Tratamientos Térmicos y Elementos Aleantes en Aceros

Carburización de acero: La carburización es un tratamiento termoquímico que se aplica a piezas de acero para aumentar su dureza superficial. La superficie externa del engranaje se endurece selectivamente mediante un tratamiento a alta temperatura en una atmósfera con una alta presión de compuestos de carbono gaseoso. El carbono difunde hacia el interior del acero. Este tratamiento permite aumentar la dureza y la resistencia al desgaste sin comprometer la tenacidad del núcleo de la pieza.

Elementos Aleantes del Acero

• Silicio (Si): Se emplea como desoxidante en la etapa de ajuste de composición química. En aceros con alto contenido en carbono, el contenido de silicio debe ser bajo, ya que favorece la descomposición de la cementita y la transforma en grafito.
• Azufre (S): Es un elemento no deseado, resultante de los procesos de producción. Se presenta fundamentalmente en forma de sulfuro de hierro (FeS), que debilita los bordes de grano a alta temperatura. Para evitarlo se utiliza manganeso, favoreciendo la formación de MnS en lugar de FeS.
• Manganeso (Mn): Actúa como desoxidante y desulfurante. El manganeso que no se combina con el azufre, favorece la maquinabilidad del acero.
• Fósforo (P): Aumenta la fragilidad de los aceros, y al igual que el azufre, tiene una gran tendencia a la segregación, produciendo zonas con contenido de carbono diferencial y, por lo tanto, distintas propiedades mecánicas. El contenido de fósforo en el acero no debería ser superior a 0,05%.
• Níquel (Ni): Presenta una estructura cristalina FCC (cúbica centrada en las caras), alta densidad, es duro, tenaz y posee alta resistencia mecánica y a la corrosión. Es gammágeno y aumenta la templabilidad del acero. Permite obtener aceros resistentes con menor contenido en carbono, incrementando la tenacidad y la resistencia a la fatiga. Aumenta la ductilidad y la resistencia a la corrosión. Como contrapartida, es un elemento costoso.
• Cromo (Cr): Aumenta la resistencia a la corrosión y la templabilidad. En los aceros con un alto contenido en carbono, aumenta la resistencia a la abrasión y al desgaste. Es menos costoso que el níquel.

Propiedades y Procesos de Obtención de Diversos Metales y Aleaciones

Aceros Inoxidables

Aceros inoxidables: Contienen al menos un 11% de Cr.

• Aceros austeníticos: Contienen un 12% de Cr y un 8% de Ni. Poseen mejores propiedades mecánicas, menor tendencia al crecimiento del grano, mayor resistencia a la corrosión y no son frágiles en frío. Son los únicos aceros inoxidables no magnéticos.
• Aceros ferríticos y martensíticos: Se describen a continuación.

Martensita y Tratamientos Térmicos

Martensita: Cuando la austenita se enfría rápidamente hasta temperaturas relativamente bajas, se produce una transformación sin difusión de C. Esto da por resultado una fase metaestable de igual composición que la austenita que le dio origen, pero con una estructura cristalina diferente (BCT, tetragonal centrada en el cuerpo). Es la fase más dura del acero. Este proceso se conoce como «templado del acero».

Proceso de Templado y Revenido del Acero

1. Austenización: Calentamiento del acero hasta la fase austenítica.
2. Temple: Enfriamiento rápido para obtener martensita. La velocidad de temple se puede incrementar con aleaciones.
3. Revenido: Se realiza para reducir la fragilidad de la martensita, incrementar su tenacidad y eliminar tensiones internas generadas por el rápido enfriamiento. Consiste en un calentamiento y mantenimiento a temperaturas por debajo del punto eutectoide por alrededor de una hora, para luego enfriar lentamente. Da como resultado la precipitación de finas partículas de carburos de hierro desde la fase martensítica, transformando gradualmente la estructura de BCT a BCC (cúbica centrada en el cuerpo). Esta nueva estructura se denomina martensita revenida.

Recocido del Acero

Recocido: Proceso para ablandar el acero.

• Recuperación: Las dislocaciones se mueven (en ausencia de fuerzas externas) por difusión atómica a alta temperatura, reduciendo su número.
• Recristalización: Asistido por la difusión en bordes de granos, se forman nuevos granos libres de deformación, con baja densidad de dislocaciones.
• Crecimiento de grano: Algunos granos crecen a costa de otros, minimizando la superficie.

Tipos de Recocido

• Recocido total:
  1. Austenización: Se calienta el acero hasta la fase austenítica, dando tiempo para la disolución de los carburos y la homogeneización de la austenita.
  2. Enfriamiento lento: Se enfría lentamente (en horno) para generar perlita gruesa.
• Recocido de esferoidización: Se transforma la perlita en esferoidita. Se modifica la forma de las láminas de cementita de la perlita de láminas a glóbulos. Esta microestructura favorece la deformación plástica del acero, aumentando su ductilidad. Solo se usa en aceros de medio y alto %C (más de 0.4% C). Se somete el acero a temperaturas lo más alta posible para acelerar el proceso, pero sin llegar a austenizar al acero.
• Normalizado del acero: Se utiliza para piezas coladas y trabajadas en caliente.
  1. Austenización: Se calienta el acero hasta la fase austenítica.
  2. Enfriamiento lento: Se enfría lentamente (al aire calmo) para generar una microestructura perlítica fina, de grano pequeño y, dependiendo de la composición química, algo de martensita.

Ensayo Jominy

Ensayo Jominy: Es un ensayo que se realiza sobre probetas de acero normalizadas. Combina un tratamiento de temple diferencial y ensayos de dureza. Se templa un lado de la probeta con un chorro de agua, mientras que el otro lado no está en contacto. Por lo tanto, los dos extremos se van a enfriar a diferentes velocidades, generando un gradiente de dureza a lo largo de la probeta.