Tratamientos Termicos de Los Aceros Apraiz Barreiro

F.A.S. 273

V.

hJ ' B l B U O T L . C A j

-.i

PATRONATO

DE DE

PUBLICACIONES INGENIEROS

DE LA

ESCUELA

ESPECIAL

INDUSTRIALES

TRATAMIENTOS TERMICOS DE LOS ACEROS POR

JOSE

APRAIZ

BARREIRO

I n g e n i e r o Industrial Jefe del Departamento de Tratamientos Térmicos de la S. A . E c h e v a r r í a . - B i l b a o

MADRID ] 9 49

P r o p i e d a d d e l autor. Q u e d a h e c h o el d e p ó s i t o q u e m a r c a la L e y .

Nuevas G r á f i c a s , S. A. - R o d r í g u e z San P e d r o , 39. - Tel. 23 30 29. - Madrid

DEDICADO Con todo afecto a la S. A. Echevarría y a sus técnicos José Huguet y Valentín Pomposo, con cuya colaboración se ha preparado este libro.

P R O L O G O

Sería d i f í c i l disculpar mi p e t u l a n c i a , al prologar este libro, si no hubiera para ello razones de t i p o a f e c t i v o y s e n t i m e n t a l . M e lo ha pedido su a u t o r que colabora conmigo desde hace bastantes años en la S. A . Echevarría, f a b r i c a n d o aceros especiales y comp a r t i e n d o los trabajos, disgustos y satisfacciones que una industria t a n compleja como ésta, proporciona a los que en ella t r a b a j a m o s , y no he podido negarme a ello. A l hojearlo, vienen a m i m e m o r i a los recuerdos de las d i f i c u l tades que hubo que vencer y de los trabajos que se realizaron para establecer en España esta f a b r i c a c i ó n , e i n t r o d u c i r aunque parezca paradógico en el mercado nacional, los aceros españoles. Desde hace v e i n t i c i n c o años, cuando bajo la dirección de don Federico de Echevarría, se comenzó en la f a c t o r í a de Recalde (Bilbao) la f a b r i c a c i ó n de los primeros aceros al horno eléctrico, hasta nuestros días, se ha avanzado en España e x t r a o r d i n a r i a m e n t e en el c o n o c i m i e n t o de los aceros especiales y en los procedimientos de t r a b a j o . A ello c o n t r i b u y ó en gran parte la S. A . Echevarría que, percatada de la necesidad de mejorar los métodos de t r a b a j o , envió a sus técnicos a las principales acererías extranjeras y estableció relaciones con destacados especialistas, al objeto de i m p i a n t a r en sus fábricas los más modernos procedimientos y ofrecer a sus clientes una i n f o r m a c i ó n moderna y eficiente. Dedicado A p r a i z desde hace bastantes años a esta especialidad de los T r a t a m i e n t o s Térmicos, ha aprovechado la experiencia adq u i r i d a en el taller, y las enseñanzas recibidas en el e x t r a n j e r o , para preparar este libro en el que presenta con gran detalle j u n t o a los clásicos d i a g r a m a s de equilibrio, ios rpás modernos descubrimientos y teorías que en la técnica de los t r a t a m i e n t o s se han

VIII

PROLOGO t

r e a l i z a d o en estos ú l t i m o s v e i n t e años. Los p r i m e r o s capítulos est á n dedicados a los principios teóricos f u n d a m e n t a l e s y los demás a la p r á c t i c a de los t r a t a m i e n t o s , f a c i l i t á n d o s e el e s t u d i o de todos elios con g r a n p r o f u s i ó n de experiencias. I l u s t r a con numerosos ejemplos y f i g u r a s los ú l t i m o s t r a b a j o s relacionados con la «Curva de la S», «Ensayo J o m i n y » y « T r a t a m i e n t o s Isotérmicos», poco conocidos a c t u a l m e n t e por los usuarios y consumidores de los aceros especiales, que a b r e n e x t r a o r d i n a r i a s posibilidades, al f a c i l i t a r la elección y el empleo de los aceros y hacer posible notables mejoras en el r e n d i m i e n t o de los mismos. Habiéndose i n c r e m e n t a d o en n u e s t r o país, en los ú l t i m o s t i e m pos el n ú m e r o de talleres de t r a t a m i e n t o s , este libro r e p o r t a r á sin d u d a grandes beneficios a numerosos especialistas, técnicos e ingenieros que, al iniciarse en estos t r a b a j o s , necesitan o r i e n t a c i o n e s y a y u d a p a r a m e j o r a r sus i n i c i a t i v a s y a c t i v i d a d e s . T e r m i n o a u g u r a n d o un g r a n é x i t o a la o b r a , que creo que es una de las más c o m p l e t a s en su m a t e r i a y representa una valiosa c o n t r i b u c i ó n al progreso de la i n d u s t r i a n a c i o n a l . ENRIQUE

GOICOECHEA.

