Tratamiento térmico

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Tratamiento térmico

Se conoce como tratamiento térmico el proceso al que se someten los metales con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas, especialmente la dureza, la resistencia y la tenacidad. Los materiales a los que se aplica el tratamiento térmico son, básicamente, el acero y la fundición, formados por hierro y carbono.

Propiedades mecánicas

Las características mecánicas de un material dependen tanto de su composición química como de la estructura cristalina que tenga. Los tratamientos térmicos modifican esa estructura cristalina sin alterar la composición química, dando a los materiales unas características mecánicas concretas, mediante un proceso de calentamientos y enfriamientos sucesivos hasta conseguir la estructura cristalina deseada.

Entre estas características están:

• Resistencia al desgaste: Es la resistencia que ofrece un material a dejarse erosionar cuando está en contacto de fricción con otro material.
• Tenacidad: Es la capacidad que tiene un material de absorber energía sin producir fisuras (resistencia al impacto).
• Maquinabilidad: Es la facilidad que posee un material de permitir el proceso de mecanizado por arranque de viruta.
• Dureza: Es la resistencia que ofrece un acero para dejarse penetrar. Se mide en unidades BRINELL (HB) o unidades ROCKWEL C (HRC), mediante el test del mismo nombre.

resumen extraido del libro Ciencia e Ingenieria de los Materiales de DONALD R. ASKELAN

En los materiales pueden ocurrir muchos tipos de transformaciones de estado solido y pueden controlarse con los tratamientos térmicos adecuados. Estos tratamientos térmicos están diseñados para proporcionar una distribución óptima de dos o más fases en la microestructura. El endurecimiento por dispersión resultante causado por las fases nos permite obtener una gran variedad de estructuras y propiedades en los materiales. En la más común de estas transformaciones -excediendo el limite de solubilidad, endurecimiento por envejecimiento, control del eutectoide y la reacción martensítica- se pretende producir una microestructura final que contenga una distribución uniforme de muchas partículas finas y duras de precipitado en una matriz más blanda y dúctil. Haciendo esto, es posible obstaculizar de modo efectivo el movimiento de las dislocaciones, proporcionando así resistencia paro manteniendo aún una ductilidad y tenacidad convenientes. El control cuidadoso de las temperaturas en el tratamiento térmico, así como sus tiempos es esencial para obtener la microestructura apropiada. Los diagramas de fases sirven para seleccionar las temperaturas apropiadas, pero se necesitan datos experimentales para lograr finalmente la combinación óptima de tiempos, temperaturas y composiciones. Finalmente, puesto que se obtienen propiedades optimas a través del tratamiento térmico, debemos tener presente que la estructura y las propiedades pueden modificarse cuando el material se utiliza en altas temperaturas. El sobreenvejecimiento, el sobrerrevenido y la perdida de coherencia pueden ocurrir como una ampliación natural del fenómeno que rige estas transformaciones cuando el material es puesto en servicio.

GLOSARIO

• Ángulo diedro (dihedral angle) Ángulo que define la forma de una partícula de precipitado de una matriz. Esta determinado por las energías superficiales relativas. Se le llama también diedro, a secas.

• Austenita (austenite) Denominación de la estructura cristalina BBB del hierro.

• Bainita (bainite) Microconstituyente bifásico que contiene ferrita y cementita, se forma en aceros transformados isotérmicamente a relativamente bajas temperaturas.

• Cementita (cementite) Compuesto intermetálico duro y frágil, Fe₃C, que cuando se dispersa apropiadamente proporciona el endurecimiento en los aceros.

• Endurecimiento por envejecimiento (age hardening) Tratamiento térmico especial de endurecimiento por dispersión. Se forma un precipitado coherente a través de un tratamiento por solución, un templado y un envejecimiento. El precipitado proporciona un efecto de endurecimiento sustancial. También es conocido como endurecimiento por precipitación.

• Energía de deformación (strain energy) energía requerida para que un precipitado se ajuste en la matriz circundante durante la nucleación y el crecimiento del precipitado.

• Energía interfacial (interfacial energy) energía relacionada con el limite (interficie o interfaz) de dos fases.

• Envejecimiento artificial (artificial aging) Recalentamiento de una aleación tratada por solución y templada a una temperatura debajo de solvus para proporcionar la energía térmica requerida para que se forme un precipitado.

• Envejecimiento natural (natural aging) Formación de un precipitado coherente de una aleación endurecible por envejecimiento tratada por solución y templada a temperatura ambiente, proporcionando un endurecimiento optimo.

