Caracterizacion y Tratamiento Termico de Los Metales

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    12-Dec-2014

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<p>!</p> <p>Contenido!</p> <p>1. Definici6n Tdrmico de Tratamiento</p> <p>----.---1</p> <p>Estructura Cristalina de losMetales y Tamafio Formacidn de losGranos---Clasificaci6n de losAceros---Efectos del Carb6n en la Estructura del Hierro - Carbono Equilibrio Hierro Diagrama Isot6rmica deTransformaci6n Diagrama BajoEnfriamiento deTransformaci6n Continuo y Contenido Dureza delCarbono:</p> <p>"""""2 -----5 ---6 -:---.-B ------10 ---*----22 -----29 30 32</p> <p>Templabilidad</p> <p>l l_t )</p> <p>Templado delAcero --------- 53 T6rmico Procesos Bdsicos de Tratamiento y Uniformidad de laTemperatura en Controlador deTemperatura losHornos L4. Hornos T6rmico deTratamiento 15.Disefio de losComponentes de lasFormas de AceroTemplado 84 91</p> <p>"-62</p> <p>16. Selecci6n Adecuado delAcero</p> <p>J</p> <p>)</p> <p>'l-)</p> <p>I</p> <p>I</p> <p>J</p> <p>1. Definici6nde TratamientoT6rmico que involucra y enfriamiento Tratamiento T6rmico es el proceso el calentamiento parapoder con el prop6sito su estructura de un metalsolidoo aleaci6n de cambiar cambiarsus propiedades. A paftir de esta definici6n, tratamiento t6rmicoes proceso y cualquier la temperatura de calentamiento enfriamiento solamente, del tratamiento t6rmicodebeestarpor debajodel puntode fusi6ndel metalque est6 siendo trctado. El prop6sitodel tratamientotdrmico es el de cambiar la paracambiar microestructura de los metales suspropiedades. No es posible alterar propiedades las Laspropiedades de un metalsincambiar su microestructura. de los metales tale comoductibilidad, resistencia, resistencia al desgaste, dureza, etc, son y de funciones de su estructura. t-a estructura es cristalina de todos los metales granos. procesos Muchos t6rmicos sonmdtodos simples de manipulaci6n de la estructura y granos para propiedades. cristalina de los Lostratamientos sus optimizar t6rmicos pueden y templado paraaumentar y la serprocesos la resistencia de endurecimiento procesos para y los dureza.Algunas veces est6n laspropiedades disefiados disminuir obtener unabuena maquinabilidad, el conformado a unaformararao serllevado a una figuradiferente a temperatura ambiente. En cadauno de estosprocesos las propiedades por logradas la de disefio son la manipulaci6n de estructura met6lica. proceso Los ciclosde tiempo-temperaturc de tratamiento tdrmico de cualquier pasos: consiste de tres (1)Calentar el metal a cierta temperatura. (2)Mantener porcierto el metal elevada tiempo. a unatemperatura (3)Enfriar velocidad. el metal a ciefta La temperatura a la que el metales calentado depende de cual proceso de y de la composici6n quimica tratamiento t6rmicoestdsiendo aplicado del aceroque estii siendo tratado. En adici6n la la la a temperatura especifica a cual partellega, veces algunas esnecesario controlar la velocidad a la cualsellega a esatemperatura. que la pieza lleguea cierta En algunosprocesos t6rmicos,es necesario por temperatura uniformemente, como ejemplodurantela liberaci6n de esfueaos, que en otrosprocesos y la carburizaci6n mientras comoen el recocido la pieza debe quedarse por un tiempo prolongado. a la temperatura Elenfriamiento de la pieza es un pasomuy impoftante en el proceso t6rmico. La velocidadde de tratamiento enfriamiento estii estipulada en tdrminos de severidad desdeun enfriamiento r6pido medio rSpida en de una circulaci6n de salmuera hastaun enfriamiento lentoen el horno.