Tratamientos

Universidad Don Bosco

Alumnos René Antonio Gaitán Molina José Wilfredo Hernández Echegoyén David Eliseo Arévalo López

Carrera Técnico en Mantenimiento Aeronáutico

Titulo Tratamientos Térmicos

Maestro Joaquín Rivera

Materia Materiales y sus propiedades

Año 2009

1. Generalidades: Clasificación de los tratamientos térmicos. 1. GENERALIDADES En principio, los únicos tratamientos que se utilizaban eran los tratamientos térmicos, el objeto de estos era mejorar las propiedades mecánicas de los metales, obteniendo algunas veces mayor dureza y resistencia mecánica, y otra mayor plasticidad para facilitar su conformación. Por inducción se extendió más tarde la denominación de tratamientos a otros procesos, como la segmentación, cianuración etc. 1.1 DEFINICIÓN Los tratamientos térmicos son operaciones de calentamiento y enfriamiento a temperaturas y en condiciones determinadas a que se someten los aceros para conseguir las propiedades y características más adecuadas a su empleo o transformación. No modifican la composición química pero sí otros factores tales como los constituyentes estructurales y como consecuencia las propiedades mecánicas. 1.2 CARACTERÍSTICAS Una característica fundamental de los tratamientos térmicos es que estos son realizados al acero, y su meta principal es trabajarlo de manera óptima para lograr tener materia prima y productos terminados con el fin de lograr un desarrollo en determinadas industrias. 2. TIPOS DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS Los principales tratamiento térmicos aplacable en el acero son: •

Temple

•

Revenido

•

Recocido

•

Cementación

•

Nitruración

•

Carbo nitruración

Un tratamiento de temple seguido de un revenido, se denomina corrientemente bonificación.

DESARROLLO DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS Los tratamientos térmicos se desarrollan en tres fases: CALENTAMIENTO HASTA LA TEMPERATURA MÁXIMA. De cuanto queda expuesto que para el buen éxito del temple es necesario conocer la temperatura a la que, durante el enfriamiento se inicia la formación sartencita para escoger en base de ella el enfriamiento mas adecuado. Esta temperatura se representa generalmente por Ms y depende esencialmente de la composición del acero. En los aceros al carbono es inversamente proporcional al contenido del mismo. A titulo orientativo se puede considerar: •

Para aceros hipoeutectoides: C"0.10% Ms 500 ºC

•

Para aceros eutectoides: C=0.87% Ms 220ºC.

•

Para aceros hipereutectoide: C>0.87% Ms "150ºC

El fenómeno se puede explicar en líneas generales, considerando la cantidad de Fe3c contenida en la austerita, es decir la concentración de carbono en el hierro. PERMANENCIA A LA TEMPERATURA MAXIMA Para conseguir un buen temple es necesario calentar el acero y mantenerlo durante un cierto tiempo, a una temperatura tal que provoque la autenitización completa de la estructura. En consecuencia, la temperatura de calentamiento depende del contenido de carbono. •

Para los aceros hipoeutectoide, es superior al punto crítico Ac3.

•

Para los aceros hipoeutectoide, es superior al punto crítico AC1.

En general, esta temperatura la señala el proveedor, y normalmente de unos 40ºC a 50ºC por encima del punto critico. Una temperatura demasiado alta engrosa demasiado el grano austenitico, aumentando la fragilidad y las tensiones internas en la pieza templada.

En la siguiente tabla se indica, a titulo orientativo las temperaturas de austenitizacion de algunos aceros al carbono, Porcentaje de carbono: 0,4 - 0.5 - 0.8 - 1.2 Temperatura de austenitizacion respectivamente ºC: 850 - 820 780 - 770. ENFRIAMIENTO DESDE LA TEMPERATURA MAXIMA HASTA LA TEMPERATURA AMBIENTE. Los sistemas de enfriamiento utilizados para los tratamientos térmicos s eligen tomando en cuenta tres parámetros: Composición del metal a tratar dimensiones de la pieza y propiedades a obtener.

2. Fundamentos de los tratamientos térmicos. Los fundamentos de los tratamientos térmicos radican en las condiciones de equilibrio estable y metaestable, condiciones ubicadas en la microestructura y en los diagramas de equilibrio termodinámico de los metales y de las aleaciones. El estado de recocido es el correspondiente a una aleación que ha sido sometida a un calentamiento a determinada temperatura, con objeto de hacer desaparecer las tensiones en el material, mejorar su microestructura o destruir un tratamiento térmico anteriormente aplicado. La acritud es el estado correspondiente de una aleación que ha sido sometida a deformación plástica a temperatura inferior a la de recristalización. Los fundamentos de los tratamientos térmicos del acero se basan en el diagrama hierrocarbono.

