TEMPLADO DEL ACERO AISI 4340

Objetivos:

Realizar el templado en agua y aceite del acero 4340, para verificar las propiedades después del mismo y analizar las causas.

Investigar sobre los parámetros que se necesitan para efectuar el templado correctamente, dependiendo de cada acero, en este caso el AISI 4340.

Introducción:

Se basa en calentar la pieza a una temperatura comprendida ente 700 ºC y 1000 ºC, para luego enfriarla rápidamente controlando el tiempo de calentamiento y de enfriamiento.

El temple se consigue al alcanzar la temperatura de austenización y además que todos los cristales que componen la masa del acero se transforman encristales de austenita, ya que es la única estructura constituyente del material que al ser enfriados rápidamente se trasforman en martensita, estructura queda la máxima dureza a un acero hipoeutetoide. Los aceros inferiores a 0,3% de carbono no toman temple debido a que al ser enfriados rápidamente de la temperatura de austenización fijan estructuras no martensíticas como por ejemplo: Perlita y Ferrita.

Los artículos de acero endurecidos calentándolos a unos 840 grados C. y enfriándolos rápidamente en aceite o en agua se vuelven duros y quebradizos. Si se vuelven a calentar a una temperatura menor se reduce su dureza pero se mejora su tenacidad. El equilibrio adecuado entre dureza y tenacidad se logra controlando la temperatura a la que se recalienta el acero y la duración del calentamiento.

Figura 1: Templado Fuente: http://www.google.com.ec/imgres?q=templado+acero&hl

Factores que influyen:

El tamaño de la pieza: cuanto más espesor tenga la pieza más hay que aumentar el ciclo de duración del proceso de calentamiento y de enfriamiento.

La composición química del acero: en general los elementos de aleación facilitan el temple.

El tamaño del grano: influye principalmente en la velocidad crítica del temple, tiene mayor templabilidad el de grano grueso.

El medio de enfriamiento: el más adecuado para templar un acero es aquel que consiga una velocidad de temple ligeramente superior a la crítica. Los medios más utilizados son: aire, aceite, agua, baño de Plomo, baño de Mercurio, baño de sales fundidas y polímeros hidrosolubles.

Medio de temple.

Solución acuosa con 10% de clorurosódico Agua corriente. Sales liquidas o fundidas. Soluciones acuosas de aceite sulfonado. Aceite. Aire

Acero 4340:

Temple 830-860 °C830-860 °C

AguaAceite

Tiempo Recomendado:

2 minutos por cada milímetro de espesor, es decir, el diámetro. Como la probeta tiene 12 mm de diámetro son 24 minutos. Además de 25 minutos hasta que se homogenice la temperatura en toda la

probeta.

Materiales:

Horno Mufla Durómetro Cortadora. Recipiente para Aceite. Pulidora. Banco de preparación de muestras metalografías.

Microscopios. Pinza, guantes, mandil. Recipiente para agua.

Procedimiento:

1._ Primero debemos conocer la temperatura a la que vamos a calentar el acero, el tiempo que permanecerá en el mismo y el medio en el que se va a templar. Para esto nos basamos en catálogos que nos indican todos estos parámetros que debemos conocer antes de realizar el templado.

2._ La temperatura que debemos colocar en el horno según las especificaciones del Acero 4340 es de 850 grados centígrados.

Figura: Horno Mufla – Lab. Ciencia de los Materiales – ESPE.Fuente: Elaboración Propia.

3._ Esperamos a que el horno llegue a la temperatura requerida y colocamos las dos probetas, una para templar en agua y la otra en aceite.

4._Dejamos 50 minutos por reloj a temperatura constante, como lo indica la norma anteriormente mostrada.

Figura: Colocación de las probetas en el interior del horno.Fuente: Elaboración propia

5._ Una vez que se han cumplido los cincuenta minutos procedemos a preparar todo lo necesario para el temple en aceite y agua.

6._Para el templado en agua sacamos una probeta del horno ayudándonos de las pinzas e inmediatamente, sin esperar mucho tiempo, lo colocamos en una caja que contiene agua a temperatura ambiente y esperamos que se enfríe completamente.