</p> <p>2. Estructura de los Metales(Fig. L,2,3, 4) Cristalina Todos loselementos individuales consisten en 6tomos o mol6culas de ciertonivel Si el nivel de energiaes lo suficientemente alto, los de energla(Temperatura). y sonexcitados con movimientos existen Stomos o mol6culas al azar los elementos (LQuido comofluidos el nivelde energia, se reduce el o gas). Encuanto se reduzca movimiento se bajam5sel nivelde la energia, al azarde los 6tomos. Cuando el movimiento se conviefte mdsen unavibraci6n.Enestepunto,losStomos tienden a precisas los unoscon respecto cristalizarse, lo cualsignifica tomarposiciones a los patr6n geom6trica El tridimensional la formaci6n es llamado retfuulo otros. de espacial. Cadauno de los elementos en uno de los catorce tiposde se cristaliza reticulo espacial.Sinembargo, en el tratamiento en t6rmicosolonosinteresaremos en el cuerpo, los retfculos cfbicocentrado ctibico centrado en lascaftrs, tetragonal y hexagonal compacto. centrado en el cuerpo La estructura tiene9 posiciones, lasochoesquinas cfibica centrada en el cuerpo posici6n y en metales del mismo. Los delcubo una adicional el centro con estetipo poseen y menor (o estructura reticular cristalina) mayorresistencia de estructura que poseen que reticular c0bica ductilidad aguellos una estructura centrada en las caras. posiciones en las carastienecatorce reticulares, La estructura cfibicacentrada lascuales son:lasochoesquinas del cuboy seisposiciones adicionales en cadauna poseen Los las seis caras del mismo. metales con este tipo de estructura cristalina de que poseen una estructura y mayorductilidad que aquellos menorresistencia reticular cfbicacentrada en el cuerpo. La estructura tetragonal centrada en el cuerpotiene 9 posiciones reticulares en el cuerpo centrada conla excepci6n similar a la estructura c0bica de quela unidad de la celda esalargada en vezde cribica. La estructura hexagonal compacta tiene 17 posiciones reticulares, las cuales est6n en un plano hexagonal superior e inferior ubicadas de seis rodeando 5tomos un por un plano y separado #ptimo Stomo de tres Stomos.Losmetales conestetipo por unafalta general se caracterizan de estructura de plasticidad. Porconsiguiente, no se pueden trabajar metales usualmente en frio.Algunos soncapaces de presentar cristalinas diferentes estructuras a diferentes temperaturas.En este caso las formasalotr6picas. diferentes estructuras son llamadas Lasestructurcs cambian de unaformaa otra y estoes llamado cambio alotr6pico.La temperatura a la cualse hacenlos cambios se llamatemperatura alotr6picos de transformaci6n. El hierro puro a temper:atum ambiente tieneuna estructura cristalina cribica centrada en el hierroalfa. Cuando se calienta se realiza cuerpollamada a 910oC un cambio gamma (y). Cuando en lascaras conocido comohierro alotropico a cirbico centrado la temperatura llegaa 1400oC otro cambio alotr6pico se revierte ocurre, a cribico</p> <p>!</p> <p>I</p> <p>centrado en el cuerpo llamado hierrodelta(6). A t540ocel hierrose convierte en que se enfrieel hierrodesde llquido. Cuando se permite el estadolQuido, estos cambios ocurrir6n inversamente a lasmismas temperaturas. Como el hierro alfay el hierro gammatienen estructuras cristalinas el cambioalotr6pico diferentes, estd porun cambio marcado delvolumen. abrupto</p> <p>Fig.l (a) Estructura (bcc) Cristalina Cibica Centrada en el Cuerpo (b) Modelode Esferas S6lidasde la EstructuraCfbica Centradaen el Cuerpo-</p> <p>-</p> <p>aa</p> <p>Fig.2(a) EstructuraCristalinaC6bicaCentradaen la Cara(fcc) (b) Modelode Esferas S6lidasde la EstructuraCribicaCentradaen la Caraa</p> <p>t</p> <p>ra</p> <p>t</p> <p>(a) (b) Fig.3 (a) Estructura Cristalina Heragonal Compacta (cph) (b) Modelo de Esferas S6lidas de la Estructura Heragonal Compacta.