1. ACEROS Y FUNDICIONES: ESTRUCTURAS, TRANSFORMACIONES, TRATAMIENTOS TERMICOS y APLICACIONESF. J. BELZUNCE Universidad de Oviedo, 2001

2. ACEROS Y FUNDICIONES:ESTRUCTURAS TRANSFORMACIONES TRATAMIENTOS TERMICOS yAPLICACIONES 3. Micrografas de la Portada: Identifquelas con las siguientes composiciones qumicas Fe-O.150/0C Fe-O.S%C Fe-O.750/0C Fe-1.2%C Fe-O.080/0C-19%Cr-100/0Ni Fe-O.030/0C-19%Cr-80/0Ni Fe-30/0C-2.S%Si Fe-3.2%C-40/0Ni-2.5%Cr-l %Mo 4. 1. FASES Y ESTRUCTURAS 1.1. Introduccin11.2. Constituyentes alotrpicos del hierro11.3. Constituyentes simples de los aceros52. TRANSFORMACIONES EN EL DIAGRAMA HIERRO-CARBONO 2.1. Diagrama hierro-carbono72.2. Descomposicin de la austenita en un enfriamiento lento82.3. Cintica de la transfonnacin de la austenita112.4. Efecto de la velocidad de enfriamiento sobre las transformaciones ferrito-perlticas152.5. Austenizacin de los aceros173. EFECTOS DE LOS ELEMENTOS DE ALEACION EN LOS ACEROS 3.1. Introduccin213.2. Distribucin de los elementos aleantes213.3. Modificacin del diagrama hierro-carbono233.4. Efecto de los elementos de aleacin sobre la cintica de la transformacin austentica254. TEMPLE DEL ACERO 4. 1. Martensi ta274.2. Transformacin martenstica304.3. Transferencia tnnica durante el temple de los aceros..334.4. Tensiones de temple..375. DETERMINACION PRACTICA DE LA TEMPLABILIDAD 5.1. Templabilidad..415.2. Penetracin de temple.415.3. Dimetros crticos reales y dimetro crtico ideal..425.4. Ensayo Jominy.47 5. 6. REVENIDO DE LOS ACEROS 6.1. Introduccin556.2. Etapas en el revenido de los aceros556.3. Efecto de los elementos de aleacin576.4. Propiedades mecnicas de los aceros templados y revenidos576.5.Estimacin de la dureza de un acero templado y revenido606.6. Fragilizacin durante el tratamiento de revenido647. TRATAMIENTOS TERMICOS 7.1. Introduccin677.2. Etapas 'en los tratamientos trmicos677.3. Tratamientos trmicos fundamentales697.4. Tratamientos isotrmicos757.5. Tratamiento intercrtico787.6. Tratamientos termomecnicos798. TRATAMIENTOS SUPERFICIALES 8.1. Temple superficial838.2. Cementacin o carburacin878.3. Nitruracin948.4. Carboni truracin969. ACEROS DE CONSTRUCCION 9.1. Tipos de aceros999.2. Aceros al carbono1009.3. Aceros dulces1039.4. Aceros microaleados1079.5. Aceros de gran resistencia12310. ACEROS DE HERRAMIENTA 10.1. Introduccin13110.2. Aceros para trabajos en fro13210.3. Aceros para trabajos en caliente14210.4. Aceros de corte rpido144 6. iii11. ACEROS INOXIDABLES 11.1. Introduccin15311.2. Aceros inoxidables martensticos..15711.3. Aceros inoxidables ferrticos..16011.4. Aceros inoxidables austenticos..16411.5. Aceros inoxidables dplex..17111.6. Aceros inoxidables endurecibles por precipitacin..17612. FUNDICIONES DE HIERRO 12.1. Introduccin17912.2. Fundiciones blancas18112.3. Fundiciones grises18712.5. Fundiciones dctiles o nodulares19412.6. Fundiciones maleables199BIBLIOGRAFlAANEXO 1........................................................................................... 201203 7. iv 8. Captulo 1. Fases y estructuras1. FASES Y ESTRUCTURAS 1.1. Introduccin Los aceros y las fundiciones de hierro constituyen con gran diferencia el grupo de materiales metlicos industrialmente ms utilizado, ya que se pueden fabricar en grandes cantidades y con costes relativamente bajos. Adems, sus propiedades en general y las mecnicas en particular abarcan un intervalo muy amplio, que van desde productos con resistencias moderadas (200-300 MPa) y ductilidades altas hasta aquellos otros caracterizados por una de las resistencias mecnicas mayores en la gama de las aleaciones metlicas (2000 MPa). Los aceros y las fundiciones de hierro son materiales basados en las aleaciones de hierro y carbono, a las que tambin se adicionan otros elementos de aleacin, con el propsito, muchas veces, de endurecerlos, ya que el metal hierro policristalino con una muy alta pureza (60 ppm de impurezas) es un material muy blando: su lmite elstico ronda los 150 MPa.1.2. Constituyentes alotrpicos del hierro Al enfriar una muestra de hierro puro desde el estado lquido experimenta una serie de transformaciones que se manifiestan ntidamente con tcnicas trmicas y dilatomtricas (desprendimientos de calor y variaciones dimensionales respectivamente). Al calentar la misma muestra se inducen idnticas transformaciones en sentido inverso, aunque ahora las mismas tienen lugar a unas temperaturas ligeramente superiores (histresis trmica), que a su vez son funcin de las velocidades de calentamiento y enfriamiento utilizadas. Al enfriar una muestra de hierro puro desde el estado lquido, su solidificacin tiene lugar a 1538C y la estructura cristalina que se forma es cbica centrada en el cuerpo (BCC, a= 2.93),es el hierroEl hierroes estable hasta que se alcanza latemperatura de 1394C, temperatura a la que se transforma en hierro y, de estructura cbica centrada en las caras (FCC, a = 3.65). Finalmente a los 912C, el hierro y se transforma en hierro a, de estructura cbica centrada en el cuerpo (BCC, a=2.9). Alcontinuar el enfriamiento hasta temperatura ambiente, la nica transformacin perceptible es que el hierro se vuelve magntico por debajo de 770C (temperatura de Curie). La Figura 1.1 muestra los citados cambios alotrpicos en un registro del volumen atmico del hierro en funcin de la temperatura. Debe destacarse que todas 9. 2Captulo 1. Fases y estructurasestas transformaciones aparecen acompaadas de cambios volumtricos. Por ejemplo, la transformacin en el enfriamiento del hierro y en hierro a produce un aumento de volumen, que da lugar a la aparicin de tensiones internas: Celda de hierro y: 4 tomos de hierro, V = (3.65)3 Celda de hierro a: 2 tomos de hierro, V = (2.9)3VIV = 2 (2.9)3 - (3.65)3 I (3.65)3= +0.3% El parmetro de la red del hierro a a temperatura ambiente es 2.86.126124122E120118400800 Temperalure (e)12001600Figura 1.1El conocimiento preciso de las celdas unidad del hierro a y del hierro y es importante de cara a justificar la solubilidad de los elementos intersticiales, principalmente carbono y nitrgeno, en ambas fases, su difusividad y tambin en la capacidad de deformacin plstica de ambas estructuras. La Figura 1.2 muestra la disposicin atmica de los tomos de hierro en las dos fases alotrpicas. Debe hacerse notar que la estructura FCC es ms compacta que la BCC. Por otro lado, los intersticios mayores de la estructura BCC son los que ocupan las posiciones tetradricas y los segundos ms grandes son los que ocupan las posiciones octadricas (octaedro achatado verticalmente), que ocupan los centros de las caras y los centros de las aristas del cubo. Por otro lado, es interesante 10. 3Captulo 1. Fases y estructurasremarcar que la estructura del hierro y (FCC), si bien es ms compacta, presenta intersticios mayores que la del hierro a (BCC). Los intersticios mayores en el hierro y ocupan posiciones octadricas, existiendo tambin intersticios tetrdricos ms pequeos. La Tabla 1.1 da cuenta del tamao de las mayores esferas que se ajustaran al tamao de los intersticios de las estructuras FCC y BCC. (a)Metal atoms(b)o Octahedral interslcesMetal atomso Tetrahedral interslceso (a) (b) Metal atomsMetal atoms o Tetrahedral interslceso Octahedral intersticesFigura 1.2EstructuraHuecoRadioBCCtetradrico0.29r0.35BCCoctadrico0.15 r0.19FCCtetrdrico0.23 r0.28FCCoctadrico0.41 r.0.52r = radIo atmIco Tabla 1.1Radio en el hierro, 11. Captulo 1. Fases y estructuras4En las aleaciones del hierro con otros elementos distinguiremos entre los elementos intersticiales y los sustitucionales. Carbono y nitrgeno constituyen los denominados elementos intersticiales (tambin lo son el boro, oxgeno y el hidrgeno) ya que son tomos lo suficientemente pequeos en relacin al tomo de hierro como para introducirse en su estructuras ocupando sus huecos internos. Por el contrario, los dems elementos, tambin presentes normalmente en los aceros como el manganeso, silicio, cromo, etc., tienen tamaos atmicos mucho mayores y forman con el hierro soluciones slidas de sustitucin. De cualquier manera, la Tabla 1.2 refleja que incluso los elementos ms pequeos ocupan un volumen mayor que los propios intersticios, de modo que cuando se incorporan a la red del hierro generan una distorsin en la misma.Elemento HierroRadio Atmico (A) 1.26B0.94C0.77N0.72O0.6H0.46 Tabla 1.2De este modo, la solubilidad del carbono y nitrgeno en el hierro y es mayor que en el hierro a, al ser mayores sus intersticios, tal y como se refleja en la Tabla 1.3. En la misma Tabla se puede apreciar que ambas solubilidades son extremadamente bajas a temperatura ambiente, siendo muy inferiores al contenido de estos elementos en los aceros industriales, por lo que a temperatura ambiente se encontrarn en formas precipitadas, carburos y nitruros, respectivamente. Otra diferencia importante a tener en cuenta entre las diferentes estructuras del hierro es su difusividad. La difusin de cualquier elemento es mucho ms rpida en el hierro (estructura ms abierta) que en el hierro y (estructura ms compacta). Por otro lado, tambin la difusividad es siempre mucho ms rpida en el caso de los movimientos de los tomos intersticiales que en el de los tomos sustitucionales, como se aprecia en la Tabla 1.4. 12. 5Captulo 1. Fases y estructurasTemperatura (oC)Solubilidad (% peso)C en hierro y11502.1C en hierro y7270.77C en hierro a7230.02C en hierro a20 3023023820196Figura 6.5600500> 400300200Figura 6.6 69. Captulo 6. Revelido de los aceros62tratamiento de revenido, sin embargo, los cambios estructurales que ocurren durante el revenido de los aceros son fenmenos activados trmicamente en los que la difusin juega un papel prredominante y, consecuentemente, el tiempo es igualmente una variable fundamental, de modo que una temperatura alta mantenida durante un tiempo corto es equivalente a una temperatura ms baja mantenida durante un tiempo mayor. Se suele utilizar normalmente el parmetro de Hollomon-Jaffe para valorar el efecto conjunto de la temperatura y el tiempo sobre el tratamiento de revenido: T (20 + log t) 10'3, (K, horas) Este parmetro debe ser empleado con precaucin en aquellos aceros en los que existe endurecimiento secundario, ya que ste solo tiene lugar en una determinada gama de temperaturas.500__o0.2__0.6 CA AGON.Figura 6.70.8.0 70. 63Captulo 6. ReveIdo de los acerosv p.e,20, ,c,--, 0.,0.15 O.,O.SECfect of on the hardness ol pered al 400'F (204'C) Cor 1 h.,tem--,-010.022s.o o.,,OSEffect oC on the hardnes8 o mnrtensite tempered al 900'F (482'C) Cor 1 h...vo o.,-/-o.,"v 121,Erreel oC elements on 500'F (260'C) Cor 1 h.peredhardneBs of marlenBlle lem-1",,o- .os2",Elleel oC elementB on lhe hBrdneBs oC martenBite tempered al lOOO'F (538'C) 1vlOI30o..-II -100F"/.0ECfect oC elements on al GOO'F (3IG'C) lor 1 h.70hnrdness o[/ //e,, '0,30s,-o 3010_oo,0.1,.,O.0.21.'0,5Ef[ect of elements on the hardness o[ martensite tempered at llOOF (592C) for 1 h.." "'EHeel oC elemenls on the hardneBB oC marlenBile lempered al 700'F (371'C) Cor 1 h.o 11oV100oo eaoo e, /, ,Vv/,o/o yo1s,oIo, ,0_ o. }-/IoI0.020.2o,,ELEMENT,Effect of elements on the hardness o[ martensite tempered at 1200'F (649'C) for 1Elleet oC on lhe hBrdness oC marlenslle lempered al 800'F (427'C) Cor 1 h.Figura 6.8 71. 