Influencia del tiempo y los elementos de aleación en la profundidad de la capa cementada de los aceros SAE 1018 Y 8620

(1)

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA UNIDAD PROFESIONAL AZCAPOTZALCO

“INFLUENCIA DEL TIEMPO Y LOS ELEMENTOS DE ALEACIÓN EN LA PROFUNDIDAD DE LA CAPA CEMENTADA DE LOS ACEROS SAE 1018 Y 8620”

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE:

INGENIERO MECÁNICO P R E S E N T A N :

DANIEL DE SANTIAGO RIVERA JAVIER GONZÁLEZ RAMÍREZ

MÉXICO D. F. 2006

(2)

(3)

DANIEL DE SANTIAGO RIVERA

A mi padre, por haberme alentado y conducido por el camino correcto para ser alguien en la vida

A mi madre, a quien le agradezco infinitamente sus sacrificios, apoyo y cariño, sin lo cual no hubiera podido lograr este objetivo

Con respeto y admiración a mis hermanos Pepe

Jorge

Verónica y Alejandra

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JAVIER GONZÁLEZ RAMÍREZ

A MIS PADRES.

Quienes me han heredado el tesoro más valioso que puede dársele a un hijo:

Amor. Quienes sin escatimar esfuerzo alguno han sacrificado gran parte de su vida, me han formado y educado.

A quienes la ilusión de su existencia ha sido convertirme en una persona de provecho.

A quienes nunca podré pagar todos los desvelos ni con las riquezas más grandes del mundo.

Y a Dios le agradezco eternamente la dicha de tener unos padres como ustedes.

Hoy y siempre gracias por lo que juntos hemos logrado.

A MIS HERMANOS

Félix, Gerardo y Verónica gracias por estar conmigo apoyándome en las buenas y en las malas, ya que el apoyo moral que me han brindado me ha servido para madurar y seguir superándome.

A MIS MAESTROS

A todos los maestros que me dieron clases durante este corto tiempo de formación profesional, les doy las gracias por haberme transmitido sus conocimientos y experiencias que me han hecho crecer como persona y profesionalmente.

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“INFLUENCIA DEL TIEMPO Y LOS ELEMENTOS DE ALEACIÓN EN LA PROFUNDIDAD DE LA CAPA CEMENTADA DE LOS

ACEROS SAE 1018 Y 8620”

Í N D I C E

Páginas

Objetivo... 1

Introducción….………... 2

CAPÍTULO I COMPOSICIÓN MICROSCÓPICA DE LOS ACEROS 1.1 Diagrama de Equilibrio de las aleaciones Hierro-carbono.……... 5

1.1.1 Diagrama de equilibrio de las aleaciones del sistema Fe – Fe3C……... 6

1.2 Definición de estructuras.……….. 10

1.3 Líneas de temperatura crítica……… 12

CAPÍTULO II CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS 2.1 Números de especificación AISI y SAE……….. 14

2.2 Aceros de carburación o cementación………... 16

2.3 Aceros al carbono………. 17

2.4 Aceros débilmente aleados……… 18

2.5 Aceros de alta aleación………... 19

2.6 Selección de los aceros de cementación………... 20

2.7 Tamaño de grano o posible crecimiento del tamaño de grano de los aceros de cementación………. 21

2.8 Influencia de los elementos aleados en los aceros de cementación………. 22

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CAPÍTULO III

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

3.1 Fundamentos del tratamiento térmico……… 26

3.2 Transformaciones al calentar los aceros………... 27

3.2.1 Crecimiento de grano de austenita……….. 28

3.3 Transformaciones al enfriar los aceros……….. 30

3.3.1 Transformación de la austenita………. 30

3.4 Recocido y normalizado de los aceros………... 33

3.5 Temple de los aceros………... 35

3.6 Templabilidad de los aceros……….. 38

3.7 Revenido del acero templado……… 39

CAPÍTULO IV TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS 4.1 Cementación...……… 42

4.2 Cementación con materias sólidas……….. 42

4.3 Cementación con materias gaseosas………. 45

4.3.1 Efecto de la temperatura……… 45

4.3.2 Efecto del tiempo………. 47

4.4 Cementación con materias liquidas………. 49

4.5 Capa cementada……… 50

4.6 Temple de piezas cementadas……….. 51

4.7 Nitruración y carbonitruración……….. 52

4.7.1 Nitruración gaseosa……… 52

4.7.2 Nitruración liquida……… 53

4.7.3 Carbonitruracion (cianuración liquida.)……… 53

4.7.4 Carbonitruración gaseosa……….. 53

4.8 Sulfinización……… 53

CAPÍTULO V ENSAYOS DE DUREZA Y DESGASTE DE LOS METALES 5.1 Dureza………... 56

5.2 Ensayo de dureza Rockwell……… 56

5.3 Ensayo de dureza Vickers………... 58

5.4 Desgaste de los metales……….. 60

5.4.1 Introducción………... 60

5.4.2 Mecanismo de desgaste (tipos de desgaste)……….. 61

5.4.3 Factores que influyen en el desgaste………... 63

5.4.4 Otras formas de desgaste……….. 63

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CAPÍTULO VI

DESARROLLO EXPERIMENTAL DEL PROCESO DE CEMENTACIÓN

6.1 Desarrollo experimental………... 65

6.1.1 Equipo empleado………. 65

6.1.2 Análisis químicos de los aceros empleados en el tratamiento de cementación……… 66

6.1.3 Metodología experimental……….. 66

6.2 Análisis metalográfico en microscopio óptico……….. 68

6.3 Análisis metalográfico en microscopio electrónico (medición de profundidad de la capa cementada………... 70

6.4 Ensayos de dureza……… 73

6.5 Ensayo de abrasión………... 77

6.5.1 Resultados de la prueba de desgaste en condiciones secas, húmedas y abrasivas………... 79

Análisis de resultados……….. 97

Conclusiones………... 101

Índice de tablas, figuras y fotografías……….. 102

Anexos………... 108

Referencias bibliográficas……….. 109

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OBJETIVO

Objetivo

Esta tesis tiene como objetivo principal, que el Ingeniero pueda seleccionar correctamente el acero para cementación y que conozca la influencia que tiene el tiempo y los elementos de aleación del acero en la profundidad de la capa cementada, comprobándolo mediante el proceso de cementación sólida, ensayos de dureza y desgaste en los aceros SAE 1018 y 8620.

Puesto que el tratamiento de cementación consiste en la adición de carbono en la superficie del acero, es decir, un endurecimiento superficial, que da como resultado una superficie resistente al desgaste y un núcleo tenaz. Este tratamiento se realiza a ruedas dentadas, bulones de pistón, levas, árboles y componentes de maquinaria en general, es de gran importancia el acierto en la elección del material, ya que el resultado de la máquina depende de la correcta selección del acero y del tratamiento térmico que se le efectué al material.

Los elementos de máquinas (levas, ruedas dentadas, árboles, etc.) están en constante rozamiento lo cual produce calor y a su vez desgaste, esto depende de la lubricación y dureza del material. De aquí la importancia de que estos elementos sean sometidos al tratamiento de cementación, ya que de lo contrario, si estos estuvieran trabajando sin tratamiento térmico tendríamos que cambiarlos constantemente y a la larga la inversión es mayor. Y como sabemos el desgaste siempre esta presente en materiales que trabajan entre sí, pero podemos lograr una mayor resistencia a este fenómeno mediante tratamientos térmicos (cementación, nitruración, carbonitruración, temple, revenido, etc.).

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INTRODUCCIÓN

INTRODUCCIÓN

Como el número de materiales disponibles y la cantidad de información sobre sus propiedades aumenta progresivamente, hay que procurar adquirir un conocimiento más completo cuando se proyecta (para condiciones reales). Al hacer la elección del material, la experiencia adquirida es buena guía, tanto que los ingenieros desestiman demasiado las posibilidades que les ofrecen los nuevos materiales. El mejor material es aquel que sirve para la finalidad propuesta con bajo coste para la manufactura y para la conservación en funcionamiento de la pieza acabada, pero este material no siempre es fácil de encontrar. El hallazgo puede implicar tanteos o pruebas y errores. Algunas veces la elección del material exige un trabajo de investigación intenso y costoso, realizado por un grupo de ingenieros y científicos. Como el resultado de la máquina depende frecuentemente del material, es muy importante el acierto en su elección, lo que requiere amplios conocimientos.

