Preinforme 2 Recuperado

Universidad Técnica Federico Santa María Departamento de Electricidad

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

“Pre-Informe Nº 2”

Marianela Baeza Delgado

Profesor: Sr. Juan Basualto K.

1.- Influencia de la composición, tamaño de grano, dimensiones de las piezas y medio de enfriamiento en el temple de los aceros. Microestructuras y propiedades mecánicas características obtenidas por temple de los aceros. a) Influencia de la composición: Al conocer la curva “S” de enfriamiento continuo de un acero, se puede determinar su velocidad crítica de temple, ya que es precisamente la correspondiente a la línea de enfriamiento tangente a la nariz e la curva “S”. Cuando ésta curva presenta más de un bucle o nariz, la velocidad crítica de temple queda determinada por la curva tangente, de enfriamiento más rápido. Esto se puede ver en la figura 1 e y f. En la figura 1 se refleja claramente la influencia que tiene la composición y el porcentaje de elementos de aleación sobre la velocidad crítica de temple. Allí se muestra que las curvas “S” se desplazan hacia la derecha al aumentar el porcentaje de manganeso y cromo y, por lo tanto, las velocidades críticas de temple disminuyen al aumentar el contenido de elementos de aleación. Dentro de los elementos aleantes que actúan con mayor intensidad está el manganeso y el molibdeno, luego de estos, el Cromo, Silicio y Níquel (Lo que se corrobora en las figuras 2 y 3).

Figura 1. Curvas S de tres aceros de 0,60% C y contenidos variables de manganeso, y de tres aceros de 0,37% C y contenidos variables de cromo

Figura 2 Influencia de los elementos de aleación en la templabilidad de los aceros

figura 3 Influencia de los elementos de aleación en el aumento de dureza de la ferrita de los aceros de bajo C

b) Influencia del tamaño de grano: El tamaño de grano modifica la situación y forma de la curva “S”, modificándose, por lo tanto, la velocidad crítica de temple. En aceros de igual composición, las velocidades críticas de temple de los aceros de grano grueso son menores que las velocidades críticas de temple de los aceros de grano fino. En la figura 4 y 5 se observan las curvas “S” de 2 aceros de igual composición y diferente tamaño de grano, en donde se puede ver la diferencia en la velocidad crítica del temple. En la figura 6 se observa la influencia del tamaño de grano en un acero 0,63% de carbono, la diferencia de tamaño de grano, en este último caso, se obtuvo al calentar las muestras a temperaturas variables. Las curvas “S” correspondientes a cada muestra, también son distintas y, como consecuencia, también lo serán las velocidades críticas de temple de cada uno de ellos.

Figura 4

Figura 5

Figura 6. Curvas S correspondientes a la transformación de 50% de austenita, de un acero 0,63% C.

c) Influencia del tamaño de las piezas: El volumen y espesor de las piezas tiene gran importancia en el temple de los aceros. Si estudiamos el enfriamiento en agua de un cilindro que ha sido calentado a alta temperatura, fácilmente se comprende que la capa exterior del acero, que está en contacto con el líquido, es la que se enfría primero y más rápidamente. La capa siguiente se enfría con menor rapidez pues el calor no se transmite directamente al líquido sino que debe atravesar primero la capa superficial del acero, y esta capa tiene una conductibilidad bastante limitada. Una tercera capa del acero, situada más al centro de la pieza, se enfría aún más lentamente, pues cuanto más al interior se encuentra, más difícil en la transmisión de calor, se hace cada vez con más dificultad, ya que tiene que atravesar mayor capa de metal. Se comprende fácilmente también, que las velocidades de enfriamiento en el interior de los perfiles delgados serán mucho mayores que en los gruesos, y que las velocidades en la superficie y en el interior de los redondos de acero de diversos diámetros variarán mucho de un caso a otro. La influencia de la masa en la velocidad de enfriamiento se puede ver en las tablas 1 y 2. En la figura 7 se señalan las velocidades de enfriamiento en diferentes puntos de la sección de un redondo de 100 mm templado en agua ligeramente agitada. Por todo esto podemos comprender por qué en algunos casos las capas superficiales de algunas piezas se endurecen perfectamente y su interior, por enfriarse a velocidades menores, no se templa.

