Temple del Acero SAE 1045 con Sustancias No Convencionales

Departamento de Ingeniería Mecánica
Título: Temple del acero SAE 1045 enfriado en sustancias
no convencionales.
Autor: Yasdiel Guillén Morales
Tutor: Dr. Iván Negrín Hernández
Dr. Alejandro Duffus Scott
, junio 2018
Este documento es Propiedad Patrimonial de la Universidad Central “Marta Abreu” de
Las Villas, y se encuentra depositado en los fondos de la Biblioteca Universitaria
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Pensamiento:
Los planes son sólo buenas intenciones, a menos
que deriven inmediatamente un trabajo duro.
Peter Drucker
Agradecimiento:
Deseo a través de estas líneas expresar mis más sinceros agradecimientos a todas
las personas que, de forma directa o indirecta hicieron posible la realización de este
trabajo de diploma.
A mis padres, Alberto y María Mercedes, con todo mi amor, admiración y respeto.
Gracias por su apoyo incondicional a lo largo de mi vida y por ensenarme valores que
me han servido de para alcanzar esta gran meta.
A mi esposa, María Elena y su familia por su comprensión y confianza y por brindarme
el apoyo necesario para realizarme profesionalmente.
A mis tutores, Dr. Luis Iván Negrín Hernández y Dr. Alejandro Duffus Scott por
compartir sus conocimientos en favor de mi formación como ingeniero y contribución
a la realización de mi trabajo de diploma.
A mis compañeros de clase, con los que vivido grandes momentos y compartido
conocimientos que durante estos años de estudio han favorecido a nuestra formación.
Muchas Gracias
Dedicado a quien me llena de alegría esperanza e ilusión, con mucho amor y cariño a
mi hijo Jonathan Lázaro.
Resumen
Resumen
En el presente trabajo se realiza el temple a probetas de acero AISI 1045
enfriándolas en sustancias no convencionales. Se realizaron tres grupos de cinco
probetas cada uno, el primer grupo se enfría en aceite vegetal usado, el segundo
en aceite mineral 15W40 después de ser utilizado en el motor de un automóvil y el
tercer grupo se enfría en agua para tomarlo como patrón de comparación.
Primeramente, se realiza el análisis químico de las probetas y se verifica que su
composición se corresponde con el acero 1045. Se mide la dureza a estas
probetas sin tratamiento y también se corresponde con lo estipulado en la
literatura para este tipo de acero laminado en frío. Se realiza el temple tomando un
régimen con una temperatura de 840 ºC y una permanencia de 30 minutos.
Posteriormente cada grupo de probetas se enfría en la sustancia correspondiente.
Después se realiza el análisis estructural de los diferentes grupos de probetas y se
mide la dureza en las mismas. Finalmente se realiza el ensayo de desgaste
abrasivo utilizando el método de arena seca- rueda de caucho establecido por la
norma ASTM G 65.
Abstract
In the present work, tempering of AISI 1045 steel specimens is carried out by
cooling them in unconventional substances. Three groups of five specimens each
were made, the first group was cooled in used vegetable oil, the second in 15W40
mineral oil after being used in the engine of a car and the third group was cooled in
water to take it as a comparison pattern. Firstly, the chemical analysis of the
specimens is carried out and it is verified that their composition corresponds to the
steel 1045. The hardness is measured to these specimens without treatment and
also corresponds to what is stipulated in the literature for this type of cold rolled
steel. The tempering is carried out taking a regime with a temperature of 840 ° C
and a permanence of 30 minutes. Subsequently, each group of test pieces is
cooled in the corresponding substance. Then the structural analysis of the different
groups of test pieces is made and the hardness is measured in them. Finally, the
abrasive wear test is carried out using the dry sand-rubber wheel method
established by the ASTM G 65 standard.
Índice
Introducción .............................................................................................................. 1
Capítulo I. Marco Teórico ......................................................................................... 5
I.1-Acero .................................................................................................................. 5
I.1.1-Clasificación del acero ..................................................................................... 5
I.1.1.1-Aceros aleados ............................................................................................. 5
I.1.1.2-Aceros de baja aleación ultrarresistentes ..................................................... 6
I.1.1.3 -Aceros inoxidables ....................................................................................... 6
I.1.1.4-Aceros de herramientas ................................................................................ 6
I.1.1.5-Aceros al carbono ......................................................................................... 6
I.1.2-Clasificación de los aceros al carbono ............................................................. 7
I.1.2.1-Aceros al bajo carbono (SAE/AISI 1005-1030) ............................................. 7
I.1.2.2-Aceros al medio carbono (SAE/AISI 1035-1055) .......................................... 7
I.1.2.3-Aceros al alto carbono (SAE/AISI 1060-1090) .............................................. 7
I.1.2.4-Acero SAE 1045 ........................................................................................... 8
I.1.3- Diagrama de hierro - carbono ......................................................................... 9
I.1.4-Tratamiento térmico del acero ....................................................................... 13
I.1.5-Temple ........................................................................................................... 16
I.1.5.1-Velocidad del calentamiento ....................................................................... 17
I.1.5.2 Duración del calentamiento y del mantenimiento. ....................................... 18
I.1.5.3-Los factores que influyen sobre la velocidad de enfriamiento son. ............. 18
I.1.5.4. Objetivo del Temple ................................................................................... 22
I.1.6-Templabilidad................................................................................................. 22
Conclusiones parciales .......................................................................................... 25
Capítulo II. Procedimiento experimental ................................................................. 26
II.1.- Introducción ................................................................................................... 26
II.2.- Análisis del acero ........................................................................................... 26
II.2.1.- Preparación de las probetas ....................................................................... 26
II.2.2-Análisis químico ............................................................................................ 27
II.2.3.- Medición de la dureza antes de tratamiento térmico ................................... 28
II.3.- Realización del tratamiento térmico ............................................................... 30
II.3.1-Primera operación y segunda operación del templado: calentamiento y
mantenimiento ....................................................................................................... 31
II.3.2-Secuencia de operaciones del calentamiento y mantenimiento ................... 31
II.3.4-Secuencia de operaciones del enfriamiento del templado ............................ 33
Conclusiones parciales .......................................................................................... 34
Capítulo III. Análisis de los resultados .................................................................... 35
III.1.- Introducción ................................................................................................... 35
III.2. -Análisis estructural ........................................................................................ 35
III.2.1.- Preparación para la toma de la micrografía de las muestras ..................... 35
III.2.2.- Análisis de la estructura de las probetas. .................................................. 37
Muestra enfriada en aceite vegetal. ....................................................................... 37
Muestra enfriada en aceite mineral. ....................................................................... 38
Muestra enfriada en agua. ..................................................................................... 38
Muestra sin tratamiento térmico ............................................................................. 39
III.3.- Ensayo de desgaste ..................................................................................... 39
III.3.1. -Limpieza de las probetas ........................................................................... 41
III.3.2.- Procesamiento de los resultados ............................................................... 42
III.3.2.1.- Análisis estadístico ................................................................................. 43
Resumen estadístico para las probetas 1 .............................................................. 43
Resumen estadístico para las probetas 2 .............................................................. 44
III.3.3.- Determinación del coeficiente de desgaste (K). ......................................... 45
- Determinación de K para las probetas 1. ............................................................. 46
- Determinación de K para las probetas 2. ............................................................. 46
- Determinación de K para la probeta 3. ................................................................ 47
Conclusiones parciales .......................................................................................... 49
Conclusiones generales ......................................................................................... 50
Introducción
Introducción
Los tratamientos térmicos han sido utilizados desde hace varios siglos A. de C., para
obtener las propiedades mecánicas finales de un producto, un ejemplo de ello son las
espadas de hierro forjadas. El temple ha sido conocido rudimentariamente como un
tratamiento que promueve el incremento de dureza y resistencia en el acero mediante
un enfriamiento posterior a un calentamiento [1].
Los tratamientos térmicos consisten en calentar una pieza hasta una determinada
temperatura y luego enfriarla a una velocidad adecuada, con el objeto de modificar sus
características mecánicas, debido a un cambio en su estructura interna. Si se desea
cambiar
las
propiedades
mecánicas
de
un
acero,
debemos
cambiar
su
microestructura. Por medio de los tratamientos térmicos se le puede otorgar al acero
una elevada dureza y resistencia mecánica, por lo que se puede emplear un menor
tamaño de las piezas para una misma carga solicitada. Al aumentar la dureza se
incrementa la resistencia al desgaste por abrasión [2]. En ciertas ocasiones se requiere
de un tratamiento que reduzca la dureza con el fin de conseguir una mayor facilidad
de maquinado, como puede ser un torneado o un frezado.
Para conseguir las características mecánicas deseadas, se debe optar por un
tratamiento determinado, si se requiere ablandar un acero, se debe aplicar un recocido
de regeneración, si se requiere elevar la resistencia mecánica y la dureza, se debe
aplicar un templado y un posterior revenido para que la pieza templada adquiera
tenacidad. Para que cada uno de los tratamientos térmicos al acero al carbono sean
lo más eficaz y eficiente posible, se deben respetar los factores involucrados en cada
uno de los tratamientos térmicos [3].
En la actualidad, es frecuente encontrar el uso constante de las distintas variedades
de acero que se utilizan a nivel industrial, además, se ha trabajado en dar mayor
capacidad de respuesta ante situaciones críticas de operación y funcionamiento que
se presente a diario en las plantas de fabricación de los distintos productos que se
comercializan en el mercado, los desarrollos de mejores condiciones de trabajo
reducen el costo operativo y aumentan la capacidad de producción [4, 5].
1
Introducción
Los factores que intervienen en el proceso de temple son: el tipo de temple, el
calentamiento, la temperatura de austenización, la velocidad de enfriamiento y el
tiempo de sostenimiento [6]. La velocidad de enfriamiento real, se ve afectada por el
tamaño de la pieza, por el medio utilizado en el enfriamiento y por la misma velocidad
crítica.
Aceite Lubricante Para Temple
Los aceites Lubricante de temple son una serie de aceites desarrollados para el
tratamiento térmico de metales ferrosos. Estos aceites están formulados a partir de
bases parafínicas altamente refinadas y aditivos especialmente desarrollados, que
proveen una estabilidad superior al envejecimiento, estos poseen buena estabilidad
térmica y una resistencia a la oxidación óptima para el desempeño en los procesos de
tratamientos térmicos.
Dentro de las características y beneficios que estos poseen se encuentran:
1. Baja volatilidad, reduciendo las perdidas por evaporación del aceite
2. Buena estabilidad a la degradación térmica que se presenta en altas
temperaturas de operación, reduciendo la formación de depósitos y el aumento
de la viscosidad.
3. La propiedad de disipar el calor de manera uniforme permite tener una pieza
homogénea.
4. Menores pérdidas por arrastre y reducción en los costos de limpieza,
minimizando los costos operativos.
5. Imparte un buen acabado en la superficie del material.
Aplicaciones.