64Captulo 6. Revenido de los aceroslOO-'0oIo o Io/po o o o o 0.02-V0.050.1V /0.15 0.2e, S,-o.SELEMENT,Effecl of elemenls on the hardness of martensite tempered al 1300'F (704'C) for 1 h.Figura 6.86.6. Fragilizacin durante el tratamiento de revenido Siendo el tratamiento de revenido un tratamiento trmico cuya finalidad principal es aumentar la tenacidad del acero templado, resulta imprescindible conocer los diferentes fenmenos de fragilizacin que el tratamiento puede acarrear. La fragilizacin que puede tener lugar durante el tratamiento de revenido se concreta en un aumento significativo de la temperatura de transicin del acero medida en ensayos de impacto. La Figura 6.9 muestra el citado efecto en dos aceros distintos (A y B). El acero A es ms tenaz ya que su temperatura de transicin en su estado normal (sin fragilizar) es inferior a la del acero B. Si suponemos que un fenmeno fragilizador cualquiera modifica la temperatura de transicin de estos aceros una cantidad idntica (se mueven hacia temperaturas superiores), el efecto que se observara en la tenacidad al impacto medida a temperatura ambiente del acero B sera muy importante y, por el contrario, este efecto sera apenas apreciable en el caso del acero A. Sin embargo a -SOC el efecto fragilizador se manifestara en toda su intensidad en el acero A. Es decir que, a veces, los resultados de la tenacidad al impacto obtenidos solo a temperatura ambiente no nos permitirn observar estos fenmenos de fragilizacin en toda su nitidez.6.6.1. Fragilidad a los revenidos bajos (3S0C) Esta fragilizacin tiene lugar entre 260 y 370C Yes mxima en torno a 3S0C (vase la Figura 6.2). Esta fragilizacin se justifica en virtud de la formacin de morfologas inapropiadas de cementita, que proceden de la transformacin de finas lminas de austenita retenida que existen entre las placas de martensita (etapa 2 del revenido). De 72. 65Captulo 6. Revenido de los aceroseste modo, la aparicin de placas finas de cementita procedente de la descomposicin de pequeas fracciones de austenita no transformada en el temple previo se considera actualmente la causa principal de la prdida de tenacidad que tiene lugar en el entorno de los 350C, aunque tambin se ha demostrado la influencia adicional que tiene la segregacin en las juntas de grano de la austenita de elementos como el P, presentes en cantidades muy pequeas (p.e., 0.01 %) en los aceros y que da lugar, en muchas ocasiones, a fracturas de tipo intergranular. 160 140120ISteel BSteel A I10080 60 W40 20O -200-100O100200 -200-100OTesting temperature. FFigura 6.9Lanica fonna de eliminar esta fragilizacin una vez que ha aparecido es reaustenizar, templar de nuevo y realizar el revenido en una gama de temperaturas en las que estos efectos no tengan lugar.6.6.2. Fragilidad a los revenidos altos La fragilizacin que tiene lugar a los revenidos altos est motivada por la segregacin de impurezas del tipo del Sn, Sb y P en las juntas de grano de la austenita (presentes en cantidades tan pequeas como 0.01 %) Ycomo ste es un fenmeno que tiene lugar por difusin y que precisa de un cierto tiempo, esta fragilizacin se ir produciendo progresivamente con el tiempo de mantenimiento en la regin de temperaturas crticas. La Figura 6.10 muestra la variacin en la temperatura de transicin de un acero de media aleacin (AISI 3140) en funcin del tiempo de mantenimiento a las diferentes temperaturas de revenido y muestra la existencia de un tiempo mnimo para que tenga lugar la fragilizacin en torno a los 550C. La fragilizacin tambin puede ocurrir una vez realizado el tratamiento de revenido a la temperatura apropiada si se utiliza una velocidad de enfriamiento demasiado lenta. Estas fragilizaciones se caracterizan siempre por la aparicin de fracturas de tipo intergranular. 73. 66Captulo 6. Revenido de los aceros600 o550 E500c::450Tronsi lon Temperoture oc 60.o30 20E400+10O+ 10 +2035010 Embrittling Time '(Hours)Figura 6.10Una caracterstica importante de la fragilizacin a los revenidos altos es que son fenmenos reversibles, en el sentido de que una vez fragilizado un acero, es posible regenerarlo, calentndolo hasta unos 600C (sin falta de austenizarlo de nuevo) y enfrindolo a continuacin con rapidez. En este calentamiento tiene lugar la dispersin de los elementos segregados en juntas de grano. 74. Captulo 7. Tratamientos trmicos7. TRATAMIENTOS TERMICOS7.1. Introduccin Se denomina tratamiento trmico a la modificacin de la microestructura de una aleacin metlica (y a travs de ella de sus propiedades) como consecuencia de la realizacin de calentamientos y enfrimientos controlados. En el caso de los aceros, se diferencian los tratamientos trmicos que no modifican la composicin qumica del producto, que sern tratados en este captulo, de aquellos otros que incorporan nuevos elementos qumicos en el interior de las piezas tratadas y que se desarrollarn en el captulo siguiente.7.2. Etapas en los tratamientos trmicos Cualquier tratamiento trmico consta al menos de tres etapas: calentamiento, mantenimiento a temperatura constante y enfriamiento.7.2.1. Calentamiento Al calentar una pieza (redondo) de acero en el interior de un horno apropiado, el calor se transmite desde la atmsfera del horno hacia el interior de la pieza a travs de la superficie de la misma, de manera que en un instante cualquiera detectaramos la existencia de un gradiente trmico a lo largo de su dimetro: las regiones superficiales estarn ms calientes y las interiores ms fras. Estos gradientes se pueden mitigar si se utilizan velocidades de calentamiento muy lentas o bien cuando se tratan piezas muy pequeas. Por otro lado, a consecuencia de la dilatacin trmica diferencial introducida, aparecern unas tensiones internas. La magnitud de las dilataciones diferenciales (yen consecuencia de las tensionesinternas) se incrementar si el acero en el curso de su calentamiento sufre cambios estructurales. En el supuesto de una austenizacin, la transformacin de las estructuras ferrito-perlfticas en austenita tiene lugar con una disminucin de volumen, dando lugar a una contraccin de la regin perifrica cuando el ncleo de la pieza, ms fro, se est expandiendo en virtud del calentamiento, y ms adelante, cuando se alcanza una temperatura para la que tiene lugar la transformacin austentica del ncleo, ste se contrae cuando la periferia de la pieza se sigue calentando y, en consecuncia, se est expandiendo.67 75. 68Captulo 7. Tratamientos trmicosEn el caso de los aceros de uso ms general, con el fn de reducir las tensiones internas durante la fase de calentamiento, se recomienda que la duracin del calentamiento de un redondo desde temperatura ambiente hasta la temperatura de austenizacin (expresada en horas) sea igual al dimetro del redondo en pulgadas dividido por dos. Si expresamos el dimetro en mm., las horas de duracin del calentamiento saldran de dividir el dimetro del redondo por 50. Si adems la pieza a tratar tiene una superficie brillante en vez de rugosa, la transmisin de calor hacia el interior de la misma se ralentiza y en este caso habra que duplicar o triplicar la duracin del calentamiento. Habra que aumentar tambin la duracin del calentamiento cuando se quisiera tratar un acero muy aleado cuya conductividad trmica puede ser mucho menor que la de un acero al carbono.7.2.2. Mantenimiento a temperatura constante El tiempo de permanencia a alta temperatura debe ser el suficiente no solo para conseguir igualar la temperatura en toda la pieza sino tambin para lograr la mxima uniformidad estructural posible (vase apartado 2.5). En el caso de los aceros de uso ms general se recomienda mantener la temperatura (en el caso de la austenizacin) una hora por cada pulgada de dimetro de la pieza a tratar (aproximadamente una hora por cada 25 mm), siempre que sta se haya calentado al ritmo indicado en el subapartado anterior. Tambin es importante destacar que la temperatura de permanencia durante la austenizacin de los aceros ser funcin del tipo de acero a tratar. Los aceros hipoeutectoides se llevan hasta una temperatura superior a A 3 (A 3+40C por ejemplo) para lograr una austenizacin completa, mientras que, por el contrario, los' aceros hipereutectoides, con el fn de evitar los riesgos de quemado (inicio de fusin, vase el diagrama hierro-carbono), se austenizan de manera incompleta, calentndolos hasta una temperatura inferior a(A+40C, por ejemplo).7.2.3. Enfriamiento La etapa de enfriamiento es crucial siendo la que diferencia los tratamientos trmicos ms habituales y debe ser la estrictamente necesaria para conseguir las microestructuras finales objetivo de cada tratamiento. Tambin suele ser en esta etapa cuando se generan las tensiones residuales ms importantes, especialmente en el caso del tratamiento de 76. Captulo 7. Tratamientos trmicostemple, que ya se ha descrito en el captulo 4. Tambin en esta etapa el riesgo de generar altas tensiones residuales disminuye cuanto ms pequea es la pieza a tratar, ya que el gradiente trmico que existir a lo largo de su dimetro es menor.7.3. Tratamientos trmicos fundamentales Adems de los tratamientos de temple y revenido, que ya se han descrito en los captulos 4 y 6, se presentan a continuacin los tratamientos de normalizado, recocido y, ms adelante, los distintos tratamientos isotrmicos y termomecnicos.7.3.1. Recocido El trmino recocido se aplica a diferentes tratamientos trmicos cuyo objetivo principal es la obtencin de microstructuras de baja dureza y alta ductilidad. El recocido ms habitual o recocido de regeneracin o de austenizacin completa consiste en calentar el acero hasta el dominio austenftico y enfriarlo luego lentamente (normalmente en el interior del propio horno de tratamiento). Dado que la velocidad de enfriamiento es muy pequea se obtienen estructuras ferrito-perlticas groseras y, por ello, blandas y dctiles. La Figura 7.1 muestra sobre el diagrama hierro-carbono el rango de temperaturas que es necesario alcanzar para la realizacin de diferentes tratamientos trmicos. En el caso del tratamiento de recocido ("annealing"), se utilizan temperaturas ligeramente superiores a A 3 con los aceros hipoeutectoides, mientras que en el caso de los aceros hipereutectoides se emplean temperaturas justo superiores a Al' El efecto que se busca al calentar los aceros hipereutectoides hasta la regin bifsica (austenita+cementita) es el de tratar de globulizar la cementita proeutectoide, ya que si estos aceros se calientan por encima de la temperatura Acm, la cementita se formara en el enfriamiento a lo largo de las juntas de grano austenticas (vase la Figura 2.3) y el producto resultante sera excesivamente frgil. Por el contrario, cuando los aceros de alto carbono se mantienen justo por encima de la temperatura Al' se rompe progresivamente el entramado continuo de cementita, se forman as partculas de cementita separadas y luego stas globulizan, disminuyendo as el rea de las intercaras cementita/austenita (fuerza impulsora del proceso). El uso de una velocidad de enfriamiento suficientemente lenta es la otra caracterstica diferenciadora del tratamiento de recocido. En la Figura 7.2 se han representado los tratamientos de recocido y normalizado sobre las curvas TTT de un acero hipoeutectoide. Una vez que toda la austenita se ha transformado en el69 77. Captulo 7. Tratamientos tnnicos70enfriamiento en ferrita y perlita ya se puede incrementar la velocidad del enfriamiento para disminuir el tiempo total del tratamiento.ocF 2912 27321400255213002372120021921100201210001832900165280014727001292600o0.51.01.51112 2.0Carbon content in weight percentFigura 7.1I IHeating cycleICoollng cycleI NonnallzeTimeTimeFigura 7.2En la misma Figura 7.1 se ha representado tambin el rango de temperaturas habitualmente utilizadas en los tratamientos de homogeneizacin (coincide con las del 78. 