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Metals basic heat treatment

As Steelworkers, we are interested in the heat treatment of metals, because we have to know what effects the heat produced by welding or cutting has on metal.

We also need to know the methods used to restore metal to its original condition. The process of heat treating is the method by which metals are heated and cooled in a series of specific operations that never allow the metal to reach the molten state. The purpose of heat treating is to make a metal more useful by changing or restoring its mechanical properties. Through heat treating, we can make a metal harder, stronger, and more resistant to impact. Also, heat treating can make a metal softer and more ductile. The one disadvantage is that no heat-treating procedure can produce all of these characteristics in one operation. Some properties are improved at the expense of others; for example, hardening a metal may make it brittle.

Heat-treating theory

The various types of heat-treating processes are similar because they all involve the heating and cooling of metals; they differ in the heating temperatures and the cooling rates used and the final results. The usual methods of heat-treating ferrous metals (metals with iron) are annealing, normalizing, hardening, and tempering.

Most nonferrous metals can be annealed, but never tempered, normalized, or case-hardened. Successful heat treatment requires close control over all factors affecting the heating and cooling of a metal. This control is possible only when the proper equipment is available. The furnace must be of the proper size and type and controlled, so the temperatures are kept within the prescribed limits for each operation.

Even the furnace atmosphere affects the condition of the metal being heat-treated. The furnace atmosphere consists of the gases that circulate throughout the heating chamber and surround the metal, as it is being heated. In an electric furnace, the atmosphere is either air or a controlled mixture of gases. In a fuel-fired furnace, the atmosphere is the mixture of gases that comes from the combination of the air and the gases released by the fuel during combustion. These gases contain various proportions of carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen, nitrogen, oxygen, water vapor, and other various hydrocarbons. Fuel-fired furnaces can provide three distinct atmospheres when you vary the proportions of air and fuel. They are called oxidizing, reducing, and neutral.

Stages of heat treatment

Heat treating is accomplished in three major stages:

Stage 1—Heating the metal slowly to ensure a uniform temperature

Stage 2—Soaking (holding) the metal at a given temperature for a given time and cooling the metal to room temperature

Stage 3—Cooling the metal to room temperature

Heating stage

The primary objective in the heating stage is to maintain uniform temperatures. If uneven heating occurs, one section of a part can expand faster than another and result in distortion or cracking. Uniform   temperatures are attained by slow heating. The heating rate of a part depends on several factors.

One important factor is the heat conductivity of the metal. A metal with a high-heat conductivity heats at a faster rate than one with a low conductivity. Also, the condition of the metal determines the rate at which it may be heated. The heating rate for hardened tools and parts should be slower than unstressed or untreated metals. Finally, size and cross section figure into the heating rate. Parts with a large cross section require slower heating rates to allow the interior temperature to remain close to the surface temperature that prevents warping or cracking. Parts with uneven cross sections experience uneven heating; however, such parts are less apt to be cracked or excessively warped when the heating rate is kept slow.

Soaking stage

After the metal is heated to the proper temperature, it is held at that temperature until the desired internal structural changes take place. This process is called soaking. The length of time held at the proper temperature is called the soaking period. The soaking period depends on the chemical analysis of the metal and the mass of the part. When steel parts are uneven in cross section, the soaking period is determined by the largest section.

During the soaking stage, the temperature of the metal is rarely brought from room temperature to the final temperature in one operation; instead, the steel is slowly heated to a temperature just below the point at which the change takes place and then it is held at that temperature until the heat is equalized throughout the metal. We call this process preheating. Following preheat, the metal is quickly heated to the final required temperature.

When a part has an intricate design, it may have to be preheated at more than one temperature to prevent cracking and excessive warping. For example, assume an intricate part needs to be heated to 1500°F for hardening. This part could be slowly heated to 600°F, soaked at this temperature, then heated slowly to 1200°F, and then soaked at that temperature. Following the final preheat, the part should then be heated quickly to the hardening temperature of 1500°F.

Note: nonferrous metals are seldom preheated, because they usually do not require it, and preheating can cause an increase in the grain size in these metals.

Cooling stage

After a metal has been soaked, it must be returned to room temperature to complete the heat-treating process.

To cool the metal, you can place it in direct contact with a cooling medium composed of a gas, liquid, solid, or combination of these. The rate at which the metal is cooled depends on the metal and the properties desired. The rate of cooling depends on the medium; therefore, the choice of a cooling medium has an important influence on the properties desired. Quenching is the procedure used for cooling metal rapidly in oil, water, brine, or some other medium. Because most metals are cooled rapidly during the hardening process, quenching is usually associated with hardening; however, quenching does not always result in an increase in hardness; for example, to anneal copper, you usually quench it in water. Other metals, such as air-hardened steels, are cooled at a relatively slow rate for hardening.

Some metals crack easily or warp during quenching, and others suffer no ill effects; therefore, the quenching medium must be chosen to fit the metal. Brine or water is used for metals that require a rapid cooling rate, and oil mixtures are more suitable for metals that need a slower rate of cooling. Generally, carbon steels are water-hardened and alloy steels are oil-hardened. Nonferrous metals are normally quenched in water.

Heat colors for steel

You are probably familiar with the term red-hot as applied to steel. Actually, steel takes on several colors and shades from the time it turns a dull red until it reaches a white heat. These colors and the corresponding temperatures are listed in table 1.

