Categoría: metales

La cementación es el más antiguo procedimiento de endurecimiento superficial, consiste en aumentar el contenido en carbono en las superficies de las piezas de acero, rodeándolas con un medio carburante,  y manteniendo todo el conjunto, durante un cierto tiempo a elevada  temperatura. Luego se templan las piezas y quedan con gran dureza  superficial. Se pueden emplear cementantes sólidos, líquidos y gaseosos. Se emplean aceros aleados y sin aleación, de bajo carbono, generalmente de 0.08 a 0.25% de C y excepcionalmente se cementan también aceros hasta de 0.4% de C, a temperaturas comprendidas entre 850° y 1000°C, siendo las temperaturas próximas a 900° las más utilizadas. En el proceso de cementación se pueden distinguir dos etapas distintas: 1. Absorción del carbono por el acero, y 2. Mejoramiento de características por medio de tratamientos térmicos adecuados. La cantidad y distribución del carbono absorbido por las piezas depende: 1. De la composición del acero sometido a la cementación. 2. De la naturaleza de la substancia cementada, y 3. De la temperatura y de la duración de la cementación. Una pieza después de cementada se puede considerar compuesta por dos zonas principales de composición química diferente; el alma o núcleo central y la periferia o capa cementada, existiendo entre ellas otra tercera zona de transición de menor importancia. Por quedar después de la cementación, la capa exterior con un alto contenido en carbono y el corazón con la composición inicial, es posible obtener luego gran dureza en la periferia y  alta tenacidad en el núcleo. Pero, como solo con la cementación, las piezas no adquieren esas propiedades es necesario darles después unos  tratamientos térmicos adecuados. Después de la cementación, la periferia a pesar de tener un elevado contenido en carbono, está todavía relativamente blanda y el núcleo central, aun siendo de muy bajo contenido en carbono, puede ser frágil por tener la estructura muy grosera, por haber permanecido el acero durante mucho tiempo a alta temperatura. Como la periferia y el núcleo central de las piezas cementadas son de distintas composición, necesitaran diferentes tratamientos, pero como ambas son inseparables esos tratamientos deberán ser de tal naturaleza, que actúen favorablemente sobre las dos partes. Cambio mediante la cementación de las propiedades del  material y de su capacidad de ser procesado Los tres métodos de cementación  más comunes son: empacado para carburación, baño líquido y gas. Empacado para carburación: Este procedimiento consiste en meter al material de acero con bajo contenido carbónico en una caja cerrada con material carbonáceo y calentarlo hasta 900 a 927°C durante 4 a 6 horas. En este tiempo el carbono que se encuentra en la caja penetra a la superficie de la pieza a endurecer. Cuanto más tiempo se deje a la pieza en la caja con carbono de mayor profundidad será la capa dura. Una vez caliente la pieza a endurecer a la temperatura adecuada se enfría rápidamente en agua o salmuera. Para evitar deformaciones y disminuir la tensión superficial se recomienda dejar enfriar la pieza en la caja para eriormente sacarla y volverla a calentar entre 800 y 845°C (rojo cereza) y proceder al enfriamiento por inmersión. La capa endurecida más  utilizada tiene un espesor de 0,38 mm, sin embargo se pueden tener espesores de hasta 0.4 mm. Baño liquido: El baño de sales está contenido en crisoles de acero refractario calentados por gas o eléctricamente. Son sales de cianuro de sodio (CNNa) ‚ que, a través de sucesivas reacciones químicas con el oxígeno del aire, producen carbono elemental que difunde hacia el interior del acero. Se usa como activador del proceso el cloruro de bario (Cl2Ba), que acelera la descomposición del cianuro. Las sales están constituidas por 15 a 20 % de CNNa + 15 a 20% de Cl2Ba + CO3Na2. Diariamente se controla la composición del baño, agregando cianuro y eliminando carbonato si fuera necesario. Presenta el mismo inconveniente que la cementación sólida, en cuanto a la dificultad  en la regulación del potencial de carbono.

