TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS

TRATAMIENTO TERMICO. Conjunto de calentamientos yenfriamientos controlados a que puede ser sometidauna aleación sólida con el fin de modificar su estructuramicrográfica (y en consecuencia sus propiedades), sin quecambie la composición química de la aleación.

En el caso de los aceros se basan en la serie detransformaciones que puede experimentar laaustenita en función de las condiciones deenfriamiento.

Se reserva el nombre de TRATAMIENTOSTERMOMECÁNICOS para aquellos que producenmodificaciones estructurales de la aleación porcalentamiento y, simultáneamente, conformaciónmecánica de la aleación sólida antes del enfriamiento

Se denominan TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS los quecomportan además, una modificación química en laperiferia de la aleación.

TEMPLE+REVENIDO BONIFICADO DEL ACERO

Se trata de estudiar las condiciones más favorables, de calentamiento y enfriamiento, para obtener unadeterminada estructura y la forma en que influye ésta en las características físicas, químicas, mecánicas yestructurales de los aceros, con el fin de conseguir las mejores características en la utilización.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS

Con ellos se pueden alcanzar algunos de los objetivos siguientes:

• Conseguir la estructura de menor dureza o mejor maquinabilidad.• Eliminar la acritud que origina el trabajo en frío.• Eliminar las tensiones de cualquier origen, que pueden ser la causa de deformaciones después del

maquinado, o producir roturas en servicio.• Eliminar las tensiones internas, originadas por deformación de la red atómica, las cuales elevan la

dureza y aumentan la fragilidad.• Conseguir una estructura más homogénea que antes de dar el tratamiento térmico.• Conseguir máxima dureza y resistencia.• Mejorar la resistencia a los agentes químicos.• Variar alguna de las características físicas.

• Ocasionar modificaciones estructurales, de dimensión y de forma de los microconstituyentes, sin

modificar su naturaleza.

• Producir mediante procesos químicos o químico-físicos, modificaciones en la composición química del

material en su superficie.

• Conferir propiedades particulares a las capas superficiales.

Varios de los tratamientos térmicos y termomecánicos de los acerosrequieren primeramente lograr por calentamiento que el acero tengaestructura austenítica (AUSTENIZACIÓN), para, desde esas altastemperaturas, transformar luego por ENFRIAMIENTO y conseguiraquella estructura en los constituyentes que se deseen en cada caso.

La temperatura de austenización previa al temple (temperatura detemple) no debe ser alta con el fin de evitar sobrecalentamientos y/oquemados.

ENFRIAMIENTO EN LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS CON AUSTENIZACIÓN PREVIA

TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS // ENFRIAMIENTO DESDE EL ESTADO AUSTENÍTICO

El enfriamiento puede ser CONTINUO (Tratamientos con Enfriamiento Continuo: Curvas CCT) y realizarse de diversasmaneras: enfriando dentro del horno, al aire, en agua, en aceite, etc.

En otros casos el enfriamiento es ISOTÉRMICO (Tratamientos Isotérmicos o Curvas TTT); conseguido, por ejemplo,mediante inmersión en un baño de sales fundidas o de plomo fundido.

La estructura micrográfica que presentará el acero altérmino del tratamiento térmico será el resultado de lainteracción entre las curvas de enfriamiento (de lasuperficie y del núcleo de la pieza) y la curva TTT.

Según sea más o menos rápido el enfriamiento (mayor omenor velocidad de enfriamiento) desde el estadoaustenítico, una misma pieza de acero puede presentaren un determinado punto de su interior una estructura:

• martensítica,

• bainítica,

• de perlita fina

• de perlita gruesa.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS // ENFRIAMIENTO DESDE EL ESTADO AUSTENÍTICO

Los FACTORES que condicionan la estructura micrográfica de una pieza al término de un tratamiento térmico con austenización previa pueden resumirse en tres:

• (i) Curva T.T.T. del acero• (ii) Severidad del medio refrigerante (su aptitud para absorber calor de la superficie de la pieza)• (iii) Tamaño de la pieza a tratar (Masa, forma y dimensiones)

La curva T.T.T. del acero, y en concreto su posición respecto al origen detiempos, depende del tamaño de grano de la austenita y de la composiciónquímica del acero. Esa curva resultará más alejada del origen de tiemposcuanto mayor sea el tamaño de grano austenítico y cuantos máselementos en solución sólida tenga la austenita.

