Preinforme 1

Universidad Técnica Federico Santa María Departamento de Electricidad

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

“Pre-Informe Nº 1” Trabajo Inicial

Marianela Baeza Delgado

Profesor: Sr. Juan Basualto K.

1.- Medición de temperaturas, desarrollo de los siguientes temas: Termopares, fundamentos, características, materiales de uso más frecuente y rango de utilización. Fabricación y calibración de termopares, calibración primaria y secundaria. Un termopar es un sistema compuesto de dos alambres homogéneos, de composición química diferente, que por uno de sus extremos están soldados, formándose un circuito cerrado cuando los otros dos extremos libres se unes al indicador. El extremo soldado se denomina soldadura o unión caliente, porque es el que se pone en contacto con el cuerpo o medio cuya temperatura se quiere medir. Las conexiones de los otros dos extremos, con conductores de cobre, o en general con conductores eléctricos de características diferentes a las de los que constituyen el termopar, se denominan uniones o soldaduras frías o de referencia. Los dos alambres que forman el termopar están aislados uno de otro mediante un material aislador y refractario adecuado, tal como tubos de porcelana o piezas de forma especial. Según los metales que intervienen en la composición del termopar, se los puede clasificar en dos grandes grupos: -

Termopares de metales ordinarios, cuyos componentes son metales o aleaciones relativamente baratos y corrientes, como hierro, cobre, chromel, alumel, etc.

-

Termopares de metales preciosos, con sus componentes de platino y aleaciones de platino. Cada grupo tiene sus ventajas y desventajas técnicas, incluyendo factores como la resistencia a la oxidación, limites máximos de temperatura, resistencia a la contaminación, etc. Los termopares de metales preciosos son en varios aspectos más ventajosos, pero su uso esta menos extendido por su elevado costo.

Hay 7 tipos de termopares conocidos como E, S, T, J, K, B y R, su composición química varia y a continuación se presentan en tablas.

Grupo I Metales nobles platino platino 10% rodio conocido como Tipo S platino platino 13% rodio conocido como Tipo R Grupo II Metales Base cobre constantano conocido como Tipo T acero constantano conocido como Tipo J cromel alumel

conocido como Tipo K

cromel constantano conocido como Tipo E

Fundamentos: La medida de la temperatura mediante un termopar es posible porque en él se produce una fuerza electromotriz cuando la unión soldada está a temperatura diferente de las uniones frías. Si las uniones frías se mantienen a una temperatura constante y reproducible, como por ejemplo el punto de fusión del hielo, la fuerza electromotriz creada en el termopar es una cierta función de la temperatura a la que se encuentre la unión caliente. Calibrando el termopar mediante una serie de puntos fijos de temperatura o por comparación con un termopar patrón, se puede establecer la relación precisa entre la temperatura de la unión caliente y la f.e.m. Para muchos tipos de termopar, la relación es casi lineal y dada la precisión requerida en la mayoría de los trabajos metalúrgicos, basta con unos pocos puntos fijos que incluyan el intervalo normal de trabajo. En las condiciones vistas, la f.e.m. creada depende de dos causas diferentes: El efecto Peltier y el efecto Thomson. Efecto Peltier: Cuando dos alambres metálicos homogéneos, de diferente composición química, se ponen en contacto eléctrico uno con otro, se produce en la unión una diferencia de potencial entre los dos metales. Esta diferencia de potencial depende de la temperatura a que se encuentra el contacto y de la composición química de los dos alambres. Usualmente crece con la temperatura pero en ciertos casos, por ejemplo, en el par hierro-cobre, se alcanza un máximo y, a partir de él, decrece al aumentar aun más la temperatura. Efecto Thomson: Cuando en un alambre metálico homogéneo se produce un gradiente de temperatura, por calentamiento de una de sus extremos, se establece también una diferencia entre los extremos caliente y frío del alambre. Generalmente el potencial es más elevado en el extremo caliente y la magnitud de la diferencia es función de la composición y homogeneidad del alambre y de la diferencia de temperatura producida. En ciertos metales el efecto Thomson puede invertirse a temperaturas elevadas, por lo que éstos no serían adecuados para la construcción de termopares.

