I. El concepto básico del tratamiento térmico.
A. El concepto básico del tratamiento térmico.
Los elementos básicos y las funciones detratamiento térmico:
1. Calefacción
El objetivo es obtener una estructura de austenita uniforme y fina.
2.Sosteniendo
El objetivo es asegurar que la pieza de trabajo se caliente completamente y evitar la descarburación y la oxidación.
3. Refrigeración
El objetivo es transformar la austenita en diferentes microestructuras.
Microestructuras después del tratamiento térmico
Durante el proceso de enfriamiento posterior al calentamiento y mantenimiento de la temperatura, la austenita se transforma en diferentes microestructuras dependiendo de la velocidad de enfriamiento. Las diferentes microestructuras presentan propiedades diferentes.
B. El concepto básico del tratamiento térmico.
Clasificación basada en los métodos de calentamiento y enfriamiento, así como en la microestructura y las propiedades del acero.
1. Tratamiento térmico convencional (tratamiento térmico general): revenido, recocido, normalización, temple.
2. Tratamiento térmico superficial: temple superficial, temple superficial por calentamiento por inducción, temple superficial por calentamiento con llama, temple superficial por calentamiento por contacto eléctrico.
3. Tratamiento térmico químico: carburación, nitruración, carbonitruración.
4. Otros tratamientos térmicos: Tratamiento térmico en atmósfera controlada, tratamiento térmico al vacío, tratamiento térmico de deformación.
C. Temperatura crítica de los aceros
La temperatura crítica de transformación del acero es un factor fundamental para determinar los procesos de calentamiento, mantenimiento y enfriamiento durante el tratamiento térmico. Esta temperatura se determina mediante el diagrama de fases hierro-carbono.
Conclusión clave:La temperatura crítica de transformación real del acero siempre es inferior a la temperatura crítica de transformación teórica. Esto significa que se requiere sobrecalentamiento durante el calentamiento y subenfriamiento durante el enfriamiento.
II. Recocido y normalizado del acero
1. Definición de recocido
El recocido consiste en calentar el acero a una temperatura superior o inferior al punto crítico Ac₁, mantenerlo a esa temperatura y luego enfriarlo lentamente, generalmente dentro del horno, para lograr una estructura cercana al equilibrio.
2. Propósito del recocido
①Ajustar la dureza para el mecanizado: Lograr una dureza mecanizable en el rango de HB170~230.
②Aliviar la tensión residual: Previene la deformación o el agrietamiento durante los procesos posteriores.
③Refina la estructura del grano: Mejora la microestructura.
④ Preparación para el tratamiento térmico final: Se obtiene perlita granular (esferoidizada) para el posterior temple y revenido.
3. Recocido esferoidizante
Especificaciones del proceso: La temperatura de calentamiento está cerca del punto Ac₁.
Objetivo: Esferoidizar la cementita o los carburos presentes en el acero, obteniendo así perlita granular (esferoidizada).
Ámbito de aplicación: Se utiliza para aceros con composiciones eutectoides e hipereutectoides.
4. Recocido difuso (Recocido homogeneizador)
Especificaciones del proceso: La temperatura de calentamiento está ligeramente por debajo de la línea de solvus en el diagrama de fases.
Objetivo: Eliminar la segregación.
①Para baja-acero carbonoCon un contenido de carbono inferior al 0,25%, se prefiere la normalización al recocido como tratamiento térmico preparatorio.
②Para aceros de carbono medio con un contenido de carbono entre 0,25% y 0,50%, se puede utilizar el recocido o la normalización como tratamiento térmico preparatorio.
③Para aceros de carbono medio a alto con un contenido de carbono entre 0,50% y 0,75%, se recomienda un recocido completo.
④Para alto-acero carbonoCon un contenido de carbono superior al 0,75%, primero se utiliza la normalización para eliminar la red de Fe₃C, seguida de un recocido de esferoidización.
