UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA LA MOLINA

Tratamientos térmicos del acero Diagrama de curvas TTT

CURSO: ANALISIS DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS Y MECANISMOS

PROFESOR: ING. ALEXIS RUBIO

ALUMNO: MEDINA RIVAS, LEONARDO DANIEL

LA MOLINA, 13 DE JUNIO DEL 2011

TRATAMIENTOS TÉRMICOS DEL ACERO

A través de los tratamientos térmicos podemos modificar las propiedades de los metales, mediante alteraciones de su estructura, pudiendo así desempeñar con garantías los trabajos demandados. Las aleaciones de tipo ferroso son las que mejor se prestan a ello.

El tratamiento térmico consiste en calentar el acero a una temperatura determinada, mantenerlo a esa temperatura durante un cierto tiempo hasta que se forme la estructura deseada y luego enfriarlo a la velocidad conveniente. Los factores temperatura-tiempo deben ser muy bien estudiados dependiendo del material, tamaño y forma de la pieza. Con el tratamiento conseguiremos modificar microscópicamente la estructura interna de los metales, produciéndose transformaciones de tipo físico, cambios de composición y propiedades permitiéndonos conseguir los siguientes objetivos:

Estructura de mejor dureza y maquinabilidad. Eliminar tensiones internas y evitar deformaciones después del mecanizado. Estructura más homogénea. Máxima dureza y resistencia posible. Variar algunas de las propiedades físicas.

El tratamiento térmico en el material es uno de los pasos fundamentales para que pueda alcanzar las propiedades mecánicas para las cuales está creado. Este tipo de procesos consisten en el calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado sólido para cambiar sus propiedades físicas. Con el tratamiento térmico adecuado se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamaño del grano, incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un interior dúctil. La clave de los tratamientos térmicos consiste en las reacciones que se producen en el material, tanto en los aceros como en las aleaciones no férreas, y ocurren durante el proceso de calentamiento y enfriamiento de las piezas, con unas pautas o tiempos establecido.

Para conocer a que temperatura debe elevarse el metal para que se reciba un tratamiento térmico es recomendable contar con los diagramas de cambio de fases como el de hierro – hierro – carbono. En este tipo de diagramas se especifican las temperaturas en las que suceden los cambios de fase (cambios de estructura cristalina), dependiendo de los materiales diluidos.

Para cambiar las propiedades del acero se usan diferentes tipos tratamientos térmicos, que cambian su micro estructura.

Los tratamientos térmicos principales son:

• Austenizado.• Recocido (Anneling).• Normalizado (Normalizing).• Templado.• Revenido.• Marrevenido (martemplado).• Ausrevenido.• Tratamientos térmicos superficiales: carburización, nitruración, carbonitruración, temple por inducción.Todos los tratamientos térmicos tienen una ruta obligatoria:

Calentamiento del acero hasta una temperatura determinada.

Permanencia a esa temperatura cierto tiempo.

Enfriamiento más o menos rápido.

El hierro tiene una temperatura de fusión de 1539 oC, y en estado sólido presenta el fenómeno de la alotropía o polimorfismo.

En la mayoría de los casos, el calentamiento del acero para el temple, normalización y recocido se hace unos 30-50 oC por encima de la temperatura de cambio alotrópico. Las temperaturas mayores, si no son necesarias para un uso especial, no son deseables para evitar un crecimiento excesivo del grano.

En la figura 1 se muestra un gráfico esquemático de como se desarrolla el proceso para cada tipo de tratamiento térmico.

El carácter de la transformación del acero depende de la velocidad de enfriamiento. Durante un enfriamiento lento en el horno se verifica el recocido; si el enfriamiento se realiza al aire libre, tal recocido se denomina normalización. El temple se hace utilizando un enfriamiento rápido en agua o en aceite.

Después del temple, obligatoriamente, se ejecuta el revenido, cuyo objetivo es disminuir en algo la uniformidad de la estructura y, de tal modo, quitar las tensiones internas de la pieza. El revenido siempre se realiza a una temperatura menor a la de la transformación del material.

Figura 1

EL ACERO Y SU TEMPERATURA- CURVAS TTT

Para comprender mejor la influencia del tratamiento térmico en el acero, primero hay que conocer los cambios estructurales de este a diferente temperatura. Estos cambios tienen bastante complejidad y dependen de la cantidad de carbono presente y otros factores, que en la metalurgia se establecen con precisión en el llamado diagrama de equilibrio hierro-carbono.

EL TIEMPO COMO TERCERA DIMENSIÓN

El tiempo necesario para que se complete la solidificación es una función muysensible de la temperatura, encontrándose el tiempo mínimo a una temperatura

considerablemente inferior a la de fusión.

Las fases de equilibrio sólo pueden darse cuando el material se enfría muy lentamente desde la fase de austenita.