• Estructura Widmanstatten (Widmanstatten structure) Precipitación de una segunda fase a partir de la matriz cuando hay una relación cristalográfica fija entre el precipitado y las estructuras cristalinas de la matriz. A menudo se forman estructuras aciculares o en forma de placas en la estructura Widmanstatten.

• ferrita (ferrite) Denominación de la estructura cristalina CC del hierro.

• Martensita (martensite) Fase metaestable formada en el acero y otros materiales a través de una transformación atérmica sin difusión.

• Perlita (pearlite) Microconstituyente laminar bifásico, que contiene ferrita y cementita, formado en los aceros que son enfriados de una manera normal o que son transformados isotérmicamente a temperaturas relativamente altas.

• Precipitado coherente (coherent precipítate) Precipitado cuya estructura cristalina y arreglo atómico tienen una relación continua con la matriz de la cual se formó. El precipitado coherente proporciona una excelente interrupción del arreglo atómico en la matriz y un excelente endurecimiento.

• Revenido (tempering) Tratamiento térmico de baja temperatura utilizado para reducir la dureza de la martensita, permitiendo a esta descomponerse en las fases de equilibrio.

• Solución sólida sobresaturada (supersaturated solid solution) Solución solida formada cuando un material se enfría rápidamente de una región de una sola fase a alta temperatura a una región de dos fases a baja temperatura, sin que la segunda fase se precipite. Debido a que la fase templada contiene más elemento de aleación que el límite de solubilidad, se encuentra supersaturada en ese elemento.

• Transformación atérmica (athermal transformation) Cambio en el que a magnitud de la transformación depende solo de la temperatura y no del tiempo.

• Transformación isotérmica (isothermal transformation) Cuando la cantidad de transformación a una temperatura en particular depende del tiempo permitido para la transformación.

• Tratamiento por solución (solution treatment) Primer paso en el tratamiento térmico de endurecimiento por envejecimiento. La aleación se calienta por encima de la temperatura de solvus para disolver segunda fase y para producir una estructura homogénea de una sola fase.

• Zonas de Guinier-Preston (Guinier-Preston zones) Diminutas aglomeraciones de átomos que se precipitan de la matriz en las primeras etapas del proceso de endurecimiento por envejecimiento. Aunque las zonas GP son coherentes con la matriz, son muy pequeñas para proporcionar un endurecimiento óptimo.

Mejora de las propiedades a través del tratamiento térmico

Las propiedades mecánicas de las aleaciones de un mismo metal, y en particular de los aceros, reside en la composición química de la aleación que los forma y el tipo de tratamiento térmico a los que se les somete. Los tratamientos térmicos modifican la estructura cristalina que forman los aceros sin variar la composición química de los mismos.

Esta propiedad de tener diferentes estructuras de grano con la misma composición química se llama Polimorfismo y es la que justifica los tratamientos térmicos. Técnicamente el poliformismo es la capacidad de algunos materiales de presentar distintas estructuras cristalinas, con una única composición química, el diamante y el Grafito son polimorfismos del carbono. La α-ferrita, la austenita y la δ-ferrita son polimorfismos del hierro. Esta propiedad en un elemento químico puro se denomina Alotropía.

Propiedades mecánicas del acero

El acero es una aleación de hierro y carbono que contiene otros elementos de aleación, los cuales le confieren propiedades mecánicas especificas para su utilización en la industria metalmecánica.

Los otros principales elementos de composición son el cromo, tungsteno, manganeso, níquel, vanadio, cobalto, molibdeno, cobre, azufre y fósforo. A estos elementos químicos que forman del acero se les llama componentes, y a las distintas estructuras cristalinas o combinación de ellas constituyentes.

Los elementos constituyentes, según su porcentaje, ofrecen características especificas para determinadas aplicaciones, como herramientas, cuchillas, soportes, etcétera. La diferencia entre los diversos aceros, tal como se ha dicho depende tanto de la composición química de la aleación de los mismos, como del tipo de tratamiento térmico a los que se les somete.

Tratamientos térmicos del acero

El tratamiento térmico en el material es uno de los pasos fundamentales para que pueda alcanzar las propiedades mecánicas para las cuales está creado. Este tipo de procesos consisten en el calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado sólido para cambiar sus propiedades físicas. Con el tratamiento térmico adecuado se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamaño del grano, incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un interior dúctil. La clave de los tratamientos térmicos consiste en las reacciones que se producen en el material, tanto en los aceros como en las aleaciones no férreas, y ocurren durante el proceso de calentamiento y enfriamiento de las piezas, con unas pautas o tiempos establecido.

