Efecto Sobre la Microestructura y la Dureza del Acero Böhler W302 Sometido a los Tratamientos de Temple y Tres Revenidos

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(1)EFECTO SOBRE LA MICROESTRUCTURA Y LA DUREZA DEL ACERO BÖHLER W302 SOMETIDO A LOS TRATAMIENTOS DE TEMPLE Y TRES REVENIDOS Cristian Sebastian Bernal Moreno [email protected] Universidad Distrital Francisco José de Caldas Tecnología en mecánica Octubre de 2015. Resumen En el siguiente documento se demuestra por medio de un estudio la microestructura del acero BÖHLER W302 al ser sometido a procesos metalográficos como lo son el temple y revenido, determinando así los principales constituyentes y diferenciarlos en cada proceso. De igual forma hallar la variación de las propiedades mecánicas en cada etapa.. térmicos1; por tal motivo, el proyecto a realizar es de gran importancia en el desarrollo y mejoramiento de nuevos materiales, con el fin de estudiar, visualizar y comparar la variación de la dureza y la microestructura del material al ser sometidos a cada uno de los tratamientos térmicos, que buscan darle al material la estructura y composición necesaria para que cumpla ciertos estándares de fabricación.. 2. Marco teórico. Palabras clave Perlita, Cementita, Bainita, austenita, temple, revenido, micro estructura, grano. 1. Introducción Actualmente las grandes exigencias para la fabricación de diferentes piezas obligan a los fabricantes a mejorar las características de los aceros para trabajo en caliente las cuales son; la resistencia al desgaste, buena tenacidad y resistencia a fisuras. Estos son algunos de los puntos a mejorar, a través de diferentes procesos. 2.1 Tratamientos térmicos Los tratamientos térmicos sirven para mejorar las propiedades físicas de los aceros, y este proceso consiste en calentar el material a temperaturas adecuadas, durante un tiempo determinado para posteriormente enfriarlas bajo fluidos o a condición ambiente2, al realizar estos. 1. http://mexico.pma.org/magazine/sept08/pdf/M ateriales_recubrimientos.pdf 2 MANUFACTURA, INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA, Serope Kalpakjian, Steven R. Schmid, Ulises rev. téc Figueroa López. EDITORIAL PEARSON. Capitulo IV Aleaciones de metales: su estructura y.

(2) procesos son modificados su estructura microscópica, su composición física y la composición del metal. Un parámetro a ser considerado en la aplicación de un proceso térmico es el tiempo y la temperatura las cuales son constantes que tienen que ser estandarizados de manera que se tengan en cuenta factores como: la composición del acero, la forma y el tamaño de las piezas para así obtener las mejores propiedades para los materiales.3 Los tratamientos térmicos más empleados actualmente son el recocido, temple, normalizado, revenido, cementación nitruración, temple en baño de sales, temple en baño de plomo entre otros.4. 2.1.1. Temple El temple tiene como objetivo endurecer y aumentar la resistencia de los aceros. Para hacer esto, se calienta el acero a una temperatura más elevada que la crítica superior y se enfría rápidamente en un fluido tal como agua, aceite, etc. 5.. 2.1.2. Revenido Es un tratamiento realizado a las piezas de acero luego de haber pasado por un proceso de temple. Consiste en un calentamiento a temperatura inferior a la crítica Ac1, con lo cual se disminuye la dureza y resistencia del acero templado,. eliminando las tensiones creadas en el temple y mejorando la tenacidad. 6 2.1.3. Aceros para herramienta Los aceros para herramientas son aceros utilizados para la elaboración o fabricación de herramientas destinados a modificar la forma, tamaño y dimensiones de los materiales por cortadura, por presión o por arranque de viruta. Hay diversos procedimientos que pueden ayudar a organizar los aceros de herramientas. Una de las clasificaciones es dado en función del medio de temple utilizado: así se tiene aceros de temple en agua, aceros de temple en aceite y aceros de temple al aire. El contenido en elementos de aleación también puede servir para agrupar los aceros, y en función de este se dividen en aceros de herramientas al carbono, aceros de baja aleación y aceros de aleación media. 7 2.1.4. Acero Bohler W302 Acero para trabajar en caliente de gran resistencia al calor y al desgaste en estado caliente, con propiedades excepcionales de tenacidad y resistencia a la formación de fisuras por recalentamiento. Se presta para el enfriamiento al agua. Herramientas para trabajar en caliente sometidas a grandes exigencias, especialmente para la transformación de metales livianos, como por ejemplo, 6. endurecimiento mediante tratamiento térmico, 2002 Pág. 121 3 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS, José Apraiz Barreiro. EDITORIAL DOSSAT S. A, 1984 MADRID. Capítulo III Tratamientos térmicos Pág. 69 4 Ibid.Pág. 69 5. Ibid. Pág. 72. MANUFACTURA, INGENIERÍA Y TECNOLOGÍA, Serope Kalpakjian, Steven R. Schmid, Ulises rev. téc Figueroa López. EDITORIAL PEARSON. Capitulo IV Aleaciones de metales: su estructura y endurecimiento mediante tratamiento térmico, 2002 Pág. 128 7. ELEMENTOS DE METALOGRAFÍA Y DE ACERO AL CARBONO. R.L. Bernau. EDITORIAL ANDRES BELLO, 1958 SANTIAGO DE CHILE. Acero al carbono. Pág. 213.