Por lo tanto, de esto se deduce que la f.e.m. neta creada en el sistema termoeléctrico es la suma de las siguientes cuatro f.e.m., tomada cada una con el signo algebraico que le corresponda: 1.- Fuerza electromotriz Peltier en la unión caliente. 2.- Fuerza electromotriz Peltier en la unión fría. 3.- Fuerza electromotriz Thomson a lo largo de uno de los alambres del termopar. 4.- Fuerza electromotriz Thomson a lo largo del otro alambre del termopar.

Construcción de termopares: Los termopares son fáciles de construir en un laboratorio. El alambre de termopar, de las clases antes mencionadas se pueden comprar en una amplia variedad de tamaños de alambre y por carretes. Los termopares construidos de éstos se usan sin una calibración posterior a la construcción de ellos, con una seguridad de cerca de los 5ºC. Para trabajos de baja temperatura es posible construir un termopar torciendo juntos los extremos limpios de dos alambres y soldándolos con soldadura de plata, aunque para trabajos de precisión a estas temperaturas, y para todo trabajo a temperaturas más elevadas, es necesario soldar los alambres entre sí. Los alambres se puedes soldar fácilmente con la llama de un quemador de oxígeno-gas. Generalmente se trenzan antes y luego se sueldan. No se debe utilizar fundente con los pares de metales nobles. Después de soldar, debe limpiarse cuidadosamente la unión del solvente para que este no evite la formación de la capa de oxido protectora y no se produzcan fallas. Comúnmente se terminan los termopares con un aislamiento de los alambres, el cual puede ser con cuentas de porcelana o tubos cerámicos finos. Calibración: puede llevarse a cabo de dos formas diferentes: calibración primaria a temperaturas fijas bien conocidas o calibración secundaria mediante la comparación con un termopar patrón. Antes de calibrar los pares de metales nobles se deben “recoger” cerca de los 1500ºC (sin sobrepasar la temperatura) para eliminar o destilar impurezas que pudieron ser recogidas por el par.

Calibración Primaria: Las temperaturas comprendidas entre los 660 y los 1063 ºC de la escala internacional de temperaturas se definen mediante un par de platino y platino con 10% de rodio, cuya unión fría se mantiene a 0ºC. En el intervalo citado, la relación verdadera entre la f.e.m. y la temperatura está dada por la ecuación

e = a + bt + ct 2

Donde e = f.e.m. en milivoltios. t = temperatura de la unión caliente, en grados centígrados. a, b y c = Constantes del termopar. Las constantes a, b y c se determinan resolviendo las tres ecuaciones simultáneas que resultan de la medida de las fuerzas electromotrices engendradas por el par en los puntos de solidificación de oro, plata y antimonio. Empleando la ecuación

anterior se puede encontrar la temperatura verdadera de la escala internacional a partir de la fuerza electromotriz medida. Otros termopares se pueden calibrar midiendo sus fuerzas electromotrices en los puntos de solidificación de diferentes metales (o no metales) cuyas temperaturas de solidificación se conozcan exactamente. Si se necesita una calibración más exacta, será necesario emplear un número suficiente de puntos fijos que cubran su intervalo normal de trabajo, de modo que sea fácil realizar interpolaciones.

Calibración secundaria: Para evitar las dificultades inherentes a los métodos descritos de calibración primaria y el elevado número de determinaciones muchas veces requerido, se puede realizar, con suficiente exactitud para muchos empleos, la calibración secundaria por comparación: 1ª con un termopar patrón de platinoplatino 10% de rodio, calibrado sobre puntos fijos; 2ª, con un termopar de la misma naturaleza que el que se estudia, calibrado primariamente; 3ª, con un instrumento primario proyectado para definir la escala de temperatura en el intervalo que se explora. El termopar patrón de platino-platino, 10% rodio, aunque solo define las temperaturas comprendidas entre los 660 y los 1063 ºC, se emplea con frecuencia por encima y por debajo de esas temperaturas. El éxito de una calibración por comparación reside en la habilidad con que el operador consiga que la unión caliente del termopar estudiado adquiera la misma temperatura que la del elemento activo del instrumento patrón. Los métodos por los que se logra esta igualdad dependen del tipo de termopar, tipo de patrón y forma de calentamiento. En las siguientes figuras se pueden ver un diagrama del funcionamiento de un termopar, un termopar tipo K que producirá 12,2mV a 300ºC y otra modalidad de termopar electrónico.

