Ⅰ.El concepto básico del tratamiento térmico.
A.El concepto básico del tratamiento térmico.
Los elementos y funciones básicos detratamiento térmico:
1. Calefacción
El objetivo es obtener una estructura de austenita fina y uniforme.
2.Sosteniendo
El objetivo es garantizar que la pieza de trabajo esté completamente caliente y evitar la descarburación y la oxidación.
3. Enfriamiento
El objetivo es transformar la austenita en diferentes microestructuras.
Microestructuras después del tratamiento térmico
Durante el proceso de enfriamiento, tras el calentamiento y la conservación, la austenita se transforma en diferentes microestructuras según la velocidad de enfriamiento. Cada microestructura presenta propiedades diferentes.
B.El concepto básico del tratamiento térmico.
Clasificación basada en métodos de calentamiento y enfriamiento, así como en la microestructura y propiedades del acero
1. Tratamiento térmico convencional (tratamiento térmico general): revenido, recocido, normalización, temple
2. Tratamiento térmico de superficies: Temple de superficies, Temple de superficies por calentamiento por inducción, Temple de superficies por calentamiento por llama, Temple de superficies 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 una base importante para determinar los procesos de calentamiento, mantenimiento y enfriamiento durante el tratamiento térmico. 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 implica que se requiere sobrecalentamiento durante el calentamiento y subenfriamiento durante el enfriamiento.
II.Recocido y normalizado del acero
1. Definición de recocido
El recocido implica calentar el acero a una temperatura superior o inferior al punto crítico Ac₁, manteniéndolo a esa temperatura y luego enfriándolo lentamente, generalmente dentro del horno, para lograr una estructura cercana al equilibrio.
2. Propósito del recocido
①Ajuste de dureza para mecanizado: Lograr una dureza mecanizable en el rango de HB170~230.
②Alivia la tensión residual: evita la deformación o el agrietamiento durante los procesos posteriores.
③Refinar la estructura del grano: mejora la microestructura.
④Preparación para el tratamiento térmico final: Se obtiene perlita granular (esferoidizada) para su 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 del acero, dando como resultado perlita granular (esferoidizada).
Rango aplicable: Se utiliza para aceros con composiciones eutectoides e hipereutectoides.
4. Recocido difuso (recocido homogeneizante)
Especificaciones del proceso: La temperatura de calentamiento está ligeramente por debajo de la línea de solvus en el diagrama de fases.
Propósito: Eliminar la segregación.
①Para bajaacero carbonoCon un contenido de carbono inferior al 0,25%, se prefiere la normalización al recocido como tratamiento térmico preparatorio.
②Para acero con contenido de carbono medio entre 0,25 % y 0,50 %, se puede utilizar recocido o normalizado como tratamiento térmico preparatorio.
③Para acero con contenido de carbono medio a alto entre 0,50 % y 0,75 %, se recomienda el recocido completo.
④Para altaacero carbonoCon un contenido de carbono superior a 0,75%, primero se utiliza la normalización para eliminar la red Fe₃C, seguido del recocido esferoidizante.
3.Temple y revenido del acero
A. Enfriamiento
1. Definición de temple: El temple implica calentar el acero a una temperatura determinada 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. Finalidad del temple: El objetivo principal es obtener martensita (o, en ocasiones, 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 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: 50 °C a 100 °C por encima de la temperatura crítica
4. Características de enfriamiento de un medio de enfriamiento ideal:
Enfriamiento lento antes de 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:
①Temple simple: Fácil de operar y adecuado para piezas pequeñas y de formas simples. 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 y aceros aleados de mayor tamaño con formas complejas. La microestructura resultante es martensita (M).
③Temple de rotura: Un proceso más complejo, utilizado para piezas de acero aleado de gran tamaño y formas complejas. La microestructura resultante es martensita (M).
④Temple isotérmico: Se utiliza para piezas pequeñas y complejas con altos requisitos. La microestructura resultante es bainita inferior (B).
6. Factores que afectan la templabilidad
El nivel de templabilidad depende de la estabilidad de la austenita superenfriada en el acero. Cuanto mayor sea la estabilidad de la austenita superenfriada, mejor será la templabilidad, y viceversa.
Factores que influyen en la estabilidad de la austenita superenfriada:
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
①Prueba de templabilidad por temple final: La templabilidad se mide utilizando el método de prueba de temple final.
②Método de diámetro de temple crítico: el diámetro de temple crítico (D₀) representa el diámetro máximo de acero que se puede endurecer completamente en un medio de temple específico.
B.Revenido
1. Definición de revenido
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 luego se enfría a temperatura ambiente.
