El temple es un proceso de tratamiento térmico que consiste en calentar el acero a una temperatura superior a la temperatura crítica y un enfriamiento rápido posterior, a una velocidad que suprime la descomposición de la austenita en una mezcla de ferrita-cementita y proporciona una estructura de martensita.
contenido
Martensita y transformación martensítica en aceros
La martensita es una solución sólida sobresaturada de carbono en α-hierro (α-Fe). Qué es austenita, cementita, ferrita y perlita lea aquí. Cuando el acero eutectoide (0,8% de carbono) se calienta por encima del punto A1, la estructura de perlita original se convertirá en austenita. En este caso, todo el carbono presente en el acero, es decir, el 0,8%, se disolverá en la austenita. El enfriamiento rápido a una velocidad supercrítica (ver la figura a continuación), por ejemplo, en agua (600 ° C / s), evita la difusión de carbono desde la austenita, pero la red cristalina fcc de austenita se reorganizará en una red martensítica tetragonal. Este proceso se llama transformación martensítica. Se caracteriza por la naturaleza cortante del reordenamiento de la red cristalina a tal velocidad de enfriamiento en la que los procesos de difusión se vuelven imposibles. El producto de la transformación martensítica es martensita con una red tetragonal distorsionada. El grado de tetragonalidad depende del contenido de carbono en el acero: cuanto mayor sea, mayor será el grado de tetragonalidad. La martensita es la estructura dura y quebradiza del acero. Tiene forma de placas, al microscopio parece agujas.
La temperatura de endurecimiento para la mayoría de los aceros está determinada por la posición de los puntos críticos A1 y A3. En la práctica, la temperatura de endurecimiento de los aceros se determina utilizando clasificadores de acero. Cómo elegir la temperatura de endurecimiento del acero, teniendo en cuenta los puntos Ac1 y Ac3, lea el enlace.
Microestructura del acero después del endurecimiento.
Para la mayoría de los aceros después del endurecimiento, la estructura de martensita y austenita retenida es característica, y la cantidad de esta última depende del contenido de carbono y del contenido cualitativo y cuantitativo de los elementos de aleación. Para aceros estructurales de aleación media, la cantidad de austenita residual puede estar en el rango de 3-5%. En aceros para herramientas, esta cantidad puede llegar al 20-30%.
En general, la estructura del acero después del endurecimiento está determinada por los requisitos finales de las propiedades mecánicas del producto. Junto con la martensita, la ferrita o la cementita pueden estar presentes en la estructura después del temple (en el caso de temple incompleto). Durante el endurecimiento isotérmico del acero, su estructura puede consistir en bainita. La estructura, las propiedades finales y los métodos de enfriamiento del acero se analizan a continuación.
Endurecimiento parcial del acero.
Se denomina endurecimiento parcial, en el que la velocidad de enfriamiento no es suficiente para la formación de martensita y está por debajo del crítico. Esta velocidad de enfriamiento está indicada por la línea azul en la figura. Con el endurecimiento parcial, la “nariz” del acero de curva C parece tocarse. En este caso, junto con la martensita, la troostita en forma de islas negras estará presente en la estructura de acero.
La microestructura del acero parcialmente endurecido se ve así:
El endurecimiento parcial es un matrimonio que se elimina mediante la recristalización completa del acero, por ejemplo, durante la normalización o el recalentamiento para el endurecimiento.
Templado parcial de aceros.
El temple a partir de temperaturas entre A1 y A3 (endurecimiento incompleto) conserva en la estructura de los aceros hipoeutectoides, junto con la martensita, parte de la ferrita, lo que reduce la dureza en estado templado y empeora las propiedades mecánicas tras el revenido. Esto es comprensible, ya que la dureza de la ferrita es de 80 HB y la dureza de la martensita depende del contenido de carbono y puede ser superior a 60 HRC. Por lo tanto, estos aceros generalmente se calientan a temperaturas de 30 a 50 °C por encima de A3 (endurecimiento completo). En teoría, el endurecimiento incompleto de aceros no está permitido y es un matrimonio. En la práctica, en algunos casos, para evitar grietas por endurecimiento, se puede utilizar un endurecimiento incompleto. Muy a menudo esto se aplica al endurecimiento con corrientes de alta frecuencia. Con tal endurecimiento, es necesario tener en cuenta su conveniencia: tipo de producción, programa anual, tipo de responsabilidad del producto, justificación económica. Para los aceros hipereutectoides, el enfriamiento rápido a temperaturas superiores a A1, pero inferiores a Asm, genera un exceso de cementita en la estructura, lo que aumenta la dureza y la resistencia al desgaste del acero. El calentamiento por encima de la temperatura Acm conduce a una disminución de la dureza debido a la disolución del exceso de cementita y un aumento de la austenita retenida. En este caso se produce un crecimiento de grano de austenita, que también afecta negativamente a las características mecánicas del acero.
