LABORATORIO DE METALOGRAFIA. “TRATAMIENTOS TÉRMICOS EN ACEROS”

Presentado por:

JOSE RODOLFO PRADILLA MENDOZACODIGO: 1190081

RUTH CECILIA OCHOA JEJENCOD: 1190412

DAVID ANTONIO VALERO JAIMESCODIGO: 1190508

PEDRO ANTONIO ALVAREZ BUSTAMANTECODIGO: 1190601

Presentado a:ING. JORGE ENRIQUE CABALLERO PRIETO

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDERDEPARTAMENTO DE DISEÑO MECÁNICO, MATERIALES Y PROCESOS

LABORATORIO DE METALOGRAFÍAFACULTAD DE INGENIERIAS

INGENIERIA INDUSTRIALSAN JOSE DE CUCUTA, DE MAYO DE 2011

TRATAMIENTOS TÉRMICOS EN ACEROS

Se llevará a cabo los procedimientos de los diferentes tratamientos térmicos en los aceros para identificar los cambios físicos, mecánicos y de composición de la muestra, que en nuestro caso es una muestra de acero 1020 calibrada 3/4, la cual será sometida al tratamiento térmico de normalizado y sometida a unos tratamiento especiales para posteriormente observarla ate microscopio y compararlas con imágenes de bibliografías conocidas en este proceso.

INTRODUCCION

Desde épocas antiguas donde el hombre descubrió el uso de los metales (Era de los metales) periodo que siguió después de la edad de piedra el hombre encontró un elemento importante el cual se volvería en herramienta primordial en su desarrollo entre ellos los aceros, sus usos además de los diferentes procesos, descubriendo que el fuego es un instrumento especial para la elaboración de herramientas y utensilios, empezando a usar tratamientos térmicos especiales para su uso.

*1 Aunque no se tienen datos precisos de la fecha en la que se descubrió la técnica de fundir mineral de hierro para producir un metal susceptible de ser utilizado, los primeros utensilios de este metal descubiertos por los arqueólogos en Egipto datan del año 3000 aC. También se sabe que antes de esa época se empleaban adornos de hierro.

El acero era conocido en la antigüedad, y quizá pudo haber sido producido por el método de boomery —fundición de hierro y sus óxidos en una chimenea de piedra u otros materiales naturales resistentes al calor, y en el cual se sopla aire— para que su producto, una masa porosa de hierro (Bloom) contuviese carbón.

Algunos de los primeros aceros provienen del Este de África, fechados cerca de 1400 aC. En el siglo IV aC. armas como la falcata fueron producidas en la península Ibérica. La China antigua bajo la dinastía Han, entre el 202 aC y el 220 dC, creó acero al derretir hierro forjado junto con hierro fundido, obteniendo así el mejor producto de carbón intermedio, el acero, en torno al siglo I aC.

Junto con sus métodos originales de forjar acero, los chinos también adoptaron los métodos de producción para la creación de acero wootz, una idea importada de India a China hacia el siglo V. El acero wootz fue producido en India y en Sri Lanka desde aproximadamente el año 300 aC. Este temprano método utilizaba un horno de viento, soplado por los monzones.

También conocido como acero Damasco, el acero wootz es famoso por su durabilidad y capacidad de mantener un filo. Originalmente fue creado de un número diferente de materiales, incluyendo trazas de otros elementos en concentraciones menores a 1000 partes por millón o 0,1% de la composición de la roca. Era esencialmente una complicada aleación con hierro como su principal componente. Estudios recientes han sugerido que en su estructura se incluían nanotubos de carbono, lo que quizá explique algunas de sus cualidades legendarias; aunque teniendo en cuenta la tecnología disponible en ese momento fueron probablemente producidos más por casualidad que por diseño.

El hierro para uso industrial fue descubierto hacia el año 1500 aC, en Medzamor, cerca de Erevan, capital de Armenia y del monte Ararat. La tecnología del hierro se mantuvo mucho tiempo en secreto, difundiéndose extensamente hacia el año 1200 aC.

Los artesanos del hierro aprendieron a fabricar acero calentando hierro forjado y carbón vegetal en recipientes de arcilla durante varios días, con lo que el hierro absorbía suficiente carbono para convertirse en acero auténtico. Las características conferidas por la templabilidad no consta que fueran conocidas hasta la Edad Media, y hasta el año 1740 no se produjo lo que hoy día denominamos acero.

Los métodos antiguos para la fabricación del acero consistían en obtener hierro dulce en el horno, con carbón vegetal y tiro de aire. Una posterior expulsión de las escorias por martilleo y carburación del hierro dulce para cementarlo. Luego se perfeccionó la cementación fundiendo el acero cementado en crisoles de arcilla y en Sheffield (Inglaterra) se obtuvieron, a partir de 1740, aceros de crisol.

Fue Benjamin Huntsman el que desarrolló un procedimiento para fundir hierro forjado con carbono, obteniendo de esta forma el primer acero conocido.

En 1856, Sir Henry Bessemer, hizo posible la fabricación de acero en grandes cantidades, pero su procedimiento ha caído en desuso, porque solo podía utilizar hierro que contuviese fósforo y azufre en pequeñas proporciones.

1* “www.taringa.net/posts/info/1187222/El-Acero-_historia_-datos_-etc_.html.” (30/04/11)

En 1857, Sir William Siemens ideó otro procedimiento de fabricación industrial del acero, que es el que ha perdurado hasta la actualidad, el procedimiento Martin Siemens, por descarburación de la fundición de hierro dulce y óxido de hierro. Siemens había experimentado en 1878 con la electricidad para calentar los hornos de acero, pero fue el metalúrgico francés Paul Héroult —coinventor del método moderno para fundir aluminio— quien inició en 1902 la producción comercial del acero en hornos eléctricos.