During hardening, normalizing, and annealing, steel is heated to various temperatures that produce color changes. By observing these changes, you can determine the temperature of the steel. As an example, assume that you must harden a steel part at 1500°F. Heat the part slowly and evenly while watching it closely for any change in color. Once the steel begins to turn red, carefully note each change in shade. Continue the even heating until the steel is bright red; then quench the part.

The success of a heat-treating operation depends largely on your judgment and the accuracy with which you identify each color with its corresponding temperature.

From a study of table 2-1, you can see that close observation is necessary. You must be able to tell the difference between faint red and blood red and between dark cherry and medium cherry. To add to the difficulty, your conception of medium cherry may differ from that of the person who prepared the table. For an actual heat-treating operation, you should get a chart showing the actual colors of steel at various temperatures.

Types of heat treatment

Four basic types of heat treatment are used today.

They are annealing, normalizing, hardening, and tempering.

The techniques used in each process and how they relate to Steelworkers are given in the following paragraphs.

Annealing

In general, annealing is the opposite of hardening. You anneal metals to relieve internal stresses, soften them, make them more ductile, and refine their grain structures. Annealing consists of heating a metal to a specific temperature, holding it at that temperature for a set length of time, and then cooling the metal to room temperature. The cooling method depends on the metal and the properties desired. Some metals are furnace-cooled, and others are cooled by burying them in ashes, lime. or other insulating materials.

Welding produces areas that have molten metal next to other areas that are at room temperature. As the weld cools, internal stresses occur along with hard spots and brittleness. Welding can actually weaken the metal. Annealing is just one of the methods for correcting these problems.

 


Tratamiento básico de calor en los metales

Como trabajadores metalúrgicos, estamos interesados en el tratamiento de calor de los metales, porque debemos conocer qué efectos ha producido el  calor al soldar o cortar sobre metal.

Necesitamos además saber los métodos usados para restaurar el metal a su condición original. El proceso de tratamiento de calor es el método por el cual los metales son calentados y enfriados en una serie de operaciones específicas que nunca permiten que el metal alcance el estado de fusión. El propósito del tratamiento de calor es para hacer al metal mas útil al cambiar o restaurar sus propiedades mecánicas. A través del tratamiento de calor, podemos volver a un metal mas duro, fuerte y mas resistente a los impactos. Además, el tratamiento por calor puede volver a un metal mas blando y mas dúctil. La única desventaja es que ningún procedimiento de tratamiento de calor puede dar como resultado todas estas características en una operación. Algunas propiedades son mejoradas a expensas de otras; por ejemplo, el temple de un metal lo puede volver frágil.

Teoría del tratamiento de calor.

Los diferentes tipos de procesos de tratamiento de calor son similares porque todos ellos involucran el calentamiento y el enfriamiento de los metales; los mismos difieren en las temperaturas de calentamiento y en los regímenes de enfriamiento y en los resultados finales. Los métodos usuales de tratamiento de calor de los metales ferrosos (metales con hierro) son el recocido, el normalizado, el temple y revenido

La mayoría de los metales no ferrosos pueden ser recocidos, pero nunca templados, normalizados o endurecidos. Un tratamiento de calor exitoso requiere un estrecho control sobre todos los factores que afectan al calentamiento y el enfriamiento del metal. Este control es posible sólo cuando el equipamiento apropiado está disponible. El horno debe ser del tamaño y tipo apropiado y controlado, de manera que las temperaturas se mantengan dentro de los límites prescriptos para cada operación. Inclusive la atmósfera del horno afecta la condición del metal que está siendo tratado al calor. La atmósfera del horno consiste en los gases que circulan a través de la cámara de calentamiento y rodean al metal, a medida que el mismo está siendo tratado. En un horno eléctrico, la atmósfera puede ser tanto de aire como de una mezcla controlada de gases. En un horno de llama de combustible, la atmósfera es una mezcla de gases que provienen de la combinación del aire y de los gases liberados por el combustible durante la combustión. Estos gases contienen varias proporciones de monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, vapor de agua y otros hidrocarburos. Los hornos con llama de combustible pueden proveer tres atmósferas distintas cuando usted varía las proporciones de aire y combustible. Estas son conocidas como oxidante, reductora y neutra.

Etapas del tratamiento térmico.

El tratamiento por calor es llevado a cabo en tres etapas principales:

Etapa 1- Calentamiento del metal lentamente para asegurar una temperatura uniforme

Etapa 2-  Homogenización (mantenido) del metal a una temperatura dada por un período de tiempo y enfriamiento del metal a temperatura ambiente

Etapa 3- Enfriamiento del metal a temperatura ambiente

Etapa de calentamiento

El objetivo primario de la etapa de calentamiento es mantener temperaturas uniformes. Si se produce un calentamiento desparejo, una sección de la parte se puede expandir mas rápidamente que la otra y resultar en una distorsión o fractura. Las temperaturas uniformes son alcanzadas por un calentamiento lento. El régimen de calentamiento de una parte depende de varios factores. Un factor importante es la conductividad térmica del metal. Un metal con una elevada conductividad se calienta a un régimen mayor que uno con baja conductividad térmica del metal. Además, la condición del metal determina el régimen al cual el mismo puede ser calentado. El régimen de calentamiento para herramientas con tratamiento de temple deberá ser mas lento que los metales sin tensionar o no tratados. Finalmente, el tamaño y la sección transversal figuran en el régimen de calentamiento. Las partes con gran sección transversal requieren regímenes de calentamiento mas lentos para permitir que la temperatura interior permanezca cercana a la temperatura de la superficie y se evite así el alabeo o la fractura. Las partes con secciones transversales desparejas experimentan calentamiento desparejo; sin embargo, tales partes son menos aptas de ser excesivamente alabeadas o de romperse cuando el régimen de calor es mantenido lento.