Se recomienda para los procesos de temple de metales ferrosos como el acero
al carbono, hierro gris y aleaciones de acero. [7]
Los aceites usados son considerados desechos peligrosos, representando una
amenaza para el medio ambiente y la salud humana, por lo que prestar atención al
manejo y control de los mismos es de seria importancia. Para ello nuestro país
2
Introducción
implementa la Resolución No.136/2009.CITMA. Reglamento para el manejo integral
de desechos peligrosos. Donde establece las disposiciones que contribuyen a
asegurar el manejo integral de los desechos peligrosos en el país, mediante la
prevención de su generación en las fuentes de origen y el manejo seguro de los
mismos a lo largo de su ciclo de vida, con el fin de minimizar los riesgos a la salud
humana y al medio ambiente. También se establecen las normas relativas a los
movimientos transfronterizos de estos desechos. [8]
Además, existen los aceites vegetales utilizados en la fritura de los alimentos en el
ámbito: domestico, centros e instituciones, hotelería, etc. durante su utilización sufren
cambios o alteraciones, por lo que deben ser desechados. Si de forma inadecuada, el
aceite se vierte por el fregadero, inodoro, u otro elemento de la red de saneamiento,
son una fuente de contaminación de las aguas de ríos, lagos etc. [9] A pesar de que la
Agencia de Protección Ambiental (EPA) de los Estados Unidos no considera los
aceites vegetales como aceites usados, estos son una fuente de contaminación
teniendo en cuenta que un litro de aceite contamina 40.000 litros de agua. [10]
Fig.1.1: Izquierda bolas de grasas; Derecha, obstrucción de un colector con grasas
En el presente trabajo se describen algunos aspectos generales del temple, además,
se muestra la influencia de dos medios diferentes de enfriamiento en aceites (aceite
de motor y aceite vegetal, ambos de uso) durante un temple directo y se evalúa el
cambio en la microestructura y dureza, así como la resistencia al desgaste de probetas
de acero AISI/SAE 1045.
3
Introducción
Objetivo general
 Determinar la factibilidad de utilizar los aceites de motor 15w40 y vegetal,
ambos de uso, como medio de enfriamiento en el temple del acero 1045.
Objetivos específicos.
 Realizar una revisión bibliográfica sobre los principales tratamientos térmicos
realizados a los aceros y los medios de enfriamiento utilizados, particularizando
en el temple del acero AISI/SAE 1045.
 Ejecutar el temple de varias probetas de acero AISI/SAE 1045 enfriando en
aceite 15w40 y vegetal de uso.
 Hacer un estudio metalográfico de las probetas templadas y enfriadas en aceite
15w40 y vegetal de uso.
 Determinar las propiedades mecánicas del acero estudiado.
 Comparar los resultados obtenidos con los reportados en la literatura para el
temple del acero AISI/SAE 1045 enfriado en medios convencionales.
4
Capítulo I. Marco Teórico
Capítulo I. Marco Teórico
I.1-Acero
El acero es una aleación compleja, ampliamente utilizada en la Ingeniería en general.
Químicamente el acero está compuesto por hierro y carbono, más otros metales y
metaloides, todos los cuales coexisten en forma de solución sólida, combinaciones
simples de compuestos intermetálicos o fases y mezclas. El hierro es el componente
que entra en mayor proporción en todos los tipos de aceros (solvente) y sus
propiedades varían de acuerdo a la presencia de otros metales como, por ejemplo., el
manganeso, níquel, cromo, molibdeno y vanadio, y metaloides como boro, fósforo,
azufre y silicio, siendo el carbono uno de los más influyentes, el carbono contenido en
el
acero
puede
variar
desde
unas
pocas
centésimas
hasta
un
2.14%
aproximadamente. La composición química influye mucho en la estructura y
propiedades del acero. Físicamente, el acero está formado por granos poliédricos o
cristales, que pueden variar mucho en cuanto a forma o tamaño. Además de los
elementos mencionados anteriormente, a pesar del esmero aplicado en la fabricación
del acero, se encuentran productos de reacción no metálicos como óxidos, sulfuros y
silicatos. Estos elementos son generalmente perjudiciales, por lo que se deben evitar
al máximo. Sin embargo, para ciertos empleos determinados, se le agrega
intencionalmente al acero, algunos elementos como el fósforo, azufre y selenio con el
objeto de producir una cantidad regulada de inclusiones no metálicas, que comuniquen
al acero algunas propiedades deseadas [11].
I.1.1-Clasificación del acero
Los aceros se clasifican en cinco grupos principales: aceros al carbono, aceros
aleados, aceros de baja aleación ultrarresistentes, aceros inoxidables y aceros de
herramientas [12].
I.1.1.1-Aceros aleados
Estos aceros están compuestos por una proporción determinada de vanadio,
molibdeno y otros elementos; además de cantidades mayores de manganeso, silicio y
5
Capítulo I. Marco Teórico
cobre que los aceros al carbono. Estos aceros se emplean para fabricar engranajes,
ejes, cuchillos, etc.
I.1.1.2-Aceros de baja aleación ultrarresistentes
Es la familia de aceros más reciente de las cinco. Estos aceros son más baratos que
los aceros convencionales debido a que contienen menor cantidad de materiales
costosos de aleación. Sin embargo, se les da un tratamiento especial que hace que su
resistencia sea mucho mayor que la del acero al carbono. Este material se emplea
para la fabricación de vagones porque al ser más resistente, sus paredes son más
delgadas, con lo que la capacidad de carga es mayor.
Además, al pesar menos, también se pueden cargar con un mayor peso. También se
emplea para la fabricación de estructuras de edificios.
I.1.1.3 -Aceros inoxidables
Estos aceros contienen cromo, níquel, y otros elementos de aleación que los mantiene
brillantes y resistentes a la oxidación. Algunos aceros inoxidables son muy duros y
otros muy resistentes, manteniendo esa resistencia durante mucho tiempo a
temperaturas extremas. Debido a su brillo, los arquitectos lo emplean mucho con fines
decorativos. También se emplean mucho para tuberías, depósitos de petróleo y
productos químicos por su resistencia a la oxidación y para la fabricación de
instrumentos quirúrgicos o sustitución de huesos porque resiste a la acción de los
fluidos corporales. Además, se usa para la fabricación de útiles de cocina, como
pucheros, gracias a que no oscurece alimentos y es fácil de limpiar.
I.1.1.4-Aceros de herramientas
Estos aceros se emplean para fabricar herramientas y cabezales de corte y modelado
de máquinas. Contiene wolframio, molibdeno y otros elementos de aleación que le
proporcionan una alta resistencia, dureza y durabilidad.
I.1.1.5-Aceros al carbono
El 90% de los aceros son aceros al carbono. Estos aceros contienen una cantidad
diversa de carbono, menos de un 1,65% de manganeso, un 0,6% de silicio y un 0,6%
de cobre.
6
Capítulo I. Marco Teórico
I.1.2-Clasificación de los aceros al carbono
Los aceros al carbono se pueden clasificar de acuerdo a un sistema de numeración,
desarrollado por la American Iron and Steel Institute (AISI) y la Society of Automovite
Engineers (SAE), en el cual a los aceros se les designan un código de 4 dígitos. Al
acero al carbono le corresponde el código 10XX, donde 10 indica que es un acero al
carbono y XX indica la cantidad de carbono presente, expresada en centésimas de
porcentaje Por ejemplo un SAE/AISI 1045, es un acero al carbono con un 0.45% de
carbono. Las designaciones SAE/AISI también especifican los límites máximos
aceptables de los elementos acompañantes del acero al carbono. De acuerdo al
contenido de carbono los aceros al carbono se clasifican en: aceros al bajo carbono,
aceros al medio carbono, aceros al alto carbono.
I.1.2.1-Aceros al bajo carbono (SAE/AISI 1005-1030)
Contienen menos de un 0.35% de carbono, estos aceros son ampliamente utilizados.
Sus aplicaciones comunes son partes de láminas metálicas para automóviles, plancha
de aceros para fabricación y rieles del tren. Estos aceros son muy dúctiles, fácil de
conformar, y son de baja resistencia mecánica.
I.1.2.2-Aceros al medio carbono (SAE/AISI 1035-1055)
El contenido de carbono fluctúa entre un 0.35 a un 0.55% y se especifican para
aplicaciones que requieran mayores resistencias que a las del acero al bajo carbono
las aplicaciones para estos aceros son: construcción de piezas de máquinas como
ejes, pasadores, pernos, cremalleras, chavetas, engranajes de baja velocidad,
cigüeñales, acoplamientos, etc.
I.1.2.3-Aceros al alto carbono (SAE/AISI 1060-1090)
El contenido de carbono es superior a 0.55% de carbono. Se especifica en
aplicaciones de alta resistencia y donde se solicita alta rigidez y dureza a la vez. Por
ejemplo, podemos mencionar a. resortes, herramientas de corte y las cuchillas, así
como las piezas resistentes al desgaste. [13]
7
Capítulo I. Marco Teórico
I.1.2.4-Acero SAE 1045
SAE 1045 es un acero grado ingeniería de aplicación universal que proporciona un
nivel medio de resistencia mecánica y tenacidad a bajo costo con respecto a los aceros
de baja aleación. Frecuentemente se utiliza para elementos endurecidos a la llama o
por inducción. Este acero puede ser usado en condiciones de suministro: laminado en
caliente o con tratamiento térmico (templado en aceite y revenido; o
templado en agua y revenido).
Se caracteriza por ser un acero de baja templabilidad que puede ser endurecido
totalmente en espesores delgados por temple en agua. En secciones más gruesas se
pueden obtener un endurecimiento parcial de la sección de la pieza y el incremento de
la resistencia será proporcional a la capa o espesor endurecido, al ser deformado en
frio se presenta un incremento en la dureza y la resistencia mecánica.
Este acero de medio carbono se usa cuando la resistencia y dureza obtenidas por el
tratamiento térmico o por deformación en frio, son suficientes para satisfacer las
condiciones de servicio requeridas.
Es ampliamente utilizado en la industria automotriz (productos forjados y estampados).