2. Propósito del temple
Reduce o elimina la tensión residual: evita la deformación o el agrietamiento de la pieza de trabajo.
Reduce o elimina la austenita residual: estabiliza las dimensiones de la pieza de trabajo.
Elimina la fragilidad del acero templado: ajusta la microestructura y las propiedades para cumplir con los requisitos de la pieza de trabajo.
Nota importante: El acero debe templarse rápidamente después del temple.
3. Procesos de templado
1.Revenido bajo
Propósito: Reducir la tensión de temple, mejorar la tenacidad de la pieza de trabajo y lograr 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 de superficie endurecida.
2.Alto temple
Objetivo: Lograr una alta tenacidad junto con suficiente resistencia y dureza.
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 revenido a alta temperatura se denomina refinamiento térmico o simplemente temple. 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 reforzar la capa superficial de una pieza mediante un calentamiento rápido que la transforma en austenita y un posterior enfriamiento rápido. Este proceso se lleva a cabo sin alterar la composición química del acero ni la estructura del núcleo 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 de carbono medio y acero de aleación de carbono medio.
Pretratamiento: Proceso típico: Revenido. Si las propiedades del núcleo no son críticas, se puede utilizar el normalizado.
Estructura de postendurecimiento
Estructura de la superficie: La capa superficial generalmente forma una estructura endurecida, como martensita o bainita, que proporciona alta dureza y resistencia al desgaste.
Estructura del núcleo: El núcleo del acero generalmente conserva su estructura original, como perlita o estado revenido, dependiendo del 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 aumento rápido de la temperatura: el endurecimiento de la superficie 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 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 de superficie: debido al corto tiempo de calentamiento, la superficie de la pieza de trabajo es menos propensa a la oxidación y descarburación, y se minimiza la deformación inducida por el enfriamiento, lo que garantiza una buena calidad de superficie.
4. Alta resistencia a la fatiga: La transformación de la fase martensítica en la capa superficial genera tensión de compresión, lo que aumenta la resistencia a la fatiga de la pieza de trabajo.
5. Alta eficiencia de producción: El endurecimiento de la superficie por inducción es adecuado para la producción en masa y ofrece una alta eficiencia operativa.
C. Clasificación del tratamiento térmico químico
Cementación, Cementación, Cementación, Cromación, Siliconización, Siliconización, Siliconización, Carbonitruración, Borocarburación
D.Carburación de gas
La carburación por gas es un proceso en el que una pieza se coloca en un horno sellado de carburación por gas y se calienta a una temperatura que transforma el acero en austenita. Posteriormente, se introduce un agente carburante en el horno o 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 peso) en la superficie de la pieza.
√Agentes carburizantes:
•Gases ricos en carbono: como el gas de carbón, 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 carburación: Depende de la profundidad deseada de la capa carburizada y de la temperatura de carburación.
E.Tratamiento térmico después de la carburación
El acero debe someterse a un tratamiento térmico después de la carburación.
Proceso de tratamiento térmico después de la carburación:
√Temple + Revenido a baja temperatura
1. Temple 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 a 160 ~ 180 °C.
2. Temple simple después del preenfriamiento + revenido a baja temperatura: después de la carburación, la pieza de trabajo se enfría lentamente a temperatura ambiente y luego se recalienta para el temple y el revenido a baja temperatura.
3. Doble temple después del preenfriamiento + revenido a baja temperatura: después de la carburación y el enfriamiento lento, la pieza de trabajo se somete a dos etapas de calentamiento y temple, seguidos 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 en el que una pieza de acero se coloca en un medio activo específico, se calienta y se mantiene a temperatura ambiente, 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 frecuencia media
Frecuencia actual: 2500~8000 kHz.
Profundidad de la capa endurecida: 2~10 mm.
Aplicaciones: Ejes de mayor tamaño y engranajes de módulos grandes a medianos.
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 piel:
Cuando la corriente alterna en la bobina de inducción induce una corriente en la superficie de la pieza, la mayor parte de la corriente inducida se concentra cerca de la superficie, mientras que casi ninguna corriente pasa por el interior de la pieza. Este fenómeno se conoce como efecto pelicular.
Principio del endurecimiento superficial por inducción:
Gracias al efecto piel, la superficie de la pieza se calienta rápidamente hasta alcanzar la temperatura de austenización (alcanza entre 800 y 1000 °C en pocos segundos), mientras que el interior permanece prácticamente sin calentar. Posteriormente, la pieza se enfría mediante pulverización de agua, lo que permite el endurecimiento superficial.
4. Fragilidad del temple
Revenido de la fragilidad 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 revene a determinadas temperaturas.
Primer tipo de fragilidad por revenido
Rango de temperatura: 250°C a 350°C.