La cementación de piezas mediante cementantes sólidos, líquidos o gaseosos se usa ampliamente hoy en día, a fin de lograr una mayor resistencia al desgaste en la superficie del material. El acero de cementación que combina una superficie dura y resistente al desgaste con un núcleo tenaz es el material más indicado; para fabricación de engranajes en la industria de automotores y maquinaria se utiliza en proporciones importantes este grupo de aceros, sea con o sin aleación.

El progreso en el ramo de los aceros de cementación ha llevado a una gran variedad de aleaciones. La elección de las calidades más apropiadas depende de los distintos puntos de vista y de consideraciones de índole técnico-experimental, intervienen, además, otros factores, tales como dureza y tenacidad en el núcleo no carburado después del temple final, debiéndose prestar atención a la selección del medio de temple por razones de deformación.

En la industria de elaboración de aceros, sobre todo tratándose de producción en serie, se impone cada vez más el proceso de carburación con cementantes gaseosos.

El temple puede realizarse directamente desde la temperatura de carburación, o bien dentro de la histéresis, lo que asegura máxima economía, favorables propiedades de núcleo y reducida distorsión. Los aceros empleados a este fin deben contar con una estructura que no da lugar a un crecimiento de grano en la zona superficial, a temperaturas superiores a AC₃ (910°C).

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INTRODUCCIÓN

Mientras que se emplean los aceros comunes para construcciones mecánicas en estado natural o normalizado, suelen utilizarse los aceros especiales de calidad para mayores exigencias, en estado refinado. El procedimiento de tratamiento térmico de refinación que consiste en un temple con posterior revenido a elevadas temperaturas trasmite al material mayor resistencia y también otras propiedades deseadas, tales como una mejor resistencia a la tracción, límite de cedencia, resistencia a la fatiga, resiliencia y durabilidad mejoradas, etc. Por ello, los aceros para temple y revenido se adaptan, según su estructura, para resistir a altas y óptimas tensiones dinámicas y estáticas.

La selección del material más apropiado con una determinada resistencia, o bien con un límite de cedencia mínimo, importan, así como tenacidad, depende de la capacidad del temple y revenido entero del respectivo acero, es decir de la posibilidad de conservar las propiedades de refinación hasta en el núcleo del material.

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CAPÍTULO I COMPOSICIÓN MICROSCÓPICA DE LOS ACEROS

CAPÍTULO I

COMPOSICIÓN MICROSCÓPICA DE LOS ACEROS

Las aleaciones hierro-carbono comprenden aceros y hierros de fundición que son los materiales metálicos más importantes en la construcción de maquinaria.

En las aleaciones hierro-carbono los componentes son hierro y carbono. En la figura se muestra la curva de enfriamiento del hierro puro (figura 1.1) con indicación de las formas alotrópicas y temperaturas de sus transformaciones. Estas formas alotrópicas α y γ existen también en las aleaciones hierro- carbono, pero la temperatura de las transformaciones se desplaza algo según el contenido de carbono en la aleación.

Figura 1.1 Curva de enfriamiento del hierro puro

El segundo componente de la aleaciones hierro-carbono, es el carbono (C),

forma con el hierro la composición química Fe

3

C (carburo de hierro: cementita) con

un contenido de carbono igual a 6,67%.

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1.1 Diagrama de Equilibrio de las aleaciones Hierro-carbono

El resultado actual del diagrama de equilibrio de las aleaciones hierro-carbono (figura 1.2) fue establecido como resultado de las investigaciones hechas por varios científicos. La elaboración de este diagrama fue empezada por D. Chernov, quien estableció en 1868 los puntos críticos del acero. Más tarde volvió a estudiar reiteradamente este diagrama.

Figura 1.2 Diagrama de equilibrio de las aleaciones de hierro-carbono; las líneas gruesas se refieren al sistema de Fe – Fe3C; las líneas punteadas (horizontales e inclinadas) se refieren al sistema de Fe - C

Las aleaciones hierro-carbono pertenecen al tipo de aleaciones que forman

una composición química.

(13)

A continuación se examina solo aquella parte del diagrama de equilibrio que comprende las aleaciones con contenido de C hasta 6,67%, puesto que las aleaciones con mayor contenido de carbono no se aplican en la práctica. El carbono se puede encontrar en las aleaciones hierro-carbono, tanto en estado ligado (Fe

3

C), como en estado libre (C, es decir, grafito), por eso, el diagrama comprende dos sistemas:

a) Fe – Fe

3

C (metaestable); este sistema está representado en el diagrama de la figura anterior con líneas llenas gruesas y comprende aceros y fundiciones blancas, o sea, las aleaciones con el carbono ligado, sin carbono libre (grafito).

b) Fe – C (estable), en el diagrama se representa con líneas punteadas; este sistema expone el esquema de formación de las estructuras en las fundiciones grises y atruchadas donde el carbono se encuentra total o parcialmente en estado libre (grafito).

Para estudiar las transformaciones que tienen lugar en aceros y fundiciones blancas se emplea el diagrama Fe – Fe

3

C, y para estudiar las fundiciones grises, ambos diagramas (Fe – C y Fe – Fe

3

C).

1.1.1 Diagrama de equilibrio de las aleaciones del sistema Fe – Fe3C.

El diagrama de equilibrio de las aleaciones hierro-cementita esta representado con líneas llenas gruesas (Figura 1.2); comprende las estructuras y las transformaciones que se verifican en los aceros y las fundiciones blancas. Este se asemeja a los diagramas de equilibrio de las elaciones típicas, o sea, aquí tenemos una transformación peritéctica (parte superior izquierda), solubilidad limitada en estado sólido, compuesto químico, eutéctica; pero también se tiene algo nuevo: las líneas de temperatura por debajo de sólidos, que comprenden a todas las aleaciones del sistema y que indican la cristalización secundaria de las aleaciones.

En el eje de las abscisas se da el contenido de carbono en las aleaciones en tanto por ciento, hasta el 6,67%, o sea, hasta la concentración del segundo componente del sistema: de la cementita. En el mismo eje (fila anterior de cifras) se marca el contenido de cementita en las aleaciones en por ciento desde 0 a 100%.

Para la cantidad de carbono igual a 6,67%, el contenido de cementita se toma igual a 100%.

Examinemos el diagrama de equilibrio de los componentes Fe – Fe

3

C. El punto A en la ordenada del hierro puro corresponde a la temperatura de

solidificación del hierro puro (1539°C), el punto D en la ordenada corresponde a la

temperatura de solidificación de la cementita (~1550°C).

(14)

Según el carácter de transformación de las aleaciones con el cambio de temperatura, todo el diagrama se puede dividir en dos partes: 1) la superior, que comprende la cristalización primaria de las aleaciones a partir de líquidos ABCD, hasta sólidos AHJECF; 2) la inferior, desde sólidos hasta el enfriamiento completo, que comprende los procesos de cristalización secundaria de las aleaciones.

Por encima de líquidos ABCD, las aleaciones con cualquier concentración se hallan en estado líquido. La línea de sólido AHJECF muestra la temperatura de solidificación de las aleaciones, o sea, en esta línea terminan los procesos de cristalización primaria. Entre sólidos y GPSK tienen lugar los procesos de cristalización secundaria de las aleaciones.

Según la composición (concentración) de las aleaciones el diagrama de equilibrio se puede dividir en dos zonas: A) zona de los aceros con contenido de carbono hasta 2% (en estas aleaciones no hay eutéctica-ledeburita) y B) la zona de las aleaciones con contenido de carbono de 2 a 6,67% (en estas aleaciones se forma eutéctica-ledeburita).

