Enfriamiento durante el endurecimiento. Endurecimiento del acero en diversos ambientes.

El modo de enfriamiento durante el endurecimiento debe, en primer lugar, proporcionar la profundidad de templabilidad requerida. Por otro lado, el régimen de enfriamiento debe ser tal que no se produzca un enfriamiento fuerte, lo que provocaría deformaciones del producto y la formación de grietas de enfriamiento.

Las tensiones de enfriamiento consisten en tensiones térmicas y estructurales. Durante el endurecimiento siempre se produce una diferencia de temperatura en toda la sección transversal del producto. La diferente magnitud de la compresión térmica de las capas exterior e interior durante el período de enfriamiento provoca la aparición de tensiones térmicas.

La transformación martensítica se asocia con un aumento de volumen de varios por ciento. Las capas superficiales alcanzan el punto martensítico antes que el núcleo del producto. La transformación martensítica y el aumento de volumen asociado no ocurren simultáneamente en diferentes puntos de la sección transversal del producto, lo que conduce a la aparición de tensiones estructurales.

Las tensiones totales de enfriamiento aumentan con un aumento en la temperatura de calentamiento para el enfriamiento y con un aumento en la velocidad de enfriamiento, ya que en ambos casos aumenta la diferencia de temperatura a través de la sección transversal del producto. Un aumento en la diferencia de temperatura conduce a un aumento de las tensiones térmicas y estructurales.

En el caso de los aceros, es más probable que las tensiones de enfriamiento se produzcan en el rango de temperatura por debajo del punto de martensita, cuando aparecen tensiones estructurales y se forma una fase frágil (martensita). Por encima del punto martensítico, solo se producen tensiones térmicas, y el acero está en estado austenítico y la austenita es dúctil.

Como muestra el diagrama C, es necesario un enfriamiento rápido en la región de menor estabilidad de la austenita sobreenfriada. Para la mayoría de los aceros, esta región está en el rango de 660 - 400 °C. Por encima y por debajo de este rango de temperatura, la austenita es mucho más resistente a la descomposición que cerca de la curvatura C, y la pieza de trabajo se puede enfriar relativamente lentamente.

Es especialmente importante un enfriamiento lento, a partir de temperaturas de 300 a 400 °C, a las que se forma martensita en la mayoría de los aceros. Con un enfriamiento lento por encima de la curvatura de la curva C, solo disminuyen las tensiones térmicas, mientras que en el rango martensítico disminuyen tanto las tensiones térmicas como las estructurales.

Los medios de extinción más utilizados son agua fría, una solución acuosa al 10% de NaOH o NaCl y aceites.

Tasa de enfriamiento del acero en diversos entornos.

La tabla muestra las velocidades de enfriamiento de pequeñas muestras de acero en dos rangos de temperatura para diferentes ambientes. Hasta el momento no se ha encontrado ningún líquido de enfriamiento que se enfríe rápidamente en el rango de temperatura de la perlita y lentamente en el rango de temperatura martensítica.

Agua fría- el refrigerador más barato y energético. Se enfría rápidamente tanto en rangos de temperatura de perlita como de martensita. La alta capacidad de enfriamiento del agua se explica por su baja temperatura y su enorme calor de ebullición, su baja viscosidad y su capacidad calorífica relativamente alta.

Las adiciones de sal o álcali aumentan la capacidad de enfriamiento del agua en el rango de perlita.

La principal desventaja del agua.— alta velocidad de enfriamiento en el rango martensítico.

El aceite mineral se enfría lentamente en el rango martensítico (ésta es su principal ventaja), pero también se enfría lentamente en el rango de la perlita (ésta es su principal desventaja). Por tanto, el aceite se utiliza para templar aceros con buena templabilidad.

El agua calentada no puede reemplazar al petróleo, ya que el calentamiento reduce drásticamente la velocidad de enfriamiento en el intervalo perlita, pero casi no la cambia en el intervalo martensítico.

"Teoría del tratamiento térmico de metales",
I. I. Novikov

Dado que no existe un medio endurecedor que proporcione un enfriamiento rápido en el rango de temperatura de 650 - 400 °C y un enfriamiento lento por encima y principalmente por debajo de este rango, se utilizan varios métodos de endurecimiento para proporcionar el régimen de enfriamiento necesario. Enfriamiento a través de agua en aceite Enfriamiento a través de agua en aceite (enfriamiento en dos ambientes): 1 - modo normal;...

En muchos aceros, el rango martensítico (Mn - Mk) se extiende hasta temperaturas negativas (ver figura Dependencia de la temperatura). En este caso, el acero endurecido contiene austenita retenida, que puede transformarse aún más en martensita enfriando el producto a temperaturas inferiores a la temperatura ambiente. En esencia, este tratamiento en frío (propuesto en 1937 por A.P. Gulyaev) continúa el enfriamiento que se interrumpía a temperatura ambiente...

Muchos productos deben tener una alta dureza superficial, una alta resistencia de la capa superficial y un núcleo resistente. Esta combinación de propiedades en la superficie y en el interior del producto se consigue mediante el endurecimiento superficial. Para endurecer la superficie de un producto de acero, es necesario calentar por encima del punto Ac3 sólo la capa superficial de un espesor determinado. Este calentamiento debe realizarse de forma rápida e intensa para que el núcleo, debido a la conductividad térmica, tampoco se caliente hasta...

Acero reforzado Es una operación de tratamiento térmico en la que las piezas de acero se calientan a una temperatura ligeramente superior a la temperatura crítica, se mantienen a esta temperatura y luego se enfrían rápidamente en agua o aceite.

Lo esencial propósito de endurecer- obtención de acero con alta dureza, resistencia, resistencia al desgaste y otras propiedades. Calidad de endurecimiento Depende de la temperatura y la velocidad de calentamiento, el tiempo de mantenimiento y la velocidad de enfriamiento.

La temperatura de calentamiento para el endurecimiento de la mayoría de los aceros, incluidos los aleados, está determinada por la posición de los puntos críticos A c1 y A c3. Para aceros al carbono temperatura de enfriamiento se puede determinar fácilmente a partir del diagrama hierro-carbono.

Los aceros rápidos, inoxidables y otros aceros especiales se endurecen a temperaturas de calentamiento más altas que los aceros estructurales y para herramientas al carbono y de baja aleación. Por ejemplo, para el acero inoxidable de grado 4X13, la temperatura de endurecimiento se considera de 1050 a 1100°C.