(3) punzones y matrices para extrusión, contenedores para prensado por extrusión y tubos de metal, herramientas para la fabricación de cuerpos huecos, herramientas para la fabricación de tuercas, tornillos, remaches y bulones. Herramientas para fundición a presión, herramientas para extruir perfiles, elementos de matrices, cuchillas para cortar en caliente, moldes para materiales plásticos La composición química del acero BÖHLER W302 es la siguiente: Valores aproximados en % C Si Mn Cr Mo V W 0,4 1 0,4 5 1,2 1 0,1 Tabla 2.1. Composición química del acero Böhler W302 (Fuente: http://www.acerosboehler.com.ar/english/ files/downloads/W302FSP.pdf). 3. Marco metodológico 3.1 Temple Revisando el catálogo del acero Böhler W3028 se realizó un temple a 1020°C con un calentamiento completo para así dar al material una completa fase austenítica, seguido de una recuperación en baño de sales; con un tiempo de permanencia de 20 minutos, esto con el fin de conseguir una completa eliminación de los carburos, logrando de tal manera un correcto proceso de temple. El tiempo de permanencia está en función del tamaño de la pieza y los parámetros del horno.9. 3.2 Revenido Después de hacer el temple en el material, se realiza un calentamiento lento, a este proceso lo denominaremos revenido, con un tiempo de permanencia en el horno de 1 hora, seguido de un proceso de recuperación de 2 horas como mínimo en enfriamiento al aire. 10 El primer y segundo revenido se realiza hasta alcanzar la dureza útil deseada, en este caso un valor aproximado de 50-55 HRC como aparece en la figura 1. Se realiza un tercer revenido con el fin de distensionar la pieza calentando el material a una temperatura que oscila entre los 30-50°C por debajo de la temperatura máxima de revenido para así obtener un material con unas propiedades mecánicas aptas para el trabajo en caliente. Las temperaturas de los revenidos se identifican de la siguiente manera: primer revenido se realizó a una temperatura de 480°C, el segundo con una temperatura de 610°C y el tercer revenido con una temperatura de 570°C. Figura 2.. Figura 3.2 Diagrama de revenido del acero Böhler W302 (Fuente: 8. BÖHLER W302 ACERO PARA TRABAJO EN CALIENTE. Catálogo de Böhler PDF. Pág. 4-5 9 Ibid, Pág. 5. 10. Ibid, Pág. 6.