2.- Importancia, en el tratamiento térmico, de los diagramas TTT, ITT y CTT. Concepto de velocidad crítica de enfriamiento. Dentro de los diagramas TTT (Transformación-Temperatura-Tiempo) están los isotérmicos (ITT) y los de enfriamiento continuo (CCT). Estos diagramas sirven para predecirla templabilidad de los aceros. Se podría decir que los diagramas de transformación isotérmica y enfriamiento continuo son, en cierto aspecto, diagramas de fases que se les ha añadido el parámetro tiempo. Se obtienen experimentalmente para una aleación de composición específica y las variables son la temperatura y tiempo. Estos diagramas permiten predecir la microestructura después de permanecer un periodo de tiempo a temperatura constante y de enfriamiento continuo, respectivamente. Dentro de la transformación isotérmica (ITT):  Con bajos sobreenfriamientos existe baja nucleación y alto crecimiento, por lo tanto, resulta una microestructura gruesa.  Con altos sobreenfriamientos existe alta nucleación y bajo crecimiento, por lo tanto, resulta una microestructura fina.  Si el sobreenfriamiento es muy alto se alcanza la temperatura Ms (formación de martensita)

Transformación isotérmica a 700ºC de la Austenita.

En el dibujo anterior se puede observar la variación de la microestructura en función del tiempo. En la siguiente figura se puede ver un diagrama de transformación isotérmica de un acero de composición eutectoide. En la parte superior de “la nariz” se produce Perlita, en la parte inferior Bainita, y bajo la Ms se produce Martensita. La Ms depende de la composición de la Austenita.

Esta figura muestra la obtención del diagrama de transformación isotérmica a partir del porcentaje de transformación en función del tiempo de experimentación.

En los diagramas ITT para aceros aleados pueden aparecer hasta dos “narices”, en estos casos, la “nariz” de mayor temperatura corresponde a la formación de Perlita y la de menor temperatura a la de Bainita. Al aumentar el porcentaje de Carbono y de elementos aleantes, el diagrama ITT se desplaza a tiempos mayores (hacia la derecha). Esto se puede ver en las siguientes figuras:

Los elementos aleantes y el porcentaje de carbono disueltos en la austenita hacen que la temperatura Ms disminuya y favorecen la presencia de austenita retenida a temperatura ambiente. Esto ocurre por ejemplo en aceros rápidos de herramientas, aceros hadfield y aceros inoxidables austeníticos.

En las figuras anteriores se puede observar curvas de enfriamiento sobreimpresas enzima de un diagrama de transformación por enfriamiento continuo de un acero aleado en el primer caso y eutectoide en el segundo, mostrando la influencia que la velocidad de enfriamiento ejerce en la microestructura que aparece durante el enfriamiento. Además de esto, podemos observar la velocidad crítica de enfriamiento para cada caso. La velocidad crítica de enfriamiento se define como la velocidad de temple mínima para formar una estructura totalmente martensítica. En la siguiente figura se observan curvas de enfriamiento para distintos tratamientos térmicos para un acero eutectoide, en ella se puede ver también la microestructura resultante de cada tratamiento térmico. Como se mencionó anteriormente, las curvas TTT sirven para predecir la microestructura que resultará de un determinado tratamiento térmico.

Curva de enfriamientos esquemáticos para distintos tratamientos térmicos, en un acero eutectoide.