Se usa en partes de máquinas que requieran dureza y tenacidad como: manivelas,
chavetas, pernos, bulones, engranajes de baja velocidad, acoplamientos, árboles,
bielas, cigüeñales, ejes de maquinaria de resistencia media, piezas de armas, cañones
de fusiles, espárragos, barras de conexión, tornillería grado 5, pernos de anclaje,
fabricación de herramientas agrícolas, mecánicas y de mano forjadas de todo tipo
como: hachas, azadones, rastrillos, picas, martillos, palas, barretones, llaves, etc.[14]
Los aceros pueden tratarse térmicamente para producir una gran variedad de
microestructuras y propiedades. Los resultados deseados se obtienen a través del
calentamiento del acero en el rango de temperaturas donde una fase o una
combinación de fases es estable (así se producen cambios en la microestructura o en
la distribución de fases), y/o mediante el calentamiento o el enfriamiento en un rango
de temperaturas en el cual distintas fases son estables (produciendo así una
beneficiosa transformación de fases). El diagrama de equilibrio hierro-carbono (Fe-C)
es sobre el cual se basan todos los tratamientos térmicos de los aceros.
8
Capítulo I. Marco Teórico
Este diagrama de equilibrio define las regiones de composición temperatura donde
varias fases de los aceros son estables, como así también, los límites de equilibrio
entre campos de fases. Aquí se describirán el diagrama Fe-C y las fases presentes en
aceros y aleaciones Fe-C.
I.1.3- Diagrama de hierro - carbono
Es de gran importancia conocer el diagrama hierro-carbono de la Fig.1.2. debido a que
este diagrama no solo muestra las aleaciones formadas, sino que también indica las
temperaturas apropiadas para los tratamientos térmicos y contribuye a explicar por qué
las propiedades de los aceros pueden variar enormemente al aplicarles un tratamiento
térmico.
En el diagrama de equilibrio o de fases hierro-carbono (Fe-C) se representan las
transformaciones que sufren los aceros al carbono con la temperatura, admitiendo que
el calentamiento (o enfriamiento) de la mezcla se realiza muy lentamente de modo que
los procesos de difusión (homogeneización) tengan tiempo para completarse. Dicho
diagrama se obtiene experimentalmente identificando los puntos críticos, temperaturas
a las que se producen las sucesivas transformaciones por diversos métodos.
Formas alotrópicas son las diversas formas en que un metal alotrópico puede
presentarse, según su estructura cristalográfica. Cuando un metal monocomponente
o monofásico, sin haber variado su composición química, sufre un cambio reversible
de estructura cristalina, se dice que es alotrópico.
Se llama fase a un componente que constituye una entidad diferenciada de las otras
fases, en base a su composición química, a su naturaleza física, a su estructura
cristalográfica, a sus propiedades fisicoquímicas, etc.[15]
9
Capítulo I. Marco Teórico
Fig.1.2: Diagrama Fe-C
 Hasta los 911 °C (temperatura crítica AC3), el hierro ordinario cristaliza en el
sistema cúbico de cuerpo centrado y recibe la denominación de hierro α
(alfa) o ferrita. Es un material dúctil y maleable, responsable de la buena
forjabilidad de las aleaciones con bajo contenido en carbono y es
ferromagnético hasta los 770 °C (temperatura de Curie a la que pierde dicha
cualidad; se suele llamar también AC2). La ferrita puede disolver pequeñas
cantidades de carbono.
 Entre 911 y 1400 °C cristaliza en el «sistema cúbico de caras centradas» y
recibe la denominación de hierro γ (gamma) o austenita. Dada su mayor
compacidad la austenita se deforma con mayor facilidad y es
paramagnética.
 Entre 1400 y 1538 °C cristaliza de nuevo en el «sistema cúbico de cuerpo
centrado» y recibe la denominación de hierro δ (delta), que es en esencia el
mismo hierro alfa, pero con «parámetro de red» mayor por efecto de la
temperatura.
 A mayor temperatura el hierro se encuentra en estado líquido.
10
Capítulo I. Marco Teórico
Como que el contenido de carbono y de otros elementos influye sobre las propiedades
del acero, esto quiere decir que estos elementos se meterán dentro de estas fases
cambiando a su vez sus propiedades. La forma más simple de visualizar este hecho
es a través de un diagrama de fases en equilibrio hierro-carbono.
El diagrama hierro-carbono solo tiene una zona de interés tecnológico que lo
constituye la porción hierro-carburo de hierro. El carburo de hierro conocido como
cementita es un compuesto Fe 3 C con 6,67 % de carbono.
Considerando el contenido de carbono, es práctica común dividir este diagrama en dos
partes: la de las fundiciones (entre aproximadamente 2 y 6,67 % de carbono) y la de
los aceros (entre 0 y 2 % de carbono). Vemos, además varias zonas definidas dentro
del diagrama. Tenemos varias soluciones sólidas. La solución sólida gamma (derivada
de la fase gamma del hierro) se llama austenita y posee una estructura f.c.c. A alta
temperatura se tiene la región de la solución sólida delta (derivada de la fase delta del
hierro) con estructura f.c.c. Mientras que a menor temperatura se tiene la región de la
ferrita (derivada de la fase alfa del hierro) también con estructura f.c.c.[16]
Fig.1.3: Zona de los aceros (hasta 2% de carbono) del diagrama.
La transformación más importante en este diagrama, desde el punto de vista de su
utilización técnica, lo constituye la transformación austenítica:
11
Capítulo I. Marco Teórico
Austenita: Ferrita + Cementita
Esta transformación se verifica a 723ºC, que es conocida como la temperatura
eutectoide, y su control constituye un poderoso medio de determinar las propiedades
mecánicas del acero adecuándolas a nuestro uso. El control y aprovechamiento de
esta transformación constituye una buena parte del campo de aplicación de los
tratamientos térmicos.
La velocidad de enfriamiento determinará la microestructura final presente en el acero,
decidirá si la fase presente es de naturaleza metaestable o estable o si es una fase
fuera del equilibrio; y por tanto determinará las propiedades mecánicas, físicas,
químicas, etc. asociadas a las fases presentes.
Si esta transformación se realiza enfriando lentamente se producirá la mezcla
eutectoide conocida como perlita, formada por finas capas alternadas de cementita y
ferrita. Cuanto más lentamente se realice esta transformación más gruesa serán estas
capas y mayor será el tamaño de grano del acero (esto sucede en el tratamiento
térmico conocido como recocido). Si el enfriamiento es menos lento se tendrá una
perlita con capas o lamelas más finas, como sucede en el normalizado. El acero
recocido es más blando que el acero normalizado.
Si mediante un enfriamiento acelerado, desde la zona austenítica, logramos evitar la
transformación eutectoide tendremos una fase fuera del equilibrio llamado martensita.
Este nuevo componente microestructural posee alta dureza, aunque con una cierta
fragilidad. La martensita es una solución sólida sobresaturada de carbono atrapado en
hierro alfa lo que lleva a una estructura tetragonal de cuerpo centrado derivada de la
estructura b.c.c. El eje z de la celda cúbica es mayor debido a la inclusión de átomos
de carbono. Esta fuerte alteración de la red es la responsable de la alta dureza de la
martensita y también de su aspecto microestructural acicular. [16]
12
Capítulo I. Marco Teórico
I.1.4-Tratamiento térmico del acero
La mayoría de las partes fabricadas con acero deben ser tratadas térmicamente
después de la manufactura, para controlar y obtener las propiedades mecánicas
deseadas para la pieza. El tratamiento térmico en conjunto con la composición
química, definen la microestructura final que influye directamente y determina las
propiedades mecánicas.
Los tratamientos térmicos consisten en calentar y mantener a temperaturas
determinadas, por un cierto periodo de tiempo las piezas del metal a tratar, y luego se
deben enfriar de acuerdo al propósito que se requiera conseguir. El objeto de los
tratamientos térmicos es el alterar parcialmente o totalmente las propiedades y
características de la pieza o herramienta de acero, para lograr hacerlas más
adecuadas para ciertas aplicaciones. [16]
Las propiedades de todos los aceros al carbono se pueden modificar por medio de un
tratamiento térmico. Para lograr modificar o mejorar las propiedades, debemos
modificar la estructura interna (microestructura), que se logra por medio de los
tratamientos térmicos. Las propiedades modificadas son: mecánicas, físicas, químicas
y estructurales.
El proceso de los tratamientos térmicos se puede dividir en tres periodos o etapas,
primero el calentamiento; segundo, la permanencia o mantenimiento; y tercero el
enfriamiento y se describe por los siguientes parámetros:
Fig.1.4: Diagrama del Tratamiento Térmico
13
Capítulo I. Marco Teórico
El calentamiento consiste en llevar la pieza a tratar desde la temperatura ambiente a
la temperatura del tratamiento o calentamiento, lo que se logra en cierto tiempo (tiempo
de calentamiento). Una vez alcanza la temperatura de calentamiento es necesario la
permanencia o mantenimiento para asegurar que la pieza se caliente totalmente a la
temperatura del tratamiento. Posteriormente corresponde el enfriamiento, que es el
inverso al calentamiento, el cual consiste en reducir la temperatura de la pieza, a una
velocidad (temperatura/tiempo) de acuerdo al tipo de tratamiento.[16] Los procesos o
periodos de los tratamientos térmicos comunes gráficamente se representan en la
Fig.1.5.
Fig.1.5: Representación esquemática del recocido de regeneración, normalizado y
temple de un acero.
Los tratamientos térmicos, según el medio donde se realicen clasifican en:
a- Tratamientos térmicos.
b- Tratamientos termo-químicos.
Como tratamiento termo-químico se definen a las operaciones que además de una
acción térmica se produce una alteración química, por la incorporación de uno o más
elementos al material que se trabaja. Tenemos como los principales tratamientos
químicos a:
14
Capítulo I. Marco Teórico