POTENCIAL DE CARBONO: unidad que se da a la atmósfera cementante y corresponde al porcentaje de C que puede dar en la superficie a una determinada temperatura.>

Los tratamientos isotérmicos son utilizados para  disminuir tensiones, obtener estructuras del tipo bitínico, obtener estructuras homogéneas y lograr propiedades que son imposibles en otros procesos, tales como la resiliencia y la tenacidad. Estos tratamientos isotérmicos son solo una aplicación de los diagramas TTT, en los cuales se llevan los materiales a cierta temperatura y se mantienen constantes durante un determinado tiempo; aunque estos tratamientos tiene un gran limitante, como  son los equipos utilizados para llevar acabo dichos procesos puesto que para  mantener la temperatura constante es necesario hornos con control  automáticos, baños de sales y plomo y su temperatura debe ser mayor ala de fusión. Los tratamientos isotérmicos se clasifican así:  Recocido isotérmico Este proceso consiste en calentar el acero por encima de la temperatura critica superior o interior, luego antes de que la temperatura baje de los 700°C se sumerge en un baño de sales donde la temperatura permanece constante para lograr completa transformación isotérmica de la ausentita, el tiempo de permanencia de la pieza dentro del baño de sales, depende de la composición y el tamaño de la pieza; finalmente esta se deja enfriar al aire. La temperatura de las sales se debe determinar a partir del diagrama TTT del acero que se está tratando y la dureza que se desea obtener; finalmente en su micro estructura la pieza queda compuesta de perlita y ferrita.

Austempering Este tratamiento también llamado temple bitínico se utiliza  para obtener bainita; consiste en calentar el acero a una temperatura ligeramente más elevada que la temperatura critica superior con el fin de conseguir una asutenización completa o incompleta, luego se sumerge rápidamente en sales fundidas o plomo a la temperatura  seleccionada, esta temperatura debe estar por encima de la línea de mar tensita según el diagrama TTT, manteniendo la temperatura constante para que ocurra la transformación de la ausentita en vainita  y luego se deja al aire. Este tratamiento es recomendado para aceros con alto porcentaje de carbono y para aceros que son aleados. Martempering Este tratamiento es un temple escalonado en el que el material se calienta a una temperatura más elevada que la crítica superior y se enfría en un baño de sales también caliente comprendido entre 200°C y 400°C,  permaneciendo las piezas dentro del baño el tiempo suficiente  para alcanzarla temperatura en toda la masa, además este proceso  debe controlarse cuidadosamente. Este proceso nos permite obtener martensita fina y homogénea, con menos tensiones internas en el material y con una menor concentración de austenita retenida. Una  vez utilizado el martempering suele realizarse un revenido para acabar de eliminar las tensiones internas dentro del material, este proceso se aplica a aceros de alto porcentaje de carbono y aceros de medio carbono y también para aceros de herramientas. En la figura se muestra el tipo de escalonamiento necesario para llevar a cabo con el martempering y además se muestra también la línea para el revenido.

Patenting El patenting fue posiblemente el único tratamiento térmico que fue patentado de ahí su nombre. Este tratamiento lo utilizan exclusivamente las trefilerías de alambre de acero de altas prestaciones, con contenidos de  carbono próximos al eutéctico y consiste en una asutenización seguida de un baño de plomo con una temperatura entre los 400°C y  500°C,tambiénpuedenutilizarsesales o aire con peores  resultados. Este tratamiento no es necesario para alambres de construcción o estructurales porque estos son de bajo carbono. Este tratamiento es importante cuando se requiere alambres de alta resistencia y alto limite elástico, el fin de este tratamiento es obtener estructuras de tipo sorbí tico que son estructuras finas y dúctiles. La figura nos muestra la él diagrama el tipo de enfriamiento al cual debe someterse para llevar a cabo el tratamiento y su temperatura deberá ser mayor que la del  austempering y el martempering.

