Propiedades de los tratamientos térmicos
Resumen
En este artículo se presenta un informe de la práctica de laboratorio realizada para identificar las propiedades que ciertos tratamientos térmicos confieren a materiales metálicos como los resortes y así llegar a una comparación entre los resultados.
Abstract
This article presents a report about the laboratory’s practice to identify the properties that some heat treatments confer to metallic materials like springs and to compare the results.
Palabras Clave
Recocido, Revenido, Templado, Microestructura.
I.OBJETIVOS
General
• Reconocer algunos de los tipos de tratamientos térmicos y las propiedades estructurales que confieren a los materiales.
Específicos
• Observar el cambio en la microestructura de un resorte después de someterlo a un tratamiento térmico determinado.
• Identificar el punto de deformación y el cambio de éste según el tratamiento térmico aplicado a un resorte en su estado natural (patentado).
II. INTRODUCCIÓN
Por la infinidad de aplicaciones que podemos encontrar en los materiales se hace necesario generar aleaciones y/o condicionar los materiales
para que respondan de la mejor manera frente a las necesidades para las cuales fueron creados. Los materiales deben además soportar esfuerzos, roturas, vibraciones, cambios térmicos, rozamiento superficial, entre otros. Para soportar estas condiciones de trabajo, se requiere tenacidad elevada, resistencia y una gran dureza superficial.
Por ello, los tratamientos térmicos como su nombre lo indica, son procesos en los cuales se somete un material en estado sólido a calentamiento y/o enfriamiento para mejorar y/o condicionar sus propiedades físicas iniciales. Mediante los tratamientos térmicos es posible modificar esfuerzos internos, el tamaño del grano, la tenacidad, la dureza y la resistencia al desgaste, entre otros. Sin embargo es preciso aclarar que las propiedades químicas del material no se ven afectadas, para ello sería necesario realizar tratamientos termoquímicos.
III. MARCO TEÓRICO
Los tratamientos térmicos, en general, son operaciones de calentamiento y enfriamiento de los metales o aleaciones, a temperaturas y velocidades variables, mediante los cuales se persigue fundamentalmente, conseguir cambios en la estructura cristalina, cambio de fases, bien en su número o proporción, o distribución, permaneciendo su naturaleza, es decir, su composición química inalterable.
Los tratamientos térmicos fundamentales como son el recocido, temple y revenido, adquieren al ser aplicados a los aceros, una gran variedad de matices lo que permite obtener el máximo rendimiento en función de su aplicación al acero.[1]
Alfonso. Paula, Alba. Héctor, Martínez. Sergio, y Chitiva. Oscar. Ingeniería Industrial,
Los tratamientos térmicos mas comunes son:
TEMPLE (CON REVENIDO): Este procedimiento tiene lugar en los aceros que tienen un porcentaje de carbono mayor al 0,30 %.Después del temple siempre debe de realizarse la operación de revenido. Después que se ha endurecido el
acero es muy quebradizo o frágil lo que impide su manejo pues se rompe con el mínimo golpe debido a la tensión interior generada por el proceso de endurecimiento. Para contrarrestar la fragilidad se recomienda el temple del acero (en algunos textos a este proceso se le llama revenido yal endurecido temple). Este proceso hace más tenaz y menos quebradizo el acero aunque pierde algo de dureza. El proceso consiste en limpiar la pieza con un abrasivo para luego calentarla hasta la temperatura adecuada, para después enfriarla con rapidez en el mismo medio que se utilizó para endurecerla.
REVENIDO: Con este tratamiento eliminamos la fragilidad y las tensiones creadas en la pieza. Siempre hay que realizarlo después del temple. Consiste en calentar las piezas a una temperatura inferior a la del temple, consiguiendo que la martensita se transforme en una estructura más estable, terminando con un enfriamiento rápido, dependiendo del tipo de material. La temperatura y el tiempo de calentamiento son los factores que más influyen en el resultado del revenido. Hay que tener muy en cuenta que el revenido es fundamental para conseguir el adecuado temple y una buena tenacidad en las piezas. •Se calienta y enfría el acero para conseguir una estructura molecular del material (temple)para posteriormente volver a calentarlo y enfriarlo modificando así la estructura anteriormente conseguida (revenido).
