LABORATORIO Nº1 1.
TITULO: RECOCIDO Y NORMALIZADO DE LOS ACEROS 4340 Y EJE DE TRANSMISION(3215)
2.
OBJETIVOS:
2.1 Obtener microestructura próxima a la de equilibrio (ferrito-perlíticas, que son más blandas que las bainíticas o martensíticas) para que el acero tenga una dureza apropiada y útil. 2.2 Ablandar el acero para poderlo mecanizar o para conformado en frio. 2.3 Con el normalizado obtener estructuras ferrito - perliticas, “normal del acero” es decir un tamaño de grano ferritico igual o inferior al valor ASTM 7 y perlita laminar fina.
3.
FUNDAMENTO TEÓRICO:
DIAGRAMAS TTT: Estos diagramas grafican las condiciones (temperatura-tiempo) en que ocurre la transformación de la austenita para cada tipo de acero. En la Fig. 1 se muestra un método experimental para su trazado. Consiste en calentar en un baño líquido a la temperatura de austenización correspondiente, varias probetas pequeñas del acero en estudio, extraerlas e introducirlas rápidamente en otro baño que se mantiene a la temperatura de reacción deseada. Su pequeño tamaño les permite enfriarse hasta dicha temperatura en una fracción de segundo. Transcurrido un cierto tiempo, una de ellas es extraída y sumergida en agua. Esto detiene la reacción produciendo el cambio casi instantáneo de la austenita remanente en martensita. A continuación se examina en el microscopio siendo usualmente fácil distinguir la porción de austenita que ha reaccionado isotérmicamente, de la que se ha transformado en martensita durante el enfriamiento posterior. En la parte inferior de la figura se ha representado tiempo de Reacción vs. Porcentaje de transformación alcanzado. Con esto se traza el diagrama TI, cuyas curvas resumen los datos de reacción isotérmica de la austenita para todas las temperaturas.
FiguraFIG. 1: 1: REACCIÓN ISOTÉRMICA DE LA AUSTENITA DE 0,8%C A 700 C
La forma de las curvas de los diagramas refleja que cuando la temperatura de transformación desciende por debajo de Ac1, la reacción isotérmica va rápidamente en aumento porque la austenita es cada vez más inestable, pero, a temperaturas aún más bajas, la disminución de la velocidad de difusión tiene un efecto predominante y la transformación se retarda.
EFECTO DE LA COMPOSICIÓN: La composición química de un acero y en especial el contenido de los elementos aleantes, es el factor que influye más decisivamente en la forma y situación de lacurva de la “S”, Además, para una dada composición, el tamaño de grano y la homogeneidad de la austenita, ejercen también una gran influencia. La mayoría de los elementos aleantes retardan la transformación isotérmica de la austenita; por lo tanto, las curvas TI son desplazadas a la derecha. Los distintos elementos difieren en el tipo e importancia de los efectos; el carbono es el más potente, pero su contenido en el acero está normalmente determinado por otras consideraciones. Los elementos que forman carburos, especialmente el cromo y el molibdeno, retardan la transformación perlítica en una proporción mayor que la transformación bainítica. Esta tendencia es bien clara en el diagrama TI del acero SAE 4340, de la Fig. 2, que posee pequeñas cantidades de Cr y Mo.
Figura 2
Estos diagramas TI, de transformación isotérmica, se utilizan para predecir el tiempo que debe permanecer el acero a una dada temperatura hasta completar los cambios estructurales. Pero la mayoría de los tratamientos térmicos industriales se realizan enfriando de forma continua las piezas, desde la temperatura de austenización; esas curvas de enfriamiento no pueden ser colocadas directamente sobre los diagramas TI.
No obstante se ha comprobado que los fenómenos que se presentan en ambos modos de transformación de la austenita, son bastante parecidos, empezando en los enfriamientos continuos a temperaturas un poco más bajas. De una forma similar a la descrita anteriormente, se han trazado los diagramas TC o de transformación continua, cuyas curvas están ligeramente desplazadas a la derecha y hacia abajo, respecto a las obtenidas isotérmicamente. Con ellos se puede conocer la estructura que se obtendrá para cada velocidad de enfriamiento, y la velocidad crítica de temple, tangente a la nariz, que es la mínima velocidad de enfriamiento para la que se produce la transformación completa de austenita en martensita. En la Fig. 3 se representa el diagrama TC del acero SAE 4140. Las curvas de enfriamiento indicadas con los números 2, 4, 8, 16 y 48, se determinaron a lo largo de la probeta Jominy, que se describirá más adelante.
Figura 3:
Cuando las temperaturas de comienzo y fin de la transformación martensítica, Ms y Mf, son bajas y la nariz perlítica se encuentra desplazada a la derecha del diagrama, se dice que el acero es más templable. En estos casos, la velocidad crítica es menor y puede obtenerse martensita templando en medios menos severos, como el aceite. Al mismo tiempo, la templabilidad de un acero indica su capacidad para adquirir dureza en el temple y que ésta penetre hacia el interior de la pieza. En general, puede afirmarse que cuando el diámetro de la pieza supera los 25 mm, si se desea obtener más de 50% de martensita en el núcleo es necesario emplear aceros de alta templabilidad, es decir, aceros aleados.
Los diagramas TTT son datos que proveen los fabricantes de los aceros y se usan para determinar las condiciones adecuadas de los tratamientos térmicos para obtener las propiedades mecánicas especificadas en los planos de las piezas.
