- Introducción
- Diagrama hierro-carbono y diagramas TTT y CCT
- El temple del acero
- El revenido del acero
- Efecto de los elementos de aleación
- Procedimientos del revenido
- Conclusiones
- Referencias
Aspectos a tener presente para el revenido de los aceros
1. Resumen
2. Introducción
8. Conclusiones
9. Referencias
Resumen
El presente trabajo consistes en definir los conceptos que deben de tenerse presente para realizar un tratamiento térmico eficiente de los aceros.
Producto de la cantidad de carbono y elementos de aleación, así será las propiedades mecánicas resultantes a obtener tanto como, resistencia mecánica, plasticidad y tenacidad además de los componentes microestructurales.
Además se dan elementos necesarios para seleccionar el tratamiento térmico, como los diferentes hornos a utilizar.
Palabra clave: Tratamiento térmico de los aceros, revenido de los aceros.
Introducción
El estudio de los procesos de tratamiento térmico de los aceros comenzó por D. Chermov de los puntos críticos del acero en 1868.
Se conoce como tratamiento térmico el proceso al que se someten los metales con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas, especialmente la dureza, la resistencia y la tenacidad. Los materiales a los que se aplica el tratamiento térmico son, básicamente, el acero y la fundición, formados por hierro y carbono.
El tratamiento térmico es la operación de calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado sólido a temperaturas y condiciones determinadas para cambiar sus propiedades mecánicas. Nunca alteran las propiedades químicas. Con el tratamiento térmico adecuado se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamaño del grano, incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un interior dúctil. Para conocer a que temperatura debe elevarse el metal para que se reciba un tratamiento térmico es recomendable contar con los diagramas de cambio de fases como el de hierro – carbono. En este tipo de diagrama se especifican las temperaturas en las que suceden los cambios de fase (cambios de estructura cristalina), dependiendo de los materiales diluidos. Los tratamientos térmicos han adquirido gran importancia en la industria en general, ya que con las constantes innovaciones se van requiriendo metales con mayores resistencias tanto al desgaste como a la tensión. El tiempo y la temperatura son los factores principales y hay que fijarlos de antemano de acuerdo con la composición del acero, la forma y el tamaño de las piezas y las características que se desean obtener.
El tratamiento térmico convencional para producir aceros martensíticos se obtiene mediante un enfriamiento rápido, del acero austenizado, en un medio de temple, tal como agua, aceite o aire.
Las propiedades mecánicas optima de un acero templado seguido de un revenido, se produce si durante el proceso de temple el acero adquiere un alto contenido de martensíta, u otro microconstituyente como perlita, bainita.
El tratamiento térmico adecuado del acero para que se produzca una estructura martensística, depende fundamentalmente de tres fases.
1. Calentamiento de la pieza.
2. Permanencia a la temperatura deseada.
3. Medio de enfriamiento.
Desarrollo
Diagrama hierro-carbono y diagramas TTT y CCT
El diagrama de fase hierro-carbono (Fe-C), mostrado en la Figura 1, es la representación gráfica de las fases presentes en determinada composición y temperatura. Es en el referido diagrama donde todos los tratamientos térmicos se basan, pues el mismo define las regiones de temperatura y cantidad de carbono donde las fases son estables; sin embargo, resalta que este diagrama debe ser apenas una guía, una vez que la mayoría de los aceros contienen otros elementos que modifican las posiciones de equilibrio donde las fases son estables (3,4(.
Los aceros son aleaciones de hierro, carbono y otros elementos, el hierro es el elemento que entra en mayor proporción y la cantidad de carbono no sobrepasa el 2%; sin embargo este elemento es el que más influencia ejerce en las propiedades y posiciones de equilibrio. Algunos elementos, como el manganesio y el níquel, pueden aumentar el área donde la austenita es estable, mientras que el silicio, el cromo y el niobio estabilizan la fase ferrítica (3(.
