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TEMA 5 TRATAMIENTOS TÉRMICOS PARA FORMAR FERRITA Y PERLITA La definición de tratamiento térmico dada en el Metals Handbook es: “Una combinación de operaciones de calentamiento y enfriamiento, de tiempos determinados aplicados a un metal o aleación en estado sólido en una forma tal que producirá propiedades deseadas. Todos los procesos básicos de tratamientos térmicos para aceros involucran la transformación o descomposición de la austenita. La naturaleza y morfología de los productos de transformación determinan las propiedades físicas y mecánicas de cualquier acero.

γ (0.77 %C) ⇔ α (0.02 %C)+ Fe 3 C (6.67 %C) Porción del diagrama de fases Fe-C, enfatizando las regiones de formación de ferrita proeutectoide y cementita proeutectoide, así como la transformación eutectoide de la austenita. El primer paso en el tratamiento térmico del acero es calentar el material a alguna temperatura en o por encima del intervalo crítico para formar la austenita.

En la mayoría de los casos, la rapidez de calentamiento a la temperatura deseada es menos importante que otros factores en el ciclo del tratamiento térmico. Los materiales con gran deformación producidos por trabajado en frío deben calentarse más lentamente que los que están libres de esfuerzos para evitar la distorsión. Se debe considerar la diferencia en temperatura que tiene lugar dentro de las secciones gruesas y delgadas de artículos de sección transversal variable. Realizando el calentamiento más lento en las secciones más delgadas, esto para minimizar el esfuerzo térmico y la distorsión. Los tratamientos térmicos se pueden clasificar como: 1. Recocido total 2. Recocido isotérmico 3. Recocido de esferoidización 4. Recocido para eliminación de esfuerzos 5. Recocido de proceso 6. Normalizado 7. Temple (endurecimiento) y Revenido 8. Endurecimiento superficial Recocido Total: El propósito del recocido puede ser homogeneizar la estructura, refinar el grano, proporcionar suavidad, mejorar las propiedades eléctricas y magnéticas y en algunos casos mejorar el maquinado. Este proceso consiste en: 1) calentar el acero a la temperatura adecuada, 2) mantenerlo a esta temperatura el tiempo necesario y 3) enfriar lentamente a lo largo del intervalo de transformación, preferentemente en el horno o en cualquier material que sea buen aislante del calor. Por lo general, el enfriamiento lento continúa hasta temperaturas bajas. El enfriamiento lento durante el recocido provoca que las estructuras obtenidas sean muy próximas a las que se presentan en el diagrama de equilibrio hierro-carburo de hierro.

Acero hipoeutectoide

Acero hipereutectoide

Ejemplos de microestructuras del acero: (a) ferrita, (b) ferrita más perlita y (c) perlita más cementita. Recocido de Esferoidización: Los aceros de medio y alto carbono en donde encontramos una microestructura con perlita y cementita proeutectoide pueden ser muy duros para maquinarse o deformarse plásticamente. Cuando esta presente la red de cementita que es dura y frágil, la herramienta de corte no lo puede hacer a través de las placas o red, por lo que tienen que ser quebradas. Debido a esto, la herramienta de corte se somete a continua carga de choque por las placas de cementita y resulta en una superficie final irregular o mellada. Los aceros esferoidizados presentan máxima suavidad y ductilidad y son fácilmente maquinados y deformados. Este proceso producirá una forma de carburo esferoidal o globular en una matriz de ferrita, para esto puede emplearse uno de los siguientes métodos: Mantener durante un tiempo prolongado (15 a 25 horas) a una temperatura justamente por debajo de la línea crítica inferior. 2. Calentar y enfriar alternadamente en un rango de +/50ºC con respecto a la línea crítica inferior. 3. Calentar a una temperatura ligeramente por encima de la línea crítica inferior y luego enfriar muy lentamente en el horno o mantener a una temperatura justo por debajo de la línea crítica inferior. 1.