TRATAMIENTOS TÉRMICOS: El tratamiento térmico es una operación o combinación de operaciones que comprenden el calentamiento o enfriamiento del metal, con el fin de mejorar algunas propiedades, en relación con la condición srcinal del material. Los propósitos generales del tratamiento térmico son la eliminación de tensiones internas, homogeneización de las estructuras de moldeo, afino de grano y cambio de estructura. Todos los procesos básicos de tratamiento térmico del acero incluyen la transformación o descomposición de la austenita. Para realizar el tratamiento térmico tenemos que calentar la muestra de acero hasta una temperatura por encima de la temperatura crítica superior para formar austenita. Normalmente la velocidad de enfriamiento en un mismo tratamiento no influye demasiado en las propiedades finales del acero, siempre que se haga razonablemente lento. Los principales tratamientos térmicos que se aplican a una muestra de acero son: recocido total, recocido de esferoidización, recocido para eliminación de esfuerzos, recocido de proceso, normalización y templado.
Figura 4:
Figura 5:
La gran variedad de propiedades de los aceros, desde blando y dúctil hasta duro y frágil, es, en gran parte, consecuencia de la transformación alotrópica del hierro y de los importantes efectos producidos por el carbono. Para controlar esas propiedades se usan los tratamientos térmicos, que consisten en calentar y mantener las piezas a temperaturas adecuadas durante cierto tiempo, y luego enfriarlas convenientemente. De esta forma se modifica la estructura microscópica, se verifican transformaciones físicas y, en algunos casos, hay cambios en la composición química. El tiempo y la temperatura son los factores principales y deben ser fijados previamente, de acuerdo a la composición química, la forma y el tamaño de las piezas y las propiedades finales que se desean obtener. En condiciones de enfriamiento lento los cambios de fase que tienen lugar en los aceros pueden predecirse mediante el diagrama de equilibrio Fe-C. Pero si las transformaciones no se producen en equilibrio se obtendrán otras fases y constituyentes, que adquieren gran importancia cuando se trata de modificar las propiedades mediante los tratamientos térmicos. Variando la velocidad de enfriamiento se observan los siguientes fenómenos: 1.
3. 4. 5.
Disminución de las temperaturas de comienzo de formación de ferrita (Ac3) y eutectoide (Ac1) La transformación eutectoide ya no ocurre a temperatura constante y su concentración de carbono es menor a 0,8 % Disminución de la cantidad de ferrita libre, hasta desaparecer Afinamiento de la perlita Formación de troostita (intermedio de temple)
6. 7.
Crecimiento acicular de la ferrita Cuando la difusión está limitada, formación de martensita
2.
8.
Surgimiento de otra estructura (entre la perlita y la martensita), denominada bainita, en la que la ferrita crece en forma acicular y la cementita precipita en su interior Esta gama de estructuras que aparecen según las condiciones a la que ocurre la transformación alotrópica desde la austenita, se representan en los diagramas temperatura/tiempo/transformación o diagramas TTT. En la mayoría de los tratamientos térmicos, el calentamiento debe hacerse hasta unos 30 a 50 C por encima de la temperatura Ac3 obtenida del diagrama Fe-C. Las piezas deben colocarse en el horno frío y la temperatura debe elevarse lentamente, tanto más cuanto mayor sea la sección de la pieza para evitar tensiones por dilataciones desiguales entre el núcleo y la superficie; incluso en algunos casos se especifica un precalentamiento. La pieza debe permanecer en el horno hasta que la temperatura se iguale en todos sus puntos y la estructura se homogenice. Una regla conservadora recomienda que el tiempo de permanencia sea de una hora por pulgada de espesor. Si la temperatura es demasiado alta o el tiempo excesivo, se producirá un sobrecalentamiento, es decir, se obtendrá un tamaño de grano basto (muy grande) y las propiedades mecánicas del acero empeorarán. Cuando no llega a producirse alteración de los bordes de grano, luego del sobrecalentamiento puede regenerarse la estructura mediante otro tratamiento térmico. En cambio, si penetra oxígeno en ellos, se produce un quemado, que ya no puede corregirse.
TRATAMIENTOS CON ENFRIAMIENTO LENTO: Consisten en la austenización seguida de un enfriamiento controlado, generalmente en horno o al aire, de modo de producir microestructuras próximas a las de equilibrio. Dentro de esta clasificación se incluyen los procesos denominados normalizados y recocidos. Los productos forjados, las piezas coladas y el acero laminado en caliente se normalizan para producir una estructura más uniforme que, en general, mejora las propiedades y conduce a un resultado óptimo en cualquier tratamiento térmico posterior. Con el normalizado también se eliminan tensiones internas y se uniformiza el tamaño de grano del acero. En cambio, el objetivo principal del recocido es ablandar el acero, de modo de obtener la maquinabilidad o deformabilidad óptima.
1.
