Hornos y tratamientos térmicos - Instituto Balseiro - CNEA

Hornos y tratamientos
térmicos
[Trabajo práctico #4]
Materiales y Combustibles Nucleares 2008
Ingeniería Nuclear
Instituto Balseiro, CNEA, UNCu
1
Autores:
Bazzana Santiago
Hegoburu Pablo
Ordoñez Mariano
Pieck Darío

Materiales y combustibles nucleares 2008
Nuclear - Instituto Balseiro
Ingeniería
Bazzana Santiago, Hegoburu Pablo, Ordoñez Mariano, Pieck Dario
En este trabajo se analizan los datos obtenidos en la visita
al edificio de materiales del CAB, en el cual se observaron
distintos hornos y se realizó un ensayo de dureza, para
distintas probetas de un mismo material (acero 3335),
tratadas por distintos procesos de endurecimiento térmico.
1. Introducción
Un horno es un dispositivo que genera calor y que lo mantiene dentro de
un compartimiento cerrado. En la industria metalúrgica, se lo utiliza para
realizar tratamientos térmicos sobre los materiales, de modo de obtener
propiedades mecánicas y microestructuras deseadas para algún uso
particular (mediante el agregado de aleantes y/o el método de enfriado).
Según su principio de funcionamiento, se los puede agrupar en 3 tipos:
• Calentamiento por efecto Joule, entre los cuales se encuentran
los hornos de inducción eléctrica y arco eléctrico.
• Calentamiento por elevación de la temperatura del medio
circundante, como los hornos de calentamiento por resistencia
eléctrica y los de calentamiento por combustión.
• Calentamiento por interacción de radiación con la muestra,
entre ellos, los que emplean radiación láser y los de haces de
electrones.
Calentamiento por Efecto Joule
INDUCCIÓN ELÉCTRICA
Este tipo de hornos establecen corrientes parásitas en la muestra a través
de un campo magnético variable generalmente inducido por una bobina
2

exterior en medios cerrados o abiertos. Las corrientes al circular por el
material, el cual posee una resistencia dada, producen calentamiento en
forma volumétrica por el denominado efecto Joule. Con estos hornos se
puede focalizar el lugar donde se produce el calentamiento, teniendo la
ventaja de producir materiales de alta pureza o crecimiento de grano
controlado.
CALENTAMIENTO POR ARCO ELÉCTRICO
En este tipo de hornos se introduce una corriente eléctrica en la muestra
a través de su superficie, provista por un electrodo no consumible
adecuadamente elegido. El principio de funcionamiento es similar al de las
soldadoras T.I.G. descriptas en trabajos anteriores. El crisol debe ser
seleccionado de tal forma que sea conductor eléctrico, resista las condiciones
de trabajo y no reaccione químicamente con el material a fundir.
Calentamiento del medio circundante:
CALENTAMIENTO POR RESISTENCIA ELÉCTRICA
Esta clase de hornos produce la elevación de temperatura de un
ambiente en donde se introduce el material a fundir. Tal elevación de
temperatura es realizada por el paso de altas densidades de corriente
eléctrica a través de una resistencia elegida para tal fin. El calor llega desde la
resistencia al material a través de radiación y convección. Se debe aislar
adecuadamente el ambiente de calentamiento para no perder eficiencia
calorífica. La mayoría de estos hornos suelen llegar hasta los 1100. En un
horno de este tipo fue donde se realizó el calentamiento de las probetas para
realizar, con ellas, las comparación de los distintos métodos de
endurecimiento.
CALENTAMIENTO POR COMBUSTIÓN
Estos hornos generan calor a través de la combustión de ciertas sustancias
con poderes caloríficos altos, este calor se transmite al material a través del
medio circundante o por contacto directo. Existen hornos por combustión
que producen una llama, a la cual se expone al material y otros donde el
material combustionante no genera llama.
3