Por ello se dice que el acero tiene tanta más templabilidad -mayor facilidadpara el temple- cuanto más apartada del origen de tiempos se halle sucurva TTT. Así, para un acero muy aleado su curva TTT estará muydesplazada del origen de tiempos y podría obtenerse martensita por simpleenfriamiento al aire desde la temperatura de austenización. Los aceros quetemplan por simple enfriamiento al aire se denominan "autotemplantes".

Para que los aleantes resulten eficaces en el temple han de estarsolubilizados previamente en la austenita.

(i).- Curva T.T.T

Composición.-Tanto las curvas TTT, de enfriamiento isotérmico, como las modificadas, de enfriamiento continuo, dependen de la composición química del acero, por tanto, ésta será la que nos fija los otros factores: temperatura, tiempo de permanencia en ella y ley de enfriamiento o velocidad.

Mecanismo del proceso de enfriamiento. Consideremos que la pieza que se va a enfriartiene forma cilíndrica y que su longitud es muy superior al diámetro, con lo cual lapérdida de calor tendrá lugar preferentemente a través de la superficie lateral delcilindro. Además se considera que la temperatura en la pieza es uniforme en el momentode introducirla en el medio de enfriamiento. Si éste se encuentra a una temperatura Tm,muy inferior a la de la pieza, cuando la introducimos en él, se establece inmediatamenteen la superficie de separación de ambas un elevado gradiente de temperatura que haceque aparezca un flujo de calor.

La velocidad de flujo de calor través de la intercara metal - refrigerante sigue la ley de Newton:

Ts = Temperatura de la superficie de la piezaTm =Temperatura del medio refrigeranteA = Coeficiente de conductividad térmica de la intercara (depende de la naturaleza de la capa de la intercara y del estado de la superficie de la pieza)

De la expresión anterior se deduce que la velocidad de evacuación de calor en la superficie de la pieza es tanto más elevadacuanto mayor sea A y mayor el gradiente de temperatura en la intercara.

(ii).- Severidad del agente refrigerante

La severidad de un agente refrigerante puede valorarse no sólo cualitativamente (tiene más severidad el agua que el aceite y éste más que el aire), sino también cuantitativamente. Los medios de enfriamiento más comunes son el agua, aceite, agua salada muy agitada, baños de sales fundidas, plomo fundido, aire en calma y a presión, etc. Las velocidades de enfriamiento más elevadas se consiguen con salmueras agitadas

Veamos cómo enfría la superficie del acero

 s mq A T T (1)

Como consecuencia de la evacuación del calor en la superficie de la pieza, se establece en el interior deésta otro gradiente de temperatura entre el núcleo y la superficie, que da lugar a un flujo de calor cuyavelocidad viene dada por la expresión (Ley de Fourier):

k = Conductividad térmica del aceroD = Diámetro de la piezaTn = Temperatura del núcleoTs = Temperatura de la superficie

De la expresión anterior se deduce que la velocidad de evacuación de calor del interior de la pieza,depende de la conductividad térmica del metal, de sus dimensiones y de la diferencia detemperatura entre el núcleo y la periferia.

Por otra parte, el principio de conservación del calor exige que la velocidad de salida de éste por la superficie, sea igual a la

velocidad con que llega, esto es, se ha de verificar que q = q‘, [(1)=(2)], por tanto:

1

2s m s n

AT T T T

k D

’ 2 n s n sT T T Tq k k

R D

o bien: 2

2  n ss m s n

T T kA T T k T T

D D

(3)

Si D (Diámetro de la pieza) permanece constante, de la expresión anterior se deduce que cuanto mayor sea A/2k, tanto menor será el gradiente (Ts - Tm) con relación a (Ts-Tn), o lo que es igual, si el valor de A/2k es muy elevado, la superficie de la pieza se enfría muy rápidamente, ya que entonces (Ts - Tm) ha de ser muy pequeño.

Para que se cumpla la condición (3), se requiere que transcurra un breve intervalo de tiempo después de introducir la pieza en el medio de enfriamiento. Una vez que se han establecido los dos gradientes de temperatura: (Ts - Tm) y (Ts-Tn), el enfriamiento continúa y la variación de temperatura, tanto en el núcleo como en la periferia, sigue la ley de Newton.