RECOCIDO:
Todos los tipos de realización del tratamiento térmico, que tienen como consecuencia un refrigeramiento lento generalmente luego de calentar la pieza de trabajo a una temperatura determinada, se denominan como recocido. Como el calentamiento se debe realizar lentamente, uniformemente y enérgicamente, se prefieren especialmente hornos como fuente térmica, que tengan dispositivos de medición de la temperatura. Si no existe
ninguna posibilidad de medir la temperatura exactamente, se debe valorar entonces de forma aproximada basándose en la coloración del material durante el calentamiento: Valores aproximados de coloración para aceros sin aleación, ricos en carbono:
COLOR DE RECOCIDO TEMPERATURA TEMPERATURA °C K
Figura 6:
carmelito ennegrecido 520 ... 580
793 ... 853
rojo carmelito
580 ... 650
853 ... 923
rojo oscuro
650 ... 750
923 ... 1023
rojo cereza oscuro
750 ... 780
1023 ... 1053
rojo cereza
780 ... 800
1053 ... 1073
rojo cereza claro
800 ... 830
1073 ... 1103
rojo claro
830 ... 880
1103 ... 1153
rojo amarillo
880 ... 1050
1153 ... 1323
amarillo oscuro
1050 ... 1150
1323 ... 1423
amarillo claro
1150 ... 1250
1423 ... 1523
blanco
1250 ... 1350
1523 ... 1623
El reconocimiento de la diferencia de coloraciones requiere un medio ambiente oscurecido y gran experiencia para valorar aproximadamente. Esta sinopsis no puede ser empleada para aceros aleados.
PRINCIPIO Y TIPOS DE LOS PROCEDIMIENTOS DE RECOCIDO: El recocido se realiza en tres etapas de trabajo: 1. 2. 3.
Calentamiento del material a la temperatura de recocido. Mantenimiento de la temperatura sobre un tiempo determinado. Refrigeramiento lento del material.
Las piezas de trabajo deben ser preparadas limpiamente, herrumbe y oxido deben ser retirados antes del recocido! De acuerdo a las propiedades exigidas del material se emplean diferentes procedimientos de recocido. Todo metal que haya sido previamente trabajado en frío, sean por medio de los mecanismos de deformación plástica por deslizamiento y por maclaje logra alterar las propiedades mecánicas de este metal. El resultado del trabajo en frío es deformar los granos dentro del metal adicionando imperfecciones a los cristales que servirán de anclaje evitando el movimiento interplanar con el consiguiente aumento de las propiedades de
Dureza, la resistencia a la Tensión y la resistencia eléctrica; y, por el contrario, disminuyo la ductilidad. Se puede entender el recocido como el calentamiento del acero por encima de las temperaturas de transformación a la fase austenítica seguida de un enfriamiento lento. El resultado de este lento enfriamiento es el de obtener un equilibrio estructural y de fase en los granos del metal. Dependiendo del porcentaje de carbono; luego del recocido se pueden obtener diversas estructuras tales como Ferrita+Cementita en los aceros Hipoeutectoides; Perlita en los aceros Eutectoide; y Perlita+Cementita en los aceros Hipereutectoides. El fin último del recocido del acero tiene baja dureza y resistencia. El recocido total es el proceso mediante el cual la estructura distorsionada en frío retorna a una red cuyo estado se halla libre de tensiones por medio de la aplicación de calor. Este proceso se efectúa totalmente en estado sólido y puede dividirse en las tres etapas siguientes: Recuperación, Recristalización y Crecimiento del Grano.
1.
RECUPERACIÓN:
La deformación plástica que ha sufrido un metal provoco la operación de esfuerzos internos que distorsiona la red cristalina incrementando la dureza y disminuyendo la ductilidad del metal. Si llevamos la muestra de metal a una temperatura superior a la ambiental pero por debajo de la temperatura de austenización; las propiedades mecánicas de este no variaran en gran medida lo que es cónsono con la mínima variación de la microestructura del metal. Siendo el único efecto apreciable el del alivio de los esfuerzos internos productos de la deformación plástica. Cuando calentamos el metal las dislocaciones se mueven y reagrupan mientras que los esfuerzos residuales se reducen. Durante esta etapa aumenta relativamente la conductividad eléctrica del metal tratado.
2.
RECRISTALIZACION:
Si el calentamiento continúa, el grano srcinal donde están presentes las dislocaciones dará lugar a granos de menor tamaño que estarán libres de imperfecciones y de esfuerzos residuales. Estos nuevos granos no presentan la forma alargada de los granos srcinales sino que son más uniformes en sus dimensiones. Esta parte del proceso tiene como fin último el refinar el tamaño del grano, eliminando las tensiones internas y disminuyendo la heterogeneidad estructural, el recocido contribuye a mejorar las propiedades de plasticidad y viscosidad en comparación con las obtenidas después de fundido forjado o laminado. El proceso de Recristalización requiere elevar la temperatura por debajo del cual no se dará el proceso de recristalización, mas esta temperatura no es un valor definido sino una temperatura aproximada que recibe el nombre de Temperatura de Recristalización
definida como "La temperatura aproximada a la que un material altamente trabajado en frío se recristaliza por completo en una hora". La Temperatura de Recristalización depende de diversos factores pero entre los principales tenemos: 1. 2. 3. 4. 5.
La severidad de la deformación plástica. El tamaño del grano srcinal deformado plásticamente. La temperatura a la cual ocurre la deformación plástica. El tiempo en el cual el metal deformado plásticamente es calentado para obtener la temperatura de Recristalización. La presencia de elementos disueltos en el metal.