Por tanto, el temple óptimo para los aceros hipoeutectoides es el temple a partir de una temperatura de 30-50 °C por encima de A3, y para los aceros hipereutectoides, de 30-50 °C por encima de A1.
La velocidad de enfriamiento también afecta el resultado del endurecimiento. El medio de enfriamiento óptimo es aquel que enfría rápidamente la pieza en el rango de temperatura de estabilidad mínima de la austenita sobreenfriada (en el rango de la punta de la curva c) y lentamente en el rango de temperatura de transformación martensítica.
Etapas de enfriamiento en el temple
Los medios de extinción más comunes son agua a varias temperaturas, soluciones de polímeros, soluciones de alcohol, aceite y sales fundidas. Durante el enfriamiento en estos medios, se distinguen varias etapas de enfriamiento:
– enfriamiento de la película, cuando se forma una “camisa de vapor” en la superficie del acero;
– ebullición de burbujas, que ocurre con la destrucción completa de esta camisa de vapor;
Se pueden encontrar más detalles sobre las etapas de enfriamiento durante el enfriamiento en el artículo “Características de los aceites de enfriamiento”
Además de los medios de extinción líquidos, se utiliza el enfriamiento en un flujo de gas de diferentes presiones. Puede ser nitrógeno (N2), helio (He) e incluso aire. Dichos medios de enfriamiento rápido se utilizan a menudo en el tratamiento térmico al vacío. Aquí es necesario tener en cuenta el hecho de la posibilidad de obtener una estructura martensítica: la templabilidad del acero en un entorno determinado, es decir, la composición química del acero de la que depende la posición de la curva c.
Factores que afectan la posición de las curvas c:
– Carbono. Aumentar el contenido de carbono al 0,8% aumenta la estabilidad de la austenita sobreenfriada, respectivamente, la curva c se desplaza hacia la derecha. Con un aumento en el contenido de carbono de más del 0,8 %, la curva c se desplaza hacia la izquierda;
– Elementos de aleación. Todos los elementos de aleación aumentan la estabilidad de la austenita en diversos grados. Esto no se aplica al cobalto, reduce la estabilidad de la austenita sobreenfriada;
– Granulometría y homogeneidad. Cuanto más grande es el grano y más homogénea su estructura, mayor es la estabilidad de la austenita;
– El aumento del grado de distorsión de la red cristalina reduce la estabilidad de la austenita sobreenfriada.
La temperatura influye en la posición de las curvas c a través de todos estos factores.
Métodos de endurecimiento del acero.
En la práctica, se utilizan varios métodos de enfriamiento según las dimensiones de las piezas, su composición química y la estructura requerida (diagrama a continuación).
Esquema: Tasas de enfriamiento para diferentes métodos de endurecimiento del acero
Endurecimiento continuo del acero.
El endurecimiento continuo (1) es un método de enfriamiento de piezas en un medio. Después del calentamiento, la pieza se coloca en un medio de enfriamiento y se deja allí hasta que se enfríe por completo. Esta tecnología es la más común, ampliamente utilizada en la producción en masa. Adecuado para casi todos los tipos de aceros estructurales.