(2)

Enfriamiento de la superficie del acero

(ii).- Severidad del agente refrigerante

Para conocer la eficacia de los diversos medios de enfriamiento, es preciso conocer la serie de fenómenos que tienen lugar desde que se introduce la pieza en el medio refrigerante, hasta que se alcanza la temperatura final, y la influencia que éstos ejercen en la velocidad de enfriamiento. En general pueden considerarse tres etapas, perfectamente definidas durante el enfriamiento.

El coeficiente A varía durante el enfriamiento de la superficie de la

pieza. Tal ocurre, por ejemplo, si el refrigerante es agua en reposo.

ETAPA A.- Cuando se introduce una pieza de acero, calentada a la temperatura de austenización, en un liquido refrigerante cuya temperatura de ebullición es muy inferior a la temperatura de la pieza, al ponerse en contacto, se forma instantáneamente, en la superficie de separación de ambas, una capa de vapor que rodea al metal y lo aísla del líquido, verificándose el enfriamiento por radiación y conducción a través de la capa gaseosa (las burbujas de vapor dificultan la transmisión de calor). La velocidad de enfriamiento en esta etapa es bastante baja, debido a que el coeficiente de película (A) también lo es, y la transmisión del calor desde el interior de la pieza al medio exterior tiene lugar gracias al elevado gradiente de temperatura acero-liquido El valor del coeficiente de película en esta etapa depende del calor de vaporización del líquido, de las capacidades caloríficas del vapor y del líquido y de la temperatura de ebullición, que en esta fase es la más importante. En el agua este coeficiente es inferior que en el aceite.

Enfriamiento de la superficie del acero

ETAPA B.- Conforme va disminuyendo la temperatura en la superficie de la pieza, disminuye también el espesor de la capa de vapor que rodea a la misma y, en ciertos puntos, el líquido en forma de gotas llegará a ponerse en contacto con el acero. Este contacto es sólo momentáneo, puesto que la gota se vaporiza tan pronto como toca el acero, desplazándose las burbujas por gravedad y convección; se establece así una serie de contactos ininterrumpidos líquido-acero, que dan origen a una velocidad de enfriamiento mucho más elevada que en la etapa anterior, pues a pesar de ser menor el gradiente de temperaturas acero-liquido, el valor del coeficiente de película (A) es mucho más elevado que el anterior. Al desprenderse las burbujas e iniciarse corrientes de convección en el líquido, la transmisión de calor es rápida (A aumenta).

La temperatura a la cual tiene lugar la transición de la etapa A a la B es tanto más elevada cuanto mayor es la temperatura de ebullición del líquido. El valor del coeficiente de película en esta etapa depende de la viscosidad del líquido, agitación del baño o de la pieza (según tamaño) y, principalmente, del calor de la vaporización.La capacidad de enfriamiento del agua en esta etapa es muy elevada.

Enfriamiento de la superficie del acero

ETAPA C.- Se llega a esta etapa cuando la superficie de la pieza se ha enfriado tanto, que alcanza la temperatura de ebullición del líquido refrigerante. En esta etapa existe contacto pieza-liquido, de forma que el calor perdido por la pieza pasa directamente al líquido a través de la intercara, sin llegar a producir vaporización. Ahora la velocidad de enfriamiento es muy pequeña, pues aun cuando el coeficiente de película (A) es muy elevado, el gradiente de temperatura es muy bajo, ya que el enfriamiento se realiza por conducción y convección del líquido.

En estas condiciones el coeficiente de película depende de la capacidad calorífica del líquido, de su grado de agitación y, principalmente, de su conductibilidad calorífica.

En el caso práctico se toma para A un valor promedio, que se denomina M.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS

k = Conductividad térmica del acero (que puede considerarse constante para todos los aceros, a excepción de los que tienencontenidos altos en cromo).

M = Valor promedio del coeficiente de conductividad térmica de la intercara

Se denomina severidad, H, del agente refrigerante al cociente:2

MH

k

El valor de H es mayor cuanta más capacidad de absorción de calor tenga el medio refrigerante. Así, el valor de H resultamayor para el agua que para el aire. El valor de H para un mismo refrigerante aumenta si se agita el medio refrigerante. Pormétodos experimentales pueden determinarse los valores H para diferentes medios refrigerantes y diversos grados de agitaciónde éstos.

