- Introducción
- Diagrama hierro-carbono y diagramas TTT y
CCT - El
temple del acero - El
revenido del acero - Efecto
de los elementos de aleación - Procedimientos del revenido
- Conclusiones
- Referencias
Aspectos a tener presente para el revenido de los aceros –
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Aspectos a tener presente para el
revenido de los aceros
1. Resumen
2. Introducción
8. Conclusiones
9. Referencias
Resumen
El presente trabajo consistes en definir
los conceptos que deben de tenerse presente para realizar un
tratamiento térmico eficiente de los aceros.
Producto de la cantidad de carbono y elementos de
aleación, así será las propiedades
mecánicas resultantes a obtener tanto como, resistencia
mecánica, plasticidad y tenacidad además de los
componentes microestructurales.
Además se dan elementos necesarios
para seleccionar el tratamiento térmico, como los
diferentes hornos a utilizar.
Palabra clave: Tratamiento
térmico de los aceros, revenido de los
aceros.
Introducción
El estudio de los procesos de tratamiento
térmico de los aceros comenzó por D. Chermov de los
puntos críticos del acero en 1868.
Se conoce como tratamiento térmico
el proceso al que se someten los metales con el fin de mejorar
sus propiedades mecánicas, especialmente la dureza, la
resistencia y la tenacidad. Los materiales a los que se aplica el
tratamiento térmico son, básicamente, el acero y la
fundición, formados por hierro y carbono.
El tratamiento térmico es la
operación de calentamiento y enfriamiento de un metal en
su estado sólido a temperaturas y condiciones determinadas
para cambiar sus propiedades mecánicas. Nunca alteran las
propiedades químicas. Con el tratamiento térmico
adecuado se pueden reducir los esfuerzos internos, el
tamaño del grano, incrementar la tenacidad o producir una
superficie dura con un interior dúctil. Para conocer a que
temperatura debe elevarse el metal para que se reciba un
tratamiento térmico es recomendable contar con los
diagramas de cambio de fases como el de hierro – carbono. En este
tipo de diagrama se especifican las temperaturas en las que
suceden los cambios de fase (cambios de estructura cristalina),
dependiendo de los materiales diluidos. Los tratamientos
térmicos han adquirido gran importancia en la industria en
general, ya que con las constantes innovaciones se van
requiriendo metales con mayores resistencias tanto al desgaste
como a la tensión. El tiempo y la temperatura son los
factores principales y hay que fijarlos de antemano de acuerdo
con la composición del acero, la forma y el tamaño
de las piezas y las características que se desean
obtener.
El tratamiento térmico convencional
para producir aceros martensíticos se obtiene mediante un
enfriamiento rápido, del acero austenizado, en un medio de
temple, tal como agua, aceite o aire.
Las propiedades mecánicas optima de
un acero templado seguido de un revenido, se produce si durante
el proceso de temple el acero adquiere un alto contenido de
martensíta, u otro microconstituyente como perlita,
bainita.
El tratamiento térmico adecuado del
acero para que se produzca una estructura martensística,
depende fundamentalmente de tres fases.
1. Calentamiento de la
pieza.2. Permanencia a la temperatura
deseada.3. Medio de
enfriamiento.
Desarrollo
Diagrama
hierro-carbono y diagramas TTT y CCT
El diagrama de fase hierro-carbono (Fe-C), mostrado en
la Figura 1, es la representación gráfica de las
fases presentes en determinada composición y temperatura.
Es en el referido diagrama donde todos los tratamientos
térmicos se basan, pues el mismo define las regiones de
temperatura y cantidad de carbono donde las fases son estables;
sin embargo, resalta que este diagrama debe ser apenas una
guía, una vez que la mayoría de los aceros
contienen otros elementos que modifican las posiciones de
equilibrio donde las fases son estables (3,4(.
Los aceros son aleaciones de hierro, carbono y otros
elementos, el hierro es el elemento que entra en mayor
proporción y la cantidad de carbono no sobrepasa el 2%;
sin embargo este elemento es el que más influencia ejerce
en las propiedades y posiciones de equilibrio. Algunos elementos,
como el manganesio y el níquel, pueden aumentar el
área donde la austenita es estable, mientras que el
silicio, el cromo y el niobio estabilizan la fase
ferrítica (3(.