Templabilidad Es una medida cualitativa de la velocidad con que la dureza disminuye con la disminución de la velocidad de enfriamiento,  es decir la capacidad de templarse a distintas velocidades de enfriamiento. Por ejemplo un material que tiene una templabilidad muy alta, al dejarlo  enfriar al aire se va temples decir gran parte o el total de la austenita  va a transformarse en martensita. Hay diferentes factores que influyen en la  templabilidad de un acero como los elementos aleados, generalmente desplazan las curvas de enfriamiento a la derecha, por ende hay una menor velocidad crítica de temple y por lo tanto se tiene templado a una velocidad más baja. Son elementos tales como Mn, Cr, C, Ni y Mo, con excepción del Co. También el tamaño del grano influye, ya que al aumentar el tamaño del grano las curvas de enfriamiento se desplazan a la derecha y por lo tanto se tiene el mismo efecto anterior. Ensayos para determinar la templabilidad Ensayo de Jominy La teoría de Jominy expone lo siguiente: “Si dos puntos de un mismo acero de distintas probetas, tienen, enfriados desde el estado austenítico a 740º C, la misma velocidad de enfriamiento, las durezas obtenidas son aproximadamente iguales”. Jominy tomo en cuenta la citada temperatura pues está ubicada en la  zona donde la velocidad de enfriamiento tiene una acción predominante sobre los resultados. De acuerdo con la teoría expuesta se puede establecer una  relación, admitiendo que la dureza y propiedades físicas que posee el acero  luego del temple, son siempre función de las leyes de enfriamiento e independientes de la forma de la pieza y del medio de  enfriamiento. Esto equivale a decir que si se conoce la dureza que adquiere el metal después el temple, cuando el enfriamiento se ha realizado en una determinada forma, se conocerá también la de cualquier punto del mismo acero que se haya enfriado en las mismas condiciones, independientemente del medio de enfriamiento, de su posición en la pieza y de la forma y tamaño de la misma -Este ensayo consiste en templar una probeta cilíndrica de 25 mm de diámetro por 100 mm de largo. Se coloca sobre un soporte y se le arroja agua a temperatura ambiente (24ºC) en el extremo inferior, con esto se realizará un  enfriamiento de abajo a hacia arriba. Después de esto se cortará la probeta en secciones y se medirá la dureza a lo largo de la barra, realizando un  gráfico de dureza (generalmente Rockwell C) en función del largo de la barra. Estas curvas se denominan curvas de Jominy o de templabilidad. Mientras más inclinada sea la curva menos templable es el acero. Bandas  de Templabilidad: -Son curvas que plasman la máxima y mínima  templabilidad, entre las cuales deben estar situadas las curvas de Jominy.  -Mediante el análisis reunido de cientos de coladas de cada grado de acero, se han establecido curvas de templabilidad mínima y máxima: -La denominación normal de los aceros con banda de templabilidad va seguida de la inicial H  (Hardenability). Como las características que más interesan en muchos aceros son sus propiedades después del temple y su templabilidad, en EE.UU. se utilizan las bandas de templabilidad para la recepción de los aceros de los que se obtienen probetas para realizar el ensayo Jominy, sustituyendo así a los análisis químicos, ya que la composición por sí sola no da idea de las características que pudiéramos denominar funcionales del acero. A muchos aceros se les ha construido la banda de templabilidad y normalizado en algún sistema internacional. Los aceros que tienen esta banda se denotan con la letra H (por ejemplo: 1040 H, 4340 H), para cuya construcción se toma como base un medio de enfriamiento de agua, el cual se considera con una severidad  H de 1. Es de notar que existen en el mercado muchas nuevas referencias de aceros que aún no se les ha construido su curva real ni teórica de templabilidad, por lo que se convierte en un tema interesante  de investigación

