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TRATAMIENTOS TÉRMICOS DEL HIERRO
DUCTIL. La primera etapa de la mayoría de los tratamientos térmicos
diseñados para cambiar la estructura y propiedades del hierro dúctil consiste
en calentar y mantener en una temperatura entre 850-950 `C durante 1hs mas 1hs
por cada 25 mm de espesor de sección, para homogeneizar el hierro. Cuando se
presentan carburos en la
estructura la temperatura debe ser
aproximadamente 900-950 `C, lo cual descompone los carburos previo a los
siguientes pasos del tratamiento térmico. El tiempo puede extenderse de 6-8 hs
si se presentaran elementos estabilizantes de carburos. Para fundiciones de
forma compleja, donde pueden aparecer tensiones por un calentamiento no
uniforme, el calentamiento inicial hasta 600 `C debe ser lento,
preferentemente 50-100 `C/hs. Para prevenir escamaduras y descarburización de
la superficie durante esta etapa del tratamiento, se recomienda que la
temperatura en horno no-oxidante sea mantenida usando un horno sellado; puede
ser requerida una atmósfera controlada. Deben tomarse más cuidados en
fundiciones susceptibles a distorsión y evitar el apilamiento. Los
tratamientos térmicos más importante y sus propósitos son:
-
Aliviamiento de tensiones, tratamiento a baja temperatura,
para reducir o aliviar tensiones internas remanentes después de la colada.
-
Recocido, para mejorar la ductilidad y tenacidad, para
reducir dureza y remover carburos.
-
Normalizado, para mejorar la resistencia con algo de
ductilidad.
-
Temple y revenido, para aumentar la dureza o mejorar la
resistencia y una más alta tensión de prueba (sigma 0.2).
-
Austemperizado, para producir estructuras bainíticas de
alta resistencia con algo de ductilidad y buena resistencia al desgaste.
-
Endurecimiento superficial por inducción, para mejorar
resistencia al desgaste.
Aliviamiento de tensiones: el objeto de este tratamiento térmico es remover
tensiones residuales sin causar ningún cambio en la estructura y propiedades.
Altas tensiones pueden presentarse después de la colada en fundiciones de
hierro dúctil de forma compleja y pueden ser sustancialmente removidas
mediante un tratamiento térmico a aproximadamente 500-600 `C. La fundición
típicamente es calentada a 50`C por hora, de 200 a 600`C, mantenida a 600`C
durante una hora por cada 25mm de espesor de sección más una hora y luego
enfriada en el horno a 50`C por hora por debajo de los 200`C, después de lo
cual la fundición puede ser enfriada al aire a temperatura ambiente. Esto es
de suma importancia para asegurar que la tasa de calentamiento y enfriamiento
sean lo suficientemente lentas para evitar shok térmicos y la formación de
nuevas tensiones debidas a altos gradientes de temperatura en la fundición. El
alivio de tensiones no es necesario para fundiciones recocidas, pero puede ser
requerido para fundiciones perlíticas as-cast y para aquellas que han sido
enfriadas al aire durante el normalizado.
Recocido: el propósito principal del mismo es generar
una estructura ferrítica y remover perlita y carburos, longrandose así la máxima
ductilidad y tenacidad. El recocido puede ser usado para lograr propiedades
específicas, como un 15% o más de elongación. El tratamiento puede tener
variantes, pero los más comunes son el enfriamiento interrumpido, enfriamiento
lento controlado y tratamiento en una sola etapa.
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Enfriamiento interrumpido: la primera etapa es homogeneizar
el hierro como se ha descrito antes. Esto es seguido por un enfriamiento hasta
680-700 `C y mantenido a esta temperatura de 4-12 hs para desarrollar la
ferrita. Cuanto mayor sea la pureza del hierro, mas corto será el tiempo
requerido. Las fundiciones de forma sencillas pueden ser enfriadas en horno
por debajo de los 650 `C y enfriadas al aire, pero las fundiciones complejas
que pueden desarrollar tensiones residuales deben ser enfriadas en horno de
acuerdo a las recomendaciones mencionadas para el aliviamiento de tensiones.