Velocidad de calentamiento

Medios de enfriamiento.

Velocidad de enfriamiento del acero dependiendo del medio de enfriamiento

La tabla muestra que en una solución acuosa al 10% de sosa cáustica o sal de mesa, la velocidad de enfriamiento del acero en la región de transformaciones de troostita (600-600°C) es dos veces mayor que la velocidad de enfriamiento en agua dulce. En la región de transformaciones martensíticas (300-200°C), la sal y el agua dulce enfrían el acero casi por igual. Esta ventaja de las soluciones salinas acuosas se utiliza en la práctica del tratamiento térmico. Sin embargo, los especialistas térmicos suelen utilizar una solución de sal de mesa al 5-10%, ya que no corroe el acero y no actúa en las manos de los trabajadores, como la soda cáustica desengrasante (sosa cáustica).

Para endurecer herramientas fabricadas con aceros U10 y U12, normalmente se calientan soluciones acuosas a 30°C para reducir la deformación de las piezas de acero.

A diferencia del agua, la capacidad de endurecimiento del aceite depende poco de la temperatura y la velocidad de enfriamiento en el aceite es muchas veces menor que en el agua. Por lo tanto, para reducir las tensiones y evitar la formación de grietas por enfriamiento, se utiliza aceite mineral - husillo No. 2 y 3 para endurecer aceros aleados con menor conductividad térmica que los aceros al carbono. En ausencia de aceite, se recomienda utilizar en caliente. agua (80°C).

Para obtener resultados estables al endurecer es necesario utilizar un tipo de aceite, cambiándolo o refrescándolo periódicamente.

Cabe señalar que durante el proceso de enfriamiento durante el temple en agua, se forma un conductor de calor alrededor de las piezas y la velocidad de enfriamiento del acero disminuye drásticamente. Además, una camisa de vapor perjudica la templabilidad del acero, provocando la aparición de puntos blandos en la superficie de las piezas endurecidas y, a veces, grietas. Por lo tanto, los termistas experimentados suelen endurecer las piezas en agua circulante, moviéndolas continuamente en dirección vertical u horizontal.

Tensiones internas.

Durante el proceso de tratamiento térmico, debido a la no simultaneidad de transformaciones y expansión y compresión térmica, surgen tensiones internas en diferentes puntos de la pieza de trabajo. Las tensiones pueden exceder no sólo el límite elástico o el límite elástico, sino también la resistencia a la fractura. En este último caso, las tensiones internas forman grietas o incluso destruyen la pieza.

Las tensiones internas pueden ser de dos tipos: térmicas y estructurales. Las tensiones térmicas internas surgen debido a las irregularidades y al enfriamiento de la superficie de la pieza y sus capas internas.

Si la pieza tiene una sección transversal sólida, durante cualquier enfriamiento la superficie se enfría más rápido y el núcleo se enfría más lentamente. Como resultado, durante el enfriamiento, la pieza tendrá diferentes temperaturas y diferentes volúmenes específicos en diferentes puntos a lo largo de la sección transversal. Esta diferencia de temperatura será mayor cuanto más difiera la velocidad de enfriamiento en la superficie de la velocidad de enfriamiento en el centro de la pieza.

Los aceros aleados con cromo, molibdeno y tungsteno tienen una conductividad térmica más baja que los aceros al carbono y, durante el endurecimiento, su velocidad de enfriamiento en la superficie de la pieza y en el centro será muy alta.

Para reducir la velocidad de enfriamiento durante el endurecimiento y reducir la tensión en ellas, estas piezas de acero aleado se someten a un enfriamiento lento solo en aceite o una corriente de aire.

Las tensiones estructurales internas, como las térmicas, surgen debido a la no simultaneidad de transformaciones durante el enfriamiento del metal y debido a diversas transformaciones estructurales en diferentes puntos de la sección de la pieza.

Así, cuando se enfría acero con alto contenido de carbono calentado por encima del punto crítico, la austenita se transforma en martensita y estas transformaciones van acompañadas de un cambio de volumen (la formación de martensita siempre aumenta el volumen). Las capas superficiales, donde las transformaciones terminan temprano, cuando se enfrían, experimentan tensiones de tracción desde la zona intermedia en la que continúan las transformaciones. Con el tiempo, las transformaciones abarcan capas cada vez más profundas de la pieza y llegan al núcleo. Pero estas transformaciones en el núcleo son evitadas por las capas exteriores enfriadas. En consecuencia, las tensiones de compresión aumentan en el núcleo, y desde la superficie el momento de tracción de mayor diferencia de tensiones siempre es peligroso, ya que a menudo provoca la aparición de grietas en el metal. Se ha establecido que las grietas no son causadas por tensiones de compresión, sino por tensiones de tracción.

La magnitud de las tensiones residuales está influenciada por varios factores. Los más importantes son: las propiedades del acero (templabilidad, temperatura de transformación martensítica, coeficiente de expansión lineal), el ambiente y las condiciones de enfriamiento, así como la forma y tamaño de la pieza.

Métodos de endurecimiento.

Los métodos de enfriamiento significan métodos de enfriamiento de piezas en un tanque de enfriamiento y la elección del enfriamiento por enfriamiento para obtener una estructura metálica determinada. Cuanto más compleja sea la forma de la pieza, más seriamente se debe abordar la elección de su refrigeración. Las transiciones bruscas en las secciones de las piezas contribuyen a diversos métodos de endurecimiento y concentración de tensiones internas. Por tanto, es necesario elegir un método de endurecimiento tal que las piezas se obtengan con buena dureza, la estructura requerida y sin grietas.

Los principales métodos de endurecimiento del acero son: endurecimiento en un refrigerador, en dos ambientes, endurecimiento por chorro, autotemplado, endurecimiento escalonado y endurecimiento isotérmico.

Enfriamiento en un refrigerador- el método más simple y común. La pieza, calentada a la temperatura de enfriamiento, se sumerge en el líquido de enfriamiento, donde permanece hasta que se enfríe por completo. Este método se utiliza para endurecer piezas simples hechas de aceros al carbono y aleados. Las piezas de acero al carbono se enfrían en agua (excepto las piezas con un diámetro no superior a 3-5 mm); y las piezas fabricadas con aceros aleados están en aceite. Este método también se puede utilizar para el endurecimiento mecanizado, cuando las piezas fluyen automáticamente desde la unidad al líquido de endurecimiento.

