES DEL ACERO DURANTE EL CALENTAMIENTO.Para el anlisis de las transformaciones durante el calentamiento de los aceros, se tomar la parte del diagrama Fe-C correspondiente a las aleaciones por debajo de 1147C de temperatura y por debajo de 2,14% de Carbono. A las curvas de transformaciones de fase se le asignarn las siguientes nomenclaturas:A1 (Ac1 Ar1): Lnea de la reaccin eutectoide.A3 (Ac3 o Ar3): Lnea de transformacin alotrpica de austenita en ferrita.Am (Acm o Arm): Curva de prdida de solubilidad de la austenita.

Diagrama Fe-CZona del Diagrama Fe C correspondiente a la reaccin eutectoide con las curvas de transformacin de fases empleadas en el tratamiento trmico del acero.

1. Microestructura del Fe puro : austenita, fcc: ferrita, bccAshby JonesMicroestructuras de aceros producidas por enfriado lento desde la fase austenita (tratamiento trmico de normalizacin)

2. Microestructura del Fe-C eutectoidePerlita: + Fe3CAshby Jones723C

3. Microestructura acero hipoeutectoide: ferrita pro-eutectoide + perlita

4. Microestructura de acero hipereutectoide: cementita pro-eutectoide + perlitaAshby-JonesCurva Tiempo-Temperatura-TransformacinLa curva TTT muestra cmo la velocidad de enfriamiento afecta la transformacin de austenita [] en varias fases posibles. Las fases se pueden dividir en:1) A velocidades lentas de enfriamiento se transforma en Ferrita [] y Cementita [Fe3C] o perlita [ +Fe3C].2) A velocidades rpidas de enfriamiento se transforma en Martensita [+].

La curva se interpreta partiendo del tiempo cero en la regin austenita (en un lugar arriba de la lnea de temperatura A1) y contina hacia abajo y a la derecha a lo largo de una trayectoria que muestra cmo se enfra el metal en funcin del tiempo.

Efecto de aleantes en Curvas TTT

Formacin de Martensita en el AceroCuando el acero con constitucin austentica, se enfra lentamente, la austenita [] se transforma en distintos productos; as por ejemplo, si el acero es hipoeutectoide la austenita s transforma inicialmente en ferrita [] hasta la temperatura eutectoide, a la cual la austenita remanente se transforma en perlita [ +Fe3C]. La micro estructura final ser perlita en una proporcin que depende de la composicin y la velocidad de enfriamiento.

Curvas TTT: aceros de composicin eutectoide, hipoeutectoide e hipereutectoideEutectoideHipoeutectoideHipereutectoideAshby-Jones

A1A3AcmTratamientos trmicos-TempladoEl tratamiento trmico para formar martensita consiste en dos pasos: formacin de austenita (austenizacin) y temple. A estos pasos le sigue frecuentemente un revenido para producir martensita revenida. La formacin de austenita implica calentamiento del acero a una temperatura lo suficiente alta para convertirlo parcialmente en austenita (aprox. entre los 727 y 1.500C). Esta temperatura puede determinarse por medio del diagrama de fase para la composicin particular de la aleacin. La transformacin 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 composicin requerida [+].

TempleDespus que se ha producido la austenitizacin comienza el temple del acero. La velocidad de enfriamiento depende del medio de temple y la velocidad de transmisin de calor dentro de la pieza de acero. Se usan varios medios de temple en las operaciones comerciales de tratamiento trmico que incluyen: Salmuera (agua salada) generalmente agitada.Agua fresca en reposo.Aceite en reposoAire.

Influencia de los medios de enfriamientoEl temple en salmuera agitada suministra el enfriamiento ms rpido de las superficies calentadas de la parte, mientras que el temple al aire es el ms lento. El problema es que mientras ms efectivo sea el medio de temple en el enfriamiento, es ms probable que cause esfuerzos internos, distorsin y grietas en el producto.La velocidad de transferencia de calor en el interior de la pieza depende en gran medida de su masa y geometra. Una forma cbica grande se enfriar mucho ms despacio que una lmina delgada pequea.

AGUAACEITEAIRE-Temples muy severos (enfriamientos muy rpidos)-El agua no debe sobrepasar los 30-Agitacin de las piezas-Aceros bajo Carbono-Temples intermedios.-Agitacin de las piezas.-Aceros aleados o alto contenido en Carbono.- Temple lento.-Aceros aleados o alto contenido en Carbono.RevenidoLa martensita es dura y frgil. El revenido es un tratamiento trmico que se aplica a los aceros endurecidos para reducir su fragilidad, incrementar su ductilidad y tenacidad y aliviar los esfuerzos en la estructura de la martensita. El tratamiento implica calentamiento y mantenimiento de sta a una temperatura, seguido de un enfriamiento lento. El resultado es la precipitacin de partculas muy finas de carburo de la solucin martenstica hierro-carbono y la transformacin gradual de la estructura cristalina de BCT a BCC. Esta nueva estructura se llama martensita revenida.

Los tres pasos del tratamiento trmico del acero para formar martensita revenida. El primer paso de calentamiento para producir la martensita, el segundo paso de enfriamiento para producir el templado y el ultimo paso de calentamiento para el revenido.

RecocidoRecocido: consiste en calentar el material hasta una temperatura determinada y mantenerlo a dicha temperatura durante un tiempo previsto y posteriormente enfriarlo lentamente.

Tipos de RecocidoLos objetivos que se persiguen son: - Eliminar tensiones del temple.- Aumentar la plasticidad, ductilidad y tenacidad.- Conseguir una microestructura especfica.

NormalizadoConsiste en calentar el material ligeramente (30-50 C) por encima de la temperatura crtica hasta que todo se haya convertido en austenita.Posteriormente se deja enfriar al aire. Se diferencia de los dems en que la velocidad de enfriamiento es intermedia.Se le da a los materiales que han sufrido un tratamiento mecnico defectuoso, para normalizar su estructura.Se emplea para aceros de baja aleacin (