El diagrama de transformación isotérmica,
que también es conocido como diagrama ITT, puede ser
observado en la Figura 2. En una transformación
isotérmica la temperatura es mantenida constante mientras
se varía el tiempo. Este diagrama torna la cinética
de transformación más fácil de ser analizada
para determinada temperatura.
El diagrama de transformación por enfriamiento
continuo que también es conocido como diagrama CCT, puede
ser observado en la Figura 2. Este diagrama se aproxima
más a las condiciones de enfriamiento de los procesos de
manufactura, con un descenso paulatino de la temperatura a
diferentes velocidades de enfriamiento.
Es importante resaltar que algunos factores influyen
directamente en la posición de las curvas de inicio y fin
de transformación, como por ejemplo, la cantidad de
carbono, el tamaño de los granos, la presencia de los
elementos de aleación y la homogeneidad de la
austenita.
Figura 1: Diagrama
hierro-carbono(5(.
Figura 2: Diagrama ITT y CCT para el
acero SAE 4130 (5(.
El temple del
acero
La austenitización se define como la
formación de la austenita como resultado del calentamiento
del acero hasta una temperatura ligeramente más elevada
que la crítica superior (Ac3) (3(. El temple, consiste en
enfriar el acero rápidamente después de la
austenitización, en un medio apropiado, con el objetivo de
lograr la formación de la martensita; tal estructura
confiere alta dureza y resistencia al acero.
Los medios de enfriamiento más comúnmente
utilizados para el temple son: agua, aceite, soluciones
poliméricas y soluciones salinas, presentando diferentes
severidades (6(.
Dependiendo del contenido de carbono, la martensita
puede presentar dos tipos de morfología: listones y
placas. La Figura 3 relaciona la morfología de la
martensita con la cantidad de carbono.
La martensita tipo listones es formada en los aceros de
bajo carbono, son listones largos y finos que se forman lado a
lado, paralelamente entre sí (3,4(. La martensita tipo
placas se desarrolla en los aceros de alto carbono. Con esta
estructura los granos de la martensita adquieren una apariencia
en formato de aguja o placas y es común la presencia de la
austenita retenida (7(. En los aceros de medio carbono pueden
coexistir los dos tipos de martensita.
Figura 3: Intervalos de formación
de la martensita tipo entramas y tipo placas (3(.
Así, la martensita lograda por el temple es una
estructura bastante dura y frágil. La mayor dificultad al
usar aceros templados consiste exactamente en la baja tenacidad y
en la alta concentración de tensiones de la martensita.
Esta fragilidad se debe a las distorsiones en el reticulado
causadas por los átomos de carbono retenidos en los sitios
octaédricos de la martensita (Figura 4), a la
segregación de las impurezas para los contornos de grano
de la austenita, a la formación de carburos durante el
temple y a las tensiones residuales de temple (3(. Para aliviar
estas tensiones y mejorar la tenacidad del acero templado se hace
necesaria otra etapa de tratamiento térmico; el proceso
adecuado para este fin es denominado revenido.
Figura 4: Desplazamientos del
átomo de hierro debido a los átomos de carbono en:
a- austenita, b- ferrita y c- martensita (8(.
El revenido del
acero
El revenido del acero se realiza después del
temple para obtener valores especificados de las propiedades
mecánicas, también para aliviar tensiones y
asegurar la estabilidad dimensional.
Las variables asociadas con el revenido – que afectan a
la microestructura y las propiedades mecánicas de un acero
– incluyen:
temperatura de revenido(
tiempo de permanencia a la temperatura de
revenidovelocidad de calentamiento y enfriamiento
En el acero templado, con una microestructura que
consiste esencialmente en martensita, los átomos de
carbono se insertan en la red cristalina del hierro, produciendo
una distorsión de la red cúbica del hierro que da
origen a una red tetragonal la cual le confiere al acero altos
niveles de dureza, en dependencia de su contenido de
carbono.