El diagrama de transformación isotérmica, que también es conocido como diagrama ITT, puede ser observado en la Figura 2. En una transformación isotérmica la temperatura es mantenida constante mientras se varía el tiempo. Este diagrama torna la cinética de transformación más fácil de ser analizada para determinada temperatura.
El diagrama de transformación por enfriamiento continuo que también es conocido como diagrama CCT, puede ser observado en la Figura 2. Este diagrama se aproxima más a las condiciones de enfriamiento de los procesos de manufactura, con un descenso paulatino de la temperatura a diferentes velocidades de enfriamiento.
Es importante resaltar que algunos factores influyen directamente en la posición de las curvas de inicio y fin de transformación, como por ejemplo, la cantidad de carbono, el tamaño de los granos, la presencia de los elementos de aleación y la homogeneidad de la austenita.
Figura 1: Diagrama hierro-carbono(5(.
Figura 2: Diagrama ITT y CCT para el acero SAE 4130 (5(.
El temple del acero
La austenitización se define como la formación de la austenita como resultado del calentamiento del acero hasta una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior (Ac3) (3(. El temple, consiste en enfriar el acero rápidamente después de la austenitización, en un medio apropiado, con el objetivo de lograr la formación de la martensita; tal estructura confiere alta dureza y resistencia al acero.
Los medios de enfriamiento más comúnmente utilizados para el temple son: agua, aceite, soluciones poliméricas y soluciones salinas, presentando diferentes severidades (6(.
Dependiendo del contenido de carbono, la martensita puede presentar dos tipos de morfología: listones y placas. La Figura 3 relaciona la morfología de la martensita con la cantidad de carbono.
La martensita tipo listones es formada en los aceros de bajo carbono, son listones largos y finos que se forman lado a lado, paralelamente entre sí (3,4(. La martensita tipo placas se desarrolla en los aceros de alto carbono. Con esta estructura los granos de la martensita adquieren una apariencia en formato de aguja o placas y es común la presencia de la austenita retenida (7(. En los aceros de medio carbono pueden coexistir los dos tipos de martensita.
Figura 3: Intervalos de formación de la martensita tipo entramas y tipo placas (3(.
Así, la martensita lograda por el temple es una estructura bastante dura y frágil. La mayor dificultad al usar aceros templados consiste exactamente en la baja tenacidad y en la alta concentración de tensiones de la martensita. Esta fragilidad se debe a las distorsiones en el reticulado causadas por los átomos de carbono retenidos en los sitios octaédricos de la martensita (Figura 4), a la segregación de las impurezas para los contornos de grano de la austenita, a la formación de carburos durante el temple y a las tensiones residuales de temple (3(. Para aliviar estas tensiones y mejorar la tenacidad del acero templado se hace necesaria otra etapa de tratamiento térmico; el proceso adecuado para este fin es denominado revenido.
Figura 4: Desplazamientos del átomo de hierro debido a los átomos de carbono en: a- austenita, b- ferrita y c- martensita (8(.
El revenido del acero
El revenido del acero se realiza después del temple para obtener valores especificados de las propiedades mecánicas, también para aliviar tensiones y asegurar la estabilidad dimensional.
Las variables asociadas con el revenido – que afectan a la microestructura y las propiedades mecánicas de un acero – incluyen:
temperatura de revenido(
tiempo de permanencia a la temperatura de revenido
velocidad de calentamiento y enfriamiento
En el acero templado, con una microestructura que consiste esencialmente en martensita, los átomos de carbono se insertan en la red cristalina del hierro, produciendo una distorsión de la red cúbica del hierro que da origen a una red tetragonal la cual le confiere al acero altos niveles de dureza, en dependencia de su contenido de carbono.
Durante el revenido, debido al calentamiento, los átomos de carbono difunden, para permitir el retorno a la red cúbica característica del hierro, originando carburos del tipo M3C.
