En general hay cuatro tipos básicos de tratamiento térmico:
1. Temple.
2. Revenido.
3. Recocido.
4. Normalización.
Todos los tratamientos térmicos tiene una ruta obligatoria:
• Calentamiento del acero hasta una temperatura determinada.
• Permanencia a esa temperatura cierto tiempo.
• Enfriamiento más o menos rápido.
El hierro tiene una temperatura de fusión de 1539 oC, y en estado sólido presenta el fenómeno de la alotropía o polimorfismo.
En la mayoría de los casos, el calentamiento del acero para el temple, normalización y recocido se hace unos 30-50 oC por encima de la temperatura de cambio alotrópico. Las temperaturas mayores, si no son necesarias para un uso especial, no son deseables para evitar un crecimiento excesivo del grano.
GRAFICA DE LOS TRATAMIENTOS TERMICOS (ACERO).
El temple se hace utilizando un enfriamiento rápido en agua o en aceite.
Después del temple, obligatoriamente, se ejecuta el revenido, cuyo objetivo es disminuir en algo la uniformidad de la estructura y, de tal modo, quitar las tensiones internas de la pieza. El revenido siempre se realiza a una temperatura menor a la de la transformación del material.
RECOCIDO:
El recocido tiene diferentes objetivos en el tratamiento térmico del acero y generalmente suele ser de dos clases:
1. Recocido de primera clase o subcrítico: Se aplica para eliminar tensiones residuales, acritud, y cambiar forma de la cementita a cementita esferoidal en los aceros de alto carbono para poder trabajarlos mejor. Por lo común mientras más alta es la temperatura, tanto más corto puede ser el tiempo de permanencia, pero, de todos modos, para la esferoidización se requiere un permanencia larga. El recocido para eliminar la acritud se efectúa después de la deformación plástica en frío; con ello no solo se reducen las tensiones, sino también la recristalización de la estructura, por eso se le denomina recocido de recristalización.
2. Recocido de segunda clase o supercrítico: Tiene como objeto diferentes finalidades, y exactamente:
• Disminución del grano.
• Obtención de una estructura equilibrada y más blanda.
• Modificación de la estructura en piezas fundidas.
• Eliminación de las segregaciones dendríticas.
• Recocido de homogenización:
Generalmente este recocido se logra durante el calentamiento de los lingotes para su tratamiento por presión en la fabricación de piezas en caliente. La homogenización exige una temperatura muy alta (unos 1000-1100 oC) y una permanencia larga (15 o más horas). Durante este recocido es inevitable el crecimiento del grano, la disminución de este se realiza después por medio de un recocido de recristalización.
Normalización. :
• La estructura que surge después del calentamiento hasta las temperaturas que corresponden a la zona de austenita y enfriamiento en el aire, se considera como normal en el acero. Por eso la normalización corresponde a un recocido supercrítico con enfriamiento al aire.
La cantidad de ferrita o cementita sobrante, después del normalizado, es menor que después del recocido y la perlita está más dispersa. Por eso el acero normalizado tiene resistencia y tenacidad un poco más alta y una maquinabilidad más baja que el acero recocido.
En la figura 3 se muestra un gráfico en el que se destacan las zonas de temperatura utilizadas más comúnmente para la realización de los diferentes tratamientos térmicos.
Compuestos del hierro y el carbono:
El hierro forma con el carbono el carburo de hierro, Fe3C, que se denomina cementita y contiene 6.67 % de carbono en peso. La cementita es frágil y muy dura; a temperaturas superiores a 210 oC no tiene propiedades magnéticas.
La cementita pura no es estable, especialmente a altas temperaturas, y se desintegra en grafito y solución sólida: ferrita o austenita, según la temperatura.
Sin embargo, en las aleaciones de bajo contenido de carbono la cementita existente es estable hasta altas temperaturas y por eso se le puede considerar como un componente autónomo dentro de la masa del acero.
La cementita en el acero puede tener tres orígenes y se llaman:
• Primaria: Segregada a partir de la reacción del hierro y el carbono en la solución líquida.
• Secundaria: La que se precipita de la austenita al enfriarse.
• Terciaria: La que se desprende de la ferrita al enfriarse por debajo de 910 oC.
La cementita puede mezclarse mecánicamente con la austenita desde la solución líquida, la mezcla eutéctica de cementita y austenita se denomina ledeburita. De la misma forma la cementita puede mezclarse desde la solución sólida con la ferrita procedente de la desintegración de la austenita a menos de 723 oC y concentración de carbono de 0.8 %. La mezcla eutectoide* de ferrita y cementita se llama perlita.