Obsérvese que a mayor cantidad de deformación previa, menor será la temperatura necesaria para iniciar el proceso de la Recristalización debido a la mayor distorsión y a la mayor cantidad de energía interna disponible. Si aumentamos el tiempo de recocido lograremos disminuir la temperatura de Recristalización. Si la intensidad del trabajo en frío es similar en dos muestras; aquella que presente el grano más fino introducirá un mayor endurecimiento por deformación en el metal y por lo tanto, menor será la temperatura de Recristalización que en aquella de grano mayor. Si la deformación en frío ocurre a una temperatura menor en una muestra que en otra, mayor será el grado de deformaciones introducidas disminuyendo efectivamente la temperatura de Recristalización para cierto tiempo de recocido que en la otra muestra.
6.
CRECIMIENTO DE GRANO:
El crecimiento del grano ocurre debido al proceso de coagulación y reorientación del los granos adjuntos y esto es función de el tiempo y la temperatura. Conforme la temperatura aumenta, la rigidez de la red disminuye produciendo un incremento en la rapidez de crecimiento del grano. Los granos grandes tienen menor energía libre que los de tamaño menor. Esto está asociado con la menor cantidad de área de frontera de grano y está relacionada con la fuerza que impulsa el crecimiento del grano. Dicho lo anterior; el tamaño final del grano estará determinado por los parámetros de la energía libre del grano y el grado de rigidez de la red cristalina. Por tanto, la nucleación y el posterior crecimiento del grano comprendidos en el proceso de recocido serán los factores a controlar para la obtención de propiedades ultimas acorde con las necesidades. Si se favorece una nucleación rápida y un crecimiento lento se obtendrá como resultado un material de grano fino con el incremento en la tenacidad o resistencia al impacto con el aumento en la dureza; en cambio, si la nucleación es lenta y el crecimiento del grano es rápido en tamaño del grano será grueso con el resultado de que el metal disminuye su tenacidad y su maquinabilidad y en cambio aumenta su ductilidad.
1.
RECOCIDO COMÚN:
El recocido es el tratamiento con enfriamiento muy lento, en horno, desde la fase austenítica. Como se indica en la figura 7, cuando se trata del recocido de aceros hipereutectoides, el calentamiento debe realizarse sólo ligeramente por encima de la temperatura eutectoide para evitar la formación de una red de cementita en los límites de grano de la austenita, que fragilice el material.
Fi . 8: Tratamientos con enfriamiento lento Fig. 7: Temperaturas recomendadas Según se desprende de la representación del tratamiento en el diagrama TTT de un acero hipoeutectoide (Fig. 8 en gris claro), la estructura queda constituida por ferrita proeutectoide (o libre) en bordes de grano y perlita gruesa, con tamaño de grano ASTM 6 - 7. Las cantidades relativas de los constituyentes se obtienen con gran aproximación por medio de un análisis de fases en el diagrama Fe-C. A través de la deformación en caliente o en frio para el enderezamiento, doblaje, martilleo y fundición, así como en los alrededores de los cordones de soldadura se deforma la estructura del material y se refuerza parcialmente. Las propiedades de trabajo de piezas sometidas a gran esfuerzo y partes constructivas de la construcción de maquinas se hacen inapropiadas con esto. A través del recocido normal se compensan las irregularidades en la estructura y se alcanza una estructura de granulado fino.
Procedimiento: 1. 2. 3.
Calentamiento a temperaturas entre 750° C y 980° C conforme al contenido de carbono del material. Mantenimiento de la temperatura conforme al espesor del material. Refrigeramiento lento al aire.
Figura 9: Diagrama de tiempo y temperatura del recocido normal 1 calentamiento, 2 suspensión, 3 refrigeramiento lento, I temperatura, II tiempo 4.
RECOCIDOS DE ALTA TEMPERATURA:
Estos tratamientos se aplican a los aceros de bajo carbono y de cementación para favorecer el mecanizado. Consisten en calentar unos 300 C por encima de la temperatura de austenización y mantenerla durante un tiempo prolongado. Si se trata de lograr una estructura de granos grandes, ASTM 3-4, se lo denomina Recocido de embastecimiento del grano. (Figura 10). Cuando el mantenimiento a temperatura es suficiente para atenuar las heterogeneidades en la composición química, se lo denomina Recocido de homogeneización o de difusión; y se utiliza para corregir las estructuras de solidificación, en piezas fundidas. Otro objetivo de los recocidos de alta temperatura es resolver definitivamente el problema del banding, ya que así se consigue disolver las impurezas que dan lugar a la nucleación de la ferrita en forma de bandas. Se requiere un normalizado posterior, para llevar al acero a un tamaño de grano adecuado.
Figura 10: Marcha de los tratamientos con enfriamiento lento
5.
RECOCIDO ISOTÉRMICO O DE PERLITIZACIÓN:
Este tratamiento se representa en el diagrama TTT de transformación isotérmica (figura 11). Consiste en un calentamiento hasta la temperatura de austenización, enfriamiento hasta una temperatura comprendida dentro del intervalo de formación de la perlita, mantenimiento a esa temperatura el tiempo necesario para completar la transformación y enfriamiento a cualquier velocidad. Se aplica para obtener una estructura homogénea de perlita, con muy buena respuesta al temple y sin la descarburación que se produciría en un enfriamiento en horno.
Figura 11:
1.