-Cementación.

-Nitruración.

-Sherardización.

-Calorización.
Mientras que los tratamientos térmicos tienen el objetivo de modificar las
propiedades físicas y mecánicas sin alterar la composición química del acero
tratado.
Hay diversos tratamientos térmicos, los más destacados son:
Temple: Su finalidad es aumentar la dureza y la resistencia del acero. Para ello, se
calienta el acero a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior
Ac (entre 900-950 °C) y se enfría luego más o menos rápidamente (según
características de la pieza) en un medio como agua, aceite, etcétera.
Revenido: Sólo se aplica a aceros previamente templados, para disminuir
ligeramente los efectos del temple, conservando parte de la dureza y aumentar la
tenacidad. El revenido consigue disminuir la dureza y resistencia de los aceros
templados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora la tenacidad,
dejando al acero con la dureza o resistencia deseada. Se distingue básicamente
del temple en cuanto a temperatura máxima y velocidad de enfriamiento.
Recocido: Consiste básicamente en un calentamiento hasta la temperatura de
austenización (800-925 °C) seguido de un enfriamiento lento. Con este tratamiento
se logra aumentar la elasticidad, mientras que disminuye la dureza. También facilita
el mecanizado de las piezas al homogeneizar la estructura, afinar el grano y
ablandar el material, eliminando la acritud que produce el trabajo en frío y las
tensiones internas.
Normalizado: Tiene por objetivo dejar un material en estado normal, es decir,
ausencia de tensiones internas y con una distribución uniforme del carbono. Se
suele emplear como tratamiento previo al temple y al revenido.[17]
15
Capítulo I. Marco Teórico
En este trabajo se estudiarán los principios y técnicas para la aplicación del temple.
I.1.5-Temple
El temple es un proceso térmico por el cual las aleaciones de acero y el hierro fundido
se fortalecen y endurecen. Estos metales constan de metales ferrosos y aleaciones.
Esto se realiza calentando el material a una cierta temperatura, dependiendo del
material, y luego enfriándolo rápidamente. Esto produce un material más duro por
cualquiera de endurecimiento superficial o a través de endurecimiento que varía en la
velocidad a la que se enfría el material. La Fig.6 muestra la franja de temperatura
utilizada para la austenización en el diagrama Fe-C.[18]
Fig.1.6: Temperaturas de calentamiento durante los tratamientos de temple.
La Fig.1.6: indica el curso de la temperatura en el temple ordinario. Después del
calentamiento se austeniza la estructura del acero a una temperatura superior a Ac3.
En el enfriamiento rápido posterior se transforma la austenita en martensita. La
formación de martensita está influida, además por la temperatura de temple, el tiempo
de mantenimiento a ella y la forma de enfriamiento. Si la temperatura de temple es
demasiado alta, se forma una martensita de agujas gruesas como consecuencia de la
falta de gérmenes y lo mismo ocurre si el tiempo de mantenimiento es demasiado
largo.
Con este enfriamiento rápido se consigue un aumento de dureza, ya que el resultado
microscópico final es una mezcla martensítica. La temperatura de temple para los
16
Capítulo I. Marco Teórico
aceros hipoeutectoides son de 30-50 grados, por encima de esta temperatura, el grano
de austenita crece mucho, obteniéndose austenita basta de baja tenacidad. El tiempo
de enfriamiento debe de ser rápido pero solo en el intervalo de temperatura de 650400 grados, que es donde la austenita es menos estable , y es donde se forma la
mezcla de ferrita y cementita , por encima de 650 grados la velocidad puede ser más
lenta , pero no tanto que permita la precipitación de ferrita o la transformación de
austenita en perlita , por debajo de los 400 grados comienza la zona de estabilidad de
la austenita , y el enfriamiento puede volver a ser lento, y en el intervalo de 200-300
grados, el enfriamiento debe de ser lento para evitar tensiones térmicas resultantes de
un enfriamiento rápido.
En los aceros hipereutectoides el temple se suele realizar con calentamiento de
austenización incompleta, en la masa original caliente hay austenita y una cantidad de
cementita y carburos aleados, después del enfriamiento se obtiene martensita y
carburos, este proceso produce mejores resultados en la práctica industrial.[19]
I.1.5.1-Velocidad del calentamiento
La velocidad óptima de calentamiento será aquella a la cual no aparezcan tensiones
internas como consecuencia de un calentamiento no uniforme de las piezas que pueda
conllevar a que surjan deformaciones y grietas en el material. La velocidad de
calentamiento se determina en función de la composición química del acero, de su
estructura, de la configuración, de la complejidad de las piezas tratadas y del intervalo
de calentamiento.
Cuando el material original ha sido previamente deformado plásticamente o ha sido
sometido a otro proceso que le haya producido tensiones internas, las mismas se
sumarán a las surgidas por variación de temperatura y por transformaciones de fase.
Esto ocasiona agrietamiento o deformación de las piezas.
17
Capítulo I. Marco Teórico
I.1.5.2 Duración del calentamiento y del mantenimiento.
El tiempo de calentamiento y el tiempo de mantenimiento estarán en dependencia del
espesor de las piezas, del medio de calentamiento empleado y de la velocidad de
calentamiento.
I.1.5.3-Los factores que influyen sobre la velocidad de enfriamiento son.
1.-Medio enfriador.
2.-Porcentaje de carbono.
3.-Tamaño del grano.
4.- Tamaño de la pieza.
5.-La temperatura del Temple.
-Medio Enfriador: Hemos visto que para endurecer al acero completamente, esto con
el objeto de formar martensita, se requiere un enfriamiento rápido desde las
temperaturas austeniticas, por lo que se requiere de un medio de enfriamiento que
sobrenfrie la austenita a las proximidades de la temperatura ambiente con
independencia de que sea elevada o reducida. Los medios enfriadores empleados en
los aceros son el agua, aceite y aire, se aplican de acuerdo a cada tipo de acero. El
acero al carbono necesita o requiere de una velocidad de enfriamiento elevada, como
la que se obtiene enfriando en agua bruscamente y desde este punto de vista se
clasifica como aceros templados en agua. Afortunadamente el agua es un medio de
temple muy bueno y naturalmente barato, pero presenta defectos debido a que se
evaporiza fácilmente y es proclive a formar burbujas de aire, y requiere ciertas técnicas
para lograr un templado adecuado. La acción para el agua y para cualquier medio
enfriador tiene 3 etapas:
18
Capítulo I. Marco Teórico
Fig.1.7: Etapas de enfriamiento
Fase de recubrimiento de vapor: es la primera parte; la pieza queda rodeada por
líquido vaporizado. El enfriamiento se produce por conducción o radiación a través de
esta capa y resulta relativamente lento ya que los vapores conducen mal el calor, con
el
riesgo
de
que
queden
puntos
blandos
al
templar
las
piezas.
Cuanto mayor es la temperatura del líquido de temple, mayor es la duración de esta
de esta fase vapor. En agua pura es más larga que en las soluciones de sales debido
a que en éstas hay menos gases disueltos, y la vaporización local produce cristales de
la sal que ejercen efectos mecánicos sobre la adherencia del vapor y la hacen más
breve.
Fase de ebullición: cuando la temperatura de la pieza desciende lo suficiente, el
líquido entra en viva ebullición alcanzando la superficie de la pieza. Las burbujas son
arrastradas por la convección hasta ser re-absorbidas por el líquido circundante. Esta
fase extrae el calor con elevada velocidad; es la de máxima importancia en el temple
y debe ser lo suficiente para producir el endurecimiento. Durante ella no hay peligro de
agrietamientos porque se mantiene la estructura austenítica, al menos parcialmente,
hasta la temperatura más baja. La pendiente es mayor en el temple en agua que en
aceite y, por lo tanto, menor el tiempo de enfriamiento.
Fase de convección y conducción: cuando la pieza se enfría, aproximadamente a
la temperatura de ebullición del líquido, empieza la fase de convección y conducción,