Etapa de homogenización

Luego de que el metal es calentado hasta la temperatura correcta, el mismo es mantenido a esta temperatura hasta que los cambios estructurales internos deseados tengan lugar. Este proceso es llamado homogenización. El espacio de tiempo que es mantenido a la temperatura apropiada es llamado período de homogenización. El período de homogenización depende del análisis químico del metal y la masa de la parte en cuestión. Cuando las partes de acero son desparejas en su sección transversal, el período de homogenización está determinado por la sección mas grande.

Durante la etapa de homogenización,   la temperatura del metal es raramente llevada de la temperatura ambiente a la temperatura final en una operación; por el contrario, el acero es calentado lentamente hasta una temperatura justo debajo del punto al cual tiene lugar el cambio y luego el mismo es mantenido a dicha temperatura hasta que el calor es homogeneizado en todo el metal. Llamamos a este proceso precalentamiento. A continuación del precalentamiento, el metal es rápidamente calentado hasta la temperatura final requerida.

Cuando una parte tiene un diseño intrincado, la misma puede necesitar ser precalentada a mas de una temperatura para prevenir la fractura y el alabeo excesivo. Por ejemplo, supóngase que una parte intrincada necesita ser calentada a 1500ºF para el temple. Esta parte podría ser calentada lentamente a 600ºF, recalentada a esta temperatura, luego calentada lentamente a 1200ºF, y luego recalentada a dicha temperatura. A continuación del precalentamiento final, la parte deberá luego ser calentada rápidamente a la temperatura de temple de 1500ºF.

Nota: los metales no ferrosos son raramente precalentados, porque los mismos usualmente no lo requieren, y el precalentamiento puede causar un incremento en el tamaño del granulado en estos metales.

Etapa de enfriamiento

Luego de que el metal ha sido recalentado, el mismo debe ser retornado a temperatura ambiente para completar el proceso de tratamiento de calor.

Para enfriar el metal, usted lo puede colocar directamente en contacto con un medio de enfriamiento compuesto por un gas, líquido, sólido o combinación de los mismos. El régimen al cual el metal es enfriado depende del metal y de las propiedades deseadas. El régimen de enfriamiento depende del medio; por lo tanto, la elección de un medio de enfriamiento tiene una influencia importante sobre las propiedades deseadas. El templado es el procedimiento usado para enfriar metal rápidamente en aceite, agua, salmuera o cualquier otro medio. Debido a que la mayoría de los  metales son enfriados rápidamente durante el proceso de temple, el templado es usualmente asociado con el temple; sin embargo, el templado no siempre resulta en un incremento de la dureza; por ejemplo, para recocer cobre, usted usualmente lo templa en agua. Otros metales, tales como aceros endurecidos al aire, son enfriados a un régimen relativamente lento para obtener el temple.

Algunos metales de rompen fácilmente o se alabean durante el templado, y otros no sufren efecto alguno; por lo tanto, el medio de templado debe ser elegido para que se adapte al metal. La salmuera o el agua son usadas para metales que requieren un rápido régimen de enfriamiento, y las mezclas de aceite son mas adecuadas para metales que requieren un enfriamiento mas lento. Generalmente, los aceros al carbono son endurecidos al agua y los aceros de aleación son endurecidos al aceite. Los metales no ferrosos son normalmente templados en agua.

Colores del calor para el acero

Usted está probablemente familiarizado con el término caliente el rojo vivo que es aplicado al acero. En verdad, el acero toma varios colores y sombreados desde el momento en que comienza a volverse rojo oscuro hasta que el mismo alcanza un color calórico blanco. Estos colores y sus correspondientes temperaturas están listados en la tabla 1 a continuación.

Durante el temple, normalizado y recocido, el acero es calentado a varias temperaturas que producen cambios de coloración. Al observar estos cambios, usted puede determinar a qué temperatura está el acero. Como ejemplo, suponga que usted debe endurecer una parte de acero a 1500ºF. Caliente la parte lentamente y en forma pareja mientras lo observa cuidadosamente viendo cualquier cambio de color. Una vez que el acero comienza a volverse rojo, cuidadosamente ponga atención en el cambio en el sombreado. Continúe el calentamiento parejo hasta que el acero se ponga al rojo vivo; luego temple la parte.

El éxito de una operación de tratamiento de calor depende en gran medida de su criterio y de la precisión con la cual usted identifica cada color y su correspondiente temperatura.

A partir de un estudio de la tabla 1, se podrá observar que es necesaria una cuidadosa observación. Usted debe poder decir la diferencia entre el rojo difuso y el rojo sangre y entre el cereza oscuro y cereza medio. Para agregar mas dificultad, su concepto del cereza medio puede diferir del de la persona que preparó la tabla. Para una operación de tratamiento de calor verdadera, usted debe obtener una carta mostrando los colores reales del acero a varias temperaturas.