RECOCIDO: Cuando se tiene que maquinar a un acero endurecido, por lo regular hay que recocerlo o ablandarlo. El recocido es un proceso para reducir los esfuerzos internos y ablandar el acero. El proceso consiste en calentar al acero por arriba de su temperatura crítica y dejarlo enfriar con lentitud en el horno cerrado o envuelto en ceniza, cal, asbesto, etc. Su función es la de afinar y ablandar el grano, eliminando las tensiones y la acritud producida por la conformación del material en frío.
- Recocido de regeneración: Tiene por objeto afinar el grano de los aceros sobrecalentados.
- Recocido globular: Se realiza para lograr una más fácil deformación en frío.
- Recocido contra la acritud: Se recuperan las propiedades perdidas en la deformación enfrío (acritud).
- Recocido de ablandamiento: Se ablanda piezas templadas con anterioridad para su mecanización. - Recocido de estabilización: Elimina las tensiones de
las piezas trabajadas en frío.
- Recocido isotérmico: Mejoramos la maquinabilidad de las piezas estampadas en caliente.
- Doble recocido: Para lograr una estructura mecanizable en aceros de alta aleación
Cristales de acero que se transforman durante los cambios térmicos:
- Austenita: Si al acero lo calentamos a 1000º C, y lo enfriamos rápidamente, uno de los cristales que obtenemos es la austerita. Es una solución sólida de carburo de hierro, dúctil y tenaz, blanda, poco magnética y resistente al desgaste. - Bainita: Es una mezcla difusa de ferrita y
cementita, que se obtiene al transformar isometricamente la austenita a una temperatura de 250º - 500º C.
- Martensita: Es el constituyente de los aceros cuando están templados, es magnética y después de la cementita es el componente más duro del acero.
- Ferrita: Es hierro casi puro con impurezas de silicio y fósforo (Si-P). Es el componente básico del acero.
- Cementita: Es el componente mas duro de los aceros con dureza superior a 60Hrc con moléculas muy cristalizadas y por consiguiente frágil.
- Perlita: Compuesto formado por ferrita y cementita.
IV. PROCEDIMIENTO
Inicialmente de manera práctica se le realiza un tratamiento de temple a un resorte en su estado natural o patentado llevándolo a un horno eléctrico durante 5 minutos a 820°C.
Después de esto se lleva rápidamente a agua a temperatura ambiente para enfriarlo.
Además de éste resorte sometido a temple, contamos con resortes sometidos a tratamiento de revenido a 450° C, 600°C y recocido.
Para el recocido se somete también a la temperatura dentro del horno por 5 minutos pero a diferencia del temple, éste se deja 24 horas en el horno enfriando.
En el caso del revenido se somete a las diferentes temperaturas por 5 minutos y se deja enfriar a temperatura ambiente.
Finalmente, se presentan imágenes con las microestructuras de los resortes después de ser sometidos a los diferentes tratamientos térmicos donde se puede evidenciar el cambio en propiedades como la dureza.
V. RESULTADOS Y ANÁLISIS
A partir de los datos tomados en la práctica de laboratorio se realizaron tablas y gráficas que permitan la comparación entre las características mecánicas que confiere el proceso térmico a los resortes.
Además gracias al análisis microestructural también se puede hacer una comparación en cuanto a la composición física de la estructura y cómo se relaciona ésta con el cambio de sus propiedades.