que continúa el enfriamiento, pero mucho más lentamente que en la fase de ebullición.
19
Capítulo I. Marco Teórico
El agua enfría más rápidamente que el aceite, pero aquí es una desventaja, pues el
enfriamiento demasiado rápido puede provocar fisuras y distorsión. [19]
El agua pura como medio enfriador es muy usada en el templado del acero al carbono
corriente. Con el fin de mejorar la velocidad de enfriamiento para templar el acero al
carbono en forma positiva, el agua se mantiene a una temperatura bajo los 27º C (80º
F), siendo entre 15 a 20º una temperatura adecuada, además se debe agitar y circular
continuamente durante el templado, para mejorar las propiedades refrigerantes. Por
medio de una agitación se consigue un enfriamiento más uniforme y rápido.
El agregarle al agua un 10% de cloruro sódico y con esto formar una solución al agua
(salmuera), origina un medio más enérgico que el agua pura. La salmuera produce un
enfriamiento rápido, uniforme y esta menos afectado por el aumento de la temperatura,
pero acentúa la oxidación en las piezas de acero. La soda cáustica en una solución de
3 a un 30%, da buenos resultados en aceros al carbono.
Aceites: se emplean casi exclusivamente los aceites minerales; el calor específico,
punto de ebullición, calor de evaporación, conductividad térmica y viscosidad, juegan
un papel importante. Un aumento en la viscosidad suele ir acompañado de una
elevación del punto de ebullición y disminuye el tiempo de la fase vapor, pero suaviza
las condiciones de la fase de convección. Si la viscosidad es excesiva, disminuirá la
turbulencia que contribuye a la extracción de calor en la fase de ebullición y
empeorarán las condiciones de temple.
Aire: Para emplear al aire como medio de temple, se somete la herramienta o pieza
que ha de templarse a una corriente de aire, teniendo cuidado que el enfriamiento se
haga con uniformidad y en caso de herramientas, por la parte del filo. Este medio se
emplea en los aceros rápidos.
20
Capítulo I. Marco Teórico
-Porcentaje de Carbono:
Al ir aumentando el contenido de carbono hasta un 0.90% la velocidad de enfriamiento
disminuye, posteriormente sobre 0.9% comienza a aumentar la velocidad de
enfriamiento.
Este aspecto de la curva se conservará si la temperatura del temple para los aceros
hipereutectoides superior a Ac1, pero inferior a Acm. Si la temperatura del temple para
los aceros hipereutectoides es superior a Acm, entonces con el contenido de carbono
disminuirá.
-Tamaño del grano:
El tamaño del grano influye notoriamente en la velocidad crítica de temple. Esto se
explica porque los centros de cristalización surgen solo en los límites del grano de
austenita, por eso con el aumento del tamaño de grano la extensión de los límites
disminuye, es decir disminuye la cantidad de centros de cristalización y disminuye la
velocidad crítica de temple
A veces intencionalmente se calientan las piezas de acero, para hacer crecer los
granos, y así poder lograr una velocidad critica de temple menor, por lo tanto, se
emplea un medio de enfriamiento menos enérgico, para evitar la formación de grietas
y simultáneamente se obtienen durezas aceptables.
El tamaño de grano modifica la situación y forma de la curva “S”, en aceros de la misma
composición, las velocidades del temple de grano grueso son menores que las
velocidades de grano fino. El tamaño, volumen, y espesor de las piezas tiene gran
importancia, ya que si enfriamos una pieza grande primero se enfría la superficie
exterior rápidamente, pero las capas interiores tardan más, ya que el calor debe de
atravesar las capas exteriores y estas capas tienen una conductividad limitada, con lo
cual perfiles delgados enfrían antes que gruesos.[20]
21
Capítulo I. Marco Teórico
I.1.5.4. Objetivo del Temple
El objetivo principal del temple en los aceros al carbono, es mejorar ciertas
propiedades mecánicas, como el aumento de la resistencia a la tracción, dureza y la
resistencia al desgaste, para así poder dar una mayor gama de aplicaciones al acero
al carbono [20]. Se puede detallar los cambios producidos según las diferentes
propiedades:
1.-Propiedades Mecánicas:
a) Aumenta la carga de rotura, el límite elástico (Sy), la dureza y resistencia al
desgaste.
b) Disminuye el alargamiento, la restricción y la resistencia al impacto (pierde
tenacidad).
2.-Propiedades Físicas: las propiedades físicas se modifican o alteran de la siguiente
forma:
a) Densidad: en los aceros aumenta de volumen, por lo que la densidad disminuye.
b) Resistividad: la resistencia eléctrica del acero aumenta.
c) Magnetismo: la intensidad magnética del acero disminuye.
d) Sonoridad: la sonoridad del acero disminuye luego del temple.
3.-Propiedades Químicas: los aceros templados tienen mayor resistencia al ataque de
los ácidos. [20]
I.1.6-Templabilidad
La templabilidad de un acero es una propiedad que determina la profundidad y
distribución de la dureza alcanzada al producirse un enfriamiento desde la zona
austentínica. La templabilidad del hierro aumenta si se añaden aleantes, con lo que a
más carbono más templabilidad , sin embargo también aumenta el volumen , con lo
que el enfriamiento de la pieza no es homogéneo , y enfría antes en el exterior que en
el núcleo , el cual no se podrá dilatar al enfriarse por la compresión ejercida por la
pieza ya enfriada , creándose unas tensiones de compresión en el interior y de tracción
22
Capítulo I. Marco Teórico
en la superficie que pueden llegar a romperla, con lo que hay que bajar el contenido
en carbono , pero a su vez la templabilidad baja , con lo que se crea una contradicción.
Se considera que el temple de un acero es aceptable cuando la microestructura está
formada por lo menos con un 50% de martensita, pero para conseguir las mejores
características mecánicas en el producto final el porcentaje de martensita debe de
estar entre el 50 y el 90 %.
Existen muchos ensayos para determinar la templabilidad, pero el más utilizado es el
ensayo Jominy, cuyos resultados se expresan como una curva de dureza frente a la
distancia desde el extremo templado. Del estudio de estas curvas se puede observar
que la máxima dureza que se consigue en el temple del acero es función del contenido
en carbono, que la presencia de elementos
De aleación en los aceros permite obtener durezas elevadas aun a bajas velocidades
de enfriamiento, que pequeñas cantidades de elementos aleados convenientemente
seleccionados, ejercen más influencia en la templabilidad que un gran porcentaje de
un solo elemento.
Si se realiza un temple mal, nos podemos encontrar con defectos en la pieza como
una dureza insuficiente para nuestros propósitos, que se hayan formados puntos
blandos, piezas con mucha fragilidad, descarburación, grietas etc.
La dureza escasa y la formación de puntos blandos se explican por la falta de
calentamiento , por no haber alcanzado la temperatura necesaria, o por no haber
permanecido el suficiente tiempo en ella , la fragilidad excesiva es por un temple a
temperaturas altas, etc. por lo cual hay que extremar los cuidados a la hora de iniciar
un proceso de temple , y realizarlo correctamente, ya que son muchos los factores que
pueden echar a perder las piezas , y que no sean válidas para nuestros propósitos.
Existe un proceso llamado temple superficial que se usa para endurecer
superficialmente ciertas piezas de acero conservando la tenacidad de su núcleo, el
23
Capítulo I. Marco Teórico
proceso consiste en calentar las capas superficiales a una temperatura superior a los
puntos críticos y enfriar rápidamente siguiendo la sección de la pieza , como las
diferentes capas interiores de la pieza se han calentado a diferentes temperaturas , se
ha producido en la pieza diferentes temples, en la superficie el temple será completo ,
en el interior , incompleto , y en el centro inexistente.[13]
24
Capítulo I. Marco Teórico
Conclusiones parciales

Existe una amplia variedad de aceros al carbono templables de acuerdo a la
AISI/SAE, no obstante, dentro de los más utilizados se encuentra el acero
AISI/SAE 1045, el cual combina muy bien la dureza y tenacidad, propiedades
mecánicas muy necesarias para las piezas mecánicas.

