UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER ESCUELA DE INGENIERÍA METALÚRGICA Y CIENCIA DE LOS MATERIALES LABORATORIO DE TRATAMIENTOS TERMICOS
INFORME DE TRATAMIENTOS TRATAMIENTOS TERMICOS PROYECTO FINAL
PRESENTADO POR: JOHAN STEVE ESTÉVEZ TORRES LINA TRASLAVIÑA PASTRANA JHORMAN DAYAN RIVERA PICO
PRESENTADO A: INGENIERO JAIME ALBERTO GONZÁLEZ GONZÁLEZ
FACULTAD DE INGENIERIAS FISICOQUIMICAS INGENIERIA METALURGICA Y CIENCIA DE MATERIALES LABORATORIO DE PIROMETALURGIA BUCARAMANGA 2013
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TABLA DE CONTENIDO Pág. OBJETIVOS
3
FUNDAMENTO TEÓRICO
4
MATERIALES Y EQUIPOS
7
PROCEDIMIENTO
8
ANÁLISIS DE RESULTADOS
9
CONCLUSIONES
12
BIBLIOGRAFÍA
13
ANEXOS
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OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL
Comprender la importancia que tiene un tratamiento térmico para un tipo de material, pero en especial en los aceros; ya que gracias a este tipo de tratamientos nos permite mejorar en varios aspectos el acero.
OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Analizar como por medio de tratamientos
térmicos el material puede ganar
dureza y a la vez ganar fragilidad.
El temple es un tratamiento térmico que permite adquirir dureza al material y aumentar notablemente la dureza, observar como con el mismo material y gracias al temple se puede obtener por decirlo de alguna manera un nuevo material con propiedades mejores.
Entender como el revenido puede eliminar tensiones superficiales y mejorar la ductilidad del material, después de este material tener un temple y ser de una dureza bastante abrupta.
Observar cómo se pueden mejor aún más las propiedades de un material usando primero un tratamiento y luego el otro como lo es el caso del temple y el revenido.
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FUNDAMENTO TEÓRICO ACERO El acero es una aleación de hierro con una pequeña proporción de carbono, que proporciona a este, propiedades especiales tales como dureza y elasticidad. en general, también se pueden fabricar aceros con otros componentes como manganeso, níquel o cromo. los diferentes tipos de acero se clasifican de acuerdo a los elementos de aleación que producen distintos efectos en el acero, también a partir del diagrama hierro carbón se pueden analizar las transformaciones y fases de un material como lo son la peritéctica, eutéctica, etc. por otra parte este diagrama también nos permite saber las temperaturas más importantes en el proceso de transformación de los aceros desde su estado líquido hasta su estado sólido [1]. MICROESTRUCTURAS EN ALEACIONES Fe-C La microestructura que se desarrolla depende tanto del contenido en carbono como del tratamiento térmico. si el enfriamiento es muy lento se dan condiciones de equilibrio pero si los enfriamientos son muy rápidos se producen procesos que cambian la microestructura y por tanto las propiedades mecánicas. se distinguen varios tipos:
Aceros Eutectoides: Son aquellos en los que la fase austenítica sólida tiene
composición del eutectoide 0.77%. al enfriar se desarrollan las dos fases sólidas fe-α y cementita (F e3C). esta microestructura de ferrita y cementita se conoce como perlita. mecánicamente, las perlitas tienen propiedades intermedias entre la blanda y dúctil ferrita y la dura y quebradiza cementita.
Aceros Hipoeutectoides: Son aquellos en los que la fase austenítica sólida tiene un contenido en carbono inferior a la del eutectoide 0.77%. al enfriar se desarrolla la ferrita proeutectoide (en los límites de grano de la austenita antes de la temperatura eutectoide) y la perlita (austenita que no se convirtió en ferrita, después de la temperatura eutectoide).
Aceros Hipereutectoides: Son aquellos en los que la fase austenítica sólida tiene un contenido en carbono entre 0.77 y 2.11%. al enfriar se desarrolla la cementita proeutectoide (en los límites de grano de la austenita antes de la temperatura
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eutectoide) y la perlita (austenita que no se convirtió en cementita, después de la temperatura eutectoide) [3]. ACERO SAE-AISI 4140 O
ALEACIÓN: C% 0.4 - Si% 0.3 - Mn% 0.70 - Cr% 1.1 - Mo% 0.20
O
DENOMINACIÓN SEGÚN: DIN: 41CrMo4 - 42CrMo4 W
AISI 4140
NO 1.7223 –1.7225
o
BÖHLER 320
DESCRIPCIÓN: Acero de especial para bonificado con aleación al cromo-molibdeno. Muy resistente a la torsión, buena resistencia al desgaste y al impacto, utilizable en temperaturas hasta 450ºc sin perder su bonificación equivalente al AISI 4142 y ASTM A-193 Grado B-7. es aplicable en la construcción de vehículos, engranajes y motores, partes y repuestos de maquinarias tales como arboles de transmisión, brazos de ejes, bombas cardanes, cigüeñales, pines, émbolos, moldes de inyección de plástico como el VCN 150 donde las exigencias son menos estrictas.