A) Zonas de cristalización primaria. La zona ABH mostrada en la figura 1.2,

es aquella, donde a partir de la aleación líquida, se preparan los cristales de la solución sólida de carbono en el hierro-δ, es decir, Fe

δ

(C). En la zona ABH se tiene el equilibrio de dos fases: los cristales de la solución sólida Fe

δ

(C) con concentración variable (la composición de estos cristales varía a lo largo de la línea AH), y solución líquida (L) con concentración también variable (la composición de la solución líquida varía a lo largo de la línea AB). En la línea AH solidifican las aleaciones con contenido de carbono hasta el 0,1% de C, y por debajo de la línea AH existe una fase, o sea, la solución sólida Fe

δ

(C). En la horizontal HJB (1496°C) se realiza la reacción peritéctica: la fase líquida con concentración de 0,51% de C y solución sólida de carbono en el hierro-δ [Fe

δ

(C)] que tiene concentración de 0,18% de C, o sea, se tiene e equilibrio invariante de tres fases. La solución sólida de carbono en el hierro-γ se designa por Fe

γ

(C) y se denomina austenita.

La zona JBCE comprende las aleaciones con el contenido de C hasta 4,3%.

Por debajo de la línea JB la solución sólida Fe

δ

(C) se transforma en Fe

γ

(C); la línea

BC señala el principio de separación en la solución líquida de los cristales de

solución sólida de carbono en el hierro-γ, o sea, la austenita Fe

γ

(C); en la línea JE

finaliza la cristalización de las aleaciones hasta el límite de 2% de C con formación

de la austenita Fe

γ

(C); por debajo de la línea JE se encontrara solamente la

austenita. Entre las líneas BC y JEC las aleaciones tienen el estado bifásico: los

cristales de austenita Fe

γ

(C) (que varían su composición a lo largo de la línea JF) y

la aleación líquida (L), que cambia su composición a lo largo de la línea BC. A

1130°C la austenita (punto E), contiene el 2% de C, y la parte líquida de la aleación

(punto C), el 4,3% de C. A 1130°C, a lo largo de la línea EC, tiene lugar la

solidificación de las aleaciones con contenido de C de 2 – 4,3%. Aquí la aleación

líquida se transforma en la eutéctica, que se denomina ledeburita y representa una

mezcla de cristales Fe

γ

(C) y Fe

3

C.

(15)

La aleación con contenido de 4,3% de carbono se destaca entre las otras aleaciones del sistema: ésta se solidifica, no en el intervalo de temperaturas (de líquidos y sólidos), como las otras aleaciones, sino a la temperatura del punto C (1130°C), formando la eutéctica-ledeburita sin fases sobrantes.

En la zona DCF de la figura 1.2, la línea de líquido DC muestra el principio de la separación, a partir de la separación líquida, de los cristales de la cementita primaria Fe

3

C

I

. En el intervalo desde DC hasta CF, las aleaciones tienen un sistema bifásico, o sea, los cristales de cementita, que se separan de la aleación líquida, y la parte líquida de la aleación, cuya composición varía según la línea DC hasta la concentración de 4,3% de C. En la línea de sólido CF termina la cristalización de las aleaciones con formación de la eutéctica, que se compone de Fe

γ

(C) y Fe

3

C. De tal modo, a consecuencia de la cristalización primaria, en el sistema hierro-cementita se forman las estructuras siguientes: a) aleaciones con contenido hasta 0,1% de C solución sólida Fe

δ

(C); b) aleaciones con 0,1 a 0,18% de C mezcla de las soluciones sólidas Fe

δ

(C) y Fe

γ

(C); c) aleaciones con 0,18 a 2% de C, o sea, solución sólida – austenita Fe (C); d) aleaciones con 2 a 4,3% de C, o sea, austenita y ledeburita; e) aleación con 4,3% de C, o sea, ledeburita; f) aleaciones con 4,3 a 6,67% de C, o sea, cementita y ledeburita.

Como ya se ha indicado, todas las aleaciones del sistema Fe – Fe

3

C, según los constituyentes estructurales que se obtienen debido a la cristalización primaria, se dividen en: aceros, o sea, aleaciones con contenido de carbono hasta 2% (en la parte izquierda del diagrama), en las cuales no se forma ledeburita, y fundiciones (blancas), o sea, aleaciones con contenido de carbono de 2 a 6,67%, en las cuales se forma ledeburita.

B) Cristalización secundaria de las aleaciones. Las transformaciones que

se verifican en las aleaciones en estado sólido y a temperatura por debajo de sólidos, se denominan cristalizaciones secundarias de las aleaciones. Examinemos, en primer término, la cristalización secundaria en los aceros (figura 1.2), o sea, en las aleaciones con contenido de carbono hasta 2%. En las aleaciones con contenido de carbono hasta 0,1%, a lo largo de la línea NH tiene lugar la transformación polimorfa, con la formación de muchas formas, Fe

δ

(C) Fe

γ

(C). Pero las aleaciones con contenido de carbono del 0,1 al 0,18% (en la zona NHJ) poseen dos fases durante la transformación δ γ, la Fe

δ

(C) y la Fe

γ

(C) con concentración variable a lo largo de HN y JN respectivamente.

En la zona entre las líneas NJE y GSE, todos los aceros con contenido de

carbono hasta 2% se encuentran en el estado monofásico y tienen la estructura de la

austenita Fe

γ

(C).

(16)

El acero con 0,8% de carbono (eutectoide), por encima del punto S (723°C), se encuentra en el estado de austenita. En el punto S se verifica la transformación eutectoide similar a la eutéctica, o sea, la austenita se transforma en una mezcla de

ferrita y cementita que se denomina perlita, según la siguiente reacción:

Fe

γ

(C) Fe

α

+ Fe

3

C. Esta transformación es invariante, ya que hay tres fases: Fe

γ

(C) + Fe

α

(C) y Fe

3

C (C=2+1-3=0).

Por debajo de la temperatura eutectoide el acero dado tiene la estructura perlítica (figura 1.3, c). Este acero se llama acero eutectoide, la transformación en el punto S se denomina eutectoide y la temperatura de transformación (723°C) se denomina temperatura eutectoide.

El acero eutectoide (0,8% de C) divide todos los aceros en dos grupos:

1) aceros hipoeutectoides con contenido de carbono hasta 0,8% y 2) aceros hipereutectoides con 0,8 – 2,0% de C.

Figura 1.3. Microestructura del hierro y del acero: a) hierro (ferrita); b) acero hipoeutectoide con 0,5% de carbono (ferrita + perlita); c) acero eutectoide con 0,8% de carbono (perlita); d) acero hipereutectoide con 1,3% de carbono

(perlita + malla de cementita)

Transformaciones en los aceros hipoeutectoides durante el enfriamiento. La

línea GS de la figura 1.2, indica el principio de la separación a partir de la austenita,

de los cristales de ferrita Fe

α

(C), debido a la transformación δ γ. En la zona GSP

hay dos fases: los cristales de ferrita Fe

α

(C) con concentración variable (la

concentración del carbono en la ferrita cambia a lo largo de la línea GP y a los 723°C

se disuelve en la ferrita el 0,025% de C). Los cristales de austenita Fe

γ

(C) tienen

composición variable: la composición de la austenita varía a lo largo de la línea GS y

a los 723°C contiene el 0,8% de carbono (punto S). A consecuencia de la

cristalización secundaria y el enfriamiento total, los aceros hipoeutectoides tienen las

estructuras de ferrita + perlita (figura 1.3, b) [ferrita Fe

α

(C) con 0,008% de C].

(17)

Transformaciones en los aceros hipereutectoides. A lo largo de la línea ES se precipitan, a partir de la austenita, los cristales de la cementita secundaria Fe

3

C

II

, o sea, en el intervalo de temperaturas desde ES a SK (figura 1.2) los aceros tienen un estado bifásico: la austenita Fe

γ

(C) de concentración variable. La composición de la austenita cambia a lo largo de la línea ES y a los 723°C contiene 0,8% de C y cementita secundaria Fe

3

C

II

. En la línea SK (723°C) la austenita se transforma en perlita (transformación eutectoide). La estructura de los aceros hipereutectoides, debido a un enfriamiento total, está compuesta de perlita y cristales libres (sobrantes) de cementita secundaria (ver figura 1.3, d).