Con estos elementos examinemos ahora el carácter de las formaciones estructurales de los aceros en el proceso de enfriamiento, desde el estado líquido hasta las temperaturas normales. Este proceso es reversible por lo que los procesos son válidos también durante el calentamiento.
Solubilidad del carbono en hierro.
Los hierros alfa y gamma disuelven muy poco carbono (entre 0,025 y 0.1%), y a esas soluciones se les denomina ferrita. La ferrita es muy blanda y plástica según el tamaño de sus granos; por debajo de 768 oC tiene propiedades ferromagnéticas muy acentuadas.
La solubilidad del carbono en el hierro delta es mucho mayor, y puede alcanzar el 2% en peso a 1130 oC. Esta solución se llama austenita y existe comúnmente por encima de 723 oC (por métodos especiales puede obtenerse austenita a temperaturas menores).
La austenita es blanda y plástica, no es magnética y peor conductor del calor que la ferrita.
El acero y su temperatura.
Para comprender mejor la influencia del tratamiento térmico en el acero, primero hay que conocer los cambios estructurales de este a diferente temperatura. Estos cambios tienen bastante complejidad y dependen de la cantidad de carbono presente y otros factores, que en la metalurgia se establecen con precisión en el llamado diagrama de equilibrio hierro-carbono.
En este artículo vamos a describir de manera muy simplificada, las estructuras del acero a diferentes temperaturas.
A temperaturas menores de 910 oC y por encima de 1400 oC el hierro tiene una red espacial cubica centrada. En el primer caso se le llama hierro alfa y en el segundo hierro gamma, entre las temperaturas de 910-1400 oC el hierro tiene la red cúbica centrada en las caras y se le llama hierro delta.
Clasificación del Acero:
Los aceros se clasifican en cinco grupos principales: aceros al carbono, aceros aleados, aceros de baja aleación ultra resistente, aceros inoxidables y aceros de herramientas.
• Aceros al carbono: El 90% de los aceros son aceros al carbono. Estos aceros contienen una cantidad diversa de carbono, menos de un 1,65% de manganeso, un 0,6% de silicio y un 0,6% de cobre.
• Aceros de baja aleación ultra resistentes: Es la familia de aceros mas reciente de las cinco. Estos aceros son más baratos que los aceros convencionales debido a que contienen menor cantidad de materiales costosos de aleación. Sin embargo, se les da un tratamiento especial que hace que su resistencia sea mucho mayor que la del acero al carbono. Este material se emplea para la fabricación de vagones porque al ser más resistente, sus paredes son más delgadas, con lo que la capacidad de carga es mayor.
• Aceros inoxidables: Estos aceros contienen cromo, níquel, y otros elementos de aleación que los mantiene brillantes y resistentes a la oxidación. Algunos aceros inoxidables son muy duros y otros muy resistentes, manteniendo esa resistencia durante mucho tiempo a temperaturas extremas. Debido a su brillo, los arquitectos lo emplean mucho con fines decorativos.
• Aceros de herramientas: Estos aceros se emplean para fabricar herramientas y cabezales de corte y modelado de maquinas. Contiene wolframio, molibdeno y otros elementos de aleación que le proporcionan una alta resistencia, dureza y durabilidad.
• Aceros Aleados :
Se da el nombre de aceros aleados a los aceros que además de los cinco elementos: carbono, silicio, manganeso, fósforo y azufre, contienen también cantidades relativamente importantes de otros elementos como el cromo, níquel, molibdeno, etc., que sirven para mejorar alguna de sus características fundamentales. También puede considerarse aceros aleados los que contienen alguno de los cuatro elementos diferentes del carbono que antes hemos citado, en mayor cantidad que los porcentajes que normalmente suelen contener los aceros al carbono, y cuyos límites superiores suelen ser generalmente los siguientes: Si=0.50%; Mn=0.90%; P=0.100% y S=0.100%.
• Clasificación de los aceros aleados de acuerdo con su utilización :
Aceros en los que tiene una gran importancia la templabilidad:
Aceros de gran resistencia
Aceros de cementación
Aceros de muelles
Aceros indeformables
Aceros de construcción:
Aceros de gran resistencia
Aceros de cementación
Aceros para muelles
Aceros de nitruracion
Aceros resistentes al desgaste
Aceros para imanes
Aceros para chapa magnetica
Aceros inoxidables y resistentes al calor
Aceros de herramientas:
Aceros rápidos
Aceros de corte no rápidos
Aceros indeformables
Aceros resistentes al desgaste
Aceros para trabajos de choque
Aceros inoxidables y resistentes al calor.
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