Cuando el enfriamiento del acero no es lento (fuera de equilibrio) se forman fases que no están representadas en el diagrama.

Las fases fuera de equilibrio no pueden obtenerse del diagrama hierro-carburo de hierro. Se necesita un diagrama adicional que tenga en cuenta la variable tiempo.

La transformación de austenita se controla por difusión, por lo tanto requiere de tiempo.

DIAGRAMA HIERRO-CARBURO DE HIERRO

Austenita: Si al acero lo calentamos a 1000º C, y lo enfriamos rápidamente, uno de los cristales que obtenemos es la austerita. Es una solución sólida de carburo de hierro, dúctil y tenaz, blanda, poco magnética y resistente al desgaste.

Bainita: Es una mezcla difusa de ferrita y cementita, que se obtiene al transformar isométricamente la austenita a una temperatura de 250º – 500º C.

Martensita: Es el constituyente de los aceros cuando están templados, es magnética y después de la cementita es el componente más duro del acero.

Ferrita: Es hierro casi puro con impurezas de silicio y fósforo (Si-P). Es el componente básico del acero.

Cementita: Es el componente mas duro de los aceros con dureza superior a 60Hrc con moléculas muy cristalizadas y por consiguiente frágil.

Perlita: Compuesto formado por ferrita y cementita.

FCC BCC

ENDURECIMIENTO DEL ACERO

• Bajo rapideces de enfriamiento lentas o moderadas, los átomos de carbono pueden difundirse hacia fuera de la estructura de austenita. De este modo los átomos de hierro se mueven ligeramente para llegar a ser BCC.

• Esta transformación γ − α tiene lugar mediante un proceso de nucleación y crecimiento y depende del tiempo.

• Aumentando la rapidez de enfriamiento no hay tiempo suficiente para que el carbono se difunda en la solución y, aunque tiene lugar algún movimiento del átomo de hierro, la estructura no puede llegar a ser BCC, ya que el carbono está atrapado en la solución.

• La estructura resultante se llama martensita y es una solución sólida sobresaturada de carbono atrapado en una estructura tetragonal centrada en el cuerpo. Dos dimensiones de la celda unitaria son iguales, pero la tercera está ligeramente extendida debido al carbono atrapado.

• Esta estructura reticular altamente distorsionada es la principal causa de la alta dureza de la martensita.

• Después de un enfriamiento drástico, la martensita aparece microscópicamente como una estructura blanca acicular o tipo aguja.

• La transformación es sin difusión y no hay cambio en la composición química.

PRINCIPALES CARACTERÍSTICAS DE LA TRANSFORMACIÓN DE MARTENSITA:

• La transformación se da sólo durante el enfriamiento y cesa si este se interrumpe. El número de agujas de martensita producidas al principio es pequeño, después aumenta y finalmente disminuye.

• La temperatura de inicio de la formación de martensita se llama temperatura Ms y la del final de la formación temperatura Mf. Si el acero se mantiene a cualquier temperatura por debajo de Ms la transformación a martensita se detendrá y no avanzará nuevamente a menos que la temperatura disminuya.

• El intervalo de temperatura de formación de martensita es característica de una aleación y no puede disminuirse al aumentar la rapidez de enfriamiento.

• La martensita probablemente nunca esté en condiciones de equilibrio real, aunque puede persistir de modo indefinido en o cerca de la temperatura ambiente. La estructura puede

considerarse como una transición entre la fase inestable de austenita y la condición final de equilibrio de una mezcla de ferrita y cementita.

• La principal característica de la martensita es su alta dureza y fragilidad.

• El propósito básico del endurecimiento es producir una estructura totalmente martensítica y la mínima rapidez de enfriamiento que evitará la formación de cualquier producto más suave se conoce como rapidez crítica de enfriamiento.

• La dureza y resistencia de la martensita están relacionadas directamente con su contenido en carbono y aumenta con él.

CURVA TTT (TEMPERATURA – TIEMPO – TRANSFORMACIÓN)

Línea I : No hay transformación perlítica, pasa directo a martensita

Línea II : Transformación incompleta de perlita, la fracción de austenita que queda se transforma en martensita.

Línea III : Acero Perlítico.

Ms: Empieza la formación de martensita

Mf: Termina la formación de martensita

Perlita Gruesa Perlita FinaBainita superiorBainita Inferior

Esta curva se llama diagrama T-I (transformación isotérmica), curva TTT (transformación, temperatura, tiempo) o curva S. Se trata de un diagrama de transformación tiempo-temperatura que indica el tiempo para que una fase

se descomponga continuamente en otras fases a diferentes velocidades de enfriamiento.