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Enfriamiento lento controlado: la primer etapa es la
homogenización como se ha dicho antes; esto es seguido por un enfriamiento a
razón de 30-60 `C por hora desde los 800-650 `C. Hierros de más baja pureza
requieren de tasas de enfriamiento más lentas. El enfriamiento a temperatura
ambiente se lleva a cabo como el método interrumpido.
-
Tratamiento de una sola etapa: la fundición es calentada
desde la temperatura ambiente hasta los 680-700 `C, sin una austenización
previa, es entonces mantenida a esta temperatura por 2-16 hs para que
grafitice la perlita. El tiempo aumenta con la disminución de la pureza del
metal, y generalmente es mayor que para los otros métodos debido a la falta de
una homogenización previa. El enfriamiento a temperatura ambiente se lleva a
cabo como en el método de enfriamiento interrumpido. Este tratamiento se
aplica solo para quitar la perlita en hierros con carburo no eutéctico. Si el
hierro contiene carburos debe usarse el método del enfriamiento interrumpido o
el del enfriamiento lento controlado.
Selección del tratamiento del recocido: los recocidos
más rápidos se dan en los hierros de más alto contenido de silicio, bajo Mn, Cu,
Sn, As y Sb, y generalmente bajo contenido de partículas de elementos menores.
Si el hierro no contiene carburos cualquier método de los explicados se puede
usar, pero para una óptima ductilidad debe elegirse el método de enfriamiento
interrumpido. Debe remarcarse que con el tratamiento en una sola etapa los
granos de ferrita en la estructura serán menores que para los otros tratamientos
y también será menor la ductilidad y tenacidad. La temperatura de formación de
ferrita de 680-700 `C, puede aumentarse con el aumento del contenido de silicio.
El ciclo del recocido se puede variar para obtener estructuras de matrices
mezcladas de perlita y ferrita, con una alta resistencia y ductilidad
intermedia. Un marcado aumento de las dimensiones ocurre durante el
recocido debido a la grafitización de la perlita y carburos.
Normalizado: consiste en calentar las fundiciones a
alta temperatura con lo cual éstas quedan completamente austenizadas, y
cualquier carburo descompuesto, seguido por un enfriamiento al aire en una tasa
que produce una matriz de fino grano perlítico con partículas de ferrita y libre
de otros productos de la transformación. El normalizado puede aplicarse para
conseguir resistencias de 700-900 Mpa, y para mejorar la relación entre el sigma
0.2 y la resistencia a la tracción. Un ciclo típico es como el siguiente: El
primer paso del tratamiento es la homogenización. Las fundiciones son luego
removidas del horno y enfriadas al aire a temperatura ambiente. La tasa de
enfriamiento al aire a través de un rango de 780-650 `C debe ser lo
suficientemente rápido para obtener una matriz completamente perlítica en la
sección de la fundición que es tratada. Esto puede requerir el uso de un
soplador de aire especialmente para secciones de mayor espesor. En algunos casos
las fundiciones son suspendidas individualmente, agitadas o sacudidas sobre una
criba, pero no solo depositadas sobre el piso ni en cestos u otros contenedores.
Esto completa el ciclo. Para lograr una estructura sustancialmente perlítica, la
matriz de hierro debe ser saturada en carbono a la temperatura de austenizacion
antes del enfriamiento al aire: esto se logra instantáneamente si el hierro es
sustancialmente perlítico as-cast. Si el hierro contiene una matriz de ferrita
as-cast, se requiere un tiempo más largo a la misma temperatura o el mismo
tiempo a una temperatura más alta para lograr la adecuada solución de carbono de
los nódulos de grafito. Como mayor sea la tasa de enfriamiento, más fina será la
perlita, la resistencia y la dureza aumentarán, y la elongación puede disminuir.