Tipos de tratamiento de calor

Cuatro tipos básicos de tratamiento de calor son usados en la actualidad.

Estos son el recocido, normalizado, temple y revenido.

Las técnicas usadas en cada proceso y cómo están relacionadas con los trabajadores metalúrgicos son dada en los siguientes párrafos.

Recocido

En general, el recocido es el opuesto al temple. Usted recoce metales para aliviar esfuerzos internos, ablandarlos, hacerlos mas dúctiles y refinar las estructuras de granulado. El recocido consiste en el calentamiento de un metal a una temperatura específica, mantenerlo a dicha temperatura por un espacio de tiempo especificado, y luego proceder a enfriar el metal a temperatura ambiente. El método de enfriamiento depende del metal y de las propiedades deseadas. Algunos metales son enfriados en hornos, y otros son enfriados enterrándolos en cenizas, limo u otros materiales aislantes. La soldadura produce áreas que tienen metal fundido cercanas a otras áreas que están a temperatura ambiente. A medida que la soldadura se enfría, los esfuerzos internos ocurren acompañados de puntos duros y fragilidad. La soldadura puede verdaderamente debilitar el metal. El recocido es sólo uno de los métodos para corregir estos problemas.

 

Table 1.—Heat Colors for Steel

Color Temperatura
ºF
ºC
  • Rojo tenue visible en la oscuridad
  • Rojo tenue
  • Rojo sangre
  • Cereza oscuro
  • Cereza medio
  • Cereza o rojo total
  • Rojo claro
  • Salmon
  • Naranja
  • Limón
  • Amarillo claro
  • Blanco
  • Blanco deslumbrante
  • 750
  • 900
  • 1050
  • 1075
  • 1250
  • 1375
  • 1550
  • 1650
  • 1725
  • 1825
  • 1975
  • 2200
  • 2350
  • 399
  • 482
  • 565
  • 579
  • 677
  • 746
  • 843
  • 899
  • 940
  • 996
  • 1079
  • 1204
  • 1288

Tabla 1 - Colores del calor para el acero

Table 2.—Approximate Soaking Periods for Hardening, Annealing, and Normalizing Steel

Espesor del metal (en pulgadas) Tiempo de calentamiento. Temperatura requerida (horas) Tiempo de homogenización (horas)
  • Hasta 1
  • 1 a 2
  • 2 a 3
  • 3 a 4
  • 4 a 5
  • 5 a 8

 

  • 3/4
  • 1 1/4
  • 1 3/4
  • 2 1/4
  • 2 3/4
  • 3 1/2

 

  • 1/2
  • 1/2
  • 3/4
  • 1
  • 1
  • 1 1/2

Tabla 2 - Períodos de homogenización aproximados para el templado, recocido y normalizado del acero.

Ferrous Metal

To produce the maximum softness in steel, you heat the metal to its proper temperature, soak it, and then let it cool very slowly. The cooling is done by burying the hot part in an insulating material or by shutting off the furnace and allowing the furnace and the part to cool together. The soaking period depends on both the mass of the part and the type of metal. The approximate soaking periods for annealing steel are given in table

Steel with extremely low-carbon content requires the highest annealing temperature. As the carbon content increases, the annealing temperatures decrease.

Nonferrous Metal

Copper becomes hard and brittle when mechanically worked; however, it can be made soft again by annealing. The annealing temperature for copper is between 700°F and 900°F. Copper maybe cooled rapidly or slowly since the cooling rate has no effect on the heat treatment. The one drawback experienced in annealing copper is the phenomenon called “hot shortness.” At about 900°F, copper loses its tensile strength, and if not properly supported, it could fracture.

Aluminum reacts similar to copper when heat treating. It also has the characteristic of “hot shortness.” A number of aluminum alloys exist and each requires special heat treatment to produce their best properties.

Normalizing

Normalizing is a type of heat treatment applicable to ferrous metals only. It differs from annealing in that the metal is heated to a higher temperature and then removed from the furnace for air cooling.

The purpose of normalizing is to remove the internal stresses induced by heat treating, welding, casting, forging, forming, or machining. Stress, if not controlled, leads to metal failure; therefore, before hardening steel, you should normalize it first to ensure the maximum desired results. Usually, low-carbon steels do not require normalizing; however, if these steels are normalized, no harmful effects result. Castings are usually annealed, rather than normalized; however, some castings require the normalizing treatment. Table 2-2 shows the approximate soaking periods for normalizing steel.

Note that the soaking time varies with the thickness of the metal.

Normalized steels are harder and stronger than annealed steels. In the normalized condition, steel is much tougher than in any other structural condition. Parts subjected to impact and those that require maximum toughness with resistance to external stress are usually normalized. In normalizing, the mass of metal has an influence on the cooling rate and on the resulting structure.

Thin pieces cool faster and are harder after normalizing than thick ones. In annealing (furnace cooling), the hardness of the two are about the same.

Hardening

The hardening treatment for most steels consists of heating the steel to a set temperature and then cooling it rapidly by plunging it into oil, water, or brine. Most steels require rapid cooling (quenching) for hardening but a few can be air-cooled with the same results.

Hardening increases the hardness and strength of the steel, but makes it less ductile. Generally, the harder the steel, the more brittle it becomes. To remove some of the brittleness, you should temper the steel after hardening.