71Captulo 7. Tratamientos trmicosconformado en caliente), que son un tipo de tratamientos de recocido que suelen ejecutarse antes de la laminacin en caliente o la forja de piezas moldeadas. Su propsito es uniformizar la composicin qumica del producto moldeado para lo que deben activarse los fenmenos de difusin, manteniendo el acero durante largos periodos de tiempo a temperatura muy elevada. En el curso de este tratamiento a alta temperatura, si existieran segundas fases (carburos p.e), se redisolveran en la austenita. El mximo grado de ablandamiento y ductilidad de un acero se logra a partir de microestructuras ferrticas con pequeas partculas esfricas de carburos (cementita) uniformemente distribudas. Esta es la microestructura ms estable de los aceros y se puede obtener por distintas vas. La esferoidizacin o globulizacin de la cementita se logra tras una austenizacin total o parcial, enfriando muy lentamente hasta una temperatura ligeramente inferior a Al' que debe mantenerse luego durante largos periodos de tiempo. Otra posibilidad de globulizar la cementita es realizar ciclos trmicos por encima y por debajo de Al (Figura 7.3). Los procesos de globulizacin son tanto ms rpidos cuanto ms fina es la microestructura de partida. La Figura 7.4 muestra el ritmo de esferoidizacin de un acero perltico para diferentes tamaos de la perlita de partida. La globulizacin sera an ms rpida en microestructuras bainticas y ms an en el caso de las estructuras martensticas.1100ocF 2012100018329001652800147270012926001112500932400o0.51.0Carbon content In weight pereentFigura 7.31.52.0752 79. Captulo 7. Tratamientos trmicos72100 Fine80/MediumCoerse6040- o Oplical microscopy D 5canning eleclron microscopy200400600800Time, hoursFigura 7.4La alta ductilidad de las microestructuras globulizadas es importante en el conformado en fro de los aceros hipoeutectoides, mientras que la baja dureza de los aceros hipereutectoides globulizados favorece su mecanizado. El recocido de recristalizacin es un tratamiento subcrtico (se realiza a una temperatura inferior a Al) que se ejecuta con objeto de devolverle al acero las propiedades que tena antes de haber sido deformado en fro. Como consecuencia de la deformacin plstica en fro, el acero se ha endurecido, se han multiplicado sus dislocaciones y otros defectos, aparecen bandas de deformacin y sus granos han sido estirados en la direccin de aquella. En el calentamiento del recocido, la alta energa interna de la microestuctura deformada promueve primero la restauracin (reorganizacin y eliminacin parcial de defectos cristalinos) y posteriormente la recristalizacin, en la que en virtud de procesos de difusin se nuclean y crecen nuevos granos de ferrita a expensas de los granos deformados. Los granos de ferrita recristalizados son finos y equixicos, pero prolongados mantenimientos por encima de la temperatura de recristalizacin del acero promoveran su crecimiento, impulsado por la reduccin de la energa debida a la presencia de juntas de grano. La Figura 7.5 muestra la cintica de los fenmenos de recristalizacin y la influencia de la temperatura en el caso de un acero de bajo contenido en carbono deformado en fro un 50%. Un ltimo tratamiento de recocido, tambin subcrtico, se utiliza para reducir las tensiones residuales que pueden aparecer durante la fabricacin de piezas o estructuras de acero en virtud de enfriamientos rpidos, soldaduras, deformacin en fro, operaciones de mecanizado, etc. Estas tensiones residuales se eliminan progresivamente 80. Captulo 7. Tratamientos trmicos73durante mantenimientos prolongados a temperaturas un poco inferiores a las que se utilizan en los recocidos de recristalizacin.a: 100 a: o Neo...J 1-60 a: a: 1-40z a:o.oeC-1.45 Mn-0.21 Si 50 pe! Cold Rolled20 I I...JoO>100 TOTALIMMERSIONTIME (see)Figura 7.5La Figura 7.6 muestra, a modo de ejemplo, la eliminacin de las tensiones residuales de una detenninada pieza de acero y la influencia del tiempo y de la temperatura. La Figura 7.7 muestra el proceso de eliminacin de tensiones residuales en funcin del parmetro de Hollomon-Jaffe (apartado 6.5). Las etapas tanto de calentamiento como, especialmente, de enfriamiento de estos tratamientos deben hacerse muy lentamente con objeto de evitar introducir nuevas tensiones internas de origen tnnico.ao 70MATERIAL: HY-100RELAXATION0.252neh60 .; 5.0 40 UJ VI30 20 10o2.5Figura 7.68121620 81. Captulo 7. Tratamientos tnnicos74o )(50Zo3020 10o oO272829303132TC20 + 109 t)Figura 7.77.3.2. Normalizado La finalidad del tratamiento de normalizado es tambin obtener una microestructura de ferrita (o cementita) y perlita. El normalizado de los aceros se realiza a una temperatura mayor que el recocido para lograr un austenita homognea, aunque esta temperatura es menor que la que se utiliza en la homogeneizacin ya que se pretende obtener una austenita de grano fino. Tal y como se observa en la Figura 7.2, la velocidad de enfriamiento en el normalizado es ms rpida que en el tratamiento de recocido (enfriamiento al aire, habitualmente), la transformacin de la austenita tiene lugar a una temperatura inferior y en consecuencia tanto el grano de ferrita proeutectoide coino la separacin interlaminar de la perlita se reducen, obtenindose el afino de grano del acero, que puede ser bastante basto en el caso de una pieza moldeada o de haber realizado operaciones de deformacin en caliente a alta temperatura. Este es el objetivo prinicipal del tratamiento. La fina microestructura tpica del tratamiento de normalizado da lugar a unos productos de mayor resistencia y dureza pero de algo menor ductilidad que los mismos aceros recocidos. Los aceros hipereutectoides suelen calentarse en el normalizado por encima de la temperatura Acm no solo con objeto de afinar su grano sino tambin para redisolver los aglomerados de carburos que se pudieron haber formado en etapas de procesado anteriores. De este modo, estos aceros as tratados, responden mejor a los tratamientos posteriores de recocido o de temple. 82. 75Captulo 7. Tratamientos trmicosEl tratamiento de normalizado es el que confiere sus mejores propiedades a los aceros de bajo contenido en carbono ya que debido a su baja templabilidad no resulta prctico obtener con ellos microestructuras martensticas.7.4. Tratamientos isotrmicos Como su propio nombre indica, la caracterstica ms significativa de los tratamientos isotrmicos es que en el curso del enfriamiento o durante la transformacin de la austenita se mantiene la temperatura constante durante un cierto periodo de tiempo.7.4.1. Martempering El tratamiento trmico de martempering, tambin llamado temple escalonado o temple interrumpido, es un tratamiento de endurecimiento (temple) que consiste en enfriar la pieza previamente austenizada hasta una temperatura ligeramente mayor que Ms (normalmente ISO-250C) para lo que se introduce la pieza en cuestin en un bao de sales, que se mantiene a la temperatura citada. La pieza a tratar se mantiene en el interior del bao el tiempo suficiente para uniformizar su temperatura y posteriormente se enfra al aire para obtener martensita. Segidamente es necesario realizar el correspondiente tratamiento de revenido. De este modo se logran reducir al mnimo las tensiones residuales que aparecen en la transformacin de la austenita en martensita y los riesgos de distorsiones y agrietamientos (vase apartado 4.4).Tempered martensile Time-Figura 7.8 83. Captulo 7. Tratamientos trmicosLa Figura 7.8 muestra el tratamiento de martempering junto a las curvas TTT del acero.El relati vamente lento enfriamiento final al aire tambin es importante para reducir las tensiones de temple. Es importante destacar que la microestructura final del tratamiento de martempering es 100% martensita, por lo que este tratamiento solo se puede realizar sobre piezas pequeas y aceros de alta templabilidad, ya que de otro modo, en virtud de la baja severidad del medio de temple empleado y de la necesidad de mantener la temperatura isotrmicamente antes de que la transformacin martenstica tenga lugar, se formaran microestructuras ferrito-perlticas o bainticas antes de iniciar al enfriamiento final al aire. Un efecto parecido, aunque menos eficaz, que el que se busca con el tratamiento de martempering se logra con el temple en dos baos. Este procedimiento consiste en enfriar enrgicamente la pieza austenizada sumergindola en un bao de agua o aceite con objeto de evitar las transformaciones perlticas y seguidamente, cuando la pieza an se encuentra a una temperatura superior a M., se transfiere a un medio de enfriamiento menos severo (aceite o aire) con el fn de que la transformacin de la austenita en martensita tenga lugar de un modo ms lento y reducir las tensiones residuales de temple.7.4.2. Austemperizado o temple baintico austemperizado es otro tratamiento de endurecimiento diseado tambin para reducir las tensiones internas y los riesgos de agrietamiento en el temple de los aceros de alto carbono. En este caso el objeto del tratamiento es obtener una microestructura baintica en lugar de martensita, para lo que la pieza a tratar se transfiere desde el horno de austenizado hasta un segundo horno donde se introduce la pieza en un bao de sales y se mantiene isotrmicamente a una temperatura superior a Ms (normalmente 240400C) hasta que se completa la transformacin de la austenita en bainita. Este tratamiento no precisa revenido posterior. Como se observa en la Figura 7.9, que refleja el ciclo trmico de austemperizado, se consigue la uniformizacin trmica de la pieza antes del inicio de la transformacin, lo que minimiza la aparicin de tensiones durante el tratamiento. El tratamiento de austemperizado tiene las mismas limitaciones ya apuntadas para el martempering, ya que solo se puede aplicar a aceros con una alta templabilidad, y adems en estos casos la templabilidad baintica tambin ser alta, por lo que ser76 84. 77Captulo 7. Tratamientos tnnicosnecesario un tiempo muy largo para lograr completar la transformacin durante el mantenimiento isotrmico.TFigura 7.9Una ventaja aadida de este tratamiento en comparacin con el de temple y revenido es la posibilidad de obtener mayores valores de la tenacidad a igualdad de dureza. La Figura 7.10 muestra en la prctica esta afirmacin al comparar la tenacidad al impacto de un mismo acero, templado y revenido por un lado y austemperizado por otro, hasta niveles semejantes de dureza. Roo diam, 0,1eO in 0.74% 0,37% Mn Si 0.145% S 0.039% P 0.044% Each plotted point represenls lhe average of several testse4030 elQuenchandlemper melho20 o10O404550Rockwell5560e hardnessFigura 7.1065 85. 