De un medio refrigerante, "ideal", podría decirse que tiene severidad infinita (H=) si la periferia de la pieza alcanzainstantáneamente la temperatura del medio refrigerante al ser introducida en él. Nótese que ello no implicaría que ocurralo mismo con las temperaturas del núcleo de la pieza: iría disminuyendo de temperatura paulatinamente a medida quefueran fluyendo el calor desde el interior de la pieza hasta su superficie en contacto con aquel medio ideal. Prácticamenteno existe ningún medio de enfriamiento que cumpla esta condición.

Introduciendo el valor de H en la fórmula:

se obtiene:

Como la distribución de temperaturas en el interior de la pieza depende de Ts- Tn , si tenemos en cuenta la expresión anterior, se llega a la conclusión de que esa distribución es función del producto HD. Por tanto, si HD es muy pequeño, se producirá un elevado gradiente superficial y un pequeño gradiente interior; por el contrario, si HD es muy grande, el gradiente superficial será bajo y el interior, muy elevado.

En resumen, la severidad de temple H es la que regula el enfriamiento superficial, mientras que el producto HD, la distribución de temperaturas en el interior de la pieza.

1

2s m s n

AT T T T

k D s m s nHD T T T T

Severidades de enfriamiento para diversos refrigerantes y grados de agitación

AGITACIÓN Aire Sales Aceite Agua Agua saladaSin agitación 0,02 0,25 - 0,30 0,25 - 0,30 0,9 - 1 2Agitación débil 0,30 - 0,35 0,30 - 0,35 1-1,1 2 - 2,2Agitación moderada 0,35 - 0,40 0,35 - 0,40 1,2 -1,3Agitación media 0,40 - 0,50 0,40 - 0,50 1,40 -1,5Agitación fuerte 0,50 - 0,80 0,50 - 0,80 1,6 - 2Agitación muy fuerte 0,08 0,8 -1,1 4,0 5,0

(iii).- TAMAÑO DE LA PIEZA

El tamaño de la pieza de acero es otro de los factores que influyen en la estructuramicrográfica lograda al término de un tratamiento térmico por enfriamiento desde elestado austenítico.

Supóngase un cilindro de diámetro D1 y longitud tan grande que la cesión de calor seasolamente radial (no por las bases del cilindro). Cuando se enfría en un refrigerante deseveridad H1 (por ejemplo agua tranquila). Al enfriar se establece entre la periferia yel eje del cilindro un gradiente de temperatura. Este varía con el tiempo, ya que el calora ceder -el calor almacenado en el interior del cilindro- es proporcional al volumen. Encambio, el calor que se cede al medio refrigerante es proporcional a su superficielateral. El cociente Volumen/Superficie es igual a D1/4. Por tanto la relación entre elcalor almacenado y el calor que puede ceder aumenta con el diámetro.

Enfriamiento de la superficie (Vp) y del núcleo (Vn) al variar el tamaño del redondo (DI <D2) y la severidad del refrigerante.

a) Redondo de diámetro D1 enfriado en agua.b) Redondo de diámetro D2 enfriado en agua.

c) Redondo de diámetro D1 enfriado al aire.d) Redondo de diámetro D2 enfriado al aire.

Por eso, para un mismo refrigerante de severidad H1 (por ejemplo agua tranquila),al comparar las curvas de enfriamiento de la periferia y del centro de dos cilindrosde acero cuyos diámetros sean D1 y D2 ( D1 <D2 ), se observa que para el redondo demayor diámetro, D2, tanto el núcleo como la periferia enfrían más lentamente queen el redondo de diámetro D1. Al cabo de un tiempo t1, no sólo la temperatura de laperiferia es mayor en el redondo de diámetro, D2, sino que además su gradiente detemperatura entre periferia y núcleo resulta mayor que en el redondo de diámetroD1.

Por otro lado, si se empleara un agente refrigerante de menor severidad que H1 (porejemplo aire) esos gradientes resultan menores en ambos casos.

La estructura micrográfica que presentará el acero al término del tratamiento térmico será el resultado de la interacción entre las curvas de enfriamiento -de la superficie y del núcleo de la pieza (dependientes de la severidad del agente refrigerante y del tamaño de la pieza)- y la curva TTT (que depende solamente de la composición químiica del acero y del tamaño de grano de su austenita.

Según sea más o menos rápido el enfriamiento desde el estado austenítico, una misma pieza de acero puede presentar en determinado punto de su interior una estructura martensítica, o de otro tipo (bainítica, perlitica fina o de perlita gruesa).

