Tratamientos Térmicos De Los Aceros

El tratamiento térmico de un acero es una operación que comprende dos etapas: En primer lugar hay que calentar la aleación a una temperatura definida. Esta temperatura ha de mantenerse durante un tiempo determinado en función del tamaño y de la geometría de la pieza.A continuación, se deja enfriar la aleación. Este proceso deber realizarse a una velocidad adecuada para conseguir que el sistema adquiera ciertas propiedades físicas y mecánicas que respondan a un propósito definido.   Para conseguir distintas velocidades de enfriamiento, el proceso puede realizarse de diversas formas: Se introduce la pieza en un baño de agua o de aceite.Se utilizan o no agitadores que remueven el fluido.Si se precisa una velocidad inferior, se deja la pieza al aire o se mantiene en el interior del horno, después de haber sido apagado este.    Mediante los procesos térmicos se consigue modificar la estructura microscópica del acero y con ello mejorar sus propiedades. Estos cambios que se producen en el seno de la aleación a lo largo del proceso están íntimamente conectados con el diagrama el diagrama de equilibrio hierro-cementita (fe–fe3c).

Temple

Tratamiento térmico al que se somete a piezas ya conformadas de acero para aumentar su dureza, resistencia a esfuerzos y tenacidad. El tratamiento térmico del templado consta de tres pasos:

Se calienta el acero a una temperatura elevada: a) En el caso de los aceros hipoeutectoides: unos 30 – 50 ºcb) En el caso de los aceros eutectoides e hipereutectoides: 30 – 50ºc

Se mantiene la temperatura anterior el tiempo necesario para que ésta se homogenice en todo el volumen de la pieza a templar (este tiempo se estima experimentalmente para cada pieza, aunque se puede calcular aproximadamente)

Se enfría el sistema en un medio adecuado a una velocidad superior a la crítica de temple con objeto de obtener una estructura martensítica, y así mejorar la dureza y resistencia del acero tratado.

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Temperaturas De Calentamiento En Los Procesos De Temple

Tal y como se ve en el gráfico, para realizar el proceso de temple los aceros hipoeutectoides se austenizan completamente, mientras que con los aceros hipereutectoides no es necesario.

En los aceros hipoeutectoides, si se calentara entre las temperaturas A1 Y A3, parte del acero quedaría como ferrita sin transformarse en austenita, con lo que, al enfriarse, no podría transformase en martensita provocando una muy significativa disminución de resistencia y dureza. A este defecto se le denomina temple incompleto. Por este motivo es imprescindible que en estos aceros se alcance una temperatura ligeramente superior (entre 30 y 50ºc) a A3.

En el caso de los aceros hipereutectoides hay varias razones para no calentar por encima de Am:

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El microconstituyente asociado a la austenita en esa zona del diagrama es cementita, que resulta ser muy duro, generando una mejora en el comportamiento del acero frente al desgaste.

Aumenta mucho el tamaño del grano austenítico. Se descarbura apreciablemente la superficie del acero.

 

Tipos De Temple

Temple continúo de austenización completa:

es aplicado a los aceros hipoeutectoides. Se calienta el material a 50ºc por encima de la temperatura crítica superior A3, enfriándose en el medio adecuado para obtener martensita.

Temple continúo de austenización incompleta:

es aplicado a los aceros hipereutectoides. Se calienta el material hasta ac1 + 50ºc, transformándose la perlita en austenita y dejando la cementita intacta. Se enfría a temperatura superior a la crítica, con lo que la estructura resultante es de martensita y cementita.

Temple superficial:

se recurre a un proceso de temple superficial cuando se desea que una pieza presente elevada dureza superficial y buena resistencia exterior al desgaste, pero que su alma siga manteniéndose con reducidas tensiones. Con el temple superficial se consigue que solamente la zona más exterior se transforme en martensita, y para ello el tiempo durante el que se mantiene el calentamiento debe ser el adecuado para que solamente un reducido espesor de acero se transforme en austenita.

Temple escalonado (martempering):

consistente en calentar el acero a temperatura de austenización y mantenerlo el tiempo necesario para que se transforme completamente en austenita. Posteriormente se enfría en un baño de sales bruscamente hasta una temperatura próxima, pero superior, a ms, con el fin de homogeneizar la temperatura en toda la masa y se acaba reduciendo la temperatura para que toda la pieza se transforme en martensita.