Many nonferrous metals can be hardened and their strength increased by controlled heating and rapid cooling.  In this case, the process is called heat treatment, rather than hardening.

To harden steel, you cool the metal rapidly after thoroughly soaking it at a temperature slightly above its upper critical point. The approximate soaking periods for hardening steel are listed in table 2-2. The addition of alloys to steel decreases the cooling rate required to produce hardness. A decrease in the cooling rate is an advantage, since it lessens the danger of cracking and warping.

Pure iron, wrought iron, and extremely low-carbon steels have very little hardening properties and are difficult to harden by heat treatment. Cast iron has limited capabilities for hardening. When you cool cast iron rapidly, it forms white iron, which is hard and brittle.

And when you cool it slowly, it forms gray iron, which is soft but brittle under impact.

In plain carbon steel, the maximum hardness obtained by heat treatment depends almost entirely on the carbon content of the steel. As the carbon content increases, the hardening ability of the steel increases; however, this capability of hardening with an increase in carbon content continues only to a certain point. In practice, 0.80 percent carbon is required for maximum hardness. When you increase the carbon content beyond 0.80 percent, there is no increase in hardness, but there is an increase in wear resistance. This increase in wear resistance is due to the formation of a substance called hard cementite.

When you alloy steel to increase its hardness, the alloys make the carbon more effective in increasing hardness and strength. Because of this, the carbon content required to produce maximum hardness is lower than it is for plain carbon steels. Usually, alloy steels are superior to carbon steels.

Carbon steels are usually quenched in brine or water, and alloy steels are generally quenched in oil.

When hardening carbon steel, remember that you must cool the steel to below 1000°F in less than 1 second. When you add alloys to steel, the time limit for the temperature to drop below 1000°F increases above the l-second limit, and a slower quenching medium can produce the desired hardness.

Quenching produces extremely high internal stresses in steel, and to relieve them, you can temper the steel just before it becomes cold. The part is removed from the quenching bath at a temperature of about 200°F and allowed to air-cool. The temperature range from 200°F down to room temperature is called the “cracking range” and you do not want the steel to pass through it.

 

Metales ferrosos

Para producir el máximo ablandamiento en el acero, usted calienta el metal a su temperatura apropiada, lo recalienta, y luego lo deja enfriar muy lentamente. El enfriamiento es hecho enterrando la parte caliente en un material aislante o apagando el horno y permitiendo que el horno y la parte se enfríen juntos. El período de homogenización depende tanto de la masa de la parte como del tipo de metal. Los períodos de homogenización aproximados para el recocido del acero son dados en la tabla.

El acero con contenido extremadamente bajo de carbono requiere la mayor temperatura de recocido. A medida que el contenido de carbono se incrementa, la temperatura de recocido disminuye.

Metales no ferrosos

El cobre se vuelve duro y frágil al ser trabajado mecánicamente; sin embargo, el mismo se puede ablandar nuevamente mediante el recocido. La temperatura de recocido para el cobre está entre los 700ºF y 900ºF. El cobre puede ser enfriado rápidamente o lentamente dado que el régimen de enfriamiento no tiene efecto sobre el tratamiento de calor. El único obstáculo experimentado en el recocido del cobre es el fenómeno que se produce a aproximadamente 900ºF (conocido como “hot shortness” en Inglés), donde el cobre pierde su resistencia a la tracción, y si no es apropiadamente contenido, el mismo se puede fracturar.

Al aluminio reacciona en forma similar al cobre durante el tratamiento térmico. El mismo también tiene la característica similar de pérdida de resistencia a la tracción. Existe un número de aleaciones de aluminio y cada una requiere un tratamiento térmico especial para producir sus mejores propiedades.

Normalizado

El normalizado es un tipo de tratamiento de calor aplicable sólo a los ferrosos. El mismo difiere del recocido en que el metal es calentado a una temperatura mas alta y luego sacado del horno para enfriamiento en el aire. El propósito del normalizado es para remover esfuerzos internos inducidos por el tratamiento por calor, soldadura, fundición, forjado, formado o maquinado. El esfuerzo, si no es controlado, lleva a la falla del metal; por lo tanto, antes del templado del acero, usted debería normalizarlo primero para asegurar los máximos resultados deseados. Usualmente, los aceros de bajo carbono no requieren normalizado; sin embargo, si estos aceros son normalizados, no resulta ningún efecto riesgoso. Las fundiciones son usualmente recocidas, en ves de ser normalizadas; sin embargo, algunas fundiciones requieren  el tratamiento de normalizado. La tabla muestra los períodos de homogenización para el acero normalizado. Nótese que el tiempo de homogenización térmicas varía con el espesor del metal.

Los aceros normalizados son mas tenaces y fuertes que los aceros recocidos. En la condición normalizada, el acero es mas tenaz que en cualquier otra condición estructural. Las partes sujetas a impactos y aquellas que requieren dureza máxima con resistencia a los esfuerzos externos son usualmente normalizadas. En el normalizado, la masa de metal tiene una influencia sobre el régimen de enfriamiento y en la estructura resultante.

Las piezas delgadas se enfrían mas rápido y son mas tenaces luego del normalizado que las piezas gruesas. En el recocido (enfriamiento en el horno), la dureza de las dos es casi lo mismo.

