TRATAMIENTOS DE LOS ACEROS

Son los procesos a los que se somete los metales y aleaciones ya sea para modificar su estructura, cambiar la forma y tamaño de sus granos o bien por transformación de sus constituyentes.

El objeto de los tratamientos es mejorar las propiedades mecánicas, o adaptarlas, dándole características especiales a las aplicaciones que se le van a dar la las piezas de esta manera se obtiene un aumento de dureza y resistencia mecánica, así como mayor plasticidad o maquinabilidad para facilitar su conformación.

Tipos de TratamientosLos tratamientos pueden ser mecánicos, térmicos o superficiales.

Tratamientos Superficiales

También llamados tratamientos termoquímicos, consisten en la aportación de algún elemento a la superficie de la pieza, para formar compuestos de alta dureza. De acuerdo al elemento que se aporta pueden ser:

Cementación: Las superficies de las piezas de acero terminadas se endurecen al calentarlas con compuestos de carbono o nitrógeno.

Carburización: La pieza se calienta manteniéndola rodeada de carbón vegetal, coque o gases de carbono.

Cianurización: Se introduce el metal en un baño de sales de cianuro, logrando así que endurezca.

Nitrurización: Se emplea para endurecer aceros de composición especial mediante su calentamiento en amoniaco gaseoso. 

Tratamientos mecánicos

Se somete al metal a operaciones de deformación frío o caliente para mejorar sus propiedades mecánicas y además darle formas determinadas. Al deformar mecánicamente un metal sus granos son deformados alargándose en el sentido de la deformación. Lo mismo pasa con las impurezas y defectos, se modifican las estructuras y las propiedades del metal.

Tratamientos en frío: Son realizados por debajo de la temperatura de recristalización, pueden ser profundos o superficiales. Aumenta de la dureza y la resistencia a la tracción. Disminuye su ductilidad y tenacidad. Deformación de granos y tensiones residuales, se dice entonces que el metal tiene acritud (cuanta más deformación, más dureza). Se produce fragilidad en el sentido contrario a la deformación (falta de homogeneidad en la deformación iguales tensiones en las diferentes capas del metal). Cuando el metal tiene acritud, solo debe usarse cuando no importe su fragilidad o cuando los esfuerzos solo actúen en la dirección de la deformación.

Tratamientos TérmicosVariando la forma de calentamiento y enfriamiento de los aceros al carbono se pueden obtener diferentes combinaciones de propiedades mecánicas.

El diagrama de fases hierro−carbono indica las fases de hierro y carburo de hierro (cementita) presentes bajo condiciones de equilibrio. Se asume que el enfriamiento desde una temperatura alta ha sido lo suficientemente lento para permitir que la austenita se descomponga en una mezcla de ferrita y cementita (Fe3C) a temperatura ambiente.

Esta reacción de descomposición requiere de difusión y otros procesos que dependen del tiempo y la temperatura para transformar el metal en su forma final preferida. Sin embargo, bajo condiciones de enfriamiento rápido que eviten el equilibrio de la reacción, la austenita se transforma en una fase de no equilibrio llamada MARTENSITA. La martensita es una fase dura y frágil que da al acero su capacidad única de endurecerse a valores muy altos.

Tipos de Tratamientos Térmicos

Los tratamientos térmicos son ciclos de calentamiento y enfriamiento a los cuales se somete un material con el fin de variar su dureza y cambiar su resistencia mecánica.

Se diferencian principalmente 4 tipos:RecocidoTempleNormalizado Revenido

Temperatura de austenización

Casi todos los tratamientos térmicos de aceros comienzan con un tratamiento térmico de austenización, es decir, calentándolos hasta una temperatura superior a la crítica para que su estructura sea completamente austenítica.

La temperatura de austenización varía con la concentración de carbono del acero pero, como regla general, se elige la temperatura a 50° C por encima de la temperatura crítica correspondiente a la composición de la aleación.

El tiempo de duración de la austenización varia con la temperatura elegida y con la concentración de carbono, ya que la austenita resultante deberá ser homogénea en concentración.

Industrialmente se conoce como A3 la línea que marca el comienzo de la descomposición austenítica en los aceros hipoeutectoides, mientras que la línea Acm es el comienzo de la descomposición austenítica en los aceros hipereutectoides, y esta denominación proviene de la separación de la cementita.

La línea que marca el final de la descomposición austenítica se llama A1.

RecocidoLos aceros se recuecen para reducir la dureza, mejorar la maquinabilidad, facilitar el trabajo en frío, producir una microestructura particular o para obtener propiedades mecánicas, físicas o químicas determinadas.

DeformaciónSe realiza en la región ferrítica del diagrama Fe – C, por debajo de la temperatura de recristalización. Esto significa que existe una acumulación de deformación en la chapa.Comprende los siguientes fenómenos:

%Reduc = he – hs x 100 he• Orientación de los granos: aumento de la densidad de dislocaciones y granos orientados en sentido de la laminación.

