Ⅰ.El concepto básico del tratamiento térmico.
A.El concepto básico de tratamiento térmico.
Los elementos y funciones básicos detratamiento térmico:
1.Calefacción
El objetivo es obtener una estructura austenita uniforme y fina.
2.Sosteniendo
El objetivo es garantizar que la pieza de trabajo se caliente completamente y evitar la descarburación y la oxidación.
3.Enfriamiento
El objetivo es transformar la austenita en diferentes microestructuras.
Microestructuras después del tratamiento térmico.
Durante el proceso de enfriamiento después de calentar y mantener, la austenita se transforma en diferentes microestructuras dependiendo de la velocidad de enfriamiento. Diferentes microestructuras exhiben diferentes propiedades.
B.El concepto básico de tratamiento térmico.
Clasificación basada en métodos de calentamiento y enfriamiento, así como en la microestructura y propiedades del acero.
1.Tratamiento térmico convencional (tratamiento térmico general): templado, recocido, normalizado, enfriamiento
2.Tratamiento térmico de la superficie: enfriamiento de la superficie, enfriamiento de la superficie de calentamiento por inducción, enfriamiento de la superficie de calentamiento por llama, enfriamiento de la superficie de calentamiento por contacto eléctrico.
3.Tratamiento térmico químico: carburación, nitruración, carbonitruración.
4.Otros tratamientos térmicos: tratamiento térmico en atmósfera controlada, tratamiento térmico al vacío, tratamiento térmico por deformación.
C. Temperatura crítica de los aceros
La temperatura crítica de transformación del acero es una base importante para determinar los procesos de calentamiento, mantenimiento y enfriamiento durante el tratamiento térmico. Está determinado por el diagrama de fases hierro-carbono.
Conclusión clave:La temperatura de transformación crítica real del acero siempre va por detrás de la temperatura de transformación crítica teórica. Esto significa que se requiere sobrecalentamiento durante el calentamiento y subenfriamiento durante el enfriamiento.
Ⅱ.Recocido y normalizado del acero.
1. Definición de recocido
El recocido implica calentar el acero a una temperatura superior o inferior al punto crítico Ac₁, mantenerlo a esa temperatura y luego enfriarlo lentamente, generalmente dentro del horno, para lograr una estructura cercana al equilibrio.
2. Propósito del recocido
①Ajustar la dureza para el mecanizado: lograr una dureza mecanizable en el rango de HB170~230.
②Aliviar el estrés residual: previene la deformación o el agrietamiento durante procesos posteriores.
③Refinar la estructura del grano: mejora la microestructura.
④Preparación para el Tratamiento Térmico Final: Obtiene perlita granular (esferoidizada) para su posterior enfriamiento y revenido.
3.Recocido esferoidizante
Especificaciones del proceso: La temperatura de calentamiento está cerca del punto Ac₁.
Propósito: Esferoidizar la cementita o los carburos del acero, dando como resultado perlita granular (esferoidizada).
Rango aplicable: Se utiliza para aceros con composiciones eutectoides e hipereutectoides.
4.Recocido por difusión (recocido por homogeneización)
Especificaciones del proceso: La temperatura de calentamiento está ligeramente por debajo de la línea solvus en el diagrama de fases.
Finalidad: Eliminar la segregación.
①Para bajosacero carbonocon un contenido de carbono inferior al 0,25%, se prefiere la normalización al recocido como tratamiento térmico preparatorio.
②Para acero de medio carbono con un contenido de carbono entre 0,25% y 0,50%, se puede utilizar el recocido o la normalización como tratamiento térmico preparatorio.
③Para acero de medio a alto contenido de carbono con un contenido de carbono entre 0,50% y 0,75%, se recomienda el recocido completo.
④Para altasacero carbonocon un contenido de carbono superior al 0,75%, primero se utiliza la normalización para eliminar el Fe₃C de la red, seguido del recocido esferoidal.
Ⅲ.Enfriamiento y revenido de acero.