Tratamiento isotérmico de perlitización
RECOCIDO DE GLOBULIZACIÓN O ABLANDAMIENTO:
Consiste en calentar un acero a temperaturas apenas sobre Ac1 y mantenerla oscilando alrededor de este valor, enfriándola luego lentamente (Fig. 12). De este modo se consigue una matriz de ferrita con cementita globular. Este tratamiento se aplica a los aceros de alto contenido de carbono para mejorarle la deformabilidad y maquinabilidad. Su uso se ha extendido a otras composiciones para facilitar la extrusión en frío. Materiales templados o ricos en carbono (sobre 0,9 %) se dejan trabajar de mala manera para el arranque de virutas o no se dejan deformar bien en frio. Con el fin de poder trabajar estos materiales más fácilmente, se les hace un recocido de ablandamiento.
Procedimiento: 1.
2. 3.
Calentamiento a una temperatura entre 650° C y 750° C; también es posible un funcionamiento pendulante alterno de calentamiento y refrigeramiento mínimo a 723° C. Mantenimiento del intervalo de temperatura entre 3 y 4 horas de acuerdo al tipo de material y del espesor del material. Refrigeramiento lento.
Figura 12: Diagrama de tiempo y temperatura del recocido de ablandamiento 1 calentamiento, 2 suspensión (pendulamiento), 3 refrigeramiento lento, I temperatura, II tiempo 4.
RECOCIDO DE ELIMINACIÓN DE TENSIONES:
Consiste en el calentamiento a una temperatura inferior a AC1, casi siempre entre 550 y 650 C, seguido de un enfriamiento lento. De este modo, activando la movilidad atómica, se consigue que éstos retomen sus posiciones originales, aliviando al acero de tensiones internas. Este Recocido se diferencia del Recocido Total ya que el acero es calentado hasta una temperatura más baja (un poco más alta que la línea de temperatura eutectoide). Para los aceros hipoeutectoides el recocido incompleto, como también se llama este proceso, se utiliza para la eliminación de los esfuerzos internos y mejorar la facilidad de elaboración por corte. Este proceso solo produce la recristalización parcial del acero a cuenta de la transformación Perlita _ Austenita. La Ferrita en exceso solo parcialmente pasa a la solución solida y no se somete totalmente a la recristalización.
Este proceso facilita el tratamiento mecánico en caliente de aquellos acero hipoeutectoides que no formaron un grano basto dentro de la estructura. 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. Se lo recomienda luego de solidificación y operaciones mecánicas o térmicas, incluidos procesos de soldadura, para evitar fisuraciones. A través del refrigeramiento diferente de acero fundido o laminado o por medio de la deformación en frio se presentan tensiones en el material, las cuales tienen como consecuencia una deformación de la pieza de trabajo. Estas tensiones pueden ser eliminadas en gran parte a través del recocido.
Procedimiento: 1. 2. 3.
Calentamiento a una temperatura entre 550° C y 650° C. Mantenimiento de la temperatura entre 30 y 120 minutos de acuerdo al espesor de la pieza de trabajo. Refrigeramiento lento y uniforme en ceniza caliente o en el horno.
Figura 13: Diagrama del tiempo y la temperatura del recocido de poca tensión 1 calentamiento, 2 suspensión, 3 refrigeramiento, I temperatura, II tiempo
4.
RECOCIDO DE RECRISTALIZACIÓN:
Este tratamiento se aplica a los aceros después de la deformación en frío, cuando el endurecimiento alcanzado impide continuar con el proceso de conformado. El objetivo es destruir ese endurecimiento provocado por el conformado, y su resultado depende del grado de deformación previa, de la temperatura de recristalización y de la forma de realizar el calentamiento. Consiste en recalentar el acero a una temperatura por debajo de A1, que depende del tipo
de acero y del grado de deformación alcanzado. Cuanto mayor sea éste, más pequeños serán los granos recristalizados. En la Fig. 14 se representan las propiedades mecánicas aproximadas que se obtienen mediante los tratamientos de normalizado y recocido.
Propiedades de los aceros al C recocidos y normalizados.
5.
ESFEROIDIZACIÓN:
Es un proceso por el cual se mejora la maquinabilidad. El método que suele emplearse es el mantenimiento durante un tiempo prolongado a una temperatura ligeramente inferior a la línea crítica inferior. Este tipo de proceso se emplea para obtener una mínima dureza, una máxima ductilidad o una máxima maquinabilidad en aceros al alto carbono. Los aceros al bajo carbono (como lo son nuestras muestras) rara vez esferoidizan por maquinado, porque en la condición de esferoidizados son excesivamente suaves. Cuando un acero hipereutectoide es tratado por medio del Recocido Total, el porcentaje de Carbono que posee favorece la formación de una red Cementítica entre los limites de granos debido a la segregación que producirá en el acero una maquinabilidad deficiente y un aumento de la dureza. El Recocido de Esferoidización tendrá por finalidad mejorar la maquinabilidad del acero y la forma en que lo hace es destruyendo la red de cementita en pequeños fragmentos; este
proceso favorecerá la formación de Carburo Esferoidal o globular en una matriz Ferrítica. La forma esferoidal adquirida se debe a que es la forma geométrica que menor energía libre posee en relación a su entorno. Existen tres métodos utilizados para la Esferoidización de los aceros hipereutectoides dentro de la industria metalúrgica que son los siguientes: 1. 2. 3.