III. Temple y revenido del acero
A.Apagado
1. Definición de temple: El temple consiste en calentar el acero a una cierta temperatura por encima del punto Ac₃ o Ac₁, mantenerlo a esa temperatura y luego enfriarlo a una velocidad mayor que la velocidad de enfriamiento crítica para formar martensita.
2. Objetivo del temple: El objetivo principal es obtener martensita (o a veces bainita inferior) para aumentar la dureza y la resistencia al desgaste del acero. El temple es uno de los procesos de tratamiento térmico más importantes para el acero.
3. Determinación de las temperaturas de temple para diferentes tipos de acero
Acero hipoeutectoide: Ac₃ + 30 °C a 50 °C
Acero eutectoide e hipereutectoide: Ac₁ + 30 °C a 50 °C
Acero aleado: de 50 °C a 100 °C por encima de la temperatura crítica.
4. Características de enfriamiento de un medio de temple ideal:
Enfriamiento lento antes de alcanzar la temperatura "nariz": para reducir suficientemente el estrés térmico.
Alta capacidad de enfriamiento cerca de la temperatura de "nariz": para evitar la formación de estructuras no martensíticas.
Enfriamiento lento cerca del punto M₅: Para minimizar la tensión inducida por la transformación martensítica.
5. Métodos de enfriamiento y sus características:
①Templado simple: Fácil de operar y adecuado para piezas pequeñas y de forma simple. La microestructura resultante es martensita (M).
②Doble temple: Más complejo y difícil de controlar, se utiliza para piezas de acero con alto contenido de carbono de formas complejas y piezas de acero aleado de mayor tamaño. La microestructura resultante es martensita (M).
③Templado interrumpido: Un proceso más complejo, utilizado para piezas de acero aleado grandes y de forma compleja. La microestructura resultante es martensita (M).
④Templado isotérmico: Se utiliza para piezas pequeñas y de forma compleja con altos requisitos. La microestructura resultante es de bainita inferior (B).
6. Factores que afectan la templabilidad
El grado de templabilidad depende de la estabilidad de la austenita subenfriada en el acero. Cuanto mayor sea la estabilidad de la austenita subenfriada, mejor será la templabilidad, y viceversa.
Factores que influyen en la estabilidad de la austenita subenfriada:
Posición de la curva C: Si la curva C se desplaza hacia la derecha, la velocidad de enfriamiento crítica para el temple disminuye, mejorando la templabilidad.
Conclusión clave:
Cualquier factor que desplace la curva C hacia la derecha aumenta la templabilidad del acero.
Factor principal:
Composición química: A excepción del cobalto (Co), todos los elementos de aleación disueltos en la austenita aumentan la templabilidad.
Cuanto más se acerque el contenido de carbono a la composición eutectoide en el acero al carbono, más se desplazará la curva C hacia la derecha y mayor será la templabilidad.
7. Determinación y representación de la templabilidad
①Ensayo de templabilidad por enfriamiento final: La templabilidad se mide utilizando el método de ensayo de enfriamiento final.
②Método del diámetro crítico de temple: El diámetro crítico de temple (D₀) representa el diámetro máximo de acero que puede endurecerse completamente en un medio de temple específico.
B. Templado
1. Definición de templado
El revenido es un proceso de tratamiento térmico en el que el acero templado se recalienta a una temperatura inferior al punto A₁, se mantiene a esa temperatura y, a continuación, se enfría a temperatura ambiente.
2. Finalidad del templado
Reducir o eliminar las tensiones residuales: Evita la deformación o el agrietamiento de la pieza de trabajo.
Reducir o eliminar la austenita residual: estabiliza las dimensiones de la pieza.
Elimina la fragilidad del acero templado: Ajusta la microestructura y las propiedades para cumplir con los requisitos de la pieza.
Nota importante: El acero debe templarse inmediatamente después del enfriamiento.
3. Procesos de templado
1. Templado bajo
Objetivo: Reducir la tensión de temple, mejorar la tenacidad de la pieza y lograr una alta dureza y resistencia al desgaste.
Temperatura: 150°C ~ 250°C.