Endurecimiento en dos ambientes
El endurecimiento en dos ambientes (velocidad 2 en la figura) se realiza en diferentes medios de endurecimiento, con diferentes temperaturas. Primero, la pieza se enfría en el rango de temperatura, por ejemplo, 890-400 ° C, por ejemplo, en agua, y luego se transfiere a otro medio de enfriamiento: aceite. En este caso, la transformación martensítica ya ocurrirá en el medio oleoso, lo que conducirá a una disminución de la correa y alabeo del acero. Este método de endurecimiento se utiliza en el tratamiento térmico de herramientas de estampado. En la práctica, a menudo se usa el método tecnológico opuesto: primero, las piezas se enfrían en aceite y luego en agua. En este caso, la transformación martensítica ocurre en aceite y las piezas se transfieren al agua para un enfriamiento más rápido. Esto ahorra tiempo para la implementación de la tecnología de endurecimiento.
endurecimiento escalonado
En el temple por etapas (velocidad 3), el producto se enfría en un medio de temple que tiene una temperatura superior a la temperatura de transformación martensítica. Así, se obtiene una cierta exposición isotérmica antes del inicio de la transformación de la austenita en martensita. Esto asegura una distribución uniforme de la temperatura en toda la sección de la pieza. A esto le sigue el enfriamiento final, durante el cual se produce la transformación martensítica. Este método da endurecimiento con tensiones internas mínimas. El mantenimiento isotérmico se puede realizar justo por debajo de la temperatura Mn, ya después del inicio de la transformación martensítica (velocidad 6). Este método es más difícil desde un punto de vista tecnológico.
Endurecimiento isotérmico de aceros.
Se realiza un temple isotérmico (velocidad 4) para obtener una estructura de acero bainítico. Esta estructura se caracteriza por una excelente combinación de resistencia y propiedades plásticas. Durante el endurecimiento isotérmico, las piezas se enfrían en un baño con sales fundidas, que tienen una temperatura de 50-150 °C por encima del punto martensítico Mn, se mantienen a esta temperatura hasta el final de la transformación de austenita en bainita, y luego se enfrían en aire.
El tratamiento en frío (5) se utiliza para aceros en los que la temperatura final de la transformación martensítica Mk está por debajo de la temperatura ambiente.
El tratamiento en frío se aplica a aceros rápidos, piezas templadas, instrumentos de medición y otros productos de alta precisión. Puede leer más sobre este método de tratamiento térmico no estándar en el artículo “Tratamiento en frío de piezas de acero”
Dependencia de la dureza de la martensita del contenido de carbono
La dureza del acero después del templado depende de la dureza de la martensita, que a su vez depende del contenido de carbono. Con un aumento en el contenido de carbono, también aumenta la dureza después del endurecimiento del acero. La dependencia gráfica se muestra en la figura.
14.9. Métodos de endurecimiento del acero. Defectos que ocurren durante el endurecimiento.
Métodos de endurecimiento del acero.. Los principales métodos de templado del acero son el templado en un enfriador, en dos ambientes, jet, autotemplado, escalonado e isotérmico.
Endurecimiento en un enfriador. La pieza, calentada a la temperatura de endurecimiento, se sumerge en el líquido de endurecimiento, donde permanece hasta que se enfría por completo. Las piezas de acero al carbono se enfrían en agua, mientras que las piezas de acero aleado se enfrían en aceite. Los aceros con alto contenido de carbono se endurecen con enfriamiento, esto reduce las tensiones internas en las piezas y elimina la formación de grietas.
Endurecimiento en dos ambientes, o endurecimiento intermitente (Fig. 4.27). La pieza se enfría primero en un medio de enfriamiento rápido, agua, y luego se transfiere a un medio de enfriamiento lento, aceite. Este método se usa cuando se endurece una herramienta hecha de acero con alto contenido de carbono.
Arroz. 4.27. Métodos de enfriamiento durante el endurecimiento de aceros: 1 – enfriamiento continuo; 2 – endurecimiento en dos ambientes; 3 – endurecimiento paso; 4 – endurecimiento isotérmico
Endurecimiento por chorro. Las piezas calentadas a la temperatura de endurecimiento se enfrían con un chorro de agua. Este método se utiliza para el endurecimiento de superficies internas, cabezales, troqueles y otras herramientas, en las que la superficie de trabajo debe tener una estructura de martensita. Con el enfriamiento por aspersión, no se forma una camisa de vapor, lo que proporciona una templabilidad más profunda que con el enfriamiento simple en agua.