Para conocer a que temperatura debe elevarse el metal para que se reciba un tratamiento térmico es recomendable contar con los diagramas de cambio de fases como el de hierro–hierro–carbono. En este tipo de diagramas se especifican las temperaturas en las que suceden los cambios de fase (cambios de estructura cristalina), dependiendo de los materiales diluidos.

Los tratamientos térmicos han adquirido gran importancia en la industria en general, ya que con las constantes innovaciones se van requiriendo metales con mayores resistencias tanto al desgaste como a la tensión. Los principales tratamientos térmicos 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 temperatura de austenitización (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 objeto 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.

Tratamientos termoquímicos del acero

En el caso de los tratamientos térmicos no sólo se producen cambios en la estructura del acero sino también en su Composición química, añadiendo diferentes productos químicos durante el proceso del tratamiento. Estos tratamientos tienen un efecto sólo superficial en las piezas tratadas y consiguen aumentar la dureza superficial de los componentes, dejando el núcleo más blando y flexible. Estos tratamientos requieren el uso de calentamiento y enfriamiento en atmósferas especiales.

• Cementación: Aumenta la dureza superficial de una pieza de acero dulce, aumentando la concentración de carbono en la superficie. Se consigue teniendo en cuenta el medio o atmósfera que envuelve el metal durante el calentamiento y enfriamiento. El tratamiento logra aumentar el contenido de carbono de la zona periférica, obteniéndose después, por medio de temples y revenidos, una gran dureza superficial, resistencia al desgaste y buena tenacidad en el núcleo.
• Nitruración: Al igual que la cementación, aumenta la dureza superficial, aunque lo hace en mayor medida, incorporando nitrógeno en la composición de la superficie de la pieza. Se logra calentando el acero a temperaturas comprendidas entre 400-525 °C, dentro de una corriente de gas amoniaco, más nitrógeno.
• Sulfinización: Aumenta la resistencia al desgaste por acción del azufre. El azufre se incorporó al metal por calentamiento a baja temperatura (565 °C) en un baño de sales.
• Cianuración: Endurecimiento superficial de pequeñas piezas de acero. Se utilizan baños con Cianuro, Carbonato y Cianato sódico. Se aplican temperaturas entre 760 y 950 °C.

Ejemplos de tratamientos

Endurecimiento del acero

El proceso de endurecimiento del acero consiste en el calentamiento del metal de manera uniforme a la temperatura correcta (ver figura de temperaturas para endurecido de metales) y luego enfriarlo con agua, aceite, aire o en una cámara refrigerada. El endurecimiento produce una estructura granular fina que aumenta la resistencia a la tracción (tensión) y disminuye la ductilidad. El acero al carbono para herramientas se puede endurecer al calentarse hasta su temperatura crítica, la cual se adquiere aproximadamente entre los 790 y 830 °C, lo cual se identifica cuando el metal adquiere el color rojo cereza brillante. Cuando se calienta el acero la perlita se combina con la ferrita, lo que produce una estructura de grano fino llamada austenita. Cuando se enfría la austenita de manera brusca con agua, aceite o aire, se transforma en martensita, material que es muy duro y frágil.

Temple (con revenido)

Despues que se ha endurecido el acero es muy quebradizo o frágil lo que impide su manejo pues se rompe con el mínimo golpe debido a la tensión interior generada por el proceso de endurecimiento. Para contrarrestar la fragilidad se recomienda el temple del acero (en algunos textos a este proceso se le llama revenido y al endurecido temple). Este proceso hace más tenaz y menos quebradizo el acero aunque pierde algo de dureza. El proceso consiste en limpiar la pieza con un abrasivo para luego calentarla hasta la temperatura =) adecuada (ver tabla), para después enfriarla con rapidez en el mismo medio que se utilizó para endurecerla.

Tabla de temperaturas para revenido de acero endurecido

Color	Grados C	Tipos de aceros
Paja claro	220	Herramientas como brocas, machuelos
Paja mediano	240	Punzones dados y fresas
Paja obscuro	255	Cizallas y martillos
Morado	270	Árboles y cinceles para madera
Azul obscuro	300	Cuchillos y cinceles para acero
Azul claro	320	Destornilladores y resortes

Recocido

El recocido es el tratamiento térmico que, en general, tiene como finalidad principal el ablandar el acero, regenerar la estructura de aceros sobrecalentados o simplemente eliminar las tensiones internas que siguen a un trabajo en frío. (Enfriamiento en el horno).