INTRODUCCION En las industrias y talleres metalúrgicos problemas

relacionados

con la utilización y tratamiento de los aceros,

y de su acertada resolución económico

se plantean cada día más

depende

de las instalaciones

en gran parte el

rendimiento

y la calidad de los producios

fabri-

cados. Para determinar basta la simple rutinarias,

en cada caso el tratamiento

práctica

más adecuado,

de taller, ni son suficientes

sino que es necesario

conocer

ciertos

mentales como son el diagrama hierro-carbono,

unas

normas

principios

funda-

la teoría de< los pun-

tos críticos, etc., que lejos de ser como a veces se cree puras ciones científicas, tos

constituyen

no

la base fundamental

de los

divaga-

tratamien-

térmicos. Co nociendo

las dificultades

trar información completar sobre quienes

que actualmente

adecuada a tal objeto,

en este libro algunos

esta materia, interesa

Aprovecho

la técnica

presa, por las facilidades realizar los ensayos autorización

me h)e animado a reunir y ster de alguna

que pueden

de los tratamientos para expresar

de Echevarría,

y a D. Enrique

Consejero

Goicoechea,

mi mayor

Director

y trabajos relacionados

utilidad a

térmicos.

Delegado

que ¡en todo momento

para publicarla;

encon-

estudios y trabajos que he realizado

esta oportunidad

miento a D. Arturo Echevarría,

creyendo

'existen para

agradeci-

de la S.

de Ja misma

A. Em-

me han dado para

con esta obra y por la

a mis compañeros

Sres. Guinea,

y Aspiazu,

por su eficaz ayuda en la preparación

numerosas

experiencias

Lasa

y realización

de

que se citan en la misma y al Patronato

de

Publicaciones

de la Escuela ..de.: Ingenieros:

roso proceder

al editarla.

Industriales

JOSE A V R A l/MÍA

por su RRE-I-RO

gene-

I N D I C E CAPITULO DIAGRAMA

I

HIERRO-CARBONO Pags.

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9 10.

Generalidades Solidificación de los metales puros Soluciones de agua y cloruro sódico Aleaciones cobre-plata Aleaciones oro-plata Aleaciones hierro-carbono Generalidades sobre la solubilidad de los metales Proceso de enfriamiento desde el estado líquido hasta la temperatura ambiente, de siete aleaciones hierro-carbono Transformaciones que experimentan los aceros de menos de 0,60 % de carbono en la zona 1.400°-1.535° Disolución del carbono o carburo de hierro en la ferrita o hierro alfa

CAPITULO

TRATAMIENTOS

26. 27. 28. 2£>.

27 29

ACEROS

Generalidades Estados alotrópicos y puntos críticos del hierro. Hierro alfa y hierro gamma Hierro beta | Hierro delta Puntos críticos de los aceros Denominación v definición de los puntos críticos de los aceros Determinación de los puntos críticos Procedimientos usados para la determinación de los puntos críticos. Curvas para la determinación de los puntos críticos Utilización de cuerpos neutros Di'atómetro con cuadrante indicador Dilatórhetro Chevenard Aparato Brovvn Aparato Saladin-Le Chatelier ... .. ..'

CAPITULO

17

II

T E M P E R A T U R A S CRITICAS DEL H I E R R O Y D E L O S

11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20'. 21. 22. 23. 24. 25.