Al aumentar la temperatura de austenización, la resistencia aumenta y disminuye
la elongación, debido al alto contenido de carbono de la matriz. Los elementos
que promueven la formación de perlita en la condición as-cast son: Mn, Cu, Ni y
Sn, que acortan el tiempo requerido en el tratamiento y permiten obtener
estructuras completamente perlíticas en secciones de grandes espesores. En la
figura siguiente se muestra una típica estructura normalizada.
Temple y revenido: el hierro dúctil de alta resistencia, generalmente
superior a 700 Mpa y con una baja elongación, se obtiene calentando hasta
875-925 `C, manteniendo esa temperatura por 2-4 hs o más si se requiere eliminar
carburos, apagando en un baño de aceite para producir estructura de martensita,
y luego revenido a 400-600 `C para producir una matriz de estructura de
martensita revenida. Deben tomarse recaudos para evitar fracturas complicadas en
las fundiciones durante el apagado, esto se logra apagando en aceite caliente a,
por ejemplo 100 `C, seguida por un enfriamiento final a temperatura ambiente.
Este paso también puede hacerse apagando en aceite caliente a 200 `C y luego
enfriando a temperatura ambiente, pero en baño de agua para obtener la
estructura y propiedades deseadas. Para un buen temple, durante el apagado debe
obtenerse una estructura completamente martensítica, y excepto para secciones
muy delgadas, esto requiere de aleación con elementos que mejoran la
templabilidad: Cu, Ni, Mn y Mo, aumentan la templabilidad con creciente
eficiencia. El Cu puede ser usado con poca frecuencia en el hierro dúctil debido
a su limitada solubilidad. Aun cuando el silicio aumenta la templabilidad en los
aceros, tiene un efecto opuesto en el hierro dúctil disminuyendo la solubilidad
del carbono, mientras que aumentando el contenido de carbono también disminuye
ligeramente la templabilidad por el aumento de la cantidad de grafito en
relación con el carbono en solución. En la práctica, el aumento de la
templabilidad se logra por combinación de elementos aleantes. Las combinaciones
listadas en la tabla siguiente son ejemplos que muestran los efectos del Mn, Ni
y Mo, en el aumento de la templabilidad.
Elementos aleantes
usados % Max. diam.de barra
a templar en aceite
C Si Mn Ni Mo mm
3.4 2.0 0.3 ---- ---- 25
3.4 2.5 0.3 ---- ---- 28
3.4 2.0 0.3 1.0 ---- 30
3.4 2.0 1.3 ---- ---- 38
3.4 2.0 0.3 ---- 0.5 51
3.4 2.0 0.9 1.5 0.25 63
El revenido debe hacerse en un horno con circulación de aire como mínimo durante
4 hs, tiempo en el cual hay una progresiva disminución de la resistencia y la
dureza y un aumento de la ductilidad.
Austempering (revenido austenítico): si el hierro dúctil es austenizado y
apagado en un baño salino o en un baño de aceite caliente a 320-550 `C y
mantenido en esta temperatura, se da lugar a una transformación hacia una
estructura que contiene principalmente bainita con una proporción menor de
austenita. Los hierros que son transformados de esta manera son denominados
hierros dúctiles austemperizados. Este proceso genera un rango de estructuras
que dependen del tiempo de la transformación y de la temperatura del baño donde
ésta tiene lugar. Las propiedades se caracterizan por una muy alta resistencia,
algo de ductilidad y tenacidad, y frecuentemente buena resistencia al desgaste:
las propiedades dependen principalmente de la temperatura y del tiempo,
típicamente este tratamiento se clasifica en dos categorías: - calentar a
875-925 `C, mantener en esta temperatura de 2-4 hs, apagar en baño salino hasta
400-450 `C, mantener de 1-6 hs y enfriar a temperatura ambiente. - Lo mismo que
antes, pero mantener de 1-6 hs a 235-350 `C. El primer tratamiento mencionado
produce alta ductilidad y alta resistencia con una dureza intermedia. El segundo
produce muy alta resistencia con algo de ductilidad y una excelente dureza. El
austempering tiene éxito sólo si en el apagado se evita la formación de perlita.