Auto templado. Las piezas se mantienen en un medio refrigerante no hasta que se enfrían por completo, sino hasta cierto punto para mantener el calor en el núcleo de la pieza necesario para el autotemplado.
endurecimiento escalonado. Con este método de endurecimiento, las piezas calentadas se enfrían primero a una temperatura ligeramente superior al punto Mn (en aceite caliente o sal fundida), luego, después de una breve exposición a esta temperatura (hasta que comienzan las transformaciones intermedias), se enfrían al aire.
Endurecimiento isotérmico. Las piezas se calientan a una temperatura predeterminada y se enfrían en un medio isotérmico a 220-350 °C, que es algo más alta que la temperatura a la que comienza la transformación martensítica. La exposición de las piezas en el medio de endurecimiento debería ser suficiente para la transformación completa de la austenita en troostita acicular. A esto le sigue el enfriamiento por aire. Con el endurecimiento isotérmico, el tiempo de mantenimiento es mucho mayor que con el endurecimiento escalonado.
El endurecimiento isotérmico elimina una gran diferencia en las tasas de enfriamiento de la superficie y el núcleo de las piezas, que es la causa principal de la formación de tensiones térmicas y grietas de endurecimiento. En algunos casos, el endurecimiento isotérmico elimina la operación de templado, lo que reduce el ciclo de tratamiento térmico en un 35–40 %.
endurecimiento ligero. Con este método de temple, las piezas se calientan en una atmósfera neutra no oxidante o en sales neutras fundidas. Con el endurecimiento ligero, las piezas o herramientas se calientan en sales líquidas que no provocan la oxidación del metal, seguido de su enfriamiento en álcalis cáusticos fundidos.
defectos, derivados del endurecimiento. Los principales tipos de defectos son: agrietamiento, deformación y alabeo, descarburación y oxidación, cambio dimensional, puntos blandos, baja dureza, sobrecalentamiento.
Grietas de endurecimiento. En piezas grandes, como troqueles y troqueles de forja, pueden producirse grietas por templado incluso cuando se templan en aceite. Por lo tanto, es conveniente enfriar dichas piezas a 150–200 °C con un templado posterior rápido.
Para reducir la velocidad de enfriamiento durante el endurecimiento de los aceros aleados y reducir la tensión, estos aceros se someten a un enfriamiento lento en aceite o aire.
Deformación y deformación. Este tipo de piezas defectuosas se forma como resultado de transformaciones volumétricas estructurales y relacionadas desiguales y la aparición de tensiones internas durante el enfriamiento.
descarburación herramienta cuando se calienta en hornos eléctricos y medios líquidos (baños de sal) – un defecto grave durante el endurecimiento, porque reduce la vida útil de la herramienta varias veces.
puntos débiles. Durante el endurecimiento, se forman áreas con dureza reducida en la superficie de una pieza o herramienta. Las razones de tal defecto pueden ser la presencia de incrustaciones y contaminación en la superficie de las piezas, áreas con una superficie descarburada o un movimiento insuficientemente rápido de las piezas en un medio de enfriamiento rápido (camisa de vapor). Los puntos blandos se eliminan por completo mediante endurecimiento a chorro y en agua salada.
Causas baja dureza son un enfriamiento insuficientemente rápido en el medio de enfriamiento rápido, baja temperatura de enfriamiento rápido, así como una baja exposición durante el calentamiento para el enfriamiento rápido. Para corregir este defecto, las piezas o herramientas primero se someten a un alto revenido a una temperatura de 600-625 ° C y luego se endurecen.
Sobrecalentamiento conduce a la formación de una estructura de grano grueso, que empeora las propiedades mecánicas del acero. Para refinar el grano y preparar la estructura para el endurecimiento, el acero sobrecalentado debe recocerse.
subcalentamiento. Si la temperatura de endurecimiento estaba por debajo de los puntos críticos Ac3 (para aceros hipoeutectoides) y Ac1 (para aceros hipereutectoides), entonces la estructura de acero endurecido estará compuesta por granos de martensita y ferrita, que tienen una dureza baja. El subcalentamiento se puede corregir recociendo seguido de endurecimiento.