Rendimiento: Dureza: HRC 58 ~ 64. Alta dureza y resistencia al desgaste.
Aplicaciones: Herramientas, moldes, cojinetes, piezas carburizadas y componentes con superficie endurecida.
2. Templado alto
Objetivo: Lograr una alta tenacidad junto con una resistencia y dureza suficientes.
Temperatura: 500°C ~ 600°C.
Rendimiento: Dureza: HRC 25 ~ 35. Buenas propiedades mecánicas generales.
Aplicaciones: Ejes, engranajes, bielas, etc.
Refinación térmica
Definición: El temple seguido de un revenido a alta temperatura se denomina refinado térmico o, simplemente, revenido. El acero tratado mediante este proceso presenta un excelente rendimiento general y es ampliamente utilizado.
IV. Tratamiento térmico superficial del acero
A. Temple superficial de aceros
1. Definición de endurecimiento superficial
El endurecimiento superficial es un proceso de tratamiento térmico diseñado para fortalecer la capa superficial de una pieza mediante un calentamiento rápido que la transforma en austenita, seguido de un enfriamiento rápido. Este proceso se lleva a cabo sin alterar la composición química del acero ni la estructura interna del material.
2. Materiales utilizados para el endurecimiento superficial y la estructura posterior al endurecimiento.
Materiales utilizados para el endurecimiento de superficies
Materiales típicos: Acero al carbono medio y acero aleado al carbono medio.
Pretratamiento: Proceso típico: Templado. Si las propiedades del núcleo no son críticas, se puede utilizar la normalización en su lugar.
Estructura posterior al endurecimiento
Estructura superficial: La capa superficial suele formar una estructura endurecida, como la martensita o la bainita, que proporciona una gran dureza y resistencia al desgaste.
Estructura del núcleo: El núcleo del acero generalmente conserva su estructura original, como la perlita o el estado templado, según el proceso de pretratamiento y las propiedades del material base. Esto garantiza que el núcleo mantenga una buena tenacidad y resistencia.
B. Características del endurecimiento superficial por inducción
1. Alta temperatura de calentamiento y rápido aumento de la temperatura: El endurecimiento superficial por inducción generalmente implica altas temperaturas de calentamiento y velocidades de calentamiento rápidas, lo que permite un calentamiento rápido en poco tiempo.
2. Estructura de grano fino de austenita en la capa superficial: Durante el calentamiento rápido y el posterior proceso de temple, la capa superficial forma granos finos de austenita. Tras el temple, la superficie se compone principalmente de martensita fina, con una dureza típicamente 2-3 HRC superior a la del temple convencional.
3. Buena calidad superficial: Debido al corto tiempo de calentamiento, la superficie de la pieza es menos propensa a la oxidación y la descarburación, y se minimiza la deformación inducida por el temple, lo que garantiza una buena calidad superficial.
4. Alta resistencia a la fatiga: La transformación de fase martensítica en la capa superficial genera tensión de compresión, lo que aumenta la resistencia a la fatiga de la pieza.
5. Alta eficiencia de producción: El endurecimiento superficial por inducción es adecuado para la producción en masa, ofreciendo una alta eficiencia operativa.
C. Clasificación del tratamiento térmico químico
Carburización,Carburización,Carburización,Cromización,Siliconización,Siliconización,Siliconización,Carbonitruración,Borocarburización
D.Carburización de gas
La carburación gaseosa es un proceso en el que una pieza se coloca en un horno de carburación gaseosa sellado y se calienta a una temperatura que transforma el acero en austenita. A continuación, se introduce un agente carburante en el horno, o bien se introduce directamente una atmósfera carburante, lo que permite que los átomos de carbono se difundan en la capa superficial de la pieza. Este proceso aumenta el contenido de carbono (% en agua) en la superficie de la pieza.
√Agentes carburantes:
•Gases ricos en carbono: como el gas de hulla, el gas licuado de petróleo (GLP), etc.
