Tratamiento Térmico.docx

Tratamiento térmico Se conoce como tratamiento térmico al conjunto de operaciones de calentamiento y enfriamiento, bajo condiciones controladas de temperatura, tiempo de permanencia, velocidad, presión, de los metales o las aleaciones en estado sólido, con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas, especialmente la dureza, la resistencia y la elasticidad. Los materiales a los que se aplica el tratamiento térmico son, básicamente, el acero y la fundición, formados por hierro y carbono. También se aplican tratamientos térmicos diversos a los cerámicos. La alotropía. Alotropía (cambio, giro) es la propiedad de algunas sustancias simples de poseer estructuras atómicas o moleculares diferentes.1 Las moléculas formadas por un solo elemento y que poseen distinta estructura molecular se llaman alótropos. 

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Oxígeno. Puede existir como oxígeno atmosférico (O2) y como ozono (O3), que genera el olor penetrante distintivo en las proximidades de las caídas de agua.2 Fósforo. Se manifiesta como fósforo rojo (P4) y como fósforo blanco (P4), de características físicas distintas.3 Ambos tienen la misma fórmula química, ya que lo que le da propiedades diferentes es su estructura interna. Carbono. Variedades alotrópicas: grafito, diamante, grafeno, nano tubos de carbono, fullereno y carbono.4

Las alotropía ocurre debido a la capacidad de algunos elementos químicos de presentarse como varios compuestos naturales simples, las cuales son sustancias con diferentes estructuras moleculares y diferente o igual cantidad de átomos. En general los cambios de estado de agregación de la materia o de sus fenómenos concomitantes, como la temperatura o la presión, son uno de los factores más importantes que influyen sobre cuales alótropos de un elemento se presentan. Los variación de las propiedades de los alótropos de un elemento, son causados por las diferencias en las estructuras moleculares de estos compuestos alótropos. Por ejemplo, en los cristales de diamante cada átomo de carbono está unido a cuatro átomos vecinos de este mismo elemento, por lo cual adopta un arreglo en forma de tetraedro que le confiere una particular dureza. La hibridación de orbitales del carbono en el diamante es sp3. En el grafito, los átomos de carbono están dispuestos en capas superpuestas. En cada capa ocupan los vértices de hexágonosregulares.5 De este modo, cada átomo está unido a tres de la misma capa con más intensidad y a uno de la capa próxima de manera más débil. En este caso la hibridación del carbono es sp 2. Esto explica la blandura y la untuosidad –al tacto– del grafito. La mina de un lápiz forma el trazo porque, al desplazarse sobre el papel, a éste se adhiere una delgada capa de grafito.

El diamante y el grafito, por ser dos sustancias simples diferentes, sólidas, constituidas por átomos de carbono, reciben la denominación de variedades alotrópicas del elemento carbono. Una tercera variedad alotrópica del carbono es el fullereno (C60) o buckminsterfullereno (en honor del arquitecto Buckminster Fuller, por haber construido la cúpula geodésica en la Île Sainte-Hélène, Montreal). Puesto que tiene forma de balón de fútbol, al buckminsterfullereno también se le conoce como bucky ball.

Diagrama TTT Un diagrama TTT (temperatura, tiempo, transformación de anemia) o curva S resume las posibles transformaciones de la austenita para cada acero, imprescindibles tanto para el diseño de tratamientos térmicos como para la interpretación de las microestructuras resultantes después de los mismos. Su construcción experimental se realiza mediante un determinado número de muestras de acero que, previamente austenizadas, se enfrían en baños de sales a diferentes temperaturas y tiempos determinados. La microestructura obtenida en cada una de las muestras se analiza y representa, obteniéndose así el diagrama TTT para ese acero.

Diagrama ttt enfriamiento continuo Uso del diagrama ttt

Los diagramas TTT (Tiempo-Temperatura-Transformación) son una herramienta que nos permite estudiar los tratamientos térmicos como el temple. Para obtener el diagrama TTT tomamos varias probetas iguales y las levamos a temperaturas de austenización. Austenizamos completamente y luego introducimos las probetas en distintos baños a distintas temperaturas. Se mide los tiempos en función de la microestructura transformada y se observa las estructuras a medida que transcurre el tiempo. Inicialmente tendremos una estructura de 100% de Austenita, será el punto de inicio de la transformación para la primera temperatura T1 elegida. Al finalizar, luego de un determinado tiempo, la trasformación, obtendremos una estructura de 100% de perlita gruesa. T2
Diagrama ttt enfriamiento isotermico Propiedades mecánicas a mejorar Las características mecánicas de un material dependen tanto de su composición química como de la estructura cristalina que tenga. Los tratamientos térmicos modifican esa estructura cristalina sin la composición química, mediante un proceso de calentamientos y enfriamientos sucesivos hasta conseguir la estructura cristalina deseada.

Entre estas características están: 

Resistencia al desgaste: Es la resistencia que ofrece un material a dejarse erosionar cuando está en contacto de fricción con otro material.

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Tenacidad: Es la capacidad que tiene un material de absorber energía sin producir fisuras (resistencia al impacto). Maquinabilidad: Es la facilidad que posee un material de permitir el proceso de mecanizado por arranque de viruta. Dureza: Es la resistencia que ofrece un material para dejarse penetrar. Se mide en unidades BRINELL (HB), unidades ROCKWEL C (HRC), VICKERS (HV), etc. Dureza Vickers mediante la prueba del mismo nombre. También puede ser definido como la capacidad de un material de no ser rayado.