3.- Medios de enfriamiento. Describir el proceso de enfriamiento de un metal en un medio refrigerante líquido, etapas de enfriamiento. Concepto de “severidad de temple”, factores que intervienen, valores característicos. El medio de enfriamiento junto con el tamaño y forma de la pieza so los factores que deciden la velocidad de enfriamiento de las piezas de acero en los tratamientos térmicos. Con el enfriamiento en agua salada muy agitada, se consiguen las mayores velocidades, y enfriando la pieza dentro del horno, se obtienen las menores. Con enfriamientos en aceite, al aire, en sales, etc., se consiguen velocidades intermedias, pudiendo elegirse entre todos ellos el medio que mejor cumpla las condiciones de enfriamiento deseadas en cada caso. En la siguiente tabla se dan las velocidades de enfriamiento que se consiguen en el centro de los redondos de 25, 50 y 75 mm enfriados en diferentes medios.

En la siguiente tabla se da una idea de la influencia los diversos medios que se emplean para el temple de los aceros.

Para conocer la influencia de los medios de enfriamiento en el temple, es interesante estudiar las etapas que se presentan en el proceso. Pilling y Lynch al determinar las curvas de enfriamiento del acero en diferentes medios refrigerantes, estudiaron las variaciones de los poderes de enfriamiento de los líquidos en los procesos de temple en función de la temperatura del acero.

En la figura anterior, se pueden observar 3 fases señaladas:

-Primera etapa: Cuando el acero es introducido en el líquido, su temperatura es muy alta, se forma una capa de vapor que rodea el metal y el enfriamiento se hace por conducción y radiación a través de la capa gaseosa. El enfriamiento en el comienzo de esta fase es relativamente lento, influyendo en ello principalmente la temperatura de ebullición del líquido y la conductividad del vapor. -Segunda etapa: Cuando baja la temperatura de la superficie del metal, la película de vapor va despareciendo. Sin embargo, el líquido hierve todavía alrededor de las piezas y se forman muchas burbujas que rodean el acero. Estas burbujas son transportadas principalmente por corrientes de convección. El vapor se va separando de la superficie de la pieza y va siendo reemplazado por líquido. Esta es la etapa de enfriamiento más rápido y es llamada enfriamiento por transporte de vapor.

-Tercera etapa: Esta etapa se presenta generalmente por debajo de 300º. El enfriamiento lo hace el líquido por conducción y convección, cuando la diferencia de temperatura, entre la superficie y el medio refrigerante es ya pequeña. Esta etapa se llama de enfriamiento por líquido y es más lenta que las anteriores, dependiendo su importancia de la conductibilidad térmica del líquido y de su agitación. En resumen, las diferentes etapas se realizan de las siguientes formas: • 1ª etapa. Conducción y radiación a través de la capa gaseosa. • 2ª etapa. Transporte de vapor • 3ª etapa. Conducción y convección del líquido.

Severidad de temple: Es el valor dado por Grossmann al poder refrigerante de los distintos medios de enfriamiento, dándoles valores numéricos comprendidos entre 0,02 para el aire tranquilo, hasta 12 para el agua en movimiento muy violento, tomando como unidad el coeficiente correspondiente al agua tranquila. La severidad del temple depende como se puede ver en las tablas, de la agitación y medio de enfriamiento, es decir, de la clase de enfriamiento que se de a la pieza.