o
ESTADO DE ENTREGA: Bonificada 95 - 115 [Kg/mm 2] (300 [HB]) por lo que generalmente no requiere de tratamiento térmico.
o
DUREZA EN ESTADO DE ENTREGA: 95 – 115 [Kg/mm2] liberado de tensiones.
o
RESISTENCIA A LA TRACCIÓN: 95-115 [Kg/mm2]
o
LÍMITE DE FLUENCIA: 70 – 90 [Kg/mm2]
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MEDIAS DISPONIBLES: Redondos:
O
1/2" Y 25" barras perforada y platinas
CARACTERÍSTICAS: Acero grado maquinaria al cromo-molibdeno. Para piezas y partes de maquinaria de uso general.
O
O
APLICACIONES TÍPICAS: -
piezas para maquinaria en general
-
cigüeñales
-
engranes
-
engranes de transmisión
-
ejes
-
bielas
-
portamoldes
TRATAMIENTOS SUPERFICIALES El acero SISA 4140R puede ser nitrurado o recubierto con cromo duro.
O
TRATAMIENTO TÉRMICO
FORJAR 1050-850°C (1920-1560°F)
no forjar por debajo de 825°C (1520°F) enfriamiento lento en horno o material termoaislante.
RECOCER calentamiento a 680-720°C (1250-1300°F)
mínimo 4 horas con enfriamiento lento en horno. O
RELEVADO DE TENSIONES
MATERIAL RECOCIDO 550-600°C (1020-1110°F)
mantener 2 horas después de calentamiento al núcleo, enfriamiento lento en horno o al aire.
MATERIAL
TEMPLADO calentar 15-30°C (25-50°F) por debajo de la
temperatura de revenido, mantener 2 horas después de calentamiento al núcleo, enfriamiento lento en horno o al aire. recomendable para reducir las tensiones causadas por un extenso maquinado. Página 6
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TEMPLE
PRECALENTAR 595-650°C (1100-1250°F) - normalizar.
TEMPLE (AUSTENIZACIÓN) 840-860°C (1540-1580°F)
1/2 hora por 1 pulgada de sección más 15 minutos por cada pulgada adicional.
ENFRIAMIENTO al aceite.
REVENIR 205-650°C (400-1200°F)
debe llevarse a cabo inmediatamente después del temple. preferentemente dar doble revenido con un tiempo de permanencia de 2 horas en cada revenido. MATERIALES Y EQUIPO
Probeta de acero cromo molibdeno SAE AISI 4140 con 25 [mm] de diámetro y 9 [mm] de longitud.
Horno eléctrico con control automático de temperatura, rango de 300980°C (mufla).
Agua.
Aceite lubricante para automóvil (SAE40).
Recipientes amplios (cubeta de 20 L).
Pinzas.
Guantes de asbesto.
Careta.
Ropa de lana o algodón.
Máquina para medir dureza: Durometro Rockwell.
Microscopio optico invertido metalurgico.
Máquina para pulir muestras metalográficas.
Lijas de esmeril números: 80, 120, 150, 180, 220, 320, 400, 600.
Vidrio concavo.
Alúmina.
Pulidoras de paños grueso y fino para materiales ferrosos.
Alcohol etílico o acetona.
Ácido nítrico o nital al 5%.
Algodón.
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PROCEDIMIENTO Se nos asignó por parte del profesor de laboratorio una probeta con unas dimensiones de una pulgada de diámetro (1 [in]) y de longitud tenía 0,9 [in], esta probeta era de un acero que corresponde a un AISI/SAE 4140 cuya composición y especificaciones se muestran en la parte de fundamento teórico, esta probeta tenía un papel en la parte trasera pegado con una cinta el cual nos especificaba que era lo que solicitaba el profesor este decía que pedía una dureza de revenido de 41 [HRC] en el medio de la probeta. Después de recibir la probeta y saber que necesitábamos obtener procedimos a trabajar en ella, lo primero que se hizo fue dividir la probeta en dos una con medidas de longitud (0.9 [in]) y (1.6 [in]) con la probeta de (1.6 [in]) se realizó un trabajo metalográfico con papel de desbaste en sus diferentes tamaños y posteriormente un ataque para revelar sus micrografías las cuales se pueden observar en la sección de análisis de resultados (micrografías); Y con la probeta de (0.9 [in]) de longitud se inició el proceso de los tratamientos térmicos. Primero se realizó un temple, calentando el horno (Mufla) hasta 830 °C más o menos a los 400 °C se metió la probeta al horno y se dejó subir hasta 830 °C y luego se dejó por 20 minutos después de que llego a los 830 °C y después de que se cumplió este tiempo se sacó la probeta para realizarle el temple en aceite con agitación este material cuenta con una velocidad de enfriamiento critico de 6 segundos. Se realizó el temple en aceite por estas ser las especificaciones de la ficha de laboratorio. Inmediatamente después del temple se inició el tratamiento térmico de revenido a una temperatura de 370 °C por 40 minutos, este tiempo se determinó por la relación que hay en el tamaño de la probeta, tomado de las gráficas de anexo, después de este tiempo se sacó la probeta y se dejó enfriar al aire. Después de esto se recogió la probeta y se hizo las pruebas de dureza respectivas dando como resultados los mostrados en la tabla de dureza. Ya sabiendo que el tratamiento fue el correcto y nos dio la dureza adecuada se pasó a realizar en análisis metalográfico y a la toma de fotos.
