Pre Informe

4.- Aceros para cementación, composiciones características, influencia de los elementos aleantes.

Los aceros de cementación, de acuerdo con los elementos de aleación que contienen, se pueden clasificar en tres grupos: 1º Aceros al carbono 2º Aceros de media aleación 3º Aceros de alta aleación Por la resistencia y tenacidad que se puede llegar a alcanzar en el núcleo central de las piezas cementadas, se pueden clasificar en otros tres grupos: 1º Aceros de gran tenacidad y baja resistencia (60-80 Kg/mm^2) 2º Aceros de tenacidad y resistencia media (80-110 Kg/mm^2) 3º Aceros de alta resistencia (110-160 Kg/mm^2) Por el método de realizar el temple se pueden clasificar en: 1º Aceros de temple al agua 2º Aceros de temple al agua o al aceite 3º Aceros de temple al aceite Finalmente por el tamaño de grano o aptitud de crecimiento del grano durante el calentamiento que se realiza en la cementación, se pueden clasificar en: 1º Aceros de grano grueso (T.G.: nº 1-4) 2º Aceros de grano medio (T.G.: nº 5 y 6) 3º Aceros de grano fino (T.G.: nº 7 y 8) Aceros al carbono: En este grupo están incluidos los aceros que sólo contienen en cantidades apreciables carbono, silicio y manganeso, que son los tres elementos fundamentales en los aceros ordinarios. Se caracterizan fundamentalmente porque para conseguir normalmente con esos aceros, después de la cementación y temple posterior, durezas superiores a 60 HRc, es necesario enfriarlos rápidamente en agua, ya que la velocidad crítica de temple del acero de %C = 0.9 aprox. que constituye la capa cementada es muy elevada. El %C que contienen suele variar de 0.1 a 0.25% y algunas veces llega excepcionalmente a 0.4 %C Composición química característica %C %Si 0.1– 0.25 < 0.35

%C<0.12 Se utilizan en piezas pequeñas 0.12<%C<0.17 piezas de tamaño medio 0.20 %C Piezas grandes De forma excepcional algunos aceros alcanzan los 0.4 %C, con esta cantidad las piezas quedan, en general, con poca tenacidad en el núcleo central.

%Mn 0.5 – 0.7

Empleando estos aceros al carbono, en el corazón de las piezas cementadas no se suelen obtener resistencias superiores a 80 Kg/mm^2. En la periferia después del temple rápido en agua, cuando se trata de piezas de tamaño reducido, se consiguen, prácticamente, las mismas durezas que con los aceros aleados. Estos

aceros tienen el inconveniente de que cuando se trata de piezas de formas complicadas, las deformaciones pueden ser importantes. También debe destacarse que durante la cementación, en general, a los aceros al carbono les crece el grano más que a los aceros aleados y, por tanto, quedan más frágiles y para obtener con ellos buenos resultados (tenacidad aceptable) es necesario cuidar bien los tratamientos de regeneración, que con frecuencia suele ser necesario dar después de la cementación. Aceros débilmente aleados: A este grupo pertenecen los aceros de baja aleación en los que la suma de los porcentajes de elementos aleados, cromo, níquel, molibdeno y manganeso es inferior a 3%. Composición química característica Acero aleación %C %Cr %Ni Cr-Mo 0.14 1 0.17 1 0.21 1 Ni-Mo 0.1-0.2 1.6-2 Cr-Ni-Mo 0.1-0.25 0.35-1 0.35-1.5