Para aceros con alto contenido de carbono, este método de endurecimiento es inaceptable, ya que durante el proceso de endurecimiento se crean grandes tensiones internas. Los aceros con alto contenido de carbono se endurecen mediante enfriamiento, es decir, la parte calentada se mantiene en el aire durante algún tiempo antes de enfriarse. Esto reduce las tensiones internas en las piezas y evita que se agrieten.

Endurecimientoen dos ambientes, o endurecimiento intermitente, es un método en el que la pieza se enfría primero en un medio de enfriamiento rápido (agua) y luego se transfiere a un medio de enfriamiento lento (aceite). . Se utiliza para endurecer herramientas hechas de acero con alto contenido de carbono.

La desventaja del endurecimiento intermitente es que es difícil determinar el tiempo de residencia de la pieza en el primer refrigerante, ya que es muy insignificante (1 segundo por cada 5-6 milímetros diámetro o espesor de la pieza). La exposición excesiva al agua provoca un aumento de deformaciones y grietas.

El uso del endurecimiento intermitente requiere altas calificaciones y experiencia por parte del termista.

Rayadoendurecimiento se lleva a cabo enfriando las piezas calentadas a la temperatura de endurecimiento con un chorro de agua. Este método se utiliza para endurecer superficies internas, recalcar matrices, matrices y otras herramientas de estampado, cuya superficie de trabajo debe tener una estructura de martensita.

Con el enfriamiento por chorro no se forma una camisa de vapor, lo que garantiza un endurecimiento más profundo que con un simple enfriamiento en agua. La velocidad de enfriamiento depende de la temperatura, la presión del agua, el diámetro y número de orificios del spray y del ángulo que forma el chorro de agua con la superficie enfriada de la pieza.

Endurecimientocon autovacaciones- este es un método que consiste en mantener las piezas en un medio refrigerante hasta que estén completamente frías, es decir, en un momento determinado, se detiene el enfriamiento para retener el calor necesario para el autotemplado en el núcleo de la pieza. Este punto se establece experimentalmente, por lo que la calidad del tratamiento térmico dependerá en gran medida de la habilidad del especialista en tratamiento térmico.

El control de la temperatura de revenido con este método de endurecimiento se realiza mediante los colores de deslustre que aparecen en la superficie clara de la pieza. La aparición de colores deslustrados a temperaturas de 200-300°C se explica por la formación de una fina película de óxido en la superficie del acero, cuyo color depende de su espesor. Por ejemplo, en un corto período de tiempo a 220°C, el acero se cubre con una capa de óxido de 400 a 450 angstroms de espesor, lo que da a la superficie un color amarillo claro.

El endurecimiento con autotemplado se utiliza solo para endurecer herramientas de impacto: cinceles, brocas, núcleos, etc., ya que la dureza de dicha herramienta debe disminuir de manera uniforme y gradual (desde la parte de trabajo hasta la cola).

Pisóendurecimiento- este es un método en el que las piezas calentadas se enfrían en un medio de enfriamiento lento (por ejemplo, sal fundida, aceite caliente) que tiene una temperatura para un acero determinado por encima del punto martensítico. M n. Durante una breve exposición en un medio caliente (aceite), la temperatura se iguala y esto ocurre antes de que comience la transformación martensítica. A continuación tiene lugar un enfriamiento final, normalmente lento, durante el cual se endurece la pieza.

El endurecimiento escalonado ayuda a reducir las tensiones internas que se producen debido a la baja velocidad de enfriamiento. Como resultado, se reduce la deformación de las piezas y se elimina casi por completo la posibilidad de grietas por endurecimiento.

El endurecimiento escalonado se utiliza ampliamente en la producción en masa, especialmente en la fabricación de herramientas. Permite enderezar y enderezar piezas en estado caliente, ya que en el momento de la transformación el acero tiene una gran ductilidad.

Para el endurecimiento gradual, lo más recomendable es utilizar aceros al carbono y aleados de endurecimiento profundo de los grados 9ХС, ХГ, ХВГ, etc.

isotérmicoendurecimiento- se trata de un método que consiste en calentar piezas a una temperatura determinada y enfriarlas en un ambiente isotérmico a 220-350 ° C, temperatura ligeramente superior a la temperatura a la que comienza la transformación martensítica.

Mantener las piezas en un ambiente de enfriamiento durante dicho enfriamiento debería ser suficiente para la transformación completa de austenita en troostita acicular. Después de esto, se produce el enfriamiento por aire. En el endurecimiento isotérmico, el tiempo de mantenimiento a la temperatura escalonada es significativamente mayor que en el endurecimiento escalonado.

Los medios de enfriamiento para el endurecimiento isotérmico son los mismos que para el endurecimiento por pasos. Después del endurecimiento isotérmico, el acero adquiere una mayor dureza y mayor tenacidad.

En el endurecimiento isotérmico se requiere una velocidad de enfriamiento suficientemente alta y uniforme, que se logra mediante el uso de baños con un medio de enfriamiento que se mezcla intensamente.

El endurecimiento isotérmico se utiliza en tratamientos térmicos cuando es necesario obtener piezas con máxima resistencia, suficiente ductilidad y tenacidad. Lo más recomendable es utilizar endurecimiento isotérmico para aquellos aceros que tienen baja estabilidad de austenita en la región de retención isotérmica.

Defectos que se producen durante el endurecimiento. Durante el proceso de endurecimiento, cuando el acero se enfría, aparecen tensiones internas como resultado de transformaciones estructurales y cambios en el volumen del metal. Estas tensiones provocan los siguientes defectos: agrietamiento, deformación y alabeo, cambios en el volumen del acero, descarburación y oxidación, puntos blandos, baja dureza y sobrecalentamiento.

Endurecimientogrietas- Se trata de un defecto irreparable que se forma durante el tratamiento térmico. En piezas grandes, como matrices y matrices de forja, pueden aparecer grietas por enfriamiento incluso cuando se templan en aceite. Por lo tanto, es aconsejable enfriar dichas piezas a 150-200°C y revenirlas rápidamente.

Las grietas se producen debido a un calentamiento inadecuado (sobrecalentamiento), altas velocidades de enfriamiento y una composición química inadecuada del acero.