Temple isotérmico (austempering):

consistente en calentar el acero a temperatura de austenización y mantenerlo el tiempo necesario para obtener austenita. Posteriormente se enfría bruscamente en un baño de sales hasta una temperatura determinada, para igualar la temperatura en toda la masa y luego se vuelve a disminuir la temperatura para que toda la pieza se transforme en bainita. 

Factores que influyen en el templado 

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El tamaño de la pieza: cuanto más espesor tenga la pieza más hay que aumentar el tiempo de duración del proceso de calentamiento y de enfriamiento.La composición química del acero: en general los aceros aleados son más fácilmente templables.

El tamaño del grano: influye principalmente en la velocidad crítica del temple, tiene más 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 sales fundidas y polímeros hidrosolubles

Revenido

Los aceros suelen quedar excesivamente duros y sobre todo muy frágiles después del temple, por lo que se le somete a continuación para evitar dichos efectos a otro tratamiento llamado revenido.

El revenido consiste en un nuevo calentamiento a una temperatura variable, según el resultado que se desea obtener, seguido de un enfriamiento.Las temperaturas del revenido, se pueden medir aproximadamente por medio del color. Cuando las piezas que se revienen, están pulidas, se forma en la superficie una fina capa de óxido que va coloreándose según la temperatura.

Las temperaturas de revenido las proporciona el fabricante de aceros aleados.

Tabla de colores de revenido

220°c Amarillo   claro

240°c Amarillo   paja

250°c Amarillo   pardusco

260°c Rojo   obscuro

270°c Rojo   púrpura

280°c Violeta

290°c Azul   claro

300°c Azul   obscuro

Tabla De Colores Para El Revenido.

Amarillo claroHerramientas que necesitan gran dureza y no están sometidas a golpes bruscos: buriles de grabar, rasquetas y ralladores.

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Amarillo pardusco.Herramientas de corte expuestas a ciertos golpes; buriles para torno, cepillo, martillos de forjador, punzones, cinceles.

Rojo obscuro.Machuelos, brocas.

Violeta o azul claro.Herramientas que necesitan gran tenacidad, aunque meno9s dureza; desarmadores, hachas, hojas de tijera.

Azul obscuro.Muelles y resortes.

Recocido

Tratamiento térmico que consiste en calentar la pieza hasta una temperatura dada. Posteriormente el acero es sometido a un proceso de enfriamiento lento en el interior del horno apagado. De esta forma se obtienen estructuras de equilibrio. Son generalmente tratamientos iniciales mediante los cuales se ablanda el acero.

Es tratamiento térmico muy utilizado y según las temperaturas que se alcanzan en el proceso se pueden disintiguir los siguientes tipos:

Recocido completo: afina el grano cuando ha crecido producto de un mal tratamiento. Se realiza en aceros hipoeutectoides.

Recocido incompleto: elimina tensiones. Sólo recristaliza la perlita. Es más económico que el anterior.

Recocido de globulización: mejora la mecanibilidad en los aceros eutectoides e hipereutectoides.

Recocido de recristalización: reduce tensiones y elimina la acritud. Recocido de homogenización: elimina la segregación química y cristalina. Se

obtiene grano grueso por lo que es necesario un recocido completo posterior.

El siguiente gráfico muestra las temperaturas a la que es preciso operar en cada uno de los casos anteriores:

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Normalizado

El normalizado consiste en calentar rápidamente el material hasta una temperatura crítica (30–50ºc ), manteniéndose durante un tiempo en ella. El enfriamiento posterior se realiza al aire, dando lugar a la recristalización y afino de la perlita. En el caso de los aceros con bastante contenido en carbono y mucha templabilidad, este tratamiento puede equivaler a un temple parcial, donde aparezcan productos perláticos y martensíticos. Para aceros con bajo contenido de carbono no aleados no existe mucha diferencia entre el normalizado y el recocido. Cuando se trata de aceros de contenido medio en carbono (entre 0.3 – 0,5%c) la diferencia de propiedades es mayor que en el caso anterior; en general, el proceso de normalizado da más dureza

Tratamientos termoquímicos

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Son aquellos en los que, además de los cambios en la estructura del acero, también se producen cambios en la composición química de su capa superficial, añadiendo distintos productos químicos hasta una profundidad determinada.