En la bibliografía consultada se recomienda una temperatura para el temple del
acero 1045 de 840 ±10°C, que está en un rango de 30-60°C por encima de la
curva Ac3 del diagrama hierro-carbono. El tiempo de mantenimiento a
temperatura de austenización recomendado es de 30±2 minutos.

En la actualidad no se define una sustancia ideal para ser utilizada como medio
de enfriamiento en el tratamiento térmico de temple de aceros al carbono. Por
esa razón se reportan estudios de sustancias como aceites naturales y
minerales utilizados como alternativas al agua y a la mezcla de agua y sales
inorgánicas.
25
Capítulo II. Procedimiento experimental
Capítulo II. Procedimiento experimental
II.1.- Introducción
En este capítulo se realiza el procedimiento experimental para la realización del temple
del acero AISI/SAE 1045 utilizando los medios de enfriamiento empleados. Para esto
se caracteriza el acero mediante el análisis químico.
II.2.- Análisis del acero
II.2.1.- Preparación de las probetas
Para la obtención de las probetas se utilizó una barra de diámetro 80 mm laminada en
frio. Las dimensiones de los cuerpos de prueba se tomaron a partir de las
recomendaciones de la ASTM G 65 [21] que norma la realización del ensayo de
desgaste abrasivo conocido como arena seca-rueda de caucho y que se realizará
después del temple.
Figura 2.1. Probetas utilizadas.
Se determinó el número de muestras mínimo a partir de estimar un nivel de
confiabilidad del 95 %, siendo en este caso de cinco elementos. Se realizaron 15
probetas de las que se utilizarán cinco (5) para enfriar en agua, 5 para enfriar en el
aceite de motor usado y otras 5 para enfriar en el aceite vegetal usado.
26
Capítulo II. Procedimiento experimental
II.2.2-Análisis químico
Para la realización del análisis químico se utilizó una máquina Spektrometrie OptoElectronik, marca Belec de fabricación alemana (Fig. 2.1.) que se encuentra en la
Empresa Planta Mecánica de Santa Clara.
Fig.2.1: Máquina utilizada en el análisis químico.
En el procedimiento se realizaron tres mediciones en diferentes partes de las probetas
(Fig.2.2) y los resultados se muestran en el ANEXO 1.
Fig.2.2: Probeta analizada en el espectrómetro.
27
Capítulo II. Procedimiento experimental
En la Tabla 2.1 se muestran el valor promedio de los elementos químicos
fundamentales que componen el material de las probetas utilizadas. Como se puede
apreciar esta composición coincide exactamente con el del acero AISI/SAE 1045 [22].
Tabla 2.1. Valores promedio de la composición química del acero.
No.
C
Si
Mn
P
S
Cu
Al
Cr
Mo
Ni
V
Ti
Nb
Co
W
Pb
1
0,432
0,188
0,607
0,030
˂ 0,001
0,004
0,007
0,801
˂ 0,001
˂ 0,001
0,003
0,004
˂ 0,001
˂ 0,001
0,004
˂ 0,001
2
0,432
0,186
0,607
0,030
˂ 0,001
0,004
0,007
0,798
˂ 0,001
˂ 0,001
0,003
0,004
˂ 0,001
˂ 0,001
0,004
˂ 0,001
3
0,454
0,186
0,616
0,032
˂ 0,001
0,004
0,007
0,806
˂ 0,001
˂ 0,001
0,002
0,004
˂ 0,001
˂ 0,001
0,002
˂ 0,001
Media
0,439
0,187
0,610
0,031
˂ 0,001
0,004
0,007
0,802
˂ 0,001
˂ 0,001
0,003
0,004
˂ 0,001
˂ 0,001
0,003
˂ 0,001
II.2.3.- Medición de la dureza antes de tratamiento térmico
Como parte de la caracterización del acero se realizó la medición de la dureza antes
del tratamiento térmico. Para esto se utilizó un durómetro Rocwell marca HRS-150 de
fabricación china (Fig.2.3).
Fig.2.3: Durómetro utilizado.
Se realizaron 10 mediciones en cada probeta, los resultados se muestran en la tabla
2.2.
28
Capítulo II. Procedimiento experimental
Tabla 2.2. Dureza Rocwell del acero utilizado sin tratamiento.
Medición
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Dureza
11
9
12
11
9
14
13
13
12.5
14
HRC
El resultado de estas mediciones se procesó utilizando el software estadístico
profesional STATGRAPHICS Plus, cuyos resultados se muestran a continuación.
Resumen Estadístico
Frecuencia = 10
Media = 11,85
Mediana = 12,25
Media geométrica = 11,7152
Varianza = 3,33611
Desviación típica = 1,8265
Error estándar = 0,577591
Mínimo = 9,0
Máximo = 14,0
Rango = 5,0
Asimetría tipi. = -0,715934
Curtosis típificada = -0,53002
Coef. de variación = 15,4135%
29
Capítulo II. Procedimiento experimental
Como se aprecia los valores de los coeficientes de asimetría y curtosis están dentro
del rango de ± 2 que es el esperado para los datos de una distribución normal.
II.3.- Realización del tratamiento térmico
El objeto de todo proceso de tratamiento térmico consiste en conseguir que,
calentando el metal hasta una temperatura determinada y enfriándolo después, se
produzca el cambio deseado en su estructura.
Los factores fundamentales que influyen en el tratamiento térmico son la temperatura
y el tiempo, por to cual, el régimen de cualquier tratamiento térmico puede
representarse por medio de una gráfica en coordenadas t (temperatura) y Ʈ (tiempo).
El régimen del tratamiento térmico se caracteriza por los siguientes parámetros
principales: la temperatura de calentamiento tmáx, es decir, la temperatura máxima
hasta la cual se calienta la aleación durante el tratamiento térmico; el tiempo que se
mantiene la aleación a la temperatura de calentamiento Ʈm; la velocidad de
calentamiento vcal y la velocidad de enfriamiento venfr [13].
Fig.2.4: Diagrama TTT
30
Capítulo II. Procedimiento experimental
Si el calentamiento (o el enfriamiento) se efectúa a velocidad constante, esto se
caracteriza en las coordenadas temperatura-tiempo por una línea recta con
determinado ángulo de inclinación constante.
Para la realización del tratamiento térmico del acero AISI/SAE 1045 se estableció el
régimen del temple. Para esto se siguieron las recomendaciones de la bibliografía [23].
Las probetas se someterán a una temperatura de 840 ± 10 ºC y se mantendrá por un
tiempo de 30 ± 2 minutos.
II.3.1-Primera operación y segunda operación del templado: calentamiento y
mantenimiento
Instrumentos y equipos necesarios
Se debe contar con:
-Tenazas de forja.
-Horno eléctrico de resistencias
-Cronómetro.
-Vestuario de seguridad.
En el proceso de calentamiento se utilizó un horno de mufla marca JP SELECTA Sa.
Modelo SELECT-Horn 2000366 de fabricación española (Fig.2.5).
Fig.2.5: Horno utilizado en el tratamiento térmico
31
Capítulo II. Procedimiento experimental
II.3.2-Secuencia de operaciones del calentamiento y mantenimiento
1.-Las piezas se introducen al horno antes de comenzar a calentarlo.
2.-Se procede a calentar el horno hasta la temperatura de 840º C.
3.-Una vez alcanzada la temperatura de temple, se deben mantener las piezas durante
30 minutos.
II.3.3-Tercera operación: Enfriamiento del templado
Instrumentos y equipos necesarios

-Tenazas de forja.

-Tres recipientes de un volumen mínimo de (2L).

-Medio de enfriamiento: Agua y aceite mineral y aceite vegetal (2L).

-Escobilla de acero y lijas.

-Vestuario de seguridad.

-Medidor de dureza.

