Según la localización: La más o menos amplia extensión de la zona afectada permite diferenciar entre temple total o localizado.
Según la penetración: La mayor o menor profundidad de la zona afectada permite diferenciar entre Temple Superficial hasta temple en el núcleo.
En el Temple Superficial existen piezas que, por el tipo de trabajo que han de realizar, requieren, por una parte, gran tenacidad y resiliencia n el núcleo y, por otra, gran dureza y resistencia superficial (por ejemplo, engranajes, cigüeñales, árboles de levas, etc.).
El método de temple superficial consiste en producir un calentamiento muy rápido en la superficie de la pieza, de forma que solamente una delgada capa alcance la temperatura de austenización, seguido de un enfriamiento muy rápido. Para este tratamiento se emplean aceros con un 0,3 – 0,6% de carbono, siendo su estado inicial el de recocido o normalizado. Actualmente existe gran variedad d dispositivos e instalaciones automáticas para aplicar este tratamiento de forma continua a series de piezas iguales. También se denomina flameado.
REVENIDO.
Consiste en calentar el acero a una temperatura determinada pro por debajo del Ac1, después de haber sido templada a una temperatura inferior a la austenización y luego someterlo a uno o varios enfriamientos más bien rápidos hasta la temperatura del ambiente. Con este tratamiento se pretende conseguir algunos de los fines siguientes:
Mejorar los efectos del temple.
Disminuir las tensiones internas originadas en el temple.
Modificar las características mecánicas disminuyendo dureza y resistencia a la rotura, así como aumentando tenacidad, plasticidad y estricción.
Es, por tanto, un tratamiento complementario del temple. Al conjunto de las operaciones de temple y revenido a que se somete un producto siderúrgico se le denominado bonificado. El revenido da al acero las propiedades adecuadas al fin al que se destina. Cuanto mayor sea la dureza del acero templado, o sea, cuando mayor sea la cantidad de martensita que contenga, más alto será el nivel de las propiedades que puedan lograrse con un buen revenido, disminuyendo la dureza hasta un valor suficiente y aumentando, en cambio, la tenacidad. Figura.
Existen algunos aceros en los cuales, en determinados intervalos de la temperatura d revenido, la resiliencia, en vez de aumentar, disminuye. A este fenómeno se le conoce como fragilidad del revenido y, según la zona en que se presenta, se distinguen dos tipos:
Fragilidad d revenido entre 250 C y 400 C, es debido a la formación de una delgada capa de cementita en los contornos de la martensita, que desminuye la tenacidad y aumenta la fragilidad. Se logra desplazar esta zona mediante adiciones de 0,5 – 2% de silicio.
Fragilidad de revenido entre 450 C y 550 C, se presenta en aceros que contienen pequeñas cantidades de Cr y Ni. Se puede eliminar o retrasar con la adición de Mo o modificando las condiciones de temperatura, tiempo de revenido y velocidad de enfriamiento.
NORMALIZADO.
Tratamiento térmico que se da a los aceros al carbono de construcción. Se utiliza también en piezas fundidas, forjadas, laminadas, mecanizadas, etc., y en general siempre que se trate de eliminar las tensiones producidas por cualquier método de conformación. También tiene interés para destruir los efectos d un sobre calentamiento o un tratamiento térmico anterior, ya que afina la estructura. Consiste en calentar el acero a una temperatura de 30 C a 50 C superior a la crítica (Ac3) y, una vez transformado completamente, dejarlo enfriar al aire en calma. Se diferencia del recocido de regeneración y del temple en que el enfriamiento es más lento que en el temple y más rápido que en el recocido. Es más fácil de ejecutar y requiere menos tiempo. Su resultado depende del espesor de la pieza, pues la velocidad de enfriamiento es distintas, siendo mayor en las piezas delgadas que en las gruesas. Figura
CEMENTACIÓN.
Los tratamientos térmicos, en ocasiones, no son suficientes para mejorar ciertas características, particularmente en la superficie de los metales. Cuando se necesitan piezas con una superficie muy dura, resistencia al desgaste y la penetración, y con el núcleo central tenaz para poder resistir y soportar los esfuerzos a que están sometidas, se usan diversos procedimientos, tales como los tratamientos termoquímicos. Se denominan termoquímicos (o de cementación) porque, aparte de las operaciones de calentamiento y enfriamiento, modifican la composición química del acero en la capa superficial mediante el aporte o la difusión de ciertos elementos (carbono, nitrogeno, azufre, etc.).
Con ello se trata de conseguir algunos de los fines siguientes:
Aumentar la dureza superficial sin alterar la tenacidad dl núcleo.
Favorecer las cualidades de lubricación y rozamiento.
Aumentar la resistencia al desgaste.
Aumentar la resistencia a la fatiga,
Mejorar la resistencia a la corrosión.
Se debe realizar en unos hornos especiales del tipo "Mufla", ver figura, o en unos hornos con atmósfera controlada de nitrógeno, durante un tiempo dado, que determina el espesor de la capa que se a querido endurecer.
Aumentar el contenido de carbono de la superficie de un acero mediante un calentamiento a una temperatura comprendida entre 850 C y 950 C en un medio capaz de cederle carbono, denominado agente cementante o carburante. La cementación va seguida siempre de temple y revenido. Se aplica a piezas que requieran gran dureza superficial (60 a 65 HRc) y resistencia al desgaste, junto a elevados niveles de ductilidad y resistencia para poder soportar esfuerzos de importancia. Se emplean principalmente aceros de bajo contenido de carbono (menos de 0,2%), aleados o no.
El proceso a seguir depende de varios factores que influyen sobre la estructura y el espesor de la capa (0,3 a 1,5 mm). Estos son:
Composición del acero
Agentes cementantes.
Temperatura de cemento.
Tiempo de cementación.