•Líquidos orgánicos: como queroseno, metanol, benceno, etc.
√Parámetros del proceso de carburación:
•Temperatura de carburación: 920~950°C.
•Tiempo de carburización: Depende de la profundidad deseada de la capa carburizada y de la temperatura de carburización.
E. Tratamiento térmico después de la carburación
El acero debe someterse a un tratamiento térmico después de la carburización.
Proceso de tratamiento térmico posterior a la carburación:
√Templado + Revenido a baja temperatura
1. Enfriamiento directo después del preenfriamiento + revenido a baja temperatura: La pieza de trabajo se preenfría desde la temperatura de carburación hasta justo por encima de la temperatura Ar₁ del núcleo y luego se enfría inmediatamente, seguido de un revenido a baja temperatura de 160~180°C.
2. Temple único después del preenfriamiento + revenido a baja temperatura: Después de la carburización, la pieza se enfría lentamente a temperatura ambiente y luego se recalienta para el temple y el revenido a baja temperatura.
3. Doble temple tras preenfriamiento + revenido a baja temperatura: Tras la carburización y el enfriamiento lento, la pieza se somete a dos etapas de calentamiento y temple, seguidas de un revenido a baja temperatura.
V. Tratamiento térmico químico de los aceros
1. Definición de tratamiento térmico químico
El tratamiento térmico químico es un proceso de tratamiento térmico en el que una pieza de acero se coloca en un medio activo específico, se calienta y se mantiene a una temperatura determinada, permitiendo que los átomos activos del medio se difundan en la superficie de la pieza. Esto modifica la composición química y la microestructura de la superficie de la pieza, alterando así sus propiedades.
2. Proceso básico del tratamiento térmico químico
Descomposición: Durante el calentamiento, el medio activo se descompone, liberando átomos activos.
Absorción: Los átomos activos son adsorbidos por la superficie del acero y se disuelven en la solución sólida del acero.
Difusión: Los átomos activos absorbidos y disueltos en la superficie del acero migran hacia el interior.
Tipos de endurecimiento superficial por inducción
a. Calentamiento por inducción de alta frecuencia
Frecuencia actual: 250~300 kHz.
Profundidad de la capa endurecida: 0,5~2,0 mm.
Aplicaciones: Engranajes de módulo mediano y pequeño, y ejes de tamaño pequeño a mediano.
b. Calentamiento por inducción de media frecuencia
Frecuencia actual: 2500~8000 kHz.
Profundidad de la capa endurecida: 2~10 mm.
Aplicaciones: Ejes de mayor tamaño y engranajes de módulo grande a mediano.
c. Calentamiento por inducción de frecuencia industrial
Frecuencia actual: 50 Hz.
Profundidad de la capa endurecida: 10~15 mm.
Aplicaciones: Piezas que requieren una capa endurecida muy profunda.
3. Endurecimiento superficial por inducción
Principio básico del endurecimiento superficial por inducción
Efecto en la piel:
Cuando la corriente alterna en la bobina de inducción genera una corriente en la superficie de la pieza, la mayor parte de la corriente inducida se concentra cerca de la superficie, mientras que prácticamente no atraviesa el interior de la pieza. Este fenómeno se conoce como efecto pelicular.
Principio del endurecimiento superficial por inducción:
Basándose en el efecto de la piel, la superficie de la pieza se calienta rápidamente hasta la temperatura de austenización (alcanzando entre 800 y 1000 °C en pocos segundos), mientras que el interior permanece prácticamente sin calentar. A continuación, la pieza se enfría mediante pulverización de agua, logrando así el endurecimiento superficial.
4. Fragilidad por temple
Fragilidad por revenido en acero templado
La fragilidad por revenido se refiere al fenómeno por el cual la tenacidad al impacto del acero templado disminuye significativamente cuando se somete a revenido a ciertas temperaturas.
Fragilidad de primer tipo de revenido
Rango de temperatura: de 250 °C a 350 °C.