Al mantener el acero un tiempo prolongado a la temperatura de esferoidización, provoca la coalescencia de las placas de Fe 3C de la perlita y de la red de cementita. La cementita se convertirá en partículas esféricas, que es la forma geométrica de mayor equilibrio con sus alrededores.

Cementita globular en una matriz de ferrita.

Efecto del tamaño de la perlita sobre el tiempo requerido para la esferoidización de un acero 0.74C-0.71Si, transformadas isotérmicamente entre 700º y 580ºC y posteriormente recocido a 700ºC. Para transformar a la perlita en carburo esferoidal se requieren muchos cientos de horas. La esferoidización es más rápida si los carburos están inicialmente en forma

de partículas discretas, como en la bainita y aún más rápido si la estructura inicial es martensita. La esferoidización de la martensita es más frecuentemente realizada en aceros de herramienta o altamente aleados ya que forman martensita bajo enfriamiento al aire como se muestra esquemáticamente a continuación.

Esferoidización de la martensita. Recocido para Eliminación de Esfuerzos: Este proceso, algunas veces llamado recocido subcrítico, es útil para eliminar esfuerzos residuales debidos a: 1) un fuerte maquinado u otros procesos de trabajo en frío, 2) enfriamientos no uniformes de piezas que han sido procesadas a elevadas temperaturas como soldadura y colada y 3) transformaciones de fase inducidas durante el enfriamiento en donde la fase precursora y el producto tienen diferente densidad. Generalmente se lleva a cabo a temperaturas por debajo de la línea crítica inferior (500ºC – 575°C). Esta temperatura es tal que los efectos resultantes del trabajado en frío no sean afectados. El tiempo de permanencia es el suficiente para que la temperatura de la pieza sea uniforme y finalmente se enfría al aire. Si los esfuerzos no son eliminados se puede presentar distorsión y deformación. Recocido de Proceso: Este tratamiento térmico se utiliza en las industrias de la lámina y alambre. Se aplica después del trabajado en frío y suaviza el acero mediante recristalización, para un trabajado posterior. Generalmente se lleva a cabo al calentar el acero a una temperatura por debajo de la línea crítica inferior (575°C – 677°C). Es muy parecido al recocido para eliminación de tensiones.

Normalizado: Se utiliza para producir un acero más fuerte y más duro que el obtenido por recocido total, de manera que para algunas aplicaciones el normalizado pueda ser un tratamiento térmico final. El normalizado también puede utilizarse para mejorar la maquinabilidad, modificar y refinar las estructuras dendríticas de piezas de fundición, y refinar el grano y homogeneizar la microestructura para mejorar la respuesta en los tratamientos de endurecimiento. El normalizado se lleva a cabo al calentar aproximadamente 38°C por encima de la línea crítica superior seguido por un enfriamiento en aire quieto hasta la temperatura ambiente. Como ya no se enfría en condiciones de equilibrio, el diagrama Fe-Fe 3C estrictamente ya no debe utilizarse para predecir las proporciones de ferrita y perlita o cementita y perlita que existirán a temperatura ambiente. Debido a la mayor velocidad de enfriamiento, hay menos tiempo para la formación de los constituyentes proeutectoides, en consecuencia habrá menor cantidad de ferrita proeutectoide en los aceros hipoeutectoides y menor cantidad de cementita proeutectoide en los aceros hipereutectoides en comparación con los aceros recocidos. Aparte de influir en la cantidad de constituyente proeutectoide que se formará, la mayor rapidez de enfriamiento en el normalizado también afectará la temperatura de la transformación de austenita y la fineza de la perlita. En general, mientras más rápido sea el enfriamiento menor será la temperatura de transformación de la austenita y más fina será la perlita.

Efecto de la velocidad de enfriamiento en el espaciamiento interlaminar.

Efecto de la velocidad de enfriamiento en algunas propiedades mecánicas del acero.

Rango de temperatura utilizado durante los tratamientos térmicos que se utilizan para la formación de ferrita y perlita.

Representación esquemática de la variación de la velocidad de enfriamiento entre el recocido y el normalizado.