Según sea la naturaleza del agente cementante, se puede utilizar tres procedimientos distintos:
Cementación sólida o en caja: Se colocan las piezas completamente rodeada de un agente cementante sólido (carbón vegetal, huesos calcinados y mezcla caron) y en cajas metálicas, las cuales, perfectamente tapadas, se introducen en hornos calentados a menos de 1000 C, donde se mantienen el tiempo necesario para que en las piezas se alcance el espesor de capa deseado. A continuación, y una vez enfriado, se las extrae de las cajas y se les da el tratamiento térmico adecuado. Si solo se requiere cementar cierta zona, es precise proteger previamente las restantes mediante sobreespesores o materiales protectores capaces de evitar su contacto con el carbono. Para ello se emplean, generalmente, pastas, cinturas, cobreados, casquillos, etc.
Cementación líquida: Los cementantes líquidos ejercen su acción en estado fundido y están constituidos por mezclas de sales (cianuros, cloruros, carbonatos, fluoruros, etc.). El proceso consiste en introducir las piezas en el baño de sales a la temperatura adecuada. Este método es mucho más rápido, limpio y económico, pues con él se pueden emplear dispositivos automáticos que efectúan las operaciones de cementación y temple. Sus inconvenientes son la toxicidad de los baños empleados y los riesgos de proyección o explosión del baño.
Cementación gaseosa: Las piezas son introducidas en hornos previamente calentados y en presencia de atmósfera gaseosa carburante (as de alumbrado preparado, mezcla de hidrocarburos, etc.) que han sido preparadas en instalaciones adecuadas o en el mismo horno.
Se emplean en gran escala e la industria del automóvil y similares, ya que ofrece la posibilidad de trabajar en serie en hornos continuos. Además, las piezas salen completamente limpias y se pueden tratar las que, por sus grandes dimensiones, no podrían serlo con los métodos anteriores.
NITRURACIÓN.
Enriquecer la superficie del acero por medio de la absorción del nitrógeno, calentándolo a unos 500 C en una corriente de amoníaco, provocando la formación de una capa rica en nitruros complejos. Consigue capas extraordinariamente duras sin necesidad de un tratamiento posterior. Los efectos que intenta conseguir son:
Capas superficiales más duras (78 HRc) que las cementadas.
Superficies más resistentes al desgaste y, en algunos casos también, más resistencia a la corrosión.
Se aplica a piezas que van a ser sometidas a esfuerzos simultáneos de choque y rozamiento (punzones, matrices, etc.). Los espesores de capa obtenidos varían entre 0,20 y 0,70mm y dependen de la duración del tratamiento. La ventaja de la nitruración, además de las excelentes condiciones de dureza y resistencia al rozamiento, residen en que, al ser templados y revenidos las piezas no existe el peligro de deformación y gritas después del tratamiento y, por tanto, se tratan casi con sus dimensiones finales. El inconveniente mayor es el de su duración, ya que para un espesor de 0,5 mm, se requiere cerca de 70 horas de tratamiento. Los métodos de nitruración son: Nitruración gaseosa, y en baño de sales fundidas, que además de nitrógeno pude aportar pequeñas cantidades de carbono.
CIANURACIÓN.
Se utiliza para crear una capa superficial, rica en carbono y nitrógeno, introduciendo el acero en un baño líquido a 800 C ó 900 C y formado fundamentalmente por cianuro sódico y otras sales (cloruros y carbonatos sódicos). El espesor de la capa cianurada depende de la duración del proceso, siendo en general igual o inferior a 0,30 mm en un tiempo inferior a una hora. Se emplea para endurecer y aumentar la resistencia al desgaste de piezas de acero de bajo medio contenido de carbono. Una vez realizado el tratamiento, se les da un temple para conseguir la máxima dureza (hasta 65 HRc).
CARBONITRURACIÓN.
Tiene por objeto crear una capa rica en carbono y nitrógeno, calentando el acero entre 700 C y 900 C y en una atmósfera gaseosa formada por una mezcla de hidrocarburos, amoníaco y óxido de carbono. De esta forma se obtiene capas que oscilan entre 0,1 y 0,6 mm de espesor en un proceso que dura varías horas. Presenta las ventajas, sobre la cementación, de producir menos deformaciones y de efectuarse a menor temperatura. Se aplica a aceros y a aceros aleados, consiguiéndose su máxima dureza con un tratamiento de temple posterior al proceso. Se usa preferentemente para tratar ruedas dentadas y piezas de poco espesor.
SULFINUZACIÓN.
Incorpora azufre, nitrógeno y carbono a la superficie de la pieza, introduciendo en un baño de sales a 570 C. El baño está compuesto por una mezcla de cianuro y sulfito sódico. La profundidad máxima de la capa es de 0,3 mm y se consigue entres horas. Se aplica a materiales ferrosas (aceros y fundiciones) y a algunas aleaciones de cobre, siendo las siguientes las principales características obtenidas:
Gran resistencia la gripaje o agarrotamiento.
Gran resistencia al desgaste y coeficiente de rozamiento bajo.
Capa porosa, muy favorable para la lubricación.
Se emplea preferentemente en ejes, camisas de cilindros, herramientas de acero para corte (para aumentar su duración útil), engranajes y, en general, piezas de maquinaria sometidas a rozamiento.
RECARBURIZACIÓN.
Restauración del contenido de carbono de la capa superficial descarburada por un tratamiento anterior. En este tratamiento, en metal puede no recuperar todas sus características originales.
CROMIZACIÓN.
Tiene por objeto incrementar el contenido de cromo. Este tratamiento no debe confundirse con el cromado, que es la deposición electrolítica del cromo, ni con la cromatización, que es la formación, mediante intercambio iónico, de complejos basándose en cromo en la superficie del metal.
TRATAMIENTOS MECÁNICOS.
En caliente. Forja: Pueden obtenerse grandes deformaciones sin que se produzca acritud. Si la aleación está formada por diferentes constituyentes, debe tomarse como temperatura de forja la correspondiente al constituyente que tenga la temperaturade recristalización más elevada. Figura.