La importancia de este diagrama radica en el gran tonelaje de acero producido (mundialmente se fabrican unos 500 millones de Tm y en España se fabrica casi un millón de Tm al mes) y al profundo conocimiento que actualmente se tiene de este diagrama, lo cual es fruto del largo período de tiempo en que la humanidad viene empleando esta aleación.

3. Temperatura crítica del diagrama hierro - carbono, análisis. La adición de elementos de aleación al hierro influye en las temperaturas a que se producen las transformaciones alotrópicas. Entre estos elementos, el más importante es el carbono. El diagrama hierro-carbono, aun cuando teóricamente representa unas condiciones metastables, se puede considerar que en condiciones de calentamiento y enfriamiento relativamente lentas representa cambios de equilibrio. En el diagrama aparecen tres líneas horizontales, las cuales indican reacciones isotérmicas. La parte del diagrama situada en el ángulo superior izquierdo de la figura se denomina región delta. En ella se reconocerá la horizontal correspondiente a la temperatura de 1493ºC como la típica línea de una reacción peritéctica.

La máxima solubilidad del carbono en el hierro delta (de red cúbica centrado en el cuerpo) es 0,10 % de C, mientras que el Fe gamma (de red cúbica centrado en las caras) disuelve al carbono en una proporción mucho mayor. En cuanto al valor industrial de esta región es muy pequeño ya que no se efectúa ningún tratamiento térmico en este intervalo de temperaturas. La siguiente línea horizontal corresponde a una temperatura de 1129ºC, esta temperatura es la de solidificación del eutéctico. La mezcla eutéctica, por lo general, no se ve al microscopio, ya que a la temperatura ambiente la fase gamma no es estable y experimenta otra transformación durante el enfriamiento. La última línea horizontal, se presenta a los 722ºC, esta línea corresponde a la temperatura de formación del eutectoide, y al alcanzarse en un enfriamiento lento la fase gamma debe desaparecer. 4. Capacidad de temple. El temple tiene por fin dar a un metal aquel punto de resistencia y de dureza que requiere para ciertos usos. Los constituyentes más duros y resistentes son las martensita y la cementita. Para lograr estos constituyentes, se sigue este proceso: Fase 1.ª El calentamiento se hace hasta alcanzar la austenización completa en los aceros de menos de 0.9% de C; y entre la A1 Acm para

los que pasan de 0.9% de C. En la figura aparece la zona adecuada de calentamiento, en función del C. Fase 2.ª El mantenimiento debe ser suficiente para alcanzar la homogeneización entre el núcleo y la periferia. Las piezas gruesas necesitarán más tiempo que las delgadas. Si la velocidad en la fase 1.ª fue grande, hay que alargar el tiempo de permanencia de la fase 2.ª Fase 3.ª La velocidad de enfriamiento debe ser tal, que no penetre la curva de enfriamiento en la S, hasta llegar a la temperatura Ms de la martensita. En la figura se muestra el gráfico del temple. El éxito del temple estriba en el conocimiento exacto de los puntos de transformación y del empleo del medio adecuado para lograr la velocidad suficiente de enfriamiento.

5. Tiempo de calentamiento y sostenimiento en los tratamientos térmicos. En los tratamientos térmicos de revenido para aceros inoxidables martensíticos grado CA6NM se busca obtener martensita revenida con un porcentaje de austenita retenida de hasta un 20% para conseguir las propiedades mecánicas y tribológicas del material que lo hacen adecuado para la fabricación de dispositivos hidráulicos. Sin embargo, estos presentan un desgaste considerable durante su servicio, razón por la cual es necesario repararlos por medio de soldadura y someterlos a tratamientos térmicos posteriores para obtener propiedades similares a las del material original. En este trabajo se muestra el efecto de tratamientos térmicos post soldadura sobre el acero y una caracterización de la microestructura de la ZAT antes y después de los tratamientos. Los

ensayos fueron realizados en probetas BOP a temperaturas de 600 ºC y 620 ºC con sostenimientos de 20, 40 y 60 minutos, sometidas a pruebas de microdureza y análisis metalográfico.