Mantener durante un tiempo prolongado a una temperatura justamente por debajo de la línea crítica inferior. Calentar y enfriar alternadamente entre las temperaturas que están justamente por encima o por debajo de la línea crítica inferior. Calentar a una temperatura o por encima de la línea enfriar muy lentamente en horno o mantener a una temperatura justo por debajo de la línea crítica inferior.
Por el contrario si se eleva mucho la temperatura por encima de la temperatura critica inferior no solo se despedazara la red cementítica sino también la estructura Perlítica obtenida por el Recocido Total realizado anteriormente. Este tratamiento Térmico puede considerarse con el tratamiento final para los aceros hipereutectoides si es deseada una estructura con mínima dureza, máxima ductilidad o una mayor maquinabilidad.
4.
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. El Recocido de Proceso es aquel utilizado en la producción de alambres y laminas de acero. En este proceso, el acero aleado es calentado igual que en el Recocido Total pero su enfriamiento es relativamente más rápido que en el Recocido Total. La temperatura de Recocido está entre 1000 a 1250 °F. Este proceso se aplica después del trabajado en frío y suaviza el acero, mediante la recristalización, acelerando el proceso. A esta temperatura se realiza la descomposición Austenítica, después de lo cual se realiza el enfriamiento. La ventaja de este Recocido consiste en la disminución de la duración del tiempo del proceso, sobre todo para los aceros aleados, que son enfriados lentamente con el objeto de disminuir la dureza a los valores requeridos. Otra ventaja obtenida es una estructura más homogénea, puesto que con las exposición al calor, se equilibra toda la sección y la transformación en todo el volumen del acero transcurrirá con igual grado de sobreenfriamiento.
5.
RECOCIDO TOTAL:
El recocido Total es el proceso consistente en calentar el acero a cierta temperatura y luego enfriar lentamente a lo largo del intervalo de transformación, preferentemente en el horno o en cualquier material que sea buen aislante al calor. El propósito del recocido es el de refinar el tamaño del grano, proporcionar suavidad, mejorar las propiedades eléctricas y magnéticas y mejorar el maquinado. Dentro del Recocido Total, el acero es calentado aproximadamente a 100 °F por encima de la temperatura crítica manteniendo el metal por un prolongado período de tiempo. Luego, la muestra es enfriada a temperatura ambiente en un enfriamiento muy lento. El calentamiento desde la temperatura ambiente hasta antes de llegar a la temperatura critica no ocurrirá cambios en el tamaño de los granos; pero al cruzarse la línea crítica hasta por encima de 50 °F provocara que las áreas de perlita se transformen en pequeños granos de austenita por medio de la reacción eutectoide, mas los granos de ferrita iniciales permanecerán invariables. Si el acero es hipoeutectoide o hipoeutectoide la temperatura recomendada para en Recocido Total será de 50°F por encima de la temperatura crítica de la aleación. Si se realiza el enfriamiento desde este punto, no se lograra refinar el tamaño del grano. Si se continúa el calentamiento hasta llegar a la regia Austenítica se lograra que los granos de Ferrita se transformen en pequeños granos de Austenita de forma tal que toda la estructura presentada será de pequeños granos austeníticos. Llevando luego este metal por medio de un enfriamiento apropiado se observara que la microestructura se encuentra presente pequeños granos de Ferrita Proeutectoide y pequeñas áreas de Perlita Laminar Gruesa; hablando siempre de los aceros hipoeutectoides. Para los aceros hipereutectoides la microestructura durante el proceso se describe como gruesos granos austeníticos durante el calentamiento que dará lugar a la formación final de grandes áreas de formación Perlítica gruesas de tipo Laminar. Pero los espacios entre los límites de granos estarán ocupados por una red de Cementita Proeutectoide. La presencia de esta red de Cementita debilita al acero ya que esta red es un plano de fragilidad por tanto el Recocido Total en los aceros hipereutectoide no puede tomarse como el tratamiento final para este tipo de acero; para mejorar la maquinabilidad de este tipo de acero se debe realizar el siguiente Tratamiento Térmico: La Esferoidización. 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, que en nuestro caso se trata de una muestra de acero hipoeutectoide y corresponde el proceso al diagrama siguiente representado en la figura. 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 15:
Partiendo de una muestra de acero hipoeutectoide (0.2% de carbono en la figura 1), calentamos progresivamente. En la (fig.15a) se observa la microestructura de las fases perlita y ferrita. Al calentar y traspasar la línea crítica inferior (A1), la perlita se transformará en pequeños granos de austenita por medio de la reacción eutectoide, dejando la ferrita inalterada (fig.15b). Al seguir calentando y traspasar la línea crítica superior (A3) los granos grandes de ferrita se transformarán en pequeños granos de austenita con lo que se obtendrá una microestructura de austenita con granos muy pequeños (fig. 15c). Dejando enfriar lentamente la muestra se formarán pequeños granos de ferrita proeutectoide y pequeñas áreas de gruesa perlita laminar (fig.15d). La temperatura adecuada para el recocido en el acero hipoeutectoide es de aproximadamente 10º C por encima de la línea A3. Si realizamos un estudio microscópico de las proporciones de ferrita y perlita presentes en un acero recocido, permitirá determinar el contenido de carbono aproximado en el acero, ya que el contenido de ferrita proeutectoide relativo al contenido de perlita sigue una relación lineal con respecto al contenido de carbono.