Pero es muy importante no subirla demasiado, pues el tamaño de los granos podría aumentar en exceso. Si tanto se ha elevado que se acerca a la de fusión, el metal pasa a tener una estructura de granos muy grandes y se debilita. A este fenómeno se le llama quemado, y es imposible compensarlo con ningún otro tratamiento.
La forja da lugar a:
Afino del grao, por trituración y reconstrucción del mismo en un tamaño más pequeño.
Soldadura de las porosidades y sopladuras internas.
Mejora de la macroestructura, por deformación y orientación de los granos, lo cual crea una especie de fiebre.
Todo ello se traduce en una mejora de las características, si bien la creación de fibra da lugar a ciertas propiedades direccionales que aumentan a aquéllas en el sentido de la fibra y las reducen transversalmente. La intensidad de la deformación la da el coeficiente de forja, que es la relación entre las secciones inicial y final de la pieza sometida según la clase de trabajo y su forma de ejecución; la forja se denomina laminado, embutido, aplanado, estirado, recalcado, extruído, estampado, etc.
En frío: Produce un aumento de la dureza y la resistencia a la tracción de los metales y aleaciones, disminuyendo su plasticidad y tenacidad. El cambio en la estructura se debe a la deformación d los granos y a las tensiones que se originan. Cuando un metal ha recibido este tratamiento, se dice que tiene acritud.
Restauración y recristalización: Los metales sometidos a una deformación en frío van perdiendo con el tiempo parte de su acritud y recobran parcialmente sus características mecánicas iniciales, disminuyendo también las tensiones producidas por la deformación. Este efecto se llama restauración y se logra sin que cambie la estructura granular del metal, pues lo granos siguen siendo alargados y deformados. La recristalización consiste en transformar los granos alargados por la deformación en granos equiaxiales calentando el metal por encima de una temperatura determinada para cada metal o aleación (600 C ó 700 C para el acero). Se diferencia de la restauración porque realiza una reconstrucción total de la estructura micrográfica del metal y, por tanto, recupera totalmente sus propiedades mecánicas iniciales. La recristalización s logra prácticamente por medio del recocido contra acritud que ya hemos mencionado.
Envejecimiento de los aceros: En los aceros, el endurecimiento y la pérdida de tenacidad originados al ser estirados o laminados en frío van aumentando lentamente con el tiempo, hasta alcanzar el máximo al cabo de cierto tiempo (meses o años) si el acero permanece a la temperatura ambiente. Esto es lo que se llama envejecimiento de los aceros. Este fenómeno se puede acelerar calentándolos hasta 200 C ó 300 C, con lo cual alcanza mucho antes su máxima dureza. Este tratamiento se denomina envejecimiento artificial. Y como aumenta su fragilidad, y el acero entre 200 C y 300 C tiene color azul de revenido, a aquella se la conoce como fragilidad azul del acero. El envejecimiento y la fragilidad azul afectan sólo al hierro no técnicamente puro y al acero.
Por deformación en frío: Así como en la deformación profunda se logrará un endurecimiento por deformación de toda la masa, se puede obtener un efecto menor martilleando las superficies del metal, con lo cual se endurece por acritud, se eleva su límite de fatiga y se reduce la posibilidad de roturas originadas por fisuras artificiales. Moderadamente se someten los muelles al bombardeo por perdigones, logrando endurecer así su superficie.
TRATAMIENTOS TERMOMECÁNICOS. AUSFORMING.
Tratamiento derivado del temple martensitico normal y se realiza deformando del 60% al 90% del acero una vez calentado a temperatura de temple, evitando la recristalización de la austenita. Posteriormente se enfría de manera tradicional práctica del Ausforming, figura :
Se calienta el acero a temperatura de temple.
Se lleva el acero a un horno, que puede ser de sales. Este se encuentra a una temperatura de 625 C a 450 C, según la clase de acero.
Se procede seguidamente a la deformación del metal. Es la fase fundamental, que se puede realizar en una o en varías etapas por forja, embutición, laminación, extrusión, estirado e incluso por explosión. La deformación debe ser como mínimo de un 60%.
Una vez deformado el material, se somete a enfriamiento del temple, en la forma acostumbrada.
Finalmente se revienen las piezas.
Los aceros para ausforming son de bajo contenido de carbono, inferior al 0,5%, alto en silicio, con 1,5% de media, aleados con cromo, níquel, molibdeno y algunas veces vanadio.
El proceso del ausforming se aplica en la fabricación de barras de torsión, muelles y multitud de piezas aerodinámicas.
INFLUENCIA DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS EN LAS PROPIEDADES DE LOS ACEROS.Cuando un acero está formado por un solo constituyente, sus características son las delconstituyente.Cuando está formado por varios, que es lo más común, entonces sus propiedades son un promedio de las propiedades de los mismos constituyentes.Los tratamientos cambian los constituyentes de los aceros y por consiguiente cambian también sus propiedades mecánicas. En líneas generales se puede decir:
Del temple: que aumenta la dureza, la resistencia a la tracción, el límite elástico, y que disminuye la resiliencia y el alargamiento.Del recocido: que aumenta el alargamiento y la resiliencia y disminuye la resistencia y la dureza; y que el revenido: disminuye la resistencia, el límite elástico y la dureza; mientras que aumenta el alargamiento y la resiliencia. Hay que cuidar mucho la temperatura, entre los 200 y 400º C para evitar efectos contrarios en la resistencia.
Tratamiento térmico de otros metales
4.1. TRATAMIENTO TÉRMICO DEL ALUMINIO.
Aun cuando la recristalización de los metales trabajados en frío ha sido analizada desde hace muchos años, existen áreas que requieren de nuevos estudios. La literatura es extensa en estudios de recristalización de aleaciones de aluminio fabricadas por el método de colada en molde por enfriamiento directo CMED.