Recocido de Regeneración

También llamado normalizado, tiene como función regenerar la estructura del material producido por temple o forja. Se aplica generalmente a los aceros con más del 0.6% de C, mientras que a los aceros con menor porcentaje de C sólo se les plica para finar y ordenar su estructura

Ejemplo:

Después de un laminado en frío, donde el grano queda alargado y sometido a tensiones, dicho tratamiento devuelve la microestructura a su estado inicial.

Recocido de Globular

Es usado para los aceros hipereutectoides, es decir con un procentaje mayor al 0,89 % de C, para conseguir la menor dureza posible que en cualquier otro tratamiento, mejorando la maquinabilidad de la pieza. La temperatura de recociodo está entre AC3 y AC1.

Ejemplo:

- El ablandamiento de aceros aleados para herramientas de más de 0.8% de C.

Recocido de Subcrítico

Se usa para aceros de forja o de laminación, para lo cual se usa una temperatura de recocido inferior a AC1, pero muy cercana. Mediante este procedimiento se destruyen las tensiones internas producidas por su moldeo y mecanización. Comúnmente es usadopara aceroa aleados de gran resistencia, al Cr-Ni, Cr-Mo, etcetera. Este procedimiento es mucho más rápido y sencillo que los antes mencionados, su enfriamiento es lento.

Cementado

Consiste en el endurecimiento de la superficie externa del acero al bajo carbono, quedando el núcleo blando y dúctil. Como el carbono es el que genera la dureza en los aceros en el método de cementado se tiene la posibilidad de aumentar la cantidad de carbono en los aceros de bajo contenido de carbono antes de ser endurecido. El carbono se agrega al calentar al acero a su temperatura crítica mientras se encuentra en contacto con un material carbonoso. Los tres métodos de cementación más comunes son: empacado para carburación, baño líquido y gas.

Carburización por empaquetado

Este procedimiento consiste en meter al material de acero con bajo contenido carbónico en una caja cerrada con material carbonáceo y calentarlo hasta 900 a 927 °C durante 4 a 6 horas. En este tiempo el carbono que se encuentra en la caja penetra a la superficie de la pieza a endurecer. Cuanto más tiempo se deje a la pieza en la caja con carbono de mayor profundidad será la capa dura. Una vez caliente la pieza a endurecer a la temperatura adecuada se enfría rápidamente en agua o salmuera. Para evitar deformaciones y disminuir la tensión superficial se recomienda dejar enfriar la pieza en la caja para posteriormente sacarla y volverla a calentar entre 800 y 845 °C (rojo cereza) y proceder al enfriamiento por inmersión. La capa endurecida más utilizada tiene un espesor de 0,38 mm, sin embargo se pueden tener espesores de hasta 4 mm.

Carburización en baño líquido

El acero a cementar se sumerge en un baño de cianuro de sodio líquido. También se puede utilizar cianuro de potasio pero sus vapores son muy peligrosos. Se mantiene la temperatura a 845 °C durante 15 minutos a 1 hora, según la profundidad que se requiera. A esta temperatura el acero absorberá el carbono y el nitrógeno del cianuro. Después se debe enfriar con rapidez al acero en agua o salmuera. Con este procedimiento se logran capas con espesores de 0,75 mm.

Carburización con gas

En este procedimiento se utilizan gases carburizantes para la cementación. La pieza de acero con bajo contenido carbónico se coloca en un tambor al que se introduce gas para carburizar como derivados de los hidrocarburos o gas natural. El procedimiento consiste en mantener al horno, el gas y la pieza entre 900 y 927 °C. después de un tiempo predeterminado se corta el gas carburizante y se deja enfriar el horno. Luego se saca la pieza y se recalienta a 760 °C y se enfría con rapidez en agua o salmuera. Con este procedimiento se logran piezas cuya capa dura tiene un espesor hasta de 6 mm, pero por lo regular no exceden de 0.7 mm.

Carburado, cianurado y nitrurado

Existen varios procedimientos de endurecimiento superficial con la utilización del nitrógeno y cianuro a los que por lo regular se les conoce como carbonitrurado o cianurado. En todos estos procesos con ayuda de las sales del cianuro y del amoniaco se logran superficies duras como en los métodos anteriores.

Referencias

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