Durante el revenido, debido al calentamiento, los
átomos de carbono difunden, para permitir el retorno a la
red cúbica característica del hierro, originando
carburos del tipo M3C.
Las propiedades del acero revenido se determinan
principalmente por el tamaño, forma, composición y
distribución de los carburos, con una contribución
relativamente menor debida al endurecimiento por
sólido-solución de la ferrita. Estos cambios en la
microestructura suelen disminuir la resistencia mecánica y
aumentar la ductilidad y la tenacidad.
Bajo ciertas condiciones, la dureza puede no ser
afectada por el revenido o incluso puede aumentar como resultado
del mismo. Por ejemplo, un revenido de acero templado con
temperaturas de revenido muy baja puede provocar ningún
cambio en la dureza. Además, los aceros de aleación
que contienen uno o más de los elementos formadores de
carburo (Cr, Mo, V y W) son capaces de provocar el llamado
endurecimiento secundario. Los valores de dureza de revenido para
varios aceros se presentan en la Tabla 1.
La temperatura y el tiempo de permanencia son variables
interdependientes en el proceso de revenido. Dentro de ciertos
límites, la reducción de la temperatura o el
incremento del tiempo de permanencia por lo general pueden
producir el mismo resultado que el aumento de la temperatura y la
disminución del tiempo de permanencia; aunque se considera
que los cambios de temperatura tienen mayor efecto que los del
tiempo de permanencia. Con pocas excepciones, el revenido se
realiza a temperaturas entre 175 y 705 °C con tiempos de 30
min a 4 h.
Desde el punto microestructural, sobre la base de rayos
X, dilatometría y los estudios microscopía, hay
tres etapas distintas de revenido, a pesar de que los rangos de
temperatura se superponen ( 9, 10, 11,12(.
Etapa I: La formación de( carburos de
transición y la reducción a 0,25% del contenido de
carbono de la martensita (de 100 a 250 °C)
Etapa II: La transformación( de la
austenita retenida en ferrita y cementita (200 a 300
°C)
Etapa III: La sustitución de( los carburos
de transición y de la martensita de baja temperatura por
la mezcla de cementita y ferrita (250 a 350 °C).
Una etapa adicional de revenido (etapa IV),
consistente en la precipitación de carburos de
aleación finamente dispersos, existe para los aceros de
alta aleación.
Se ha encontrado que la fase I de revenido es a menudo
precedida por la redistribución de los átomos de
carbono, llamado auto-revenido, durante el enfriamiento y/o
mantenimiento a temperatura ambiente (13(. Otros cambios
estructurales tienen lugar a causa del reordenamiento de
átomos de carbono antes de la etapa clásica I del
revenido (14,15(.
Tabla 1. Valores de dureza de diferentes aceros
sometidos al revenido (14(.
La formación de la martensita se asocia con un
aumento en el volumen. Durante el revenido, la martensita se
descompone en una mezcla de ferrita y cementita, con una
consiguiente disminución de volumen a medida aumenta la
temperatura de revenido. La austenita retenida en aceros al
carbono y aceros de baja aleación se transforma en vainita
con un aumento en el volumen, en la etapa II del revenido. Cuando
algunos aceros de aleación son revenidos, una
precipitación de carburos aleados finamente distribuidos,
acompañada de un aumento en la dureza – la dureza llamada
secundaria – y un aumento en el volumen.
1.3.1 INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA DE
REVENIDO
Varias relaciones empíricas se han realizado
entre la resistencia a la tracción y la dureza de los
aceros revenidos de tal manera que la medición de dureza
se utiliza habitualmente para evaluar la respuesta de un acero
revenido.
La figura 5 muestra el efecto de la temperatura sobre la
dureza, resistencia a la tracción, elongación y
estricción relativas de un acero al carbono (AISI 1050)
revenidos durante 1 h.
Fig. 5 Efecto de la temperatura de
revenido en las propiedades mecánicas a temperatura
ambiente del acero AISI 1050 (barra de 38 mm de diámetro),
previamente templado en agua. (0,52% C, 0,93% Mn).
[16]
La mayoría de los aceros de mediana
aleación presentan una respuesta al revenido similar a la
de los aceros al carbono. El cambio en las propiedades
mecánicas con la temperatura de revenido de acero 4340 se
muestra en la figura 6.