La dependencia de la cinética de restauración y del tamaño de grano recristalizado con los diversos parámetros del proceso específicamente con la temperatura de recocido y el tiempo, son factores de gran importancia y un estricto control de estos, permite optimizar el procesamiento de productos con miras a obtener las propiedades mecánicas deseadas. Con este fin se ha llevado a cabo el presente trabajo, donde se estudia la cinética de restauración y la evolución microestructural como respuesta al tratamiento de recocido isotérmico de una aleación comercial de aluminio AA3003, proveniente de CCDR. El material fue laminado en frío a un porcentaje de reducción de espesor del 50% en un laminador experimental dúo reversible, con rodillos de 17.5 cm de diámetro y 17 cm de largo, girando a una velocidad angular de aproximadamente 7.3 rpm.
Una vez homogeneizado el material, las muestras se laminaron nuevamente en las mismas condiciones y al mismo porcentaje de reducción de espesor (50%). En una prensa excéntrica, cuyo troquel cumple con la norma ASTM-E8B para probetas planas de tracción, se troquelaron las muestras en la dirección de laminación. En esta etapa se determinaron los valores de resistencia a la tracción y dureza del material sin tratamiento y se realizó el estudio metalográfico correspondiente. Las probetas fueron sometidas a tratamientos isotérmicos de recocido y temple al agua a dos temperaturas de recocido diferentes: 350º y 450 ºC. Los recocidos se efectuaron en un baño de sales de Nitrato de Sodio fundidas en un crisol de acero inoxidable. A 350 ºC los tiempos de recocido variaron de 5 a 48000 segundos mientras a 450 ºC de 5 a 10000 segundos. Las probetas recocidas se sometieron a ensayos de tracción y el valor reportado para cada tiempo y temperatura de recocido corresponde al promedio de tres muestras ensayadas. Los ensayos metalográficos y de dureza requirieron del montaje de las muestras en polvo transóptico en una embutidora y posteriormente fueron desbastadas y pulidas para su preparación metalográfica. Se determinó la dureza Vickers de cada muestra, utilizando una carga de 5 Kg y los valores de dureza reportados corresponden al promedio de veinte mediciones (diez montadas de canto y diez de cara). Las observaciones metalográficas se realizaron a las probetas montadas de canto, las cuales requirieron de un pulido final, antes de ser sometidas a un ataque electrolítico. La evolución microestructural a través de los distintos tiempos y temperaturas de recocido fue seguida mediante foto micrografías tomadas en un microscopio óptico bajo condiciones de luz polarizada. A las muestras totalmente recristalizadas se les determinó el tamaño de grano final utilizando el método del intercepto lineal medio.
Deformación en frío: la resistencia a la tracción, el límite elástico 0,2% y la dureza aumentan por deformación en frío, mientras que el alargamiento a la rotura y la estricción a la rotura, disminuyen. El curso típico, en función del grado de deformación, lo muestra la siguiente figura:
Se reconoce en ella que el límite elástico 0,2% sube con la deformación en frío más fuertemente que la resistencia a la tracción, aproximándose cada vez más a esta de modo que se llega casi a a una rotura por fragilidad sin deformación, lo que supone que la deformación en frío tiene sus limitaciones. El comportamiento en cuanto al aumento de resistencia por deformación en frío depende de la composición. También juegan un papel importante el estado de la estructura antes de la deformación y el tipo de deformación, la velocidad y la temperatura de trabajo.
Mediante la deformación en frío se pueden modificar también otras características como la conductividad eléctrica, que disminuye muy poco. La influencia de una deformación en frío sobre la resistencia a la corrosión es escasa.
Ablandamiento: mediante recocido a elevadas temperaturas se elimina la acritud en los metales deformados en frío, lo que supone, que el aumento de la resistencia conseguida con la deformación en frío, se puede aminorar en mayor o menor medida. Una eliminación total de la acritud hasta conseguir el estado inicial se produce cuando el recocido se realiza a temperaturas por encima del umbral de la recristalización. A temperaturas por debajo de este umbral aparece solamente una eliminación parcial del ablandamiento (regeneración). La siguiente figura muestra una curva típica de ablandamiento basada en el curso de la curva de resistencia a la tracción, del límite elástico 0,2% y del alargamiento a la rotura para AlMg3 como función de la temperatura de recocido para una duración constante de recocido. Bajo estas circunstancias se supone que comienza la recristalización a unos 240 C. El curso exacto de la curva de ablandamiento depende, además del material, muy fuertemente del nivel de la deformación en frío sufrida. Otras magnitudes que influyen son: el tiempo de recocido, la velocidad de calentamiento y el estado de la estructura antes de la conformación, es decir, los tratamientos térmicos y mecánicos sufridos, a los que se le puede añadir el procedimiento de fundición que se haya seguido en el material de partida.
Recocido de ablandamiento, estabilización: el recocido de ablandamiento sirve para transformar materiales a un estado de resistencia muy baja y alto alargamiento. Se realiza de ordinario para facilitar trabajos de conformación o para hacerlos posible. En los materiales endurecidos en frío, el recocido de ablandamiento consiste en un recocido de recristalización, habiendo de tenerse en cuenta el tamaño de grano, la duración del recocido, el nivel del grado de deformación en frío y los recocidos intermedios.
Normalizado: el normalizado sirve para la eliminación de tensiones propias, que pueden surgir debido a un rápido enfriamiento de las piezas al colarlas, por enfriamiento rápido después del proceso de endurecimiento o por trabajo mecánico. Debido a las tensiones propias, pueden producirse deformaciones en las piezas.
Las temperaturas a aplicar en el normalizado térmico son relativamente bajas, ya que de otro modo hay que contar con una merma de la resistencia mecánica no tolerable.