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ANÁLISIS DE RESULTADOS MICROGRAFÍAS
FIG.
1. ACERO SAE AISI 4140 COMO FUE
FIG.
4. ACERO SAE AISI 4140 COMO FUE
ENTREGADO A 100X AUMENTOS SIN ATAQUE.
ENTREGADO A 200X ATACADO CON NITAL AL 5%.
FIG.
FIG.
2. ACERO SAE AISI 4140 COMO FUE
5. ACERO SAE AISI 4140 COMO FUE
ENTREGADO A 200X SIN ATAQUE.
ENTREGADO A 500X ATACADO CON NITAL AL 5%.
FIG.
FIG.
3. ACERO SAE AISI 4140 COMO FUE
ENTREGADO A 500X SIN ATAQUE.
6. ACERO
SAE
AISI
4140
CON
UN
TRATAMIENTO DE TEMPLE, Y LUEGO REVENIDO A 370°C POR 40 [min] A 50X ATACADA CON NITAL AL 5%.
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FIG. 7. ACERO SAE AISI 4140 CON UN
FIG.
TRATAMIENTO DE TEMPLE, Y LUEGO REVENIDO A
TRATAMIENTO DE TEMPLE, Y LUEGO REVENIDO A
370°C POR 40 [min] A 100X ATACADA CON NITAL AL
370°C POR 40 [min] A 500X ATACADA CON NITAL AL
5%.
5%.
FIG.
8. ACERO
SAE
AISI
4140
CON
UN
9. ACERO
SAE
AISI
4140
CON
UN
FIG. 10. ACERO SAE AISI 4140 CON UN
TRATAMIENTO DE TEMPLE, Y LUEGO REVENIDO A
TRATAMIENTO DE TEMPLE, Y LUEGO REVENIDO A
370°C POR 40 [min] A 200X ATACADA CON NITAL AL
370°C POR 40 [min] A 1000X ATACADA CON NITAL AL
5%.
5%.
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DUREZA A continuación se muestran los valores de dureza medidos para cada etapa del tratamiento hecho, tanto para la probeta como fue entregada por el técnico con un bonificado (de fábrica):
FIG. 11. Probeta de acero AISI SAE 4140 con sus dimensiones y áreas donde se tomó la dureza. TABLA 1. Durezas medidas en el acero SAE AISI 4140 antes y despues de cada tratamiento. ACERO AISI SAE 4140 DE FABRICA TEMPLADO REVENIDO
DUREZA [HRC] CENTRO MEDIO EXTREMO 26 29 29 54 55 55 40 41 43
Después de analizar todos los datos y observar las micrografías podemos concluir que el cambio en la probeta fue en todo el sentido en cuanto a estructura, dureza, fragilidad y propiedades mecánicas del material. Por ejemplo la dureza en estado original en el centro de la probeta que es donde nos importa era aproximadamente de 34 [HRC], en el temple se midió 55 [HRC] y después del revenido se obtuvo 41 [HRC] y esta microestructura paso de ser una estructura más gruesa a una más fina. De acuerdo con las Figuras: 1-5, se muestra que la probeta se recibo con un tratamiento de bonificado, ya que se ve la perlita con glóbulos, aunque esto no afecto el tratamiento que se le hizo después. Y con las Figuras: 6-10, se muestra claramente la estructura perlitica muy fina, por el tratamiento de revenido, y se alcanza a observar algo de martensita que quedo del temple. Página 11
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CONCLUSIONES
El punto de dureza que hace falta para llegar al valor exacto que nos pidió el profesor, no se pudo haber dado con la exactitud requerida por problemas en los hornos o por errores humanos.
Como se puede de una u otra manera, jugar con el material endureciéndolo y volviéndolo más dúctil y realizando una serie de tratamientos que nos permite cambiar las propiedades del material, echo que es de gran ayuda en la industria.