Esto puede requerir la presencia de elementos aleantes para secciones mayores de
15 mm. Las aleaciones típicas son: de Cu, Ni y Mo. El Mn generalmente no se
recomienda porque crea segregación, lo cual puede ser un obstáculo para lograr
la última combinación de propiedades. La alta resistencia al desgaste se da
cuando existe un alto contenido de austenita residual, la cual resulta de
emplear tiempos cortos y transformación incompleta a bainita y esto se favorece
con un alto contenido de elementos aleantes, en especial, por un contenido
relativamente alto de silicio en el hierro dúctil.
Endurecimiento superficial: estos tratamientos consisten en
endurecimiento por llama o inducción, nitruración y refundido superficial por
láser. Endurecimiento por llama o inducción. Es generalmente empleado
para producir una dura capa superficial sobre la fundición. La llama o un
serpentín especialmente formado es pasado por la superficie de la fundición en
una tasa que hace subir la temperatura de la superficie a 850-950 `C a una
profundidad cercana a 2-4 mm. La llama o fuente de inducción es seguida por un
apagado con agua, produciendo una capa martensítica con una dureza de 600-700 Hv.
El desarrollo de la máxima dureza depende del contenido de carbono de la matriz,
la cual se transforma a austenita una vez calentado y a martensita durante el
apagado. El tiempo conferido normalmente no permite una adecuada solución del
carbono en las estructuras inicialmente ferríticas de la matriz: por lo tanto es
importante usar grados de hierro completamente perlíticos para el endurecido por
llama o inducción. La profundidad de endurecido lograda puede ser aumentada por
aleación, como se indica continuación.
Composición Dureza inicial
HRC Dureza superficial
Después del tratam.
HRC Profundidad de la
Capa endurecida
mm
Fe-0.4Mn-0.07Ni-
0.05Mo-0.1Cu-... 60 62 1.5
Fe-0.32Mn-0.75NI-
0.44Mo-0.56Cu-... 61 62.5 3.5
El endurecimiento por llama e inducción se usa para endurecer componentes que
requieren una gran resistencia al desgaste, tales como balancines, levas,
laminadores y engranajes, y puede reducir la cantidad de desgaste por 5-6 veces.
Nitrurado: es un proceso que implica la difusión de nitrógeno en la superficie a
una temperatura de 550-600 `C. La fuente más común del nitrógeno es el amoníaco,
y el proceso produce una capa superficial de 0.1 mm de profundidad con una
dureza de aproximadamente 1100 HV. La capa superficial es normalmente blanca y
uniforme en una microestructura atacada, pero las agujas de nitruro pueden
encontrarse justo debajo de esta. Algunos elementos aleantes pueden usarse para
aumentar la dureza. Se han logrado buenos resultados con 0.5-1 % de Al, Ni y Mo.
El nitrurado provee además de una alta dureza una gran resistencia anti
desgaste, mejora la vida útil y la resistencia a la corrosión. Las aplicaciones
típicas son: en cilindros, cojinetes y pequeños ejes y árboles. La nitruración
puede también ser llevada a cabo en baños líquidos salinos basados en cianuro.
Tales procesos son a baja temperatura, por lo que disminuirá la profundidad.
Este proceso también puede realizarse en plasma, pero es muy costoso.
Endurecido por refundido: con el más alto
calentamiento local obtenible por plasma o láser es posible conseguir fundir una
muy pequeña área sobre la superficie de un componente de hierro dúctil. Esta
área resolidifica rápidamente por el efecto de auto apagado de la masa fundida.
La región refundida y resolidificada tiene una estructura de hierro blanco que
es sustancialmente libre de grafito y por lo tanto tiene una alta dureza y
resistencia al desgaste. El área que es fundida por un láser de 2 Kw es muy
pequeña, típicamente 1.5 mm de diámetro, 0.5-2 mm de profundidad, y tiene una
dureza cercana a los 900 HV sin fracturas. El área endurecida por este método
encuentra gran utilidad en levas, balancines y otros pequeños componentes
sujetos a desgaste por rozamiento. Colaborado por:
Peter E. para
arquitectura y construccion en ARQHYS. |