El tratamiento de normalizado es tanto más activo cuando más alta es la temperatura y más largo el tiempo de recocido, aunque deben tenerse en cuenta las posibles modificaciones permanentes de las propiedades del material. El normalizado debe realizarse siempre antes de mecanizar la pieza o al menos antes de la última operación, debido a que está ligada a una deformación permanente.
Recocido total, homogeneización: con los recocidos totales se pretende conseguir una eliminación de las tensiones propias del producto fundido, un equilibrio de los granos segregados y una disolución de los constituyentes estructurales eutécticos en los bordes de los mismos. Además el recocido total sirve con frecuencia para conseguir una disgregación regular de elementos disueltos en estado de sobresaturación, especialmente Mn y Fe, que influyen sobre el comportamiento en la recristalización y en la conformabilidad en caliente. Finalmente en las aleaciones endurecibles se consigue disolver los elementos de aleación que provocan el endurecimiento. Estos se depositan de nuevo, en el siguiente enfriamiento, que no suele ser rápido. Además si se realiza correctamente el proceso, la distribución tiene lugar de tal forma que, mediante un temple posterior, la disolución tiene lugar de forma rápida y total.
El recocido total puede colaborar, por lo tanto, a la disminución de las fuerzas necesarias para la conformación en caliente, a una tendencia hacia el ablandamiento uniforme y recocido de ablandamiento y a un mejoramiento de la conformabilidad en frío.
Endurecimiento por precipitación: es el tratamiento térmico más importante que se aplica a las aleaciones de aluminio. Este tratamiento eleva notablemente la resistencia mecánica de las aleaciones de aluminio endurecibles por tratamiento térmico.
El endurecimiento por precipitación tiene lugar, fundamentalmente en tres fases:
1. Por calentamiento a temperatura elevada se disuelven en la solución sólida de aluminio la mayor parte de los componentes de la aleación, que provocan el endurecimiento (recocido de disolución).
2. Por enfriamiento rápido, la solución sólida, enriquecida en estos componentes de la aleación se transforma, en primer lugar, en un estado sobresaturado (temple).
3. Por permanencia, a la temperatura ambiente o a una temperatura más elevada, se producen precipitaciones de la solución sólida sobresaturada, que provocan un aumento de la resistencia a la tracción, del límite elástico 0,2% y de la dureza (envejecimiento o maduración).
Equipos para aplicar los tratamientos térmicos
Ya que se ha convertido en un elemento tan importante de la producción, el ingeniero debe interesarse en el equipo que hace posible el tratamiento térmico, adaptados a los planteamientos de fabricación. Tales equipos han recorrido un largo camino desde los días en que el proceso se hacía en el taller del herrero.
HORNOS.
El equipo esencial usualmente es el horno del que se obtiene el calor. Estos hornos pueden clasificarse de varias formas. Pero primeramente se los puede distinguir según sea el tipo por hornada o del tipo continuo. Los hornos dl tipo por hornada son aquellos en los cuales el trabajo se coloca para ser calentado y permanece quieto durante el tiempo que se encuentre dentro del horno. Los hornos d este tipo pueden ser tanto horizontales como verticales.
Los de tipo horizontales se llaman a menudo de tipo cuadrado. Se provee una puerta en un extremo, figura, a través de la cual se introducen las piezas. Estos hornos pueden calentarse por medio de gas o electricidad. En algunos del tipo cuadrado, particularmente los que trabajan a menor temperatura, se utiliza un ventilador para hacer circular los gases calientes y obtener una temperatura más uniforme. En los hornos horizontales muy largos se proveen carros sobre los cuales se carga el material, los carros cargados se introducen luego dentro del horno a través de grandes puertas, como se muestra en la figura .
Los hornos del tipo horizontal son relativamente fáciles de construir en cualquier tamaño, son fácilmente aislable y térmicamente eficientes. Pero las piezas largas y finas son difíciles de tratar en estos hornos por la facilidad de que ocurran deformaciones y pandeo en el material, particularmente a elevadas temperaturas.
Los hornos verticales del tipo de foso son generalmente utilizados para calentar piezas largas y delgadas. Estos hornos están enterrados en una perforación en el suelo y con una tapa de acceso en la parte superior. Un horno de este tipo se muestra en la figura . Las piezas largas pueden colgarse en estos hornos para minimizar las deformaciones. Además estos hornos se usan muchas veces para calentar hornadas de piezas pequeñas que se cargan convenientemente en estos apropiados y se bajan dentro de los mismos.
Otro tipo vertical es el horno de campana, mostrado en la figura . Los elementos calefactores están contenidos dentro de una campana sin fondo la cual se baja sobre las piezas. Es tipo es muy utilizado para el recocido de aceros y otros metales. Después que el material se ha calentado la campana del horno puede levantarse y llevarse a otra hornada, mientras la primera se enfría. A veces se coloca una cubierta aislante sobre el trabajo caliente, luego que la campana se ha retirado, cuando se desea un enfriamiento lento.
El horno del tipo elevador, es una modificación del horno de campana. En este tipo la campana es estacionaria y las piezas se elevan hasta ella por medio de un elevador cuya plataforma constituye el fondo del horno. Una variación interesante de este horno es aquella en la cual éste tiene tres posiciones verticales. En la posición media la pieza se carga sobre la plataforma del elevador. En la posición superior el trabajo se encuentra dentro del horno de campana. En la posición inferior el trabajo se introduce dentro del tanque de enfriamiento. Estos hornos se utilizan cuando los trabajos deben ser enfriados lo más rápidamente posible después de retirarlos del horno.
Funcionan con resistencias eléctricas tipo espiral insertas en placas cerámicas de gran resistencia mecánica, paredes aisladas con mínima disipación de calor hacia el exterior.
¿Qué Beneficios Trae?
Aptos para casi toda la gama de tratamientos térmicos, temple, revenidos, normalizado, etc.
Otras Ventajas
Económicos en consumo de energía, mínima exigencia de mantenimiento, asesoria y asistencia técnica, stock de repuestos disponible.