Así el análisis de la zona de aceros del diagrama de equilibrio Fe – Fe

3

C (figura 1.2), es decir, los resultados de la cristalización primaria y secundaria, muestran que todos los aceros según su estructura se pueden dividir en tres tipos. La estructura de estos aceros viene dada en la tabla 1.

Tabla 1.1 Tipos de estructura de los aceros al carbono

Tipo de acero Contenido de carbono Estructura

Eutectoide 0,8% Perlita

Hipoeutectoides 0 – 0,8% Ferrita + Perlita

Hipereutectoides 0,8 – 2,0% Perlita + Cementita

1.2 Definición de estructuras.

Ahora se definirán los nombres que, por razones descriptivas o conmemorativas, se han asignado a las estructuras que aparecen en el diagrama hierro-carbono.

La cementita o carburo de hierro, fórmula química Fe

3

C, contiene 6,67% de C por peso. Es un compuesto intersticial típicamente duro y frágil de baja resistencia a la tensión (aprox. 5 000 lb/pulg

²

), pero de alta resistencia a la compresión. Es la estructura más dura que aparece en el diagrama. Su estructura cristalina es ortorrómbica.

Austenita es el nombre dado a la solución sólida γ. Es una solución sólida intersticial de carbón disuelto en hierro γ (cúbica centrada en las caras). La máxima solubilidad es del 2% de C a 1130°C (punto C). Las propiedades promedio son:

resistencia a la tensión, 150 000 lb/pulg

²

; elongación, 10% en 2 pulgadas; dureza R

C

=40, aproximadamente; y alta tenacidad. Generalmente no es estable a la temperatura ambiente. Bajo ciertas condiciones, es posible obtener austenita a la temperatura ambiente, y su microestructura se muestra en la figura 1.4, a.

Ledeburita es la mezcla eutéctica de austenita y cementita; contiene 4,3% de

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Ferrita es el nombre dado a la solución sólida α. Es una solución sólida intersticial de una pequeña cantidad de carbón disuelto en hierro α (cúbica centrada en el cuerpo) (figura 1.4, b). La máxima solubilidad es de 0,025% de C a 723°C (punto H), y se disuelve solo a 0,008% de C a temperatura ambiente. Es la estructura más suave que aparece en el diagrama. Las propiedades promedio son: resistencia a la tensión, 40 000 lb/pulg

²

; elongación, 40% en 2 pulgadas; dureza menor que la R

C

=0 o que la R

B

=90.

Perlita (punto J) es la mezcla eutectoide que contiene 0,80% de C y se forma a 723°C a un enfriamiento muy lento. Es una mezcla muy fina, tipo placa o laminar de ferrita y cementita. La figura 1.4, c muestra la fina mezcla tipo huella dactilar, llamada perlita. La base o matriz ferrítica blanca que forma la mayoría de la mezcla eutectoide contiene delgadas placas de cementita. La figura 1.4, d muestra la misma estructura, amplificada 17 000 veces con el microscopio de electrones. Las propiedades promedio son: resistencia a la tensión, 120 000 lb/pulg

²

; elongación, 20% en 2 pulgadas; dureza R

C

=20, R

B

=95-100 ó BHN=250-300.

Figura 1.4 Microestructura de: a) austenita, 500x; b) ferrita, 100x; c) perlita, 2 500x; d) perlita, micrógrafo de electrones, 17 000x; aumentada 3x al imprimir. (a, b y c, Research Laboratory, U. S. Steel Corporation)

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1.3 Líneas de temperatura crítica

Al estudiar el diagrama hierro-carbono, se puede ver que para cada acero existen ciertas temperaturas, en la que el calentamiento y el enfriamiento muy lento hay transformación de los constituyentes microscópicos. La línea crítica en calentamiento es siempre mayor que la línea crítica en enfriamiento. Para distinguir las líneas críticas en calentamiento de las que ocurren en enfriamiento, las primeras se llaman Ac (c de la palabra en francés chauffage, que significa calentamiento) y las segundas Ar (r de la palabra en francés refroidissement, que significa enfriamiento).

Por lo tanto, la línea crítica superior de un acero hipoeutectoide al calentarse se marcaría como Ac

3

y la misma línea en enfriamiento sería Ar

3

.

Ar

4

(1400°C), corresponde a un cambio alotrópico del hierro, que pasa del estado de hierro δ al de hierro γ. El punto Ar

3

(898°C), señala la transformación del hierro γ en hierro α no magnético y el punto Ar

2

(750°C), corresponde a la transformación del hierro α no magnético en hierro α magnético.

Ac

2

se presenta a los 790°C, Ac

3

a los 910°C y Ac

4

a 1410°C, aproximadamente. Esta diferencia que existe entre las temperaturas criticas en el enfriamiento y en el calentamiento, revela la resistencia que oponen los sistemas cristalinos a transformarse, indicando, además que las temperaturas críticas reales se hallan sin duda entre Ac

3

– Ar

3

y Ac

2

– Ar

2

. Si se pudiera realizar estos calentamientos o enfriamientos a una velocidad infinitamente lenta, los puntos críticos se hallarían a la misma temperatura en el calentamiento y en el enfriamiento de la figura 1.5.

En el diagrama teórico hierro-carbono, que se refiere a calentamientos o

enfriamientos infinitamente lentos, se dice que la transformación perlita-austenita, o a

la inversa austenita-perlita, se verifica a 721°C, y en cambio al referirse a un proceso

industrial de calentamiento, en el que la transformación perlita-austenita ha ocurrido

a 720°C ó 740°C, y en el enfriamiento, a 690°C ó 700°C. Además hay que tener en

cuenta que, así como la temperatura teórica de 721°C es fija, las otras dependen de

la velocidad de calentamiento o enfriamiento. De las diversas transformaciones de

los aceros, la de perlita-austenita es una de las más importantes. Además, es

también la que mejor se señala en los ensayos dilatométricos y en los pirómetros de

los aparatos de determinación de puntos críticos y aún los de los hornos de

tratamiento cuando los aceros llegan a alcanzar esas temperaturas. El hierro puro no

sufre en cambio ninguna transformación en la zona de 721°C.

(20)

Figura 1.5 Temperaturas críticas de los aceros al carbón en el diagrama de equilibrio hierro-carbono

(21)

CAPÍTULO II CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS

CAPÍTULO II

CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS

2.1 Números de especificación AISI y SAE

Existen numerosas especificaciones de materiales normalizadas o estándar.

Algunas grandes organizaciones de consumidores y casi todos los productores tienen sus propias normas. Los organismos militares tienen gran número de ellas.

Sin embargo, las principales organizaciones cuyas especificaciones se usan más generalmente en Estados Unidos son: la Sociedad Norteamericana de Ensayo de Materiales (ASTM = American Society for Testing Materials), la Sociedad de Ingenieros Automotrices (SAE = Society of Automotive Engineers) y el Instituto Norteamericano del Hierro y del Acero (AISI = American Iron and Steel Institute). Los números de especificación SAE y AISI son iguales para el acero, excepto en que la AISI utiliza los prefijos B, C, D y E para indicar el método de obtención del acero (ver tabla 2.1).

En general y en lo que se refiere al acero, la primera cifra (o las dos primeras) del número representa un tipo de acero, por ejemplo 1XXX es un acero al carbono corriente, 11XX es un acero al carbono corriente con mayor contenido de azufre para facilidad de corte, 2XXX es un acero al níquel. Las dos últimas cifras en un número de especificación de cuatro cifras, se refieren al contenido aproximado o promedio de carbono en puntos o centésimas de 1%. Por ejemplo, un SAE 1030 o un AISI C1030 tiene aproximadamente un 0,30% de carbono, es decir, 30 puntos de carbono (el intervalo nominal de contenido de carbono es 0,28 – 0,34%). En el 8620, el contenido medio de carbono es aproximadamente 0,20% (intervalo de 0,18 – 0,23%).