NORMALIZADO: El tratamiento térmico de normalización del acero se lleva a cabo al calentar aproximadamente a 20ºC por encima de la línea de temperatura crítica superior seguida de un enfriamiento al aire hasta la temperatura ambiente. El propósito de la normalización es producir un acero más duro y más fuerte que con el recocido total, de manera que para algunas aplicaciones éste sea el tratamiento térmico final. Sin embargo, la normalización puede utilizarse para mejorar la maquinabilidad, modificar y refinar las estructuras dendríticas de piezas de fundición, refinar el grano y homogeneizar la microestructura para mejorar la respuesta en las operaciones de endurecimiento. El hecho de enfriar más rápidamente el acero hace que la transformación de la austenita y la microestructura resultante se vean alteradas, ya que como el enfriamiento no se produce en condiciones de equilibrio, el diagrama hierro-carburo de hierro no es aplicable para predecir las proporciones de ferrita y perlita proeutectoide que existirán a temperatura ambiente. Ahora, se tendrá menos tiempo para la formación de la ferrita proeutectoide, en consecuencia, habrá menos cantidad de esta en comparación con los aceros recocidos. Aparte de influir en la cantidad de constituyente proeutectoide que se formará, la mayor rapidez de enfriamiento en la normalización también afectará a la temperatura de transformación de austenita y en la fineza de la perlita. El hecho de que la perlita (que es una mezcla eutectoide de ferrita y cementita) se haga más fina implica que las placas de cementita están más próximas entre sí, lo que tiende a endurecer la ferrita, de modo que esta no cederá tan fácilmente, aumentando así la dureza. El enfriamiento fuera del equilibrio también cambia el punto eutectoide hacia una proporción de carbono más baja en los aceros hipoeutectoides y más alta en los aceros hipereutectoides. El efecto neto de la normalización es que produce una estructura de perlita más fina y más abundante que la obtenida por el recocido, resultando un acero más duro y más fuerte. La velocidad exacta de enfriamiento depende del tamaño de la pieza a enfriar, del número de piezas en la carga del horno y de la circulación del aire alrededor de las mismas. La temperatura de calentamiento para aceros hipereutectoides está dentro de la región austenítica, porque la velocidad de enfriamiento, al limitar parcialmente la difusión, tiende a evitar la formación de la red de cementita. Del mismo modo, la formación de ferrita libre se suprime parcialmente en los aceros hipoeutectoides, resultando una cantidad de perlita ligeramente más elevada que en equilibrio. La limitación del proceso de difusión, también provoca la aparición de láminas finas en la perlita (el % de perlita resuelta con 400 x en la muestra micrográfica, es un indicador de la velocidad de enfriamiento del acero). Cuando el objetivo del tratamiento es eliminar el defecto de formación de bandas separadas de perlita y ferrita (banding), la difusión debe ser limitada más aún, lo que se consigue enfriando más rápidamente, es decir, en aire agitado.
6.
EQUIPO A USAR:
1. 2. 3. 4. 5.
Horno eléctrico de cámara. Elementos de corte, desbaste, pulido y ataque químico. Microscopio metalográfico. Fotomicrografía. Termocupla hasta 1250⁰C.
6.
Un acero al carbono (SAE 4140).
7.
PROCEDIMIENTO:
En esta práctica se usará el tratamiento de recocido completo. Se compararán con un tratamiento de Normalizado.
Para las muestras del acero aleado: 1.
3.
Mida la dureza en cada una de estas muestras y consérvelos para su examen metalográfico. Coloque una muestra en el horno a la temperatura indicada, déjelos durante una hora y apague la alimentación del horno, saque la muestra y déjelo enfriar en el aire. La otra muestra colóquelo dentro del horno a la temperatura adecuada, déjelo el
4. 5.
tiempo necesario para austenización completa, apague la alimentación del horno y déjelo enfriar lentamente en el interior del horno. Mida la dureza y examine la microestructura en cada una de las muestras. Tener en cuenta su diagrama TTT.
2.
Recocido: Enfriamiento Lento en el Horno
Normalizado: Enfriamiento Rápido al aire
6.
RESULTADOS Y DISCUSÓN DE RESULTADOS:
Acero 4340
Acero 3215( Eje de transmision)
VII- CUESTIONARIO: 7.1. Calcúlese las cantidades relativas de los constituyentes estructurales presentes en los aceros enfriados en el horno por el acero con 0.40 %C, 1.2 %C y acero SAE 5140. 7.2 ¿Es posible determinar el contenido aproximado de carbono de un acero normalizado mediante un estudio microscópico? Explíquese 7.3. ¿Porqué los aceros recocidos muestran un decremento en resistencia tensil cuando tienen un contenido de carbono superior al 0.8 %C? 7.4. ¿Porqué los aceros normalizados con carbono hasta del 1.2 %C muestran un incremento en resistencia tensil y luego una disminución? 7.5. Elabore una tabla para cada uno de los aceros donde registre la dureza obtenida en cada tratamiento. 7.6. Utilizando las curvas TTT; para los aceros utilizados en la práctica, suponga la curva de enfriamiento por recocido completo y normalizado para dichos aceros y pronostique su microestructura y dureza. 7.7. Reporte la microfotografía de las muestras y comente las estructuras resultantes comparando con (6).
1.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN:
8.1.
