El acero es una aleación de hierro (Fe) y carbono (C), con un contenido de carbono que
generalmente oscila entre el 0,02% y el 6,5%. El carbono se encuentra en sitios intersticiales de la red cristalina, que varían en tamaño
y, por lo tanto, causan diferentes distorsiones en la red. A menudo, también se alean otros metales como cromo (Cr), cobalto (Co),
manganeso (Mn), etc., que también modifican la red y las propiedades del acero.
El hierro puro tiene una estructura de red cúbica centrada en el cuerpo (α-hierro) a temperatura ambiente y hasta 911°C. A temperaturas
más altas, entre 911°C y 1392°C, tiene una estructura cúbica centrada en las caras (γ-hierro), llamada austenita, y por encima de eso,
en un rango muy estrecho, tiene una estructura cúbica centrada en el cuerpo, llamada δ-hierro o δ-ferrita.
Dependiendo de la configuración de la red, el carbono se encuentra en huecos tetraédricos u octaédricos de la red de hierro, que varían en tamaño y
conducen a diferentes distorsiones de la red cuando se incrustan átomos de carbono. Cuanto mayor es la distorsión de la red,
más duro es el acero.
Durante el enfriamiento lento del acero después del vertido, la red cristalina pasa por diferentes fases como austenita y ferrita o
fases mixtas. El carbono migra durante la transformación a las posiciones más favorables de la red. Sin embargo, la capacidad de
absorción de la red de hierro es limitada y, si la solubilidad máxima de carbono en el acero se supera durante el enfriamiento,
se forman precipitados de cementita, un carburo de hierro (Fe3C), o precipitados de grafito. Una mezcla de cementita y ferrita se llama perlita.
Con un mayor contenido de carbono en el hierro, se forma ledeburita, una fase mixta de austenita y cementita.
Las diferentes fases se describen en el diagrama de estado hierro-carbono (aquí una representación simplificada).
Las propiedades del acero, como la dureza o la tenacidad,
están determinadas por la distorsión de la red y la presencia de precipitados, así como por el tamaño de los cristales.
A través de diferentes procesos térmicos, se pueden ajustar las propiedades del acero según sea necesario.
JTEKT Thermo Systems (anteriormente Koyo Thermo Systems) ofrece tecnología y una variedad de hornos industriales para el recocido, temple, endurecimiento por
enfriamiento rápido, recocido, endurecimiento y
endurecimiento superficial mediante carburación, carbonitruración, nitruración y nitrocarburación. La mayoría de los hornos utilizan
los propios elementos calefactores Moldatherm®.
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En el recocido, la pieza se calienta a una temperatura específica y luego se enfría lentamente.
Con esto se pueden lograr varios objetivos:
En el recocido de grano grueso, se busca aumentar el tamaño de los cristales individuales. Esto reduce la resistencia y la tenacidad
del material, lo que es deseable en ciertos métodos de mecanizado.
El recocido para eliminar tensiones se realiza a temperaturas relativamente bajas entre 480°C y 680°C y elimina las tensiones residuales
en la pieza de trabajo introducidas por deformación mecánica o mecanizado. De lo contrario, las propiedades del acero
no deben cambiar significativamente.
El recocido de difusión dura hasta 2 días y se lleva a cabo a temperaturas bastante altas entre 1050°C y 1300°C, y tiene como objetivo
lograr una distribución uniforme de átomos extranjeros en la red metálica. La velocidad de enfriamiento determina la formación de fases y,
por lo tanto, las propiedades del acero.
El recocido de recristalización es la restauración de las formas cristalinas que existían antes de una deformación en frío. Para esto,
la pieza se calienta a temperaturas justo por encima de la temperatura de recristalización, generalmente entre 550°C y 700°C.
La temperatura de recristalización depende del material y del grado de deformación.
El recocido normal del acero es uno de los métodos de tratamiento térmico más importantes. Su objetivo es la formación de una estructura
de grano fino de cristales distribuidos uniformemente sobre la pieza de trabajo. En aceros con mayor contenido de carbono, la temperatura de recocido
está justo por debajo de 800°C; en aceros con bajo contenido de carbono, la temperatura de recocido normal puede aumentar hasta 950°C.
