Defectos comunes en el tratamiento térmico y su prevención

Thread Content

La dureza no cumple con los requisitos establecidos. Existe una relación empírica entre la dureza de los materiales metálicos y su resistencia a la tracción en estado estático, así como su resistencia al cansancio. Además, existe cierta relación entre la dureza y las propiedades relacionadas con el procesamiento de los metales, como su capacidad de conformado en frío, su facilidad de mecanizado y sus propiedades de soldadura； Las pruebas de dureza no dañan la pieza a probar; son sencillas de realizar y los datos obtenidos son fáciles de interpretar. Por ello, se utilizan ampliamente como el indicador más importante para evaluar la calidad de las piezas sometidas a tratamientos térmicos. En muchos casos, incluso constituyen el único requisito técnico que se exige a dichas piezas. La falta de dureza es uno de los defectos más comunes en el tratamiento térmico. Se manifiesta principalmente debido a factores como la falta de dureza, una velocidad de enfriamiento insuficiente durante el proceso de templado, la descarburación de la superficie, la insuficiente capacidad de penetración del acero en el proceso de templado, una cantidad excesiva de austenita residual después del templado y un templado insuficiente. El fenómeno por el cual las piezas sometidas a templado presentan una dureza más baja en zonas específicas se denomina punto blando. En las zonas de debilidad, la estructura microscópica está compuesta principalmente por martensita, además de tobercita distribuida a lo largo de las fronteras entre los cristales de austenita originales. Los puntos blandos o la irregularidad en la dureza suelen ser causados por un calentamiento inuniforme durante el proceso de templado, o por un enfriamiento inuniforme después del mismo. La temperatura del horno no es uniforme durante el calentamiento; la temperatura de calentamiento insuficiente o el tiempo de retención insuficiente son las principales causas de este problema. La refrigeración desigual se debe principalmente a la presencia de burbujas del medio de enfriamiento en la superficie de la pieza durante el proceso de enfriamiento, a la contaminación de dicho medio (por ejemplo, la presencia de gotas de aceite en el agua) o a un agitación insuficiente del mismo. Además, la estructura del acero es demasiado gruesa, lo que provoca una grave segregación. Los grandes cantidades de carbonatos o de ferrita libre también causan una enfriamiento desigual, lo que genera puntos blandos en el material. Puntos débiles. El propósito del calentamiento para el templado es permitir que la pieza sufra una transformación estructural durante dicho proceso. Para ello, es necesario calentar hasta la temperatura adecuada y mantenerla durante el tiempo suficiente. La temperatura de calentamiento insuficiente y el tiempo de retención insuficiente impiden que la estructura original de perlita se convierta por completo en austenita. Además, la composición del austenita resultante es desigual. Como consecuencia, no se obtiene una estructura de martensita completa después del templado, lo que provoca la formación de puntos blandos en la pieza trabajada. 1- Martensita de agujas finas. 2- Tórtita sometida a templado. 3- Peralita. Cuando la mezcla utilizada para el templado no se agita adecuadamente, o cuando la pieza no se mueve lo suficiente dentro de dicha mezcla, o aún cuando la pieza entra en ella en la dirección incorrecta, esto suele retrasar la ruptura de la capa de vapor en ciertas zonas de la superficie de la pieza. Como resultado, la velocidad de enfriamiento en esas zonas disminuye, lo que provoca la formación de productos de descomposición a altas temperaturas. Esto genera puntos blandos o una disminución local en la dureza de la pieza. La película de vapor de agua es más estable que la de agua salada, por lo que los puntos blandos se forman más fácilmente en las piezas sometidas a enfriamiento en agua. Cuanto mayor es la temperatura del agua y de las soluciones acuosas, más fácil es que se formen puntos blandos. En los aceros al carbono con baja capacidad de endurecimiento, cuando la sección transversal de la pieza es grande, es fácil que aparezcan puntos blandos. Si la superficie de la pieza no está limpia, y contiene óxido de hierro, carbono negro u otros contaminantes, eso también puede causar que la dureza de la pieza sea baja después del proceso de templado. Una dureza insuficiente y un calentamiento inadecuado suelen causar que las piezas sometidas a tratamiento de templado tengan una dureza insuficiente. Pero una refrigeración inadecuada es una causa común de la falta de dureza en las piezas trabajadas. Un tiempo de enfriamiento