Tabla 1

Tabla 2

Figura 7

d) Influencia del medio de enfriamiento El medio de enfriamiento junto con el tamaño y forma de la pieza son 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 figura 8, se puede ver las velocidades instantáneas que se obtienen en el centro de redondos de diversos diámetros templados en agua y aceite muy agitados. En esta última figura se observa que desde el comienzo del proceso va aumentando la velocidad de enfriamiento hasta la zona 730º-680º aproximadamente, donde alcanza un máximo, disminuyendo luego progresivamente hasta la temperatura del baño, existiendo una zona entre 600º y 800º en la que las variaciones de las velocidades son relativamente muy pequeñas.

Figura 8

En la tabla 3 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.

Tabla 3

En la tabla 4 se da una idea de la influencia los diversos medios que se emplean para el temple de los aceros.

Tabla 4

El constituyente de los aceros templados es martensita, está conformado por una solución sólida sobresaturada de carbono o carburo de hierro en ferrita y se obtiene por enfriamiento rápido de los aceros desde su estado austenítico a altas temperaturas. El contenido de carbono suele variar desde muy poco carbono hasta el 1% de carbono, Martensita sus propiedades físicas varían con su contenido en carbono hasta un máximo de 0.7 %C. Su estructura cristalina es BCT (tetragonal centrada en el cuerpo), pues al enfriar rápidamente un acero desde altas temperaturas (templado), los átomos de carbono quedan atrapados en los intersticios pues no alcanza a ocurrir la transformación de microestructura de la martensita. La martensita tiene una dureza de 50 a 68 Rockwell C, resistencia a la tracción de 170 a 250 kg/mm2 y un alargamiento del 0.5 al 2.5 %, magnética, muy frágil y presenta un aspecto acicular formando grupos en zigzag con ángulos de 60 grados. Los aceros templados suelen quedar demasiado duros y frágiles, inconveniente que se corrige por medio del revenido que consiste en calentar el acero a una temperatura inferior a la crítica inferior (727° C), dependiendo de la dureza que se desee obtener, enfriándolo luego al aire o en cualquier medio.

2.- Revenido, etapas características. Cambios microestructurales y de propiedades mecánicas que experimenta un acero templado durante el revenido. El revenido es un tratamiento térmico que sigue obligatoriamente a todo temple. Su objetivo es modificar y no eliminar los efectos del temple.

Modificación de los constituyentes microscópicos: Como se sabe, la estructura típica del temple es la martensita, de gran dureza pero baja ductilidad y tenacidad; su red está tensionada por el hecho de estar sobresaturada en carbono, por ello tenderá con el tiempo a una forma de mayor estabilidad. El proceso de mayor estabilidad de la martensita puede acelerarse aplicando calor. Las variaciones de características que sufren los aceros por efecto del revenido son debidas a cambios de microestructuras que consisten principalmente en la descomposición de la martensita que se transforma en otros constituyentes más estables. Las etapas del revenido son las siguientes:

Primera etapa: Se extiende desde la temperatura ambiente hasta 250-300 ºC; la martensita sobresaturada en carbono empieza a expulsarlo, el cual forma con la

ferrita un carburo intermedio

ε de composición

Fe2, 4 C . Este carburo precipita en

los contornos de las agujas de martensita. A medida que aumenta la precipitación, la martensita se empobrece en carbono hasta que al llegar a 0,20 - 0,25 %C se produce la transformación de tetragonal a cúbica prosiguiendo la precipitación de carburo ε a medida que aumenta la temperatura hasta que los cristales queden con una concentración de C apta para el equilibrio del cristal.

Segunda etapa: Se produce entre 230 – 300 ºC donde comienza la transformación de la austenita residual o retenida a bainita. Tercera etapa: Se extiende entre 260 – 360 ºC; Está solapada por la segunda etapa; en ella los carburos ε se transforman poco a poco en cementita, la cual precipita tanto en el exterior como en el interior de las agujas de martensita. A medida que prosigue el calentamiento, se va disolviendo el carburo precipitado en el interior de las agujas pasando a engrosar la capa o deposición de Fe3C en el exterior de las agujas de martensita hasta su total desaparición del interior. Al proseguir el calentamiento se produce la coalescencia de la cementita que ha precipitado formándose núcleos más grandes, empobreciéndose en carbono las agujas de martensita hasta quedar con la concentración de la ferrita a dicha temperatura. Los núcleos de cementita comienzan luego a globulizarse y los cristales de ferrita que poseían la forma de las agujas heredadas de la martensita tienden a hacerse equiaxiales. Cuarta etapa: Existe solamente en el caso de aceros de lata aleación, donde ciertos elementos tienden a formar carburos o a difundir en la cementita para formar carburos mixtos con el Fe, a una temperatura que depende desde luego de la naturaleza y el contenido del elemento considerado. De esto resulta un endurecimiento que a partir de una cierta temperatura de revenido, hace aumentar la dureza notablemente. Se habla entonces de un endurecimiento secundario. Estas etapas se pueden ver en la figura 9.