Características: Si el acero templado se somete a un proceso de revenido dentro de este rango de temperaturas, es muy probable que desarrolle este tipo de fragilidad por revenido, la cual no se puede eliminar.
Solución: Evite templar el acero revenido dentro de este rango de temperatura.
El primer tipo de fragilidad por revenido también se conoce como fragilidad por revenido a baja temperatura o fragilidad por revenido irreversible.
VI. Templado
1. El revenido es un proceso de tratamiento térmico final que sigue al temple.
¿Por qué los aceros templados necesitan revenido?
Microestructura tras el temple: Tras el temple, la microestructura del acero suele consistir en martensita y austenita residual. Ambas son fases metaestables y se transformarán bajo ciertas condiciones.
Propiedades de la martensita: La martensita se caracteriza por su alta dureza, pero también por su alta fragilidad (especialmente en la martensita acicular con alto contenido de carbono), lo que no cumple con los requisitos de rendimiento para muchas aplicaciones.
Características de la transformación martensítica: La transformación a martensita ocurre muy rápidamente. Después del temple, la pieza presenta tensiones internas residuales que pueden provocar deformación o agrietamiento.
Conclusión: ¡La pieza no se puede utilizar directamente después del temple! Es necesario un revenido para reducir las tensiones internas y mejorar la tenacidad de la pieza, haciéndola apta para su uso.
2. Diferencia entre templabilidad y capacidad de endurecimiento:
Templabilidad:
La templabilidad se refiere a la capacidad del acero para alcanzar un determinado grado de endurecimiento (el espesor de la capa endurecida) tras el temple. Depende de la composición y estructura del acero, en particular de sus elementos de aleación y del tipo de acero. La templabilidad es una medida de la capacidad del acero para endurecerse en todo su espesor durante el proceso de temple.
Dureza (capacidad de endurecimiento):
La dureza, o capacidad de endurecimiento, se refiere a la dureza máxima que puede alcanzar el acero tras el temple. Está influenciada principalmente por el contenido de carbono del acero. Un mayor contenido de carbono generalmente conlleva una mayor dureza potencial, pero esta puede verse limitada por los elementos de aleación del acero y la eficacia del proceso de temple.
3. Templabilidad del acero
√Concepto de templabilidad
La templabilidad se refiere a la capacidad del acero para alcanzar un cierto grado de endurecimiento martensítico tras el enfriamiento desde la temperatura de austenización. En términos más sencillos, es la capacidad del acero para formar martensita durante el enfriamiento.
Medición de la templabilidad
El grado de templabilidad viene indicado por la profundidad de la capa endurecida obtenida en condiciones específicas tras el temple.
Profundidad de la capa endurecida: Esta es la profundidad desde la superficie de la pieza de trabajo hasta la región donde la estructura es mitad martensita.
Medios de enfriamiento comunes:
•Agua
Características: Económico y con gran capacidad de enfriamiento, pero tiene una alta velocidad de enfriamiento cerca del punto de ebullición, lo que puede provocar un enfriamiento excesivo.
Aplicación: Se utiliza habitualmente para aceros al carbono.
Agua salada: Una solución de sal o álcali en agua, que tiene una mayor capacidad de enfriamiento a altas temperaturas en comparación con el agua, lo que la hace adecuada para aceros al carbono.
•Aceite
Características: Proporciona una velocidad de enfriamiento más lenta a bajas temperaturas (cerca del punto de ebullición), lo que reduce eficazmente la tendencia a la deformación y el agrietamiento, pero tiene una menor capacidad de enfriamiento a altas temperaturas.
Aplicación: Adecuado para aceros aleados.
Tipos: Incluye aceite de temple, aceite para maquinaria y gasóleo.
Tiempo de calentamiento
El tiempo de calentamiento se compone tanto de la velocidad de calentamiento (tiempo necesario para alcanzar la temperatura deseada) como del tiempo de mantenimiento (tiempo que se mantiene a la temperatura objetivo).
Principios para determinar el tiempo de calentamiento: Asegurar una distribución uniforme de la temperatura en toda la pieza de trabajo, tanto en el interior como en el exterior.