78Captulo 7. Tratamientos tnnicos7.4.3. Patenting O patentado Este ltimo tratamiento isotrmico se realiza introduciendo la pieza, previamente austenizada, en un bao de sales que se mantiene isotrmicamente en la regin de la nariz perltica (normalmente 510-540C), hasta que se completa la transformacin de la austenita en perlita fina (Figura 7.11). Es un tratamiento tpicamente utilizado en la fabricacin de alambres de alto carbono de muy alta resistencia mecnica, ya que la microestructura de perlita fina es ideal, en virtud de su alta ductilidad, para el trefilado del alambre, para as lograr un fuerte endurecimiento por deformacin plstica en fro.Figura 7.117.S. Tratamiento intercrtico Los tratamientos intercrticos que se utilizan con aceros de bajo contenido en carbono se basan en calentar el acero hasta alcanzar la regin bifsica donde coexisten la ferrita y la austenita. De acuerdo con la Figura 7.12, a medida que se aumenta la temperatura del tratamiento se incrementa la proporcin de austenita, que puede deducirse con exactitud utilizando la regla de la palanca. Cuando un acero de bajo contenido en carbono se calienta hasta la regin intercrtica y luego se enfra rpidamente, la austenita se convierte en rnartensita y la rnicroestructura final resultante es una mezcla de ferrita, con una alta densidad de dislocaciones, y 86. 79Captulo 7. Tratamientos tnnicosmartensita (en ocasiones tambin aparece una pequea proporcin de austenita retenida). Se necesita utilizar un medio de enfriamiento muy severo (agua) para formar martensita en los aceros menos templables pero, sin embargo, basta un enfriamiento al aire para lograr transfonnar la austenita en martensita en los aceros que presentan una cierta templabilidad, ya que aunque se utilicen aceros de bajo carbono, el tratamiento intercrtico genera una austenita con un contenido en carbono muy superior al medio del acero, tanto mayor cuanto menor es la temperatura del tratamiento (vase de nuevo la Figura 7.12), y en consecuencia su templabilidad tambin es mayor. Estos productos tambin denominados aceros de fase dual unen una alta resistencia mecnica, promovida por la presencia de martensita, con una buena ductilidad, conferida por la ferrita. 140 1060980 alc. E900820 740 660oc7270.10.30.50.70.91131.51.7Weighl pereenl earbonFigura 7.127.6. Tratamientos termomecnicos Se denominan tratamientos tennomecnicos a aquellos procesos que combinan procesos de confonnado por defonnacin plstica con tratamientos tnnicos, con la finalidad de producir detenninadas microestructuras con propiedades mejoradas en relacin a las que se obtienen con los tratamientos convencionales. El proceso denominado ausforming consiste en la defonnacin plstica de la austenita en la regin metaestable que en algunos aceros existe entre sus curvas de transfonnacin perlfticas y bainticas (habitualmente en tomo a SOO-600C, Figura 7.13, LTMT). El acero, una vez defonnado, se transforma en martensita por temple y luego se 87. 80Captulo 7. Tratamientos trmicosrealiza un revenido apropiado para lograr las propiedades finales requeridas. La aplicacin de este tratamiento a determinados grados de acero les proporciona unas caractersticas mecnicas muy superiores a las que se logran por temple y revenido. Stable austeniteCeMetastable austeniteMseLTMT(a)Slable auslenileA3------A,-_Melaslable auslenile(b)Slable ausleniteA3 A1-----------Metaslable auslenile Isoforming( Ms (e)TimeFigura 7.13La temperatura a la que se ejecuta la deformacin plstica de la austenita debe ser suficientemente baja para que no tengan lugar fenmenos de restauracin ni de recristalizacin. Por ello, la resistencia mecnica del acero aumenta al disminuir esta temperatura debido principalmente a la mayor capacidad de endurecimeinto de la austenita (fuerte incremento de la densidad de dislocaciones). La resistencia mecnica 88. Captulo 7. Tratamientos tnnicosdel producto final aumenta tambin proporcionalmente con el grado de deformacin conferido. La temperatura de ausforming debe tambin seleccionarse de manera que se pueda realizar la deformacin de la austenita sin que en ningun momento se inicie su transfonnacin. Los procesos termomecnicos realizados a alta temperatura en la regin de estabilidad de la austenita (HTMT, Figura 7.13) pueden realizarse, a diferencia de los procesos de ausforming, con cualquier grado de acero. El propsito fundamental de la deformacin es obtener un grano de austenita muy fino, lo que se logra de un modo ms eficiente si se conforma el acero por debajo de la temperatura de recristalizacin de la austenita (aceros microaleados). La austenita, una vez deformada, se transforma en microestructuras ferrito-perlticas, bainticas o martensticas, dependiendo de la velocidad de enfriamiento utilizada y de la templabilidad del acero. Finalmente, el proceso de isoforming consiste en deformar plsticamente la austenita en su regin metaestable y continuar la deformacin hasta que la austenita se transforma totalmente a la temperatura a la que se lleva a cabo la deformacin (normalmente este tratamiento se lleva a cabo en la regin de la nariz perltica, Figura 7.13). La realizacin de una fuerte deformacin plstica antes de que se inicie la transformacin de la asutenita en perlita y durante la misma, origina una microestructura final con un grano ferrtico muy fino y partculas de cementita globulares uniformemente repartidas y da lugar a un producto con una buena resistencia mecnica y muy alta tenacidad.81 89. Captulo 7. Tratamientos trmicos82 90. Captulo 8. Tratamientos superficiales8. TRATAMIENTOS SUPERFICIALESExisten muchas aplicaciones prcticas en las que las acciones ms severas actan durante el servico normal sobre la superficie de los diversos elementos mecnicos. Ante estas situaciones, los tratamientos superficiales son aquellos tratamientos trmicos que se utilizan para endurecer la superficie de las piezas de acero con el fn de mejorar su resistencia a la fatiga y/o al desgaste, dejando sin alterar el resto de la pieza. Existen dos formas diferentes de actuacin: a) realizacin de tratamientos de temple superficial. b) modificar la composicin qumica de la superficie de la pieza introduciendo algun elemento endurecedor (normalmente carbono y/o nitrgeno) En ambos casos el propsito ltimo es conseguir una superficie muy dura y al mismo tiempo mantener un ncleo dctil y tenaz.8.1. Temple superficial 8.1.1. Temple a la llama El endurecimiento superficial a la llama se genera austenizando la superficie de la pieza de acero por calentamiento con una llama formada en la combustin de un gas (acetileno, propano, gas natural, etc.) con oxgeno o aire, seguido de un temple que se realiza por inmersin en un bao de agua o por rociado con agua. Si se utilizan tiempos cortos de calentamiento (10-20 segundos), se impide que el calor se transmita por conduccin al interior de la pieza; resulta as una superfice dura martenstica mientras que en el interior de la pieza permanece la microestructura ferrito-perltica previa, sin alterar. Existen diferentes formas de aplicar prcticamente esta tcnica de endurecimiento. Se puede aplicar la llama directamente sobre la zona de la pieza a tratar mantenindola el tiempo suficiente para conseguir la penetracin de temple requerida o bien se puede mover la llama a velocidad constante a lo largo de la pieza a tratar, mientras sta se mantiene estacionaria o, por el contrario, es la pieza la que se mueve y la llama permanece fija. La Figura 8.1 expone la forma de llevar a cabo el endurecimiento superficial de un engranaje diente a diente y la Figura 8.2 muestra el ritmo de calentamiento de puntos situados a diferente profundidad (1.3, 2.5 Y 5.1 mm) al ser calentados de manera estacionaria con diferentes tipos de llama.83 91. Captulo 8. Tratamientos superficiales84Hardness patternWarkpieceFigura 8.1 ZOOOSpot hardening of a rocker arm pad 3000Propane5.1 mm1.3mm1500ZOOOa.ENatural gas 1.3 mm Z.5mm 5.1 mm 1000500O5101520Time, sFigura 8.2La profundidad de la capa templada depender tambin de la velocidad de movimiento de la llama: a menor velocidad daremos ms tiempo para que la regin superficial de la pieza se caliente y el espesor de la capa austenizada ser mayor. La Figura 8.3 muestra los gradientes de dureza obtenidos tras el temple a la llama de un acero al carbono 1050 en funcin de la velocidad de translacin de aquella. Normalmente se pueden conseguir profundidades de capa endurecida entre 0.8 y 6.5 mm. 92. 85Captulo 8. Tratamientos superficialesDstance from surface, mm 963706050403020Inches (mm) per minute- 5.0 (127)4.5 (114)3.5 3.0 (89) (76)1.5 (38)10 O0.2400.1200.360Dstance from surface,nchFigura 8.3Por otro lado, al templar a la llama cualquier pieza, el incremento de volumen asociado a la transformacin martensitica superficial generar unas tensiones residuales de compresin en periferia y de traccin en el ncleo que, en principio, sern beneficiosas de cara al comportamiento a la fatiga del material. Despus del temple superficial la pieza debe revenirse a baja temperatura (175-200C) con objeto de suavizar las tensiones residuales generadas, sin una merma apreciable de dureza.8.1.2. Temple por induccin El temple superficial por induccin es un mtodo de endurecimiento muy verstil que tambin se aplica para realizar tratamientos de revenido localizados. El calentamiento local de la pieza de acero a tratar se logra colocando sta en el campo magntico generado en un inductor (normalmente una bobina de cobre refrigerada internamente con agua) al hacer pasar una corriente alterna de alta frecuencia. El campo magntico alterno generado por el inductor induce en el acero una corriente elctrica y la pieza se calienta por efecto Joule (H=R es la resistencia elctrica del acero). LaFigura 8.4 presenta diferentes modelos de bobinas de induccin utilizadas industrialmente para tratar superficialmente piezas y zonas de diferente geometra. La profundidad del calentamiento se controla no solo con el tiempo de aplicacin del calor (conduccin a travs del acero) sino tambin con la frecuencia de la corriente que 93. 86Captulo 8. Tratamientos supeIficialesse hace pasar por el inductor y la densidad de potencia aplicada. A mayores frecuencias el calentamiento es menos profundo (500 kHz para espesores de 0.4-2 mm), mientras que para conseguir grandes penetraciones de temple es preciso emplear corrientes de baja frecuencia (1 kHz para obtener capas de 5-9 mm). Por otro lado, se utilizan densidades de potencia altas (potencia por unidad de rea de superficie tratada), en tomo a 10-20 W/mm 2111111111/Heating patte,"Heatlng patte,"Heating patto,nle)Heating patternFigura 8.4Al igual que se proceda en el temple a la llama, una vez terminado el ciclo de calentamiento, se retira la bobina y la pieza se templa por inmersin o rocado con agua. Dado que las transformaciones que ocurren son similares a las comentadas en el subapartado anterior, tambin en este caso se genera un patrn de tensiones residuales semejante. La duracin prctica de los ciclos depor induccin es muy pequea, amenudo solo unos pocos segundos, de manera que para conseguir austenizar la superficie de la pieza, sta debe calentarse muy por encima de la temperatura Ac3 La Figura 8.5 da cuenta de la variacin de su temperatura AC3 de un acero 1042 con la velocidad de calentamiento y con la microestructura de partida (recocido, normalizado y temple+revenido). 94. 