Las grietas por endurecimiento también se producen debido a un diseño inadecuado de las piezas, transiciones bruscas, marcas rugosas dejadas después del mecanizado, esquinas afiladas, paredes delgadas, etc.

Las grietas por endurecimiento se forman con mayor frecuencia cuando las piezas se enfrían o calientan demasiado rápido como resultado de las tensiones internas que se producen en las piezas. Esto se observa a menudo al endurecer aceros aleados. Por tanto, las piezas fabricadas con estos aceros se calientan más lentamente que las fabricadas con aceros al carbono y de forma más uniforme.

Las grietas de endurecimiento suelen estar ubicadas en las esquinas de las piezas y tienen una apariencia arqueada o tortuosa.

En la práctica de fábrica, a menudo se encuentran grietas superficiales, que generalmente se ubican en forma de una malla continua o rota. Estas grietas surgen durante el endurecimiento de la superficie durante el calentamiento con corrientes de alta frecuencia o el endurecimiento con llama de gas, cuando el enfriamiento se realiza con agua demasiado fría y también cuando el metal se sobrecalienta.

Las grietas superficiales pueden ocurrir no sólo durante el tratamiento térmico, sino también durante el rectificado de piezas endurecidas si no se templaron correctamente.

El templado uniforme después del endurecimiento y las condiciones correctas de pulido eliminan por completo la aparición de grietas.

Para evitar daños, las áreas (partes) de las piezas donde suelen aparecer grietas se envuelven con cordón de amianto y se cubren con arcilla ignífuga. La implementación estricta de regímenes de endurecimiento tecnológico puede reducir al mínimo el número de piezas defectuosas.

Deformacióny deformarse Las piezas se producen como resultado de transformaciones estructurales desiguales y volumétricas asociadas y la aparición de tensiones internas durante el enfriamiento.

Al endurecer el acero, en muchos casos la deformación se produce sin cambios volumétricos significativos, como resultado del calentamiento y enfriamiento desigual de las piezas. Si, por ejemplo, una pieza con una sección transversal pequeña y una longitud grande se calienta solo en un lado, se dobla, el lado calentado se alarga debido a la expansión térmica y se vuelve convexo, y el lado opuesto se vuelve cóncavo. Con el enfriamiento unilateral durante el proceso de enfriamiento (especialmente en agua), el lado de la pieza que se enfría rápidamente se volverá cóncavo debido a la compresión térmica y el reverso se volverá convexo. Por lo tanto, las piezas deben calentarse y enfriarse uniformemente durante el endurecimiento.

El método de enfriamiento tiene una influencia particularmente grande en la deformación. Por lo tanto, al sumergir piezas y herramientas en un medio de enfriamiento, se deben tener en cuenta su forma y dimensiones. Por ejemplo, las piezas con piezas gruesas y delgadas se sumergen en el medio de enfriamiento primero con la parte gruesa, las piezas axiales largas (tornillos de avance, varillas, brochas, taladros, machos de roscar, etc.), en posición estrictamente vertical, y las piezas planas delgadas. (discos), cortadores, placas, etc.) - borde.

Los accesorios seleccionados y fabricados correctamente son muy importantes para reducir la deformación y la deformación de las piezas.

Cuando se carburan y nitrocarburan engranajes con gas, rodillos estriados y dentados, pasadores de pistón, cruces y otras partes de configuraciones simples y complejas, se utilizan dispositivos especiales y universales.

Para cementar los pasadores elásticos se utilizan dispositivos con agujeros.

Los rodillos dentados suelen someterse a un tratamiento químico-térmico en fijaciones universales.

En la producción en masa, se fabrican accesorios especiales para cada pieza. El coste de su producción se amortiza rápidamente. En la producción en masa, cuando se procesan grandes lotes de varias piezas, es más económico disponer de accesorios universales.

Los dispositivos están fabricados y soldados a partir de la aleación resistente al calor X18N25S2.

Muchas piezas (engranajes, discos, placas) se endurecen en prensas especiales en matrices para evitar deformaciones.

Descarbonización Ocurre principalmente cuando se calienta en hornos eléctricos y medios líquidos (baños de sal). La descarburación de una herramienta es el defecto más grave durante el endurecimiento, ya que reduce varias veces la vida útil de la herramienta. Sin embargo, es difícil notar tal defecto en el instrumento terminado.

En piezas fabricadas con aceros estructurales, la oxidación y la descarburación se detectan fácilmente al realizar microsecciones.

Suavelugares- son áreas en la superficie de una pieza o herramienta con dureza reducida. Las razones de tal defecto pueden ser la presencia de incrustaciones y contaminantes en la superficie de las piezas causadas por el contacto de las piezas entre sí durante el proceso de enfriamiento en un ambiente de enfriamiento rápido, áreas con una superficie descarburada o un movimiento insuficientemente rápido de piezas en el ambiente de enfriamiento (chaqueta de vapor). Los puntos blandos se eliminan por completo mediante enfriamiento por chorro y agua salada.

Bajodureza Se observa con mayor frecuencia durante el endurecimiento de herramientas. Las razones de la baja dureza son un enfriamiento insuficientemente rápido en el medio de enfriamiento, una temperatura de enfriamiento baja y un tiempo de exposición corto cuando se calienta para el enfriamiento. Para corregir este defecto, las piezas o herramientas se someten primero a un alto revenido a una temperatura de 600-625 °C y luego a un endurecimiento normal.

Sobrecalentar al enfriarse provoca una estructura de grano grueso con fractura brillante y, por tanto, deteriora las propiedades mecánicas del acero. Para refinar la veta y preparar la estructura para el nuevo endurecimiento, se debe recocer el acero sobrecalentado.

Subcalentamiento obtenido si la temperatura de enfriamiento estaba por debajo del punto crítico Un C3- para aceros hipoeutectoides y Y con- aceros hipereutectoides.

Cuando se calienta demasiado, la estructura del acero endurecido está formada por granos de martensita y ferrita, que se sabe que tienen baja dureza.

El subcalentamiento se puede corregir mediante recocido seguido de endurecimiento normal.

Los aceros de alta velocidad, inoxidables y otros aceros especiales se endurecen a temperaturas de calentamiento más altas que los aceros estructurales y para herramientas al carbono y de baja aleación. Por ejemplo, para el acero inoxidable de grado 4X13, la temperatura de endurecimiento se considera de 1050 a 1100°C.