A.Enfriamiento
1. Definición de enfriamiento: El enfriamiento implica calentar el acero a una cierta temperatura por encima del punto Ac₃ o Ac₁, mantenerlo a esa temperatura y luego enfriarlo a una velocidad mayor que la velocidad de enfriamiento crítica para formar martensita.
2. Propósito del enfriamiento: El objetivo principal es obtener martensita (o, a veces, bainita inferior) para aumentar la dureza y la resistencia al desgaste del acero. El templado es uno de los procesos de tratamiento térmico más importantes del acero.
3.Determinación de las temperaturas de enfriamiento para diferentes tipos de acero
Acero hipoeutectoide: Ac₃ + 30°C a 50°C
Acero eutectoide e hipereutectoide: Ac₁ + 30°C a 50°C
Acero aleado: 50°C a 100°C por encima de la temperatura crítica
4.Características de enfriamiento de un medio de enfriamiento ideal:
Enfriamiento lento antes de la temperatura "nariz": para reducir suficientemente el estrés térmico.
Alta capacidad de enfriamiento cerca de la temperatura "nariz": Para evitar la formación de estructuras no martensíticas.
Enfriamiento lento cerca del punto M₅: para minimizar la tensión inducida por la transformación martensítica.
5.Métodos de enfriamiento y sus características:
①Enfriamiento simple: fácil de operar y adecuado para piezas de trabajo pequeñas y de forma simple. La microestructura resultante es martensita (M).
② Doble enfriamiento: más complejo y difícil de controlar, se utiliza para acero con alto contenido de carbono de formas complejas y piezas de trabajo de acero aleado más grandes. La microestructura resultante es martensita (M).
③Enfriamiento roto: un proceso más complejo, utilizado para piezas de trabajo de acero de aleación grandes y de formas complejas. La microestructura resultante es martensita (M).
④Enfriamiento isotérmico: se utiliza para piezas de trabajo pequeñas y de formas complejas con altos requisitos. La microestructura resultante es bainita inferior (B).
6.Factores que afectan la templabilidad
El nivel de templabilidad depende de la estabilidad de la austenita sobreenfriada en el acero. Cuanto mayor sea la estabilidad de la austenita sobreenfriada, mejor será la templabilidad y viceversa.
Factores que influyen en la estabilidad de la austenita sobreenfriada:
Posición de la curva C: si la curva C se desplaza hacia la derecha, la velocidad de enfriamiento crítica para el enfriamiento disminuye, lo que mejora la templabilidad.
Conclusión clave:
Cualquier factor que desplace la curva C hacia la derecha aumenta la templabilidad del acero.
Factor principal:
Composición química: Excepto el cobalto (Co), todos los elementos de aleación disueltos en austenita aumentan la templabilidad.
Cuanto más se acerca el contenido de carbono a la composición eutectoide del acero al carbono, más se desplaza la curva C hacia la derecha y mayor es la templabilidad.
7.Determinación y Representación de la Templabilidad
①Prueba de templabilidad por enfriamiento final: La templabilidad se mide utilizando el método de prueba de enfriamiento final.
②Método del diámetro de enfriamiento crítico: El diámetro de enfriamiento crítico (D₀) representa el diámetro máximo de acero que se puede endurecer completamente en un medio de enfriamiento específico.
B. Templado
1. Definición de templado
El templado es un proceso de tratamiento térmico en el que el acero templado se recalienta a una temperatura inferior al punto A₁, se mantiene a esa temperatura y luego se enfría a temperatura ambiente.
2. Propósito del templado
Reducir o eliminar tensiones residuales: Previene la deformación o agrietamiento de la pieza de trabajo.
Reducir o Eliminar Austenita Residual: Estabiliza las dimensiones de la pieza de trabajo.
Elimine la fragilidad del acero templado: ajusta la microestructura y las propiedades para cumplir con los requisitos de la pieza de trabajo.
Nota importante: El acero debe templarse inmediatamente después del temple.
3.Procesos de templado
1.Bajo templado
Propósito: Reducir la tensión de enfriamiento, mejorar la tenacidad de la pieza de trabajo y lograr una alta dureza y resistencia al desgaste.