Estos tratamientos requieren el uso de calentamiento y enfriamiento controlados en atmósferas especiales. Los objetivos que se persiguen mediante estos procesos son variados pero entre ellos podemos destacar:

Mejorar la dureza superficial de las piezas, dejando el núcleo más blando y tenaz.

Aumentar la resistencia al desgaste debido al rozamiento aumentando el poder lubrificante .

Aumentar la resistencia a la fatiga y/o la corrosión. Sin modificar otras propiedades esenciales tales como ductilidad.

Se aplican sobre herramientas de arranque de viruta, camisas de pistones.

Los tratamientos más importantes son:

Cementación (c):

Consiste en incrementar la dureza superficial de una pieza de acero dulce, aumentando la concentración de carbono en su superficie. Se consigue teniendo en cuenta el medio o atmósfera que envuelve el metal durante el calentamiento y enfriamiento. El tratamiento logra aumentar el contenido de carbono de la zona periférica, obteniéndose después, por medio de temples y revenidos, una gran dureza superficial, resistencia al desgaste, buena tenacidad en el núcleo y aumento de la resiliencia. Se realiza con piezas que deben ser resistentes a golpes y la vez al desgaste. Nitruración (n): en este caso se incorpora nitrógeno a la composición superficial de la pieza. Al igual que la cementación este método también aumenta la dureza superficial del acero, aunque lo hace en mayor medida. Los aceros tratados por este procedimiento adquieren una alta resistencia a la corrosión. La técnica de nitruración se basa en calentar el acero a temperaturas comprendidas entre los 400 y los 525 ºc, dentro de una corriente de gas amoniaco, más nitrógeno.

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Cianuración (c+n): este proceso permite el endurecimiento superficial de pequeñas piezas de acero. Utiliza baños con cianuro, carbonato y cianato sódico. Se aplican temperaturas entre 760 y 950ºc. Es una mezcla de cementación y nitruración.

Carbonitruración (c+n): al igual que la cianuración, introduce carbono y nitrógeno en una capa superficial, sin embargo estos elementos estan en forma de hidrocarburos como metano, etano o propano; amoniaco (nh3) y monóxido de carbono (co). En el proceso se requieren temperaturas de 650 a 850 c. Es necesario realizar un temple y un revenido posterior.

Sulfinización (s+n+c): en este proceso se incrementa la resistencia al desgaste obtenida en los procesos de cianuración y carbonitruración mediante la acción del azufre. El azufre se incorpora al metal por calentamiento a baja temperatura (565 c) en un baño de sales. Se aumenta la resistencia al desgaste, favorece la lubricación y disminuye el coeficiente de rozamiento.

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Metalurgia de Polvos

 En este proceso no siempre se utiliza el calor, pero cuando se utiliza este debe mantenerse debajo de la temperatura de fusión de los metales a trabajar. Cuando se aplica calor en el proceso subsecuente de la metalurgia de los polvos se le conoce como sinterizado, este proceso genera la unión de partículas finas con lo que se mejora la resistencia de los productos y otras de sus propiedades. Las piezas metálicas producto de los procesos de la metalurgia de los polvos son producto de la mezcla de diversos polvos de metales que se complementan en sus características. Así se pueden obtener metales con cobalto, tungsteno o grafito según para qué va a ser utilizado el material que se fabrica.

El metal en forma de polvo es más caro que en forma sólida y el proceso es sólo recomendable para la producción en masa de los productos, en general el costo de producción de piezas producto de polvo metálico es más alto que el de la fundición, sin embargo es justificable y rentable por las propiedades excepcionales que se obtienen con este procedimiento. Existen productos que no pueden ser fabricados y otros no compiten por las tolerancias que se logran con este método de fabricación.

El proceso de manera general consiste en:

1. Producción de polvo de los metales que serán utilizados en la pieza2. Mezclado de los metales participantes3. Conformado de las piezas por medio de prensas4. Sinterizado de las piezas5. Tratamientos térmicos

Diagrama para la producción de piezas por medio de polvos  

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Producción Y Caracterización De Polvos

El tamaño, forma y distribución de los polvos afectan las características de las piezas a producir, por lo que se debe tener especial cuidado en la forma en la que se producen los polvos. Las principales características de los polvos a considerar son:

1. Forma2. Finura3. Distribución4. Capacidad para fluir5. Propiedades químicas6. Compresibilidad7. Densidad8. Densidad9. Propiedades de sinterización

Forma

La forma del polvo depende de la manera en la que se produjo el polvo, esta puede ser esférica, quebrada, dendrítica. plana o angular.