El recocido suave de acero reduce las precipitaciones de cementita o perlita existentes para reducir la dureza y la resistencia del
acero y facilitar la deformación. Las temperaturas típicas para esto son de 680°C a 780°C.
JTEKT ofrece hornos continuos y discontinuos para todos los procesos de recocido, tanto para operar en condiciones atmosféricas como en hornos de vacío.
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| Horno de recocido normal continuo | Horno para temple de alambres de acero |
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En el endurecimiento del acero sin aleación en hornos de temple, la pieza se calienta inicialmente a una temperatura entre
800°C y 900°C, siempre y cuando el acero con bajo contenido de carbono esté en forma de austenita pura.
Para aceros aleados, la temperatura necesaria puede variar considerablemente.
Para prevenir la corrosión, se puede utilizar gas exotérmico en el horno. El gas exotérmico también se produce en un generador de gas correspondiente
a partir de hidrocarburos e incluye CO, H2 y N2, además de CO2 y H2O.
Generador para producción de gas exotérmico
Después del temple, el acero se enfría rápidamente o se templada de manera que los átomos de carbono
no puedan cambiar a sitios intersticiales favorables, porque la velocidad de difusión de los átomos de carbono a bajas temperaturas es demasiado
baja para permitir un cambio en los sitios intersticiales.
La estructura de red del hierro cambia a una estructura diferente a temperaturas más bajas, y se forma la llamada martensita o acero martensítico.
Debido a defectos y tensiones en la red, la martensita es muy dura y resistente, pero también tiene poca deformabilidad y es quebradiza.
Para piezas gruesas, se requieren tasas de enfriamiento muy altas para endurecer toda la pieza.
En la práctica, las piezas se sumergen en un baño de aceite o agua. La más efectiva es la templada con agua
debido a su alta conductividad térmica.
Sin embargo, al sumergir la pieza, primero se forma una capa de vapor de baja conductividad en la superficie de la pieza (fenómeno de Leidenfrost).
Se debe tener cuidado de sumergir la pieza de manera que se asegure un contacto de líquido uniforme sobre toda la pieza. También se pueden utilizar
soluciones poliméricas acuosas para el baño de temple.
El calentamiento de las piezas puede tener lugar en un horno de transporte de cadena o de rodillos, al final de los cuales las piezas
caen o se deslizan en el baño de temple, o también en un horno de campana, que se carga desde abajo y del cual se pueden extraer grandes piezas rápidamente.
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| Horno de campana y de temple | Horno de trefilado con baño de temple | Horno de temple al vacío |
También se utilizan hornos de vacío para procesos de temple y endurecimiento. El vacío evita la oxidación o el oscurecimiento de la superficie de las piezas de trabajo.
Después del temple en aceite o emulsiones, es necesario lavar las piezas antes de que puedan ser tratadas en el horno de revenido. JTEKT ofrece lavadoras individuales para este fin; sin embargo, también se pueden integrar procesos de lavado en un horno de templado. Los pasos de calentamiento, temple, lavado y revenido pueden llevarse a cabo en una sola instalación.
Lavado después del temple
Después del temple, el acero martensítico es muy duro, pero también muy frágil. Esto puede contrarrestarse mediante un nuevo calentamiento, llamado revenido.
En el rango de temperatura por debajo de 100°C, primero se produce una enriquecimiento de átomos de carbono en los defectos de la red del acero martensítico. A temperaturas entre 100°C y 200°C, los átomos de carbono comienzan a difundirse desde posiciones desfavorables en la red del hierro. Comienza la precipitación de carburo de hierro. Con un aumento adicional de la temperatura, este proceso se acelera. Por encima de 320°C, prácticamente todos los átomos de carbono abandonan las posiciones desfavorables en la red. Por encima de 400°C, ya no ocurre ningún cambio significativo en la estructura y el acero vuelve a ser blando. Sin embargo, en los aceros aleados con cromo, vanadio, molibdeno y wolframio, la dureza del acero aumenta nuevamente en esta área, ya que se precipitan carburos. Esta endurecimiento secundario es importante para componentes que deben mantener su dureza a altas temperaturas de funcionamiento.
En general, la dureza del acero disminuye con el aumento de la temperatura de revenido. Bajo aire, se produce una oxidación de la superficie que conduce a una decoloración de la pieza. El color corresponde al grosor de la capa de óxido formada. La duración del proceso de revenido depende de la masa y el grosor de la pieza.