Temperatura: 150°C ~ 250°C.
Rendimiento: Dureza: HRC 58 ~ 64. Alta dureza y resistencia al desgaste.
Aplicaciones: Herramientas, moldes, cojinetes, piezas carburadas y componentes de superficie endurecida.
2.Alto temperamento
Propósito: Lograr una alta tenacidad junto con suficiente resistencia y dureza.
Temperatura: 500°C ~ 600°C.
Rendimiento: Dureza: HRC 25 ~ 35. Buenas propiedades mecánicas generales.
Aplicaciones: Ejes, engranajes, bielas, etc.
Refinación Térmica
Definición: El enfriamiento seguido de un revenido a alta temperatura se denomina refinamiento térmico o simplemente revenido. El acero tratado mediante este proceso tiene un rendimiento general excelente y se utiliza ampliamente.
Ⅳ.Tratamiento térmico superficial del acero.
A. Enfriamiento superficial de aceros
1. Definición de endurecimiento superficial
El endurecimiento superficial es un proceso de tratamiento térmico diseñado para fortalecer la capa superficial de una pieza de trabajo calentándola rápidamente para transformar la capa superficial en austenita y luego enfriándola rápidamente. Este proceso se lleva a cabo sin alterar la composición química del acero ni la estructura central del material.
2. Materiales utilizados para el endurecimiento de superficies y la estructura posterior al endurecimiento
Materiales utilizados para el endurecimiento de superficies
Materiales típicos: acero con medio carbono y acero de aleación con medio carbono.
Pre-Tratamiento: Proceso Típico: Templado. Si las propiedades centrales no son críticas, se puede utilizar la normalización en su lugar.
Estructura post-endurecimiento
Estructura de la superficie: la capa superficial normalmente forma una estructura endurecida como martensita o bainita, que proporciona alta dureza y resistencia al desgaste.
Estructura del núcleo: El núcleo del acero generalmente conserva su estructura original, como perlita o estado templado, dependiendo del proceso de pretratamiento y las propiedades del material base. Esto asegura que el núcleo mantenga una buena tenacidad y resistencia.
B.Características del endurecimiento superficial por inducción.
1. Alta temperatura de calentamiento y rápido aumento de temperatura: el endurecimiento de la superficie por inducción generalmente implica altas temperaturas de calentamiento y velocidades de calentamiento rápidas, lo que permite un calentamiento rápido en poco tiempo.
2.Estructura de grano fino de austenita en la capa superficial: durante el calentamiento rápido y el posterior proceso de enfriamiento, la capa superficial forma granos finos de austenita. Después del templado, la superficie se compone principalmente de martensita fina, con una dureza típicamente 2-3 HRC mayor que la del templado convencional.
3.Buena calidad de la superficie: debido al corto tiempo de calentamiento, la superficie de la pieza de trabajo es menos propensa a la oxidación y la descarburación, y se minimiza la deformación inducida por el enfriamiento, lo que garantiza una buena calidad de la superficie.
4.Alta resistencia a la fatiga: la transformación de fase martensítica en la capa superficial genera tensión de compresión, lo que aumenta la resistencia a la fatiga de la pieza de trabajo.
5.Alta eficiencia de producción: el endurecimiento de la superficie por inducción es adecuado para la producción en masa y ofrece una alta eficiencia operativa.
C.Clasificación del tratamiento térmico químico.
Carburación,Carburación,Carburación,Cromado,Siliconización,Siliconización,Siliconización,Carbonitruración,Borocarburación
D. Carburación de gas
La carburación con gas es un proceso en el que una pieza de trabajo se coloca en un horno de carburación con gas sellado y se calienta a una temperatura que transforma el acero en austenita. Luego, se gotea un agente carburante en el horno o se introduce directamente una atmósfera carburante, lo que permite que los átomos de carbono se difundan en la capa superficial de la pieza de trabajo. Este proceso aumenta el contenido de carbono (wc%) en la superficie de la pieza de trabajo.
√Agentes carburantes:
•Gases ricos en carbono: Como gas de hulla, gas licuado de petróleo (GLP), etc.