1 1 2 5 8 9 13

31 33 3g 343 36 40 41 43 44 45 47 48 53 53

III

TERMICOS

Generalidades Tratamientos térmicos más usados Recocido de regeneración, temple y normalizado ... Calentamiento para el recocido de regeneración, temple y normalizado ' "

61 67 n

y éi o'

A •A

0 , ' / o do C

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1.

ro templado en agua ligeramente agitada. Observando todas C S t a S c i f l ' a S , se comprende claramente porqué en algunos casos las capas superficiales de una pieza se endurecen perfectamente, y en cambio otras zonas del interior, por enfriarsea velocidades menores, no templan. 63.

Influencia del medio de enfriamiento

El medio de enfriamiento, junto con el tamaño y forma de las piezas, son como hemos señalado antes, los factores que deciden la velocidad de enfriamiento de las piezas de acero en los tratamientos térmicos. Con el enfriamiento en agua salada muy agitada, se consiguen las mayores velocidades, y enfriando las piezas dentro del horno, se obtienen las menores. Con enfriamientos en aceite, al aire, en sales, etc., se consiguen velocidades intermedias, pudiendo. elegirse entre todos ello.s el medio que mejor cumpla las condiciones de enfriamiento deseadas en cada caso.

CAP.

VI.—INFLUENCIA

D E D I V E R S O S ' F A C T O R E S 'EN' EL T E M P L E

157'

En las figuras 154 y 155 se ve el proceso de enfriamiento de varios puntos de dos redondos de 50 m/m. templados en agua y aceite •C •

800

600'

\ 400'

Centro

V-/

Y

Centro

eod'

1 1

dei a su/ierf,

4mm

c/e la superficie

400 Super/¿cié

zoo'

too' 0

20

40

60

80 Tiempo

Figura

too en

120

140

0

segundos

ùuperfic/e 20

40

60

154

Figura

Curvas de enfriamiento de diversos puntos oe un redondo de 50 m/m. templado desde 750° en agua agitada.

80

Tiempo

too 120 en

140

segundos

155

Curvas de enfriamiento de diversos puntos cíe un redondo de 50 m/m. templa• do desde 750° en aceite agitado.

Valotidnd de anfriamicnlo °C ¡ secunde Figura

156

Velocidades instantáneas de enfriamiento a diversas temperaturas del centro de redondos de acero templados en agua y aceite muy agitados.

y en la figura 156 las velocidades instantáneas que se obtienen en el centro de redondos de diversos diámetros templados en agua y

158

. . T K A T A M I E N T O S " T É R M I C O S . DE: L O S . ACEKCÍS

aceite muy agitados. En esta .última figura se observa que desde ei comienzo del proceso va aumentando la velocidad de enfriamiento hasta la zona 730°-680°, aproximadamente, donde alcanza un máximo, disminuyendo luego progresivamente hasta la temperatura del baño. Existiendo una zona entre 600° y'800° en la que las variaciones de las velocidades son relativamente muv pequeñas. En la tabla. X se dan las velocidades de enfriamiento qüe se consiguen en el centro de los redondos ele 25, 50 y 75 m/m. enfriados en diversos medios de enfriamiento. .TABLA

X

DIÁMETROS ENFRIAMIENTO

25 m/m. Agua agitada

.

Aceite "agitado Corriente de aire Aire tranquilo

.

50 m/m.

75 m/m.

56

15

7

27

10

' 5

1,8

0,9

0,6

0,85

0,4

0,3

Velocidades en grados por segundo Velocidades de enfriamiento que aproximadamente se consiguen a 570" en el. centro de redondos de acero de 25, 50 y 75 m / m . de diámetro, templados en diversos medios.

También la tabla X I da una idea de la influencia ele los diversos medios que se emplean para el temple de los aceros. En esa tabla se ha tomado como unidad de velocidad de enfriamiento en el intervalo _720o-550° la correspondiente al agua a 18°, que es de 1.810° por segundo, y en la zona de los 200° también la correspondiente al agua a 18°, que es de 450° por segundo. Conviene recordar que en los tratamientos térmicos la velocidad de enfriamiento varía bastante de unos momentos a otros, y pollo tanto, siempre que se cite una velocidad debe señalarse a qué momento corresponde. En la figura 156, por ejemplo, se ve que el centro del redondo de 20 m/m., templado en agua muy agitada, tendrá a 850° una velocidad de enfriamiento de 80° por segundo ; a 800°, 140° por segundo ; a 700°, 152° por segundo, y a 400°, 82° por segundo. Otras veces se señala la velocidad media de enfriamiento en un intervalo de temperatura determinado, así por ejemplo, en el caso anterior la velocidad media en el intervalo 700°-400° es de .1.17°