El método de Héroult consiste en introducir en el horno chatarra de acero de composición conocida haciendo saltar un arco eléctrico entre la chatarra y unos grandes electrodos de carbono situados en el techo del horno. *2

En 1948 se inventa el proceso del oxígeno básico L-D. Tras la segunda guerra mundial se iniciaron experimentos en varios países con oxígeno puro en lugar de aire para los procesos de refinado del acero. El éxito se logró en Austria en 1948, cuando una fábrica de acero situada cerca de la ciudad de Linz, Donawitz desarrolló el proceso del oxígeno básico o L-D.

En 1950 se inventa el proceso de colada continua que se usa cuando se requiere producir perfiles laminados de acero de sección constante y en grandes cantidades. El proceso consiste en colocar un molde con la forma que se requiere debajo de un crisol, el que con una válvula puede ir dosificando material fundido al molde. Por gravedad el material fundido pasa por el molde, el que está enfriado por un sistema de agua, al pasar el material fundido por el molde frío se convierte en pastoso y adquiere la forma del molde. Posteriormente el material es conformado con una serie de rodillos que al mismo tiempo lo arrastran hacia la parte exterior del sistema. Una vez conformado el material con la forma necesaria y con la longitud adecuada el material se corta y almacena.

En 2007 se utilizan algunos metales y metaloides en forma de ferroaleaciones, que, unidos al acero, le proporcionan excelentes cualidades de dureza y resistencia. El uso intensivo que tiene y ha tenido el acero para la construcción de estructuras metálicas ha conocido grandes éxitos y rotundos fracasos que al menos han permitido el avance de la ciencia de materiales. Así, la Torre Eiffel, construida en París en 1889 es hoy día uno de los monumentos más visitados del mundo mientras el 7 de noviembre de 1940 el mundo asistió al colapso del puente Tacoma Narrows al entrar en resonancia con el viento. Ya durante los primeros años de la Revolución Industrial se produjeron roturas prematuras de ejes de ferrocarril que llevaron a William Rankine a postular la fatiga de materiales y durante la Segunda Guerra Mundial se produjeron algunos hundimientos imprevistos de los cargueros estadounidenses Liberty al fragilizarse el acero por el mero descenso de la temperatura, problema inicialmente achacado a las soldaduras.

En muchas regiones del mundo, el acero es de gran importancia para la dinámica de la población, industria y comercio.*3

Como ya observamos el uso del acero se ha convertido en una herramienta fundamental en el desarrollo del ser humano, continuación trataremos de entrarnos un poco en el uso de este materia y sus respectivos procesos del tratamiento de si mismo que en nuestro caso será el normalizado y sus características primordiales.

2 “www.taringa.net/posts/info/1187222/El-Acero-_historia_-datos_-etc_.html.” (30/04/11)

3 " www.taringa.net/posts/info/1187222/El-Acero-_historia_-datos_-etc_.html.” (30/04/11)

Fig. 1. Grabado que muestra el trabajo en una fragua en la Edad Media.*2

OBJETIVOS

Realizar los procedimientos de los diferentes tratamientos térmicos en los aceros para identificar los cambios físicos, mecánicos y de composición de la muestra.

Identificar algunos equipos utilizados en el tratamiento térmico de los aceros.

Identificar las características y propiedades del normalizado como tratamiento térmico del acero.

Observar la dureza y las fases presentes en cada una de las muestras.

MARCO TEORICO

EL ACERO

Comúnmente se denomina acero a una aleación de hierro y carbono, donde el carbono no supera el 2,1% en peso*[]4 de la composición de la aleación, alcanzando normalmente porcentajes entre el 0,2% y el 0,3%. Porcentajes mayores que el 2,0% de carbono dan lugar a las fundiciones, que, a diferencia de los aceros, son quebradizas y no se pueden forjar, sino que se moldean.

La ingeniería metalúrgica trata como acero a una familia muy numerosa de aleaciones metálicas, teniendo como base la aleación hierro-carbono. El hierro es un metal, relativamente duro y tenaz, con diámetro atómico dA = 2,48 Å (1 angstrom Å = 10–10 m), con temperatura de fusión de 1.535 °C y punto de ebullición 2.740 °C. Mientras el carbono es un no metal, con diámetro mucho más pequeño (dA = 1,54 Å), blando y frágil en la mayoría de sus formas alotrópicas (excepto en la forma de diamante en que su estructura cristalográfica lo hace el más duro de los materiales conocidos). Es la diferencia en diámetros atómicos lo que va a permitir al elemento de átomo más pequeño difundir a través de la celda del otro elemento de mayor diámetro.

El acero es el más popular de las aleaciones, es la combinación entre un metal (el hierro) y un no metal (el carbono), que conserva las características metálicas del primero, pero con propiedades notablemente mejoradas gracias a la adición del segundo y de otros elementos metálicos y no metálicos. De tal forma no se debe confundir el hierro con el acero, dado que el hierro es un metal en estado puro al que se le mejoran sus propiedades físico-químicas con la adición de carbono y demás elementos*5.

Características Mecánicas y tecnológicas del Acero.

Aunque es difícil establecer las propiedades físicas y mecánicas del acero debido a que estas varían con los ajustes en su composición y los diversos tratamientos térmicos, químicos o mecánicos, con los que pueden conseguirse aceros con combinaciones de características adecuadas para infinidad de aplicaciones, se pueden citar algunas propiedades genéricas*5:

Su densidad media es de 7850 kg/m³.

En función de la temperatura el acero se puede contraer, dilatar o fundir.