excesivo desde que la pieza sale del horno hasta antes del proceso de templado, una selección inadecuada del medio de enfriamiento o un control insuficiente de la temperatura de dicho medio, pueden causar que la capacidad de enfriamiento sea insuficiente. Esto hace que en la superficie de la pieza se forme óxido o sales. Además, si la temperatura de la pieza es demasiado alta al sacarla del medio de templado, esto puede provocar que el austenita sobreenfriada se descomponga en la zona de transformación a piroesferita de la curva C. Como resultado, se forman estructuras no martensíticas como la sorbita y la toberita, lo que hace que la dureza de la pieza sea insuficiente. La presencia de una gran cantidad de austenita residual en la estructura sometida a templado es una causa importante de la baja dureza de las piezas tratadas por este proceso. La cantidad de austenita residual está relacionada con la composición química del austenita. Cuando el contenido de carbono supera el 0,5%~0,6%, se puede observar claramente la presencia de austenita residual en la estructura obtenida tras el templado. A medida que aumenta aún más el contenido de carbono, la cantidad de austenita residual aumenta drásticamente. Cuando la fracción en masa de carbono es del 1,4%, la cantidad de austenita residual (en términos de fracción volumétrica) alcanza el 30%. Todos los elementos aleantes que se disuelven de forma sustitutiva en el austenita causan un aumento en la cantidad de austenita residual. Cuando la cantidad de austenita residual es baja, no hay un impacto significativo en la dureza. Sin embargo, cuando la cantidad de austenita residual es alta, esto provoca una disminución en la dureza. Una proporción del 20% de austenita residual hace que la dureza después del tratamiento de templado disminuya en aproximadamente 6,5 HRC. Los puntos blandos y la falta de dureza en las piezas sometidas a templado por alta frecuencia se deben a dos causas: los puntos blandos en la capa superficial, que son zonas donde el material no se ha endurecido completamente; y los puntos blandos en las capas más profundas, debido a una distribución irregular de la dureza en esas zonas. Estos defectos de dureza se deben a factores como la selección inadecuada del material, una estructura microscópica deficiente, así como parámetros eléctricos incorrectos durante el proceso de templado por alta frecuencia, además de problemas en los inductores y los dispositivos de enfriamiento. La templación por alta frecuencia se utiliza principalmente en aceros estructurales de carbono medio y en aceros estructurales de bajo carbono con aleantes. Dado que el calentamiento por alta frecuencia es rápido, el carbono presente en el austenito no tiene tiempo suficiente para difundirse y homogeneizarse adecuadamente. Por lo tanto, en los aceros que contienen elementos que forman carburos como Cr, Mo, W y V, debido a su punto de transformación más alto, durante el proceso de templación por inducción de alta frecuencia, es fácil que aparezcan zonas blandas y una distribución irregular de la dureza. Al elegir el acero adecuado para la templación por alta frecuencia, se debe tener en cuenta que la concentración de dichos elementos no debe superar ciertos límites. El tipo, la forma, el tamaño y la distribución de los carbonatos en el acero tienen una influencia significativa en la calidad de las piezas sometidas a templado de alta frecuencia. Cuando en el acero hay carbonuros en forma de red, o cuando el tamaño de los carbonuros es excesivo y su distribución es desigual, es fácil que aparezcan defectos como una dureza irregular o una dureza insuficiente. Por lo tanto, el templado de alta frecuencia está muy influenciado por el tratamiento térmico previo; la mejor estructura inicial para el templado de alta frecuencia es el sorbital temperado obtenido mediante tratamiento de templanza. Cuando el circuito de inducción de alta frecuencia no es uniforme, también se puede producir una dureza insuficiente en la pieza sometida a tratamiento de templado. Además, un ángulo de pulverización inadecuado, un tamaño o cantidad incorrectos de los orificios de pulverización, o la obstrucción de dichos orificios, suelen causar que la pieza tenga una dureza insuficiente o que aparezcan puntos blandos en ella. La dureza insuficiente y la presencia de zonas blandas en las piezas sometidas a proceso de cementación se deben, en su mayoría, a una cementación insuficiente, a la descarbonización durante el proceso de templado, a temperaturas de templado demasiado bajas, a una velocidad de enfriamiento insuficiente, a una cantidad excesiva de austenita residual en la superficie, a un temple excesivo, a una superficie de la pieza