Acero 0.4%C: 52% Perlita y 48% Ferrita proeutectoide Acero 1.2%C:80% Perlita y 20% Cementita proeutectoide Acero SAE 5140: 0.4 %C, 0.8 %Mn, 0.8 %Cr %E: 0.75 - 0.8 = -0.05 % 0.72 - 0.8 = -0.08 % 0.8 - 0.13 = 0.67 % ______________________P 0.002 0.4 0.67
% = 40.42 % % P = 59.58 %
1.
No es posible, porque todos los aceros no se pueden normalizar (Especial K, Amutik), debido a que su diagrama TTT no nos permite obtener una estructura de equilibrio, resultándonos mezclas de Bainita y Martensita.
2.
La resistencia tensil está dada por:
Resist. Tensil: 40000 (% ferrita) + 120000 (% perlita) 100
Esto no se puede aplicar a los aceros hipereutectoides ya que su resistencia tensil está determinada por la cementita que forma la fase continua. La presencia de la red frágil resulta en una caída en resistencia tensil superior al 0.8 % de carbono. 3.
Porqué el incremento en la rapidez de enfriamiento por aire, afecta en varias formas la transformación de la austenita y de la microestructura resultante. Hay menos tiempo para que se forme ferrita proeutectoide en aceros normalizados hipoeutectoides, y menos cementita proeutectoide en aceros hipereutectoides, en comparación con los aceros recocidos, por lo tanto, para aceros hipereutectoides, la normalización reducirá la continuidad de la red cementita proeutectoide, dando como resultado un aumento en resistencia. Uno de los objetivos de la normalización es la de disolver la red cementita para obtener mejores propiedades de resistencia tensil. La temperatura máxima de normalización es 950 °C, entonces a esta temperatura sólo se podrá disolver cementita hasta 1.2 %C según el diagrama de equilibrio Fe – Fe3C; más allá de 1.2 % no se disolverá por lo que encontraremos menor resistencia tensil. 4.
Tabla: Aceros A615-90 A615-90 9250 9250 A615-90 9250
Tratamientos Normalizado Recocido Normalizado Recocido Original Original
Diámetro leído (mm) 0.62-0.60-0.61=0.61 0.67-0.70-0.67 = 0.68 0.525-0.61-0.53 =0.555 0.66-0.65-0.60 = 0.637 0.63-0.60-0.61 =0.613 0.54-0.46-0.44 = 0.48
DUREZA HB: HB
Donde: P: carga aplicada = 62.5 Kg. D: diámetro indicador= 2.5 mm. d: diámetro leído
2P
D
(D
D2
d2 )
Dureza de los aceros: Aceros A615-90 A615-90 9250 9250 A615-90 9250
Tratamientos Normalizado Recocido Normalizado Recocido Original Original
Dureza (Rc) 210 HB 169 HB 255 HB 193 HB 208 HB 1.
Hacer un informe detallado de la práctica, acompañada de sus respectivas durezas y Fotomicrografía. En esta práctica de Tratamiento Térmico de recocido y normalizado de las 2 muestras de aceros AISI 4140 se realizaron los siguientes pasos: Se introdujeron las probetas 4140 al horno hasta alcanzar su temperatura de Austenización,
SUMINISTRO: 1.
En la probeta de acero AISI 4140, se obtuvo una dureza de 37 Rc.
FOTOMICROGRAFIA 01: En el acero AISI 4140, se observa martensita revenida tipo sorbita. La probeta fue atacada con nital al 3% durante 3 seg, aumento de 200X.
RECOCIDO: 2.
En la probeta de acero AISI 4140, se obtuvo una dureza de 23 Rc.
FOTOMICROGRAFIA 02: Es un acero hipoeutectoide, se observa una parte blanca que viene a hacer la ferrita y la parte oscura es perlita fina. La probeta fue atacada con nital al 3% durante 2 minutos, aumento de 200X.
NORMALIZADO:
3.
En la probeta de acero AISI 4140, se obtuvo una dureza de 31 Rc.
FOTOMICROGRAFIA 02: Es un acero AISI 4140, se observa bainita y martensita la parte blanca es ferrita la oscura martensita en forma de agujas y el negro plumoso es la vainita superior. La probeta fue atacada con nital al 3%, aumento de 200X.
IX. CONCLUSIONES: 1.
De esta experiencia podemos concluir en base a los resultados, que los datos recolectados experimentalmente en el laboratorio van de acuerdo a lo que la teoría formula en cuanto a las propiedades de dureza. El material se hace más blando después de un tratamiento térmico de recocido.
2.
También podemos decir que esta disminución de dureza también es afectada por el tiempo de horneado, a medida que el tiempo de horneado aumenta, la diferencias de la disminución de dureza también aumenta.
1.
BIBLIOGRAFIA: 1.
AVNER, Sydney H., Introducción a la Metalurgia Física, Segunda edición, McGraw-Hill, México,1995.
2.
REED-HILL, Robert E., Principios de Metalurgia Física, Segunda edición, CECSA, México , 1980.
3.
http://www.greenstone.org/greenstone3/nzdl?a=d&c=gtz&d=HASH014e32ed215adb 38c797ca07.6&sib=1&p.a=b&p.sa=&p.s=ClassifierBrowse&p.c=gtz
4.
http://www.uam.es/docencia/labvfmat/labvfmat/practicas/practica4/tipos%20de%2 0enfriamiento.htm#normalizado
5.
http://html.rincondelvago.com/tratamiento-termico-de-recocido.html