El punto de fusión del acero depende del tipo de aleación y los porcentajes de elementos aleantes. El de su componente principal, el hierro es de alrededor de 1.510 °C en estado puro (sin alear), sin embargo el acero presenta frecuentemente temperaturas de fusión de alrededor de 1.375 °C, y en general la temperatura necesaria para la fusión aumenta a medida que se aumenta el porcentaje de carbono y de otros aleantes. (excepto las aleaciones eutécticas que funden de golpe). Por otra parte el acero rápido funde a 1.650 °C[.

Su punto de ebullición es de alrededor de 3.000 °C[.

Es un material muy tenaz, especialmente en alguna de las aleaciones usadas para fabricar herramientas.

4A mediados del siglo XX existían dos versiones del diagrama de equilibrio de los aceros. En la alemana (o europea) la composición límite de los aceros se establecía en el 1,7% de carbono mientras que en la anglo-estadounidense (o americana) el límite se establecía en el 2,1%. Hoy día la fracción límite de carbono en los aceros desde el punto de vista metalúrgico se establece en torno al 2,1% de carbono. Cees van de Velde. «Iron Carbon diagrams over the Years». http://es.wikipedia.org/wiki/Acero#cite_note-0.

5. http://es.wikipedia.org/wiki/Acero#cite_note-0

5

Relativamente dúctil. Con él se obtienen hilos delgados llamados alambres.

Es maleable. Se pueden obtener láminas delgadas llamadas hojalata. La hojalata es una lámina de acero, de entre 0,5 y 0,12 mm de espesor, recubierta, generalmente de forma electrolítica, por estaño.

Permite una buena mecanización en máquinas herramientas antes de recibir un tratamiento térmico.

Algunas composiciones y formas del acero mantienen mayor memoria, y se deforman al sobrepasar su límite elástico.

La dureza de los aceros varía entre la del hierro y la que se puede lograr mediante su aleación u otros procedimientos térmicos o químicos entre los cuales quizá el más conocido sea el templado del acero, aplicable a aceros con alto contenido en carbono, que permite, cuando es superficial, conservar un núcleo tenaz en la pieza que evite fracturas frágiles. Aceros típicos con un alto grado de dureza superficial son los que se emplean en las herramientas de mecanizado, denominados aceros rápidos que contienen cantidades significativas de cromo, wolframio, molibdeno y vanadio. Los ensayos tecnológicos para medir la dureza son Brinell, Vickers y Rockwell, entre otros.

Se puede soldar con facilidad.

La corrosión es la mayor desventaja de los aceros ya que el hierro se oxida con suma facilidad incrementando su volumen y provocando grietas superficiales que posibilitan el progreso de la oxidación hasta que se consume la pieza por completo. Tradicionalmente los aceros se han venido protegiendo mediante tratamientos superficiales diversos. Si bien existen aleaciones con resistencia a la corrosión mejorada como los aceros de construcción «corten» aptos para intemperie (en ciertos ambientes) o los aceros inoxidables.

Posee una alta conductividad eléctrica. Aunque depende de su composición es aproximadamente de 3 · 106

S/m. En las líneas aéreas de alta tensión se utilizan con frecuencia conductores de aluminio con alma de acero proporcionando éste último la resistencia mecánica necesaria para incrementar los vanos entre la torres y optimizar el coste de la instalación.

Se utiliza para la fabricación de imanes permanentes artificiales, ya que una pieza de acero imantada no pierde su imantación si no se la calienta hasta cierta temperatura. La magnetización artificial se hace por contacto, inducción o mediante procedimientos eléctricos. En lo que respecta al acero inoxidable, al acero inoxidable ferrítico sí se le pega el imán, pero al acero inoxidable austenítico no se le pega el imán ya que la fase del hierro conocida como austenita no es atraída por los imanes. Los aceros inoxidables contienen principalmente níquel y cromo en porcentajes del orden del 10% además de algunos aleantes en menor proporción.

Un aumento de la temperatura en un elemento de acero provoca un aumento en la longitud del mismo. Este aumento en la longitud puede valorarse por la expresión: δL = α δ t° L, siendo a el coeficiente de dilatación, que para el acero vale aproximadamente 1,2 · 10−5 (es decir α = 0,000012). Si existe libertad de dilatación no se plantean grandes problemas subsidiarios, pero si esta dilatación está impedida en mayor o menor grado por el resto de los componentes de la estructura, aparecen esfuerzos complementarios que hay que tener en cuenta. El acero se dilata y se contrae según un coeficiente de dilatación similar al coeficiente de dilatación del hormigón, por lo que resulta muy útil su uso simultáneo en la construcción, formando un material compuesto que se denomina hormigón armado. El acero da una falsa sensación de seguridad al ser incombustible, pero sus propiedades mecánicas fundamentales se ven gravemente afectadas por las altas temperaturas que pueden alcanzar los perfiles en el transcurso de un incendio.*6

6http://es.wikipedia.org/wiki/Acero#cite_ref-19

Formación del acero. Diagrama hierro-carbono (Fe-C)

Fases de la aleación de hierro-carbonoAustenita (hierro-ɣ. duro)Ferrita (hierro-α. blando)Cementita (carburo de hierro. Fe3C)Perlita (88% ferrita, 12% cementita)Ledeburita (ferrita - cementita eutectica, 4.3% carbón)BainitaMartensitaTipos de aceroAcero al carbono (0,03-2.1% C)Acero corten (para intemperie)Acero inoxidable (aleado con cromo)Acero microaleado («HSLA», baja aleación alta resistencia)Acero rápido (muy duro, tratamiento térmico)Otras aleaciones Fe-CHierro dulce (prácticamente sin carbón)Fundición (>2.1% C)Fundición dúctil (grafito esferoidal).