Fig. 6 Efecto de la temperatura de revenido en
las propiedades mecánicas de barras de acero 4340 templado
en aceite. (0,41% C, 0,67% Mn, 0.023% P, S 0,018%, 0.26% Si,
1.77% Ni, Cr 0,78%, 0,26% Mo, tamaño de grano, ASTM 6-8;
puntos críticos: AC1=730 °C, AC3= 770 °C, Ar3=475
°C, AR1=380 °C. El tratamiento térmico:
normalizado a 870 °C, temple a 800 °C en aceite, dureza
de temple 601 HB 16 .
1.3.2 INFLUENCIA DEL TIEMPO DE REVENIDO
La difusión de carbono y elementos de aleación
necesaria para la formación de carburos depende de la
temperatura y el tiempo de revenido. El efecto del tiempo de
revenido en la dureza de un acero con 0,82% C revenido a
diferentes temperaturas se muestra en la figura 7. Los cambios en
la dureza se comportan aproximadamente de forma lineal en una
gran parte del intervalo de tiempo, cuando el tiempo se presenta
en una escala logarítmica.
Cambios significativos en la dureza se producen al inicio del
revenido antes de de los 10 s, Cambios menos significativos en la
dureza ocurren entre 1 y 10 minutos de revenido. Muy
pequeños cambios ocurren en la dureza con tiempos entre 1
y 2 h de revenido, por lo que generalmente el revenido se aplica
entre 1 y 2 h.
Fig. 7 Efecto del tiempo a cuatro temperaturas
de revenido sobre la dureza a de del acero con 0,82% C templado
17 .
13.3 VELOCIDAD DE ENFRIAMIENTO
Otro factor que puede afectar a las características de un
acero es la velocidad de enfriamiento durante revenido. Aunque
las propiedades de tracción no se ven afectadas por la
velocidad de enfriamiento, la resistencia al impacto puede
disminuir si el acero se enfría lentamente a través
del rango de temperatura de 375 a 575 °C, especialmente en
aceros que contienen elementos formadores de carburo. La
elongación y estricción relativas también
pueden verse afectadas. Este fenómeno se llama fragilidad
de revenido.
Efecto de los
elementos de aleación
El principal objetivo de añadir elementos de
aleación al acero es para aumentar la templabilidad, es
decir, la capacidad del acero para formar martensita durante el
temple. El efecto general de los elementos de aleación en
revenido es de retardar la tasa de ablandamiento, especialmente a
las altas temperaturas de revenido.
Por lo tanto, para alcanzar una determinada dureza en un
mismo período de tiempo, los aceros aleados requieren
temperaturas más altas de revenido que los aceros al
carbono. Los elementos de aleación se pueden caracterizar
como formadores o no formadores de carburos.
Elementos tales como Ni, Si, Al y Mn, que tienen poca o
ninguna tendencia a formar carburos, se mantienen esencialmente
en solución sólida de la ferrita y sólo
tienen un efecto menor sobre la dureza del templado. El
endurecimiento debido a la presencia de estos elementos se
produce principalmente a través de endurecimiento por
solución sólida de la ferrita (18,19( .
Los elementos formadores de carburos (Cr, Mo, W, V, Nb y
Ti) retardan las etapas del revenido, desplazándolas hacia
temperaturas mayores en comparación con los aceros al
carbono, dando origen a carburos aleados complejos. Este efecto
no es considerable a baja temperatura de revenido cuando se forma
Fe3C, sin embargo, a temperaturas más altas la dureza
disminuye lentamente con la temperatura de revenido.
El aumento en la dureza debido a la adición de
diferentes elementos de aleación para temperaturas de
revenido entre 205 y 705 °C.
Los elementos fuertemente formadores de carburos, tales
como el cromo, molibdeno y vanadio, son más eficaces en el
aumento de la dureza a temperaturas superiores a 205 °C. Se
ha encontrado que el silicio actúa sobre el aumento de la
dureza a los 315 °C. El aumento en la dureza causada por el
fósforo, níquel y silicio puede ser atribuido al
endurecimiento por solución- sólida. El manganeso
es más efectivo en el aumento de la dureza a temperaturas
más altas de revenido.