Calentamiento por interacción de radiación:
CALENTAMIENTO LÁSER
Los hornos láser, como su nombre lo indica, hacen incidir uno o varios
haces láser en la superficie del material a fundir, con lo que se eleva la
temperatura del mismo hasta la condición deseada. Las configuraciones son
diversas, pero en general se trabaja con atmósfera controlada de gases
inertes o vacío. Tiene la gran ventaja de ser altamente preciso en la
focalización del calentamiento producido y las altas temperaturas logradas.
CALENTAMIENTO POR HAZ DE ELECTRONES
Este horno trabaja con condiciones similares al horno láser, con la
diferencia que en este caso se hacen incidir electrones sobre la superficie de
la muestra, lo cual permite mayor penetración y permite derretir mayor
volumen de material. Este tipo de hornos funden en atmósfera de vacío dado
el bajo camino libre medio de los electrones en pequeñas presiones
absolutas de gas.
2. Desarrollo
En la visita realizada al laboratorio de materiales, se observaron los
siguientes hornos:
Hornos de Fundición:
HORNO INDUCTIVO
Uno de los hornos observados en la visita y su crisol. El crisol es de
alúmina o grafito y tiene una capacidad de 12 kg de acero y 1,6 lt, el mismo
está rodeado de la bobina que produce la inducción, la cual está refrigerada
por agua y la tensión en bornes de ésta no supera los 150 V, con lo que se
produce una corriente menor a 300 A. La potencia es de 80 kW, con una
frecuencia de 4 kHz, suministrados por una fuente que posee un bastidor
propio en el cual se pueden elegir los parámetros eléctricos. Posee una
cámara de alto vacío a la cual una vez cerrada se puede acceder mediante
una compuerta por la cual pueden ingresar los siguientes accesorios: un
pirómetro infrarrojo para la medición de la temperatura, una termocupla de
PtRd sumergible, un cargador de aleantes y un mezclador.
4

Además, el laboratorio posee otro horno de inducción, el cual permite la
focalización del calor entregado, por lo tanto es utilizado en trabajos
especiales, como ser el crecimiento de granos y purificación de materiales
por difusión. La muestra es introducida en el horno y la bobina calentadora
es desplazada desde la parte inferior a la superior "empujando" las partículas
indeseables por difusión.
HORNO DE RESISTENCIA ELÉCTRICA
Uno de los hornos de resistencia eléctrica observado se muestra en la
figura
, está revestido interiormente por ladrillos refractarios que se calientan por
medio de resistencias de FeNi o Kanthal 1400 (no oxidable) colocadas entre
ellos.
El material a fundir se coloca dentro del horno en un crisol. El material del
crisol varía dependiendo de las temperaturas a las que debe ser sometido y
del tipo de acero o aleación que debe fundirse. Una vez fundido el material
se vierte en el molde deseado.
5

Los hornos de resistencia presentes son del tipo mufla, de pequeñas
dimensiones. Estos hornos no son utilizados como hornos principales de
fundición sino para realizar tratamientos térmicos, que fue para lo que lo
utilizamos nosotros. En ellos se puede regular la temperatura con una
precisión de un grado centígrado.
En el caso de necesitar una mayor capacidad de aislación se puede utilizar
material refractario poroso, el cual posee un tercio de la densidad de los
ladrillos anteriores y en caso de querer mayor aislación aún se pueden utilizar
mantas de alúmina.
HORNO DE ARCO ELÉCTRICO
El horno de arco eléctrico observado se muestra en la figura
, consiste en una campana de vidrio con un crisol de Cu cuya configuración se
elige según el trabajo a realizar para colocar el material a fundir.
Dentro de la campana se genera vacío o atmósfera inerte de Ar. Mediante
la utilización de una torcha de Cu con punta de W se genera un arco eléctrico
contra la pieza produciendo altas temperaturas en ella y causando la
6