Templado

El tratamiento de templado para la mayoría de los metales consisten en el calentamiento del metal a una temperatura establecida y luego el enfriamiento rápido del mismo al sumergirlo en aceite, agua o agua salina. La mayoría de los aceros requieren enfriamiento rápido (“quenching” en Inglés) para el templado pero pocos pueden ser enfriados por aire con los mismos resultados.

El temple incrementa la dureza y la resistencia del acero, pero lo vuelve menos dúctil. Generalmente, cuanto mayor temple tiene el acero, mas frágil se vuelve. Para quitar algo de la fragilidad, se debe revenir el acero luego del templado.

Muchos metales no ferrosos pueden ser templados y su resistencia incrementada por un calentamiento controlado y un rápido enfriamiento. En este caso, el proceso es llamado tratamiento por calor  en lugar de templado.

Para templar el acero, usted debe enfriar el metal rápidamente luego de homogeneizarlo a temperatura ligeramente superior a su punto crítico superior. Los períodos de homogenización aproximados para templar el acero están listados en la tabla. La adición de aleaciones al acero disminuye el régimen de enfriamiento requerido para producir el temple. Una disminución en el régimen de enfriamiento es una ventaja, dado que disminuye el peligro de rotura o alabeo.

El hierro puro, el hierro forjado o fraguado, y los aceros de extremadamente bajo carbono tienen muy pocas propiedades de templado y son difíciles de templar por tratamiento de calor. El hierro fundido tiene capacidades limitadas para el templado. Cuando usted enfría hierro fundido rápidamente, el mismo forma hierro blanco, que es duro y frágil. Y cuando usted lo enfría lentamente, el mismo forma hierro gris, que es blando pero frágil bajo los impactos.

Con el acero al carbono ordinario, la máxima dureza obtenida por el tratamiento térmico o de calor depende casi enteramente del contenido de carbono en el acero. A medida que el contenido de carbono se incrementa, la habilidad de templado del acero se incrementa; sin embargo, esta capacidad de templado con un incremento del contenido de carbono continua sólo hasta cierto punto. En la práctica, 0,80 por ciento de carbono es requerida para una dureza máxima. Cuando usted incrementa el contenido de carbono mas allá del 0,80%, no hay incremente de dureza, pero hay un incremento en la resistencia al desgaste. Este incremento en la resistencia al desgaste es debido a la formación de una sustancia llamada cementita dura.

Cuando usted produce una aleación de acero para incrementar su dureza, las aleaciones vuelven al carbono mas efectivo para incrementar la dureza y resistencia. Debido a esto, el contenido de carbono requerido para producir máxima dureza es menor que lo requerido para los acero al carbono ordinarios. Usualmente, las aleaciones de acero son superiores a los aceros al carbono.

Los aceros al carbono son usualmente enfriados rápidamente en salmuera o agua, y las aleaciones de aceros son generalmente enfriadas rápidamente en aceite. Al templar acero al carbono, recuerde que debe enfriar el acero debajo de los 1000ºF en menos de 1 segundo. Cuando agrega aleaciones al acero, el límite de tiempo para que la temperatura caiga debajo de los 1000ºF se incrementa sobre el límite e 1 segundo, y un medio de enfriamiento rápido mas lento puede producir la dureza deseada.

El enfriamiento rápido produce esfuerzos internos extremadamente altos, y para aliviarlos, puede revenir el acero justo antes de que se vuelva frío. La parte es quitada del baño de enfriamiento rápido a una temperatura de cerca de 200ºF dejándola que se enfríe al aire. El rango de temperaturas desde 200ºF bajando hasta la temperatura ambiente es llamado rango de ruptura (o “cracking range”) y usted no quiere que el acero pase a través del mismo.

 

Tempering

After the hardening treatment is applied, steel is often harder than needed and is too brittle for most practical uses. Also, severe internal stresses are set up during the rapid cooling from the hardening temperature.

To relieve the internal stresses and reduce brittleness, you should temper the steel after it is hardened.

Tempering consists of heating the steel to a specific temperature (below its hardening temperature), holding it at that temperature for the required length of time, and then cooling it, usually in still air. The resultant strength, hardness, and ductility depend on the temperature to which the steel is heated during the tempering process.

The purpose of tempering is to reduce the brittleness imparted by hardening and to produce definite physical properties within the steel. Tempering always follows, never precedes, the hardening operation. Besides reducing brittleness, tempering softens the steel. That is unavoidable, and the amount of hardness that is lost depends on the temperature that the steel is heated to during the tempering process. That is true of all steels except high-speed steel. Tempering increases the hardness of high-speed steel.

Tempering is always conducted at temperatures below the low-critical point of the steel. In this respect, tempering differs from annealing, normalizing, and hardening in which the temperatures are above the upper critical point. When hardened steel is reheated, tempering begins at 212°F and continues as the temperature increases toward the low-critical point. By selecting a definite tempering temperature, you can predetermine the resulting hardness and strength. The minimum temperature time for tempering should be 1 hour. If the part is more than 1 inch thick, increase the time by 1 hour for each additional inch of thickness.

Normally, the rate of cooling from the tempering temperature has no effect on the steel. Steel parts are usually cooled in still air after being removed from the tempering furnace; however, there are a few types of steel that must be quenched from the tempering temperature to prevent brittleness. These blue brittle steels can become brittle if heated in certain temperature ranges and allowed to cool slowly. Some of the nickel chromium steels are subject to this temper brittleness.