%Mo 0.2 0.2 0.2 0.2-0.3 0.15-040

De todos estos aceros los de más elevada aleación se suelen templar en aceite y los de menos aleación en agua. Para un mismo acero también suele ocurrir que cuando se trata de piezas pequeñas se pueden templar en aceite y las grandes, en cambio, se deben templar en agua. A veces, también, es muy interesante enfriar durante unos segundos en agua y pasar luego al aceite. Estas variables en los métodos de enfriamiento se derivan de la templabilidad de estos aceros que, en muchos casos, se encuentran justo en el límite y no llega a ser suficiente para que pueda realizar el temple en aceite, ya que enfriando en esa forma la dureza superficial que se alcanza no llega a 60 HRc. Con estos aceros, combinando los elementos de aleación con un adecuado porcentaje de carbono, variable generalmente de 0.08 a 0.25%, se llega alcanzar en el núcleo resistencias variables desde 70 a 130 Kg/mm^2. Aceros de alta aleación: En algunos casos, para la fabricación de piezas de gran responsabilidad, en que se quieren evitar las deformaciones y se quieren obtener además elevadas resistencias en el núcleo central, se emplean aceros con elementos de aleación en porcentajes superiores a 3%. El contenido en carbono casi siempre suele ser inferior a 0.2% de C, pues al ser la templabilidad de esto aceros muy elevada no son necesarios porcentajes más altos de carbono para alcanzar resistencias en el núcleo de 90 a 150 Kg/mm^2. Composición química característica Acero aleación %C %Cr %Ni Aceros al níquel 0.1-0.2 3 0.1-0.2 5 Cr-Ni 0.1-0.2 0.75 3 0.1-0.2 1 4 Cr-Ni-Mo 0.1-0.2 1 4

%Mo

0.2-0.6

En estos aceros, conviene en general conservar el contenido en carbono relativamente bajo para que no se endurezca demasiado el corazón y llegue a

disminuir sensiblemente la tenacidad. Para evitar la presencia de austenita retenida, en la zona periférica, después del temple, a veces se da a las piezas tratamientos especiales a temperaturas inferiores a cero grados. Para seleccionar el acero para cementación es muy difícil dar unas reglas generales, ya que es un problema extraordinariamente complejo, por ser muchos los factores que intervienen en el mismo, a título de orientación a continuación señalamos unas normas que pueden servir de base para su elección. Piezas a fabricar Piezas pequeñas de formas regulares, en las que no es probable que se presenten problemas de deformación, ni es de gran interés ni la resistencia ni tenacidad del núcleo

Clase de acero

Aceros al Carbono

Tratamiento recomendable Temple al agua

Piezas de tamaño mediano y pequeño en las que deben cuidarse las deformaciones, y en las que interesa buena tenacidad y resistencias en el núcleo variables de 70 a 90 Kg/mm^2

Aceros de media aleación

Temple al aceite o agua

Piezas de cualquier tamaño en las que no se permiten deformaciones sensibles en el temple y en las que interesa buena tenacidad y alta resistencia en el núcleo variable generalmente de 90 a 150 Kg/mm^2

Aceros de alta aleación

Temple al aceite

Influencia de los elementos aleados en los aceros de cementación Entre todos los factores o características que pueden quedar modificados por la influencia de los elementos de aleación, la templabilidad y los puntos críticos son los que sufren variaciones más importantes. La templabilidad de la parte periférica y del núcleo central de las piezas cementadas quedan muy modificadas por la presencia de elementos aleados, circunstancia que modifica notablemente las características que con cada acero se pueden obtener. En las figuras siguientes se pueden ver las curvas Jominy de diversos aceros de cementación y las curvas Jominy que corresponden a las composiciones del acero de las capas cementadas.

Marca F F F F

153 154 155 156

C 0.1-0.15 0.1-0.15 0.12-0.15 0.12-0.18

Si

Composición en % Mn P S Ni

0.1-0.35 0.3-0.6 0.1-0.35 0.3-0.6 0.1-0.35 0.3-0.6 0.1-0.35 0.3-0.6

<0.04

<0.04

3.8-4.5 <0.04 <0.04 2.5-3.0 <0.04 <0.04 <0.04 <0.04 3.8-4.5

Cr 0.9-1.1 0.5-0.8 1.0-1.3 0.9-1.1

Mo 0.15-0.25 0.15-0.35

Observando esas curvas, se aprecian fácilmente diferencias importantes entre ellos y se comprende por qué unos aceros deben ser templados en agua y otros en cambio pueden ser templados con un simple enfriamiento en aceite. Los elementos de aleación también tienen una influencia bastante importante sobre las temperaturas críticas del material, tanto en lo que corresponde a la parte cementada, como a la parte sin cementar, y también, como es natural, influyen en las temperaturas de tratamiento que deben emplearse en cada caso. El níquel y el manganeso hacen descender los puntos críticos y el cromo y el molibdeno los elevan. Acero tipo Al carbono Cr-Ni Cr-Mo