En el diagrama de equilibro, o de fases, Fe-C se representan las transformaciones que sufren los aceros al carbono con la temperatura, admitiendo que el calentamiento (o enfriamiento) de la mezcla se realiza muy lentamente de modo que los procesos de difusión (homogeneización) tienen tiempo para completarse. Dicho diagrama se obtiene experimentalmente identificando los puntos críticos —temperaturas a las que se producen las sucesivas transformaciones— por métodos diversos.*7

7* http://es.wikipedia.org/wiki/Acero#cite_ref-19.

Tab. 1. Características Fe-C.*7

8

8* http://www.google.com/imgres?imgurl=http://edu.jccm.es/ies/losolmos/TECNOLOGIA/Tecno/Materiales/DiagramaFeCb.jpg&imgrefurl=http://edu.jccm.es/ies/losolmos/TECNOLOGIA/Tecno/Materiales/materiales.htm&h=1074&w=1710&sz=262&tbnid=8Io2Ml2kpI8-kM:&tbnh=94&tbnw=150&prev=/search%3Fq%3Ddiagrama%2Bhierro%2Bcarbono%26tbm%3Disch%26tbo

%3Du&zoom=1&q=diagrama+hierro+carbono&hl=en&usg=__hZ432PuNES5PG720bUQwOrRBb4s=&sa=X&ei=85i8TZSFOMTj0gHMn9HOBQ&ved=0CB8Q9QEwAA

Clasificación de los Aceros (según normas AISI-SAE)*9

AISI es el acrónimo en inglés de American Iron and Steel Institute (Instituto americano del hierro y el acero), mientras que SAE es el acrónimo en inglés de Society of Automotive Engineers (Sociedad Norteamericana de Ingenieros Automotores). SAE clasifica los aceros en: al carbono, de media aleación, aleados, inoxidables, de alta resistencia, de herramientas, etc.

1. Aceros al carbono

10XX Donde XX es el contenido de C

Ej.: SAE 1010 (0,08—0,13 %C) SAE 1040 (O,3~—0,43 %C)Los demás elementos presentes no están en porcentajes de aleación:P máx. = 0,04%S máx. = 0,05%Mn = 0,30—0,60% para aceros de bajo carbono (<0.30%C) 0,60—0,90% para aceros de alto carbono (>0,60%C) y aceros al C para cementación.

1- Aceros de muy bajo % de carbono (desde SAE 1005 a 1015)Se seleccionan en piezas cuyo requisito primario es el conformado en frío. Los aceros no calmados se utilizan para embutidos profundos por sus buenas cualidades de deformación y terminación superficial. Los calmados son más utilizados cuando se necesita forjarlos o llevan tratamientos térmicos. Son adecuados para soldadura y para brazing. Su maquinabilidad se mejora mediante el estirado en frío. Son susceptibles al crecimiento del grano, y a fragilidad y rugosidad superficial si después del formado en frío se los calienta por encima de 600ºC.

2- Aceros de bajo % de carbono (desde SAE 1016 a 1030)Este grupo tiene mayor resistencia y dureza, disminuyendo su deformabilidad. Son los comúnmente llamados aceros de cementación. Los calmados se utilizan para forjas. Su respuesta al temple depende del % de C y Mn; los de mayor contenido tienen mayor respuesta de núcleo. Los de más alto % de Mn, se endurecen más convenientemente en el núcleo y en la capa. Son aptos para soldadura y brazing. La maquinabilidad de estos aceros mejora con el forjado o normalizado, y disminuye con el recocido.

3- Aceros de medio % de carbono (desde SAE 1035 a 1053)Estos aceros son seleccionados en usos donde se necesitan propiedades mecánicas más elevadas y frecuentemente llevan tratamiento térmico de endurecimiento. Se utilizan en amplia variedad de piezas sometidas a cargas dinámicas. El contenido de C y Mn, depende de una serie de factores. Por ejemplo, cuando se desea incrementar las propiedades mecánicas, la sección o la templabilidad, normalmente se incrementa el %

9* http://usuarios.fceia.unr.edu.ar/~adruker/Clasificaci%F3n%20de%20aceros%20Mat%20y%20Pro.pdf.

Fig. 1. Diagra Hierro-Carbono*8

de C, de Mn o de ambos. Los de menor % de carbono se utilizan para piezas deformadas en frío, aunque los estampados se encuentran limitados a plaqueados o doblados suaves, y generalmente llevan un recocido o normalizado previo. Todos estos aceros se pueden aplicar para fabricar piezas forjadas y su selección depende del tamaño y propiedades mecánicas después del tratamiento térmico. Los de mayor % de C, deben ser normalizados después de forjados para mejorar su maquinabilidad. Son también ampliamente usados para piezas maquinadas, partiendo de barras laminadas. Dependiendo del nivel de propiedades necesarias, pueden ser o no tratadas térmicamente. Pueden soldarse pero deben tenerse precauciones especiales para evitar fisuras debido al rápido calentamiento y enfriamiento.

4- Aceros de alto % de carbono (desde SAE 1055 a 1095)Se usan en aplicaciones en las que es necesario incrementar la resistencia al desgaste y altas durezas que no pueden lograrse con aceros de menor contenido de C. En general no se utilizan trabajados en frío, salvo plaqueados o el enrollado de resortes. Prácticamente todas las piezas son tratadas térmicamente antes de usar, debiéndose tener especial cuidado en estos procesos para evitar distorsiones y fisuras.