Las propiedades del acero revenido se determinan principalmente por el tamaño, forma, composición y distribución de los carburos, con una contribución relativamente menor debida al endurecimiento por sólido-solución de la ferrita. Estos cambios en la microestructura suelen disminuir la resistencia mecánica y aumentar la ductilidad y la tenacidad.
Bajo ciertas condiciones, la dureza puede no ser afectada por el revenido o incluso puede aumentar como resultado del mismo. Por ejemplo, un revenido de acero templado con temperaturas de revenido muy baja puede provocar ningún cambio en la dureza. Además, los aceros de aleación que contienen uno o más de los elementos formadores de carburo (Cr, Mo, V y W) son capaces de provocar el llamado endurecimiento secundario. Los valores de dureza de revenido para varios aceros se presentan en la Tabla 1.
La temperatura y el tiempo de permanencia son variables interdependientes en el proceso de revenido. Dentro de ciertos límites, la reducción de la temperatura o el incremento del tiempo de permanencia por lo general pueden producir el mismo resultado que el aumento de la temperatura y la disminución del tiempo de permanencia; aunque se considera que los cambios de temperatura tienen mayor efecto que los del tiempo de permanencia. Con pocas excepciones, el revenido se realiza a temperaturas entre 175 y 705 °C con tiempos de 30 min a 4 h.
Desde el punto microestructural, sobre la base de rayos X, dilatometría y los estudios microscopía, hay tres etapas distintas de revenido, a pesar de que los rangos de temperatura se superponen ( 9, 10, 11,12(.
Etapa I: La formación de( carburos de transición y la reducción a 0,25% del contenido de carbono de la martensita (de 100 a 250 °C)
Etapa II: La transformación( de la austenita retenida en ferrita y cementita (200 a 300 °C)
Etapa III: La sustitución de( los carburos de transición y de la martensita de baja temperatura por la mezcla de cementita y ferrita (250 a 350 °C).
Una etapa adicional de revenido (etapa IV), consistente en la precipitación de carburos de aleación finamente dispersos, existe para los aceros de alta aleación.
Se ha encontrado que la fase I de revenido es a menudo precedida por la redistribución de los átomos de carbono, llamado auto-revenido, durante el enfriamiento y/o mantenimiento a temperatura ambiente (13(. Otros cambios estructurales tienen lugar a causa del reordenamiento de átomos de carbono antes de la etapa clásica I del revenido (14,15(.
Tabla 1. Valores de dureza de diferentes aceros sometidos al revenido (14(.
La formación de la martensita se asocia con un aumento en el volumen. Durante el revenido, la martensita se descompone en una mezcla de ferrita y cementita, con una consiguiente disminución de volumen a medida aumenta la temperatura de revenido. La austenita retenida en aceros al carbono y aceros de baja aleación se transforma en vainita con un aumento en el volumen, en la etapa II del revenido. Cuando algunos aceros de aleación son revenidos, una precipitación de carburos aleados finamente distribuidos, acompañada de un aumento en la dureza – la dureza llamada secundaria – y un aumento en el volumen.
1.3.1 INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA DE REVENIDO
Varias relaciones empíricas se han realizado entre la resistencia a la tracción y la dureza de los aceros revenidos de tal manera que la medición de dureza se utiliza habitualmente para evaluar la respuesta de un acero revenido.
La figura 5 muestra el efecto de la temperatura sobre la dureza, resistencia a la tracción, elongación y estricción relativas de un acero al carbono (AISI 1050) revenidos durante 1 h.
Fig. 5 Efecto de la temperatura de revenido en las propiedades mecánicas a temperatura ambiente del acero AISI 1050 (barra de 38 mm de diámetro), previamente templado en agua. (0,52% C, 0,93% Mn). [16]
La mayoría de los aceros de mediana aleación presentan una respuesta al revenido similar a la de los aceros al carbono. El cambio en las propiedades mecánicas con la temperatura de revenido de acero 4340 se muestra en la figura 6.