Termómetro
a)
b)
Fig.2.6: Medios de protección utilizados. a) Tenazas. b) Guantes de protección
térmica.
32
Capítulo II. Procedimiento experimental
II.3.4-Secuencia de operaciones del enfriamiento del templado
1.- La pieza se le debe efectuar correctamente las operaciones previas de
calentamiento y mantenimiento.
2.-Se debe extraer las piezas del horno lo antes posibles con el empleo de las tenazas
de forja.
3.- Como se trata de piezas de sección de iguales dimensiones se sumergen desde
cualesquiera de los extremos y agitan en forma circular o como haciendo un ocho,
independiente del medio en que se enfrié ya sea en el agua o aceites.
4.- Se deben mantener las piezas agitándose en el medio de enfriamiento (baño) hasta
lograr un enfriamiento total.
5.- Luego la pieza debe ser limpiada del óxido formado durante los procesos de
calentamiento y mantenimiento, para efectuar control de calidad por medio de
inspecciones y así poder detectar posibles fallas o defectos que se pueden hacer
presentes en esta etapa del templado.
33
Capítulo II. Procedimiento experimental
Conclusiones
 Las probetas para el tratamiento térmico se realizaron según las dimensiones
propuestas por la norma ASTM G 65, pues con posterioridad se les realizarán
ensayos de desgaste con el método de arena seca-rueda de caucho.
 Según el análisis químico realizado a las probetas con el método de
espectrometría óptica se constata que su composición coincide con la del acero
AISI-SAE 1045.
 En la medición de la dureza de las muestras antes de realizar el tratamiento
térmico, que es de 11.85 HRC, se verifica que coincide con la del acero AISISAE 1045 laminado en frío.
 Los parámetros fundamentales del tratamiento térmico se obtienen de la
literatura y son los siguientes: Calentamiento hasta 840 ºC y mantenimiento por
30 minutos.
34
Capítulo III. Análisis de los resultados
Capítulo III. Análisis de los resultados
III.1.- Introducción
En el presente capítulo se realiza el análisis de los resultados obtenidos en el
tratamiento realizado a las diferentes probetas. Se ejecutará primeramente el análisis
estructural de las probetas sometidas al enfriamiento usando las diferentes sustancias.
Posteriormente se hará la medición de la dureza en estas probetas. Finalmente se
realiza el ensayo de desgaste utilizando el método de arena seca-rueda de caucho.
III.2. -Análisis estructural
III.2.1.- Preparación para la toma de la micrografía de las muestras
La metalografía es, esencialmente, el estudio de las características estructurales o de
constitución de un metal o una aleación para relacionar ésta con las propiedades
físicas y mecánicas.
Para la realización del análisis metalográfico se comienza por la preparación de los
cuerpos de prueba. Para esto las probetas tratadas térmicamente se cortaron en una
tronzadora tomando una de cada diferente medio de enfriamiento en el temple además
de una probeta sin tratamiento.
Fig.3.1: Probetas empleadas para la micrografía.
Quedando diferenciadas por puntos en su superficie
Probeta 1 enfriada en aceite de cocina después de ser utilizado
35
Capítulo III. Análisis de los resultados
Probeta 2 enfriada en aceite mineral de uso 15w40
Probeta 3 enfriada en agua
La preparación de la probeta consiste, en general, en obtener primero una superficie
plana y semipulida, mediante el empleo de lijas de finura de grano creciente o
realizando este desbaste con discos adecuados sobre los que se deposita un abrasivo,
terminando con un pulido fino y final sobre discos provistos de paños. El final de la
operación es la obtención de una superficie especular que es la requerida para,
después, efectuar el ataque y observar adecuadamente la estructura.
Para la toma de estas radiografías se utilizó el laboratorio de tribología donde se realizó
el proceso metalográfico, en el cual se realizó un desbaste de la superficie e la probeta
con lijas de tipo (120, 180, 220, 400, 600, 800,1200,2400) seguido de un pulido fino
con la pulidora metalográfica marca METASINEX (Fig.3.2) para alcanzar el brillo
metálico de dichas muestras. Las muestras fueron atacadas con NITAL al 2%.
Fig. 3.2. Pulidora metalográfica utilizada en el pulido de las probetas.
Fig.3.3: Probetas con superficie especular
36
Capítulo III. Análisis de los resultados
III.2.2.- Análisis de la estructura de las probetas.
Primeramente, se realizó la toma de las micrografías utilizando el microscopio tipo
Neophot32 (Fig.3.4).
Fig.3.4: Microscopio utilizado en el análisis metalográfico
Posteriormente se realiza el análisis de la estructura de las probetas sometidas a los
diferentes medios de enfriamiento.
Muestra enfriada en aceite vegetal.
Fig.3.5: Micrografía M1 200X
La muestra M1 templada en aceite comestible después de ser usado alcanzo a una
dureza promedio de 46HRC donde al realizar la preparación de la muestra se observa
una zona de martensita, con bastante austenita residual.
37
Capítulo III. Análisis de los resultados
Muestra enfriada en aceite mineral.
Fig.3.6: Micrografía M2 200X
Para la muestra M2 templada en aceite mineral 15w40 la cual promedio una dureza
de 45HRC en su microestructura también se observa las colonias de martensita y
austenita residual.
Muestra enfriada en agua.
Fig.3.7: Micrografía M3 200X
En la muestra M3 temple en agua dado que su enfriamiento es más rápido alcanzo
los 48HRC y en su microestructura presenta una mayor cantidad de martensita y
menos austenita residual además de inclusiones no metálicas (puntos de óxido).
38
Capítulo III. Análisis de los resultados
Muestra sin tratamiento térmico
Fig.3.8: Micrografía M4 sin temple
En la muestra 4 la cual no se le realizo el temple por lo que está en estado comercial
se puede observar granos de perlitas y contorno de ferrita.
Como se puede observar en todas las muestras templadas en los diferentes tipos de
aceites y agua se observa la microestructura típica de los aceros templados teniendo
a la martensita como componente principal.
III.3.- Ensayo de desgaste
Los ensayos de desgaste abrasivo se llevaron a cabo en máquina de rueda de caucho
y arena seca construida según norma ASTM G65 cuyo principio de funcionamiento se
muestra en la Fig.3.10 Las probetas de acero AISI-SAE1045 se cortaron con un ancho
mínimo de 1” (25.4 mm) según las recomendaciones de la norma ASTM G65. Fig.3.9
Fig.3.9: Goemetria de las probetas de acero 1045.
39
Capítulo III. Análisis de los resultados
a)
b)
c)
Fig.3.10: Esquema de la maquina utilizada en el desgate abrasivo, a) Esquema
general, b) parte de la máquina donde se produce el desgaste y c) máquina empleada
en este trabajo.
1- Motor eléctrico.
2- Interruptor y protección eléctrica.
3- Tolva para colocar la arena.
4- Brazo para la aplicación de la carga.
5- Rueda de acero forrada en caucho.
6- Bancada de la máquina.
El abrasivo recomendado por la norma corresponde a una arena de sílice de
granulometría AFS 50/70 (212 – 300 micras) de forma redondeada.
La norma ASTM G65 contempla cinco diferentes procedimientos de ensayos, A, B, C,
D y E para la evaluación de las probetas de estudio se seleccionó procedimiento tipo
E,
La tabla.3.1 indica la fuerza contra la probeta y el número de revoluciones desde la A
hasta la E
40
Capítulo III. Análisis de los resultados
Tabla.3.1: Parámetros de ensayo
III.3.1. -Limpieza de las probetas
Las probetas se limpiaron utilizando primeramente detergente, con posterioridad se
limpian utilizando xileno. Este producto conocido también como dimetilbenceno es
reconocido por sus excelentes propiedades disolventes, pero es nocivo a la salud
humana. Por tal motivo se deben tomar medidas de protección para su utilización
(Fig.3.11)
Fig.3.11. Medidas de protección para el trabajo con el xileno
41
Capítulo III. Análisis de los resultados
III.3.2.- Procesamiento de los resultados
Después de realizado el ensayo las probetas se limpian nuevamente y se pasa al
pesaje de las mismas para determinar la masa perdida. Se verifica que la huella del
desgaste quede según lo estipulado en la norma ASTM G 65 (Fig.3.12).
Fig.3.12. Huella del desgaste en las probetas.
Después del pesaje se determina la masa perdida por la diferencia de peso. Se
promedian para cada probeta y se determina el volumen perdido como se establece
en la norma (Tabla 3.2).
Tabla.3.2. Determinación de la pérdida de masa y volumen de las probetas.
Probeta-1
Peso
Inicial
Peso
Final
(g)
(g)
Volumen
perdido
Diferencia Promedio
1-A
130,0479 129,9561
0,0918
1-B
128,6381 128,5353
0,1028
1-C
122,4048 122,2794
0,1254
1-D
125,7329 125,6515
0,0814
1-E
105,8906 105,8093
0,0813
2-A
98,4093
98,2899
0,1194
2-B
128,6933 128,5751
0,1182
0,09654
(mm3)
12.27
Probeta-2
42
Capítulo III. Análisis de los resultados
2-C
124,9984 124,8789
0,1195
2-C
128,8706 128,7362
0,1344
2-E
128,1052 127,981
0,1242
99,8287
0,0989
0,12314
15.64
0,0989
12.56
Probeta-3
99,7298
El parámetro principal para determinar el desgaste abrasivo, es la pérdida de masa,
tal como se muestra en la ecuación (3.1). [24].
(3.1)
Vp = Volumen perdido en mm3
Pi = Peso inicial de la probeta en g
Pf = Peso final en g
δ= Densidad del material en g/cm3
Utilizando esta ecuación, se obtienen los resultados de desgaste abrasivo
(volumen perdido en mm3)
III.3.2.1.- Análisis estadístico
Para el procesamiento estadístico se utilizó el software STATGRAPHICS 5.1, Plus,
realizándose el análisis de un modelo lineal. Se procesaron los resultados de las
mediciones de la pérdida de masa en cada una de las probetas analizadas y se