fundición de aquella, tal arco se genera con un dispositivo tipo gatillo igual al
utilizado en la soldadora T.I.G.
Debido a las altas temperaturas producidas en la punta de W, la torcha
posee un circuito de refrigeración por agua, y el horno permite desplazar o
girar las piezas que se encuentran en el interior de la campana mediante un
dispositivo para tal fin.
Una de las ventajas del crisol de Cu es que no es soluble en los materiales
a fundir y tampoco desgasa.
3. Experiencias
Luego de esta breve visita para conocer los distintos tipos de hornos se
realizó el calentamiento de 5 probetas de acero 3335, esta nomenclatura
quiere significar que el acero está compuesto por 3,5 % de Ni, 1,57% de Cr y
0,35% de C, para después someterlas a distintos tipos de métodos de
endurecimiento y poder compararlos posteriormente.
Los distintos métodos de endurecimiento que se realizaron fueron:
templado, templado y revenido (1 hora), normalizado (sin tratamiento
térmico), enfriado al aire (normalizado) y recocido.
El templado es un tratamiento térmico al que se somete el acero -
concretamente a piezas o masas metálicas ya conformadas en el
mecanizado- para aumentar su dureza, resistencia a esfuerzos y tenacidad. El
proceso se lleva a cabo calentando el acero a una temperatura aproximada
de 915°C en el cual la ferrita se convierte en austenita, después la masa
metálica es enfriada rápidamente, sumergiéndola o rociándola en agua, en
aceite o en otros fluidos o sales. Después del temple siempre se suele hacer
un revenido.
Es uno de los principales tratamientos térmicos que se realizan y lo que
hace es disminuir y afinar el tamaño del grano de la alineación de acero
correspondiente. Se pretende la obtención de una estructura totalmente
martensítica.
El revenido es un tratamiento térmico que sigue al de templado del acero.
Tiene como fin reducir las tensiones internas de la pieza originadas por el
temple o por deformación en frío. Mejora las características mecánicas
reduciendo la fragilidad, disminuyendo ligeramente la dureza, que será más
importante cuanto más elevada sea la temperatura de revenido.
7

El recocido es el tratamiento térmico que, en general, tiene como
finalidad principal ablandar el acero, regenerar la estructura de aceros
sobrecalentados o simplemente eliminar las tensiones internas que siguen a
un trabajo en frío. Implica un calentamiento hasta una temperatura que
permita obtener plenamente la fase estable a alta temperatura seguido de
un enfriamiento lo suficientemente lento como para que se desarrollen todas
las reacciones completas.
El normalizado es un tratamiento térmico que se emplea para dar al acero
una estructura y unas características tecnológicas que se consideran
normales. El procedimiento consiste en calentar la pieza entre 55 y 85 grados
centígrados por encima de de la temperatura crítica superior, y mantener esa
temperatura el tiempo suficiente para conseguir la transformación completa
en austenita. A continuación se deja enfriar en aire tranquilo. Con esto se
consigue una estructura perlítica con el grano más fino y más uniforme que la
estructura previa al tratamiento, consiguiendo un acero más tenaz. Es lo que
llamamos perlita fina.
Una vez finalizados los distintos tratamientos, se prosiguió con el ensayo
de dureza (Rockwell).
Se obtuvieron los siguientes resultados:
Tipo de tratamiento
Dureza (HRC)
Templado en agua 55
Templado en agua y revenido (1 35,5
hora)
Normalizado (de fábrica) 38,5
Normalizado (enfriado al aire) 48
Recocido 21
Tabla 1: Resultados obtenidos del ensayo de dureza.
Puede observarse que, como era de esperar, la probeta que fue templada
en agua es la que más dureza presenta, seguido por la probeta enfriada al
aire, la proveniente de fábrica, el templado con revenido y por último el
recocido.
8

4. Conclusiones
Se visitó las instalaciones del edificio de materiales del CAB. Por medio de
ésta se pudieron conocer las técnicas y procedimientos utilizados en el
proceso de fundición y tratamiento térmico de materiales. Además se
pudieron observar dispositivos de amplio uso en la industria y laboratorios
para la tarea de fundición de metales y otros compuestos, como así también
sus costos y limitaciones.
Se realizaron distintos tratamientos térmicos sobre cuatro probetas:
templado en agua, templado y revenido, recocido y normalizado. Luego, se
ensayó la dureza para estas probetas, y para una sin tratar.
Los datos obtenidos concuerdan con los resultados esperados, salvo por la
gran diferencia entre los dos normalizados. Esto puede deberse a un
reacomodamiento de vacancias en clústeres, aumentando la dureza del
material.
9