CAP. V I . — I N F L U E N C I A

D E D I V E R S O S ' F A C T O R E S ' E N ' EL

159'

TEMPLE

por segundo. Cuando no se indica a qué momento corresponde una determinada velocidad, suele sobreentenderse que es la media en el intervalo 725°-500°. En el Capítulo V I I I , al hablar de las velociTABLA

MEDIO

DE

ENFRIAMIENTO

XI

Velocidad relativa de enfriamiento en el intervalo 200°

720°-550° Solución acuosa con 10 % de CILi ...

2,07

Solución acuosa con 10 % de N a

OH

2,06

Solución acuosa con 10 % de CINa ...

1,96

0,98

Solución acuosa Con 10 % de C 0 3 N a „

1,38

1,09

Solución acuosa con 10 % de S O ( H „

1,22

1,49

Agua a 0°

1,06

1,02

1,00

1,00

j

Agua a 18° Mercurio

1

Agua a 25° Aceites

'

1,04' 1,36

0,78

1,09

0,72

1,11

0,25-0,15

0,05-0,15

A g u a con jabón

0,07

1,16

Agua a '75°

0,047

1,31

Agua a 100°

0,044

0,71

0,028

0,007

0,011

0,004

Aire Vacío

... ... ... :

Velocidades relativas de enfriamiento de una bola de 4 m/m. templada desde 850° en diferentes medios.

dades de enfriamiento en el ensayo Jominy, se vuelve a estudiar este asunto con bastante detalle. ESTUDIO

DE LAS ESTRUCTURAS MICROSCÓPICAS

QUE SE OBTIENEN

EN LOS TRATAMIENTOS D E LOS ACEROS AL VARIAR LA VELOCIDAD D E E N -

FRIAMIENTO.—La influencia de la velocidad de enfriamiento, que se consigue en los tratamientos de las piezas de acero, como consecuencia del empleo de diferentes medios de enfriamiento, se puede estudiar con bastante claridad con ayuda del diagrama de transformaciones en el enfriamiento continuo. En la figura 157 se señala el c o rrespondiente a un acero cromo-níquel-molibdeno, que nos servirá cómo ejemplo.

160

T R A T A M I E N T O S . TÉRMICOS. DE

LOS

ACEROS

En las operaciones de recocido se emplean, generalmente en los Salieres, velocidades de enfriamiento inferiores a 20° por hora, v ¡as curvas de enfriamiento del acero representativas de esos tratamientos llevadas sobre el diagrama de la figura 157, quedarán por Temperaturas

F i g u r a 157 Utilización de la curva de la «Su de enfriamiento continuo de un acero d e : C = 0 , 4 0 % ; Mn = 0,67 % ; C r = 0,71 % ; Ni = l,82 % ; Mo = 0,33 .%, para el estudio de las transformaciones 'que ocurren en diversos procesos de enfriamiento.

encima y a la derecha de la curva núm. 1, obteniéndose al final del tratamiento ferrita y perlita, quedando el material con poca dureza. Cón velocidades de 22° a 83° por hora, que Corresponden a enfriamientos un poco rápidos dentro del horno, las curvas de enfria-

CAP.

VI.—INFLUENCIA

D E D I V E R S O S ' F A C T O R E S 'EN' EL T E M P L E

161'

miento, atraviesan los campos de la.fer.rita, perlita,. bainita y martensita (zonas comprendidas entre las curvas núms. 1 y 2). En los procesos de enfriamiento correspondiente a esas velocidades, la austenita comenzará a transformarse primero en ferrita ; iuego, al cortar la línea representativa del enfriamiento del acero, a la zona de perlita, se inicia la formación de este constituyente. Al continuar el enfriamiento, como antes de terminarse la transformación total de la austenita en perlita, la curva del acero sale del campo de la perlita, una parte de esa austenita se transformará en bainita y al alcanzar el acero la temperatura de nacimiento de la martensita, todavía quedará algo de austenita, que se transformará en martensita. C o m o resultado final de la transformación, obtendremos en la estructura del acero : ferrita, perlita, bainita y martensita.' En los normalizados se obtienen generalmente velocidades variables desde 100° a 30.00