En muchas operaciones de producción es conveniente que los materiales que deben ser tratados térmicamente entren y salgan del horno a velocidades predeterminadas para complementarse con otros procesos continuos. Para este propósito se utilizan los hornos continuos. Estos hornos están provistos de algún sistema de transportación, tal como cinta d cadenas o rodillos de guía, sobre los cuales se carga el trabajo que luego es introducido dentro de la unidad de calefacción y sacado de ella cuando se completa el proceso. Estos hornos son excelentes para el tratamiento térmico, ya que las diferentes temperaturas pueden ser controladas para obtener las velocidades controladas de calentamiento. El sistema de transporte puede ser dispuesto de tal manera que al final de la operación de calentamiento el trabajo caiga dentro del tanque de enfriamiento. Algunos hornos del tipo continuo tienen forma circular y los trabajos se mueven en círculo sobre un soporte rotativo. Esta disposición es conveniente cuando un solo hombre debe colocar el material y retirarlo al completarse el ciclo del tratamiento.
Todos los hornos descrito pueden ser provistos de atmósfera gaseosas de protección para prevenir la descarburización y el escamado. Se mantiene una atmósfera dentro del horno una atmósfera del tipo apropiado para dar los resultados deseados. De esta forma se pueden eliminar las costosas y engorrosas operaciones de limpieza y decapado.
Los hornos de baño de sal también son utilizados comúnmente para el tratamiento térmico. En algunos tipos se utiliza sales eléctricamente conductoras y se calientan por el paso por corriente producida por dos electrodos suspendido en el baño salino. Cuando se utilizan baño de sal d este tipo, la corriente eléctrica también causa una convección dentro del baño que tiende a uniformizar las temperaturas. Cuando se utilizan sales no conductoras, éstas pueden ser calentadas por alguna forma de calefactor de inmersión. Eligiéndolo convenientemente, un baño salino puede proveer un medio de protección para prevenir la decarburización y el escamado del trabajo.
El uso de calentamiento por inducción de alta frecuencia ha simplificado muchas operaciones de tratamiento térmico. Su uso hace posible el calentamiento local, selectivo y muy rápido. Por esta razón es particularmente apto para la producción en serie. Una pequeña unidad normalizada puede ser adaptada a una amplia variedad de productos, cambiando solamente la bobina de inducción.
Un nuevo desarrollo en equipos para transferencia de calor es el lecho fluido, este equipo puede ser utilizado tanto para el calentamiento como para el temple. La pieza se suspende en el flujo turbulento de diminutas partículas que son transportadas hacía arriba por aire o gas, como se indica n la figura . Las partículas inertes tienen una capacidad calorífica considerable y actúan como un fluido que transfiere calor hacia o desde el trabajo a velocidad intermedias entre las del aire y la del aceite, o la sal.
Pote circular atérmico abierto en la parte superior y cerrado herméticamente en el fondo con una entrada de gases, calentado externamente con electricidad o con gas.
Incluye filtro en cerámica porosa y reja de apoyo de la carga sobre el cual se vierte polvo de óxido de aluminio.
Al liberar el gas a través del filtro cerámico, el óxido de aluminio se fluidiza como líquido donde se introducen las partes que serán tratadas. Es como sumergir acero dentro del baño de sal.Los hornos de lecho fluidizado ofrecen rangos extraordinarios de temperatura con fabulosa uniformidad. Es ideal para todo tipo de tratamientos térmicos a bajo costo y gran precisión.Los tratamientos arriba indicados se obtienen de acuerdo al gas que se le aplique. Por ejemplo:
Temple en atmósfera inerte: NitrógenoRevenido en atmósfera inerte: NitrógenoCementación: PropanoNitrurado: AmoniacoAustenizado, Carbonitrurado, Envejecimiento, Normalizado, Pavonado por vapor.
Todo tratamiento es posible con diferentes composiciones de gases.
Beneficios que trae el tratamiento de Lecho Fluidizado
Temperatura máx 1100°C
Rápida transferencia de calor
Excelente uniformidad (± 5 °F)
Menores distorsiones en herramientas críticas
Más uniformidad en tratamientos de superficies
Alta velocidad de flujo de gases reduce el proceso
Reduce corrosión superficial y resistencia en aceros de bajo costo
Si se desea uniformidad, todas las operaciones de tratamiento térmico deben ser llevadas a cabo bajos controles rígidos. Por esta razón muchos hornos modernos están equipados pirómetros indicadores y de control. Algunos hornos también están equipados con reguladores para las velocidades de calentamiento y enfriamiento. Actualmente es posible conseguir excelentes equipos de control y precios moderados, de manera que no es necesario ensayar la operación de los hornos sin un buen control de temperatura. Sin embargo, al usar estos equipos es bueno recordar que la temperatura del trabajo puede ser muchos grados diferente de la del horno. Se debe permitir suficiente tiempo para la igualación de las temperaturas, a causa del retardo térmico dl material.
PIRÓMETROS.
Para controlar la temperatura dentro de la cámara de calentamiento, se utiliza un pirómetro. El termopar de éste, está situado dentro de la mufla o crisol. En los hornos de cámara es fijo y se halla ubicado en la parte posterior o superior de la mufla, en un alojamiento especial; cuando el horno es de gran longitud, puede tener más de un termopar.
En los hornos de baño. El termopar se coloca dentro del crisol, apoyándolo en un dispositivo de sujeción.
Los pirómetros termoeléctricos son aparatos que se usan para medir y controlar temperaturas generalmente comprendidas entre 100 C y 1500 C.
Se utilizan en los hornos para tratamientos térmicos, en calderas y en otros equipos industriales. Estos equipos están constituidos básicamente por un termopar, un hilo de compensación y un aparato indicador. El termopar está compuesto por dos alambres metálicos de composición química diferente, soldados en uno de sus extremos y unidos en el otro al hilo de compensación, figura.