87Captulo 8, Tratamientos superficiales Rate 01 heating, 1002005001000200011001042l' I '1ACJ. annealed steel,1000I2000-Ac J normalized ,1900 1800oU- 1700900-E 1-800temperedI1600 E 1500quenched andAeJu.-1400700 50100200500100020005000Rate of heating, oC/sFigura 8.58.2. Cementacin o carburacin La cementacin es el tratamiento trmico que consiste en la introduccin de carbono enla superficie de una pieza de acero austenizada desde una atmsfera de composicin adecuada. El endurecimiento se genera al templar, a continuacin, esa capa superficial. de alto carbono. El diagrama hierro-carbono de la Figura 2.1 muestra que la mxima solubilidad del carbono en la austenita vara entre 0.77 a 727C y 2.11 a 1148C. Sin embargo, no suelen obtenerse en la cementacin contenidos en carbono superficial superiores al 1%, ya que si el contenido de carbono es demasiado alto pueden fonnarse carburos o aparecer cantidades significativas de austenita residual. Aunque la cementacin puede ejecutarse utilizando agentes cementan tes slidos, lquidos o gaseosos, hoy da, la cementacin gaseosa es la ms utilizada, ya que posibilita un control ms preciso del tratamiento. La introduccin del carbono en la austenita depende de dos procesos; por un lado, la reaccin que tiene lugar en la superficie de la pieza de acero en contacto con la atmsfera del horno, a resultas de la cual el carbono es absorbido por la austenita. El otro proceso importante que controla la profundidad de la capa endurecida es la difusin en estado slido del carbono en la austenita, que a su vez depende fundamentalmente de las variables, temperatura y tiempo. La atmsfera cementante suele ser una mezcla de gases (Ca, N2 , H 2 , CO2 , H 20) enriquecida con metano (CH4), que es propiamente el agente cementante. La reaccin de cementacin fundamental es: 2CO ------ C (disuelto en el Fe) + CO2 Se denomina potencial de carbono de la atmsfera al contenido en carbono de la austenita en equilibrio con la atmsfera. El potencial de carbono depende de la relacin 95. Captulo 8. Tratamientos supetficiales88COz/CO y de la temperatura, a partir de la constante de equilibrio de la reaccin anterior:Donde Peo Y Peo2 son las presiones parciales de estas dos especies gaseosas y ac es la actividad del carbono.actividad se toma igual a 1 cuando la austenita est saturadaen carbono (linea Acm del diagrama) y en cualquier otra situacin, la actividad del carbono en la austenita se aproxima por el cociente entre su contenido en carbono y el que produce su saturacin a la temperatura del tratamiento (c/cs)' La constante K depende de la temperatura (en K) segn la siguiente expresin: 10gK = - 8918/ T + 9.1148 A modo de ejemplo, los grficos de la Figura 8.6 nos permiten calcular el potencial de carbono a partir del contenido de COz y de la temperatura de una atmsfera obtenida por descomposicin de metano (20%CO) y de propano (23%CO) respectivamente. 1.6 1.21.2 0.8 0.4 0.01 0.020.05 0.10.20.5 1.0 2.05.0 0.02CO 2 vol %0.05 0.10.20.51.02.05.0CO 2 vol%Figura 8.6Una vez establecido el contenido de carbono de la superficie de la pieza de acero de la manera que se acaba de exponer, la profundidad de la capa cementada se calcula a partir de las ecuaciones de la difusin del carbono. La Figura 8.7 muestra los perfiles de distribucin de carbono de un acero cementado a 925C durante diferentes periodos de tiempo, mientras que la Figura 8.8 da cuenta del efecto de la temperatura sobre la cementacin de un mismo acero para un mismo tiempo de tratamiento (8 horas) y en la Figura 8.9 se aprecia con ms claridad la evolucin de la profundidad de la capa cementada con el tiempo de tratamiento a distintas temperaturas. Las curvas de la Figura 8.7 se obtienen resolviendo la ecuacin de la difusin siguiente: 96. 89Captulo 8. Tratamientos superficiales(c - co) / (cs - co) Cs=erfes el contenido de carbono de la superficie del acero (potencial de carbono), Co es elcontenido de carbono inicial del acero, c es el contenido en carbono de un punto situado a una distancia x de la superficie, D es el coeficiente de difusin del carbono en la austenita y erf es una funcin error que se ha graficado en la Figura 8.10. Distance, 0.001 in.o40ao120160 1700F O =Consl.1.6 1.2 e o0.4o1.0O2.03.04.05.0Distance, mmFigura 8.7 Distance. 0.001 in.2.0O40ao1201603.04.01.6 /1aOOFI!1.2e o e o1700Fo.a16OO"F/ 0.4oo1.02.0 Distance, mmFigura 8.85.0 97. 90Captulo 8. Tratamientos5.0 o 955 Oc 927 Oc 899 Oc 871C4.00.163.00.122.00.08Uu1-1.00.04____O51015 Carburizinq time, h__202530Figura 8.91.00.6 c:0.4 u0.2 O O0.51.02.0.Normallled depth below surface,----2.5 3.03.5xFigura 8.10El coeficiente de difusin D, aunque vara con la composicin del acero y con la concentracin de carbono en la austenita, se puede estimar de forma aproximada a partir de la expresin: D = 0.12 exp (-32.000/RT) cm2/s En estos tratamientos trmicos resulta prctico definir los conceptos de capa cementada y de capa dura. Se denomina capa cementada a la profundidad de la pieza que tras el tratamiento de cementacin presenta un contenido en carbono superior al del acero base, mientras que capa dura es un trmino ms prctico, que corresponde a la profundidad de la pieza cuya dureza tras el temple es superior a 50HRC (es decir, su contenido en carbon es mayor que 0.3-0.4%, Figura 5.10). 98. Captulo 8. Tratamientos superficiales918.2.1. Aceros para cementar El objetivo de la cementacin es lograr una capa superficial martenstica de alto carbono y por lo tanto con una alta dureza, resistencia a la fatiga y al desgaste, manteniendo un ncleo tenaz con un bajo contenido en carbono. Por esta razn los aceros de cementacin tienen contenidos de carbono en torno a 0.2%. Cuando se cementa un acero muy poco aleado (baja templabilidad), la microestructura del ncleo tras la cementacin y el temple directo subsiguiente ser fenito-perlftica. Sin embargo, en muchas aplicaciones se requiere un ncleo con una resistencia mecnica superior, en cuyo caso es necesario emplear un acero de mayor templabilidad con el fin de que el ncleo se transforme en el temple, al menos parcialmente, en martensita. La Tabla 8.1 muestra las composiciones qumicas tpicas junto con sus tamaos de grano y templabilidad(DCI) de distintos aceros de cementacin. La templabilidad de estos aceros se regula con su contenido en niquel, cromo y molibdeno. Group I SAE 8620 EX24Composition, wt %: 0.20 Carbon ....... 0.20 0.89 Manganese .... 0.88 0.34 Silicon ........ 0.34 Phosphorus .... 0.015(a) 0.015(a) 0.02(a) Silicon ........ 0.47 0.02(a) 0.21 0.53 Chromium .... 0.51 0.08(a) Molybdenum " 0.26 Nickel ...... " NA(b) Aluminum ..... 0.08(a)Group 11 5AE 4320 EX291.7 432.0 510.21 0.58 0.33 0.015(a) 0.02(a) 0.52 0.26 1.76 0.08(a)0.22 0.58 0.54 0.021 0.027 0.64 0.31 1.56 0.0439V20.20 0.87 0.34 0.015(a) 0.02(a) 0.48 0.34 0.54 0.08(a)ASTM grain size .. DI hardenability: Inches . , ...... 1.6 Millimeters. . .. 41 (a) Amount added. (b) NAGroup III 5AE 4817 5AE 4820j7V21.9 483.0 760.17 0.54 0.33 0.015(a) 0.02(a) NA(b) 0.27 3.56 0.08(a)9V2 2.5 63EX320.19 0.60 0.28 0.016 0.02 NA(b) 0.27 3.48 0.0750.19 0.82 0.27 0.017 0.02 0.53 0.52 0.80 0.0829V2I Group IV EX5592.7 693.3 840.17 0.87 0.28 0.015(a) 0.02(a) 0.49 0.74 1.84 0.08(a)4.7 120= none added. Tabla 8.1De cualquier manera el uso de los aceros ms aleados no est exento de problemas, el principal de los cuales es la posible aparicin de cantidades significativas de austenita retenida tras el temple directo (menor dureza de la capa cementada) debido tanto al efecto de los elementos de aleacin sobre la temperatura Ms como al uso de unas temperaturas de austenizacin en la cementacin bastante altas (crecimiento del grano austentico y estabilizacin de esta fase). En estos casos deben utilizarse tratamientos trmicos posteriores a la cementacin. Un tratamiento muy utilizado consiste en recalentar el acero justo por encima de su temperatura A 3 , para afinar el grano de 99. 92Captulo 8. Tratamientos supetficialesaustenita, que podra haber crecido bastante durante la cementacin, y efectuar un temple. De cualquier manera, la temperatura A3 de un acero con un contenido aproximado de carbono en tomo a 0.2% es demasiado alta para tratar la periferia del producto, cuyo contenido en carbono se sita entre 0.8 y 1% (Vase Figura 2.1), por lo que resultara ms apropiado realizar un doble tratamiento de temple, procediendo primero al temple de la regin ms interna (afino del grano del ncleo) y, posteriormente, se refina el grano de la periferia, calentando la pieza justo por encima de Al y volviendo a templar. La Figura 8.11 muestra las curvas de fatiga de un acero de cementacin tras temple directo, tratamiento simple y tratamiento doble.Double reheal300E 200 E oDirecl quenchoO100 10 310 510 7Cycles lo failureFigura 8.11En cualquier caso, despus de la cementacin o de los tratamientos posteriores, debe realizarse un revenido, normalmente a temperaturas comprendidas entre 150 y 450C con objeto bien de relajar parcialmente las tensiones residuales generadas en el tratamiento o de conferir una cierta tenacidad al producto final. Adems de los cambios microestructurales introducidos en el proceso completo de cementacin, tambin se desarrolla un patrn tensiones residuales tras el temple, que 100. 93Captulo 8. Tratamientos supeicialesafecta favorablemente al comportamiento a fatiga del producto. En virtud del gradiente de carbono que presenta la pieza cementada (Figuras 8.7 y 8.8), el valor mnimo de la temperatura Ms ocurre en la periferia, de modo que esta regin es la ltima en transformarse en el temple y el aumento de volumen que implica su transformacin en martensita genera unas tensiones residuales, que sern de compresin en las zonas ms perifricas, compensndose con la aparicin de tensiones de traccin en la regin del ncleo. La Figura 8.12 muestra el patrn tpico de tensiones residuales de una pieza cementada, templada y revenida, comparado con el de un tratamiento de temple y revenido convencional.II +500Measured+400-+300Uncarburized. quenched and tempered.+200I -- Estimated--+100e o-1II1oe-100-2001111111ICarburized. quenched, and tempered-300 -400 4 mmComposition of base steel: 0.26 C, 1.08 Mn, 0.93 Cr, 0.15 Ni, 0.3 Mo, 0.06 Ti, 0.024 S, 0.013PHeat treatments: Gas carburize 930-940 oC, quench from 840-850 oC, temper 1 h at 180-200 oCSpecimen dimensions: 110 mm long, 15 mm wide, 4 mm thickFigura 8.128.2.2. Descarburacin De la misma manera que una determinada atmsfera posibilita la carburacin de un acero a alta temperatura, otra atmsfera podra producir el efecto contrario 101. 