En el sistema AISI, los prefijos tienen los significados siguientes: B, acero

Bessemer ácido al carbono; C, acero Siemens-Martín (o de hogar abierto) básico al

carbono; D, acero Siemens-Martín ácido al carbono; E, acero de horno eléctrico

(ordinariamente aleado). Las letras B o L en medio del número de la especificación

indican que han sido añadidos boro o plomo, respectivamente, como 94 B 40 y 11 L

41. Una H al final indica que el material puede ser adquirido con una templabilidad

especificada, 9840H.

(22)

Tabla 2.1 Sistema de numeración de las especificaciones AISI y SAE para aceros

ACERO SAE ACERO SAE

Ordinario al carbono 10XX Molibdeno-cromo-níquel 47XX

Fácil mecanización 11XX Molibdeno-níquel 48XX

Manganeso 13XX Cromo

(resistente al calor y ala corrosión) 5XXX 514XX 515XX

Boro 14XX Cromo-vanadio 6XXX

Níquel 2XXX Níquel-cromo-molibdeno

Silicio- manganeso 92XX

Níquel-cromo

(resistente al calor y a la corrosión)

3XXX 303XX

Níquel-cromo-molibdeno (excepto

92XX) 9XXX

Molibdeno 4XXX Molibdeno-cromo 41XX

Molibdeno-cromo-níquel 43XX

Molibdeno-níquel 46XX

Sugerencias para el uso típico del acero dulce al carbono ordinario.

Carbono, 10-20 puntos, grupo 10XX. Utilizado para tuberías, forjados, piezas de acero prensadas, tornillos, remaches o roblones y para piezas de superficie endurecida (Cementada).

Carbono, 10-20 puntos, grupo 11XX. Debido a que tiene mayor contenido de azufre en ciertos tipos, es de corte fácil y bueno para utilizarlo en máquinas roscadoras automáticas para la fabricación de partes diversas, incluyendo tornillos;

pueden también cementarse. Para endurecimiento superficial, los aceros de hogar abierto o Siemens-Martín identificados por el símbolo C en la especificación AISI, son preferibles. Los aceros de más alto contenido de carbono del grupo 11XX, como 1141, contienen más manganeso y se prestan al tratamiento térmico para mejorar sus propiedades mecánicas. Estos aceros no se sueldan, usualmente.

Carbono, 20-30 puntos. Tipos de aceros para aplicación en general, utilizados para piezas forjadas y mecanizadas; tornillos; también para acero estructural y planchas de caldera.

Carbono, 30-55 puntos. Con 0,40-0,50% C, utilizados frecuentemente para

piezas diversas forjadas y mecanizadas; ejes. A menudo tratados térmicamente para

mejorar sus propiedades mecánicas. Acabados en frío para ejes y piezas análogas.

(23)

Carbono, 60-95 puntos. Pueden ser endurecidos para obtener un buen filo a borde cortante, especialmente para los contenidos más elevados de carbono; por consiguiente, se les utiliza para herramientas. También para muelles. Alta resistencia y baja ductilidad. Casi siempre son tratados térmicamente para que tengan una dureza Brinell de 375 o más elevada.

2.2 Aceros de carburación o cementación

Entre los diversos factores que deben tenerse en cuenta para la elección de uno u otro tipo de acero de cementación, los más importantes a considerar son tres:

1º La forma o tamaño de las piezas que se van a fabricar junto con las tolerancias de dimensiones que se exigirán a las piezas después del temple (ya que en función de las tolerancias que se admitan en las deformaciones, se decidirá si el temple se debe hacer en agua, en aceite o por algún otro procedimiento y, en consecuencia, estas condiciones servirán, en gran parte, para señalar los elementos de aleación que debe tener el acero). 2º La resistencia que deben tener las piezas en el núcleo central; y 3º El precio que se puede llegar a pagar por el acero.

A pesar de ser las circunstancias que acabamos de señalar las más importantes para la selección de los aceros de cementación, en la actualidad en muchos talleres se hace todavía la selección por sentimiento o preferencia personal hacia una composición química, más o menos conocida. Esta es una de las causas por la que, a veces, por no valorar debidamente las circunstancias, que antes hemos citado, decisivas en el proceso, no se obtienen buenos resultados en determinadas fabricaciones.

Los aceros de cementación, de acuerdo con los elementos de aleación que contienen, se pueden clasificar en tres grupos: 1º Aceros al carbono; 2º Aceros de media aleación; y 3º Aceros de alta aleación.

Por la resistencia y tenacidad que se puede llegar a alcanzar en el núcleo central de las piezas cementadas, se pueden clasificar en otros tres grupos: 1°.

Aceros de gran tenacidad y baja resistencia, en los que no se suele dar en general gran importancia a la resistencia; con ellas se suele obtener el núcleo central de alargamientos superiores a 14 %, resiliencias superiores a 12 kg/mm

²

y resistencias variables de 60 a 80 kg/mm

²

. 2°.

Aceros de resistencia y tenacidad media, con resistencias en el núcleo variables de 80 a 110 kg/mm

²

, y 3°. Aceros de alta resistencia en el núcleo central con resistencias variables de 110 a 160 kg/mm

²

.

Por el método de realizar el temple al aceite (utilizándose uno u otro método

de enfriamiento según sea el espesor de la pieza); y 4°. Aceros de temple al aceite.

(24)

2.3 Aceros al carbono

En este grupo están incluidos los aceros que sólo contienen en cantidades apreciables carbono, silicio y manganeso, que son los tres elementos fundamentales en los aceros ordinarios; además siempre contienen también pequeños porcentajes de impurezas como fósforo, azufre, oxigeno, etc. Se caracterizan fundamentalmente porque para conseguir normalmente con esos aceros, después de la cementación y temple posterior, durezas superiores a 60 Rockwell-C, es necesario enfriarlos rápidamente en agua, ya que la velocidad crítica de temple del acero de 0,90 % de carbono aproximadamente que constituye la capa cementada es muy elevada. El porcentaje de carbono que contienen suele variar de 0,10 a 0,25 % y algunas veces llega excepcionalmente hasta 0,40 % de C, utilizándose estos últimos sólo en contadísimas ocasiones, porque empleando esos aceros con alto contenido en carbono las piezas quedan, en general, con poca tenacidad en el núcleo central. El porcentaje de silicio suele ser inferior a 0,35 % y el de manganeso suele variar de 0,50 a 0,70 %. Empleando estos aceros al carbono, en el corazón de las piezas cementad as no se suelen obtener resistencias superiores a 80 Kg/mm

²

. En la periferia después del temple rápido en agua, cuando se trata de piezas de tamaño reducido, se consiguen, prácticamente, las mismas durezas que con los aceros aleados. Estos aceros tienen el inconveniente de que cuando se trata de piezas de formas complicadas, las deformaciones pueden ser importantes.

También debe destacarse que durante la cementación, en general, a los aceros al carbono les crece el grano más que a los aceros aleados y, por tanto, quedan más frágiles y para obtener con ellos buenos resultados (tenacidad aceptable) es necesario cuidar bien los tratamientos de regeneración, que con frecuencia suele ser necesario dar después de la cementación.