Usualmente se protege al termopar contra roturas y ataques de gases u otras materias destructivas, colocándole dentro de un tubo d e protección. Figura, el cual está construido con materiales metálicos o refractario.
Los hilos de compensación son alambres que sirven para conectar el termopar con el aparato indicador, están hechos de materiales especiales que evitan errores y variaciones en la medición de la temperatura.
El aparato indicador, esencialmente, está constituido por un instrumento eléctrico de medición que sirve para registrar la temperatura. Las lecturas se hacen observado una aguja indicadora móvil que se desplaza sobre una escala graduada.
ACCESORIOS.
Para facilitar la ejecución de las tareas en los talleres de tratamiento térmico, se emplean elementos que permiten movilizar o transportar las piezas o los materiales, siendo los más comunes: tenazas, ganchos, cucharas, cajas, dispositivos de guía, sujeción y de temple.
Las tenazas son útiles construidos en acero y están constituidos por una boca y dos brazos. Se usan para manipular las piezas, cuando estas son introducidas o sacadas dl horno, o de ellos baños de enfriamiento. Las tenazas se caracterizan por las formas variadas, que presentan la boca, figura. Estas pueden ser redondas, cuadradas o planas, según el tipo de piezas que se desea sujetar. La boca de la tenaza debe estar bien conformada, para asegurar una sujeción firme de las piezas, evitar marcarlas y además debe permitir que el líquido de temple, tome contacto con toda la superficie de la pieza. Los brazos tienen diferentes longitudes y sirven para evitar que la persona que esté manipulando las piezas, sufra quemaduras o accidentes provocados por un contacto directo con el cuerpo caliente. Alrededor de los brazos se debe colocar un anillo de fijación, que permite a la boca ceñirse sobre la pieza sujetándola firmemente, esto se consigue desplazando el anillo sobre los brazos.
Los ganchos son construidos de acero al carbono de bajo porcentaje, tienen uno de sus extremos doblado en forma de alojamiento, que permite sujetarlos con las manos, y el otro curvado que sirve para agarrar las piezas, especialmente cuando estas se encuentran amarradas con alambre, figura. La dimensión de los gachos es variable. Normalmente miden 0,30 a 1,50 m de longitud, y las puntas curvadas poseen formas y dimensiones que varían de acuerdo a las necesidades.
Las cucharas sirven para colocar y retirar las sales, o remover las escorias de los crisoles en los hornos de baño. Están construidas de acero y tienen diversas formas y tamaños como se observa en la figura. Las cucharas usadas para remover las escorias son peroradas, presentando la forma d un colador o espumadera. Las cucharas para manipular sales, tienen a veces situado el cabo de 90 con respecto al pico de la cuchara para facilitar su manejo. Estos elementos mencionados, pueden considerarse palancas.
Los accesorios llamadas cajas en la cementación con sustancias sólidas, o en los tratamientos en que es necesario proteger las piezas contra la descarburación, éstas se colocan en cajas d acero ordinario bajo en carbono, o de acero inoxidable, antes de introducirla dentro del horno. S usan diversas formas y tamaños de cajas, siendo las más comunes las de forma rectangular o circular, figura. Para facilitar la penetración del calor y una temperatura uniforme es conveniente que las cajas apoyen sobre patas, para mantener el fondo de las mismas separadas del piso del horno unos 20 a 30 mm aproximadamente. Todas estas cajas están provistas de una tapa, la cual permite cerrarlas semi-herméticamente.
Las piezas que van a ser tratadas térmicamente en hornos de baño o de atmósfera gaseosa, se colocan n dispositivos especiales que tienen por objeto sujetarlas y posicionarlas, para evitar deformaciones durante el calentamiento y el enfriamiento.
Ensayos de los materiales tratados térmicamente
PRUEBA DE TEMPLABILIDAD JOMINY.
Como es una propiedad importante dl acero usado en la manufactura, es muy útil un ensayo simple para determinar la templabilidad. En años reciente se ha desarrollado el Método de Jominy y se ha convertido en una prueba casi normalizada para medir la templabilidad. Como s observa en la figura, una muestra normalizada se calienta y luego se coloca en una instalación apropiada para ser enfriada por un rociada de agua, también normalizado. La muestra se enfría muy rápidamente en un extremo y progresivamente a menor velocidad hacía el otro extremo. La velocidad de enfriamiento en cualquier punto a lo largo de la muestra normalizada, enfriada bajo estas condiciones, puede ser determinada con precisión.
Después que la muestra se enfría, se hacen determinaciones de dureza a lo largo de toda la longitud. Estos valores de dureza pueden entonces relacionarse con los datos de velocidad de enfriamiento requeridas para producir una dureza especificada en el tipo de acero ensayado. También es posible computar la máxima velocidad de enfriamiento que puede ser obtenida en una parte que puede ser endurecida, y determinar entonces, por medio de los datos de la prueba Jominy, qué tipo de acero se requiere para obtener la dureza deseada.
Figura . Diagrama esquemático de la Prueba Jominy.
ENSAYOS DE DUREZA.
La dureza es una cualidad de significado variable, pero se usa frecuentemente y los métodos de medición están bien normalizados. Probablemente, que con más frecuencia se relaciona con la dureza, es la posibilidad que tiene un material de resistir ser mellado. La posibilidad de resistir ser rayado, es también una medida común de la dureza, estas dos posibilidades no son exactamente la misma. Es evidente que no todos los métodos de medición de dureza miden la misma cualidad.