(4) www.acerosbohler.com/spanish/files/dow nloads/W302FSP(2).pdf). Figura 3.2 Esquema de tratamiento térmico del acero Böhler W302 (Fuente: www.acerosbohler.com/spanish/files/dow nloads/W302FSP(2).pdf) Para la realización de los tratamientos térmicos se tendrá en cuenta los diagramas de transformación por enfriamiento continuo (CCT), el diagrama temperatura, tiempo y transformación (TTT) y el diagrama de fases del acero Böhler W302:. Figura 3.3 Diagrama de transformación por enfriamiento continuo (CCT) del acero Böhler W302 (Fuente: www.acerosbohler.com/spanish/files/dow nloads/W302FSP(2).pdf). Figura 3.3 Diagrama de transformación por enfriamiento continuo (CCT) del acero Böhler W302 (Fuente: www.acerosbohler.com/spanish/files/dow nloads/W302FSP(2).pdf) Temperatura de austenización: 1020°C. Tiempo de permanencia: 15 minutos. Dureza Vickers. 1…35 componentes de estructura en %. 0,4…18 Parámetro de enfriamiento, es decir, duración del enfriamiento de 800500°C en . 5K/min…1K/min Velocidad de enfriamiento en K/min en el margen de 800-500°C..

(5) 3.3 Ataque de las probetas, ensayo metalográfico Se toman las probetas previamente sometidas a los diferentes tratamientos térmicos, paso siguiente se procede a pulir las muestras para así atacarlas con NITAL (REF) logrando de esta manera observar en el microscopio la microestructura del acero Böhler W302; Al lograr percibir las imágenes en el microscopio se realizan los ensayos metalográficos que en este caso son: ensayo de dureza Rockwell a cada probeta. Figura 3.4 Diagrama de temperatura, tiempo y transformación (TTT); diagrama de fases del acero Böhler W302 (Fuente: www.acerosbohler.com/spanish/files/dow nloads/W302FSP(2).pdf) F…Ferrita B…Bainita P…Perlita K…Carburo M…Martensita RA… Austenita residual En la siguiente tabla se presentan las temperaturas y los tratamientos térmicos a los cuales se someten cada probeta: T: Temperatura ---------: No se le realiza tratamiento térmico indicado. Probeta. T° de temple. T° de 1 T° de 2 T° de 3 revenido revenido revenido. 1. 1050°C. ---------. ---------. ---------. 2. 1050°C. 480°C. ---------. ---------. 3. 1050°C. 480°C. 610°C. ---------. 4. 1050°C. 480°C. 610°C. 570°C. Tabla 3.1 temperaturas y tratamientos a los que se somete cada probeta. 3.4 Ensayo de dureza Rockwell Después de examinar las probetas bajo el microscopio se procede a realizar el análisis y la comparación de la dureza en cada una de las piezas anteriormente sometidas a tratamientos térmicos. Estos datos son obtenidos mediante el ensayo de dureza Rockwell en donde se toman seis datos proporcionados por el dispositivo correspondiente y se determina el valor promedio de cada una obteniendo valores estratégicos para cada proceso.. 4. Resultados Los tratamientos térmicos de temple y revenidos fueron realizados de forma satisfactoria, obteniendo para cada probeta las siguientes imágenes de su microestructura (acero Böhler W302):.

(6) Figura 4.1 Micrografía a 1000 aumentos del acero Böhler W302 en su estado natural.. Figura 4.2 Micrografía a 1000 aumentos del acero Böhler W302 sometido a temple de 1020°C.. Figura 4.4 Micrografía a 1000 aumentos del acero Böhler W302 sometido a temple de1020°C y un segundo revenido a 610°C.. Figura 4.5 Micrografía a 1000 aumentos del acero Böhler W302 sometido a temple de1020°C y un tercer revenido a 570°C. Escala (A,B,C) Rockwell. Resultados. Material. Promedio. Figura 4.3 Micrografía a 1000 aumentos del acero Böhler W302 sometido a temple de1020°C y un revenido de 480°C.. C. C. C. C. w302w302w302w302temple 1 temple 2 temple 3 temple revenido revenido revenido 48,3. 51. 48,1. 48,3. 50. 51,6. 48,7. 48,2. 48,3. 51,3. 48,6. 48,4. 49,5. 51,1. 48,6. 48,2. 49,9. 51,3. 48,7. 48,4. 50,6. 51,2. 48,7. 48,1. 49,43. 51,25. 48,57. 48,27. Tabla 4.1 Datos tomados mediante el ensayo de dureza Rockwell C.

