2-Tratamiento Térmico de Normalizado [PDF]

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TRATAMIENTO TÉRMICO DE NORMALIZADO También conocido como perlitización. Este tratamiento consiste en llevar material a temperatura de austenización y mantenerlo cierto tiempo, permitiendo que la austenita se sature de carbono para posteriormente, durante el enfriamiento se produzca la transformación perlítica, de la cual se mencionara más adelante. En general el normalizado aumenta la resistencia de la tracción y el límite elástico, pero disminuye la ductilidad, además la normalización 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 las operaciones de endurecimiento. Con el normalizado se puede pasar de una fundición con matriz ferrítica, grado ASTM 60-40-18 a una fundición con matriz perlítica, grado ASTM 100-70-03. Esto implica que para una misma composición química y dependiendo del tratamiento térmico efectuado, obtenemos diferente matriz y por tanto, diferentes propiedades mecánicas. Se emplea en piezas fundidas, forjadas o conformadas mecánicamente. Su objetivo es afinar la estructura y eliminar las tensiones que suelen aparecer en la solidificación u otras operaciones posteriores. Los aceros se calientan a una temperatura de 100 °F aproximadamente superior a la crítica A3 o A cm y luego se dejan enfriar al aire tranquilo (Figura 5), la temperatura critica A3 o Acm se refieren a las temperaturas donde la ferrita se convierte en austenita (región hipoeutectoide) y donde el cementita se convierte en austenita (región hipereutectoide), respectivamente.

Tipos de aleaciones a las cual se le puede someter a normalización

La normalización se utiliza principalmente en aceros al bajo carbono, para normalizar la estructura tras el forjado, la laminación en caliente o la fundición. La dureza obtenida tras la normalización depende del análisis dimensional del acero y la velocidad de enfriamiento utilizada (aproximadamente, 100-250 HB). Se utiliza para aceros hipoeutectoides y aceros hipereutectoide.

Características que le influye el normalizado a las diferentes aleaciones Según el tipo de aleación se obtienen diversos resultados. En el caso de los aceros con bastante contenido en carbono y mucha templabilidad, este tratamiento puede equivaler a un temple parcial, donde aparezcan productos perlíticos y martensíticos. Para aceros con bajo contenido de carbono no aleados no existe mucha diferencia entre el normalizado y el recocido. Cuando se trata de aceros de contenido medio en carbono (entre 0.3 – 0,5%C) la diferencia de propiedades es mayor que en el caso anterior; en general, el proceso de normalizado da más dureza. Modo de realización Durante la normalización el material se calienta a una temperatura aproximadamente equivalente a la temperatura de endurecimiento (800-920 °C). A esta temperatura se forman nuevos granos austeníticos. Los granos austeníticos son mucho más pequeños que los granos ferríticos anteriores. Tras el calentamiento y un tiempo de inmersión breve, los componentes se enfrían libremente en el aire (gas). Durante el enfriamiento se forman nuevos granos ferríticos, con un tamaño de grano

refinado. En algunos casos, tanto el calentamiento como el enfriamiento tienen lugar bajo un gas protector, para evitar la oxidación y descarburación. El propósito de la normalización es producir un acero más duro y mas fuerte que el obtenido por recocido total, manera que para algunas aplicaciones la normalización pueda ser un tratamiento térmico final. Por tanto, para aceros hipereutectoides, es necesario calentar por encima de la línea Acm a fin de disolver la red de cementita. La normalización 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 las operaciones de endurecimiento. Fase de transformaciones de los diferentes granos basándose en la aleación y el tratamiento térmico seleccionado. El incremento en la rapidez de enfriamiento por aire cuando se compara con el enfriamiento por horno afecta en varias formas la transformación de la austenita y de la microestructura resultante. Como ya no se enfría en condiciones de equilibrio, el diagrama hierro-carburo de hierro no puede utilizarse para predecir las proporciones de ferrita y cementita y perlita proeutectoide que existirán a temperatura ambiente. Hay menos tiempo parar la formación de la constituyente proeutectoide; en consecuencia, habrá menos ferrita proeutectoide en los aceros normalizados hipoeustectoides y menos cementita proeutectoide en los aceros hipereutectoides en comparación con los aceros recocidos. La figura 8.5 muestra la microestructura de un acero normalizado al 0.50% de carbono. En la condición de recocido, este acero tendría aproximadamente 62 % de perlita y 38 % de ferrita proeutectoide. Debido al enfriamiento por aire, está muerta tiene sólo como el 10 % de ferrita proeutectoide, que es la red blanca que rodea las áreas oscuras de perlita. Para los aceros hipereutectoides, la normalización reducirá la continuidad de la red de cementita proeutectoide, y en algunos casos puede eliminarse por completo. Como la presencia de la red de cementita redujo la resistencia de los aceros recocidos hipereutectoides, los aceros normalizados deben mostrar un aumento en resistencia. Esto se indica por los valores de resistencia de la tabla 8.1, particularmente para aceros que contienen más de 0.8 % de carbono.