no limpia, a una cementación irregular o a un enfriamiento irregular. Las propiedades mecánicas de las aleaciones de metales no ferrosos no cumplen con los requisitos. Los metales no ferrosos más utilizados en la industria son el aluminio, el cobre, el magnesio, el titanio y sus aleaciones. Los principios de tratamiento térmico de los metales no ferrosos son los mismos que los del acero, pero tienen sus propias características. Por ejemplo, la transformación eutéctica desempeña un papel importante en el tratamiento térmico del acero, pero rara vez se observa en los metales no ferrosos ； La transformación en martensita es el principal método mediante el cual se refuerza el acero. Sin embargo, con la excepción de algunas aleaciones de cobre y titanio, los demás metales no ferrosos generalmente no pueden ser reforzados mediante esta transformación. Los procesos de tratamiento térmico más utilizados para los metales no ferrosos son el recocido de homogeneización, el recocido de recristalización, el recocido para eliminar tensiones residuales, el tratamiento por solución sólida y el tratamiento por envejecimiento. La edadación en solución es el proceso de endurecimiento por tratamiento térmico más utilizado y también el más importante en los metales no ferrosos. En el tratamiento térmico de los metales no ferrosos, se debe prestar especial atención a los siguientes aspectos: los metales no ferrosos son reactivos y requieren condiciones específicas durante el proceso de calentamiento. Por ejemplo, el ambiente de calentamiento de las aleaciones de titanio debería ser, por lo general, un vacío o una atmósfera de microoxidación ； Para evitar la oxidación, las aleaciones de magnesio suelen calentarse en un ambiente protegido por dióxido de azufre o dióxido de carbono ； Para evitar la fragilidad por hidrógeno, el cobre púrpura debe someterse a un tratamiento térmico en un ambiente neutro o ligeramente oxidante. Para lograr el máximo efecto de solución sólida, la temperatura de solución de muchas aleaciones de metales no ferrosos se acerca a la temperatura de la línea de fase sólida. Para evitar el sobrecalentamiento y la sobreexposición térmica, es necesario controlar estrictamente la temperatura del horno y el tiempo de calentamiento y retención térmica. Sobrecalentamiento y sobrequema: Es el fenómeno por el cual, durante el calentamiento de metales o aleaciones en el proceso de tratamiento térmico, las temperaturas son demasiado altas, lo que hace que los gránulos crezcan excesivamente, con como resultado una disminución significativa en sus propiedades. Este fenómeno se denomina sobrecalentamiento ； Cuando la temperatura de calentamiento se acerca a su línea de fase sólida, el fenómeno de oxidación de las fronteras entre los cristales y el inicio de su fusión parcial se denomina sobrecocción. Sobrecalentamiento: Los estados de sobrecalentamiento incluyen granulación gruesa en el acero estructural, martaña de gran tamaño, exceso de austenita residual, estructura de Widmanstätten; en los aceros de alta velocidad, se presentan carbonatos en forma de red; también existe la estructura eutéctica (estructura de ledeburita), fracturas en forma de naftaleno. En los aceros inoxidables de tipo martensítico, hay un exceso de ferrita. En las aleaciones de bronce, la pérdida de zinc provoca que la superficie adquiera un color grisáceo; después del decapado ácido, la superficie queda con una textura áspera. La estructura típica de sobrecalentamiento se muestra en la Figura 2. Según el grado de dificultad para eliminar las zonas sobrecalentadas mediante los procesos normales de tratamiento térmico, estas se pueden dividir en dos categorías: sobrecalentamiento estable y sobrecalentamiento inestable. Por lo general, las zonas sobrecalentadas pueden eliminarse mediante tratamientos térmicos normales; a estas se les denomina zonas de sobrecalentamiento inestable. La estructura sobrecalentada estable se refiere a esa estructura que no puede eliminarse por completo mediante el normalizado, el recocido y la templado habituales. Una característica importante del sobrecalentamiento es la granulación gruesa de los gránulos cristalinos. Esto disminuye la resistencia a la flexión, la plasticidad, la tenacidad al impacto y la resistencia al cansancio del acero, al tiempo que aumenta la temperatura de transición a la fragilidad del mismo. Otra característica importante del sobrecalentamiento es el agrandamiento de la martensita resultante del proceso de templado. Esto disminuye la tenacidad al impacto y la resistencia al desgaste, además de aumentar la tendencia a la deformación y a la fisuración durante el templado. Entre los defectos que se presentan en el acero debido