Fig. 6 Efecto de la temperatura de revenido en las propiedades mecánicas de barras de acero 4340 templado en aceite. (0,41% C, 0,67% Mn, 0.023% P, S 0,018%, 0.26% Si, 1.77% Ni, Cr 0,78%, 0,26% Mo, tamaño de grano, ASTM 6-8; puntos críticos: AC1=730 °C, AC3= 770 °C, Ar3=475 °C, AR1=380 °C. El tratamiento térmico: normalizado a 870 °C, temple a 800 °C en aceite, dureza de temple 601 HB 16 .
1.3.2 INFLUENCIA DEL TIEMPO DE REVENIDO La difusión de carbono y elementos de aleación necesaria para la formación de carburos depende de la temperatura y el tiempo de revenido. El efecto del tiempo de revenido en la dureza de un acero con 0,82% C revenido a diferentes temperaturas se muestra en la figura 7. Los cambios en la dureza se comportan aproximadamente de forma lineal en una gran parte del intervalo de tiempo, cuando el tiempo se presenta en una escala logarítmica. Cambios significativos en la dureza se producen al inicio del revenido antes de de los 10 s, Cambios menos significativos en la dureza ocurren entre 1 y 10 minutos de revenido. Muy pequeños cambios ocurren en la dureza con tiempos entre 1 y 2 h de revenido, por lo que generalmente el revenido se aplica entre 1 y 2 h.
Fig. 7 Efecto del tiempo a cuatro temperaturas de revenido sobre la dureza a de del acero con 0,82% C templado 17 .
13.3 VELOCIDAD DE ENFRIAMIENTO Otro factor que puede afectar a las características de un acero es la velocidad de enfriamiento durante revenido. Aunque las propiedades de tracción no se ven afectadas por la velocidad de enfriamiento, la resistencia al impacto puede disminuir si el acero se enfría lentamente a través del rango de temperatura de 375 a 575 °C, especialmente en aceros que contienen elementos formadores de carburo. La elongación y estricción relativas también pueden verse afectadas. Este fenómeno se llama fragilidad de revenido.
Efecto de los elementos de aleación
El principal objetivo de añadir elementos de aleación al acero es para aumentar la templabilidad, es decir, la capacidad del acero para formar martensita durante el temple. El efecto general de los elementos de aleación en revenido es de retardar la tasa de ablandamiento, especialmente a las altas temperaturas de revenido.
Por lo tanto, para alcanzar una determinada dureza en un mismo período de tiempo, los aceros aleados requieren temperaturas más altas de revenido que los aceros al carbono. Los elementos de aleación se pueden caracterizar como formadores o no formadores de carburos.
Elementos tales como Ni, Si, Al y Mn, que tienen poca o ninguna tendencia a formar carburos, se mantienen esencialmente en solución sólida de la ferrita y sólo tienen un efecto menor sobre la dureza del templado. El endurecimiento debido a la presencia de estos elementos se produce principalmente a través de endurecimiento por solución sólida de la ferrita (18,19( .
Los elementos formadores de carburos (Cr, Mo, W, V, Nb y Ti) retardan las etapas del revenido, desplazándolas hacia temperaturas mayores en comparación con los aceros al carbono, dando origen a carburos aleados complejos. Este efecto no es considerable a baja temperatura de revenido cuando se forma Fe3C, sin embargo, a temperaturas más altas la dureza disminuye lentamente con la temperatura de revenido.
El aumento en la dureza debido a la adición de diferentes elementos de aleación para temperaturas de revenido entre 205 y 705 °C.
Los elementos fuertemente formadores de carburos, tales como el cromo, molibdeno y vanadio, son más eficaces en el aumento de la dureza a temperaturas superiores a 205 °C. Se ha encontrado que el silicio actúa sobre el aumento de la dureza a los 315 °C. El aumento en la dureza causada por el fósforo, níquel y silicio puede ser atribuido al endurecimiento por solución- sólida. El manganeso es más efectivo en el aumento de la dureza a temperaturas más altas de revenido.