Finura

La finura se refiere al tamaño de la partícula, se mide por medio de mallas normalizadas, las que consisten en cribas normalizadas, las que se encuentran entre las 36 y 850 micras.

Distribución de los tamaños de partículas

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Se refiere a las cantidades de los tamaños de las partículas que participan en la composición de una pieza de polvo, esta distribución de tamaños tiene gran influencia en la fluidez y densidad de las partículas y en la porosidad final del producto.

Fluidez

Es la propiedad que le permite fluir fácilmente de una parte a otra o a la cavidad del molde. Se mide por una tasa de flujo a través de un orificio normalizado.

Propiedades químicas

Son características de reacción ante diferentes elementos. También se relacionan con la pureza del polvo utilizado.

Compresibilidad

Es la relación que existe entre el volumen inicial del polvo utilizado y el volumen final de la pieza comprimida. Esta propiedad varia considerablemente en función del tamaño de las partículas de polvo y afecta directamente a resistencia de las piezas.

Densidad aparente

Se expresa en kilogramos por metro cúbico. Esta debe ser constante siempre, para que la pieza tenga en todas sus partes la misma cantidad de polvo.

Facilidad de sinterización

La sinterización es la unión de las partículas por medio del calor. Dependerá del tipo de polvo que se esté utilizando, por lo que existen tantas temperaturas de sinterización como materiales utilizados.  

 

Métodos Para Producir Polvos

Todos los metales pueden producirse en forma de polvo, sin embargo no todos cumplen con las características necesarias para poder conformar una pieza. Los dos metales más utilizados para la producción de polvo para la fabricación de piezas son el cobre y el hierro. Como variaciones del cobre se utilizan el bronce para los cojinetes porosos y el latón para pequeñas piezas de máquinas. También se llegan a utilizar otros polvos de níquel, plata, tungsteno y aluminio.

Existen diferentes formas de producir polvos metalúrgicos dependiendo de las características físicas y químicas de los metales utilizados:

Con maquinado se producen partículas gruesas y se usan principalmente para producir polvos de magnesio.

En el proceso de molido se tritura el material con molinos rotatorios de rodillos y por estampado rompiendo los metales, por este método los materiales frágiles pueden reducirse a partículas irregulares de cualquier finura.

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El proceso de perdigonado consiste en vaciar metal fundido en un tamiz y enfriarlo dejándolo caer en agua. En este proceso se obtienen partículas esféricas o con forma de pera. La mayoría de los metales pueden perdigonarse, pero el tamaño de las partículas es demasiado grande.

La pulverización consiste en la aspersión del metal y su enfriamiento en aire o en agua. Es un excelente método para la producción de polvo de casi todos los metales de bajo punto de fusión como el plomo, aluminio, zinc y estaño.

Algunos metales pueden convertirse en polvo con una agitación rápida del metal mientras se está enfriando. Este proceso se le conoce como granulación.

Otro procedimiento para la producción de polvo de hierro, plata y algunos otros metales es el de depósito electrolítico. Consiste en la inmersión del metal a pulverizar, como ánodos, en tinas con un electrolito, los tanques actúan como cátodos, el hierro o metal a pulverizar se mueve de los ánodos hacia los cátodos depositándose como un polvo fino que puede posteriormente utilizarse con facilidad.

Polvos Especiales

Polvos prealeados: Cuando se logra la producción de un polvo de un metal previamente aleado con otro se mejoran considerablemente las propiedades de las piezas, en comparación con las que tendrían con los metales puros. Una de las ventajas de este tipo de polvos es que requieren menores temperaturas para su producción y que proporcionan la suma de las propiedades de los dos metales unidos similares a las que se obtendrían con la fundición.

Polvos recubiertos. Los polvos pueden ser recubiertos con determinados elementos cuando pasan por medio de un gas portador. Cada partícula es uniformemente revestida, cuando se sinteriza adquiere las propiedades del recubrimiento. Esto permite el uso de polvos más baratos.  