Aparte de influir la cantidad de constituyente proeutectoide que formará, la mayor rapidez de enfriamiento en la normalización 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. La figura 8.6 muestra esquemáticamente la diferencia en espaciamiento de las placas de cementita en la perlita entre recocido y normalización. La ferrita es muy suave en tanto que la cementita es muy dura.

En caso de perlita normalizada media, las placas de cementita más próximas entre sí tienden a endurecer la ferrita de modo que no cederá tan fácilmente, aumentando asi la dureza. Si la perlita recocida gruesa tiene una dureza Rockwell C 10 aproximadamente, entonces la perlita normalizada media será Rockwell C 20 aproximadamente. El enfriamiento fuera del equilibrio también cambia el

punto eutectoide hacia un contenido de carbono más bajo en los aceros hipoeutectoides y hacia un contenido de carbono más alto en aceros hipereutectoides. El efecto neto es que la normalización produce una estructura de perlita más fina y más abundante que la obtenida por recocido, lo cual resulta en un acero más duro y más fuerte. Aunque tanto el recocido, la esferoidización y la normalización pueden emplearse para mejorar la maquinabilidad, el proceso que se utilice dependerá del contenido de carbono. Con base en muchos estudios, las microestructuras óptimas de los aceros para maquinado con diferentes contenidos de carbono suelen ser como sigue:

Comportamiento de la normalización en las curvas de enfriamiento

La curva de enfriamiento 3 está a una rapidez de enfriamiento mayor que la del recocido y puede considerarse típica de normalización. El diagrama indica que la transformación empezara en el punto x3, con la formación de perlita gruesa, en un tiempo más corto que el del recocido. La transformación estará completa en x’3 al formarse la perlita media. Como existe una diferencia de temperatura mayor entre x3 y x’3 de la que hay entre x1 y x’1, la microestructura normalizada mostrará mayor variación en la finura de la perlita y menor proporción de perlita gruesa que la microestructura recocida. Puntos críticos de la Normalización Temperatura de austenización: La temperatura del normalizado debe está por encima de la temperatura critica del acero. La temperatura critica en el caso más común para los aceros, esta temperatura critica se le conoce como Acm para aceros hipoeutectoides y AC3 para aceros hipereutectoides. Esta temperatura también se le conoce como temperatura de austenización.

La temperatura debe estar entre 37.77C hasta 100C por encima de la temperatura critica. El valor exacto no es de mucha importancia. Esta parte del proceso es idéntica para aceros tanto para hipereutectoide como hipoeutectoides.

Tiempo: Existen reglas empíricas que sugieren tiempos en temperatura de austenización de por lo menos 1 hora + 1 hora por pulgada de espesor de la pieza. Estas reglas tienden a ser acertadas en los casos más básicos como barras y plantinas, pero su confiabilidad disminuye rápidamente con la complejidad de la pieza. La velocidad con la cual se calienta la pieza es de menor importancia la escala atómica, pero los esfuerzos termales pueden inducir una deformación que puede cambiar la geometría significativamente y al igual que puede inducir rajas y quiebres. Este tiempo generalmente se excede sin efectos negativos en el material, esto se hace para garantizar la austenización completa de la pieza. De ser muy poco tiempo, la microestructura no podrá tendrá la oportunidad para austenizarse por completo lo cual puede causar zonas con diferentes microestructuras. Enfriamiento: La rata de enfriamiento influye significativamente la cantidad de perlita que se forma, al igual que su tamaño y la separación de su laminación. A ratas alta de enfriamiento, se forma más perlita y las

laminaciones son más finas y compactas. El aumento en presencia de perlita y su finura da como resultado una gran resistencia a la tensión y durezas elevadas. De forma opuesta, a ratas bajas de enfriamiento dan como resultado partes más blandas. La complejidad de la pieza puede presentar zonas gruesas y delgadas. Esto puede causar variaciones en la rata de enfriamiento y por ende variaciones en resistencias y dureza. De forma similar como el caso del calentado, estas variaciones en grosor pueden causar distorsiones y grietas en la pieza. Típicamente el enfriamiento se hace en aire quieto donde la pieza se saca del horno y se deja enfriar. Para muchos casos, esto sería lo suficientemente rápido para evitar la formación de ferrita. Dependiendo de la sección de la pieza, es posible que no se pueda conseguir una velocidad adecuada con el aire quiero. En este caso se suele utilizar abanicos que aumentan la transferencia de calor por convección forzada en la pieza, garantizando la formación de perlita adecuada. Si aun así el enfriamiento es muy lento, el uso de estabilizadores de perlita como el cobre, estaño níquel y antimonio son agregado.