Figura 9

Cambios en las propiedades mecánicas: Como se dijo antes, el acero en la forma templada es muy resistente, pero poco dúctil y tenaz. Si el acero templado se vuelve a calentar a diferentes temperaturas comprendidas entre la temperatura ambiente y 700º C, y después se enfría la aire, la resistencia a la tracción disminuye progresivamente a medida que se eleva la temperatura del revenido y al mismo tiempo aumenta la ductilidad y la tenacidad. La resistencia al choque o resiliencia, que es generalmente muy baja cuando el revenido se hace a temperaturas menores a 450º, aumenta en cambio notablemente cuando el revenido se hace a temperaturas más elevadas. En la figura 10 se pueden ver la variaciones que experimentan las propiedades mecánicas en los aceros al carbono de 0,25 a 0,65% de C en función de la temperatura de revenido. Donde R: Resistencia, A: Alargamiento y P: Resiliencia.

Figura 10

La pérdida de dureza que experimentan con el revenido los aceros al carbono de herramientas de 0,70 a 1,30% C templados, se puede ver en la figura 11. En algunos aceros especiales de lata aleación, después del temple puede quedar algo de austenita retenida y en ellos se presenta un fenómeno de aumento de dureza en el revenido, cuando este se hace en la zona entre 350º y 550º. En donde la austenita residual de baja dureza se transforma en otros constituyentes, apreciándose por ese motivo un sensible aumento de dureza.

Figura 11. Influencia de la temperatura de revenido en la dureza de los aceros al carbono de herramientas, templados.

3.- Importancia práctica del revenido, factores que intervienen. Parámetros, o relación de estos factores (Jaffe-Hollomon), que permiten predecir el comportamiento frente al revenido. Importancia práctica del Revenido: Los aceros después del temple suelen quedar generalmente demasiado duros y frágiles para los usos a que serán destinados. Estos inconvenientes se corrigen por medio del revenido, que es un tratamiento que consiste en calentar el acero a una temperatura más baja que su temperatura crítica inferior AC1 , enfriándolo luego generalmente al aire o en agua o aceite, según sea la composición. El objetivo de este tratamiento térmico, como se mencionó anteriormente, no es eliminar los efectos del temple, sino modificarlos, disminuyendo la dureza y resistencia, aumentando la tenacidad y eliminando también las tensiones internas que tienen siempre los aceros templados. Es por esto que es indispensable el revenido después de todo temple. En el Revenido afectan diversos factores como por ejemplo, el estado inicial de la pieza, el tamaño de la pieza (a mayor tamaño de la pieza mayor efecto nivelador), temperatura (a medida que aumenta la temperatura, disminuye HB y a mayor temperatura disminuye el tiempo de permanencia), duración del tratamiento y los elementos aleantes los cuales en el acero modifican las curvas de revenido de la martensita. En la figura 12 se muestra dos tipos de comportamiento del revenido en aceros con elementos aleantes.

Figura 12. Efecto de elementos aleantes en el revenido de aceros. (a) Efecto del contenido de Silicio (b) Endurecimiento secundario producido por Mo (similarmente W)

En general todos los elementos aleantes retardan el ablandamiento durante el revenido, en relación a aceros al carbono; es decir, a igual temperatura de revenido la dureza posterior al revenido de aceros aleados es mayor que la obtenida en igual tratamiento sobre una martensita de aceros al carbono. Un comportamiento distinto se observa en aceros aleados con W o Mo, en los que se produce una precipitación de carburos tipo M2C semicoherente que produce un endurecimiento secundario a una temperatura típica de 550º C.

Predicción de la dureza de revenido: Trabajos desarrollados en relación al revenido de aceros al carbono y baja aleación hacen posible predecir la dureza alcanzada luego de revenir cualquier acero aleado en estado martensítico. Los resultados experimentales han sido ordenados de tal forma que primero es necesario obtener la dureza base de acuerdo al contenido de carbono del acero a temperatura de revenido seleccionado. La figura 13 indica la dureza base de acuerdo al contenido de carbono del acero y temperatura de revenido. El efecto de los elementos aleantes, tal como se mencionó, es retardar el ablandamiento durante el revenido. Es decir, a igual temperatura de revenido la dureza no decae tanto con la presencia de elementos aleantes. Expresado en esta metodología, la dureza base se aumentará. Las figura 14 permite obtener la contribución de los elementos aleantes considerados a la dureza del acero a la temperatura de revenido establecida. Por razones de espacio, solo se puso en este informe algunos casos. De esta forma la dureza estimada después de revenir por una hora a 1000º F (538º C) un acero AISI 8650 será:

HVestimado = HVbase + ∆HV ( Mn = 0,77 ) + ∆HV ( P = 0,010 ) + ∆HV ( Cr = 0,51) + ∆HV ( Si = 0,22 ) + ∆HV ( Ni = 0,60 ) + ∆HV ( Mo = 0,20) HVestimado = 210 + 43 + 3 + 35 + 18 + 4 + 45 = 358

Figura 13. Dureza base de la martensita revenida en aleaciones Fe-C (Tiempo de revenido 1 hora)

El tiempo y la temperatura son dos de los parámetros más críticos del revenido. Existen varios métodos para determinar la relación tiempo-temperatura, como la ecuación de Hollomon-Jaffe y la correlación de Grange-Baughman, por mencionar algunos.

Actualmente se acostumbre a representar el revenido de los aceros en función del parámetro Jaffe-Hollomon o parámetro de revenido. Es decir, la dureza H representada como una función del parámetro T(C+logt), en donde C es una constante:

El concepto que está implícito en esta relación es el hecho que la dureza será la misma para igual valor de revenido T(C+logt). Es decir, dos combinaciones (T, t) de revenido que originen el mismo valor del parámetro tendrán como resultado igual dureza final del acero. La figura 15 puede usarse para convertir una combinación temperatura-tiempo de revenido a cualquier otra, para aceros de baja aleación. De esta forma, a modo de ejemplo, 59 horas de revenido a 260º C equivalen a 2 minutos a 370º C o a 1 hora a 316º C.

Figura 15. Relación entre el parámetro de revenido y combinaciones de T-t

4.- Aceros de “elevada resistencia al revenido”. Características generales, factores involucrados, utilización. Aceros de elevada resistencia al revenido: Dentro de esta calificación están los aceros que presentan endurecimiento secundario, por lo tanto se podría decir que “se resisten” al ablandamiento por revenido. Los aceros que pertenecen a este grupo son principalmente los aceros de herramientas y particularmente los aceros de corte rápido o “aceros rápidos” (high speed steels) Endurecimiento secundario: Cuando se añaden elementos de aleación a los aceros, estos pueden entrar en la ferrita o en los carburos en cantidades variables dependiendo del elemento de aleación en cuestión. Algunos elementos, sin embargo, no se encuentran en los carburos. Estos incluyen aluminio, cobre, silicio, fósforo, níquel y circonio. Figura 16 Otros elementos se encuentran tanto en la ferrita como en los carburos. Cierto número de elementos en orden a su tendencia a formar carburos son (de menor a mayor): Manganeso, cromo, tungsteno, molibdeno, vanadio y titanio. La mayoría de los elementos de aleación tienden a aumentar la resistencia del acero al ablandamiento cuando se le calienta, lo cual significa que para un tiempo y temperatura de revenido dados, un acero de aleación poseerá una dureza mayor después del revenido que un acero al carbono simple del mismo contenido en carbono. Este efecto es principalmente apreciable en los aceros que tienen cantidades apreciables de elementos formadores de carburos. Al revenir estos últimos a temperaturas bajo 538º C, las reacciones del revenido tienden a formar partículas de cementita basadas en Fe S C , en general los elementos de aleación están en las partículas cementita casi en la misma relación en que están en el acero como un todo, pero cuando la temperatura de revenido excede los 538º C se precipitan cantidades apreciables de carburos de aleación. Estos nuevos carburos inducen una nueva forma de endurecimiento que se cree es debida a coherencia. En la figura 16 se muestra una comparación esquemática de las curvas de revenido de un acero de carbono simple y otro con grandes cantidades de elementos formadores de carburos. El que estos carburos no se formen a temperaturas de revenido más bajas tiene relación con que a esas temperaturas la difusión es menor. El empleo de estos elementos formadores de carburos para producir aceros con elevada resistencia al revenido se ilustra mejor en los aceros de corte rápido como se mencionó anteriormente. Estos son aceros de herramientas cuyo propósito original fue para usarlos en herramientas en tornos y otras máquinas en donde el

borde cortante se pone muy caliente durante las operaciones de maquinado. Los aceros de este tipo retienen su dureza durante largos periodos de tiempo aún calentados al rojo. La composición designada 18-4-1 en una composición típica representativa de un acero de corte rápido, la cual contiene aproximadamente 18% de tungsteno, 4% de cromo, y 1% de vanadio, además de aproximadamente 0,65% de carbono.