%C

%Cr

0.12 0.1 0.12

0.6 1

%Mo

%Ni 3.0

0.2

Tº Ac1 [ºC] 732 715 775

Tº Ac3 [ºC] 870 790 875

Teniendo en cuenta que la cementación debe hacerse a temperaturas superiores en 30º a 60º al punto Ac3, pues así se encuentra en estado austenítico, que disuelve con gran facilidad el carbono, las temperaturas de cementación serán: Acero al carbono………………………………………. 900º-950º Acero cromo-níquel………………………………….. 850º-900º Acero cromo-molibdeno………………………….. 900º-950º

La velocidad de penetración y la distribución del carbono en el interior del acero no se modifican muy sensiblemente por la presencia de elementos de aleación en el acero, Sin embargo, se observa que el níquel y el silicio tienden a retardar esa penetración, y en cambio los elementos formadores de carburos, como el cromo, molibdeno y manganeso, la aceleran.

5.- Descripción de los principales tratamientos térmicos que se dan a las piezas cementadas. Según la clase de acero y el destino de las piezas que se van a cementar se pueden utilizar muchas clases de tratamientos. En cada caso, la elección de uno u otro tratamiento, dependerá de su tamaño de grano, o sea de la tendencia del acero a adquirir una estructura grosera durante la cementación y de las características que se quieran conseguir en el corazón y en la periferia de las piezas.

1.- Cementación, temple directo desde la Tº de cementación y revenido final: Este tratamiento se da generalmente cuando se cementa en baño de sales o en atmósfera carburante, y raramente cuando se cementa en cajas. Se recomienda para las piezas de poca responsabilidad y para cementaciones ligeras de 0.2 a 0.6 mm de espesor, en las que la tenacidad del núcleo no tiene mucha importancia. Conviene utilizar aceros de baja aleación p al carbono, de grano fino, no siendo recomendable emplear aceros de alta aleación, porque como el temple se hace desde muy altas temperaturas, hay peligro de que quede la capa cementada con mucha austenita residual sin transformar. Con aceros de grano grueso, el corazón quedará frágil, porque después de la cementación los granos habrán crecido exageradamente, y templando directamente desde la temperatura de cementación no se regenera el grano. Con este tratamiento las deformaciones son muy grandes y se obtiene gran dureza en el corazón y en la periferia, pero hay el peligro de que ambas zonas queden frágiles. 2.- Cementción, enfriamiento lento, temple a Tº intermedia entre Ac1 y Ac3 y revenido final: Este tratamiento se puede emplear con éxito cuando se usan aceros de alta aleación, que son generalmente de grano fino y no necesitan regenerar el corazón. Así se obtiene la máxima tenacidad del corazón, cuya