6. Medios Enfriantes y velocidad de enfriamientos. ELECCIÓN DEL MEDIO DE ENFRIAMIENTO El medio de enfriamiento más adecuado para templar un acero es el que consiga una velocidad de temple ligeramente superior a la crítica. No sólo no es necesario, sino que es perjudicial que la velocidad de temple sea excesivamente grande, pues se corre el peligro de que se produzcan grietas y tensiones debido al desigual enfriamiento de las piezas entre la superficie y el interior de ellas. Si el enfriamiento es lento, es más uniforme. Las velocidades críticas son bastante grandes en los aceros al carbono, llegando hasta 350° por segundo para los aceros de 0,50 por ciento de C, y 200° por segundo en aceros de 0,80 por ciento. En los aceros especiales, las velocidades son mucho más bajas, siendo en algunos inferiores a 35° por segundo. Los medios de enfriamiento más empleados son: Agua: Debe emplearse a temperatura máxima de 20°, pues con agua más caliente se prolonga mucho la primera etapa de enfriamiento y disminuye la velocidad de temple. Aceites: Antiguamente se empleaban aceites animales (de pescado) y vegetales (sobre todo, el de colza) . Pero en la actualidad se prefieren los aceites minerales, procedentes de la destilación del petróleo y, a ser posible, preparados especialmente para temple.

Los aceites minerales suelen tener las siguientes características: Viscosidad de 5 a 9 grados Engler, pudiendo subir hasta 2 y 4 grados Engler a la temperatura de 50º. Con el uso, la viscosidad aumenta, debiendo desecharse los aceites cuando llega la viscosidad a 20 grados Engler a la temperatura ambiente.

7. Temperatura critica del temple. Se define la temperatura límite de temple como la mínima que debe alcanzar un acero de una composición determinada, para que toda su masa pueda transformarse en cristales de austenita. Esta condición debe cumplirse rigurosamente en los aceros hipoeutectoides (de menos de 0.89% de carbono) para que el temple obtenido sea perfecto En los aceros hipereutectoides, teóricamente y de acuerdo con lo dicho, también debería exigirse que a la temperatura limite de temple toda la masa del acero quedase transformada en austenita. Prácticamente sin embargo, se obtiene tan buenas o mejores características del acero templado sin llegar a la austenización completa de la masa, o sea, rigurosamente hablando con un temple imperfecto.

Las velocidades críticas de temple varían, para los aceros al carbono, de 200º a 600º por segundo, según sea el porcentaje de carbono. 8. Revenido. Es un tratamiento posterior al temple y que tiene por objeto: 1.º Eliminar las tensiones del temple y homogeneizar el total de la masa: 2.º

transformar la martensita en estructuras parlíticas finas, menos duras pero más resilintes que la martensita. Fase 1.ª Se calienta siempre por debajo del punto crítico A1. La temperatura alcanzada es fundamental para lograr el resultado apetecido. Fase 2.ª En general, el mantenimiento no debe ser muy largo. Fase 3.ª Se enfría en aceite, agua o al aire; en algunos aceros esta fase es muy importante. 9. Recocido y normalizado. 9.Recocido Consiste en un tratamiento térmico con el cual los metales adquieran de nuevo la ductilidad o cualidades perdidas por otros tratamientos térmicos u operaciones mecánicas. Son varios los resultados que se pueden lograr y según ellos los procesos son distintos. 9.1 Recocido de regeneración Es el empleado para que un acero, que por distintas causas haya adquirido un grano muy grande, quede a grano normal y con pequeña dureza. 9.2 Recocido de ablandamiento Se emplea este recocido para ablandar aceros que ya sea por mecanizado, ya sea por forja o laminación han quedado duros y difíciles de mecanizar. Con él se logran durezas más pequeñas y una maquinabilidad más fácil. 9.3 Recocido contra acritud Se emplea este recocido para quitar acritud* a aceros pobres en carbono, cuando se han trabajado en frío, como sucede en el trefilado, estirado, embutido, etc. La acritud puede llegar a ser tal que resulte imposible continuar la operación que se realizaba sin peligro de rotura o de grietas. Es un recocido similar al de ablandamiento, pero a menor temperatura. * Acritud: La propiedad que adquieren ciertos metales al ser deformados en frío. Con la acritud se vuelven más frágiles y difíciles de deformar. 9.4 Recocido isotérmico

Se emplea este recocido principalmente para herramientas de acero de alta aleación. 1.º Se calienta y mantiene la herramienta por encima de la temperatura crítica superior. 2.º Se enfría rápidamente por debajo de la A1 y próxima a ella. 3.º Se mantiene a esa temperatura hasta terminar la transformación. 4.º Y se deja enfriar hasta alcanzar la temperatura ambiente. 9.5 Normalizado Es un tratamiento que solamente se da a los aceros al carbono. Es similar al recocido de regeneración, pero la fase tercera se hace enfriando al aire ambiente. Se diferencia el normalizado, del recocido de regeneración y del temple, en que el enfriamiento es mucho más lento en el recocido (dentro del horno) y mucho más rápido en el temple (en agua, etc.) El objeto del normalizado es volver el acero al estado que se supone normal, pues de haber sufrido tratamientos defectuosos, o bien después de haber trabajado en caliente o en frío por forja, laminación, etc. Se consigue así afinar su estructura y eliminar tensiones internas. Se emplea casi exclusivamente para aceros al carbono de baja aleación: 0,15 a 0,50 por ciento de C. El resultado de ese tratamiento depende del espesor de la pieza, debido a que las velocidades de enfriamiento son mayores en las piezas delgadas que en las piezas gruesas.