2. Aceros de media aleación

Aceros al Mn15XXEl porcentaje de Mn varía entre 1,20 y 1,65, según el %C.Ej.: SAE 1524 1,20—1,50 %Mn para construcción de engranajesSAE 1542 1,35—1,65 %Mn para temple

Aceros de fácil maquinabilidad o aceros resulfurados11XX 12XXSon aceros de alta maquinabilidad; la presencia de gran cantidad de sulfuros genera viruta pequeña y, al poseer los sulfuros alta plasticidad, actúan como lubricantes internos. No son aptos para soldar, tratamientos térmicos, ni forja debido a su bajo punto de fusión.

Ej; SAE 11XX: 0, 08—0, 13 %S SAE 12XX: 0, 24—0, 33 %S

Para disminuir costos, facilitando el maquinado, se adicionan a los aceros al C de distintos % de C y Mn, elementos como el azufre (S), fósforo (P) y plomo (Pb). Esto significa un sacrificio en las propiedades de deformado en frío, soldabilidad y forjabilidad, aunque el plomo tiene poco efecto en estas características.

Pueden dividirse en tres grupos:

GRUPO I (SAE 1110, 1111, 1112, 1113, 12L13, 12L14, y 1215)Son aceros efervescentes de bajo % de carbono, con excelentes condiciones de maquinado. Tienen el mayor contenido de azufre; los 1200 incorporan el fósforo y los L contienen plomo. Estos tres elementos influyen por diferentes razones, en promover la rotura de la viruta durante el corte con la consiguiente disminución en el desgaste de la herramienta. Cuando se los cementa, para lograr una mejor respuesta al tratamiento, deben estar calmados.

GRUPO II (SAE 1108, 1109, 1116, 1117, 1118 y 1119)Son de bajo % de carbono y poseen una buena combinación de maquinabilidad y respuesta al tratamiento térmico. Por ello, tienen menor contenido de fósforo, y algunos de azufre, con un incremento del % de Mn, para aumentar la templabilidad permitiendo temples en aceite.

GRUPO III (SAE 1132, 1137, 1139, 1140, 1141, 1144, 1145, 1146 y 1151)Estos aceros de medio % de carbono combinan su buena maquinabilidad con su respuesta al temple en aceite.

3. Aceros aleados para aplicaciones en construcciones comunes

Se considera que un acero es aleado cuando el contenido de un elemento excede uno o más de los siguientes límites:

1,65% de manganeso 0,60% de silicio 0,60% de cobre O cuando hay un % especificado de cromo, níquel, molibdeno, aluminio, cobalto, niobio, titanio,

tungsteno, vanadio o zirconio

Se usan principalmente cuando se pretende:

Desarrollar el máximo de propiedades mecánicas con un mínimo de distorsión y fisuración Promover en un grado especial: resistencia al revenido, incrementar la tenacidad, disminuir la

sensibilidad a la entalla Mejorar la maquinabilidad en condición de temple y revenido, comparándola con un acero de igual %

de carbono en la misma condición.

Generalmente se los usa tratados térmicamente; el criterio más importante para su selección es normalmente su templabilidad, pudiendo todos ser templados en aceite.

Al Ni 23XX 25XXEl Ni aumenta la tenacidad de la aleación; pero como no se puede mejorar la templabilidad, debe adicionarse otro elemento aleante (Cr, Mo). Por este motivo prácticamente no se utilizan. La temperatura de transición dúctil-frágil baja de -4ºC para aceros al C hasta -40ºC.

Al Cr-Ni 31XX 32XX 33XX 34XXEl conocido en Argentina es el SAE 3115 (1,25 %Ni y 0,60 a 0,80 %Cr). Gran tenacidad y templabilidad;pero el excesivo Ni dificulta la maquinabilidad.

Al Mo 4OXX 44XXAumenta levemente la templabilidad.

Al Cr-Mo 41XXPoseen 1,00 %Cr y 0,15 a 0,30 %Mo. Se utilizan para nitrurado, tornillos de alta resistencia, etc.

Al Cr-Ni-Mo 86XXPoseen 0,40 a 0,70 %Cr, 0,40 a 0,60 %Ni y 0,15 a 0,30 %Mo. Son las aleaciones más usadas por su buena templabilidad.

Por ejemplo: SAE 8620 para cementación SAE 8640 para temple y revenido

Al silico—Mn 92XX*9

Poseen aproximadamente 1,40 %Si y 1,00 %Mn. Son aceros para resortes; tienen excelente resistencia a la fatiga y templabilidad. (Para resortes menos exigidos se utiliza el SAE 1070). Según sus aplicaciones se los clasifica en dos grupos:a) De bajo % de carbono, para cementar1) De baja templabilidad (series SAE 4000, 5000, 5100, 6100 y 8100)2) De templabilidad intermedia (series SAE 4300, 4400, 4500, 4600, 4700, 8600 y 8700)3) De alta templabilidad (series SAE 4800 y 9300).

Estos últimos se seleccionan para piezas de grandes espesores y que soportan cargas mayores. Los otros para piezas pequeñas, de modo que en todos los casos el temple se pueda efectuar en aceite. La dureza del núcleo depende del % de C básico y de los elementos aleantes. Esta debe ser mayor cuando se producen elevadas

99http://usuarios.fceia.unr.edu.ar/~adruker/Clasificaci%F3n%20de%20aceros%20Mat%20y%20Pro.pdf.

cargas de compresión, de modo de soportar las deformaciones de la capa. Cuando lo esencial es la tenacidad, lo más adecuado es mantener baja la dureza del núcleo.