•Líquidos Orgánicos: Como keroseno, metanol, benceno, etc.
√Parámetros del proceso de carburación:
•Temperatura de carburación: 920~950°C.
•Tiempo de carburación: Depende de la profundidad deseada de la capa de carburación y de la temperatura de carburación.
E.Tratamiento térmico después de la carburación
El acero debe someterse a un tratamiento térmico después de la cementación.
Proceso de tratamiento térmico después de la carburación:
√Enfriamiento + Templado a baja temperatura
1. Enfriamiento directo después del preenfriamiento + templado a baja temperatura: la pieza de trabajo se enfría previamente desde la temperatura de carburación hasta justo por encima de la temperatura Ar₁ del núcleo y luego se enfría inmediatamente, seguido de un templado a baja temperatura de 160 ~ 180 °C.
2. Enfriamiento simple después del preenfriamiento + templado a baja temperatura: después de la cementación, la pieza de trabajo se enfría lentamente a temperatura ambiente y luego se recalienta para enfriar y revenir a baja temperatura.
3. Doble enfriamiento después del preenfriamiento + templado a baja temperatura: después de la cementación y el enfriamiento lento, la pieza de trabajo se somete a dos etapas de calentamiento y enfriamiento, seguidas de un templado a baja temperatura.
Ⅴ.Tratamiento térmico químico de aceros
1.Definición de Tratamiento Térmico Químico
El tratamiento térmico químico es un proceso de tratamiento térmico en el que una pieza de acero se coloca en un medio activo específico, se calienta y se mantiene a una temperatura que permite que los átomos activos del medio se difundan en la superficie de la pieza de trabajo. Esto cambia la composición química y la microestructura de la superficie de la pieza, alterando así sus propiedades.
2.Proceso Básico de Tratamiento Térmico Químico
Descomposición: Durante el calentamiento, el medio activo se descompone liberando átomos activos.
Absorción: Los átomos activos son adsorbidos por la superficie del acero y se disuelven en la solución sólida del acero.
Difusión: Los átomos activos absorbidos y disueltos en la superficie del acero migran hacia el interior.
Tipos de endurecimiento superficial por inducción
a.Calentamiento por inducción de alta frecuencia
Frecuencia actual: 250~300 kHz.
Profundidad de la capa endurecida: 0,5~2,0 mm.
Aplicaciones: Engranajes de módulo mediano y pequeño y ejes de tamaño pequeño a mediano.
b.Calentamiento por inducción de frecuencia media
Frecuencia actual: 2500~8000 kHz.
Profundidad de la capa endurecida: 2~10 mm.
Aplicaciones: Ejes más grandes y engranajes de módulo grande a mediano.
c.Calentamiento por inducción de frecuencia eléctrica
Frecuencia actual: 50 Hz.
Profundidad de la capa endurecida: 10~15 mm.
Aplicaciones: Piezas que requieren una capa endurecida muy profunda.
3. Endurecimiento de superficies por inducción
Principio básico del endurecimiento superficial por inducción
Efecto de piel:
Cuando la corriente alterna en la bobina de inducción induce una corriente en la superficie de la pieza de trabajo, la mayor parte de la corriente inducida se concentra cerca de la superficie, mientras que casi ninguna corriente pasa a través del interior de la pieza de trabajo. Este fenómeno se conoce como efecto piel.
Principio de endurecimiento superficial por inducción:
Basado en el efecto piel, la superficie de la pieza de trabajo se calienta rápidamente hasta la temperatura de austenización (aumentando a 800~1000°C en unos pocos segundos), mientras que el interior de la pieza de trabajo permanece casi sin calentar. A continuación, la pieza de trabajo se enfría mediante pulverización de agua, consiguiendo el endurecimiento de la superficie.
4.Fragilidad del temperamento
Templado de la fragilidad en acero templado
La fragilidad del templado se refiere al fenómeno en el que la tenacidad al impacto del acero templado disminuye significativamente cuando se templa a ciertas temperaturas.
