Tratamiento termico del hierro


   


Tratamientos térmicos del hierro.

Tratamientos térmicos del hierro dúctil.  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 shock térmico 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.

  • 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.
  • 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. 


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