El tratamiento térmico de normalización del acero se lleva a cabo al calentar aproximadamente a 20ºC por encima de la línea de temperatura crítica superior seguida de un enfriamiento al aire hasta la temperatura ambiente. El normalizado consiste en calentar rápidamente el material hasta una temperatura crítica (30– 50ºC por encima de A3 o Am), manteniéndose durante un tiempo en ella. El enfriamiento posterior se realiza al aire, dando lugar a la recristalización y afino de la perlita. El normalizado es un tratamiento térmico que se emplea para dar al acero una estructura y características tecnológicas que se consideran el estado natural o final del material que fue sometido a trabajos de forja, laminación o tratamientos defectuosos. Se hace como preparación de la pieza para el temple.

El propósito de la normalización es producir un acero más duro y más fuerte que con el recocido total, de manera que para algunas aplicaciones éste sea el tratamiento térmico final. Sin embargo, la normalización puede utilizarse para mejorar la maquinabilidad, modificar y refinar las estructuras dendríticas de piezas

de fundición, refinar el grano y homogeneizar la microestructura para mejorar la respuesta en las operaciones de endurecimiento. Proceso de enfriamiento

Vigas de acero El hecho de enfriar rápidamente el acero hace que la transformación de la austenita y la microestructura resultante se vean alteradas, ya que como el enfriamiento no se produce en condiciones de equilibrio, el diagrama hierro-carburo del hierro no es aplicable para predecir las proporciones de ferrita y perlita proeutectoide que existirán a temperatura ambiente. Ahora, se tendrá menos tiempo para la formación de la ferrita proeutectoide, en consecuencia, habrá menos cantidad de esta en comparación con los aceros recocidos. Aparte de influir en la cantidad de constituyente proeutectoide que se formará, la mayor rapidez de enfriamiento en la normalización también afectará a la temperatura de transformación de austenita y en la fineza de la perlita. El hecho de que la perlita (que es una mezcla eutectoide de ferrita y cementita) se haga más fina implica que las placas de cementita están más próximas entre sí, lo que tiende a endurecer la ferrita, de modo que esta no cederá tan fácilmente, aumentando así la dureza. El enfriamiento fuera del equilibrio también cambia el punto eutectoide hacia una proporción de carbono más baja en los aceros hipoeutectoides y más alta en los aceros hipereutectoides. El efecto neto de la normalización es que produce una estructura de perlita más fina y más abundante que la obtenida por el recocido, resultando un acero más duro y más fuerte. El procedimiento consiste en calentar la pieza entre 30 y 50 grados Celsius por encima de la temperaturacrítica superior, tanto para aceros hipereutectoides, como para aceros hipoeutectoides, y mantener esa temperatura el tiempo suficiente para conseguir la transformación completa en austenita (perlita y ferrita). A continuación se deja enfriar en aire tranquilo, obteniéndose una estructura uniforme. Con esto se consigue una estructura perlítica con el grano más fino y más uniforme que la estructura previa al tratamiento, consiguiendo un acero más tenaz.

Es lo que llamamos perlita fina (observar un diagrama TTT, de la fase austenita y posteriormente realizar una isoterma a una temperatura determinada). En el caso de los aceros con bastante contenido en carbono y mucha templabilidad, este tratamiento puede equivaler a un temple parcial, donde aparezcan productos perlíticos y martensíticos. Para aceros con bajo contenido de carbono no aleados no existe mucha diferencia entre el normalizado y el recocido. Cuando se trata de aceros de contenido medio en carbono (entre 0.3 – 0,5%C) la diferencia de propiedades es mayor que en el caso anterior; en general, el proceso de normalizado da más dureza.

Cuando tenemos un acero con grano grueso, para afinarlo, basta con calentarlo a una temperatura lo mas justo por encima de la temperatura crítica (austenización completa) y dejarlo que se enfríe al aire. En el enfriamiento al aire los granos de austenita se transforman en otros más pequeños de ferrita, perlita o cementita según su composición. Cuando los cristales son muy grandes, para afinarlos se recomienda varias regeneraciones sucesivas. La primera a temperatura bastante superior a la crítica, pues entonces los átomos que constituyen el acero tienen mayor movilidad y es mas fácil dividir la grosera cristalización inicial y homogeneizar la masa del acero, y luego se hacen otras regeneraciones a temperaturas mas bajas y mas próximas a la temperatura

Imagen 14. Elaboración propia.

crítica, que son las que en realidad afinan el grano.

Objetivos del normalizado. Mediante este proceso se consigue: 

Subsanar defectos de las operaciones anteriores de la elaboración en caliente (colada, forja, laminación,…) eliminando las posibles tensiones internas. Preparar la estructura para las operaciones tecnológicas siguientes (por ejemplo mecanizado o temple). se consigue que la estructura interna del acero sea más uniforme y aumentando la tenacidad.

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El normalizado se utiliza como tratamiento previo al temple y al revenido, aunque en ocasiones puede ser un tratamiento térmico final. Factores que influyen •

La temperatura de cristalización no debe sobrepasar mucho la temperatura crítica.

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El tiempo al que se debe tener la pieza a esta temperatura deberá ser lo más corto posible.

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El calentamiento será lo más rápido posible.

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La clase y velocidad de enfriamiento deberán ser adecuados a las características del material que se trate

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El pocentaje de carbono de la pieza influye en su temperatura crítica y por tanto en el proceso de calentamiento no debe pasar por mucho esta temperatura.