El acero rápido P18 se endurece a una temperatura de 1260 - 1280 ° C (para herramientas con un diámetro de 10 a 15 mm - taladros, escariadores, etc.) y 1280 - 1300 ° C (para herramientas de forma simple - cortadores ). Una temperatura de calentamiento tan alta para endurecer el acero rápido es necesaria para disolver más completamente el exceso de carburos y convertirlos en una solución sólida de cromo, tungsteno, vanadio y otros elementos de aleación que componen el acero.

Velocidad de calentamiento. El calentamiento del acero está determinado no solo por la velocidad de calentamiento permitida, sino también por la posible. La velocidad permitida debe ser tal que el calentamiento no provoque grandes tensiones que provoquen la formación de grietas en las piezas.

La velocidad de calentamiento depende de la forma de las piezas, del tipo de horno de calentamiento y del medio de calentamiento. Por ejemplo, una bola se calienta tres veces y un cilindro dos veces más lento que una placa. A medida que aumenta la velocidad de calentamiento, también aumenta el rendimiento de los hornos y unidades de calentamiento.

La velocidad de calentamiento también depende de la ubicación de las piezas en el horno. Si las piezas están colocadas una al lado de la otra e interfieren con el acceso necesario al calor, llevará más tiempo calentarlas.

Para calcular el tiempo de calentamiento de las piezas, los termistas suelen utilizar gráficos tecnológicos.

El mapa tecnológico incluye una lista de todas las operaciones de procesamiento de una pieza o grupo de piezas, indicando datos detallados sobre estas operaciones (temperatura, tiempo de mantenimiento, temperatura y medio de enfriamiento, y dispositivos utilizados).

Tiempo promedio de calentamiento de piezas de acero al carbono para endurecimiento en diversos ambientes.

Tiempo de calentamiento de piezas para endurecimiento en diversos ambientes.

Para realizar cualquier proceso de tratamiento térmico térmico, es necesario no solo calentar el metal a una temperatura determinada, sino también mantenerlo a esta temperatura hasta completar las transformaciones estructurales (disolución de carburos, homogeneización de austenita) y el completo calentamiento de las piezas. . Así, el tiempo total de permanencia de las piezas en el medio calefactor se compone del tiempo de calentamiento y del tiempo de mantenimiento.

Medios de enfriamiento. Para enfriar las piezas de acero durante el enfriamiento, se suelen utilizar varios medios de enfriamiento: agua, soluciones salinas acuosas, sales fundidas, aceites minerales, etc. Los medios de enfriamiento se diferencian marcadamente entre sí en sus propiedades físicas, es decir, eliminan el calor con diferentes intensidades de las piezas calentadas. para endurecer.

Se considera que el mejor medio de enfriamiento es aquel que enfría rápidamente el acero en el rango de temperatura de 650-500°C (la región de menor estabilidad de la austenita) y lentamente, por debajo de 300-200°C (la región de transformación martensítica). Sin embargo, todavía no existe un medio de extinción único y universal, por lo que en la práctica se utilizan diferentes medios.

Uno de los métodos más comunes de tratamiento térmico de metales es el endurecimiento del acero. Es con la ayuda del endurecimiento que se forman las características requeridas del producto terminado, y su implementación incorrecta puede provocar una suavidad excesiva del metal (falta de endurecimiento) o su excesiva fragilidad (sobrecalentamiento). Nuestro artículo hablará sobre qué es el endurecimiento adecuado y qué se debe hacer para lograrlo.

¿Qué es el endurecimiento del metal?

Los antiguos herreros sabían que el efecto de las altas temperaturas sobre el metal puede cambiar su estructura y propiedades y lo utilizaron activamente en la práctica. Posteriormente, se estableció científicamente que el endurecimiento de productos de acero, que implica el calentamiento y posterior enfriamiento del metal, puede mejorar significativamente las características mecánicas de los productos terminados, aumentar significativamente su vida útil e incluso, en última instancia, reducir su peso al aumentar la resistencia de la parte. Lo que es digno de mención es que el endurecimiento de piezas fabricadas con acero económico permite darles las características requeridas y utilizarlas con éxito en lugar de aleaciones más caras.

El significado del proceso, llamado endurecimiento de productos de aleación de acero, es calentar el metal a una temperatura crítica y luego enfriarlo. El principal objetivo que persigue esta tecnología de tratamiento térmico es aumentar la dureza y resistencia del metal y al mismo tiempo reducir su ductilidad.

Existen varios tipos de endurecimiento y posterior revenido, diferenciándose en los modos de realización, que condicionan el resultado final. Los modos de endurecimiento incluyen la temperatura de calentamiento, el tiempo y la velocidad de su implementación, el tiempo que la pieza se mantiene en un estado calentado a una temperatura determinada y la velocidad a la que se realiza el enfriamiento.

El parámetro más importante es la temperatura de calentamiento, al alcanzar la cual se reorganiza la red atómica. Naturalmente, para diferentes grados de acero, el valor de temperatura crítica es diferente, lo que depende, en primer lugar, del nivel de contenido de carbono y de diversas impurezas en su composición.

Después del endurecimiento, tanto la dureza como la fragilidad del acero aumentan y aparece una capa de incrustaciones en su superficie, que ha perdido una cantidad importante de carbono. El espesor de esta capa debe tenerse en cuenta al calcular el margen para el procesamiento posterior de la pieza.

Al endurecer productos hechos de aleaciones de acero, es muy importante garantizar una determinada velocidad de enfriamiento de la pieza; de lo contrario, la estructura atómica del metal ya reorganizada puede pasar a un estado intermedio. Mientras tanto, un enfriamiento demasiado rápido tampoco es deseable, ya que puede provocar la aparición de grietas en la pieza o su deformación. Para evitar la formación de tales defectos, la velocidad de enfriamiento después de que la temperatura del metal calentado desciende a 200 grados Celsius se reduce algo.

Para calentar piezas de acero al carbono se utilizan hornos de cámara, que pueden calentar hasta 800 grados centígrados. Para endurecer ciertos grados de acero, la temperatura crítica puede ser de 1250 a 1300 grados Celsius, por lo que las piezas fabricadas con ellos se calientan en otro tipo de horno. La conveniencia de endurecer el acero de estos grados radica en el hecho de que los productos fabricados con ellos no están sujetos a agrietarse cuando se enfrían, lo que elimina la necesidad de precalentamiento.