5.- Fragilidad de revenido, en zonas comprendidas entre 250 y 400º C y “fragilidad Krupp”, entre 450 y 550º C, aproximadamente. Aceros en los cuales se produce, formas de detectarla (ensayos), formas de evitarla. Fragilidad de revenido en la zona 250º a 400º C: Cuando se efectúa el revenido de algunas clases de aceros en la zona de temperaturas comprendida entre 250º y 400º, aproximadamente se ha observado experimentalmente que a pesar de experimentar un ablandamiento, hay una ligera disminución de la tenacidad. Se ha comprobado que esa fragilidad se inicia en los comienzos de la tercera etapa del revenido, y se presenta precisamente cuando la cementita forma una red o película que envuelve las agujas de martensita. La fragilidad es máxima cuando mayor es la continuidad de esa red de cementita. En cambio, a temperaturas más elevadas, al producirse la coalescencia de la cementita, tiende a desaparecer esa red y a aumentar la tenacidad. También se ha observado que la presencia en los aceros de cantidades de silicio variables de 0,5 a 2% y de otros elementos de aleación, tiende a desplazar la zona de fragilidad a temperaturas mayores (350º a 500º) En la figura 17 se pueden ver las variaciones que experimenta la resistencia al choque con torsión de un acero de 1% de carbono, en función de la temperatura de revenido observándose un máximo y un mínimo muy marcados. En la figura 18 se observa que la temperatura del temple influye en la situación de estos puntos.

Figura 17

Figura 18

Fragilidad Krupp (entre 450º y 550º C): Este tipo de fragilidad se presenta en el revenido de aceros cromo-niqueles y en algunas otras clases de aceros y ocurre cuando después del temple, el acero permanece durante bastante tiempo en la zona de temperaturas comprendida entre 450º y 550º C. Por lo tanto cuando el revenido se hace a temperaturas superiores a 550º C la fragilidad se puede producir si el enfriamiento es muy lento. No se conoce bien las causas de esta fragilidad que no va acompañada de cambios de dureza, volumen o propiedades magnéticas que podrían ayudar a estudiar el fenómeno, ni se observan tampoco en el examen microscópico con pocos aumentos modificaciones de estructura, siendo en la actualidad el ensayo por choque, el único que acusa su existencia e importancia. En los casos donde se produce la fragilidad debido a enfriamientos lentos, el fenómeno se caracteriza por la diferencia que existe entre los valores de resiliencia que se obtienen cuando el enfriamiento se hace rápido y cuando el enfriamiento se hace lento.

Como evitar esta fragilidad: Cuando se emplean temperaturas de revenido superiores a 550º C, se puede evitar la fragilidad efectuando el enfriamiento muy rápidamente para evitar una permanencia prolongada del acero a esas temperaturas peligrosas. La adición de molibdeno en porcentajes de 0,15 a 0,50 % aproximadamente, es el remedio más eficaz para evitar esta fragilidad. La forma de detectar la fragilidad es con el coeficiente de susceptibilidad S:

s=

ρ Re siliencia con enfriamiento muy rápido = 1 Re siliencia con enfriamiento lento ρ2

Ensayo de Sensibilización para destacar el fenómeno de susceptibilidad: Este ensayo consta de emplear un tratamiento de sensibilización que consiste en mantener los aceros después del temple y revenido por 24 horas a 525º C que son las condiciones más desfavorables. Las resiliencias obtenidas sirven a veces para tener una idea del comportamiento del acero. También pueden servir para calcular el índice de susceptibilidad con las resiliencias en ese caso y las obtenidas cuando después del revenido las probetas se enfrían en agua. Ensayo de los aceros a baja temperatura después de someterlos a un ensayo de sensibilización: Este tratamiento de sensibilización sirve para destacar en los ensayos a baja temperatura el comportamiento de los aceros.

Bibliografía:  Apraiz, “Tratamientos Térmicos de los Aceros”  Reed-Hill, “Physical Metallurgy Principles”  Grossmann and Bain, “Principles of Heat treatment”  Walter Contreras Z., “Apunte de tratamientos térmicos de aleaciones ferrosas y no ferrosas”  Manuel cabrera, “Fundamento de los tratamientos térmicos”  Metallurgical transactions A, Volumen 8A, noviembre 1977