resistencia será un poco inferior a la máxima que se obtiene templendo a mñas alta temperatura. Si se utiliza este tratamiento para aceros de grano grueso, la periferia quedará con buenas características, pero el corazón quedará bastante frágil por no haber sido regenerado. Con este tratamiento hay poco peligro de deformaciones. 3.- Cementación, enfriamiento lento, temple a temperatura ligeramente superior a Ac3 y revenido final: con este tratamiento se obtiene la máxima resistencia en el núcleo. La tenacidad del corazón será buena, pues aunque haya crecido el grano durante la cementación, se afinará por haber sido calentado el acero para el temple a temperatura ligeramente superior a Ac3. En este tratamiento hay peligro de que la periferia quede con el grano grueso y sea frágil, porque ha sido templada desde muy alta temperatura. La dureza de la capa cementada puede ser un poco baja por quedar algo de austenita residual sin transformar. Este es el tratamiento que debe emplearse con los aceros de media aleación y grano fino, siempre que se quiera conseguir la máxima resistencia en el corazón, como ocurre en algunas piezas empleadas en la industria aeronáutica, de automóviles, etc. 4.- Cementación, enfriamiento lento, primer temple a temperatura ligeramente superior a Ac3, segundo temple a temperatura ligeramente superior a Ac1 y revenido final: conviene emplear ese tratamiento con los aceros al carbono y de media aleación y, en general, con todos los de grano grueso, en los que durante la cementación crece mucho el grano. Hasta hace poco tiempo era el tratamiento más utilizado para piezas de responsabilidad, pero hoy, al poderse fabricar aceros de grano fino, se emplea en menos ocasiones. Empleándolo, la periferia quedará dura y tenaz, y el corazón, que con el segundo temple a recibido un temple imperfecto, quedará con una resistencia ligeramente inferior a la máxima y muy buena tenacidad. Este tratamiento se suele utilizar todavía en algunos talleres, para aceros de alta aleación en piezas de gran responsabilidad, cuando se teme que la cementación haya hecho crecer el grano del acero y se quiere utilizar un tratamiento que asegure en el corazón la máxima tenacidad. 5.- Austempering y Martempering: Cuando se quiere reducir al mínimo las deformaciones de las piezas cementadas, el temple se hace, enfriando en sales fundidas en lugar de en agua o en aceite. 6.- Aspectos teóricos de la cementación. Solucion de la ecuación de difusión, aplicada a la cementación. Una vez establecido el potencial de carbono en la superficie del acero, que es el mismo que tiene el medio cementante, el carbono difunde hacia el interior de la pieza. Matemáticamente las curvas de penetración de carbono se presentan por la ecuación:

C(x,t) Composición de C en posición de x y tiempo t

x Cs Co Erf

distancia desde la superficie composición de carbono en la superficie composición inicial del acero función error. Coeficiente de difusión del carbono en γ

Valores de la función error

erf(µ ) 0 0,223 0,428 0,604 0,742 0,843 0,91 0,966 0,995

oo

1.00

C(x,t)

erf()

0,8 0,6662 0,5432 1 0,4376 0,3548 0,5 0,2942 0 0,254 0 0,2204 0,203 0,2

0 0,223 0,428 0,604 0,742 0,843 0,91 0,2 0,966 0,995 1

1,5

erf( µ)

µ 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

1 0,5 0 0

0,5

1

1,5

2

µ

C(x,t)

Al graficar la composición en cada punto, C(x,t), en función de los valores de erf se puede ver la siguiente situación, para el caso de un acero cuya Co=0.2%C y tratado en un medio que le aporta una Cs= 0.8%C.

C(x,t) v/s erf

0,4

0,6

0,8

1

1,2

erf

Para el valor máximo de la función de error, 1, se obtiene la composición inicial Co del acero, así tambien, para un valor de erf()=0.5 obtenemos una composición media entre los entre la inicial y la superficial, es decir: C(x,t) = (Co+Cs)/2 = Cs-(Cs-Co)*0.5

De manera general la penetración de carbono, x, obedece la siguiente relación: β:cte.

Se observa que la penetración de carbono es proporcional a , de modo que esta depende del tiempo del tratamiento y de la difusión del carbono en Austenita. A su vez depende de:

Cálculo teórico de la profundidad de la capa dura para las siguientes condiciones de Temperatura: 900º, 950º y 1000º; tiempos: 2-4-8-12-1620-24 horas, con concentraciones Cs= 1.25, Co=0.15 y Cx=0.45.

T [ºC] 900 950 1000

[cm2/seg] 2 1,5E-09 0,0032 3,9E-09 0,0053 9,6E-09 0,0083

Profundidad capa dura [cm] Tiempo [horas] 4 8 12 16 20 0,0046 0,0075 0,0118

0,0065 0,0106 0,0166

0,0080 0,0131 0,0204

0,0092 0,0151 0,0235

0,0103 0,0169 0,0263

24 0,0113 0,0185 0,0288