Debe adoptar un enfoque muy responsable al endurecer partes de configuraciones complejas que tienen bordes delgados y transiciones pronunciadas. Para evitar grietas y deformaciones de dichas piezas durante el proceso de calentamiento, este debe realizarse en dos etapas. En la primera etapa, dicha pieza se precalienta a 500 grados Celsius y solo entonces la temperatura se lleva a un valor crítico.

Para un endurecimiento de aceros de alta calidad, es importante garantizar no solo el nivel de calentamiento, sino también su uniformidad. Si la pieza es masiva o tiene una configuración compleja, es posible garantizar un calentamiento uniforme solo mediante varios enfoques. En tales casos, el calentamiento se realiza con dos retrasos, necesarios para que la temperatura alcanzada se distribuya uniformemente por todo el volumen de la pieza. El tiempo total de calentamiento también aumenta si se colocan varias piezas en el horno al mismo tiempo.

Cómo evitar la formación de incrustaciones y la descarburación durante el enfriamiento

Muchas piezas de acero se endurecen una vez terminadas. En tales casos, es inaceptable que la superficie de las piezas se descarbure o que se formen incrustaciones en ella. Existen métodos para endurecer productos de acero que evitan este tipo de problemas. El endurecimiento, realizado en un ambiente de gas protector, que se inyecta en la cavidad del horno de calentamiento, puede clasificarse como el más avanzado de estos métodos. Hay que tener en cuenta que este método se utiliza sólo si el horno de calentamiento está completamente sellado.

La foto muestra el momento del hidrobatido en el laminador en caliente - desincrustación.

Una forma más sencilla de evitar la descarburación de la superficie del metal durante el endurecimiento es utilizar virutas de hierro fundido y carburador usado. Para proteger la superficie de la pieza cuando se calienta, se coloca en un recipiente especial en el que previamente se vierten estos componentes. Para evitar que entre aire ambiental en dicho recipiente, lo que puede provocar procesos de oxidación, el exterior se recubre completamente con arcilla.

Si, después de endurecer el metal, no se enfría en aceite, sino en un baño de sal, conviene desoxidarlo periódicamente (al menos dos veces por turno) para evitar la descarburación de la superficie de la pieza y la aparición de óxido en la misma. Se puede utilizar ácido bórico, sal marrón o carbón vegetal para desoxidar los baños de sal. Este último se suele colocar en un vaso especial con tapa, cuyas paredes tienen muchos agujeros. Un vaso de este tipo debe sumergirse en el baño de sal con mucho cuidado, ya que en este momento se enciende una llama en su superficie, que se apaga después de un tiempo.

Existe una forma sencilla de comprobar la calidad de la desoxidación de un baño de sal. Para hacer esto, se calienta una cuchilla normal de acero inoxidable en un baño de este tipo durante varios minutos (3-5). Después del baño de sal, la hoja se coloca en agua para que se enfríe. Si después de tal procedimiento la hoja no se dobla sino que se rompe, entonces la desoxidación del baño fue exitosa.

Enfriamiento del acero durante el endurecimiento.

La base de la mayoría de los refrigerantes utilizados para endurecer productos de acero es el agua. Es importante que dicha agua no contenga impurezas de sales y detergentes, que pueden afectar significativamente la velocidad de enfriamiento. No se recomienda para otros fines un recipiente que contenga agua para endurecer productos metálicos. También es importante tener en cuenta que no se puede utilizar agua corriente para enfriar el metal durante el proceso de endurecimiento. La temperatura óptima para el refrigerante es de 30 grados centígrados.

El endurecimiento de productos de acero con agua corriente para enfriarlos tiene una serie de desventajas importantes. El más importante de ellos es el agrietamiento y la deformación de las piezas después de que se hayan enfriado. Como regla general, este método de enfriamiento se utiliza para cementar metal, endurecer superficies de acero o tratar térmicamente piezas de configuración simple que luego se someterán a acabado.

Para productos de formas complejas fabricados con aceros estructurales, se utiliza otro tipo de refrigerante: una solución de soda cáustica al 50%, calentada a una temperatura de 60 grados centígrados. Después de enfriar en dicha solución, el acero endurecido adquiere un tono claro.

Es muy importante seguir las precauciones de seguridad cuando se trabaja con sosa cáustica; asegúrese de utilizar una campana colocada encima de la bañera. Cuando una parte caliente se sumerge en una solución, se forman vapores que son muy perjudiciales para la salud humana.

El mejor refrigerante para piezas de paredes delgadas hechas de acero al carbono y productos hechos de aleaciones son los aceites minerales, que proporcionan una temperatura de enfriamiento constante (isotermal), independientemente de las condiciones ambientales. Lo principal que se debe evitar al utilizar un fluido técnico de este tipo es que entre agua, lo que puede provocar el agrietamiento de las piezas durante el proceso de enfriamiento. Sin embargo, si entra agua en dicho refrigerante, se puede eliminar fácilmente calentando el aceite a una temperatura superior al punto de ebullición del agua.

El templado del acero utilizando aceite como refrigerante tiene una serie de desventajas importantes que definitivamente debes conocer. Cuando el aceite entra en contacto con una parte caliente, se liberan vapores nocivos para la salud humana, además, el aceite puede incendiarse en ese momento; Un baño de aceite también tiene la siguiente propiedad: después de su uso, quedan residuos en las piezas y el propio refrigerante pierde su eficacia con el tiempo.

Todos estos factores deben tenerse en cuenta al endurecer metales en un ambiente petrolero y se deben tomar las siguientes medidas de seguridad:

• sumergir las piezas en un baño de aceite con unas pinzas de mango largo;
• realizar todos los trabajos con una máscara especial de vidrio templado y guantes de tela gruesa con propiedades ignífugas o de cuero rugoso;
• Proteja de manera confiable sus hombros, cuello y pecho con ropa de trabajo hecha de tela gruesa resistente al fuego.

Para endurecer determinadas calidades de acero, el enfriamiento se realiza mediante un flujo de aire creado por un compresor especial. Es muy importante que el aire de refrigeración esté completamente seco, ya que la humedad que contiene puede provocar grietas en la superficie del metal.