Para pequeñas piezas suelen emplearse aceros con menos de 0,12 % de C;

tratándose de piezas de tamaño medio, se emplean aceros de 0,12 a 0,17 % de C, y

para las piezas grandes, se emplean aceros de 0,20 % de carbono

aproximadamente. La elección de estos diferentes porcentajes de carbono se hace

porque en las piezas gruesas no se endurece o se endurece muy poco en el temple

el núcleo central, sobre todo en los aceros de muy bajo contenido en carbono, y por

ello se suelen utilizar, como hemos señalado, porcentajes de carbono algo más

elevados en las piezas grandes que en las pequeñas, para alcanzar una dureza

suficiente que pueda soportar sin deformación o aplastamiento las presiones de la

capa exterior dura. Como ya hemos dicho antes, estos aceros al carbono deben ser

templados siempre en agua. Con frecuencia se fabrican estos aceros con

porcentajes de manganeso más elevados (0,60 a 0,90 %) que los que suelen tener

los aceros al carbono de usos generales (Mn = 0,30 a 0,60 %) porque en los aceros

de cementación al carbono, interesa con frecuencia mejorar la templabilidad para

obtener en el proceso buenos resultados.

(25)

2.4 Aceros débilmente aleados

A este grupo pertenecen los aceros de baja aleación, en los que la suma de los porcentajes de elementos aleados, cromo, níquel, molibdeno y manganeso es inferior a 3 %. Entre ellos se encuentran los aceros cromo-molibdeno con Cr = 1 %, Mo = 0,20 % y C = 0,14 % y también los de la misma aleación y más elevado carbono C = 0,17 % y también los de C = 0,21 %. Los aceros níquel-molibdeno con C

= 0,10 a 0,20 %, Ni = I,60 a 2 % y Mo = 0,20 a 0,30 %. En la actualidad son cada día más utilizados los aceros de triple aleación y bajo porcentaje de elemento aleado, cromo-níquel-molibdeno, Los porcentajes de carbono variables desde 0,10 a 0,25 % y con tenidos en Cr = 0,35 a 1 %, Ni = 0,35 a 1,50% y Mo = 0,15 a 0,40%. De todos estos aceros los de más elevada aleación se suelen templar en aceite y los de menos aleación en agua. Para un mismo acero también suele ocurrir que cuando se trata de piezas pequeñas se pueden templar en aceite y las piezas grandes, en cam- bio, se deben templar en agua. A veces, también, es muy interesante enfriar durante unos segundos en agua y pasar luego al aceite. Estas variables en los métodos de enfriamiento se derivan de la templabilidad de estos aceros que, en muchos casos, se encuentran justo en el límite y no llega a ser suficiente para que se pueda realizar el temple en aceite, ya que enfriando en esa forma la dureza superficial que se alcanza no llega a 60 Rockwell-C.

Con estos aceros, combinando los elementos de aleación con un adecuado porcentaje de carbono, variable generalmente de 0,08 a 0,25 %, se llega a alcanzar en el núcleo resistencias variables desde 70 a 130 Kg./mm

²

.

Las diferencias entre las propiedades de los diversos tipos de aceros de este

grupo, son difíciles de señalar y en la mayoría de los casos se pueden conocer esas

diferencias comparando las curvas Jominy indicadas en las figuras 2.1 y 2.2 de las

diferentes clases. Los aceros de triple aleación y bajo porcentaje de elementos

aleados tienen templabilidades muy aceptables y tienen la ventaja de que en su

fabricación se llega a un aprovechamiento muy completo de las chatarras que

contienen elementos de aleación.

(26)

Figura 2.1. Curvas de Jominy de varios aceros de cementación de uso frecuente

Figura 2.2. Curvas Jominy correspondiente a la capa cementada de varios aceros de cementación de uso frecuente

2.5 Aceros de alta aleación

En algunos casos, para la fabricación de piezas de gran responsabilidad, en

que se quieren evitar las deformaciones y se quieren obtener además elevadas

resistencias en el núcleo central, se emplean aceros con elementos de aleación en

porcentajes superiores a 3 %. El contenido en carbono casi siempre suele ser inferior

a 0,20 % de C, pues al ser la templabilidad de estos aceros muy elevada no son

necesarios porcentajes más altos de carbono para alcanzar resistencias en el núcleo

de 90 a 150 Kg/mm

²

.

(27)

A este grupo pertenecen los clásicos aceros al níquel, de C = 0,10 a 0,20 % y Ni = 3 %, y también los de Ni = 5 %. También son muy utilizados para estos usos los aceros cromo-níquel con C = 0,10 a 0,20 %; Cr = 0,75 % y Ni = 3 %, y los de Cr = 1

% y Ni = -1 %. Para piezas de aviones y motores de aviación y piezas de alta resistencia y gran tamaño son muy empleados los aceros cromo-níquel-molibdeno con los mismos o parecidos porcentajes de carbono y elementos de aleación que los cromo-níqueles que acabamos de citar, y contenidos en molibdeno variables de 0,20 a 0,60 %.

En estos aceros, conviene en general conservar el contenido en carbono relativamente bajo para que no se endurezca demasiado el corazón y llegue a disminuir sensiblemente la tenacidad. Para evitar la presencia de austenita retenida, en la zona periférica, después del temple, a veces se da a las piezas tratamientos especiales a temperaturas inferiores a cero grados.

2.6 Selección de los aceros de cementación

Aunque es muy difícil dar unas reglas generales para la elección de aceros destinados a la fabricación de piezas cementadas, ya que es un problema extraordinariamente complejo, por ser muchos los factores que intervienen en el mismo, a título de orientación a continuación en la tabla 2.2 señalamos unas normas que pueden servir de base para su selección.

Tabla 2.2 Normas para la elección de aceros para cementación

Piezas a fabricar Clase de acero Tratamiento recomendable Piezas pequeñas de formas

regulares, en las que no es probable que presenten problemas de deformaciones, ni es de gran interés ni la resistencia ni tenacidad del núcleo

Aceros al carbono Temple al agua

Piezas de tamaño mediano y pequeño en las que deben cuidarse las deformaciones, y en las que interesa buena tenacidad y resistencias en el núcleo variables de 70 a 90 Kg/mm²

Aceros de media aleación Temple al aceite o agua

Piezas de cualquier tamaño en las que no se permiten deformaciones sensibles en el temple y en las que interesa buena tenacidad y alta resistencia en el núcleo variable

Aceros de alta aleación Temple al aceite

(28)

2.7 Tamaño de grano o posible crecimiento del tamaño de grano de los aceros de cementación

En la utilización de los aceros de cementación se presenta un problema de crecimiento del tamaño de los granos que puede ocasionar falla de tenacidad y fragilidad anormales, que son problemas típicos de la cementación y que son menos frecuentes en otros tipos de aceros o en otras clases de tratamientos. Este fenómeno se manifiesta en la cementación con mas intensidad e importancia que en otros tratamientos, porque en este proceso las piezas deben ser calentadas a temperaturas (875°-950°), mas elevadas que las que normalmente corresponden a los temples o recocidos ordinarios y la duración del calentamiento es también mayor que la que corresponde a otros tratamientos como el temple de muelles, cigüeñales, bielas, ejes, etc. Si no se estudia y resuelve este problema, con frecuencia aparecen piezas cementad as muy frágiles que con un golpe se rompen y en las que aparecen fracturas muy groseras y cristalinas. Más adelante se estudiarán los tratamientos que deben darse después de la cementación a estos aceros, para evitar que las piezas queden frágiles, y ahora señalaremos, únicamente, los grupos de aceros que se comportan de diferente manera en este aspecto.

El crecimiento del grano de las diferentes clases de aceros se puede comprobar fácilmente cementando a 925° durante media hora tres varillas de 8 mm, aproximadamente, de tres aceros. Uno al carbono, otro cromo-molibdeno y otro cromo-níquel y templándolos luego directamente en agua. Después de rotas las varillas por choque, golpeándolas con un martillo, se observa que el acero al carbono queda muy frágil y con el grano muy grosero; el acero cromo-níquel muy tenaz y con el grano fino, y el acero cromo-molibdeno tiene una tenacidad intermedia. Eso es de- bido a que el acero al carbono, al ser calentado durante media hora a 925°, experimenta un gran crecimiento de grano. El acero cromo-níquel conserva en cambio el grano fino y el comportamiento del acero cromo-molibdeno es intermedio.

Estos fenómenos tienen luego mucha importancia en los resultados que se obtienen en la cementación y en los tratamientos de bonificación posteriores.