94Captulo 8. Tratamientos superficiales(descarburacin) y el carbono saldra desde la superficie de la pieza para incorporarse a la atmsfera, de acuerdo con la reaccin: C (disuelto en el Fe) + CO2---------2 CONtese que se trata de la misma reaccin expuesta en la descripcin del fenmeno de la cementacin, pero operando en el sentido opuesto. Si el contenido en CO 2 de la atmsfera sobrepasa la presin parcial requerida para mantener en equilibrio el contenido en carbono del acero, la reaccin que se acaba de presentar proceder en el sentido indicado y el carbono del acero se incorporar a la atmsfera hasta que se alcance el equilibrio. Los riesgos de descarburacin son entonces mayores en los aceros de mayor contenido en carbono. Para el tratamiento trmico de los aceros deben utilizarse hornos provistos de atmsferas protectoras adecuadas, especialmente cuando se realizan tratamientos prolongados a altas temperaturas, con el fn de evitar la descarburacin superficial, que a su vez impedira alcanzar una alta dureza superficial.8.3. Nitruracin La nitruracin es un tratamiento en el que se endurece la superficie del acero mediante la introduccin de nitrgeno. La nitruracin gaseosa se lleva a cabo en un horno de tratamiento, en virtud de la disociacin de una atmsfera rica en amonaco, segn la reaccin: NH3-------N + 3HEl nitrgeno atmico resultante es absorbido por la superficie del acero y difunde hacia el interior de la pieza. Existen dos puntos fundamentales que diferencian la cementacin de la nitruracin. En primer lugar, la nitruracin se realiza en el dominio ferrtico. Se trata de un tratamiento que se ejecuta a una temperatura muy inferior (SOO-S60C), es decir no requiere ni austenizar, ni templar luego la pieza, de manera que en el tratamiento de nitruracin no hay peligro de sobrecalentamientos ni de distorsiones sino que se mantiene un control dimensional excelente. Los aceros se templan y revienen antes de proceder a su nitruracin y la temperatura de revenido debe ser mayor que la que luego se utilizar en la nitruracin para que el ncleo de la pieza no resulte afectado por el tratamiento superficial. En segundo lugar, el endurecimiento superficial no se debe a la formacin de una solucin slida del nitrgeno en la ferrita (la ferrita admite muy poco nitrgeno en solucin slida, vase Tabla 1.3), sino a la formacin de nitruros submicroscpicos 102. 95Captulo 8. Tratamientos superficialesformados en virtud de la alta afinidad del nitrgeno con determinados elementos qumicos, como el alumnio, cromo, vanadio y molibdeno que, lgicamente, deben estar necesariamente presentes en la composicin qumica del acero para poder plantearse la realizacin de este tratamiento superficial. Estos nitruros son fases muy duras y su precipi tacin tiene lugar con un aumento de volumen, que genera la aparicin de tensiones residuales locales de compresin. Como se observa en la Figura 8.13, que presenta el diagrama de equilibrio del hierro con el nitrgeno, el nitrgeno es un elemento fuertemente gammgeno, al ampliar el campo de estabilidad de la austenita hasta 592C para contenidos del 2.4% de nitrgeno (punto eutectoide). Ntese tambin la existencia de dos nitruros Fe4N (y') y Fe2N para contenidos en nitrgeno del 6 y 11% aproximadamente, que son fases duras y frgiles. oAtomic Percent Nitrogen 403010912C900800uo 7006000.10400o Fe468ID1214Weigh t Percen t Ni trogenFigura 8.13 Los tiempos necesarios en la prctica para la nitruracin son muy largos, entre 10 y 130 horas, dependiendo de la aplicacin, y las profundidades afectadas son muy pequeas, normalmente inferiores a 0.5 mm. Las capas nitruradas suelen ser ms duras que las capas cementadas y adems son estables hasta temperaturas similares a las que se 103. 96Captulo 8. Tratamientos superficialesutilizaron en el proceso de nitruracin. Se obtienen de este modo superficies con un excelente comportamiento al desgaste ya la fatiga. La Tabla 8.2 presenta la composicin qumica de algunos aceros normalmente utilizados en tratamientos de nitruracin. Se trata de aceros con contenidos en carbono entre 0.2 Y0.4%, aleados con elementos fonnadoresde nitruros (Al, er, Mo). Se indica igualmente en la misma tabla las temperaturas de austenizacin previa al tample y las de revenido que, como ya se apunt, debe ser superior a la del tratamietno de nitruracin. De cualquier manera, no hay razn alguna que impida realizar este tratamiento superficial sobre aceros de alto carbono, aceros inoxidables o fundiciones de hierro, siempre que posean los elementos endurecedores anteriormente citados.lempenlure(a) COJ5 0.42 0.24 OJ5SI0.55 0.55 0.55 0.80CrOJO 0.30 OJO OJO1.2 1.6 1.15 1.25AlNI3.50.20 0.38 0.25 0.201.0 1.0 1.0 1.0Se'C'F0.20955 955 900 9551750 1750 1650 1750Temperlnl tempenlure(a)'c650-6751050-1300 1050-1300 1200-1250 1050-1300Tabla 8.2 8,4. CarbonitruracinLa carbonituracin es un tratamiento trmico superficial en el que se introducen simultneamente carbono y nitrgeno en una pieza de acero austenizada. Este tratamiento se parece ms a la cementacin que a la nitruraCn, ya que como ocurra en aqul, se lleva a cabo en fase austentica y la pieza se templa inmediatamente despus del tratamiento y se reviene posteriormente a baja temperatura para lograr una alta dureza superficial. La incorporacin de carbono y nitrgeno se realiza desde una atmsfera rica en gasessuministradores de carbono junto con amonaco, que provee el nitrgeno atmico. Debido al carcter gammgeno del nitrgeno, la carboni truracin se realiza a temperaturas inferiores a las tpicas de cementacin (750-8SC), lo que unido al hecho de que la presencia de nitrgeno dificulta la difusin del carbono y los cortos tiempos normales utilizados en estos tratamientos (1-4 horas), justifica que las capas endurecidas sean poco profundas (0.1-0.75 mm). La Figura 8.14 muestra de modo general el efecto del tiempo y de la temperatura sobre la profundidad de la capa endurecida en los tratamientos de carboni truracin. 104. 97Captulo 8. Tratamientos superficiales0.75E E0.500.2510-oC O 1234Duration of carbonitriding, hFigura 8.14La presencia de nitrgeno en los aceros carbonitrurados aumenta su templabilidad y permite el temple de aceros de bajo carbono y baja aleacin. Por otro lado, la presencia de nitrgeno tambin puede tener efectos negativos (especialmente cuando la atmsfera del horno de tratamiento tiene un elevado contenido en amonaco), ya que en la superficie de la pieza puede quedar tras el temple una proporcin importante de austenita retenida, que reducira la dureza superficial del acero y su resistencia al desgaste. La Figura 8.15 muestra grficamente este punto en la carbonitruracin (790C durante 2.5 horas) de un acero 1018. Distance below surface, 0.001 in. 70o510II6015II11018 Carbonitrided h at 790 oC50 5%NH3403020Figura 8.15 Los aceros tpicamente utilizados en los tratamientos de carbonitruracin tienen composiciones similares a las de los aceros para cementacin (vase Tabla 8.1). 105. Captulo 8. Tratamientos supeIficiales98 106. Captulo 9.Aceros de construccin.9. ACEROS DE CONSTRUCCION9.1. Tipos de aceros Existen muchas formas de clasificar los aceros de uso en ingeniera pero quizs la ms til es aquella que agrupa los distintos grados de acero teniendo en cuenta principalmente sus propiedades caractersticas y, en consecuencia, su utilizacin. Desde este punto de vista se acostumbra dividir los aceros en tres grandes familias: - Aceros de construccin - Aceros de herramienta - Aceros inoxidables Los aceros de construccin, que son los que se analizarn en este captulo, son aquellas variedades que se utilizan en la fabricacin de piezas diversas y elementos de mquinas, construcciones en general e instalaciones, como elementos estructurales con capacidad para soportar las cargas y acciones mecnicas del servicio. Se trata entonces de productos en los que prima la resistencia mecnica, la tenacidad, la conformabilidad y la facilidad de fabricacin. Los aceros de herramienta se utilizan, como su propia nombre ya indica, en la fabricacin de todo tipo de herramientas destinadas a conformar, transformar, mecanizar y cortar cualquier tipo de material. En virtud de su aplicacin, estos productos requieren poseer una alta dureza, resistencia al desgaste (al menos apreciablemente mayor que la del material sobre el que trabajan), tenacidad (en ciertas ocasiones estas herramientas trabajan a base de golpes) y algunas veces, cuando estas operaciones deben realizarse a alta temperatura, tambin deben mantener todas estas propiedades a alta temperatura. Finalmente, los aceros inoxidables son todas aquellas variedades que se utilizan en contacto con ambientes agresivos (medios corrosivos variados, alta temperatura, etc.), por lo que su principal caracterstica es la de poseer una alta resistencia a la accin de estos medios. Centrndonos ya en la familia de aceros de construccin que, como ya se mencion, son productos cuya caracterstica principal es la de asegurar unas excelentes propiedades mecnicas (lmite elstico, resistencia a la traccin, alargamiento, tenacidad, resistencia a la fatiga, etc.). Se trata de aceros de bajo y/o medio contenido en carbono (normalmente %C ...JoTiFigura 9.18Otro aspecto del proceso de laminacin o forja que est fuertemente influenciado por la presencia de elementos aleantes es la temperatura de transformacin de fase Ar3 Cuando esta temperatura disminuye, la transformacin austenita-ferrita opera en un rango trmico ms bajo, la velocidad de nucleacin aumenta y el tamao ferrtico, en consecuencia, disminuye. A este respecto volvemos a recordar el efecto favorable de la adicin de elementos gammgenos como el manganeso y el empleo de enfriamientos acelerados desde la temperatura final de laminacin. La Figura 9.19, que se refiere a aceros con contenidos en carbono de 0.05-0.2%, da cuenta del aumento de la resistencia mecnica del acero al disminuir la temperatura a la que tiene lugar el 50% de la transformacin austenita-ferrita, que influye en la microestructura final obtenida (lgicamente, a medida que aumenta la resistencia, al aparecer microestructuras bainticas y martensticas, tambin disminuye la tenacidad). Las calidades de mayor resistencia mecnica, obtenidas tras temple y revenido, poseen normalmente molibdeno 127. 120Captulo 9.Aceros de construccin.y boro con el fin de aumentar la templabilidad del acero y vanadio para limitar el ablandamiento en el tratamiento de revenido.-12001050I I I900I II600.750I I I I IIFerrite +I450pearllte 300400500600700.800Transfonnatlon temperatureFigura 9.19Una ltima tcnica utilizada industrialmente en la laminacin en caliente de los aceros es la laminacin controlada dura o intensificada, que consiste en realizar la segunda fase de la laminacin (fase acabadora) nopor debajo de T ur' sino incluso por debajo deAr3 , es decir en fase (a+y). La temperatura final de laminacin se sita entonces alrededor de 700C. La combinacin de una menor temperatura de recalentamiento junto a la tambin menor temperatura de laminacin conducen a la obtencin de un tamao de austenita ms pequeo. Adems, dado que la laminacin se termina en fase (a+y), una cierta cantidad de ferrita ya transformada resulta deformada,incrementndose la densidad de dislocaciones en esta fase, lo que contribuye a lograr un mayor incremento del lmite elstico del acero. Esta tcnica de laminacin proporciona tambin una cierta textura que influye en las propiedades mecnicas finales del producto, siendo en concreto responsable del debilitamiento en la direccin del espesor de la chapa (aparicin de separaciones o descohesiones paralelas al plano de laminacin durante los ensayos mecnicos o en el servicio bajo carga). 128. Captulo 9.Aceros de construccin.121La Figura 9.20 muestra los diferentes tipos de laminacin, cuyas denominaciones se indican a continuacin, y la Figuraresume la evolucin del grano en los procesosde laminacin convencional y controlada: A - Laminacin en caliente convencional B - Laminacin controladae - Laminacin controlada intensificada D - Laminacin con control de la recristalizacin E - Laminacin controlada especial.1 -------------Rough rolling Finish rollingTimeFigura 9.20ococ1200120010001000800800600600Normal coollng Accelerated coollng400a) Laminacin convencional y normalizado . Figura 9.21b) Laminacin controlada 129. 