Primer tipo de templado de fragilidad
Rango de temperatura: 250°C a 350°C.
Características: Si el acero templado se revende dentro de este rango de temperatura, es muy probable que se desarrolle este tipo de fragilidad por templado, que no se puede eliminar.
Solución: Evite templar el acero templado dentro de este rango de temperatura.
El primer tipo de fragilidad por revenido también se conoce como fragilidad por revenido a baja temperatura o fragilidad por revenido irreversible.
Ⅵ.Templado
1.El templado es un proceso de tratamiento térmico final que sigue al enfriamiento.
¿Por qué es necesario templar los aceros templados?
Microestructura después del enfriamiento: Después del enfriamiento, la microestructura del acero generalmente consiste en martensita y austenita residual. Ambas son fases metaestables y se transformarán bajo ciertas condiciones.
Propiedades de la martensita: La martensita se caracteriza por una alta dureza pero también una alta fragilidad (especialmente en la martensita con forma de aguja con alto contenido de carbono), que no cumple con los requisitos de rendimiento para muchas aplicaciones.
Características de la Transformación Martensítica: La transformación a martensita ocurre muy rápidamente. Después del templado, la pieza de trabajo presenta tensiones internas residuales que pueden provocar deformaciones o grietas.
Conclusión: ¡La pieza de trabajo no se puede utilizar directamente después del enfriamiento! El templado es necesario para reducir las tensiones internas y mejorar la dureza de la pieza de trabajo, haciéndola adecuada para su uso.
2.Diferencia entre templabilidad y capacidad de endurecimiento:
Templabilidad:
La templabilidad se refiere a la capacidad del acero para alcanzar una cierta profundidad de endurecimiento (la profundidad de la capa endurecida) después del templado. Depende de la composición y estructura del acero, en particular de sus elementos de aleación y del tipo de acero. La templabilidad es una medida de qué tan bien puede endurecerse el acero en todo su espesor durante el proceso de enfriamiento.
Dureza (Capacidad de Endurecimiento):
La dureza, o capacidad de endurecimiento, se refiere a la dureza máxima que se puede alcanzar en el acero después del temple. Está influenciado en gran medida por el contenido de carbono del acero. Un mayor contenido de carbono generalmente conduce a una mayor dureza potencial, pero esto puede verse limitado por los elementos de aleación del acero y la efectividad del proceso de enfriamiento.
3.Templabilidad del acero
√Concepto de templabilidad
La templabilidad se refiere a la capacidad del acero para alcanzar una cierta profundidad de endurecimiento martensítico después del enfriamiento desde la temperatura de austenitización. En términos más simples, es la capacidad del acero de formar martensita durante el enfriamiento.
Medición de la templabilidad
El tamaño de la templabilidad está indicado por la profundidad de la capa endurecida obtenida en condiciones específicas después del enfriamiento.
Profundidad de la capa endurecida: Esta es la profundidad desde la superficie de la pieza de trabajo hasta la región donde la estructura es mitad martensita.
Medios de enfriamiento comunes:
•Agua
Características: Económico con una gran capacidad de enfriamiento, pero tiene una alta velocidad de enfriamiento cerca del punto de ebullición, lo que puede provocar un enfriamiento excesivo.
Aplicación: Normalmente se utiliza para aceros al carbono.
Agua salada: Solución de sal o álcali en agua, que tiene una mayor capacidad de enfriamiento a altas temperaturas en comparación con el agua, lo que la hace adecuada para aceros al carbono.
•Aceite
Características: Proporciona una velocidad de enfriamiento más lenta a bajas temperaturas (cerca del punto de ebullición), lo que reduce efectivamente la tendencia a la deformación y el agrietamiento, pero tiene una menor capacidad de enfriamiento a altas temperaturas.
Aplicación: Adecuado para aceros aleados.
Tipos: Incluye aceite de enfriamiento, aceite para máquinas y combustible diesel.
Tiempo de calentamiento
El tiempo de calentamiento consta tanto de la velocidad de calentamiento (tiempo necesario para alcanzar la temperatura deseada) como del tiempo de mantenimiento (tiempo mantenido a la temperatura objetivo).