determinaron entre otros los parámetros que se describen a continuación.
Resumen estadístico para las probetas 1
Frecuencia = 5
Media = 0,09654
Mediana = 0,0918
Media geométrica = 0,0952291
43
Capítulo III. Análisis de los resultados
Varianza = 0,000339008
Desviación típica = 0,0184122
Error estándar = 0,00823417
Mínimo = 0,0813
Máximo = 0,1254
Rango = 0,0441
Asimetría tipi. = 1,04607
Curtosis típificada = 0,331218
Coef. de variación = 19,0721%
Esta tabla muestra el resumen estadístico para las probetas 1. Incluye las medidas de
tendencia central, medidas de variabilidad, y medidas de forma. De particular interés
están los coeficientes de asimetría y curtosis estandarizados que pueden utilizarse
para determinar si la muestra procede de una distribución normal. Los valores de estos
estadísticos fuera del rango de -2 a +2 indican alejamiento significante de normalidad
que tendería a invalidar cualquier test estadístico con respecto a la desviación normal.
En este caso, el valor del coeficiente de asimetría estandarizado está dentro del rango
esperado para los datos de una distribución normal. El valor del coeficiente de curtosis
estandarizado está dentro del rango esperado para los datos de una distribución
normal.
Resumen estadístico para las probetas 2
Frecuencia = 5
Media = 0,12314
Mediana = 0,1195
Media geométrica = 0,122999
Varianza = 0,000044888
44
Capítulo III. Análisis de los resultados
Desviación típica = 0,00669985
Error estándar = 0,00299626
Mínimo = 0,1182
Máximo = 0,1344
Rango = 0,0162
Asimetría tipi. = 1,52746
Curtosis típificada = 1,17441
Coef. de variación = 5,44084%
Esta tabla muestra el resumen estadístico para probetas 2. Incluye las medidas de
tendencia central, medidas de variabilidad, y medidas de forma. De particular interés
están los coeficientes de asimetría y curtosis estandarizados que pueden utilizarse
para determinar si la muestra procede de una distribución normal. Los valores de estos
estadísticos fuera del rango de -2 a +2 indican alejamiento significante de normalidad
que tendería a invalidar cualquier test estadístico con respecto a la desviación normal.
En este caso, el valor del coeficiente de asimetría estandarizado está dentro del rango
esperado para los datos de una distribución normal. El valor del coeficiente de curtosis
estandarizado está dentro del rango esperado para los datos de una distribución
normal.
III.3.3.- Determinación del coeficiente de desgaste (K).
Como se ha planteado anteriormente es muy complicado modelar los fenómenos de
desgaste, y es difícil seguir métodos analíticos que se parezcan a las condiciones
reales en la práctica [25]. En consecuencia, el modelado del desgaste suele ser de
naturaleza experimental, y se hace determinando un coeficiente de desgaste con la
ecuación de Archard (en honor de J. F. Archard, 1918-1989):
45
Capítulo III. Análisis de los resultados
V
K  L W
H
(3.2)
Donde V es el volumen gastado, K es el coeficiente de desgaste, L la distancia de
deslizamiento, W la fuerza normal entre las superficies y H es la dureza a la
penetración.
Despejando de 3.1 se llega a la expresión para poder determinar el coeficiente de
desgaste K.
K
V H
W L
(3.3)
Para el caso analizado se determinará este coeficiente en los tres grupos de probetas
y los datos son:
Datos comunes a los tres grupos de probetas:
W = 130 N
L = 718 m = 718000 mm
- Determinación de K para las probetas 1.
Para este material:
H1 = 1506 N/mm2
V1 = 12.27 mm3
K1 
12.27 1506
130  718000
K1 = 1.98 x 10-4
- Determinación de K para las probetas 2.
Para este material:
H2 = 1456 N/mm2
46
Capítulo III. Análisis de los resultados
V2 = 15,64 mm3
K2 
15.64 * 1456
130 * 718000
K2 = 2,43 x 10-4
- Determinación de K para la probeta 3.
Para este material:
H3 = 1570 N/mm2
V3 = 12,56 mm3
K3 
12.56 * 1570
130 * 718000
K3 = 2.11 x 10-4
III.3.4. Análisis de los resultados
Según se plantea en la literatura el coeficiente K se mueve en un rango que va desde
10-3 a 10-7 [26]. Como se aprecia los resultados obtenidos se encuentran dentro de
ese rango, pero cercano a los valores máximos pues tienen 10 -4. Mientras mayor es
el valor de K mayor será el desgaste, planteándose que para aplicaciones ingenieriles
ese valor debe estar entre 10-6 y 10-7. En este caso se debe tener en cuenta que el
coeficiente fue determinado mediante un ensayo de desgaste abrasivo y no en un par
tribológico real, por ese motivo el alto valor de K.
Según se puede apreciar el valor de K determinado en las probetas enfriadas con
diferentes refrigerantes tienen valores similares, lo que demuestra que los diferentes
medios de enfriamiento no tienen una influencia significativa en la resistencia al
desgaste.
Para verificar esto se determina el porciento de error entre los valores obtenidos,
tomándose los valores de los grupos de probetas 1 y las 2 que tienen los valores
extremos. Para la determinación del error en ciertos métodos numéricos usan un
47
Capítulo III. Análisis de los resultados
esquema iterativo para calcular resultados. En tales esquemas, se hace una
aproximación en base a la aproximación anterior. En tales casos, el error a menudo
se calcula como la diferencia entre el un valor previo y el actual [27]. Por lo tanto, el
error relativo porcentual está dado por:
a 
valor actual - valor previo
100%
valor actual
Error entre los resultados de K en las probetas 1 y las 2:
a 
2,43 10-4 - 1,98  10-4
100%
2,43 10-4
 a = 18.51 %
Como se aprecia, después de calcular el porciento de error entre los valores extremos
del coeficiente de desgaste K se concluye que no es significativa la influencia del medio
de enfriamiento en K.
48
Capítulo III. Análisis de los resultados
Conclusiones parciales
 Al realizar el análisis estructural de los diferentes grupos de probetas se aprecia
que el material sin tratamiento térmico tiene una composición fundamental de
perlita y ferrita. En todas las muestras templadas en los diferentes tipos de
aceites y agua se observa la microestructura típica de los aceros templados
teniendo a la martensita como componente principal.
 Se realizó el ensayo de desgaste abrasivo utilizando el método conocido como
rueda de caucho-arena seca estipulado en la norma ASTM G 65. Dentro de los
procedimientos establecidos en la norma se utiliza el E que tiene como
parámetros la fuerza de 130 N y una distancia de deslizamiento de 718 m.
 Se calcula la masa perdida a partir de la diferencia de peso como establece la
norma. Posteriormente se determina el volumen perdido y finalmente se calcula
el coeficiente de desgaste K. Al determinar el porciento de error entre el
coeficiente K menor y el mayor se concluye que no es significativo el medio de
enfriamiento en la resistencia al desgaste del acero AISI 1045.
49
Capítulo III. Análisis de los resultados
Conclusiones generales
 Existe una amplia variedad de aceros al carbono de acuerdo a la AISI-SAE,
no obstante, dentro de los más utilizados se encuentra el acero 1045, que
combina muy bien la dureza y otras propiedades mecánica muy deseadas
para la fabricación de piezas. Una de las propiedades de este acero es la
buena templabilidad para mejorar estas propiedades. Se recomienda un
régimen para el temple con una temperatura de 840 ±10°C, que está en un
rango de 30-60°C por encima de la curva Ac3 del diagrama hierro-carbono.
El tiempo de mantenimiento a temperatura de austenización recomendado
es de 30±2 minutos. No se define una sustancia ideal para ser utilizada como
medio de enfriamiento en el temple de los aceros al carbono.
 Se realizaron tres grupos de cinco probetas de acero AISI 1045 para la
realización del temple. Un primer grupo se enfrió en aceite vegetal usado, el
segundo grupo en aceite mineral 15W40 después de utilizado y el último
grupo se enfrió en agua. Se utilizó para este proceso el régimen propuesto
en la literatura.
 Al realizar el análisis estructural de los diferentes grupos de probetas se
aprecia que el material sin tratamiento térmico tiene una composición
fundamental de perlita y ferrita. En todas las muestras templadas en los
diferentes tipos de aceites y agua se observa la microestructura típica de los
aceros templados teniendo a la martensita como componente principal.
 Al analizar la dureza se aprecia que después del temple la dureza del acero
aumenta de 11.85 HRC a 46 HRC las probetas enfriadas de aceite vegetal
usado, a 45 HRC las enfriadas en aceite 15W40 usado y 48 HRC las
enfriadas en agua. Como se aprecia la diferencia entre la dureza obtenida
con los aceites como medio de enfriamiento no es significativa y son
50
Capítulo III. Análisis de los resultados
menores que la obtenida al enfriar con agua. Esto coincide con lo planteado
en la bibliografía.
 Después de realizar el ensayo de desgaste abrasivo con el método de arena
seca-rueda de caucho se puede concluir que el medio de enfriamiento no
tiene una influencia significativa en la resistencia al desgaste del acero AISI
1045 después del temple. El coeficiente de desgaste K calculado para los
tres tipos de enfriamiento dieron un error porcentual que no es significativo.
51
Recomendaciones
 Determinar las propiedades fundamentales de los aceites utilizados para el
enfriamiento como son: viscosidad, punto de ebullición y conductividad
térmica.
 Repetir este trabajo utilizando otros tipos de acero y medios de
enfriamiento.
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Anexos
Anexo 1