Necesidad de núcleo Acero SAEBaja templabilidad 4012, 4023, 4024, 4027, 4028, 4418, 4419, 4422, 4616, 4617,

4626, 5015, 5115, 5120, 6118 y 8615Media templabilidad 4032, 4427, 4620, 4621, 4720, 4815, 8617, 8620, 8622 y 8720

Alta templabilidad 4320, 4718, 4817, 4820, 8625, 8627, 8822, 9310, 94B15 y 94B17

b) De alto % de carbono, para temple directo.1) Contenido de carbono nominal 0,30-0,37 %: pueden templarse en agua para piezas de secciones moderadas o en aceite para las pequeñas. Ejemplos de aplicación: bielas, palancas, puntas de ejes, ejes de transmisión,

2) Contenido de carbono nominal 0,40-0,42 %: se utilizan para piezas de medio y gran tamaño que requieren alto grado de resistencia y tenacidad. Ejemplos de aplicación: ejes, paliers, etc., y piezas de camiones y aviones.

Baja templabilidad SAE 1340, 4047 y 5140.

Media templabilidad SAE 4140, 4142, 50B40, 8640, 8642 y 8740.

Alta templabilidad SAE 4340.

3) Contenido de carbono nominal 0,45-0,50 %: se utilizan en engranajes y otras piezas que requieran alto dureza, resistencia y tenacidad.

Tab. 2. Ejemplos de aceros dé bajo % de carbono para cementar*9

Tab. 3. Ejemplos de aceros dé alto % de carbono para temple directo*9

Tab. 4. Ejemplos de aceros dé alto % de carbono para temple directo en piezas de gran tamaño*9

Tab. 5. Ejemplos de aceros dé alto % de carbono para temple directo en piezas para engranajes*9

Baja templabilidad SAE 1330, 1335, 4037, 4130, 5130, 5132, 5135, y 8630.

Media templabilidad SAE 4135, 4137, 8637 y 94B30.

Baja templabilidad SAE 5046, 50B44, 50B46 y 5145.

Media templabilidad SAE 4145, 5147, 5150, 81B45, 8645 y 8650.

Alta templabilidad SAE 4150 y 86B45.

4) Contenido de carbono nominal 0,50-0,60 %: se utilizan para resortes y herramientas manuales.

Media templabilidad SAE 50B50, 5060, 50B60, 5150, 5155, 51B60, 6150, 8650, 9254, 9255 y 9260.

Alta templabilidad SAE 4161, 8655 y 8660.

5) Contenido de carbono nominal 1,02 %: se utilizan para pistas, bolillas y rodillos de cojinetes y otras aplicaciones en las que se requieren alta dureza y resistencia al desgaste. Comprende tres tipos de acero, cuya templabilidad varía según la cantidad de cromo que contienen.

4. Aceros inoxidables

a) Austeníticos AISI 302XX 303XX donde XX no es el porcentaje de C17-19 % Cr 8-13 % Cr4-8 % Ni 8-14 % Ni6-8 % Mn

No son duros ni templables, poseen una alta capacidad de deformarse plásticamente. El más ampliamente utilizado es el 304. A esta categoría pertenecen los aceros refractarios (elevada resistencia a altas tempera-turas). Ej: 30330 (35% Ni, 15% Cr)

b) MartensíticosAISI 514XX

Contienen 11 a 18 % Cr. Son templables; para durezas más elevadas se aumenta el % Cr (formación de carburos de Cr). Se usan para cuchillería; tienen excelente resistencia a la corrosión.

c) FerríticosAISI 514XX 515XX

Poseen bajo % de C y alto Cr (10-27 %)de manera de reducir el campo γ y mantener la estructura ferrítica aún a altas temperaturas.

5. Aceros de alta resistencia y baja aleación

9XX donde XX .103 lb/pulg2, es el límite elástico del acero.

Ej; SAE 942

Son de bajo % de C; aleados con Va, Nb, N, Ti, en aproximadamente 0,03% c/u, de manera que precipitan carbonitruros de Va, Nb, Ti que elevan el límite elástico entre 30 y 50 %. Presentan garantía de las propiedades mecánicas y ángulo de plegado. Son de fácil soldabilidad y tenaces. No admiten tratamiento térmico.

Tab. 6. Ejemplos de aceros dé alto % de carbono para temple directo en piezas para resortes*9

Tab. 7. Ejemplos de aceros dé alto % de carbono para temple directo en piezas resistentes al desgaste*9

Baja templabilidad SAE 50100

Media templabilidad SAE 51100

Alta templabilidad SAE 52100

6. ACEROS PARA HERRAMIENTAS

W: Templables al agua: no contienen elementos aleantes y son de alto % de carbono (0,75 a 1.00%). Son los más económicos y se utilizan Principalmente en mechas. En general tienen limitación en cuanto al diámetro, debido a su especificación de templabilidad.

Para trabajo en frio:

0 Sólo son aptos para trabajo en frío pues al aumentar la temperatura disminuye la dureza.

A templados al aire. No soportan temple en aceite pues se figurarían; se usan para formas intrincadas (matrices) pues el alto contenido de cromo otorga temple homogéneo.

D alta aleación. Contienen alto % de carbono para formar carburos de Cr (1,10-1,80 %C). Gran resistencia al desgaste.

Para trabajo en caliente: H

Aceros rápidos: T en base a tungsteno

M en base a molibdeno

Los tres mantienen su dureza al rojo (importante en cuchillas); tienen carburos estables a alta temperatura; el Cr aumenta la templabilidad ya que se encuentra disuelto; el tungsteno y el molibdeno son los formadores de carburos. El más divulgado es el conocido como T18-4—1, que indica contenidos de W, Cr y Mo respectivamente.

S: Aceros para herramientas que trabajan al choque. Fácilmente templables en aceite. No se pueden usar en grandes seccione o formas intrincadas.

Ya observamos ye investigamos sobre los diferentes tipos de aceros, su clasificación y respectivos usos, a continuación mencionaremos algunos tipos de aceros de referencia comercial usados en Colombia, y hablaremos un poco sobre cuál fue el acero escogido para la presente práctica y sus características más relevantes.