</p> <p>t</p> <p>t I</p> <p>'odren3 ;a ue epe4ueS;euo6erlel ernlcnr$f el ap sepllgs seralst ep oplon (q) (b,q) odriD;e -(q) tle epsrlual leuo6alar Eulle$il3 ernpnrlse (e) u'6lr (e)</p> <p>_l</p> <p>Jj</p> <p>y Tamafiosde los Granos(fig.s) 3. Formaci6n hasta la temperatura de solidificaci6n es enfriado Cuando el metal en faselQuida partes en diferentes del lfiquido. la cristalizaci6n conla formaci6n de n0cleos empieza que los 6tomosse \En uniendo a ellos,y dicho Estosnicleoscrecena medida cristalina. El crecimiento de estructura crecimiento es acorde con la correspondiente por el granos que el mismo u obstruido se veaobstaculizado dichos continua hasta crecimiento de granos adyacentes. cristalina escontinua. en la cualla estructura Ungrano es unaparticula de material grano. El tamafio cambia del La orientaci6n cristalina en loslfmites de la estructura hasta desdeel estadoli,quido del granodepende de la velocidad de enfriamiento pequefro el tamaffo del gnno es llegaral estado solido. Para un rSpido enfriamiento que los lentosenfriamientos resultan mientras en granosgruesos. La discusi6n el puntode congelaci6n. en el enfriamiento de un lhuidohasta anterior est6basada pasapor un cambio metal fen6meno cuando un el mismo ocurre Sin embargo, puede de unogrueso a unofinoporun Eltamafio delgrano sercambiado alotr6pico. por gnno generalmente del est6ndesignados tratamiento tdrmico. Lostamafios gruesos, granos ASTM.Losaceros de 1 a 5 sonconsiderados congranos de tamafios losde 5 a B songranos finos.</p> <p>_l</p> <p>J JJ</p> <p>ai i I I</p> <p>UPTO I - I/E GRAINS</p> <p>I 2 T O 2 4G R A I N S</p> <p>t-1/2TO 3 GRAI NO. 33 TO 5 GRAINS</p> <p>48 TO96 GRAINS</p> <p>\ NO.4, *6 TO I2 GRAINS</p> <p>96 GRAINS AND MORE</p> <p>Note: All grains listed qre per squore inch.</p> <p>Fig.SGrifica de Comparaci6ndelTamafio de los GranosASTM</p> <p>4. Clasificaci6n de los Aceros (Cono sin elementos m6stratados son los materiales Losaceros de aleaci6n) por el sistema de los acerosestdn identificados t6rmicamente.Generalmente por (Instituto (Sociedad la AISI Automotrices) o enumeraci6n del SAE de Ingenieros y Acero).Para se utiliza un c6digo de Americano el acero de construcci6n, de Hierro principales y su cuatrosdigitosel cual categoriza el acero por sus aleaciones el tipo de aceropor su de carbono. Los dos primeros digitosindican contenido (Tablat) y los dos riltimos en el contenido aproximado d(gitos expresan aleaci6n porcentaje (0.01o/o). AISI1018 ser6 acero al Porconsiguiente, el acero un de carbono AISI41ZIO ser6un acero carbono conaproximadamente 0,18o/o de carbono.El acero O.4o/o al Cr Moconaproximadamente de carbono. paraherramientas no es tan ordenado El sistema de los aceros de designaci6n en diferentes Estos son clasificado aceros comoparalos aceros de construcci6n. por unadesignaci6n (Tabla grupos 2). Enalgunos cadauno representado alfab6tica t6rmicos como en tratamientos la designaci6n indicaun medio de enfriamiento casos A (Templado en aceite), en agua),O (Templado al aire). en lostiposW (Templado para por la cualestiihecho el acero, Algunos est6n designados la utilizaci6n aceros T H (Trabajo en caliente), P (Moldeado), comoporejemplo S (Resistencia al choque), por el (Tirngsteno r6pido),M (R6pido al Molibdeno).Los otros est6ndesignados latocromo), D (Altocarbono, L ( Bajas contenido comopor ejemplo de la aleaci6n, F(Carbono-Tungsteno). aleaciones),-</p> <p>!r</p> <p>Tabla 1 Clasificaci6n de los Aeros al Carbono y los Aceroo de Construcci6n Seg0n SAE-AISI - ALLOY NUMERICAL CT.ASSIFICATION STEELS 10x&gt;Plaincarbonsteels1$q Mn = 1.60 to 1.900/o Ni = 3.25oloi Mo = 0.25o/o 11&gt;oHighS free-machining steels5Opr LowCr</p> <p>''l_)!</p> <p>51&gt;of4edium Cr5b0 Cr;highcarbon,C1n</p> <p>23&gt;o Ni = 5.00o/olOvr</p> <p>Ni = 0.70olo; Cr = 0.70o/o</p> <p>cr;VMo = 0.200/&lt; Ni = 0.55o/oi Cr = 0.50o/o;</p> <p>-</p> <p>31&gt;or N i = 1.25oloi Cr - 0.600/o??w</p> <p>R6vr</p> <p>Ni = 1.75olo; Cr = 1.00o/o Ni = 3.50o/oi Cr = 1.50o/o</p> <p>87&gt;orNi = 0.55o/oi Cr =0.50o/o; Mo = 0.25olo7LA,J</p> <p>!t</p> <p>lvln= 0.80o/o; Si = 2.00o/o l,1n= 0.95 to 1.15olo; Si = 0.50o/o, Ni = 0.45oloiCr = 0.40oloiMo = 0.L2o/c lln = 1.35o/o; Ni = 0.55olo; Si = 0.500/o; Mo = 0.20olo Cr=0.50o/o;</p> <p>Mo{1lol!</p> <p>JAM</p> <p>Cr-Mo Ni-Cr-MoNi = 1.65o/oi Mo = 0.25o/o</p> <p>!