Conformación

Consiste en la acción de comprimir al polvo que fluyó a un recipiente con la forma deseada de la pieza a producir. Existen varios métodos de conformación, a continuación se presentan algunos de ellos:

Prensado. Los polvos se prensan en moldes de acero con la forma requerida, la presión varía entre 20 y 1400 Mpa. Los polvos plásticos no requieren de altas presiones, como los que son más duros. La mayoría de las prensas que fueron diseñadas para otros fines pueden ser utilizadas para la producción de piezas de polvo. Pueden utilizarse prensas hidráulicas sin embargo es más común que se usen las mecánicas debido a su alta capacidad de producción.

Compactación centrífuga. Los moldes se llenan con polvos metálicos pesados y luego se centrifugan para obtener presiones de hasta 3 Mpa. Con lo anterior se obtienen densidades uniformes producto de la fuerza centrífuga en cada partícula de polvo. Posteriormente se extraen las piezas de los moldes y se sinterizan con lo que adquieren su dureza final.

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Conformación por vaciado. Las piezas para tungsteno, molibdeno y otros polvos se hacen algunas veces por compactación por vaciado. Este procedimiento consiste en hacer una lechada con el polvo del metal que se va a utilizar, esta se vacía en un molde de yeso. Como el molde de yeso es un material poroso drena gradualmente dejando una capa sólida del material metálico. Después de transcurrido el tiempo suficiente para tener una capa lo suficiente gruesa, se sinterizan las piezas de manera normal. Para objetos huecos es muy útil este procedimiento.

Extrusión

Para la fabricación de piezas largas producidas a partir de polvos metálicos, deben producirse a través del proceso de extrusión. Los métodos a utilizar para este proceso dependen de las características del polvo; algunos se extruyen en frío con un aglutinante y otros se calientan hasta la temperatura de extrusión. Generalmente el polvo se comprime en forma de lingote y posteriormente se calientan y sinterizan antes de pasarlos a la prensa para la extrusión.

Compactado por explosivos. Como su nombre lo indica la fuerza necesaria para compactar a un polvo en su molde adecuado puede ser producto de una explosión. El procedimiento es sencillo y económico sin embargo además de peligros puede que su control no sea del todo satisfactorio.  

Sinterizado

Es el proceso por medio del cual con el aumento de la temperatura, las partículas de los cuerpos sólidos se unen por fuerzas atómicas. Con la aplicación de calor, las partículas se prensan hasta su más mínimo contacto y la efectividad de las reacciones a la tensión superficial se incrementan. Durante el proceso la plasticidad de los granos se incrementa y se produce un mejor entrelazamiento mecánico por la formación de un lecho fluido. Cualquier gas presente que interfiera con la unión es expulsado. Las temperaturas para el sinterizado son menores a la temperatura de fusión del polvo principal en la mezcla utilizada.

Existe una amplia gama de temperaturas de sinterizado, sin embargo las siguientes han demostrado ser satisfactorias.

                        Hierro 1095 °CAcero inoxidable 1180 °CCobre 870 °CCarburo de tungsteno 1480 °C

  El tiempo de sinterizado varia entre los 20 y 40 minutos.

Ventajas y limitaciones del proceso de producción por la metalurgia de los polvos

Ventajas

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La producción de carburos sinterizados, cojinetes porosos y bimetálicos de capas moldeadas, sólo se puede producir por medio de este proceso.  

Porosidad controlada   Tolerancias reducidas y acabado superficial de alta calidad   Por la calidad y pureza de los polvos producidos, se pueden obtener también

piezas de alta pureza.   No hay pérdidas de material   No se requieren operarios con alta capacitación  

Limitaciones  

1. Los polvos son caros y difíciles de almacenar  2. El costo del equipo para la producción de los polvos es alto  3. Algunos productos pueden fabricarse por otros procedimientos más

económicamente  4. Es difícil hacer productos con diseños complicados  5. Existen algunas dificultades térmicas en el proceso de sinterizado,

especialmente con los materiales de bajo punto de fusión.  6. Algunos polvos de granos finos presentan riesgo de explosión, como aluminio,

magnesio, zirconio y titanio.  7.  Es difícil fabricar productos uniformes de alta densidad.  8.

Algunos productos fabricados por este procedimiento

Filtros metálicos Carburos cementados Engranes y rotores para bombas Escobillas para motores Cojinetes porosos Magnetos Contactos eléctricos

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