(7) Con los datos de dureza se realiza una conversión a dureza Vickers estos valores están registrados en la siguiente tabla: Probeta. Dureza HRC. Dureza Vickers. 1. 49,43. 505. 2. 51,25. 531. 3. 48,57. 493. 4. 48,27. 489. Tabla 4.2 Conversión de dureza HRC en dureza Vickers (Fuente: http://www.kansert.es/conv_dur.htm). 5. Análisis Los aceros para trabajos en caliente deben tener propiedades como resistencia a la erosión en temperaturas elevadas o tener una baja tasa de adhesión con los otros materiales de trabajo. Es así, como por medio de tratamientos térmicos son modificadas sus propiedades mecánicas para lograr obtener un óptimo desempeño en actividades específicas. 11 Este material al ser un acero hipoeutectoide la austenización se realiza 30°C por encima de la temperatura crítica, mejorando las propiedades mecánicas del material y obteniendo como constituyente austenita.12 El temple realizado en este material se hace a una temperatura de 1020°C temperatura crítica Ac3 13 (figura 3) en 11. Compañía General de aceros, Aceros para trabajo en caliente [online]. Colombia , Disponible en: http://www.cga.com.co/index.php?option=com_ content&task=view&id=43&Itemid=115 12 CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES, Donald R. Askeeland. INTERNATIONAL THOMSON EDITORES, 1998 MÉXICO 13 TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS, José Apraiz Barreiro. EDITORIAL DOSSAT S. A,. donde es posible encontrar constituyentes como la austenita14 (solución sólida de carbono o carburo de hierro en hierro gama) y martensita15 (solución sólida sobresaturada de carbono o carburos de hierro en hierro alfa), su principal objetivo es mejorar las propiedades mecánicas del material. La martensita es un constituyente de los aceros templados y se obtiene al enfriar rápidamente la austenita reorganizando la estructura del material, logrando así obtener una estructura martensítica.16 Es posible evidenciar en la (figura 7) la presencia de un fondo de color blanco compuesto por múltiples agujas de martensita, formación efectiva de una estructura martensítica; de igual manera se pueden evidenciar pequeñas formaciones oscuras ubicadas en los límites de grano, las cuales se asemejan a carburos formados por el proceso de temple, por último se hace evidente la composición de austenita residual. 17 Este proceso busca garantizar de manera específica la obtención de una dureza considerable obteniendo un valor de 49.43 HRC. El material aún después de haber pasado por un tratamiento térmico como es el temple, se encuentra con unas características como lo son tener una gran dureza y grandes tensiones internas que hacen pensar en la realización de un proceso de revenido 18, el cual tiene como 1984 MADRID. Capítulo III Tratamientos térmicos Pág. 72 14 APRAIZ, Op. cit; Pág. 114 15 Ibid.; Pág. 116 14 ASM Handbook Vol. 9. Pág. 132 17 Ibid. Pág. 259 18. Ibid.; Pág. 241.