Características: Si el acero templado se revene dentro de este rango de temperatura, es muy probable que desarrolle este tipo de fragilidad por revenido, que no se puede eliminar.
Solución: Evite templar el acero templado 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.Revenido
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 estar compuesta por martensita y austenita residual. Ambas son fases metaestables y se transforman en determinadas condiciones.
Propiedades de la martensita: La martensita se caracteriza por una alta dureza pero también por una alta fragilidad (especialmente en martensita con forma de aguja 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. Tras el temple, la pieza presenta tensiones internas residuales que pueden provocar deformación o agrietamiento.
Conclusión: La pieza no puede utilizarse directamente después del temple. El revenido es necesario 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 una determinada profundidad de endurecimiento (la profundidad de la capa endurecida) tras el temple. Depende de la composición y la estructura del acero, en particular de sus elementos de aleación y del tipo de acero. La templabilidad mide 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 se puede alcanzar en el acero tras el temple. Está influenciada en gran medida 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.Templebilidad del acero
√Concepto de templabilidad
La templabilidad se refiere a la capacidad del acero para alcanzar una cierta profundidad de endurecimiento martensítico tras el temple desde la temperatura de austenización. En términos más simples, es la capacidad del acero para formar martensita durante el temple.
Medición de la templabilidad
El tamaño de la templabilidad se indica por la profundidad de la capa endurecida obtenida en condiciones específicas después del temple.
Profundidad de la capa endurecida: es la profundidad desde la superficie de la pieza de trabajo hasta la región donde la estructura es mitad martensita.
Medios de extinción comunes:
•Agua
Características: Económico con fuerte capacidad de enfriamiento, pero tiene una alta tasa de enfriamiento cerca del punto de ebullición, lo que puede provocar un enfriamiento excesivo.
Aplicación: Se utiliza normalmente para aceros al carbono.
Agua Salada: 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 al agrietamiento, pero tiene una menor capacidad de enfriamiento a altas temperaturas.
Aplicación: Adecuado para aceros aleados.
Tipos: Incluye aceite de temple, aceite de máquina y combustible diésel.
Tiempo de calentamiento
El tiempo de calentamiento consta de la velocidad de calentamiento (tiempo necesario para alcanzar la temperatura deseada) y del tiempo de mantenimiento (tiempo mantenido a la temperatura objetivo).
Principios para determinar el tiempo de calentamiento:Asegure una distribución uniforme de la temperatura en toda la pieza de trabajo, tanto en el interior como en el exterior.
Asegúrese de que la austenitización sea completa y 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 promueve la formación de martensita.
b. Estrés residual: Una mayor tasa de enfriamiento aumenta el estrés residual, lo que puede conducir a una mayor tendencia a la deformación y al agrietamiento de la pieza de trabajo.
VIII.Normalización
1. Definición de Normalización
La normalización es un proceso de tratamiento térmico en el que el acero se calienta a una temperatura de 30 °C a 50 °C por encima de la temperatura de Ac3, se mantiene a dicha temperatura y luego 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 resulta en una estructura de perlita (P) más fina y 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.
•Servir como tratamiento térmico final para piezas con menores requerimientos.
•Actúa como tratamiento térmico preparatorio para acero estructural de bajo y medio carbono para mejorar la maquinabilidad.
4.Tipos de recocido
Primer tipo de recocido:
Propósito y función: El objetivo no es inducir la transformación de fase, sino hacer que el acero pase de un estado desequilibrado a un estado equilibrado.
Tipos:
•Recocido por difusión: Tiene como objetivo homogeneizar la composición eliminando la segregación.
•Recocido de recristalización: restaura la ductilidad eliminando los efectos del endurecimiento por trabajo.
•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 con predominio de perlita. Este tipo también garantiza que la distribución y morfología de la perlita, la ferrita y los carburos cumplan con los 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 temperaturas Ac1 y Ac3 para transformar parcialmente la estructura.
•Recocido isotérmico: calienta el acero a una temperatura superior a Ac3, seguido de un enfriamiento rápido a una temperatura isotérmica y mantenimiento para lograr la estructura deseada.
•Recocido esferoidizante: produce una estructura de carburo esferoidal, mejorando 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 de trabajo; en cambio, altera la estructura interna y la microestructura del acero, lo que a su vez cambia las propiedades del acero.
3. Propósito del tratamiento térmico
El propósito del tratamiento térmico es mejorar las propiedades mecánicas o de procesamiento del acero (o piezas de trabajo), aprovechar al máximo el potencial del acero, mejorar la calidad de la pieza de trabajo y extender 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.
Hora de publicación: 19 de agosto de 2024