Existen métodos para endurecer acero que utilizan enfriamiento combinado. Se utilizan para enfriar piezas de acero al carbono que tienen una composición química compleja. La esencia de tales métodos de endurecimiento es que la pieza calentada se coloca primero en agua, donde en poco tiempo (unos segundos) su temperatura desciende a 200 grados, y la pieza se enfría aún más en un baño de aceite, donde debería moverse muy rápidamente.

Realización de endurecimiento y revenido de piezas de acero en casa.

El tratamiento térmico de productos metálicos, incluido el endurecimiento superficial del acero, no sólo aumenta la dureza y resistencia de la aleación, sino que también aumenta significativamente las tensiones internas en su estructura. Para aliviar estas tensiones, que pueden provocar la rotura de la pieza durante el funcionamiento, es necesario soltar el producto de acero.

Hay que tener en cuenta que esta operación tecnológica conduce a una ligera disminución de la dureza del acero, pero aumenta su ductilidad. Para realizar el templado, cuya esencia es reducir gradualmente la temperatura de la pieza calentada y mantenerla a una determinada temperatura, se utilizan hornos, baños de sal y aceite.

Las temperaturas a las que se lleva a cabo el templado difieren para los diferentes grados de acero. Por lo tanto, el templado de aleaciones de alta velocidad se realiza a una temperatura de 540 grados Celsius, y para aceros con una dureza de HRC 59-60, 150 grados son suficientes. Lo típico es que cuando se templan aleaciones de alta velocidad, su dureza incluso aumenta, y en el segundo caso su nivel disminuye, pero el índice de ductilidad aumenta significativamente.

El endurecimiento y revenido de productos de acero, incluidas las variedades de acero inoxidable, es bastante aceptable (y, además, a menudo se practica) en casa, si surge la necesidad. En tales casos, se pueden utilizar estufas eléctricas, hornos e incluso arena caliente para calentar productos de acero. Las temperaturas a las que se deben calentar los productos de acero en tales casos se pueden seleccionar mediante tablas especiales. Antes de endurecer o revenir productos de acero, es necesario limpiarlos a fondo, su superficie debe estar libre de suciedad, restos de aceite y óxido.

Después de la limpieza, el producto de acero debe calentarse para que se caliente uniformemente. Para calentarlo a tal estado, es necesario calentarlo de varios métodos. Una vez alcanzado el estado requerido, el producto calentado debe enfriarse en aceite y luego colocarse inmediatamente en un horno precalentado a 200 grados Celsius. Luego es necesario reducir gradualmente la temperatura en el horno, llevándola a 80 grados centígrados.

Este proceso suele tardar una hora. El enfriamiento posterior debe realizarse al aire libre, con la única excepción de los productos fabricados con aceros al cromo-níquel, para los cuales se utilizan baños de aceite para reducir la temperatura. Esto se debe al hecho de que el acero de tales grados, cuando se enfría lentamente, puede adquirir la llamada fragilidad por temple.

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El tratamiento térmico de los aceros es una de las operaciones más importantes en la ingeniería mecánica, cuya correcta ejecución determina la calidad de los productos. El templado y revenido de aceros es uno de los diversos tipos de tratamiento térmico de metales.

Los efectos térmicos sobre el metal cambian sus propiedades y estructura. Esto permite aumentar las propiedades mecánicas del material, la durabilidad y confiabilidad de los productos, así como reducir el tamaño y peso de mecanismos y máquinas. Además, gracias al tratamiento térmico, se pueden utilizar aleaciones más económicas para la fabricación de diversas piezas.

Mientras se templaba el acero

El tratamiento térmico del acero implica la aplicación de calor al metal en determinadas condiciones para cambiar su estructura y propiedades.

Las operaciones de tratamiento térmico incluyen:

• recocido;
• normalización;
• envejecimiento;
• endurecimiento de acero y revenido de acero (etc.).

Tratamiento térmico del acero: endurecimiento, revenido: depende de los siguientes factores:

• temperaturas de calentamiento;
• tiempo de calentamiento (velocidad);
• duración de la exposición a una temperatura determinada;
• velocidad de enfriamiento.

Endurecimiento

El endurecimiento del acero es un proceso de tratamiento térmico cuya esencia es calentar el acero a una temperatura superior a la temperatura crítica, seguido de un enfriamiento rápido. Como resultado de esta operación, la dureza y resistencia del acero aumentan y la ductilidad disminuye.

Cuando los aceros se calientan y enfrían, la red atómica se reorganiza. Los valores de temperatura crítica para diferentes grados de acero no son los mismos: dependen del contenido de carbono y de impurezas de aleación, así como de la velocidad de calentamiento y enfriamiento.

Después del endurecimiento, el acero se vuelve quebradizo y duro. Cuando se calienta en hornos térmicos, la capa superficial de los productos se cubre de incrustaciones y se descarboniza cuanto más mayor es la temperatura de calentamiento y el tiempo de permanencia en el horno. Si las piezas tienen un pequeño margen para su posterior procesamiento, entonces este defecto es irreparable. Los modos de endurecimiento para endurecer acero dependen de su composición y de los requisitos técnicos del producto.

Durante el endurecimiento, las piezas deben enfriarse rápidamente para que la austenita no tenga tiempo de transformarse en estructuras intermedias (sorbitol o troostita). La velocidad de enfriamiento requerida se garantiza mediante la selección del medio refrigerante. En este caso, un enfriamiento demasiado rápido provoca grietas o deformaciones del producto. Para evitar esto, en el rango de temperatura de 300 a 200 grados, se debe reducir la velocidad de enfriamiento utilizando métodos de endurecimiento combinados. El método de sumergir la pieza en un medio refrigerante es de gran importancia para reducir la deformación del producto.

Calentar el metal

Todos los métodos de endurecimiento del acero consisten en:

• calentar acero;
• mantenimiento posterior para lograr el calentamiento total del producto y la finalización de las transformaciones estructurales;
• enfriamiento a cierta velocidad.

Los productos de acero al carbono se calientan en hornos de cámara. En este caso, no es necesario precalentar, ya que estos grados de acero no están sujetos a grietas ni deformaciones.

Los productos complejos (por ejemplo, una herramienta con bordes finos que sobresalen o transiciones afiladas) se precalientan:

• en baños de sal sumergiéndolos dos o tres veces durante 2 a 4 segundos;
• en hornos separados hasta una temperatura de 400 - 500 grados centígrados.