Tipo de agitación del medio

Aire

Aceite

Agua

Salmuera

Sin

0,02

0,25-0,30

0,9-1,0

2

Suave

0,30-0,35

1,0-1,1

2 – 2,2

Moderada

0,35-0,40

1,2-1,3

Buena

0,4 – 0,5

1,4-1,5

0,5 – 0,8

1,6-2,0

0,8 – 1,1

4

Fuerte Violenta

0,05

5

4.- ¿Como se define la templabilidad de un acero? Conceptos de diámetro crítico Dc y diámetro ideal Di. La capacidad de una cero aleado para transformarse en martensita durante un determinado temple depende de la composición química y está relacionada con la templabilidad. Todos los aceros aleados tienen una relación específica entre las propiedades mecánicas y la velocidad de enfriamiento. “templabilidad” es un término utilizado para describir la aptitud de una aleación para endurecerse por formación de martensita como consecuencia de un tratamiento térmico. Templabilidad no es dureza, que significa resistencia a la penetración, aunque se utilizan medida de dureza para determinar la extensión de la transformación martensítica en el interior de una probeta. Un acero aleado de alta templabilidad es aquel que endurece, o forma martensita, no sólo en la superficie sino también en su interior, es decir, la templabilidad es una medida de la profundidad a la cual una aleación específica puede endurecerse. En resumen, La templabilidad de un acero es la propiedad que determina la profundidad y distribución de la dureza producida por temple, es decir, es la facilidad para formar martensita dificultando la aparición de productos de transformación y depende de: 1. La composición química del acero 2. Del tamaño del grano austenítico 3. De la estructura del acero antes del temple La templabilidad se determina usualmente por dos métodos: 1. Método Grossmann o del Diámetro Crítico ideal 2. Método Jominy Método de Grossmann o del Diámetro Crítico Ideal

Para aplicar este método se deben templar barras de acero de diferentes diámetros entre 0,5 y 2,5 in, en un cierto medio de temple, luego se examinan metalográficamente cortes transversales de éstas y la barra que contiene 50% de martensita en el centro define el diámetro crítico real, Dc.

Por lo tanto Dc es el diámetro (expresado en pulgadas) del mayor redondo, en el que después del temple en ese medio de enfriamiento se consigue en el corazón una estructura 50% de martensita. Esto quiere decir, que un acero tiene para cada medio de enfriamiento un diámetro crítico fijo. Dc depende ciertamente del poder de extracción de calor del medio de temple, por esta razón, se define como temple ideal aquel en el cual la temperatura de la superficie de la barra se enfría instantáneamente a la temperatura del medio refrigerante, así se determina un diámetro crítico ideal, Di (expresado también en pulgadas). La severidad del refrigerante se caracteriza por un coeficiente H (severidad del temple), el cual en el caso del temple ideal es infinito. Por otra parte, mientras mayor sea DI, mayor será la templabilidad.

Grafico que relaciona los diámetros críticos, la severidad del temple y los diámetros críticos ideales de los aceros.

5.- Describa los ensayos de “Jominy” y de “redondos” utilizados para estudiar el comportamiento de los aceros en el temple, es decir, su templabilidad.

Templabilidad Determinada por el Método Jominy: El método Jominy para la medición de la templabilidad es hoy uno de los más empleados por la facilidad de su ejecución y regularidad de resultados. Consiste en templar una probeta estandarizada, (1" de diámetro y 4" de largo), del acero en cuestión, previamente calentado a la temperatura de austenitización, enfriándola mediante un chorro de agua, también estandarizado, que sólo enfría su base inferior. Esta cara actúa como superficie templante que enfría la probeta longitudinalmente hacia su extremo superior sólo por conducción, obteniéndose así una gradación de velocidades de enfriamiento desde la máxima, en el extremo templado, a la mínima en el opuesto.

Una vez que la probeta está completamente fría, se rebaja con una fresa por ambos costados y se mide su dureza Rockwell C a lo largo de ella. El gráfico que se obtiene se muestra la siguiente figura, para un acero 1050.

La zona de la probeta que recibe directamente el chorro se enfría más rápido y se endurece más, al alejarse del extremo enfriado la dureza baja correlativamente con una disminución de la velocidad de enfriamiento.

La dureza en el extremo templado varía con el contenido de carbono en la aleación es por esto, que en la primera figura todas tienen igual dureza, pues todas las probetas tienen 0,4 % de carbono. Sin embargo la profundidad de la dureza del temple es mayor con elementos aleantes. En la segunda se comprueba esto, y vemos que a mayor porcentaje de carbono es mayor la dureza del extremo templado.