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En contraste con el endurecimiento por temple y revenido, donde todo el material se endurece, también se puede realizar un endurecimiento superficial puro. La superficie dura se combina con un núcleo de material tenaz. Para este propósito, hay varios métodos de endurecimiento disponibles.
El proceso de endurecimiento por carbonitruración se utiliza para aceros con bajo contenido de carbono. La pieza se sumerge en un gas endotérmico rico en carbono.
El gas endotérmico se produce en un reactor de gas adecuado a partir de metano, etano o propano y consiste principalmente en monóxido de carbono CO, hidrógeno y nitrógeno.
Generador para la producción de gas endotérmico
El acero calentado a temperaturas entre 900°C y 1000°C absorbe carbono del gas endotérmico en el horno de carbonitruración. La concentración de carbono puede aumentarse en el área cercana a la superficie (aproximadamente 1 mm de profundidad) hasta el límite de solubilidad en austenita. Luego, se sigue el proceso de temple y revenido. Se utilizan hornos JTEKT de tipo KCF. La carbonitruración puede llevarse a cabo en un horno continuo o en una instalación no continua. Los sistemas de transporte en un horno continuo pueden consistir en sistemas de rodillos de cerámica, correas transportadoras de malla o un sistema de punzón.
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| Horno de empuje continuo con transporte de rodillos de cerámica | Horno de cadena continua para carbonitruración de acero |
También se pueden utilizar hornos de tambor giratorio para el endurecimiento del acero. En estas instalaciones también se pueden integrar procesos de temple, lavado de piezas y revenido.
Horno de tambor giratorio continuo para la carbonitruración de acero
En la carbonitruración o carbonitridación, en la fase gaseosa durante el calentamiento, se suministra nitrógeno además de carbono, lo que lleva a una formación de nitruros en el área cercana a la superficie de la pieza. Normalmente, el nitrógeno se introduce en los gases en forma de amoníaco NH3.
Cuando se carbonitrura a temperaturas bajas de 650-770°C, el nitrógeno puede difundirse bien en el acero y después del temple, se forma una capa delgada de nitruros y carburos sobre una capa de martensita con contenido de nitrógeno. Al carbonitrurar por encima de 770°C hasta 930°C, esta capa no se forma, ya que el carbono puede difundirse mejor. El nitrógeno estabiliza la fase austenítica y permite un temple más suave del material con una mayor efectividad de endurecimiento. Sin embargo, la capa endurecida es más delgada que en el caso de la carbonitruración y el endurecimiento es más profundo en el material base.
Al igual que con la carbonitruración, el paso de temple en fase gaseosa se sigue de un proceso de temple y revenido.
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| Horno de carbonitruración, horno de carbonitridación | Horno de carbonitruración sin llama, horno de carbonitridación con baño de temple al vacío |
En la nitruración o nitridación en el horno de nitruración, la difusión de nitrógeno en la superficie del acero ocurre a temperaturas relativamente bajas de 500 a 550°C. El amoníaco sirve como fuente de nitrógeno.
El nitrógeno difunde en el acero y se aloja en los sitios intersticiales de la red, lo que lleva a una tensión de la red y al endurecimiento del material. No es necesario templar el material y el endurecimiento no se basa en la formación de martensita. Durante el enfriamiento, los nitruros se precipitan parcialmente.
En la nitrocarburación, además del nitrógeno, también se suministra carbono desde la fase gaseosa, a partir de monóxido de carbono o hidrocarburos. El carbono se encuentra solo en la superficie del material, ya que su solubilidad en el acero que ya contiene nitrógeno es bastante baja y difunde peor. Durante el enfriamiento, se forman carbonitruros. La duración del endurecimiento es menor en la nitrocarburación que en la nitruración.
Los aceros nitrurados y carbonitrurados tienen una capa superficial delgada y muy dura, pero también son propensos al desgaste y a la fractura. La superficie densa proporciona una mayor resistencia a la corrosión y una mejor pulibilidad.
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| Horno de nitruración, horno de campana | Horno de nitruración de dos etapas |
JTEKT Thermo Systems y Crystec están encantados de construir para usted una instalación rentable que cumpla con sus requisitos más estrictos.