122Captulo 9.Aceros de construccin.9.4.2. Tipos de aceros microaleados La Tablas 9.3 y 9.4 muestran respectivamente las denominaciones y las propiedades mecnicas fundamentales de los aceros microaleados definidos en las normas europeas EN 10025 (aceros estructurales no aleados laminados en caliente) y EN 10133 (aceros estructurales de grano fino soldables laminados en caliente) . BS EN 10025: 1993 GradeFormer gradeTensilemm 150 mm mm+20 +20 (6) +20 (6)25 250 25 25 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250 250(1)27 27 27 27 27 2723 23 23 2327 27 27 2723 23 23 2327 27 27 27 40 4023 23 23 23 33 33O-20 -20 +20 (6) O-20 -20 +20 (6) O-20 -20 -20 -20(1)Tabla 9.3 GradeUTS Min.YS at t = 16 mmMax. Thk (mm) (2) (1)Charpy (long)S275N S275NL S355N S355NL S355M S355ML S420M S420ML370 to 510275470 to 630355450 to 610355500 to 660420Temp.EnergyMax. Thk(1)(N/mm2)(mm) ( 1) (2)-2040-50 -20 6327-20 6327 40-5015040-50 -2015027 40150150150150 -501506315015063150150150Notes:271 Applies to plates and wide flats. 2 Applies to Sections.Symbols used in SS EN 10113 S460M S460ML530 tono-20 4606340-502715063Tabla 9.4150S = Structural Steel '275' '355' '420' '460' = min YS (N/mm2) N = Nonnalized or nonnalized roUed M = Thennomechanical roUed. L = Low temperature (-50 e) impacts. Examples S275N, S355ML 130. 123Captulo 9.Aceros de construccin.Por otro lado, la necesidad de producir aceros estructurales con tenacidades (resistencia al impacto) cada vez ms altas y tambin de mejores caractersticas de conformabilidad en fro ha promovido el desarrollo de aceros ms limpios y de las tcnicas de control del contenido de inclusiones. Los aceros convencionales tiene contenidos en azufre en tomo a 0.030%, que aparece en su microestructura en forma de inclusiones alargadas de MnS, en virtud de la deformacin sustancial que experimentan en el curso del proceso de laminacin en caliente. Otras inclusiones tambin presentes en estos aceros son xidos y silicatos. Las inclusiones son heterogeneidades microestructurales (concentradores de tensin) que promueven el inicio del microemecanismo de rotura bajo carga de los aceros. Por esta razn, hoy da, los aceros de mayor calidad se fabrican utilizando tecnologas avanzadas de desulfuracin, con las que se logran contenidos finales de azufre de 0.001-0.002%. El elemento desulfurante ms eficaz es el calcio. El calcio se adiciona al acero lquido, despus de haber sido desoxidado con aluminio, en forma de siliciuro o carburo de calcio, acero formandose combina con el azufre y el oxgeno presente en el y CaS, productos que se eliminan en forma de escoria. Seobtienen as aceros con contenidos de oxgeno de 10-20 ppm y contenidos de azufre que pueden ser inferiores a 0.001 %. Otro efecto negativo debido a la existencia en el acero de incluiones alargadas es la anisotropa observada en la tenacidad y ductilidad de estas chapas. Este problema prcticamente se elimina si las inclusiones aparecen en forma de pequeas partculas aisladas no deformables. A este respecto las incluisiones oxidadas y sulfuradas de calcio son globulares y mantienen su forma en el curso de la laminacin en caliente. La Figura 9.22 da cuenta del efecto beneficioso de la disminucin del contenido de azufre y la adicin de calcio, que se manifiesta en la reduccin de rea en la direccin del espesor (direccin ms dbil). Estas mismas tcnicas de control inclusionario junto con el uso de tecnologas que minimicen la segregacin durante la colada, permiten obtener aceros con resistencia a la fragilizacin inducida por el hidrgeno (HIC) que posibilitan la utilizacin de estos productos para la fabricacin de gaseoductos y reactores que trabajen en contacto con medios cidos (medios que contienen HzS YCOz)9.3.Aceros de gran resistencia La familia de aceros de gran resistencia constituye un amplio abanico de composiciones qumicas que permiten obtener unos aceros con una resistencia mecnica mayor de 750 131. 124Captulo 9.Aceros de construccin.MPa (hasta 1700 MPa). Normalmente se trata de aceros tratados trmicamente mediante temple y revenido. Estos aceros se utilizan para fabricar piezas que sern capaces de soportar cargas de servicio muy altas, tales como elementos constitutivos de motores, transmisiones, turbinas de vapor, cojinetes, engranajes, muelles, cables, etc. 80 o Calcium-lreated Nat calcium-treated_ _......L_ __ _o0.0200.0300.040Sulphur cantent (%)Figura 9.22Suelen ser aceros con un contenido medio en carbono (normalmente entre 0.25 y 0.5%), que normalmente se alean con niquel, cromo y molibdeno, principalmente con el propsito de aumentar la templabilidad del acero y permitir de este modo el tratamiento trmico de piezas de mediano y gran tamao. El tratamiento de revenido de estos aceros suele realizarse a una temperatura suficientemente alta (550-650C) con objeto de obtener piezas con una tenacidad suficientemente alta. Las Tablas 9.5, 9.6 Y 9.7 muestran respectivamente la composicin qumica, las condiciones de tratamiento trmico y las propiedades mecnicas de los aceros para temple y revenido normalizados en Espaa. Esta norma diferencia los grados aleados al cromo, al manganeso, al cromo-molibdeno y al cromo-niquel-molibdeno. El contenido de carbono de todos estos aceros es muy parecido (0.35-0.45%) y se diferencian principalmente en el porcentaje de elementos de aleacin, siendo, de este modo, los grados ms aleados los de mayor templabilidad (admiten el temple en piezas mayores). Dentro de la familia de aceros de alta resistencia hay que contemplar tambin los que se utilizan para la fabricacin de bolas, rodillos y pistas en la elaboracin de cojinetes y otros soportes. En estos casos se requieren productos de muy alta dureza y resistencia a la fatiga de contacto, por lo que son aceros de alto contenido en carbono (en torno a 1%), aleados habitualmente con cromo (l.5%Cr), que se utilizan tras temple y revenido 132. 125Captulo 9.Aceros de construccin.a baja temperatura (sobre 180-250C). Se obtienen as unos productos con una dureza de 60-65 HRC.DESIGNACIONeMnSpNISMo 1 F120038Cr30.34/0,410,60/0,900.15/0.400,035F120138Cr4 38Cr41 42Cr40,34/0.41 0.34/0,41 0,38/0.45 0,38/0,450.60/0.90 0,60/0.90 0,60/0.90 0.60/0,900,15/0.40 0,15/0.40 0,15/0.40 0.15/0.400,035 0.035 0,035 0,035F1206111 F1202 F120711lFI2030,020/0.035 0,036 0.020/0.03636Mn60,33/0.401,30/1,650,15/0,400,03536Mn610.33/0.401,30/1,650.15/0.400.0350.035 0.020/0,0353DCrM04F1208111-0,50/0,80 0,0350,27/0,330.60/0,900.15/0.400,0350.0350.15/0.40 0,15/0.40 0.15/0.40 0.15/0.40 0,15/0,40 0,15/0.400.035 0,020/0.035 0.035 0.035 0.020/0.035 0.035 0.035 0,035 0.035 0,020/0.035---0,90/1,20 0,90/1.20 0.90/1.20 0.90/1,20---.1 F1251 F1256111 35CrM04F1250 F1265111 F1253121 FI25235CrM04' 38CrM04 4DC,M04F125711l0.27/0.33 0.32/0.38 0,32/0,38 0,34/0.40 0.37/0.43 0,37/0.430,60/0,90 0.60/0.90 0,60/0.90 0.60/0.90-0.86/1,15 0,85/1.15 0,85/1.15 0.8511,16 0.86/1.15 0.86/1.15--0.15/0.26 0,16/0.26 0,15/0.25 0.15/0.25 0.15/0.25 0.15/0.26 0.15/0.25niqu.1 molibd.no Fl204,4ONiCrMo20.37/0,440.70/1,00F1280 F1282 F1270 F1272 FI262 FI26035NIC,M04 4ONICrM04 35NiCrMo70.32/0.38 0,37/0.42 0,32/0,3832NiC,Mo120,30/0.3632NICrMoI60,30/0,370,50/0.80 0,50/0,80 0.55/0,85 0.55/0.85 0.8010,80 0,30/0,60de(1)controlado0.035 0.15/0,40 0,15/0.40 0,15/0.40 0.15/0.40 0,15/0,40 0,16/0.400.035 0.035 0.036 0,035 0,035 0,0350.40/0.70 O,035mlC. 0,0360,0360.40/0.70'0,60/0.90 0,60/0.90. 0.65/0,96 0,65/0,95 0,70/0,90 1,10/1,400,70/1,00 0,70/1,00 1.60/2,00 1.60/2,00 2,76/3.25 3,70/4,200.15/0,30 0,15/0,30 0.15/0,30 0.15/0,30 0,16/0,30 0,30/0,40 0,25/0,40(2) Acero de uso no pref.renleTabla 9.5_pie ... 121111 Fl20038Cr3F120138Cr4F1202F120736Mn5F1203v F125142Cr4 36F1256F1250v F1255Fl253 4DCrM04 Fl252V Fl257 o Fl280 F1282 F1270 F1272 Fl262 Fl26011 21 Oureclnde36NICrMo7O 30 mln mnimo. Undlcetivo) 1 h m(nimo.Tabla 9.6 133. 126Captulo 9.Aceros de construccin.L. I IOCU' 'mmm'f1200!IK UIImm'T-'T--r'0017801'00.,20 65 I y Fl256 F1250 Y F 1255 Jse15 y14068830-1 OJO880 85830no-1JOI951156 5115135930110-13061010059300113011I47;i1980,11801880 90 1001101)0 110-130 11513585 lOO51 70 1&901161058010iI 13121780880-10800880- 108I980-1 18011" 1 OJO 1611110-13C 1I 59.2.1. Aceros Los aceros maraging son un grupo de aceros martensticos de bajo contenido en carbono (0.03% max), que en virtud de un tratamiento trmico especial de envejecimiento (precipitacin, "aging"), penniten obtener lmites elsticos entre 1400 y 2400 MPa. Son 18%Ni) Y que muestran unatenacidad mucho mayor que la de los aceros martensticos de mayor contenido en carbono de igual resistencia. La Tabla 9.8 muestra las composiciones qumicas y propiedades finales de los diferentes grados de aceros maraging. GradeWrought 18Ni1400Nominal 0.2% proof stress: N/mrn2 (MPa) Ni Co Mo Ti AlC max. Si max. Mn max. Si +Mn max. S max. P max. Ca added B Zr added Fe1400Cast18Ni 1700 18Ni1900 18Ni2400 17Ni16001700190018-19 17-19 7-8.5 8-9.5 4.6-5.2 4.6-5.1 3-3.5 0.15-0.25 0.5-0.8 0.3-0.5 0.05-0.15 0.05-0.15 0.05-0.15 0.03 0.03 0.03 0.12 0.12 0.12 0.12 0.12 0.12 0.2 0.2 0.2 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.01 0.05 0.05 0.05 0.003 0.003 0.003 0.02 0.02 0.02 Balance Balance Balance 17-19Tabla 9.82400160017-18 12-13 3.5-4 1.6-2 0.1-0.2 0.01 0.1 0.1 0.2 0.005 0.005 Nbne None None Balance16-17.5 9.5-11 4.4-4.8 0.15-0.45 0.02-0.1 0.03 0.1 0.1 0.2 0.01 0.01 None None None BalanceI61Tabla 9.7todos ellos aceros con elevados contenidos en niquelElJ0-10JO18085[1 95'51598090-11010 I r,9O1 I10880 OJO"80-61130.1aJO-' ,880-1080 64085-11151110801980'00656105-1'15 1 03OJ19 9S8JO901740 806169301l( 10- Osi I11Elao180-80690-110 10012085I1180-1370 32NiCfMo6i" 680118011I ou I1406980.11807810I6'0J9011la11f1272I,880108010/585 9309017"085105 90110580 95630 110 '0801'11075-646 !I I1JI8301030161'5595-115105125Fl1806416JO;,B51059801180"II:"I 780I.Imm''-2' 15740951159301130j. i 1OCU29 134. 127Captulo 9.Aceros de construccin.Al calentar estos aceros a una temperatura de aproximadamente 820C y luego enfriarlos al aire hasta temperatura ambiente se obtiene una microestructura martenstica, incluso en piezas masivas, en virtud de la alta templabilidad que les confiere el alto grado de aleacin tpico de estos productos. En este estado muestran un lmite elstico en torno a 800 MPa, una carga de rotura de 1000-1100 MPa y un alargamiento de casi un 20%. Sin embargo, si a continuacin se efecta un tratamiento de envejecimiento a una temperatura sobre SOOC ocurre la precipitacin intensa de compuestos intermetlicos del tipo de Ni 3Mo y FeTi, obtenindose de este modo el lmite elstico que se refleja en la Tabla 9.8. La Figura 9.23 muestra como la tenacidad a la fractura que se logra con estos aceros es muy superior a la de los aceros templados y revenidos convencionales, aunque tambin su coste es muy superior, en virtud de su alto grado de aleacin.40 __12501500175020002250Tensile strenglh (MPa)Figura 9.239.2.2. Aceros de fcil maquinabilidad Constituyen una clase de aceros cuya caracterstica ms destacable es la facilidad de ejecutar con ellos operaciones de mecanizado (torneado, taladrado, fresado, etc.). Esta propiedad tiene una gran importancia cuando es necesario realizar grandes series de piezas mediante conformado por arranque de viruta, exigindose en estos casos operaciones de mecanizado automticas con altas velocidades de corte. La maquinabilidad de un acero es una propiedad dificil de definir ya que no se puede identificar en virtud de un nico parmetro, sino que es el resultado de una serie conjunta de caractersticas tales como, por ejemplo: - Vida de la herramienta de corte - Velocidad de produccin 135. 