En la industria es de gran importancia crear materiales que tengan propiedades muy buenas y específicas, ya que estos son sometidos a grandes esfuerzos y desgastes. Por eso es de suma importancia escoger el tratamiento exacto para adquirir el material que vamos a necesitar.
Tener un gran conocimiento previo de todos los diagramas, y las fichas técnicas que hay en laboratorios o en la literatura, ya que esto nos va a dar una gran exactitud al momento de realizar el tratamiento térmico.
Una manera muy eficiente de aprender todos los temas sobre tratamiento térmico, estudio de microestructuras y demás procesos de la manera como se hizo en el laboratorio, ya que nos permite equivocarnos y volver a intentar y de esta manera entender y obtener un resultado más preciso y exacto acorde a lo que se requiere.
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BIBLIOGRAFÍA
http://es.wikipedia.org/wiki/acero_al_carbono
http://cienciamateriales.argentina-foro.com/t118-29-diagrama-fe-c-dibujo-formacion
http://es.wikipedia.org/wiki/aleaciones_de_aluminio
http://www.upv.es/materiales/fcm/fcm05/ejercicios5_3.html
ASTM E3-01. STANDARD GUIDE FOR PREPARATION OF METALLOGRAPHIC SPECIMENS. ASTM INTERNATIONAL 2007.
ASTM E18-08B. STANDARD TEST METHODS FOR ROCKWELL HARDNESS OF METALLIC MATERIALS. ASTM INTERNATIONAL 2008.
ASTM E45-05. STANDARD TEST METHODS FOR DETERMINING THE INCLUSION CONTENT OF STEEL. ASTM INTERNATIONAL 2005.
METALS HANDBOOK. VOL.8. METALLOGRAPHY, STRUCTURES AND PHASE DIAGRAMS. 8TH EDITION. AMERICAN SOCIETY FOR METAL (ASM).
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ANEXOS ANEXO 1. DIAGRAMA DE HIERRO-CARBONO.
ANEXO 2. ACERO AISI / SAE 4140
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ANEXO 3. DIAGRAMA TTT (TEMPERATURA, TIEMPO, TRANSFORMACIÓN) DEL ACERO SAE AISI 4140.
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ANEXO 4. DIAGRAMA CCT (ENFRIAMIENTO CONTINUO) PARA EL ACERO SAE AISI 4140.
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ANEXO 5. RELACIÓN DE DUREZA Y RESISTENCIA A LA TENSIÓN EN LOS ACEROS (VALORES APROXIMADOS) HV
HB
80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 135 140 145 150 155 160 165 170 175 180 185 190 195 200 205 210 215 220 225 230 235 240 245 250 255 260 265 270 275 280 285 290 295 300 310 320 330 340
76 80,7 85,5 90,2 95 99,8 105 109 114 119 124 128 133 138 143 147 152 156 162 166 171 176 181 185 190 195 199 204 209 214 219 223 228 233 238 242 247 252 257 261 266 271 276 280 285 295 304 314 323
Rockwell HRB HRC 41 48 52 56,2 52,3 66,7 71,2 75 78,7
85 87,1 89,5 91,5 92,5 93,5 94 95 96 96,7 98,1 99,5
20,3 21,3 22,2 23,1 24 24,8 25,6 26,4 27,1 27,8 28,5 29,2 29,8 31 32,2 33,3 34,4
σmáx.
[N/mm2] 255 270 285 305 320 335 350 370 385 400 415 430 450 465 480 495 510 530 545 560 575 595 610 625 640 660 675 690 705 720 740 755 770 785 800 820 835 850 865 880 900 915 930 950 965 995 1030 1060 1095
HV
HB
350 360 370 380 390 400 410 420 430 440 450 460 470 480 490 500 510 520 530 540 550 560 570 580 590 600 610 620 630 640 650 660 670 680 690 700 720 740 760 780 800 820 840 860 880 900 920 940
333 342 352 361 371 380 390 399 409 418 428 437 447 (456) (466) (475) (485) (494) (504) (513) (523) (532) (542) (551) (561) (570) (580) (589) (599) (608) (618)
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Rockwell HRB HRC 35,5 36,6 37,7 38,8 39,8 40,8 41,8 42,7 43,6 44,5 45,3 46,1 46,9 47,7 48,4 49,1 49,8 50,9 51,1 51,7 52,3 53 53,6 54,1 54,7 55,2 55,7 56,3 56,8 57,3 57,8 58,3 58,8 59,2 59,7 60,1 61 61,8 62,5 63,3 64 64,7 65,3 65,9 66,4 67 67,5 68
σmáx.
[N/mm2] 1125 1155 1190 1220 1255 1290 1320 1350 1385 1420 1455 1485 1520 1555 1595 1630 1665 1700 1740 1775 1810 1845 1880 1920 1955 2030 2070 2105 2145 2180