Recocido de regeneración o de fase: Este tipo de recocido se hace a temperaturas ubicadas entre 30-50°C por encima de la línea crítica superior y su enfriamiento se debe hacer de manera lenta, usualmente al horno. En este recocido se debe lograr la disolución completa del carbono y elementos aleantes en la austenita; Dentro de los propósitos principales de este tratamiento se pueden mencionar los siguientes:  Remover tensiones internas causadas por deformación en frío ó por el proceso de cementación. Mejorar la Maquinabilidad de los aceros con contenido medio de carbono(0.3-0.6%). Incrementar la ductilidad y disminuir la resistencia mecánica. Ajustar el tamaño de grano y regenerar las estructuras de los aceros conformados. Eliminar los efectos producidos en la estructura por los tratamientos térmicos ó mecánicos.  Para los  aceros hipereutectoides, no es recomendable este tratamiento, ya que al  realizar el enfriamiento desde asutenización completa, sobre todo entre Am y  A1 se genera una red de carburos alrededor del grano austenítico, la cual  permanecerá durante la transformación de austenita a perlita  confiriéndole una elevada fragilidad a temperatura ambiente. Esta  clase de recocido es muy empleado para productos laminados y forjados, los  aceros fundidos y los lingotes de aceros aleados que van a  desbastarse antes del laminado. En muchos casos el recocido de regeneración  puede ser reemplazado por un normalizado, seguido de un recocido subcritico;  excepto para piezas que posean formas complejas.

Recocido  globular o de esferoidización:

La esferoidización consiste en aumentar la temperatura del acero hasta un valor ubicado en el rango (740-760°c),es decir, hasta una temperatura próxima a la línea crítica Ac1,y posteriormente enfriarlos hasta 550°C a una velocidad que no sobrepase los 50°Ch, el proceso se termina mediante  enfriamiento al aire tranquilo. La condición fundamental para lograr la globulización completa es asegurar el mantenimiento de la temperatura adecuada que garantice la formación de la estructura globular. A medida que se vaya superando esta temperatura irá apareciendo una estructura mixta(globular y laminar) y a temperatura de calentamiento más elevadas se obtendrá sólo laminar para los aceros hipereutectoides. Una variedad de recocido globular es el recocido oscilante, que consiste en enfriar hasta unos 600°C, volver a calentar hasta temperatura de recocido y luego enfriar a temperatura ambiente. Recocidos subcritico: Se obtienen a partir de una temperatura inferior  a la línea crítica superior (Ac1), es decir a una temperatura que se encuentre entre 500-600°c, este tipo de recocido puede ser clasificado en los  siguientes grupos: 1. Recocido subcritico de  recristalización: Este tratamiento es muy utilizado en  procesos metalmecánicos, para restablecer estructura y propiedades de un acero endurecido por deformación en frío (laminado, estirado, trefilado, etc.).Consiste en calentar el metal por encima de la temperatura de recristalización, para transformar los granos alargados en granos equiaxiales  (Redondeados).La temperatura de recristalización para un acero es 450°C  aproximadamente, por lo tanto el recocido se hace entre  600-700°C,dependiendo de la pureza del metal y la cantidad de elementos aleantes presentes. Por ser un tratamiento realizado a bajas temperaturas  presenta mínima oxidación y descarburación. Es importante agregar que los aceros deformados en frío entre 5-15%, no deben someterse a este recocido porque presentarán tamaño de grano grueso a temperatura ambiente; para evitar esto se deberá efectuar una deformación en frío mayor al 15% ó hacer un recocido hipercrítico. En los metales hay una zona de recristalización, si el conformado en frío y el tratamiento se realiza por debajo de esta zona se genera endurecimiento por acritud que conlleva a un aumento de fragilidad.