10. Temple Isotérmico. . Temple-revenido isotérmico Pueden obtenerse efectos semejantes al del temple y revenido con un solo tratamiento, que consiste en lograr la transformación de austenita a temperatura constante y próxima a la Ms, pero por encima de ella. Se alcanza así una estructura bainítica*, con buena dureza y resiliencia y se evitan peligros del temple tales como tensiones y grietas y la fragilidad del revenido. Este tratamiento se llama Austempering. * Bainítica: estructura del acero que se obtiene en transformaciones a temperatura constante. Fue BAIN, el primero en clasificarla y darle nombre.

11. Cementado. Consta este tratamiento de dos fases fundamentales: 1.ª Enriquecimiento superficial de carbono. Se logra calentando el acero a unos 900º C, en presencia de sustancias ricas en carbono y capaces de

cederlo, para unirse al hierro y formar carburo de hierro. La mayor o menor penetración, desde algunas décimas hasta 2 ó 3 mm de este enriquecimiento, depende de la duración de la operación de la energía de las sustancias y de la temperatura alcanzada. La duración ser de pocos minutos y hasta de varias horas. Las sustancias cementantes pueden ser sólidas, líquidas o gaseosas. 2.ª La segunda fase es el temple; con él se logra que la capa exterior adquiera gran dureza mientras el núcleo permanece sin cambios. Cuando la primera fase ha sido muy larga, se suele intercalar entre la primera y la segunda un recocido de regeneración. Los aceros empleados para cementar deben ser pobres en carbono.

Tratamiento térmico y temples de las extrusiones de aluminio T: Tratamiento térmico T1 T2

T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9

Enfriado desde una alta temperatura durante el proceso de conformación y envejecido naturalmente. Enfriado desde una alta temperatura durante el proceso de conformación, trabajado en frío y envejecido naturalmente. Tratamiento térmico de solución, trabajado en frío y envejecido naturalmente. Tratamiento térmico de solución y envejecido naturalmente. Enfriado desde una alta temperatura durante el proceso de conformación y envejecido artificialmente. Tratamiento térmico de solución y luego envejecido artificialmente. Tratamiento térmico de solución y luego envejecido artificialmente. Tratamiento térmico de solución, trabajado en frío y envejecido artificialmente. Tratamiento térmico de solución, envejecido artificialmente y trabajado en frío.

T10 Tratamiento térmico de solución parcial, artificialmente envejecido, y después trabajado en frío.

T1 Procedimiento para la conformación de estructuras de aleaciones de aluminio, en particular, a partir de aleaciones de AlMg de dureza natural, de AlMgSc de dureza natural y/o de AlMgLi que se pueden endurecer, caracterizado por las etapas de: a) conformación elástica de una pieza constructiva (1) que se ha de conformar bajo la acción externa de una fuerza (F, P, p), en la que la pieza constructiva (1) adopta el contorno (2a) de un dispositivo de sujeción (2) que se corresponde con la forma final (1a) deseada de la pieza constructiva (1); b) calentamiento de la pieza constructiva (1) conformada de modo elástico a una temperatura (T1) mayor que la temperatura necesaria para una conformación de fluencia y para una relajación de tensión de la aleación, de manera que la pieza constructiva (1) se conforma manteniendo la forma final (1a) impresa en la etapa a) por medio de la conformación elástica.