al sobrecalentamiento se encuentran la estructura de Widmanstätten, las fracturas en forma de naftaleno y las fracturas en forma de piedra. Estos defectos no solo reducen las propiedades mecánicas del acero, sino que también facilitan la aparición de fisuras durante el templado. Para evitar el sobrecalentamiento, es necesario establecer e implementar correctamente un proceso de tratamiento térmico adecuado. Se debe controlar rigurosamente la temperatura del horno y el tiempo de retención. En general, las estructuras resultantes del sobrecalentamiento pueden eliminarse mediante múltiples procesos de recocido o templado. Sin embargo, en los casos de sobrecalentamiento más graves, como aquellos en los que se observan fracturas en forma de piedra, no es posible eliminar dichas estructuras mediante tratamientos térmicos; para ello, es necesario utilizar una combinación de deformación a altas temperaturas y recocido. Sobrecocción: Los tejidos afectados por la sobrecocción presentan fusión local en las fronteras entre los cristales, huecos en las fibras; la superficie de las aleaciones de aluminio se vuelve negra y presenta burbujas; las superficies fracturadas son grises y sin brillo. En las aleaciones de magnesio, se forman protuberancias oxidativas en su superficie. El sobrecalentamiento del material provoca una grave deterioración de sus propiedades y facilita la aparición de grietas debido al tratamiento térmico. Por lo tanto, el sobrecalentamiento es un defecto que no se debe permitir en el proceso de tratamiento térmico. Una vez que ocurre, las piezas valiosas solo pueden ser desechadas. En consecuencia, es necesario evitar estrictamente el sobrecalentamiento durante el proceso de tratamiento térmico. El nivel de spheroidización no es satisfactorio. En automóviles, tractores y otros tipos de maquinaria se utilizan en gran cantidad piezas estándar y elementos de fijación. La mayoría de las piezas estándar como ejes, pernos y barras se fabrican mediante fresado en tornos automáticos, mientras que los elementos de fijación como tornillos, tuercas y remaches se fabrican mediante prensado en frío. Para mejorar la productividad y adaptarse al mecanizado automático y al prensado en frío, el tratamiento térmico previo del acero debe ser el recocido o el recocido spheroidizante. Es necesario controlar el grado de spheroidización. El mecanizado automático de piezas requiere que el acero tenga buenas propiedades para ser mecanizado; su plasticidad no debe ser demasiado alta, ya que de lo contrario es fácil que el material se adhiera a la herramienta de corte, lo que provoca la generación continua de virutas. Se prefiere que la estructura del acero sea de perlita en forma de láminas ； Por su parte, el procesamiento por prensado en frío requiere que el acero tenga buenas propiedades para este tipo de procesamiento, es decir, que tenga una buena plasticidad, a fin de evitar grietas durante el prensado en frío. Se desea además que la estructura microscópica del acero sea de perlita esférica. Para ello, existe la norma industrial JB/T5074-91 “Niveles de granulación de las bolas de acero de bajo y medio carbono”, que sirve para determinar el nivel de granulación. Según la escala de grado de esferificación de los carbonatos, el grado 1 corresponde a una esferificación del 0%, es decir, el perlita está completamente en forma de láminas. El grado 6, por su parte, corresponde a una esferificación del 100%, es decir, los carbonatos están completamente esferificados. El acero de carbono medio utilizado para el prensado en frío generalmente debe tener un grado de 4 a 6; en cambio, el acero de bajo y medio carbono utilizado en máquinas automáticas suele requerir un grado de 1 a 3. Un tratamiento térmico preliminar inadecuado para los aceros de bajo y medio contenido en carbono afectará gravemente sus propiedades de estirado en frío y de corte automático. El nivel de sferoidización influye en las propiedades de estirado en frío, como se muestra en la tabla 7. Se puede observar que, cuando el nivel de sferoidización está entre 1 y 3, se producen grietas durante el estirado en frío; en cambio, en los niveles 4 a 6 no se producen grietas. Por lo tanto, para que el acero sea adecuado para el estirado en frío, su nivel de sferoidización debe estar entre 4 y 6. La experiencia en la producción en masa demuestra que, cuando el grado de spheroidización de las bolas de acero utilizadas en el mecanizado automático se mantiene entre 1 y 3, la rugosidad de la superficie de las piezas es adecuada, el desgaste de la sierra es normal y la productividad es alta ； Si la tasa de sferificación supera el nivel 3, resulta difícil realizar el mecanizado con máquinas automatizadas.