Los elementos formadores de carburos retardan la coalescencia de la cementita, formando numerosas partículas finas y dispersas de carburos aleados. Bajo ciertas condiciones, con altas niveles de aleación, la dureza puede aumentar; este efecto se conoce como endurecimiento secundario.
A medida que aumenta el contenido de molibdeno, se incremente el efecto del endurecimiento secundario.
Se plantea que efectos sinérgicos de varias combinaciones de elementos de aleación pueden ocurrir, por ejemplo: el cromo tiende a producir endurecimiento secundario a una temperatura más baja que en el caso del molibdeno. Sin embargo, la combinación de cromo y molibdeno produce una curva de dureza en función de la temperatura de revenido con pico a una temperatura menor de la que provoca el pico de dureza cuando solo está presente el molibdeno,
Procedimientos del revenido
El revenido puede realizarse por calentamiento total o de determinas zonas de las piezas, durante el tiempo suficiente para que se desarrollen los mecanismos del revenido hasta el punto requerido en dependencia de la dureza a obtener.
El proceso de revenido puede realizarse en hornos de convección o de sales fundidas, en baños de aceite caliente o de metal fundido. La selección del tipo de horno depende principalmente del número y tamaño de las piezas y de la temperatura deseada. La Tabla 2 muestra especificaciones para el uso de diferentes equipos de revenido.
Tabla 2 Especificaciones para el uso de diferentes equipos de revenido.
Conclusiones
En este trabajo se llegaron a las siguientes conclusiones.
Los aceros son aleaciones de hierro, carbono y otros elementos, el hierro es el elemento que entra en mayor proporción y la cantidad de carbono no sobrepasa el 2%; sin embargo este elemento es el que más influencia ejerce en las propiedades y posiciones de equilibrio.
Algunos elementos, como el manganesio y el níquel, pueden aumentar el área donde la austenita es estable, mientras que el silicio, el cromo y el niobio estabilizan la fase ferrítica.
El diagrama de transformación isotérmica, la temperatura es mantenida constante mientras se varía el tiempo. Este diagrama torna la cinética de transformación más fácil de ser analizada, en los procesos de temple y revenido
El diagrama de transformación por enfriamiento continuo que también es conocido como diagrama CCT, se aproxima más a las condiciones de enfriamiento de los procesos de manufactura, con un descenso paulatino de la temperatura a diferentes velocidades de enfriamiento, recomendamos analizarlo en unión del diagrama de transformación isotérmica.
El temple, consiste en enfriar el acero rápidamente después de la austenitización, en un medio apropiado, con el objetivo de lograr la formación de la martensita; tal estructura confiere alta dureza y resistencia al acero.
El revenido del acero se realiza después del temple para obtener valores especificados de las propiedades mecánicas, también para aliviar tensiones y asegurar la estabilidad dimensional.
Las propiedades del acero revenido se determinan principalmente por el tamaño, forma, composición, como la distribución de los carburos, con una contribución relativamente menor debida al endurecimiento por sólido-solución de la ferrita. Estos cambios en la microestructura suelen disminuir la resistencia mecánica y aumentar la ductilidad y la tenacidad.
Durante el revenido, la dureza como la resistencia mecánica disminuye con el aumento de la temperatura mientras que la plasticidad aumenta. Esta es una variable de gran importancia en el revenido.
El tiempo de revenido tiene poca influencia sobre las propiedades del acero
El carbono tiene gran influencia en la dureza de temple.
El efecto general de los elementos de aleación en revenido es de retardar la tasa de ablandamiento, a las altas temperaturas de revenido.
Referencias
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19. A.P Guliáev, Metalografía. 1978.
Autor:
Ing. Román Terry Jiménez
Dr. Rafael Fernández Fuentes
Centro de investigaciones de soldadura, Universidad Central "Marta Abreu". Las Villas. Cuba.