Una de las empresas distribuidoras de aceros en Colombia es Ferroindustrial S.A.*10 quién distribuye a muchas ferreterías en la región del Norte de Santander y más específicamente en Cúcuta a Ferretería Mundo y Jahurvo (Ubicados en la calle 11 entre las avenidas 8 y 9 de la ciudad de Cúcuta) de donde se obtuvo la muestra de Acero 1020 calibrada ¾ , esta empresa está ubicada en la calle 37 sur No 36-10 del municipio de Envigado en el Departamento de Antioquia, y estos son los productos en acero que ofrecen:

Aceros SidelpaReferencias:

1016-1020-10454140-4340-8620

Desde 1/8" hasta 3"Presentacion:

Calibrados-TorneadosTorneados mas Bonificados

10 http://www.ferroindustrial.com.co/Productos.asp.Fig 2. Muestras de aceros

Al Carbono y AleadosReferencias:

1016-1020-10454140-4340-8620

Desde 3 1/4" hasta 18"Presentacion:

Negros - Calibrados-Torneados

Fig 3. Muestras de aceros

Tiempo

Temperatura critica superior

Temperatura critica inferior

Regeneración Austenización completa

Recocidos

SubcríticosGlobulares

Oscilante Austenización incompleta

Aceros Hipo-

eutectoides

Aceros Hiper-

eutectoides

Ahora procederemos a mirar en que consiste y cuáles son los diferentes tipos de tratamiento térmicos establecidos para los aceros y características y propiedades que presentan en dichos procesos.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS*11

Los tratamientos térmicos tienen por objeto mejorar las propiedades y características de los aceros, y consisten en calentar y mantener las piezas o herramientas de acero a temperaturas adecuadas, durante un cierto tiempo y enfriarlas luego en condiciones convenientes. De esta forma, se modifica la estructura microscópica de los aceros, se verifican transformaciones físicas y a veces hay también cambios en la composición del metal.

El tiempo y la temperatura son los factores principales y hay que fijarlos siempre de antemano, de acuerdo con la composición del acero, la forma y el tamaño de las piezas y las características que se desean obtener.

Tratamientos Térmicos más usados.

Los tratamientos térmicos más usados son:

El recocido, el temple, normalizado, revenido, cementación, nitruración, temple en baño de sales, temple en baño de plomo, etc.

En la figura No. 4 representaremos gráficamente los más importantes.

Doble recocido Normalizado Temples Temple y revenido

11* APRAIZ B, José. Tratamientos térmicos de los aceros. Ed. Dossat-Plaza de Santa Ana. Madrid 1971. Séptima Edición .Biblioteca Eduardo Cote Lamus.UFPS. 672. A654a.V.0C.1. Págs. (64-80).

ToC

GlobularContra acritud

De ablandamiento

T oC

Tiempo

Temperatura critica inferior

Temperatura critica superior

Recocidos Isotérmicos Austempering Martempering

Austenización completa Austenización incompletaAceros hipoeutectoides Aceros hipereutectoides

Ahora nos concentraremos en el tratamiento térmico escogido para realizar la presente práctica que es el Normalizado:

NORMALIZADO

Este tratamiento consiste en un calentamiento a temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior, seguido de un enfriamiento en aire tranquilo. De esta manera se deja el acero con una estructura y propiedades que arbitrariamente se consideran como normales y características de su composición. Se suele utilizar para piezas que han sufrido trabajos en caliente, trabajos en frío, enfriamientos irregulares o sobrecalentamientos, y también sirve para destruir los efectos de un tratamiento anterior defectuoso. Por medio del normalizado, se eliminan las tensiones internas y se uniformiza el tamaño del grano del acero. Se emplea exclusivamente para los aceros de construcción al carbono o de baja aleación. *Las temperaturas normales del normalizado varían según el porcentaje en carbono, que va desde 840ºC a 935ºC, según la composición sea desde 0.50 a 0.10 % de carbono. A medida que aumenta el diámetro de la barra, el enfriamiento será más lento y por tanto la resistencia y el límite elástico disminuirán y el alargamiento aumentará ligeramente.*12

12*11 APRAIZ B, José. Tratamientos térmicos de los aceros. Ed. Dossat-Plaza de Santa Ana. Madrid 1971. Séptima Edición .Biblioteca Eduardo Cote Lamus.UFPS. 672. A654a.V.0C.1. Págs. (64-84).* http://html.rincondelvago.com/tratamientos-termicos_1.html

T oC

Tiempo

Temperatura critica inferior

Temperatura critica superior

Fig. 4. Esquema de los tratamientos térmicos más empleados y del desplazamiento de las zonas de transformación. Los puntos y zonas negras señalan las temperaturas de transformación del acero.*11

Fig. 5. Cambios estructurales que experimenta en los calentamientos y enfriamientos lentos on acero entre

0,18-0,25% de carbono.*11

PROCEDIMIENTO

Se prepararon varias muestras (probetas) de acero 1020 de aproximadamente 12 mm de largo calibrada ¾, las cuales fueron cortadas con sierra de disco y pulidas en el laboratorio de máquinas de la universidad fueron pasadas por una pulidora para retirar imperfecciones o salientes, posteriormente fueron llevadas al laboratorio de cristalografía para su primera inspección. Posteriormente dichas muestra (4) fueron introducidas en el horno del laboratorio (Horno eléctrico) como se ve en la figura 6.

Posteriormente se cierra el horno, se adecua y se lleva a la temperatura deseada para la normalización del acero que oscila entre 700 y 900oC, como se observa en la figura 7 y 8.