Para clasificar a los aceros de acuerdo con el crecimiento de grano que pueden experimentar en la cementación, se emplea el ensayo de Mac Quaid. Este ensayo se hace cementando durante 8 horas a 925° y enfriando lentamente hasta 600°, con velocidades inferiores a 15° sobre todo en la zona de 725°-650°.

Observando luego, con ayuda del microscopio el tamaño de los granos de la zona

cementad a se califican los granos con números de 1 a 9 según sea su tamaño. En

general, para la cementación, los aceros con tamaño de grano fino 6 a 9 son los

preferidos. Los aceros de grano grueso sólo se suelen emplear en casos

excepcionales.

(29)

Es interesante señalar que los aceros de grano grueso tienen mayor templabilidad que los de grano fino y, por ello, en algunas circunstancias muy excepcionales, se prefieren a pesar de ser más frágiles y de producirse en ellos más deformaciones que con los de grano fino. En general, no se suele recomendar el empleo de aceros de grano grueso más que cuando se trata de aceros al carbono.

Los aceros aleados siempre suelen ser de grano fino.

Al estudiar el tamaño de grano de los aceros se observó que las microestructuras de los aceros de grano fino y grueso eran bastante diferentes. En general, después de la cementación, los aceros de grano grueso presentan una estructura reticulada con la cementita contorneando los granos; a esa estructura se le dio la denominación de normal, y en cambio, a la estructura de la mayoría de los aceros de grano fino que en general tienen más tendencia a presentar la cementita globulizada, más o menos esferoidal, se le dio el nombre de anormal.

Con referencia a esta diferencia de comportamiento se han hecho muchos estudios, comprobándose, por ejemplo, que en los aceros al carbono que son lo Únicos que se suelen emplear con grano grueso, es más fácil conseguir elevadas durezas superficiales en la capa cementada después del temple cuando los aceros son normales, que cuando son aceros anormales. Cuando se empacan aceros al carbono de grano fino (que suelen ser de templabilidad relativamente baja y anormal) se suele recomendar hacer d temple en agua salada o en agua con sosa con objeto de evitar la aparición de puntos blandos o también se recomienda a veces elevar el contenido en manganeso para mejorar la templabilidad.

2.8 Influencia de los elementos aleados en los aceros de cementación

Aunque anteriormente se ha señalado ya la acción que los elementos aleados ejercen en los aceros, a continuación indicaremos los detalles más interesantes relativos a los aceros de cementación.

Entre todos los factores o características que pueden quedar modificados por la influencia de los elementos de aleación, la templabilidad y los puntos críticos son los que sufren variaciones más importantes.

La templabilidad de la parte periférica y del núcleo central de las piezas

cementadas quedan muy modificadas por la presencia de elementos aleados,

circunstancia que modifica notablemente las características que con cada acero se

pueden obtener.

(30)

En las figuras 2.1 y 2.2 se pueden ver las curvas Jominy de diversos aceros de cementación y las curvas Jominy que corresponden a las composiciones del acero de las capas cementadas. Observando esas curvas, se aprecian fácilmente diferencias importantes entre ellos y se comprende por qué unos aceros deben ser templados en agua y otros en cambio pueden ser templados con un simple enfriamiento en aceite.

Los elementos de aleación también tienen una influencia bastante importante sobre las temperaturas críticas del material, tanto en lo que corresponde a la parte cementada, como a la zona sin cementar, y también, como es natural, influyen en las temperaturas de tratamiento que deben emplearse en cada caso.

El níquel y el manganeso hacen descender los puntos críticos y el cromo y el molibdeno los elevan, En la figura 2.3 se señalan las temperaturas Ac

3

, Ac

32

, y Ac

321

de diversos aceros, por medio de las líneas AD, A'D', etc.

Figura 2.3 Profundidad de la penetración del carbono (capa cementada) que se consigue a diferentes temperaturas en función de las horas de cementación.

La línea A'D' corresponde a los aceros de 5 % de Ni; la A"D" a los aceros cromo-níquel medios y la A’’’D’’’ a los aceros cromo-molibdeno y cromo-vanadio con 1 % de Cr. Las temperaturas críticas de un acero al carbono de 0,12 % de C son: Ac

1

= 732°C y Ac

3

= 870°C. Las de un acero cromo-níquel de 0,10 % de C, 0,50 % de Cr y 3 % de Ni, son: Ac

1

= = 715°C y Ac

3

= 790°C, y las de un acero cromo-molibdeno de 0,12% de C, 1 % de Cr y 0,20 % de Mo, son: Ac

1

= 775°C y Ac

3

= 875°C.

Teniendo en cuenta que la cementación debe hacerse a temperaturas

superiores en 30°C a 60°C al punto Ac

3

, pues así el acero se encuentra en estado

austenítico, que disuelve con gran facilidad el carbono, las temperaturas de

cementación serán:

(31)

Acero al carbono……….. 900°C-950°C Acero cromo-níquel………. 850°C-900°C Acero cromo-molibdeno………….. 900°C-950°C

Si se emplearan temperaturas inferiores al punto Ac

3

una parte del acero se encontraría en estado ferrítico, que no disuelve o sólo disuelve cantidades muy pequeñas de carbono y la penetración del carbono en la cementación sería muy lenta, Las temperaturas de tratamiento que se emplean para el primer temple (temple del núcleo central) suelen ser 5° a 25° más elevadas que el punto Ac

3

, y para el segundo (temple de la periferia), de 35° a 55° más elevada que el punto Ac

1

.

En los ejemplos anteriores esas temperaturas son:

A cero al carbono

Temple del núcleo central, 890°C Temple de la periferia, 780°C

A cero cromo-níquel

Temple del núcleo central, 825°C Temple de la periferia, 760°C

Acero cromo-molibdeno Temple del núcleo central, 890°C

Temple de la periferia, 825°C

La velocidad de penetración y la distribución del carbono en el interior del acero no se modifican muy sensiblemente por la presencia de elementos de aleación en el acero. Sin embargo, se observa que el níquel y el silicio tienden a retardar esa penetración, y en cambio los elementos formadores de carburos, como el cromo, molibdeno y manganeso, la aceleran.

A continuación indicaremos la influencia que ejercen aisladamente el manganeso, cromo, níquel y molibdeno en los aceros de cementación.

El manganeso en general da lugar a aceros de grano grueso, pero este

problema se resuelve en parte, haciendo durante el proceso de fabricación del acero

adiciones especiales (generalmente de aluminio) para conseguir afinar el grano. El

manganeso baja los puntos críticos de los aceros, por lo que el temple de los aceros

con manganeso se realiza a temperaturas más bajas que' lo normal, lo cual tiene

ciertas ventajas, porque se evitan descarburaciones y deformaciones. El manganeso

mejora notablemente la templabilidad, por lo que a veces es posible templar en

aceite piezas que con bajo contenido en manganeso sería necesario templar en

agua.

(32)

El níquel mejora la tenacidad y la resistencia de los aceros de cementación.

Baja los puntos críticos y al poderse utilizar (lo mismo que con los aceros al manganeso) temperaturas de tratamiento más bajas que lo normal, se disminuyen los peligros de formación de cascarilla, y de aparición de descarburaciones y deformaciones. El níquel tiende a retrasar la transformación de la austenita en martensita. Si en los tratamientos se calienta el acero a temperatura demasiado elevada, en la zona periférica de las piezas cementadas de aceros altos en níquel aparece austenita retenida y el material no queda tan duro como le corresponde a su composición. Empleando las temperaturas de temple correctas (más bajas que las que corresponden a otros aceros) se resuelve fácilmente este problema.

El cromo aumenta en la zona central de las piezas cementadas la resistencia y la dureza que se obtiene después del temple, así como la dureza y resistencia al desgaste de la capa periférica. A veces estos aceros son de grano grueso, frágil y muy sensible a pequeñas diferencias en las temperaturas de temple. Esas dificultades se pueden resolver lo mismo que en el caso de los aceros al manganeso, fabricando los aceros al cromo con grano fino (adicionando aluminio en la cuchara de colada). En los primeros años de empleo de los aceros al cromo, estos problemas impidieron que se difundiera rápidamente su empleo, pero posteriormente cuando se ha estudiado con detalle el tamaño de grano de los aceros y se ha llegado a regulado, su empleo se ha extendido extraordinariamente.