T351 Tratamiento térmico de solución, estirado controlado para aliviar tensiones. El aluminio no recibe ningún enderezamiento adicional tras el estirado. Se aplica a chapas, varillas y barras laminadas o terminadas en frío, forjados a estampa o en prensa de productos anulares y anillos laminados sin soldadura. T3510 Tratamiento térmico de solución, estirado controlado para aliviar

tensiones y envejecido naturalmente. El aluminio no recibe ningún enderezamiento adicional tras el estirado. Se aplica a varillas, barras, perfiles y tubos extruidos y tubos estirados. T3511 Como el T3510, pero también se refiere a productos que podrían recibir un leve enderezamiento tras el estirado para cumplir con las tolerancias estándar. T5 Se aplica a productos tratados por compresión para aliviar tensiones después del tratamiento térmico de solución o después de ser enfriados desde un proceso de trabajo en caliente para producir una deformación remanente del 1 al 5%. El tratamiento térmico T5 consiste solo en la última etapa del tratamiento térmico T6, es decir de una maduración artificial. En este caso la pieza se somete a un temple al salir del molde, así la aleación ya tiene parte de los elementos en solución sólida sobresaturada. Es más simple y menos costoso económicamente que el tratamiento térmico T6, pero al no conseguir la solubilización máxima, las propiedades mecánicas tampoco serán las mejores.

T6 térmicamente tratado por disolución y envejecido en forma artificial. Esta designación se aplica a productos que no se trabajan en frío después de un tratamiento térmico por disolución, y cuyas propiedades mecánicas, o su estabilidad dimensional, o ambas cosas, han sido

mejoradas en grado importante por envejecimiento artificial (esto es, endurecimiento por precipitación a temperaturas superiores al ambiente). Esta designación también se aplica en productos en los que los efectos del trabajo en frío impartido por aplanado o rectificado no se tienen en cuenta en los límites de propiedades específicas. Las propiedades mecánicas de determinadas aleaciones de aluminio pueden mejorarse por medio del tratamiento térmico denominado bonificación o T6, que consta de tres fases: Recocido por disolución. El término “disolución” indica que se calienta la aleación a una temperatura en la que aumenta la cantidad de soluto en la solución sólida. “Recocido” indica que el calentamiento también reblandece la aleación. Templado para formar una solución sobresaturada. Ésta etapa más crítica de la serie de procedimientos de tratamiento térmico. La velocidad de templado debe ser mayor que la velocidad de enfriamiento crítico para conservar la composición a la temperatura de recocido por disolución y para formar una solución sobresaturada del soluto o fase. Esto crea la fuerza impulsora de la precipitación del soluto o fase en exceso. Precipitación del exceso de soluto o fase. El endurecimiento de la aleación se consigue precipitando el exceso de soluto o fase en forma de un precipitado transitorio, metaestable y coherente.

El endurecimiento se debe a la formación de la red (deformación coherente) inducido por el precipitado coherente. T651 Tratamiento térmico de solución, estirado controlado para aliviar tensiones y luego envejecido artificialmente. El aluminio no recibe ningún enderezamiento adicional tras el estirado. T6510 Tratamiento térmico de solución, estirado controlado para aliviar tensiones y luego envejecido artificialmente. El aluminio no recibe ningún enderezamiento adicional tras el estirado. T6511 Como el T6510, salvo que se permite un leve enderezamiento tras el estirado para cumplir con las tolerancias estándar . T73 Tratamiento térmico de solución y luego sobreenvejecido artificialmente para obtener la mejor resistencia a la corrosión por tensiones. T732 Tratamiento térmico de solución y luego sobreenvejecido artificialmente para obtener la mejor resistencia a la corrosión por tensiones. T7651 Tratamiento térmico de solución, estirado controlado para aliviar tensiones y luego sobreenvejecido artificialmente para obtener una buena resistencia a la corrosión por exfoliación. El aluminio no recibe ningún enderezamiento adicional tras el estirado. T76510 Tratamiento térmico de solución, estirado controlado para aliviar tensiones y luego sobreenvejecido artificialmente para obtener una buena

resistencia a la corrosión por exfoliación. El aluminio no recibe ningún enderezamiento adicional tras el estirado. T76511 Como el T76510, salvo que se permite un leve enderezamiento tras el estirado para cumplir con las tolerancias estándar.

Procedimientos. (1) Recocido por disolución. El término “disolución” indica que se calienta la aleación a una temperatura en la que aumenta la cantidad de soluto en la solución sólida. “Recocido” indica que el calentamiento también reblandece la aleación. (2) Templado para formar una solución sobresaturada. Ésta etapa más crítica de la serie de procedimientos de tratamiento térmico. La velocidad de templado debe ser mayor que la velocidad de enfriamiento crítico para conservar la composición a la temperatura de recocido por disolución y para formar una solución sobresaturada del soluto o fase. Esto crea la fuerza impulsora de la precipitación del soluto o fase en exceso. (3) Precipitación del exceso de soluto o fase. El endurecimiento de la aleación se consigue precipitando el exceso de soluto o fase en forma de un precipitado

transitorio, metaestable y coherente. El endurecimiento se debe a la formación de la red (deformación coherente) inducido por el precipitado coherente. Cuando la precipitación se hace a temperatura