Después de esperar aproximadamente entre 2º y 30 min el horno alcanza la temperatura deseada y se mantiene un intervalo de tiempo a esta temperatura y posteriormente se procede a retirarla del horno y enfriarlo a temperatura ambiente como lo indica el proceso de normalizado (Fig 9).

Fig. 6. Horno eléctrico laboratorio de tratamientos térmicos.

Fig. 7 Izq y Fig 8 Der. Regulador temperatura Horno.

Fig. 9.

Posteriormente se dejan enfriar al aire libre por aproximadamente 6 horas, después de esto procedemos a elegir una cara de las tapas de la muestra y procedemos a pasarlas por diferentes tipos de lija para eliminar impurezas, ralladuras y otras imperfecciones para luego pulirla (Figs. 10, 11).

Por ultimo después de haber pasado la muestra por una lija de agua 1500 que es la más fina en textura procedemos a pulir (fig. 11) la muestra con Nital al 2% (Nital es una solución de alcohol y ácido nítrico, utilizado para el grabado de la rutina de los metales. Es especialmente adecuado para revelar la microestructura de los aceros al carbono. El alcohol puede ser el metanol, etanol o alcohol de quemar), las particularidades de este químico es que Obscurece la perlita en aceros al carbono, diferencia la perlita de la martensita: revela los límites de grano de la ferrita, muestra la profundidad del núcleo en los aceros nitrurados. En un tiempo: 5 a 60 segundos.*13

Después procedemos a analizar la estructura del acero 1020 Normalizado (Acero al carbono entre 0,18-0,23), observamos la estructura ante el microscopio Fig. 12, observamos muestra capturando la imagen de la microestructura Fig 13 y procedemos a compararla con imágenes metalográficas de aceros normalizados ya preestablecidos en referencias bibliográficas para revisar si el proceso se llevó bien a cabo

13 http://html.rincondelvago.com/metalografia.html.

Fig. 10 Izq Proceso de lijado y Fig 8 Der. Muestras ya lijadas

Fig. 11. Muestra final ya acabada, totalmente pulida y lista para observación metalográfica.

Fig. 12. Análisis metalográfico en el microscopio.

Fig. 12. Análisis metalográfico en el microscopio, evidencia práctica con diferentes ampliaciones

ANALISIS Y COMPARACION DE MUESTRAS.

A continuación si observamos bien la primera imagen de la fig 12 y la comparamos con la imagen de la fig 13 sacada de la referencia bibliográfica citada a continuación*14 y establecemos similitudes podemos establecer que nuestra muestra se asemeja a un acero de 0,20 % de carbono normalizado a una ampliación de imagen x100, también podemos ver estructuras de perlitas y ferrita con manchas negras que es el carbono presente en la muestra.

14 APRAIZ B, José. Tratamientos térmicos de los aceros. Ed. Dossat-Plaza de Santa Ana. Madrid 1971. Séptima Edición .Biblioteca Eduardo Cote Lamus.UFPS. 672. A654a.V.0C.1. Págs. (102).

Fig. 13. Acero de 0,20% de carbono normalizado*14

Fig. 12. Acero 1020 entre 0,18-0,23% de carbono normalizado en el laboratorio

CONCLUSIONES

Aprendimos y reforzamos en forma práctica los procedimientos de los diferentes tratamientos térmicos en los aceros para identificando los procedimientos, cambios físicos, mecánicos y de composición de la muestra, además de reforzar el vocabulario aprendido durante la clase sobre clasificación de aceros usos y características propias de ellos.

Conocimos e identificar algunos equipos utilizados en el tratamiento térmico de los aceros, sus características, instrumentos de medición y tiempos de uso en el horno eléctrico.

Aplicamos lo aprendido e identificamos características y propiedades del normalizado como tratamiento térmico del acero, sus diferentes formaciones cambios estructurales y mecánicos.

Se identificó la dureza y las fases presentes en cada una de las muestras.

BIBLIOGRAFIA

http://www.taringa.net/posts/info/1187222/El-Acero-_historia_-datos_-etc_.html . (30/04/11).

http://es.wikipedia.org/wiki/Acero#cite_note-0 . (30/04/11).

http://es.wikipedia.org/wiki/Acero#cite_ref-19 (30/04/11).

http://www.google.com/imgres?imgurl=http://edu.jccm.es/ies/losolmos/TECNOLOGIA/Tecno/ Materiales/DiagramaFeCb.jpg&imgrefurl=http://edu.jccm.es/ies/losolmos/TECNOLOGIA/Tecno/Materiales/materiales.htm&h=1074&w=1710&sz=262&tbnid=8Io2Ml2kpI8-kM:&tbnh=94&tbnw=150&prev=/search%3Fq%3Ddiagrama%2Bhierro%2Bcarbono%26tbm%3Disch%26tbo%3Du&zoom=1&q=diagrama+hierro+carbono&hl=en&usg=__hZ432PuNES5PG720bUQwOrRBb4s=&sa=X&ei=85i8TZSFOMTj0gHMn9HOBQ&ved=0CB8Q9QEwAA. (30/04/11).

http://usuarios.fceia.unr.edu.ar/~adruker/Clasificaci%F3n%20de%20aceros%20Mat%20y %20Pro.pdf.(01/05/11)

http://www.ferroindustrial.com.co/Productos.asp . (01/05/11)

APRAIZ B, José. Tratamientos térmicos de los aceros. Ed. Dossat-Plaza de Santa Ana. Madrid 1971. Séptima Edición .Biblioteca Eduardo Cote Lamus.UFPS. 672. A654a.V.0C.1. Págs. (64-80).

http://html.rincondelvago.com/tratamientos-termicos_1.html (30/04/11).

http://html.rincondelvago.com/metalografia.html . (30/04/11).