Recocido para aliviar tensiones:En el recocido de alivio de tensiones, latemperatura es más potente que el tiempo. Las temperaturas que se usan para los aceros al carbono y de baja aleación están entre 550 y 650°C, para los aceros rápidos y los de trabajo en caliente oscilan entre 600 y 750°C; Pero la mayoría de las veces este tratamiento se hace a temperaturas inferiores a 650°C, y cuando otros factores impiden el uso de altas temperaturas se hace a temperaturas tan bajas como 480°C; El tiempo es normalmente de 1 a 2ho ras. Para no volver a inducir tensiones térmicas durante el enfriamiento, es buena práctica dejar enfriar lentamente en el horno hasta unos 500°C y luego enfriar al aire. Si las piezas son grandes y complicadas esto debe hacerse hasta unos300°C.En los aceros templados y revenidos, este recocido se puede hacer a una temperatura de 25°C, Por debajo de la temperatura de revenido. Este recocido sirve para disminuir o eliminar tensiones internas producidas por efecto del mecanizado. Las piezas difíciles de templar sensibles a las distorsiones, fabricadas en aceros aleados y que han sufrido mecanizado intenso deben someterse a este recocido con el objetivo de disminuir las tensiones presentes y fisuras superficiales.

Este tipo de recocido es muy aplicado en procesos de soldadura ya que el cordón de soldadura origina tensiones por el calor, además en las zonas adyacentes al cordón se forman estructuras martensítica de grano grueso y frágil.

Recocido globular subcritico: Usado en aceros próximos a 0,8 %C. Las estructuras perlíticas de estos aceros son laminares, lo que dificulta el mecanizado, ya que la viruta entrapa la herramienta. Es por endeque antes de realizar un proceso de mecanizado, la pieza debe someterse a este tratamiento de recocido con el fin de globulizar la perlita. Este tipo de recocido se efectúa elevando la temperatura de la pieza hasta700°C, seguido de un enfriamiento lento, por lo general al horno.

Recocido contra acritud: Los aceros pueden ser trabajados en frío (a temperatura ambiente) por una variedad de razones. Así, el alambre puede estirarse en frío para conferirle una resistencia elevada, la chapa puede laminarse en frío para darle una estructura de grano favorable y también para asegurar su espesor, y las barras de aceros de Maquinabilidad mejorada pueden estirarse en frío en la operación de calibrado. Si el material trabajado en frío es recocido contra acritud, sufre unas variaciones importantes en resistencia y tenacidad condicionadas por la temperatura de tratamiento.

Recocido Brillante: Este es un recocido, en general de recristalización, efectuado en condiciones tales que se obtiene una superficie brillante, libre de óxidos. Todos los recocidos que se han enumerado hasta aquí, se hacen normalmente al aire. El oxígeno del aire reacciona fuertemente con la superficie del acero por encima de 500°C, formando una capa de óxido que aumenta con la temperatura y el tiempo. Está oxidación se puede evitar por los siguientes métodos:

Recocido de atmósferas protectoras (Gas inerte) como nitrógeno(N2), Argón o CO controlado. Recociendo en atmósferas reductoras como hidrógeno o un gas con hidrógeno, por ejemplo amoniaco disociado: El recocido debe ser corto por el peligro de descarburación. Recocido en baños de sales neutras.

Normalizado

El normalizado es un tratamiento térmico que se emplea para dar al acerouna estructura y unas características tecnológicas que se consideran el estado natural o inicial del material que fue sometido a trabajos de forja, laminación o tratamientos defectuosos. El procedimiento consiste en calentar la pieza entre 30 y 80 grados centígrados por encima de la temperatura crítica superior, tanto para aceros hipereutectoides, como para aceros hipoeutectoides, y mantener esa temperatura el tiempo suficiente para conseguir la transformación completa en austenita, después se deja enfriar en aire para obtener una distribución uniforme del carbono, el normalizado tiene por objeto dejar un material en estado normal, es decir, ausencia de tensiones internas. Se suele emplear como tratamiento previo al temple y al revenido. A partir de este tratamiento se obtiene una estructura perlítica con un grano más fino consiguiendo así un acero más tenaz, 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 normalizado tiene sus limitantes en aceros híper 8%C ya que debido a su diagrama TTT puede formarse martensita, y lo que se busca con este tratamiento esablandarla pieza y esto originaria fragilidad. Este tratamiento posee de ciertas condiciones que influyen en el proceso:  La temperatura de cristalización no debe sobrepasar mucho la temperatura crítica. El tiempo al que se debe tener la pieza a esta temperatura deberá ser lo más corto posible. El calentamiento será lo más rápido posible