Principios para determinar el tiempo de calentamiento:Asegure una distribución uniforme de la temperatura en toda la pieza de trabajo, tanto en el interior como en el exterior.
Asegurar una austenitización completa y que la austenita formada sea uniforme y fina.
Base para determinar el tiempo de calentamiento: generalmente se estima mediante fórmulas empíricas o se determina mediante experimentación.
Medios de enfriamiento
Dos aspectos clave:
a.Tasa de enfriamiento: una velocidad de enfriamiento más alta promueve la formación de martensita.
b.Esfuerzo residual: una mayor velocidad de enfriamiento aumenta el estrés residual, lo que puede conducir a una mayor tendencia a la deformación y al agrietamiento en la pieza de trabajo.
Ⅶ.Normalización
1. Definición de normalización
La normalización es un proceso de tratamiento térmico en el que el acero se calienta a una temperatura de 30 °C a 50 °C por encima de la temperatura Ac3, se mantiene a esa temperatura y luego se enfría con aire para obtener una microestructura cercana al estado de equilibrio. En comparación con el recocido, la normalización tiene una velocidad de enfriamiento más rápida, lo que da como resultado una estructura de perlita (P) más fina y mayor resistencia y dureza.
2. Propósito de la Normalización
El propósito de la normalización es similar al del recocido.
3. Aplicaciones de la normalización
•Eliminar cementita secundaria en red.
•Servir como tratamiento térmico final para piezas con menores requerimientos.
•Actuar como tratamiento térmico preparatorio para acero estructural de bajo y medio carbono para mejorar la maquinabilidad.
4.Tipos de recocido
Primer tipo de recocido:
Propósito y función: El objetivo no es inducir una transformación de fase sino hacer que el acero pase de un estado desequilibrado a un estado equilibrado.
Tipos:
•Recocido por Difusión: Tiene como objetivo homogeneizar la composición eliminando la segregación.
•Recocido por Recristalización: Restaura la ductilidad eliminando los efectos del endurecimiento por trabajo.
•Recocido para aliviar tensiones: Reduce las tensiones internas sin alterar la microestructura.
Segundo tipo de recocido:
Propósito y Función: Tiene como objetivo cambiar la microestructura y propiedades, logrando una microestructura dominada por perlita. Este tipo también garantiza que la distribución y morfología de perlita, ferrita y carburos cumplan requisitos específicos.
Tipos:
•Recocido completo: calienta el acero por encima de la temperatura Ac3 y luego lo enfría lentamente para producir una estructura de perlita uniforme.
•Recocido Incompleto: Calienta el acero entre temperaturas Ac1 y Ac3 para transformar parcialmente la estructura.
•Recocido isotérmico: calienta el acero por encima de Ac3, seguido de un enfriamiento rápido a una temperatura isotérmica y lo mantiene para lograr la estructura deseada.
•Recocido esferoidal: Produce una estructura de carburo esferoidal, mejorando la maquinabilidad y la tenacidad.
Ⅷ.1.Definición de Tratamiento Térmico
El tratamiento térmico se refiere a un proceso en el que el metal se calienta, se mantiene a una temperatura específica y luego se enfría mientras está en estado sólido para alterar su estructura interna y microestructura, logrando así las propiedades deseadas.
2.Características del tratamiento térmico
El tratamiento térmico no cambia la forma de la pieza de trabajo; en cambio, altera la estructura interna y la microestructura del acero, lo que a su vez cambia las propiedades del acero.
3. Propósito del tratamiento térmico
El propósito del tratamiento térmico es mejorar las propiedades mecánicas o de procesamiento del acero (o de las piezas de trabajo), utilizar plenamente el potencial del acero, mejorar la calidad de la pieza de trabajo y extender su vida útil.
4. Conclusión clave
El hecho de que las propiedades de un material puedan mejorarse mediante el tratamiento térmico depende fundamentalmente de si hay cambios en su microestructura y estructura durante el proceso de calentamiento y enfriamiento.
Hora de publicación: 19 de agosto de 2024