Entre los ensayos de dureza más conocidos y más antiguos tenemos el Ensayo de Dureza Brinell, en el una bolita de acero templado de un centímetro de diámetro se apretada contra una superficie lisa del material a ser ensayado, mediante una carga de 500 a 3000 kilogramos. Se mide la hendidura esférica en la superficie, generalmente por medio de un microscopio especial, y a partir de esa medida se determina el área d la hendidura. El valor numérico de Brinell para la dureza es igual a la carga dividida por el área de la hendidura, o sea:
En la práctica el número de dureza Brinell s determina a partir de tablas donde figura el número en función del diámetro de la hendidura. El ensayo de Brinell está sujeto a varias limitaciones:
1.- No pueden ser empleados para metales muy duros o muy blandos.
2.- No debe ser usado con materiales con espesor menos de 0,1 pulgadas y preferiblemente no menor que ¼" d pulgada d espesor. Una buena regla es que el espesor del material debe ser por lo menos diez veces la profundidad de la hendidura.
3.- El ensayo debe realizarse en un punto suficientemente alejado de los bordes del material, para que no haya reborde.
4.- Deja una hendidura notoria que es objetable en muchos casos en componentes terminados.
5.- El borde de la hendidura no está siempre bien definido y puede ser difícil de detectar en materiales de ciertos colores.
De cualquier manera, el ensayo no es difícil de llevar a cabo y tiene la ventaja de medir la dureza sobre un área relativamente grande, por lo que no refleja pequeñas inhomogeneidades. Actualmente se usa frecuentemente en fundición de hierro y acero.
En la figura se muestra un aparato normalizado para ensayo de Brinell. También se consiguen aparatos normalizados para ensayos de Brinell. También se consiguen aparatos medianamente portátiles para realizar la prueba.
Existen otros ensayos de dureza disponibles, tal como el Ensayo de Dureza de Rockwell, en éste inicialmente se afirma un "diente" pequeño en el material a ser probado, mediante la aplicación de una carga menor de diez kilogramos. Se pone el indicador en cero, y se aplica sobre el diente una carga principal. Sin esta carga el indicador señala el número de dureza Rockwell, sobre la escala del dial. Por lo tanto, este número es una medida de la penetración plástica producida por la carga principal. En la figura, se muestra un aparato para realizar ensayo de dureza de Rockwell, y en la figura se ilustra el principio de su operación.
Para materiales relativamente blandos, como latón o aluminio, el diente usado es una bolita de acero templado de 1/16 pulgadas de diámetro y la carga principal es de 100 kilogramos. Para materiales más duros el diente es un cono de diamante, llamado "brale", y la carga principal es de 150 kilogramos. Usando distintas combinaciones de cargas principales y dientes, se cubre un amplio rango de durezas. En la Tabla se dan algunas combinaciones comúnmente utilizada.
Cuando usa la bolita de 1/16 pulgadas y una carga de 100 kilogramos, el numero de dureza hay que leerlo en la escala "B", por ejemplo Rocwell B 90. Para cono de diamante y una carga de 150 kilogramos, los valores de dureza se toman de la escala "C", y las lecturas deben ir acompañadas de la designación "Rockwell C". Como a veces se usan otras combinaciones de dientes y cargas principales, es esncial indicar la escala.
El aparato para ensayo Rocwell no debe utilizarse para materiales de espesor menor de 1/16". Para materiales más delgados se usa el ensayo de dureza Rocwell superficial. En esta prueba s emplean cargas principales y menores más pequeñas y un aparato para medir profundidades más sensible. Se provoca una hendidura muy pequeña en un área pequeña, y es útil para determinar la dureza de láminas de metal delgadas y la dureza superficial de materiales que han resido tratamiento superficiales como nitruración o carburación.
El ensayo de Rockwell puede realizarse rápidamente y por eso es apropiado para pruebas de rutina de dureza en producción masiva. Tiene además la ventaja de que la pequeña hendidura no es objetable desde el punto de vista del aspecto de la pieza.
Entre otros ensayos contamos con el ensayo de dureza Vickers, ensayo de dureza del escleroscopio, que tienen una aplicación muy especifica y no son del alcance de este estudio.
Figura . Valores de Dureza con diferentes ensayos.
6.3. ENSAYO DE IMPACTO.
En muchos casos las cargas dinámicas son aplicadas repentinamente. Por sto, s puede someter a los materiales a cargas de impacto. A menudo, el impacto ocurre una sola vez obteniéndose una fractura.
Comúnmente se usan dos ensayos de impacto para probar la resistencia de los materiales a este tipo de carga. Son las prueba de flexión por impacto y de tracción por impacto.
En las pruebas de flexión por impacto las pruebas están soportadas como vigas como se muestra en la figura. En la figura se muestran detalles de la muestra de Charpy el de la figura, de la muestra de la Izod. En la figura. En esta maquina se aplica la carga mediante un péndulo oscilante que es capaz de entregar hasta 120 pie por libras d energía. Después de que el péndulo ha roto la muestra, continua oscilando con una energía igual a la que poseía en el instante del impacto, menos la energía absorbida por la muestra rota.
La muestra para flexión por impacto deben ser preparadas cuidadosamente para que los resultados que se obtengan sean reproducibles y coherentes. Este es particularmente cierto para las que tienen muesca en "V", ya que el radio en la base de la muesca es muy crítico. En la figura se muestra gráficamente el efecto de la muesca como elemento concentrador de tensiones. Las dos muestras, hechas dl mismo pedazo de acero, tenían igual sección transversal mínima.
Una de las objeciones más serias que se les hace a las pruebas de flexión por impacto es que solo dan información de la resistencia al impacto de un material que tiene una ranura. Otra objeción es que, como la geometría de la ranura influye notablemente sobre el valor de impacto obtenido en estas pruebas debe tener mucho cuidado al preparar las muestras para que los resultados sean reproducibles. De cualquier manera, este tipo de ensayo es útil para clasificar los materiales de acuerdo a su sensibilidad a ranuras y de acuerdo a las tensiones multiaxiales que existen alrededor de una ranura ya que estas condiciones aparecen con frecuencia.
Figura . Equivalencia entre diferentes ensayos de Impacto.
Autor:
Miguel A. Pérez B.
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