El tratamiento con el que se condiciona el acero para su fabricación es el recocido. Este es un término genérico que describe un tratamiento térmico que consiste en calentar hasta una temperatura adecuada, dejar permanecer un determinado tiempo y enfriar correctamente con el fin primordial de ablandar los materiales metálicos. También se aplica para producir los cambios deseados en otras propiedades o en el micro estructura. El recocido es una práctica muy antigua que se aplica a otros materiales, por ejemplo al vidrio, además de los metales. La palabra recocido significa ablandar por el juego. Sin duda, los artesanos iníciales pensaron que el recocido era el inverso del temple; así si el acero se hacía duro al enfriar rápidamente desde temperatura elevada, debía, por tanto, ablandarse si se enfriaba muy lentamente, y en realidad esto sucede con los aceros al carbono, que fueron los iníciales. Esta idea persistió al menos durante el primer cuarto de este siglo, la dureza se creía proporcional a la velocidad de enfriamiento. Hoy sabemos que esto no sucede en todos los casos, pues la transformación de la austenita en un acero depende de su composición y micro estructura (diagrama TTT) las cuales determinan las condiciones de enfriamiento para el tiempo y, por consiguiente, para el recocido; por ello, no debe perderse de vista que el recocido está asociado íntimamente con el diagrama de transformación del respectivo acero. No basta, entonces, con el enfriamiento lento, se deben tener en cuenta otros factores tales como temperatura de calentamiento, velocidad óptima de enfriamiento lento y temperatura de transformación. En la práctica, se pueden usar ciclos térmicos específicos de una variedad casi infinita para lograr los fines que se buscan en el recocido. Estos ciclos caben dentro de varias categorías que se pueden clasificar de acuerdo con la temperatura hasta la que se calienta el metal y el método de enfriamiento usado. A continuación se presentara la clasificación de este tratamiento térmico y se nombraran detalladamente algunos de los recocidos más empleados a nivel industrial. Recocidos hipercríticos: Estos tipos de recocidos se realizan elevando la temperatura del material, hasta un valor que se encuentre por encima de la línea crítica superior (Ac1).Dentro  de estos tipos de recocidos podemos nombrar los siguientes:  Recocido de homogenización ó difusión:

Este recocido se realiza aumentando la temperatura de la pieza hasta obtener austenita  completa, es decir hasta una temperatura ubicada entre el intervalo (1000 –  1100 °c), seguidamente, al obtener la temperatura adecuada efectuó un tiempo de permanencia a temperatura constante y finalmente enfrió al horno. El recocido de homogenización permite obtener, por tanto, una distribución homogénea de carburos, carbono, elementos aleantes y constituyentes en general; pero presenta un tamaño de grano grande o basto, por lo tanto después de este recocido es recomendable hacer un normalizado. Este recocido se realiza después de procesos de forja, a piezas obtenidas en procesos de colada ó después de procesos de laminación. En los aceros rápidos aparecen comúnmente estructuras segregadas y frágiles que exigen tratamientos especiales para evitar grietas eriores; es conveniente que estos aceros presenten una estructura uniforme en la que hayan desaparecido las concentraciones de carburos y la distribución dendrítica de los constituyentes que aparecen en el acero en bruto de colada. Para distribuir  esta clase de estructuras se debe: Romper por forja o laminación en caliente las masas de carburos segregados para que se alarguen en el sentido de la deformación.  Realización del recocido de homogenización que permita obtener  una distribución uniforme de carburos en una matriz perlática  fina.