Steel may be tempered after being normalized, providing there is any hardness to temper. Annealed steel is impossible to temper. Tempering relieves quenching stresses and reduces hardness and brittleness. Actually, the tensile strength of a hardened steel may increase as the steel is tempered up to a temperature of about 450°F. Above this temperature it starts to decrease. Tempering increases softness, ductility, malleability, and impact resistance. Again, high-speed steel is an exception to the rule. High-speed steel increases in hardness on tempering, provided it is tempered at a high temperature (about 1550°F). Remember, all steel should be removed from the quenching bath and tempered before it is completely cold. Failure to temper correctly results in a quick failure of the hardened part.

Permanent steel magnets are made of special alloys and are heat-treated by hardening and tempering. Hardness and stability are the most important properties in permanent magnets. Magnets are tempered at the minimum tempering temperature of 212°F by placing them in boiling water for 2 to 4 hours. Because of this low tempering temperature, magnets are very hard.

Case-hardened parts should not be tempered at too high a temperature or they may loose some of their hardness. Usually, a temperature range from 212°F to 400°F is high enough to relieve quenching stresses.

Some metals require no tempering. The design of the part helps determine the tempering temperature.

Color tempering is based on the oxide colors that appear on the surface of steel, as it is heated. When you slowly heat a piece of polished hardened steel, you can see the surface turn various colors as the temperature changes. These colors indicate structural changes are taking place within the metal. Once the proper color appears, the part is rapidly quenched to prevent further structural change. In color tempering, the surface of the steel must be smooth and free of oil. The part may be heated by a torch, in a furnace, over a hot plate, or by radiation.

Cold chisels and similar tools must have hard cutting edges and softer bodies and heads. The head must be tough enough to prevent shattering when struck with a hammer. The cutting edge must be more than twice as hard as the head, and the zone separating the two must be carefully blended to prevent a line of demarcation. A method of color tempering frequently used for chisels and similar tools is one in which the cutting end is heated by the residual heat of the opposite end of the same tool. To harden and temper a cold chisel by this method, you heat the tool to the proper hardening temperature and then quench the cutting end only. Bob the chisel up and down in the bath, always keeping the cutting edge below the surface. This method air-cools the head while rapidly quenching the cutting edge. The result is a tough head, fully hardened cutting edge, and a properly blended structure. When the cutting end has cooled, remove the chisel from the bath and quickly polish the cutting end with a buff stick (emery). Watch the polished surface, as the heat from the opposite end feeds back into the quenched end. As the temperature of the hardened end increases, oxide colors appear. These oxide colors progress from pale yellow, to a straw color, and end in blue colors. As soon as the correct shade of blue appears, quench the entire chisel to prevent further softening of the cutting edge. The metal is tempered as soon as the proper oxide color appears and quenching merely prevents further tempering by freezing the process. This final quench has no effect on the body and the head of the chisel, because their temperature will have dropped below the critical point by the time the proper oxide color appears on the cutting edge. When you have completed the above described process, the chisel will be hardened and tempered and only needs grinding. During the tempering, the oxide color at which you quench the steel varies with the properties desired in the part. To see the colors clearly, you must turn the part from side to side and have good lighting. While hand tempering produces the same result as furnace tempering, there is a greater possibility for error. The slower the operation is performed, the more accurate are the results obtained.

Revenido

Luego de la aplicación del  tratamiento de templado, el acero queda con frecuencia con mas dureza que lo necesario y es muy frágil para la mayoría de los usos prácticos. Además, los esfuerzos internos severos son formados durante el rápido enfriamiento a partir de la temperatura de templado.

Para liberar los esfuerzos internos y reducir la fragilidad, usted debe revenir al acero luego de que sea templado. El revenido consiste en el calentamiento del acero a una temperatura específica ( debajo de su temperatura de templado), manteniéndolo a dicha temperatura por el período de tiempo requerido, y luego enfriándolo, usualmente en aire en calma. La resistencia resultante, dureza y ductilidad dependen de la temperatura a la cual es acero es calentado durante el proceso de revenido.

El propósito del revenido es reducir la fragilidad impartida por el templado y para producir propiedades físicas definidas dentro del acero. El revenido siempre es el paso siguiente, nunca antecede a la operación de templado. Aparte de reducir a la fragilidad, el revenido ablanda al acero. Esto es inevitable, y la cantidad de dureza que es perdida depende de la temperatura a la que el acero es calentado durante el proceso de revenido. Esto es verdad en todos los aceros, excepto en el acero de alta velocidad. El revenido incrementa la dureza del acero de alta velocidad.

El revenido es siempre llevado a cabo a temperaturas debajo del punto crítico bajo del acero. A este respecto, el revenido difiere del recocido, normalizado y templado en los cuales las temperaturas están sobre el punto crítico superior. Cuando el acero templado es recalentado, el revenido comienza e 212ºF y continua a medida que la temperatura se incrementa hacia el punto crítico inferior. Al seleccionar una temperatura definida de revenido, usted puede predeterminar la dureza resultante y la resistencia. El tiempo de temperatura mínima para el revenido debería ser de 1 hora. Si la parte es de mas de una pulgada de espesor, incremente el tiempo en 1 hora para cada pulgada adicional de espesor.