128Captulo 9.Aceros de construccin.- Consumo energtico - Acabado superficial Con el propsito de mejorar la maquinabilidad de los aceros es prctica corriente realizar determinadas adiciones. El mtodo ms econmico consiste en aadir azufre. Aunque la mayora de las especificaciones de aceros limitan el contenido de azufre a valores inferiores a 0.035%, con el fn de mejorar su maquinabilidad, se exigen en ocasiones contenidos de azufre de hasta 0.35%. En estos casos debe incrementarse tambin el contenido de manganeso con el propsito de que el azufre aparezca en forma de MnS. Las abundantes inclusiones de MnS, uniformemente distribuidas a lo largo de la microestructura del acero, lubrifican el corte y favorecen la fractura de la viruta en pequeos fragmentos, disminuyendo las fuerzas de corte y la temperatura en el contacto. La Figura 9.24 muestra la disminucin ostensible de la velocidad de desgaste de la herramienta a medida que se incrementa la fraccin de rea de MnS. De cualquier modo, no debe olvidarse que los contenidos elevados de azufre reducen sensiblemente la ductilidad y la tenacidad de los aceros. 150100e50O1.02.03.0Area MnS (%)Figura 9.24 Otro aditivo tambin muy utilizado para incrementar la maquinabilidad de los aceros es el plomo. El plomo, en proporciones del 0.15-0.35%, precipita como plomo libre en forma de pequeas partculas durante la solidificacin del acero. Las partculas de plomo presentes en la intercara herramienta-viruta funden a consecuencia del calor generado en el corte y, al igual que ocurra con las inclusiones sulfurosas, reducen la friccin y rompen la viruta. Sin embargo, estos niveles de plomo afectan muy poco a las 136. 129Captulo 9.Aceros de construccin.propiedades mecnicas del acero. La Figura 9.25 muestra cuantitativamente el efecto positivo de la adicin de plomo sobre la vida de la herramienta en el mecanizado de un acero concreto. El teluro, selenio y bismuto tambin se utilizan con fines parecidos. 502010 o 5,2+0.09% Pb __ 80+0.20% Pb__100120140160180 200Cutling speed (mlmn)Figura 9.25Por otro lado, se ha demostrado que la estructura frrea ideal para mecanizar corresponde a una microestructura ferrito-perltica con 0.2-0.3% de carbono. Los aceros con contenidos de carbono inferiores son excesivamente blandos y dctiles, de modo que durante el corte se pegan a la herramienta, mientras que los aceros con contenidos en carbono superiores a 0.3% son ya excesivamente duros y para facilitar su mecanizado es conveniente realizar sobre ellos recocidos de globulizacin. 137. Captulo 9.Aceros de construccin.130 138. Captulo 10. Aceros de herramienta10. ACEROS DE HERRAMIENTA10.1. Introduccin Se denominan aceros de herramienta a los aceros que se utilizan en la fabricacin de tiles destinados a conformar otros materiales mediante aplicacin de presin (laminacin, forja, extrusin, etc.), en fro o en caliente, o por arranque de viruta (placas de corte para tornear, fresar o taladrar, etc.). Tambin se incluyen en este grupo los aceros destinados a la fabricacin de moldes permanentes empleados en el moldeo de aleaciones metlicas y de plsticos, as como en la ejecucin de todo tipo de herramientas mecnicas (martillos, sierras, tenazas, etc.). Teniendo en cuenta las condiciones normales de servicio de todos estos tiles, se les exigir siempre una dureza muy elevada (siempre apreciablemente superior a la del material que estn conformando) y, en ocasiones, cuando trabajan a alta temperatura, dureza en caliente. Por esta razn suelen ser aceros templados y revenidos de alto contenido en carbono, de media o alta aleacin. Las normas internacionales de los diversos pases suelen clasificar esta familia de aceros en tres grandes grupos: Aceros para trabajos en fro Aceros para trabajos en caliente Aceros de corte rpido Los aceros de herramienta para trabajos en fro son los que se emplean en aquellas aplicaciones en las que el rgimen de trabajo de la herramienta tiene lugar a temperatura ambiente (martillos, navajas, brocas, etc.). Las principales caractersticas que se exigen a estos productos son poseer una dureza y resistencia al desgaste muy altas y, si trabajan a base de golpes, tener una tenacidad suficiente. Los aceros de herramienta para trabajos en caliente se emplean en la construccin de herramientas que durante su servicio normal se calentarn hasta temperaturas bastante elevadas (martillos de forja, estampas, matrices de fundicin, etc.). En estos casos no es necesario que los aceros tengan una dureza tan alta como los de la familia anterior, ya que al trabajar sobre materiales calientes, stos ltimos sern ms blandos. Sin embargo es necesario que estos aceros mantengan siempre una adecuada dureza en caliente y, si van a ser sometidos a cambios bruscos de temperatura, se les exigir tambin resistencia al choque trmico.131 139. Captulo 10. Aceros de herramientaPor ltimo, la familia de aceros de corte rpido o aceros rpidos se emplean en la fabricacin de tiles de corte o mecanizado por arranque de viruta, que garanticen unas productividades muy altas (arranque de viruta a gran velocidad). En estas condiciones de trabajo el filo de la herramienta se calienta localmente hasta alcanzar temperaturas del orden de los 600C, en virtud del rozamiento existente en el contacto herramientapieza. En este rango de temperaturas los aceros templados y revenidos convencionales se ablandan ya considerablemente, por lo que los aceros rpidos deben ser unos productos muy aleados, que aprovechan el fenmeno de dureza secundaria (vase apartado 6.4) para conseguir una dureza muy alta en las citadas condiciones tnnicas. La Tabla 10.1 recoge en una escala que va de 1 (bajo) a 9 (alto) los valores de las tres propiedades fundamentales, resistencia al desgaste, tenacidad y dureza en caliente, que deben tenerse necesariamene en cuenta a la hora de realizar la seleccin del acero ms apropiado para cada aplicacin particular. Se indican tambin, en funcin del tipo de trabajo que deba realizar la herramienta (arrancar, cizallar, conformar, etc.) y de la forma de acometerlo (velocidad, espesor de la pieza sobre la que trabajan, tamao de la serie, etc.), otras caractersticas de rango inferior deseables, tales como maquinabilidad, templabilidad, etc.10.2. Aceros para trabajos en fro Son los aceros que se emplean para fabricar herramientas cuyo trabajo se realiza a temperaturas prximas a la ambiente. Dado que las propiedades fundamentales que se buscan son dureza y resistencia al desgaste, se trata de aceros con un elevado contenido en carbono (nonnalmente entre 0.7 y 1.5%). La familia de aceros de herramienta para trabajos en fro ms econmica, pero hoy da tambin la de menores prestaciones, es la de los aceros al carbono. Son productos que se utilizan tras temple y revenido a baja temperatura (lSO-2S0C) con el propsito de maximizar su dureza, que como sabemos depende exclusivamente del contenido en carbono (la Figura 4.4. mostraba la dureza de la martensita en funcin de su contenido en carbono). En estos casos el efecto del tratamiento de revenido es ms bien el de atenuar las tensiones residuales del temple. De este modo se emplean los aceros de menor proporcin de carbono para la confeccin de herramientas que exijan una cierta tenacidad (martillos, herramientas agrcolas, etc.), mientras que con los aceros de132 140. 133Captulo 10. Aceros de herramienlacontenido en carbono ms alto se fabrican las herramientas de mayor dureza, como navajas, limas, brocas, etc.Illhe 1001Thele major eharaelerlsllel are requlred In !he 1001And Ihese mlnor eharaelerlslles may be requlredCuls ............Wear resislance and reslslance lo softening effecl of healGrindability and loughnessShears ..........Wear resislance and loughnessSafety in hardening and slighl dislortion in hardenlngForms ..........Wear resislanceDraws ..........Wear resislanceMachinability and loughnessSlighl dislortion in hardeningExlrudes ........Reslslance lo softening effecl of heal, loughness and wear resislance RolIs ............Wear resislance Balters ..........ToughnessWear resislanceUnder Ihele eondl1I0ns Lighl culs, slow speeds Heavy culs, fasl speeds Thin slock, short runs Thin slock, long runs Heavy slock, short runs Heavy slock, long runs Cold, short runs Cold, long runs Hol, short runs Hol, long runs Short runs Long runs Cold HolShort runs Long runs Short runsmaJor propertlel lhould be Hot Wear Toughreslllanee neIs hantness 41081 lo 31 lo 67 lo 91 lo 38 lo 94 lo 61 lo 7(b)6 lo 91 lo 7(b)2 lo 47 lo 9(b)31057 lo 9(b)4 lo 61 lo 7(b)71091 lo 4(b)310661095 lo 741066 lo 971094106 7109 4109 31061 lo 1 lo 1 lo 6 lo(b) (b) (b) 51074 lo 6 7 lo 9 2 lo 41 lo 7 1 lo 4 7 lo 97 4 7 9(b) Importanl only in ho! wor1 1500 e1000500O 2400 2200 2000 1800 1600c:1400 1200 1000 800 600veMatrix,Malrix.high-spead steelcarben slaelFigura 10.1_.F F F F F 5227 F 5211 F 5212 F 5213F F FllIlO 800 880Xl00crMol/6 X X210Cr12 X21OCrW12.6WCrSI8770- 810 970-1010 020880 670-6OSIMoCr8Tabla 10.6180210 180210 180'210 180210 180210 180-210 180-210 160-210 160210 160 210 180210 160- 21080 61 61"'o alr.80 61 80 61 61 8057 144. Captulo 10. Aceros de herramienta137El nombre que designa a esta familia de aceros se basa en que apenas sufren deformacin alguna en el tratamiento de temple y revenido, por lo que se trata de unos aceros muy apropiados para la ejecucin de matrices y troqueles con formas complejas e intrincadas. En el apartado 4.4. se haba justificado la aparicin de tensiones residuales motivadas por el aumento de volumen que tena lugar en la transformacin microestructural tpica del temple, mientras que las variaciones volumtricas en el revenido son ms complejas ya que, por un lado, la precipitacin de carburos desde la martensita sobresaturada tiene lugar con contraccin y, por otro, la transformacin de la austenita retenida induce una expansin. De este modo, es posible compensar las variaciones dimensionales de todos estos cambios microestructurales de manera que en conjunto apenas ocurra alteracin dimensional alguna. A modo de ejemplo, la Figura 10.2 presenta la pequesima variacin dimensional que experimenta a lo largo de las direcciones longitudinal (L), transversal (W) y normal (T) -RD es la direccin de deformacin previa al tratamiento trmico- un acero indeformable durante el tratamiento de revenido. Las diferencias que se observan entre las tres direcciones deben atribuirse a la existencia de segregacin y/o la aparicin de una determinada textura de conformado. 0.003 0.002TE E-w0.001c:c:ToalE -2095205315425540650Tempering temperature. ocFigura 10.2Tal y como ya se expuso en el apartado 3.3, los altos contenidos en cromo tpico