20% deformación

50% deformación

80% deformación

Tipos de recocidoRecocido de austenización completa o de regeneración

Recocido subcríticoRecocido de autenización incompleta (globulares)

RECOCIDO TOTAL

Este proceso consiste en el calentamiento del acero a la temperatura adecuada durante un tiempo y luego enfriar muy lentamente en el interior del horno o en algún material aislaste del calor. Debido al enfriamiento lento el proceso puede ser asociado al diagrama de equilibrio hierro-carburo de hierro,

El propósito general del recocido es refinar el grano, proporcionar suavidad, mejorar las propiedades eléctricas y magnéticas y, en algunos casos, mejorar el maquinado.

Figura .Transformaciones durante las diferentes etapas del recocido

TRATAMIENTO TERMICO - RECOCIDO

RECOCIDO DE GLOBULIZACIÓN

Se aplican para aceros de mas de 0.5 de C, para ablandarlos y mejorar su maquinabilidad. El calentamiento prolongado se da entre A1-A3 para los aceros hipo, A1-Acm para los aceros hiper, posteriormente un enfriamiento en lento.

RECOCIDO PARA LA ELIMINACIÓN DE ESFUERZOS

Este proceso se utiliza para eliminar esfuerzos residuales debidos a un fuerte maquinado u otros procesos de trabajo en frío. Este recocido, también denominado subcrítico, se lleva a cabo a temperaturas por debajo de la línea crítica inferior A3.   RECOCIDO DE PROCESO   Es un proceso muy parecido al recocido para eliminar esfuerzos, ya que se calienta el acero a una temperatura por debajo de la línea crítica inferior. La utilización de este tipo de tratamiento se orienta hacia las industrias de láminas y cable. Si se aplica después del proceso en frío se suaviza el acero por medio de la recristalización, para un posterior trabajo.

ETAPAS DEL RECOCIDO

Recuperación Recristalización Crecimiento de grano

RECUPERACIÓNEs la primera etapa de calentamiento donde se producen alivios de tensiones internas y algunos cambios microestructurales (apróx a 200 °C),los cambios producidos no afectan apreciablemente la microestructura, en principio el efecto principal es el alivio de esfuerzos internos, que conllevan al agrietamiento por tensión Comprende los siguientes fenómenos:

• Aniquilación de defectos puntuales: difusión de vacancias hacia dislocaciones y bordes de grano

• Poligonización: ordenamiento de dislocaciones en una estructura de sub-granos

Fig. . a) Dislocaciones de Energía de deformación b) Dislocaciones de Energía de deformación

RECRISTALIZACION Al sobre pasar la temperatura de recuperación, aparecen nuevos cristales equiaxiales, con la misma composición y estructura reticular que los granos originales, en los limites de grano y planos de deslizamiento.

La T recristalizacion. es aquella en la cual un mat., se recristaliza por completo en 1 horaA mayor cant. De deformación previa menor la temp. Necesaria para iniciar el proceso de recristalización debido a la mayor energía interna.Al aumentar el tiempo de recocido disminuye la Temp. De recristalización A menor tamaño de grano y menor Temp., de trabajo en frió inicial menor la Temp., de recristalización, debido a la mayor deformación introducida al material.Para que se inicie en necesario una cantidad mínima de trabajo en frió generalmente entre 2 y 8%

RECRISTALIZACIÓNConsiste en la aparición de nuevos cristales en la microestructura mediante la aplicación de una temperatura suficientemente alta; surgiendo éstos en zonas de alta densidad de dislocaciones.

Temperatura de recristalización: temperatura a la a la que un material altamente trabajado en frío, recristaliza por completo en una hora

• El proceso de recristalización puede ser descrito por:

1/t = k exp (-Q/RT)

t = tiempo para recristalizar una fracción de la estructura deformada k = constanteQ = energía de recristalización R = constante de gases ideales T = temperatura absoluta (°K) Figura . Efecto de la Temperatura en los

tiempos de inicio y fin de recristalización

• Mecanismos que ocurren durante la recristalización:

Nucleación ( deformación velocidad de nucleación tamaño de grano)

Crecimiento de grano

Cinética de Recristalización:

Figura . Curvas signoidales

Crecimiento de grano. La microestructura que se obtiene durante la recristalización aparece de forma espontánea. Dicha microestructura es estable en comparación con la estructura correspondiente al estado original con acritud. Sin embargo, la microestructura de recristalización contiene una elevada concentración de bordes de grano. La reducción de esas entrecaras de alta energía constituye un método para lograr una mayor estabilización de un sistema

Crecimiento de grano: depende de varios factores, entre los cuales:

Grado de deformación inicial Tamaño de grano

Tiempo a la temp., de recocido Tamaño de grano

Temp. De Recocido Tamaño de grano

Tiempo de Calentamiento Tamaño de grano

Impurezas insolubles Tamaño de grano

PROCESOS INDUSTRIALES DE RECOCIDOa) Recocido Continuo

a) Recocido Estático

Fig. . Configuración de una base de recocido Estático (monopila)

Fig. . Esquema de un hormo de recocido estático

PARAMETROS DE RECOCIDO

Las etapas de este tratamiento se dividen en: Calentamiento hasta una temp., ligeramente superior a la critica, Permanancia a la temp., para conseguir el edo., austenitico, y enfriamiento. Se puede decir que la vel., de enfriamiento es la diferencia los tratamientos de RECOCIDO, TEMPLE Y NORMALIZADO

PARAMETROS DE RECOCIDO. CALENTAMIENTO

Las piezas de poco espesor y de forma sencillas pueden introducirse en los hornos calientes (750°C-850°C)Piezas con mas de 200 mm de diametro no se pueden introducir en hornos con mas de 350°CPara piezas el calentamiento debe hacerse lentamente para que haya una menor dif., de temperaturas entre el interior y la periferiadif., de temp altas tensiones internas efectos de dilatación y

contracción GRIETAS

Calentamiento de un redondo de 500 mm, desde temp., ambiente hasta 860°C

PARAMETROS DE RECOCIDO. CALENTAMIENTO

Para evitar que las tensiones generan grietas, la diferencia de temperatura en la seccion transversalentre dos puntos equidistantes 25mm no sea superior a 20°CPara esto la duracion del calentamiento (desde temp. ambiente a 850°C) debe ser de superior a media hora por pulgadas de diametro Tiempo requerido por los

redondos de acero de diferentes diamatros para alcanzar la temp., del horno

PARAMETROS DE RECOCIDO. CALENTAMIENTO

El estado superficial de la muestra a tratar térmicamente tiene una influencia en los tiempos de tratamiento.

Las piezas oxidadas presentan menores tiempos de calentamiento que las mecanizadas

PARAMETROS DE RECOCIDO. TIEMPO DE PERMANENCIA

La duracion del calentamiento depende de: la masa de las piezas, de la temperatura, de la velocidad de calentamiento, de la clase de acero y del estado inicial y final del material al acero sobrepasar las linea critica inferior y superior, se debe transformar todo el material en austenita, sin embargo, existen diferencia en porcentaje de carbono PORQUE que deben eliminarse En general, el tiempo de permanencia oscila entre media hora y una hora por pulgada de espesor, dependiendo de la velocidad de calentamiento.

Crecimiento de los granos de austenita durante el calentamiento

Una vez formada la austenita en toda la masa, los cristales de esta tiende a crecer para disminuir se energía.

El excesivo crecimiento de los cristales de austenita en contraproducente para las propiedades finales deseadas

ESTA CONDICION SE PUEDE REVERTIR REALIZANDO VARIOS RECOCIDOS VARIANDO LAS TEMPERATURAS DE CALENTAMIENTO DESDE MUY ALTAS CON RESPECTO A A3 U ACM

PARAMETROS DE RECOCIDO. TIEMPO DE PERMANENCIA

QUEMADO DE ACERO

Cuando las temperaturas de tratamiento térmicos son muy elevadas, cercanas a la de fusión el acero experimenta una fusión parcial de los bordes de grano, conllevando a la perdida de cohesión entre los granos. Lo que lo hace frágil al deformarlos. ESTA CONDICION NO TIENE REGENERACION.

PARA LOS ACEROS MUY BAJO CARBONO 1350PARA ACEROS 0,5 C 1300PARA ACEROS 0,9 C 1200

PARAMETROS DEL RECOCIDOENFRIAMIENTO

Para comenzar el enfriamiento toda la masa deber esta homogeneizada en composición y temperatura.

Las velocidades de enfriamiento industriales oscilan entre 10 y 100 C/h por lo que los puntos críticos de transformación varían

El recocido termina cuando todos los cristales de austenita se transforman durante el enfriamiento, después de esto el material puede ser extraído del horno

En general para aceros al carbono las temperaturas finales serán entre 600 y 650 para aceros al carbono, para aceros aleados 500 a 650.

Recocidos Aceros hipereutectoides

Para los aceros hipereutectoides y/o de herramientas, las temperaturas de tratamiento estan comprendidaes entre A1 y Acm, alcanzando el estado austenitico alrededor de 70 a 90% dependiendo de la composición.

Esta condicion se debe a que las temp de autenizacion de estos aceros son muy altas, generando en el material excesivo crecimiento de grano y mayor posibilidad de agrietamiento.

ESTE TIPO DE MATERIALES SE PREFIERE TRATAR EN RECOCIDOS ISOTERMICOS