Resorte Patentado
Carga(g) Distancia(cm)
0 0
500 2,6
1000 4,9
1500 7,6
2000 10,4
2500 12,8
3000 15,6
3500 17,8
Para el caso de los resortes revenidos a diferentes temperaturas no sufren grandes cambios entre ellos respecto a la distancia de estiramiento, de lo cuál podemos deducir que la temperatura a la cuál son revenidos no les confiere propiedades notables o características
Resorte Revenido 300°C
Carga(g) Distancia(cm)
0 0
500 1,2
1000 2
1500 2,7
2000 3,7
2500 4,6
3000 5,6
3500 6,4
0 5 10 15 20
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
D
istanc
ia(cm
)
Carga(g)
Resorte patentado
0 2 4 6 8
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
D
istanc
ia(cm
)
Carga(g)
Resorte Revenido 450°C
Carga(g) Distancia(cm)
0 0
500 1,1
1000 1,9
1500 2,8
2000 3,7
2500 4,5
3000 5,4
3500 6,3
Resorte Revenido 600°C
Carga(g) Distancia(cm)
0 0
500 1
1000 1,9
1500 2,8
2000 3,6
2500 4,3
3000 5,4
3500 6,2
En el caso del resorte templado a 820°C y enfriado en agua sufrió rompimiento a los 37.8 cm aproximadamente, de lo cuál podemos deducir que aunque el tratamiento térmico le confiere dureza también le confiere fragilidad.
Resorte Templado y enfriado en agua 820°C
Carga(g) Distancia(cm)
0 0
500 3,3
1000 6,1
El resorte sometido a tratamiento térmico de recocido sufre un gran estiramiento en relación a la carga soportada y en comparación con los otros tratamientos, esto puede deberse a la menor exposición ambiental que sufre durante su enfriamiento que se hace dentro del horno durante 24 horas.
0 2 4 6 8
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
D
istan
ci
a(c
m
)
Carga(g)
Resorte Revenido 450°C
0 2 4 6 8
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500
D
istan
ci
a(c
m
)
Carga(g)
Resorte Revenido 600°C
0 2 4 6 8
0 500 1000
D
istanc
ia(cm
)
Carga(g)
Resorte Recocido 820°C
Carga(g) Distancia(cm)
0 0
500 2,5
1000 5,7
1300 25,1
1500 34,5
Efecto del tratamiento térmico en las propiedades microestructurales del resorte
Estado de entrega (patentado) HV (dureza) 525
En estado vainítico se puede observar una estructura uniforme con una dureza promedio
Recocido 820 °C HV 235
Para el tratamiento de recocido podemos observar una disminución en la dureza por pérdida de carbono ya que el oxígeno penetra en el material y lo oxida formando una mayor cantidad de ferrita que perlita.
Templado a 820°C HV 730
Podemos presenciar un aumento notable en la dureza del material, lo que concuerda con el análisis antes realizado sobre el rompimiento del resorte sometido a este tratamiento en la práctica de laboratorio. Además se puede notar la aparición de martencita en la estructura.
0 5 10 15 20 25 30
0 500 1000 1500
D
istan
ci
a(c
m
)
Carga(g)
Templado a 820°C Revenido a 300°C HV 620
Templado a 820°C Revenido a 450°C HV 470
Templado a 820°C Revenido a 600°C HV 352
Aunque en la práctica de laboratorio no fue muy evidente la diferencia entre los tratamientos de revenido a diferentes
temperaturas se puede analizar como al aumentar la temperatura disminuye la dureza y de la misma forma disminuye la fragilidad.
En las tres estructuras se observa martencita como componente estructural principal.
VI. CONCLUSIONES
• Los tratamientos térmicos aplicados en los resortes, generan diferentes propiedades que los vuelven adecuados para ser sometidos a cierta tensión.
• Luego de someter los resortes a los estiramientos en el soporte, el único que se rompió fue el que se había templado y enfriado en agua esto se debe a que es el que más dureza adquiere pero al mismo tiempo se vuelve más frágil.
• La relación entre dureza y fragilidad es inversamente proporcional en los resortes ya que la elasticidad de un resorte disminuye cuando se somete a un tratamiento que le confiere una estructura más rígida y se vuelve propenso a la fractura.
REFERENCIAS
[1].http://www.dimf.upct.es/personal/MM_I/Practicas%20Materi ales.pdf
[2].http://kambry.es/Apuntes%20Web/Tratamientos%20termicos. pdf