El molibdeno mejora la templabilidad y la resistencia al desgaste. Además mantiene dura la capa periférica a pesar de que durante el trabajo llegue a calentarse por el roce la superficie de las piezas y alcancen temperaturas relativamente elevadas.

Con la adición del níquel y del cromo a la vez, se ha conseguido en los aceros

de cementación alcanzar excelentes características mecánicas. El níquel da a los

aceros gran tenacidad que precisamente les falta a los aceros al cromo y el cromo en

cambio les da gran dureza y resistencia al desgaste que no tienen los aceros al

níquel. Ambos aumentan la templabilidad y la resistencia en el corazón. Añadiendo

además molibdeno a los aceros al níquel se mejora notablemente su templabilidad y

con los aceros cromo-níquel-molibdeno ha sido posible fabricar piezas cementadas

de gran tamaño con resistencias y durezas muy elevadas.

(33)

CAPÍTULO III TRATAMIENTOS TÉRMICOS

CAPÍTULO III

TRATAMIENTOS TÉRMICOS

3.1 Fundamentos del tratamiento térmico.

Por tratamiento térmico se entiende el conjunto de operaciones de calentamiento, permanencia y enfriamiento de las aleaciones de metales en estado sólido con el fin de cambiar su estructura y conseguir las propiedades físicas y mecánicas necesarias.

Se tratan térmicamente no solo las piezas semiacabadas (bloques, lingotes, planchas, etc.), con objeto de disminuir su dureza, mejorar la maquinabilidad y mejorar su estructura para el tratamiento térmico definitivo posterior, sino también las piezas terminadas y herramientas, con el fin de proporcionarles las propiedades definitivas exigidas. A consecuencia del tratamiento térmico se puede variar en amplios límites las propiedades de las aleaciones. Así, por ejemplo, en aceros de dureza inicial de H

B

= 150-200, con ayuda del temple se puede elevar la dureza hasta alcanzar H

B

= 600-650; también se pueden elevar bruscamente con un tratamiento térmico adecuado el alargamiento (δ), la resiliencia (a

k

) y la resistencia a la rotura (σ

b

). La elevación de las propiedades mecánicas de los metales por medio del tratamiento térmico permite aumentar las tensiones admisibles y reducir el tamaño y peso de la pieza conservando o incluso aumentando su resistencia mecánica, seguridad y estabilidad de servicio.

Los principales factores que determinan el régimen de tratamiento térmico son la temperatura y el tiempo; por lo tanto cualquier régimen de tratamiento térmico se puede representar gráficamente en función de la temperatura t y el tiempo τ, como se muestra en la figura 3.1.

Figura 3.1 Esquema de tratamiento térmico del acero

(34)

Los puntos críticos del acero se suelen designar de la siguiente forma: al calentar, Ac

1

(inferior), Ac

3

(superior); al enfriar, Ar

1

(inferior), Ar

3

(superior) (fig. 3.2);

el punto Ac

1

(723°C) indica la temperatura de transformación de la perlita en austenita y el comienzo de la transformación de la ferrita en austenita; Ac

3

indica la temperatura de transformación final de la ferrita en austenita; Ar

1

indica la temperatura de transformación de la austenita en perlita (inferior a 723°C); Ar

3

indica la temperatura de precipitación inicial de la ferrita a partir de la austenita; A

cm

indica la temperatura de precipitación inicial de la cementita secundaria a partir de la austenita durante el enfriamiento; y al calentar, la temperatura de disolución final de la cementita secundaria en austenita.

3.2 Transformaciones al calentar los aceros

Según el diagrama de equilibrio de la figura 3.2, por debajo de la temperatura

eutectoide Ac

1

, los aceros hipoeutectoides tienen la estructura ferrita + perlita; los

aceros eutectoides, la de perlita; los aceros hipereutectoides, la de perlita +

cementita; o sea, el estado inicial de todos los aceros representa una mezcla de dos

fases: ferrita y cementita. Al pasar del punto crítico Ac

1

comienza la transformación

de fases α γ y la disolución de la cementita en el hierro-γ con formación de

austenita. En la zona de temperaturas de Ac

1

hasta Ac

3

, los aceros hipoeutectoides

tienen la estructura de ferrita y austenita de concentración variable; en este caso, al

elevar la temperatura, se verifica la transformación α γ (o sea, la ferrita se

transforma en austenita). Análogamente, en los aceros hipereutectoides la austenita

que se ha obtenido por transformación de la perlita en el punto Ac

1

, al seguir

calentándola, disuelve a la cementita secundaria sobrante, y más arriba del punto

A

cm

, el acero tiene la estructura austenítica monofásica. Después de transformarse la

perlita en austenita y elevando la temperatura de los aceros hipoeutectoides, la ferrita

se disuelve en la austenita, y, al alcanzar la temperatura Ac

3

, en la línea GOS, se

obtiene la estructura de austenita monofásica; en los aceros hipereutectoides, al

elevar la temperatura, la cementita secundaria se disuelve en austenita y al

conseguir la temperatura A

cm

, en la línea SE, se obtiene la estructura de austenita

monofásica. De tal modo, el calentamiento de cualquier acero por encima de la línea

GSE hace que éste pase al estado de austenita. El calentamiento posterior, o sea,

superior a la línea GSE, hacen que crezcan los granos de austenita.

(35)

Figura 3.2 Zona de acero en el diagrama de hierro-carbono con indicación de las temperaturas óptimas de calentamiento para distintos tipos de tratamiento térmico.

3.2.1 Crecimiento de grano de austenita.

La transformación de perlita en austenita va acompañada de la formación de austenita de grano fino. A temperaturas superiores al (Ac

1

), se realiza un crecimiento tanto mayor del grano de austenita cuanto mayor sea la temperatura de calentamiento y se prolongue más la permanencia. Se ha establecido que en algunos aceros el crecimiento de grano de austenita sucede inclusive cuando se eleva un poco el punto crítico Ac

1

; estos aceros se suelen denominar aceros de grano grueso inherente. En otros aceros el grano fino de austenita se conserva cuando se calientan a temperaturas considerablemente altas; estos aceros se suelen denominar aceros de grano fino inherente. El grano inherente caracteriza la tendencia del grano austenítico al crecimiento.

En la figura 3.3 está representado el esquema del cambio de tamaño del

grano en los aceros de grano grueso y de grano fino inherentes. Los aceros de grano

fino inherente se obtienen cuando se modifican con aluminio, vanadio y titanio, los

cuales forman combinaciones en la forma de Al

2

O

3

, V

2

O

5

, TiO

2

, AlN, que crean

muchos núcleos de cristalización e impiden el crecimiento de grano.

(36)

Figura 3.3 Esquema de crecimiento del grano en los aceros de grano grueso y de grano fino inherentes, durante el calentamiento por encima de Ac1.

Hay que diferenciar el grano inherente del grano real, cuyo tamaño en los aceros se consigue como resultado de uno u otro tratamiento térmico. Las propiedades mecánicas de los aceros, en primer lugar, las características de los resultados de los ensayos estáticos, dependen sobretodo del grano real. El tamaño del grano se determina comparando el grano de la microestructura del acero, aumentando en 100 veces, con los tamaños estandarizados de los granos, adoptados por las Normas Soviéticas (GOST) (figura 3.4). Las cifras 1, 2, 3,….,8 significan el número del grano. Como base de esta escala se toma la relación f=500x2

^8-N

, donde f es el área de grano en μ

²

, N es el número estandarizado del grano según las GOST. Los granos con números hasta 4 se consideran como gruesos y superiores a 5 como finos.

Figura 3.4 Dimensiones unificadas del grano según las Normas Soviéticas (aumentado 100veces).