7._ Para el templado en aceite de igual manera retiramos la probeta del horno y la colocamos en un recipiente que contiene aceite, el tiempo de enfriamiento en este medio fue de 5 minutos; debido a la viscosidad del mismo este no permite que se enfríe tan rápidamente como en agua.

Figura: Templado en aceite.Fuente: Elaboración propia

8._ Una vez realizado el temple en ambos medios procedemos a realizar la micro estructura y el ensayo de dureza, para conocer las propiedades modificadas y el respectivo análisis.

Figura: Probeta después del templado en agua.Fuente: Elaboración propia

Figura: Probetas después del templado en aceite.Fuente: Elaboración propia

Análisis de Resultados:

Diagrama del Proceso Realizado:

Figura: Proceso de Templado Acero 4340 Fuente: Elaboración Propia

Templado en Aceite Acero 4340:

El acero después de calentarse y formarse austenita, al ser templado en aceite su micro estructura pasa a ser martensita en un gran porcentaje, pero no totalmente ya que debido a la viscosidad del aceite no se puede enfriar muy rápido, un componente muy duro y a la vez frágil de los aceros.

También en la foto de la micro estructura podemos ver como los granos han disminuido de tamaño lo que es una evidencia de que la dureza ha aumentado, ya que al encontrarse los granos muchos más compactos y unidos el acero es más resistente y menos dúctil.

Figura: Templado en Aceite 100 X Fuente: Elaboración Propia

Tamaño de grano – Templado en Aceite:

Método de Comparación:

N=2n−1

Donde:

N=numerode granos por pulgadacuadrad a

n=numerode tamaño de gramo del uno al ocho

N=8+32

N=9.5

9.5=2n−1

n=(log2 9.5 )+1

n=4.2 4

Dureza Rockwell C:

Precarga 10kg carga 150kg Punta de Diamante

Dureza Templado – Aceite51.750.353

Promedio: 51.6 HRC

Templado en Agua – Acero 1045

Debido a que el templado en agua es mucho más rápido que en aceite, toda la micro estructura se ha convertido en martensita logrando con esto que el acero sea mucho más fuerte, pero a su vez menos dúctil y más frágil.

Así el tamaño de grano es aún menor que el de aceite.

Figura: Templado en Agua100 X Fuente: Elaboración Propia

Tamaño de grano – Templado en Agua:

Método de Comparación:

N=59+ 212

N=69.5

69.5=2n−1

n=(log2 69.5 )+1

n=7,11

Dureza Rockwell C:

Precarga 10kg carga 150kg Punta de Diamante

Dureza Templado – Agua53.554

52.7Promedio: 53.4 HRC

Tamaño de grano:

Estado de Suministro

Después del Templado

Aceite AguaTamaño de grano

Comparación ASTM2 4 7

Tabla: Tamaño de grano ASTM – Acero 4340 Fuente: Elaboración Propia

Como podemos ver en la tabla el tamaño de grano en el templado en agua debido a su rapidez de enfriamiento formando mas tensiones internas y estructura 100% martensítica.

Dureza:

Estado de Suministro Despues del Templado

Recocido Aceite Agua90,8 HRB 51.6 HRC 53.4 HRC

Tabla: Dureza Rockwell – Acero 4340 Fuente: Elaboración Propia

El acero templado en agua es mucho más fuerte ya que su tamaño de grano pequeño.

Conclusiones:

El templado cambia la micro estructura del acero tratado, lo hace más fuerte pero le reduce la ductilidad, debido a esto el acero queda extremadamente frágil, para lo cual se debe realizar un tratamiento térmico de revenido para eliminar las tensiones internas que se han formado.

El templado se ha realizado de buena forma ya que el acero 4340 suministrado tiene un grano grueso (# 2 ASTM) lo ayuda a la templabilidad del mismo.

Al analizar los resultados nos hemos dado cuenta de cómo este tratamiento térmico modifica considerablemente las propiedades del material especialmente la dureza.

Recomendaciones:

Mantener la distancia al momento de colocar y retirar las probetas del horno, puesto que podríamos sufrir graves quemaduras.

Tener en cuenta antes de realizar el templado todos los factores que influyen para realizar un buen tratamiento térmico, como la temperatura y el tiempo del proceso.

Poner una marca de identificación a las probetas antes de ingresar al horno para que no exista confusiones con otras probetas de compañeros.