</p> <p>.?I</p> <p>i</p> <p>I I I I I</p> <p>Tabla 2 Clasificaci5n de los Aceros para Herramienbs Type Designation</p> <p>W</p> <p>WaterHardening ShockResisting Oil Hardening Air Hardening HighC-arbon, HighChromium Hot Work Chromium TungstenHot Work Hot Work Molybdenum TungstenHighSpeed HighSpeed Molybdenum LowAlloySpecial Purpose CarborrTungsten Mold LowCarbon</p> <p>s oA D H1l-H16 H20-H26 H41-H43 T M L F P</p> <p>t t</p> <p>5. Efectosdel Carbonoen la Estructuradel Hierro produce varios cambios importantes Laadici6n en lasfases. de carbono al hierro (fcc)en cuanto pan Lasdiferencias entrela ferrita(bcc)y la austenita a la capacidad (Disolver) traen como resultado no inicamente Stomosde carbono, acomodar importantes bC, sino que tambi6ntraen como caracteristicas del Diagrama resultado la formaci6n cristalina del carburo de hierro(FegC). La estructura de la (fcc)sonmodificadas ferrita(bcc)y el de la austenita 5tomos al introducir de carbono en lossitiosintersticiales entrelosStomos de hierro. que estabiliza y por consiguiente El carbonoes un elemento la austenita aumentael rangode formaci6n en el acero. Con la adici6nde de la austenita oC(1675 carbono, el rango de la austenita aumenta de 912a 1394 a 2540oF). La oC(2018 mSxima sofubilidad en la austenita llegahastael2.tlo/oa 1148 delcarbono oF). La ferritatieneunamenorhabilidad quela austenita:la carbono de disolver oF). solubilidad disminuye continuamente de un m6ximo de 0.02olo a 727"C (1340 se excede en la austenita, Cuando el limitede solubilidad de carbono unanueva y fase carburo lasaleaciones de hierroo cementita seforman de hierro carbono en junto con y tamafios losaceros.Lacementita tomavarias formas, loscuales arreglos la fenita contribuyen a la granvariedad de microestructuras encontradas en el acero. Lasdiversas formas de cementita dependen deltratamiento directamente t6rmico.</p> <p>I t I_]</p> <p>a JJ</p> <p>I</p> <p>en el de la ferritay ta de la austenita La principal entrela estructura diferencia puro la introducci6n del es y hierro en el las fases correspondientes acero el de los cuales se pueden dos tipos de vaciosintersticiales Stomode carbono. Existen y fcc. Las para bcc las estructuras en los 6tomosde carbono convertiren sitios y tetrah6dricos fccy en lasestructuras losvacfos octah6dricos Figuras 6 V 7 muestran de vecinos cercanos de Stomos tieneseis El 6tomo de carbono bcc,respectivamente. y cuatro en un sitiotetrah&amp;Jrico. hierroen un sitiooctahAJrico En la austenita, varianconsiderablemente. Los tamafiosde los intersticios puede acomodar un octahddrico un intersticio esf6ricos de hierro, Stomos asumiendo puede pero solo un acomodar un sitiotetrah&amp;Jrico Stomode 0.052nm de radio, un radio de 0.07nm, de carbonotienen Stomo de 0.028nm de radio. Los6tomos a octahddricos, en los intersticios de acomodar raz6npor la cual son m6sf6ciles pequefia la red. que expansi6n de pesar consecuencia una trae como esto de lo cual explica la son m6s pequefios, intersticiales En la ferrita los espacios acomodar en la ferritapuede limitada del carbono.Un sitiooctah6drico solubilidad y un Stomo de radio de 0.035nm un sitiotetra&amp;Jrico intersticial un Stomo de un radio de 0.019nm. en la ferrita delcarbono la solubilidad la fasequeseformacuando Lacementita, y la austenita a lasdossoluciones diferente es unafaseextremadamente se excede, compuesto con una La es un cementita mencionadas con anterioridad. s6lidas es representado a tres5tomos de hierro; relaci6n especifica de carbono de un 6tomo o/o de carbonoy est5 contiene 6.67 como fusC. La cementita frecuentemente variar. no puede composici6n</p> <p>-</p> <p>'1II(a) O MeEt (a) ato.ns MeEt ato.ns inlErsticeg o oclahed?8l Oclahedrsl (b) | Metatatoms inl6r9ltces o Tstrahdral</p> <p>(a) y Tetrah6drica (b) Intersticialesen una Estructurafcc Octahddrica Fig.6 Espacios</p> <p>t</p> <p>t</p> <p>I</p> <p>I</p> <p>.a I</p> <p>'8</p> <p>J</p> <p>-l</p> <p>ttL</p> <p>t t t tr LF</p> <p>t t</p> <p>LL(q) ecup...</p>