Los gráficos determinados por Lamont permiten conocer a qué velocidad enfría un punto situado a la distancia "r" del centro de un redondo de radio "R", cuando el enfriamiento tiene lugar en un medio refrigerante de severidad conocida H1.

En cada diagrama de Lamont -para cada r/R- se indica en ordenadas el diámetro de la barra en cuestión. En abscisas puede determinarse, para cada severidad del agente refrigerante, la velocidad de enfriamiento. En realidad en vez de velocidades de enfriamiento lo que en abscisas se señala es a qué distancia del extremo templado de la probeta Jominy se halla el punto que enfría a igual velocidad que el situado en el interior de la barra. Y con ayuda de la Tabla puede conocerse esa velocidad.

CURVAS DE LAMONT

Velocidades de enfriamiento en el ensayo Jominy u distintasdistancias del extremo templado de la probeta.

Equivalencia de chapas y redondos templados en agua (H=1). Calvo Rodés

Equivalencia de chapas y redondos templados en aceite (H=0.5). Calvo Rodés

Así el gráfico de r/R=0 (Figura 1) permite determinar las velocidades de enfriamiento en el eje de las barras. Análogamente, el gráfico correspondiente a r/R=1 (Figura 2) sirve para determinar la velocidad de enfriamiento en la superficie de las barras.

De igual modo, empleando las figuras 3 (a, b, c, d,) y las figuras 4 (a, b, c, d), —de U.S. Steel Corporation— puede determinarse la velocidad de enfriamiento en cualquier otro punto del interior de un redondo. (Diapositiva siguiente)

Figura 2.- Curvas de Lamont para (r/R)=1Figura 1.- Curvas de Lamont para (r/R)=0

Figura 3.- Curvas de Lamont para distintos valores de (r/R) Figura 4.- Curvas de Lamont para distintos valores de (r/R)

Supóngase, por ejemplo, que se desea conocer la velocidad de enfriamiento de un punto, situado a 10 mm del centro de una barra de longitud infinita, y diámetro 100 mm, cuando se templa en agua sin agitación (H=1)

Se elegirá para ello el gráfico correspondiente a la relación (r/R)= 0.1 (Figura 3a). En él se observa que para 100 mm de diámetro de barra, y severidad H=1, ese punto enfría a la misma velocidad con que lo hace un punto situado a 27 mm del extremo templado de la probeta Jominy; es decir, a 9°F/min.

¿Qué dureza voy a obtener luego de templar una pieza de diámetro D, construida con un acero A, en un medio de severidad de temple H?

1°-Seleccionar la curva de Lamont, para la posición deseada r/R (superficie, r/R=1, centro, r/R=0).

2°-Entrar en eje vertical con el tamaño REAL de la pieza D. Luego interceptar la curva que corresponda al medio en cuestión H. De ahí, obtener en eje horizontal el valor de distancia de Jominy equivalente.

3°-Con la distancia de Jominy, ingresar en la curva de Jominy para el acero A en cuestión y hallar la dureza obtenida.

¿Cómo se puede lograr una dureza Rc en una pieza de diámetro D a una distancia X de la superficie, si se templa en un medio de temple H?

1°-Seleccionar la curva de Lamont, para la posición deseada r/R (superficie, r/R=1, centro, r/R=0).

2°-Entrar en eje vertical con el tamaño REAL de la pieza D. Luego interceptar la curva que corresponda al medio en cuestión H. De ahí, obtener en eje horizontal el valor de distancia de Jominy equivalente.

3°-Con la distancia de Jominy, ingresar en la curva de Jominypara los posibles aceros y verificar que se logre la dureza requerida.

4°-Seleccionar el acero que mejor se adapte

¿Con qué medio de temple debo templar una pieza de diámetro D para lograr una dureza Rc a una distancia X de la superficie? El acero es del tipo A

1°-Entrar en la curva de Jominy del acero en cuestión, con el valor de dureza requerido Rc y obtener la distancia de Jominy equivalente.

1°-Seleccionar la curva de Lamont, para la posición deseada r/R (superficie, r/R=1, centro, r/R=0).

3°-Entrar en eje horizontal con la distancia de Jominy. Luego interceptar con el tamaño REAL de la pieza D.Así obtener el valor H del medio de temple necesario para lograr la dureza requerida.

Relación entre Dureza y 0/o de Martensita:

Diámetro ideal:

Bibliografía: