Tratamiento térmico de los aceros

1 Transformaciones durante el tratamiento térmico de los
aceros.
El estudio de los procesos de T.T. del acero comenzó por D.Chernov de
los puntos críticos del acero en 1868.
El postulado de Chernov acerca de que las propiedades de los aceros se
determinan por la estructura y que estadepende de la temperatura de
calentamiento y de la rapidez del enfriamiento, fue generalmente reconocido y
durante los decenios siguientes, los investigadores establecieron la relación
entre la estructura y las condiciones de su formación (principalmente la
temperatura de calentamiento y la velocidad de enfriamiento). En los años 20 y
30 de este siglo investigadores como el soviético S.Steinberg, los
norteamericanos Mell y Bain y los alemanes Weber, Hannerman y Esser, con

sus numerosas y profundas investigaciones establecieron la cinética de las
transformaciones del acero en sus diferentes composiciones químicas.
1.1 Transformaciones durante el calentamiento del acero.
Para el análisis de las transformaciones durante el calentamiento de los
aceros, se tomará la parte del diagrama Fe-C correspondiente a las aleaciones
por debajo de 1147sC de temperatura y por debajo de 2,14% de Carbono. A las
curvas de transformaciones de fase se le asignarán las siguientes
nomenclaturas
v A1 (Ac1 ó Ar1): Línea de la reacción eutectoide.
v A3 (Ac3 o Ar3): Línea de transformación alotrópica de austenita en ferrita.
v Am (Acm o Arm): Curva de pérdida de solubilidad de la austenita.

Figura 13 Zona del Diagrama Fe – C correspondiente a la reacción
eutectoide con las curvas de transformación de fases empleadas en el
tratamiento térmico del acero.
Para el estudio de las transformaciones de fase del acero se utilizará el
acero eutectoide es decir, aquel que tiene 0,8%C y 100% de perlita. Durante



las transformaciones de fase del resto de los aceros, habrá que tener en cuenta
lapresencia de otros constituyentes estructurales como lo son la ferrita y la
cementita.
El comienzo de la transformación de Perlita en Austenita solo puede
efectuarse, si el calentamiento es muy lento. En las condiciones normales de
calentamiento la transformación se retrasa y se obtiene un sobrecalentamiento.
La perlita sobrecalentada por encima del punto crítico se transforma, a
velocidad distinta en dependencia del grado de sobrecalentamiento en la
austenita.

Figura 14 Diagrama de transformación de fase de la perlita durante el
calentamiento.
La posición de las curvas muestra que mientras mas altas son las
temperaturas la transformación ocurre en un intervalo menor de tiempo y tanto
mas elevada es la temperatura de transformación. El tiempo entre el inicio y
final de la transformación se denomina de incubación.
La transformación se caracteriza por la formación de austenita y la
desaparición de la perlita. Para homogeneizar la composición química después
que ocurra la transformación es necesario dar un tiempo de mantenimiento
para que mediante los procesos difusivos la composición en carbono de la
misma sea la misma en toda la austenita. Téngase en cuenta que la austenita
se origina de la ferrita que tiene 0,02%C y de la cementita que presenta
6,67%C. La composición en carbono de ambas fases es muy disímil. Este
tiempo de mantenimiento debe tenerse siempre en cuenta desde el punto de
vista tecnológico.
1.1.1 Crecimiento del grano austenítico.
Una vez finalizada la transformación de perlita en austenita se forma una
gran cantidad de granos pequeños de austenita. Eltamaño de estos granos
caracteriza la magnitud llamada grano inicial de la austenita.
El calentamiento ulterior o el mantenimiento a la temperatura dada, una
vez terminada la transformación provoca el crecimiento de los granos de
austenita. Este es un proceso que se desarrolla espontáneamente. En ese
sentido se distinguen dos tipos de acero.


Ø Aceros de grano fino hereditario (poco propensos al crecimiento).
Ø Acero de grano fino hereditario (muy propensos al crecimiento).

Figura 15 Tendencia hereditaria del acero al crecimiento de grano durante
la austenización.
El tamaño de grano obtenido en el acero como resultado de un
tratamiento térmico se llama grano real. Los granos crecen durante el
calentamiento y no disminuyen de tamaño durante el enfriamiento. Por esto la
temperatura máxima de calentamiento del acero en estado austenítico y su
granulación hereditaria determinan el tamaño definitivo del grano.



Figura 16 Efecto del sobrecalentamiento de la autenita sobre el tamaño
final del grano de perlita.
1.2 Transformaciones durante el enfriamiento del acero (Diagrama
T.T.T.).
Para el estudio de las transformaciones de fase durante el enfriamiento
emplearemos el diagrama de descomposición isotérmica de la austenita
denominado también diagrama T.T.T. el cual se construye en coordenadas
temperatura vs tiempo. En esas coordenadas se sitúan sobre el diagrama las
curvas de enfriamiento. Para el análisis de este epígrafe se empleará el
diagrama T.T.T. correspondiente al acero eutectoide (0 %C).

Figura 17 Diagrama de descomposición isotérmica de laaustenita (T.T.T.)
De la línea V1 que caracteriza el enfriamiento lento, se obtienen como
producto final la perlita de poca dureza (de láminas gruesas). Cuando el
enfriamiento es más rápido (V2 y V3) la velocidad de difusión disminuye
formándose productos más disperso y más duros.



Para templar el acero hay que enfriarlo con una velocidad tal que no
tenga tiempo de producirse los procesos difusivos de descomposición de la
austenita en la región superior de temperaturas. La velocidad mínima de
enfriamiento, necesaria para que se forme la martensita a partir de la austenita
se denomina velocidad crítica de temple (VC). Para templar un acero es
necesario que se enfríe con una velocidad mayor que la crítica. Si el
enfriamiento es menor que la crítica se obtendrán productos perlíticos
principalmente troostita, lo que disminuirá la dureza del acero.
1.1 Transformación martensítica.
Si la austenita se subenfría hasta la temperatura en la que la red de la
austenita a pesar de la presencia de carbono disuelto en ella, es inestable, pero
la velocidad de difusión del carbono, debido a la temperatura, es tan pequeña
que se efectúa la reestructuración de la red sin que precipite el carbono.
Fe γ Fe α
Sus principales características son
Ø Ocurre sin difusión.
Ø Se origina martensita (solución sólida de carbono en hierro α) de red
tetragonal.
Ø El contenido de carbono de la martensita es igual al contenido de carbono
de la austenita que la originó.
Ø La tetragonalidad de la martensita es proporcional al contenido de carbono.
Ø Se forma una estructura acicular (en forma deláminas o agujas).
Ø La transformación transcurre a intervalos a partir de la curva de inicio de
transformación (Mi) hasta la curva final de transformación (Mf).
Ø Generalmente (Mf) se encuentran por debajo de 0sC por lo que en la
estructura del acero siempre queda un pequeño por ciento de austenita que
no se transforma denominado austenita residual.
Ø Es una transformación irreversible. Es decir, no se obtiene a partir de la
martensita, martensita nuevamente.
Ø El metal queda en estado inestable con gran cantidad de tensiones internas.

Figura 18 Red cristalina de la martensita.




1.3 Transformaciones durante el revenido.
Durante el calentamiento de una estructura martensítica ocurren en el
acero las siguientes transformaciones.
1. Entre 80sC y 200sC: Primera etapa del revenido. Disminuye la
tetragonalidad de la martensita. La martensita que se obtiene con este
revenido (martensita revenida con relación c/a cercana a 1) es casi cúbica.
Se empieza a precipitar el carbono de la martensita.
Entre 200sC y 300sC: Segunda etapa del revenido. La austenita residual se
transforma en una mezcla formada por solución sólida sobresaturada de
carbono en hierro α (martensita revenida). Se forman carburos intermedios
ε de fórmula Fe2C.
3. Entre 300sC y 400sC: Tercera etapa del revenido. Se eliminan las tensiones
residuales y la estructura de los carburos se torna cementítica. La estructura
es denominada bainita de revenido (mezcla de cementita y ferrita). Aparece
la fragilidad del revenido de primer género. El límite elástico alcanza su
valor más elevado.
4. Más de400sC y hasta 600sC: Se obtiene la sorbita y la troostita de
revenido (mezclas de ferrita y cementita). Coalece la cementita. La dureza
disminuye mucho, pero se obtiene la mayor resistencia a la fatiga.
Conviene llamar la atención que en las mezclas de ferrita y cementita
que se obtienen del revenido tienen una forma granular, mientras que las que
se obtienen directamente de la austenita son laminares. Estas últimas
presentan propiedades mecánicas inferiores a las provenientes del temple y el
revenido.

2 Conceptos Prácticos relacionados con el tratamiento
térmico de los aceros.
Ø Clasificación general de los tratamientos térmicos de los aceros.
1. Volumétricos
Temple,
Revenido,
Recocido,
Normalizado,
Termomecánico.
Superficiales: Temple Superficial, Tratamientos Termoquímicos.
1 Tratamiento Térmico de Temple.
Temple: Consiste en un calentamiento entre 30 – 50sC por encima de Ac3
para los aceros hipoeutectoides y 30 – 50sC por encima de Ac1 para los aceros
eutectoides e hipereutectoides.




Figura 19 Temperaturas de calentamiento durante los tratamientos de
Temple.
seguido de un enfriamiento enérgico en un medio adecuado, con velocidad
mayor que la crítica de Temple para obtener una estructura martensítica,
dureza y resistencia en el acero.
s Por qué los aceros hipoeutectoides se austenizan completamente y los
hipereutectoides no?
Si se calienta entre Ac1 y Ac3 en los aceros hipoeutectoides queda parte
de ferrita en la estructura austenítica y al enfriarse, se hereda en la
transformación martensítica y esto ocasiona una disminución de la resistenciay la dureza (este defecto se denomina temple incompleto). Es por ello que en
estos aceros se da temple completo (por encima de Ac3).
En el caso de los aceros hipereutectoides hay varias razones para no
calentar por encima de Acm
1. Aumenta mucho el tamaño del grano austenítico.
Se descarbura más la superficie del acero.
3. Disminuye algo la dureza de la estructura de martensita porque
aumenta la cantidad de austenita residual.
Cuando se calienta entre Ac1 y Acm
1. La cementita presente en el acero templado aumenta la dureza y la
resistencia al desgaste.
Según lo anterior de acuerdo a la temperatura de calentamiento hay dos
tipos de temple: completo e incompleto.
El tiempo total que dura el tratamiento térmico se compone del tiempo de
calentamiento hasta la temperatura dada (Tc) y el tiempo de permanencia a
esta temperatura (Tp).
Ttotal = Tc + Tp
La magnitud de Tc depende de la aptitud del medio para calentar, de las
dimensiones de las piezas y de la colocación en el horno. Tp depende de la
velocidad de los cambios de fase, la cual está determinada por el grado de
calentamiento por encima del punto crítico y por la difusión de la estructura
inicial.



En la práctica Tp puede tomarse como 1min x mm para los aceros al
carbono y 2 min x mm para los aceros aleados. El tiempo de calentamiento
depende de muchos factores y puede oscilar entre 1 – 2 min para piezas
pequeñas en baños de sales y muchas horas en piezas grandes en hornos de
cámara.
El tiempo de calentamiento exacto solo puede establecerse por la vía
experimental para una pieza dada en lascondiciones concretas, pero se puede
calcular de forma aproximada para lo cual existen varios métodos. Se puede
tomar 1 min x mm en hornos de mufla y piezas de acero al carbono. Para
aceros aleados debe incrementarse un 20 – 25%.
Templabilidad: Se entiende por templabilidad la profundidad a la que penetra
en la pieza la zona templada. La templabilidad incompleta se explica porque
durante el temple, la pieza se enfriará mas rápido en la superficie que en el
centro.
Es evidente que en la medida que disminuye la velocidad crítica de
temple aumenta la profundidad de la capa templada, y si la Vc es menor que la
velocidad de enfriamiento en el centro de la pieza, esta sección se templará
completamente. Por consiguiente, cuanto menor sea Vc, tanto mayor será la
templabilidad .
Para valorar prácticamente la templabilidad se utilizará una magnitud
llamada diámetro crítico (Dc). El diámetro crítico es el diámetro máximo para
una barra cilíndrica que se templa en toda su sección en un medio de
enfriamiento dado. Por consiguiente, para un acero dado a cada medio de
enfriamiento le corresponde un diámetro crítico.
Si es necesario que una pieza se temple en todo su espesor hay que
elegir un acero tal que
Dc > Dpieza.
Una pieza templada se halla siempre en un estado de tensión
estructural. El revenido es un medio necesario y radical para disminuir las
tensiones residuales. El calentamiento del acero en el revenido aumenta la
plasticidad, esto permite que, en los diversos volúmenes, las deformaciones
elásticas se conviertan en plásticas, con lo cual disminuye la tensión.



Tipos detemple. Figura 20 Curvas de enfriamiento de los diferentes
tipos de temple representadas en el diagrama T.T.T.



Temple continuo (en un solo medio).
Temple escalonado (en dos medios).
Temple Escalonado (Mantempering).
Temple isotérmico (Austempering).

Otros procedimientos de temple.
1. Enfriamiento en chorro de agua (mayor templabilidad).
Temple con autorrevenido (para lograr que la dureza disminuya gradual y
uniformemente. Se emplea en herramientas, cortafríos, punzones, hachas
etc. Solo se le da dureza al filo.)
3. Enfriamiento subcero (para disminuir la austenita residual).
2 Tratamiento Térmico de Revenido.
Uno de los orígenes de la aparición de grietas en las piezas templadas
es la presencia de tensiones internas producto de la transformación
martensítica. Para evitar este defecto es necesario aplicar el tratamiento
térmico de revenido posterior al temple.
Revenido: Es un proceso tecnológico de tratamiento térmico que consiste en el
calentamiento del acero templado hasta temperaturas por debajo de AC1
mantenimiento y enfriamiento posterior a la velocidad adecuada. Su objetivo es
eliminar las tensiones internas y estabilizar la estructura martensítica.
Tipos de Revenido.
Ø Revenido Bajo: Se realiza en el intervalo de temperatura de 150sC a
250sC. Se utiliza para todos los aceros de herramientas de alto contenido
de carbono. Prácticamente no disminuye la dureza, pero disminuye las
tensiones internas y parte de la austenita residual.
Ø Revenido Medio: Se realiza a 350 – 450sC. Es muy utilizado en muelles y
resortes. Disminuyebastante la dureza y se eleva la tenacidad. Se obtiene
una estructura de troostita de revenido. También se puede utilizar en
herramientas que deban tener buena resistencia con suficiente elasticidad.
Ø Revenido Alto: Se realiza a 500sC – 650sC. En este proceso, la martensita
se transforma en sorbita de revenido. Esta estructura garantiza una mejor
combinación de resistencia y plasticidad del acero. En la sorbita de revenido
la cementita adquiere forma granular, a diferencia de la obtenida en un
normalizado. Como consecuencia de esto se eleva notablemente la
resistencia con la misma dureza o aún más elevada con relación al acero
normalizado. Este tipo de revenido se emplea para piezas de acero que
estén sometidas a elevada fatiga o cargas de impacto.
El temple del acero con un ulterior revenido alto se denomina
termomejoramiento o bonificado.



3 Tratamiento Térmico de Recocido.
Recocido: Es una de las operaciones de tratamiento térmico más importantes
y utilizadas en el tratamiento térmico del acero. Consiste en calentar el acero
hasta una temperatura dada, un mantenimiento a esa temperatura y un
enfriamiento lento en el horno. Se obtienen estructuras de equilibrio, son
generalmente tratamientos iniciales. Ablandan el acero. Atendiendo a los tipos
que existen existen diferentes tipos.

Figura 21 Temperaturas de calentamiento durante los tratamientos de
Recocidos.
Ø Recocido Completo: Elimina las estructuras indeseables como la de
Windmanstaeten. Afina el grano cuando ha crecido producto de un mal
tratamiento. Para aceros hipoeutectoides.
Ø RecocidoIncompleto: Elimina tensiones. Solo recristaliza la perlita. Más
económico.
Ø Recocido de Globulización: Mejora la maquinabilidad en los aceros
eutectoides e hipereutectoides.
Ø Recocido de Recritalización: Disminuye tensiones. Elimina la acritud.
Ø Recocido de Homogenización: Elimina la segregación química y
cristalina. Se obtiene grano grueso. Es necesario un recocido completo
posterior.
Ø Recocido isotérmico: Economiza tiempo. Se emplea mucho en los aceros
aleados. Se mantiene en baños de sales a temperaturas menores que A1
hasta que la descomposición de la austenita se produzca y después se
enfría al aire.



Figura 22 Gráficos de tratamiento de los diferentes tipos de Recocido.
1. Completo.
Incompleto.
3. Globulización.
4. Recristalización.
5. Homogenización
6. Isotérmico.

4 Tratamiento Térmico de Normalizado.
Normalizado: Consiste en un calentamiento del acero aproximadamente 30 –
50sC por encima de Ac3 o Acm y un enfriamiento posterior al aire. Se produce
durante el mismo la recristalización y afino de la perlita. Se realiza con
enfriamiento al aire. En el caso de los aceros con bastante carbono y mucha
templabilidad, este tratamiento puede equivaler a un temple parcial, donde
aparezcan productos perlíticos y martensíticos. Para aceros con bajo contenido
de carbono no aleados no existe mucha diferencia entre el normalizado y el
recocido. Para aceros de contenido medio (entre 0 – 0,5%C) la diferencia de
propiedades es mayor que en el caso anterior. El normalizado da más dureza.
Objetivos del normalizado.
Ø Subsanar defectos de las operacionesanteriores de la elaboración en
caliente (colada, forja, etc).
Ø Preparar la estructura para las operaciones tecnológicas siguientes (por
ejemplo mecanizado o temple
Ø Puede ser un tratamiento térmico final.