El calentamiento de todas las partes del producto debe realizarse de manera uniforme. Si esto no se puede lograr en un solo paso (forjados grandes), entonces se realizan dos tiempos de mantenimiento para el calentamiento completo.

Si solo se coloca una parte en el horno, se reduce el tiempo de calentamiento. Por ejemplo, un cortador de disco con un espesor de 24 mm se calienta en 13 minutos, y diez de estos productos, en 18 minutos.

Protección del producto contra incrustaciones y descarburación.

Para productos cuyas superficies no se pulen después del tratamiento térmico, la quema de carbón y la formación de incrustaciones son inaceptables. Proteja las superficies de tales defectos utilizando agua suministrada a la cavidad del horno eléctrico. Por supuesto, esta técnica sólo es posible en hornos especiales sellados. La fuente de gas suministrada a la zona de calefacción son los generadores de gas protector. Pueden funcionar con metano, amoníaco y otros gases de hidrocarburos.

Si no hay una atmósfera protectora, antes de calentar los productos se envasan en contenedores y se llenan con carburador usado y virutas (el ingeniero térmico debe saber que el carbón no protege los aceros para herramientas de la descarburación). Para evitar que entre aire en el recipiente, se recubre con arcilla.

Cuando se calientan, los baños de sal evitan que el metal se oxide, pero no protegen contra la descarbonización. Por eso, en la producción se desoxidan al menos dos veces por turno con sal parda, sal de sangre o ácido bórico. Los baños de sal que funcionan a temperaturas de 760 a 1000 grados centígrados se desoxidan muy eficazmente con el carbón. Para ello, se llena un vaso con muchos agujeros en toda la superficie con carbón seco, se cierra con una tapa (para que el carbón no flote) y, después de calentarlo, se baja al fondo del baño de sal. Al principio aparece una cantidad importante de llamas, luego disminuye. Si desoxida el baño tres veces durante un turno de esta manera, los productos calentados quedarán completamente protegidos de la descarbonización.

El grado de desoxidación de los baños de sal se verifica de manera muy simple: una cuchilla común, calentada en un baño durante 5 a 7 minutos en un baño desoxidado de alta calidad y endurecida en agua, se romperá, no se doblará.

Refrigerantes

El principal refrigerante del acero es el agua. Si agrega una pequeña cantidad de sales o jabón al agua, la velocidad de enfriamiento cambiará. Por lo tanto, bajo ninguna circunstancia se debe utilizar el tanque de enfriamiento para otros fines (por ejemplo, lavarse las manos). Para lograr la misma dureza en la superficie endurecida, es necesario mantener la temperatura del refrigerante entre 20 y 30 grados. No debes cambiar el agua del tanque con frecuencia. Es absolutamente inaceptable enfriar el producto con agua corriente.

La desventaja del endurecimiento por agua es la formación de grietas y deformaciones. Por lo tanto, con este método solo se endurecen productos de forma simple o cementados.

• Al endurecer productos de configuraciones complejas hechos de acero estructural, se utiliza una solución al cincuenta por ciento de soda cáustica (fría o calentada a 50 - 60 grados). Las piezas calentadas en un baño de sal y endurecidas en esta solución resultan ligeras. No se debe permitir que la temperatura de la solución exceda los 60 grados.

Modos

Los vapores generados durante el enfriamiento en una solución cáustica son perjudiciales para los humanos, por lo que el baño de enfriamiento debe estar equipado con ventilación por extracción.

• El acero aleado se endurece en aceites minerales. Por cierto, los productos finos de acero al carbono también se fabrican en petróleo. La principal ventaja de los baños de aceite es que la velocidad de enfriamiento no depende de la temperatura del aceite: a una temperatura de 20 grados y 150 grados, el producto se enfriará al mismo ritmo.

Tenga cuidado de no dejar que entre agua en el baño de aceite, ya que esto puede provocar que el producto se agriete. Curiosamente: en aceite calentado a una temperatura superior a 100 grados, la entrada de agua no provoca grietas en el metal.

La desventaja de un baño de aceite es:

1. liberación de gases nocivos durante el endurecimiento;
2. formación de placa en el producto;
3. la tendencia del petróleo a la inflamabilidad;
4. deterioro gradual de la capacidad de endurecimiento.

• Los aceros con austenita estable (por ejemplo, X12M) se pueden enfriar con aire suministrado por un compresor o ventilador. Al mismo tiempo, es importante evitar que entre agua en el conducto de aire: esto puede provocar la formación de grietas en el producto.
• El endurecimiento escalonado se realiza en aceite caliente, álcalis fundidos y sales de bajo punto de fusión.
• El endurecimiento intermitente de aceros en dos ambientes de enfriamiento se utiliza para procesar piezas complejas hechas de aceros al carbono. Primero se enfrían en agua a una temperatura de 250 a 200 grados y luego en aceite. El producto se mantiene en agua durante no más de 1 a 2 segundos por cada 5 a 6 mm de espesor. Si se aumenta el tiempo de exposición en agua, inevitablemente aparecerán grietas en el producto. La transferencia de la pieza del agua al aceite debe realizarse muy rápidamente.

Dependiendo de la temperatura requerida, se realiza el templado:

• en baños de aceite;
• en baños de salitre;
• en hornos con circulación de aire forzado;
• en baños con álcali fundido.

La temperatura de templado depende del grado de acero y de la dureza requerida del producto; por ejemplo, una herramienta que requiere una dureza de HRC 59 - 60 debe templarse a una temperatura de 150 a 200 grados. En este caso, las tensiones internas disminuyen y la dureza disminuye ligeramente.

El acero rápido se templa a una temperatura de 540 a 580 grados. Este revenido se denomina endurecimiento secundario, ya que como resultado aumenta la dureza del producto.

Los productos pueden mancharse calentándolos en estufas eléctricas, hornos e incluso en arena caliente. La película de óxido que aparece como resultado del calentamiento adquiere diferentes colores de deslustre, dependiendo de la temperatura. Antes de comenzar a templar uno de los colores deslustrados, debe limpiar la superficie del producto de incrustaciones, depósitos de aceite, etc.

Por lo general, después del templado, el metal se enfría al aire. Pero los aceros al cromo-níquel deben enfriarse en agua o aceite, ya que el enfriamiento lento de estos grados conduce a la fragilidad del temple.