DIAGRAMA TTT DEL ACERO EUCTECTOIDE

POSICIÓN DE LA CURVA TTT:

Hay dos factores que cambian la posición de las curvas TTT:

• La composición química: un incremento en el contenido de C en la aleación mueve la curva hacia la derecha (retarda la transformación).• El tamaño de grano austenítico: un aumento en el tamaño de grano austenítico mueve la curva hacia la derecha (retarda la transformación).• El retardo de la transformación implica que sea más fácil la formación de martensita.

TRANSFORMACIÓN A PERLITA Y BAINITA:

• El producto de transformación por encima de la región de la nariz es perlita.• La microestructura de la perlita es la estructura laminar de capas alternas de ferrita y cementita.• Por debajo de la línea A1 (curva TTT) se forma perlita laminar gruesa. Conforme la temperatura de transformación disminuye, la estructura laminar característica se mantiene, la separación entre las capas de ferrita y cementita disminuye hasta que la separación de capas no puede resolverse con un microscopio óptico.• Conforme la temperatura de transformación y la fineza de la perlita disminuyen, la dureza aumenta.• Entre la región de la nariz de aproximadamente 510 ºC y la temperatura Ms aparece un nuevo agregado de ferrita y cementita que se conoce como bainita.• A temperaturas mayores del intervalo de transformación parece perlita y se conoce como bainita superior o arborescente.• A bajas temperaturas aparece como una estructura negra tipo aguja que parece martensita y se conoce como bainita inferior o acicular.

Bainita arborescente Bainita acicular

RESUMEN DE LOS ELEMENTOS QUE SE PUEDEN OBTENER A PARTIR DEL ACERO Y SUS CARACTERÍSTICAS

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

Austenizado: consiste en crear austenita en la estructura del acero. La austenita se utiliza para transformarla en otras fases con un tratamiento térmico. La temperatura de austenización recomendada para los aceros hipoeutectoides es de unos 10 ºC por encima de la línea de temperatura crítica superior (A3). Para aceros hipereutectoides al carbono puro, la temperatura de austenización recomendada suele estar entre las líneas Acm y A3,1

Temple: su finalidad es aumentar la dureza y la resistencia del acero. Para ello, se calienta el acero a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior (entre 900 – 950º C) y se enfría luego más o menos rápidamente (según características de la pieza) en un medio como agua, aceite, etc.

Al elevar la temperatura del acero, la ferrita y la perlita se transforman en austenita, que tiene la propiedad de disolver todo el carbono libre presente en el metal. Si el acero se enfría despacio, la austenita vuelve a convertirse en ferrita y en perlita, pero si el enfriamiento es repentino, la austenita se convierte en martensita, de dureza similar a la ferrita, pero con carbono en disolución sólida.

Después que se ha endurecido el acero es muy quebradizo o frágil lo que impide su manejo pues se rompe con el mínimo golpe debido a la tensión interior generada por el proceso de endurecimiento. Para contrarrestar la fragilidad se recomienda el temple del acero (en algunos

textos a este proceso se le llama revenido y al endurecido temple). Este proceso hace más tenaz y menos quebradizo el acero aunque pierde algo de dureza. El proceso consiste en limpiar la pieza con un abrasivo para luego calentarla hasta la temperatura adecuada (ver tabla), para después enfriarla con rapidez en el mismo medio que se utilizó para endurecerla.

Revenido: sólo se aplica a aceros previamente templados, para disminuir ligeramente los efectos del temple, conservando parte de la dureza y aumentar la tenacidad. El revenido consigue disminuir la dureza y resistencia de los aceros templados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora la tenacidad, dejando al acero con la dureza o resistencia deseada. Se distingue básicamente del temple en cuanto a temperatura máxima y velocidad de enfriamiento.

Recocido: Consiste básicamente en un calentamiento hasta temperatura de austenización (800 – 925º C) seguido de un enfriamiento lento. Con este tratamiento se logra aumentar la elasticidad, mientras que disminuye la dureza. También facilita el mecanizado de las piezas al homogeneizar la estructura, afinar el grano y ablandar el material, eliminando la acritud que produce el trabajo en frío y las tensiones internas.

El propósito del recocido puede ser:

Refinar el grano.• Ablandar parcialmente los aceros de bajo carbono al relajar las tensiones internas resultantes de los procesos de trabajo en frío.• Mejorar las propiedades eléctricas y magnéticas.• En algunos casos mejorar la maquinabilidad.

Normalizado: tiene por objeto dejar un material en estado normal, es decir, ausencia de tensiones internas y con una distribución uniforme del carbono. Se suele emplear como tratamiento previo al temple y al revenido.

También se puede utilizar para:

• Mejorar la maquinabilidad.• Refinar el grano

RELACIÓN CON LAS CURVAS TTT

Curva de enfriamiento 1: enfriamiento lento, típico de un recocido. Perlita gruesa con bajo grado de dureza.