Los elementos formadores de carburos retardan la
coalescencia de la cementita, formando numerosas
partículas finas y dispersas de carburos aleados. Bajo
ciertas condiciones, con altas niveles de aleación, la
dureza puede aumentar; este efecto se conoce como endurecimiento
secundario.
A medida que aumenta el contenido de molibdeno, se
incremente el efecto del endurecimiento secundario.
Se plantea que efectos sinérgicos de varias
combinaciones de elementos de aleación pueden ocurrir, por
ejemplo: el cromo tiende a producir endurecimiento secundario a
una temperatura más baja que en el caso del molibdeno. Sin
embargo, la combinación de cromo y molibdeno produce una
curva de dureza en función de la temperatura de revenido
con pico a una temperatura menor de la que provoca el pico de
dureza cuando solo está presente el molibdeno,
Procedimientos
del revenido
El revenido puede realizarse por calentamiento total o
de determinas zonas de las piezas, durante el tiempo suficiente
para que se desarrollen los mecanismos del revenido hasta el
punto requerido en dependencia de la dureza a obtener.
El proceso de revenido puede realizarse en hornos de
convección o de sales fundidas, en baños de aceite
caliente o de metal fundido. La selección del tipo de
horno depende principalmente del número y tamaño de
las piezas y de la temperatura deseada. La Tabla 2 muestra
especificaciones para el uso de diferentes equipos de
revenido.
Tabla 2 Especificaciones para el uso de diferentes
equipos de revenido.
Conclusiones
En este trabajo se llegaron a las
siguientes conclusiones.
Los aceros son aleaciones de hierro,
carbono y otros elementos, el hierro es el elemento que entra
en mayor proporción y la cantidad de carbono no
sobrepasa el 2%; sin embargo este elemento es el que
más influencia ejerce en las propiedades y posiciones
de equilibrio.Algunos elementos, como el manganesio y el
níquel, pueden aumentar el área donde la
austenita es estable, mientras que el silicio, el cromo y el
niobio estabilizan la fase ferrítica.El diagrama de transformación
isotérmica, la temperatura es mantenida constante
mientras se varía el tiempo. Este diagrama torna la
cinética de transformación más
fácil de ser analizada, en los procesos de temple y
revenidoEl diagrama de transformación por
enfriamiento continuo que también es conocido como
diagrama CCT, se aproxima más a las condiciones de
enfriamiento de los procesos de manufactura, con un descenso
paulatino de la temperatura a diferentes velocidades de
enfriamiento, recomendamos analizarlo en unión del
diagrama de transformación
isotérmica.El temple, consiste en enfriar el acero
rápidamente después de la
austenitización, en un medio apropiado, con el
objetivo de lograr la formación de la martensita; tal
estructura confiere alta dureza y resistencia al
acero.El revenido del acero se realiza después del
temple para obtener valores especificados de las propiedades
mecánicas, también para aliviar tensiones y
asegurar la estabilidad dimensional.Las propiedades del acero revenido se determinan
principalmente por el tamaño, forma,
composición, como la distribución de los
carburos, con una contribución relativamente menor
debida al endurecimiento por sólido-solución de
la ferrita. Estos cambios en la microestructura suelen
disminuir la resistencia mecánica y aumentar la
ductilidad y la tenacidad.Durante el revenido, la dureza como la resistencia
mecánica disminuye con el aumento de la temperatura
mientras que la plasticidad aumenta. Esta es una variable de
gran importancia en el revenido.El tiempo de revenido tiene poca influencia sobre
las propiedades del aceroEl carbono tiene gran influencia en la dureza de
temple.El efecto general de los elementos de
aleación en revenido es de retardar la tasa de
ablandamiento, a las altas temperaturas de
revenido.
Referencias
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19. A.P Guliáev, Metalografía.
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Autor:
Ing. Román Terry
Jiménez
Dr. Rafael Fernández
Fuentes
Centro de investigaciones de soldadura,
Universidad Central "Marta Abreu". Las Villas. Cuba.