Normalmente, el régimen de enfriamiento para la temperatura de revenido no tiene efecto sobre el acero. Las partes de acero son usualmente enfriadas en aire en calma luego de ser quitadas del horno de revenido; sin embargo, hay unos pocos tipos de aceros que deben ser rápidamente enfriados desde la temperatura de revenido para evitar la fragilidad. Estos frágiles aceros azules se pueden volver frágiles si son calentados en ciertos rangos de temperatura y se les permite enfriarse lentamente. Algunos de los aceros al níquel cromo están sujetos a esta fragilidad de revenido.

El acero puede ser revenido luego de ser normalizado, considerando que haya alguna dureza para revenir. El acero recocido es imposible de revenir. El revenido alivia los esfuerzos del enfriamiento rápido y reduce la dureza y la fragilidad. En verdad, el esfuerzo de tracción de un acero templado puede incrementarse a medida que el acero es revenido hasta una temperatura de aproximadamente 450ºF. Por encima de esta temperatura el mismo comienza a decrecer. El revenido incrementa el ablande, la ductilidad, la maleabilidad y la resistencia al impacto. Nuevamente, el acero de alta velocidad es una excepción a la regla. El acero de alta velocidad se incrementa en dureza con el revenido, considerando que el mismo es revenido a una temperatura elevada (aproximadamente 1550ºF).

Recuerde, todo el acero deberá ser quitado del baño de enfriamiento rápido y revendido antes de que el mismo esté completamente frío. La falta en el revenido correcto resulta en una rápida falla de la parte templada.

Los imanes permanentes de acero son hechos de aleaciones especiales y son tratados al calor por templado y revenido. La dureza y estabilidad son las propiedades mas importantes en los imanes permanentes. Los imanes son templados en la temperatura mínima de revenido de 212ºF colocándolos en agua hirviendo por 2  a 4 horas. Debido a la baja temperatura de revenido, los imanes son muy resistentes.

La partes con cementado no deben ser revenidas a temperaturas muy elevadas o pueden perder algo de su dureza. Usualmente, un rango de temperatura de 212ºF a 400ºF es lo suficientemente elevado para liberar los esfuerzos del enfriado rápido. Algunos metales no requieren revenido. El diseño de las partes ayuda a determinar la temperatura de revenido. El color del revenido está basado en los colores de los óxidos que aparecen sobre la superficie del acero, a medida que el mismo es calentado. Cuando usted calienta lentamente una pieza de acero templado pulido, podrá ver que la superficie se vuelve de varios colores a medida que la temperatura cambia. Estos colores indican que cambios estructurales están teniendo lugar dentro del metal. Una vez que el color aparece, la parte es rápidamente enfriada para prevenir cambios estructurales posteriores. En el color de revenido, la superficie del acero debe estar pareja y libre de aceite. La parte debe ser calentada mediante un soplete, en un horno sobre una placa caliente, o por radiación.

Los cinceles de banco y herramientas similares, debe tener los bordes de corte duros y cuerpos y cabezas suaves. La cabeza debe ser lo suficientemente fuerte como para evitar la rotura cuando se golpea con un martillo. El borde de corte debe ser más del doble de resistente que la cabeza, y la zona que separa los dos deben ser cuidadosamente homogénea para prevenir una línea de demarcación. Un método de revenido de color usado con frecuencia para cinceles y herramientas similares es una en la que se calienta el extremo de corte por el calor residual del extremo opuesto de la misma herramienta. Para templar y revenir el cincel por este método, se calienta la herramienta a la temperatura adecuada de revenido y luego se somete a templado solamente el extremo de corte. Sumerja el cincel arriba y hacia abajo en el baño, manteniendo siempre el filo de corte por debajo de la superficie. Este método enfría la cabeza al aire, mientras que somete a baño de templado rápidamente el filo de corte. El resultado es una cabeza dura, filo de corte completamente endurecido, y una estructura adecuadamente mezclada. Cuando el extremo de corte se ha enfriado, retire el cincel del baño y rápidamente pula el extremo de corte con un pulidor (para esmerilado). Ponga atención en la superficie pulida,  dado que el calor desde el extremo opuesto se transfiere de nuevo al extremo enfriado. A medida que la temperatura del extremo endurecido se incrementa, los colores de óxido aparecen. Estos colores de óxido progresan del color amarillo pálido, a un color paja, y finaliza en colores azules. Tan pronto como el tono correcto de azul aparece, temple el cincel completo para evitar el posterior ablandamiento del filo de corte. El metal se templa tan pronto como el color de óxido adecuado aparece y temple meramente impide mas atemperado enfriando el proceso. Este enfriamiento final no tiene ningún efecto sobre el  cuerpo y la cabeza del cincel, debido a que sus temperaturas han caído por debajo del punto crítico en el momento que el color de óxido adecuado aparece en el borde de corte. Cuando haya completado el proceso descrito anteriormente, el cincel se ha endurecido y templado, y sólo necesita rectificado. Durante el temple, el color de óxido al cual se enfría el acero varía con las propiedades deseadas en la pieza. Para ver los colores con claridad, debe mover la parte de lado a lado y tener una buena iluminación. Mientras el revenido manual produce el mismo resultado que los hornos de tratamiento térmico, existe una mayor posibilidad de error. Cuanto más lenta sea la operación realizada, más precisos son los resultados obtenidos.

 

 

 

 

 

 

 

 
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