Curva de enfriamiento 2: ciclo de recocido isotérmico. Produce una microestructura y dureza más uniformes

Curva de enfriamiento 3: enfriamiento típico de normalización. Perlita más fina

Curva de enfriamiento 4: enfriamiento típico de temple lento en aceite. Perlita media y fina

Curva de enfriamiento 5: enfriamiento típico de temple de rapidez intermedia. Martensita (75%) más perlita fina (25%)

Curva de enfriamiento 6: enfriamiento típico de temple drástico. Martensita

Curva de enfriamiento 7: enfriamiento típico de temple drástico. Curva de enfriamiento tangente a la nariz (rapidez crítica de enfriamiento aproximado)

Curva de enfriamiento 8: enfriamiento típico para obtener bainita (6+8)

TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS DEL ACERO

Se efectúa en aceros de bajo porcentaje de carbono (menos del 0,30 % C). En el caso de los tratamientos termoquímicos, no solo se producen cambios en la estructura del acero, sino también en su composición química, añadiendo diferentes productos químicos durante el proceso del tratamiento. Estos tratamientos tienen efecto solo superficial en las piezas tratadas y consiguen aumentar la dureza superficial de los componentes dejando el núcleo más blando y flexible. Requieren el uso de calentamiento y enfriamiento en atmósferas especiales.

CEMENTADO

Consiste en el endurecimiento de la superficie externa del acero al bajo carbono, quedando el núcleo blando y dúctil. Como el carbono es el que genera la dureza en los aceros en el método de cementado se tiene la posibilidad de aumentar la cantidad de carbono en los aceros de bajo contenido de carbono antes de ser endurecido. El carbono se agrega al calentar al acero a su temperatura crítica mientras se encuentra en contacto con un material carbonoso. Los tres métodos de cementación más comunes son: cajas para carburación, baño líquido y gas. La cementación se aplica a piezas que deben de ser resistentes al desgaste y a los golpes. Dureza superficial y resistencia. La temperatura usual de cementación es cercana a los 950ºC y la profundidad de este tratamiento depende del tiempo y de la dureza deseada. Una vez obtenida la capa exterior rica en C, se endurece por temple.

Características de la cementación

Endurece la superficie

No afecta al corazón de la pieza

Aumenta el carbono de la superficie

Se coloca la superficie en contacto con polvos de cementar ( Productos cementantes)

El enfriamiento es lento y se hace necesario un tratamiento térmico posterior

Los engranajes suelen ser piezas que se cementan

NITRURACION

Consiste en enriquecer la superficie de la pieza en nitrógeno calentándola en una atmósfera especifica a temperatura comprendida entre 500 y 580 ºC, formándose una capa de muy poca profundidad pero de dureza muy superior a la capa de cementado. Durante el proceso no hay deformaciones y obtenemos una mayor resistencia a la corrosión.

Realización de la nitruración

Si en un recinto, un horno de tratamiento térmico, se somete al amoníaco (NH3) a temperaturas de 500° C, se descompone en nitrógeno e hidrógeno. El hidrógeno, más ligero, se separa del nitrógeno

por diferencia de densidad. El nitrógeno liberado por la descomposición del amoníaco forma la atmósfera en el interior del horno que, en contacto con la superficie de hierro y a esa temperatura, forma nitruro de hierro, un compuesto de gran dureza pero frágil.

Si bien este tratamiento da gran dureza superficial a la pieza, la velocidad de penetración es muy lenta, aproximadamente 1 mm en 100 horas de tratamiento, pero no necesita de temple posterior.

La nitruración se da a piezas sometidas a grandes fuerzas de rozamiento y de carga como, por ejemplo, pistas de rodamientos, camisas de cilindros o piezas similares, que necesitan un núcleo con cierta plasticidad, que absorba golpes y vibraciones, y una superficie de gran dureza contra desgaste y deformaciones.

Características generales de la nitruración

Endurece la superficie de la pieza

Aumenta el volumen de la pieza

Se emplean vapores de amoniaco

Es un tratamiento muy lento

Las piezas no requieren ningún otro tratamiento

CIANURACION.

Consiste en endurecer la superficie exterior de las piezas introduciendo carbono y nitrógeno. Posteriormente hay que templar las piezas. Se cementa colocando las piezas en baños de mezclas de sales fundidas, (cianuro, HCN), de modo que el carbono difunde desde el baño hacia el interior del metal. Produce una capa más profunda, más rica en C y menos N. Sus principales ventajas son: eliminación de oxidación, profundidad de la superficie dura y contenido de C uniformes y gran rapidez de penetración; si bien posee ciertas desventajas como son: lavado de las piezas posterior al tratamiento para prevenir la herrumbre, revisión de la composición del baño en forma periódica y alta peligrosidad de las sales de cianuro, dado que éstas son venenosas.