Asegúrese de que la austenización sea completa y de que la austenita formada sea uniforme y fina.
Base para determinar el tiempo de calentamiento: Generalmente se estima utilizando fórmulas empíricas o se determina mediante experimentación.
Medios de extinción
Dos aspectos clave:
a. Velocidad de enfriamiento: Una mayor velocidad de enfriamiento favorece la formación de martensita.
b. Tensión residual: Una mayor velocidad de enfriamiento aumenta la tensión residual, lo que puede provocar una mayor tendencia a la deformación y al agrietamiento de la pieza de trabajo.
VII. Normalización
1. Definición de normalización
La normalización es un proceso de tratamiento térmico en el que el acero se calienta a una temperatura de entre 30 °C y 50 °C por encima de la temperatura Ac3, se mantiene a dicha temperatura y, posteriormente, se enfría al aire para obtener una microestructura cercana al estado de equilibrio. En comparación con el recocido, la normalización presenta una velocidad de enfriamiento más rápida, lo que da como resultado una estructura perlítica (P) más fina y una mayor resistencia y dureza.
2. Propósito de la normalización
El propósito de la normalización es similar al del recocido.
3. Aplicaciones de la normalización
•Eliminar la cementita secundaria en red.
•Sirve como tratamiento térmico final para piezas con requisitos menos exigentes.
•Actúa como tratamiento térmico preparatorio para aceros estructurales de bajo y medio contenido de carbono con el fin de mejorar su maquinabilidad.
4. Tipos de recocido
Primer tipo de recocido:
Propósito y función: El objetivo no es inducir una transformación de fase, sino lograr que el acero pase de un estado desequilibrado a un estado equilibrado.
Tipos:
•Recocido por difusión: Su objetivo es homogeneizar la composición eliminando la segregación.
•Recocido de recristalización: Restaura la ductilidad eliminando los efectos del endurecimiento por deformación.
•Recocido de alivio de tensiones: Reduce las tensiones internas sin alterar la microestructura.
Segundo tipo de recocido:
Propósito y función: Su objetivo es modificar la microestructura y las propiedades, logrando una microestructura dominada por la perlita. Este tipo de proceso también garantiza que la distribución y la morfología de la perlita, la ferrita y los carburos cumplan con requisitos específicos.
Tipos:
•Recocido completo: Calienta el acero por encima de la temperatura Ac3 y luego lo enfría lentamente para producir una estructura de perlita uniforme.
•Recocido incompleto: Calienta el acero entre las temperaturas Ac1 y Ac3 para transformar parcialmente la estructura.
•Recocido isotérmico: Calienta el acero por encima de Ac3, seguido de un enfriamiento rápido a una temperatura isotérmica y un mantenimiento a dicha temperatura para lograr la estructura deseada.
•Recocido de esferoidización: Produce una estructura de carburo esferoidal, lo que mejora la maquinabilidad y la tenacidad.
VIII.1. Definición de tratamiento térmico
El tratamiento térmico se refiere a un proceso en el que el metal se calienta, se mantiene a una temperatura específica y luego se enfría mientras está en estado sólido para alterar su estructura interna y microestructura, logrando así las propiedades deseadas.
2. Características del tratamiento térmico
El tratamiento térmico no cambia la forma de la pieza; en cambio, altera la estructura interna y la microestructura del acero, lo que a su vez cambia las propiedades del acero.
3. Finalidad del tratamiento térmico
El objetivo del tratamiento térmico es mejorar las propiedades mecánicas o de procesamiento del acero (o de las piezas), aprovechar al máximo el potencial del acero, mejorar la calidad de la pieza y prolongar su vida útil.
4. Conclusión clave
La posibilidad de mejorar las propiedades de un material mediante un tratamiento térmico depende fundamentalmente de si se producen cambios en su microestructura y estructura durante el proceso de calentamiento y enfriamiento.
Fecha de publicación: 19 de agosto de 2024