(8) objetivo modificar los efectos del temple, mejorando las propiedades mecánicas del material (aumento de la resistencia a la tracción y la resiliencia) puesto que este acero tiene muy poca ductilidad y tenacidad. Este primer ciclo de revenido es realizado a una temperatura de 480ºC (Figura 7) para así convertir la austenita residual proveniente del proceso de temple en otros constituyentes, siendo visible la transformación de la martensita tetragonal en martensita revenida; quedando en evidencia un oscurecimiento de agujas de martensita producido por el revenido. El fondo blanco se manifiesta como el cambio de la austenita sin revenir.19 Es importante mencionar que los carburos aleados se hacen presentes en este proceso y se hacen evidentes en la (figura 8), tanto así que la austenita queda acondicionada para ser transformada en bainita inferior; la cual presenta características similares a la martensita. El segundo revenido se realiza con el fin de liberar el material de una característica mecánica como lo es la fragilidad, de igual manera lograr obtener una dureza útil de acuerdo a los valores medios establecidos en la ficha técnica de Böhler W302 con unos datos cercanos a los 48HRC bajo unas temperaturas de revenido de los 480ºC a 610°C como se logra percibir en la (Figura 2). El material presenta en su segunda fase constituyentes como lo son: martensita revenida y Bainita inferior; considerada como martensita sin revenir, al igual aún pueden ser visibles placas de carburos en la matriz (figura 8). Las tensiones internas del material disminuyen considerablemente a medida 19. Ibid.; Pág. 252. que el material se va llevando por los procesos antes mencionados, puesto que hay una reorganización de su microestructura pero no por esto se puede decir que el proceso se encuentra finalizado, por tal motivo con el último revenido se trata de evitar que queden rasgos de martensita sin revenir, logrando obtener una estructura basada en la presencia de martensita revenida y carburos. Los carburos presentes en el material como granos de gran tamaño (Figura 9) nos ayudan a conservar la dureza del material aún al ser trabajados a temperaturas altas. Este tipo de acero se puede decir que es el apropiado, ya que nos sirve para crear herramientas, lo cual se debe a que su poder cortante no se ve disminuido a pesar de trabajar al rojo vivo. Examinando los valores de la dureza obtenidos en cada proceso térmico (tabla 3) a los cuales fue trabajado el material, se determina que para el proceso de temple se obtuvo un valor promedio de 49.43 HRC equivalente a 505 Vickers (Tabla 4) y de manera conjunta con el diagrama TTT se puede deducir que se realizó un correcto proceso de temple. Con los datos de dureza obtenidos del revenido (tabla 3) se puede decir que la temperatura de revenido no fue la adecuada, ya que presentó una diferencia considerable en el valor teórico de 55 HRC contra el valor experimental de 48.57 HRC y por lo tanto no hubo una completa eliminación de los carburos existentes.. 6. Conclusiones . El material Böhler W302 sometido a procesos térmicos de temple y revenidos, produce.

(9) . .   . . . constituyentes que le dan al acero propiedades específicas como dureza y tenacidad, garantizando su uso. Al ejecutar el temple a una temperatura superior a la crítica en un acero hipoeutectoide produce austenita, que al enfriarla con gran rapidez da como resultado martensita, la cual otorga al material la dureza. La austenita retenida, martensita y carburos son constituyentes que surgen después de realizarse el temple en el material. La dureza obtenida durante el temple disminuye con el revenido pero estos valores son mínimos. Los revenidos generan martensita revenida y ayudan a eliminar las tensiones internas en el material. En el segundo revenido hay una transformación de la austenita acondicionada, a martensita revenida, y también bainita inferior que es la martensita que no se logra revenir. Con el tercer revenido existe una transformación de la bainita generada en el segundo revenido en martensita revenida, garantizando alivio de tensiones internas. Los tratamientos térmicos a los cuales el material fue sometido se realizaron casi de manera perfecta; al encontrar una similitud entre los. valores teóricos dados en el catálogo Böhler contra los experimentales que fueron determinados en este proyecto.. 7. Referencias [1] Aleaciones Hierro-Carbono. Aceros y Fundiciones. [En línea]. (2004/2005). Disponible en: <http://es.scribd.com/doc/21357867/Apu ntes-Hierro-Carbono-II> [2] ASKEELAND, Donald R. Ciencia e ingeniería de los materiales. 3 ed. Missouri. Universidad de Missouri. 1998. 855 p. [3] BARREIRO, José Apraiz. Tratamientos térmicos de los aceros. Madrid, 1984. 438 p. [4] BERNAU, R.L. Elementos de metalografía y de acero al carbono. Santiago de Chile, 1958. 387 p. [5] Catálogo de Böhler W302 acero. [en línea]. <http://www.acerosboehler.com.ar/englis h/files/downloads/W302FSP.pdf> [citado en 12 de agosto de 2014] [6] SOLÁ, Pere Molera. Tratamientos térmicos de los materiales. Barcelona, 1991. 129 p..

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