En sayo de redondos:  Se comienza preparando por forja o laminación una serie de barras de diferentes diámetros.  Después de ligeros torneados se dejan a medidas escalonadas (25, 50, 75, 100 mm) de diámetro.  Se templan los redondos, se cortan y se determina la dureza en su sección transversal. En las figuras siguientes se pueden ver gráficos de dureza versus diámetro de los redondos en distintos medios. Dependiendo de la templabilidad del acero y del medio refrigerante, se obtendrán distintas curvas “U” donde se podrá ver la penetración del temple. Los elementos aleantes aumentan la templabilidad y por consiguiente la penetración del temple, esto se podría ver en este tipo de ensayo al comprobar, que por ejemplo, 2 probetas una con elementos aleantes y la otra no, de igual diámetro, enfriadas en el mismo medio, podrían tener distintas curvas “U” debido a los elementos aleantes de una. También podemos notar con este ensayo, que a menor diámetro del redondo, la penetración del temple es mayor.

Temple en agua

Temple en aceite

SAE-1045

SAE-6140

La penetración del temple se puede ver, midiendo las durezas en la sección transversal o atacando la probeta. En el último caso, la parte clara de la figura esta templada y la oscura no (esto al ser atacadas las probetas con Nital 5. esto se ve en la siguiente figura:

6.- Influencia del tamaño de grano, contenido de carbono y de los elementos de aleación, sobre la templabilidad de los aceros. Cuantificación de la templabilidad, factores multiplicadores, ejemplo de cálculo. Como ya se mencionó, la templabilidad se ve afectada por:

•

El tamaño de grano de la austenita Un grano muy fino tiene mucha área de borde de grano que facilita la nucleación de ferrita y perlita, disminuyendo la templabilidad del acero. Por otra parte, un grano grande de austenita no es deseable por que reduce la ductilidad final del acero y aumenta la tendencia al agrietamiento en el temple, así pues, no es buena práctica hacer crecer el grano de la austenita.

•

El aumento del contenido de carbono Un incremento del contenido de C en un acero aumenta fuertemente su dureza y su templabilidad. Sin embargo, un alto % de C no siempre es deseable, por eso, una alternativa para aumentar la dureza de un acero de bajo C es añadir elementos de aleación. La relación entre el %C, el tamaño del grano de la austenita y el Di, se muestra en la figura anterior

•

Elementos de aleación Ninguno de los factores anteriores se usa específicamente para aumentar la templabilidad, esto se logra principalmente mediante la adición de elementos de aleación al acero, exceptuando al Cobalto, Co.

Como ya se dijo, DI depende del % de C, del tamaño de grano de la austenita y del % de elemento de aleación, i.e.: DI = DI (%C, Nº grano ASTM austenita) * f1 * f2 *... * fn Donde: f = función del % del elemento de aleación i = 1, ..., n son los diferentes elementos de aleación Así, por ejemplo, para los aceros:  1040: 0,4% C y 0,6% Mn  4140: 0,4% C, 1,04% Mn,, 0,3% Si, 1,13% Cr, 0,15% Mo  Ambos con Nº ASTM austenita = 8 De la primera figura se tiene: DI (1040) = 0,2 in y DI (4140) = 0,2 in, dado que ambos tienen el mismo % de C y tamaño de grano de austenita. Conjuntamente, de la figura para calcular el factor de multiplicación según el elemento aleande que esta presente, se obtienen los factores de multiplicación de los distintos elementos.

Para Acero 1040

Para Acero 4140

fMn = 3

fMn = 4,4

fSi = 1,15

fCr = 3,4

fMo = 1,6

Reemplazando tenemos que: Para acero 1040: DI = 0,2(in) * 3 = 0,6 (in) → es un acero poco templable. Para acero 4140: DI = 0,2(in) * 4,4 * 1,15 * 3,4 * 1,6 = 5,5 (in) → es un acero muy templable.

BIBLIOGRAFÍA  Apraiz, “Tratamientos Térmicos de los Aceros”  Reed-Hill, “Physical Metallurgy Principles”  Seybolt y Burke, “Técnicas de Metalurgia Experimental”  Grossmann and Bain, “Principles of Heat treatment”  G.L Kehl, “Fundamentos de la Práctica Metalográfica”