Se conoce como tratamiento térmico el proceso que comprende el calentamiento de los metales o las aleaciones como el acero, en estado sólido a temperaturas definidas, manteniéndolas a esa temperatura por suficiente tiempo, seguido de un enfriamiento a las velocidades adecuadas con el fin de mejorar sus propiedades físicas y mecánicas, especialmente la dureza, la resistencia y la elasticidad. Los materiales a los que se aplica el tratamiento térmico son, básicamente, el acero y la fundición, formados por hierro y carbono. También se aplican tratamientos térmicos diversos a los sólidos cerámicos
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).
§ Mecanizabilidad:
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), unidades ROCKWEL C (HRC), VICKERS (HV),etc.Dureza
Vickers mediante el test del
mismo nombre.
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 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.
Por lo tanto las diferentes estructuras de grano pueden ser
modificadas, obteniendo así aceros con nuevas propiedades mecánicas, pero
siempre manteniendo la compisición química. Estas propiedades varían de acuerdo
al tratamiento que se le de al acero dependiendo de la temperatura hasta la
cual se lo caliente y de como se enfría el mismo. La forma que tendrá el grano
y los microconstituyentes que compondrán al acero, sabiendo la composición
química del mismo (esto es porcentaje de Carbono y Hierro (Fe3))y la
temperatura a la que se encuentra, se puede ver en elDiagrama Hierro Carbono.
A continuación se adjunta a modo de ejemplo una figura que muestra
como varía el grano a medida que el acero es calentado y luego enfriado. Los
microconstituyentes a los que antes se hizo referencia en este caso son la Perlita, la Austenita y la Ferrita.
En la figura que se adjunta a continuación se puede ver con mayor
claridad como varía el grano del latón de acuerdo a la variación de
temperatura en un tratamiento térmico.
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
específicas 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 parte 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 específicas 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.
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 establecidos.
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-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 del acero
Los tratamientos termoquímicos son tratamientos térmicos en los
que, además de los cambios en la estructura del acero, también se producen
cambios en la composición química de la capa superficial, añadiendo
diferentes productos químicos hasta una profundidad determinada. Estos
tratamientos requieren el uso de calentamiento y enfriamiento controlados en
atmósferas especiales.
Entre los objetivos más comunes de estos tratamientos están
aumentar la dureza superficial de las piezas dejando el
núcleo más blando y tenaz,
disminuir el rozamiento aumentando el poder lubrificante,
aumentar la resistencia al desgaste,
aumentar la resistencia a fatiga o aumentar la resistencia a la corrosión.
§ Cementación (C): 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 (N): 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 y 525 °C, dentro de una
corriente de gas amoníaco, más nitrógeno.
§ Cianuración (C+N): endurecimiento superficial de
pequeñas piezas de acero. Se
utilizan baños con cianuro, carbonato y cianato
sódico. Se aplican temperaturas entre 760 y 950 °C.
§ Carbonitruración (C+N): al igual que la cianuración,
introduce carbono y nitrógeno en una capa superficial, pero con hidrocarburos como metano, etano o propano; amoníaco (NH3) y monóxido de carbono (CO). En el proceso se requieren
temperaturas de 650 a 850 °C y es necesario realizar un temple y un
revenido posterior.
§ Sulfinización (S+N+C): 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.
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 y revenido: bonificado
Después 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.
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Tabla
de temperaturas para revenido de acero endurecido
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Color
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Grados
C
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Tipos
de aceros
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Paja claro
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220
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Herramientas como brocas,
machuelos
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Paja mediano
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240
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Punzones dados y fresas
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Paja oscuro
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255
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Cizallas y martillos
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Morado
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270
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Árboles y cinceles para madera
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Azul obscuro
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300
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Cuchillos y cinceles para acero
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Azul claro
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320
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Destornilladores y resortes
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Recocido
El recocido es el tratamiento térmico que, en general, tiene como
finalidad principal el ablandar el acero u otros metales, 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 homogeneización
En el recocido de homogeneización, propio de los aceros
hipoeutectoides, la temperatura de calentamiento es la correspondiente a A3+200ºC
sin llegar en ningún caso a la curva de sólidos, realizándose en el propio
horno el posterior enfriamiento lento, siendo su objetivo principal eliminar
las heterogeneidades producidas durante la solidificación.
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 aplica 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 globulización
Usado en aceros hipoeutectoides para ablandarlos después de un
anterior trabajo en frío. Por lo general se desea obtener globulización en
piezas como placas delgadas que deben tener alta embutición y baja dureza. Los
valores más altos de embutición por lo general están asociados con la
microestructura globulizada que solo se obtiene en un rango entre los 650 y 700
grados centígrados. Temperaturas por encima de la crítica producen formación de
austenita que durante el enfriamiento genera perlita, ocasionando un aumento en
la dureza no deseado. Por lo general piezas como las placas para botas de
protección deben estar globulizadas para así obtener los dobleces necesarios
para su uso y evitar rompimiento o agrietamiento. Finalmente son templadas para
garantizar la dureza. Es usado para los aceros hipereutectoides, es decir con
un porcentaje 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 recocido está entre AC3 y AC1.
Ejemplo
- El ablandamiento de aceros aleados para herramientas de más de
0.8% de C.
Recocido de subcrítico
Para un acero al carbono hipoeutectoide: La microestructura
obtenida en este tratamiento varía según la temperatura de recocido. Por lo
general las que no excedan los 600 grados liberarán tensiones en el material y
ocasionaran algún crecimiento de grano (si el material previamente no fue
templado). Generalmente mostrando Ferrita-Perlita. Por encima de los 600 y bajo
los 723 se habla de recocido de globulización puesto que no sobrepasa la
temperatura crítica. En este caso no hay grano de perlita, los carburos se
esferoidizan y la matriz es totalmente ferrítica. 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 usado para
aceros aleados de gran resistencia, al Cr-Ni, Cr-Mo, etcétera. 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 0.4 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
0,6 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 amoníaco se logran superficies duras como en los métodos
anteriores.
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Tratamiento
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Medio
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Temperatura
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Espesor
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Dureza
|
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Cementación
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Carbón sólido
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Austenitica
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Mayor
|
Menor
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Carbo Nitruración
|
Gas (metano + amoníaco
|
Austenitica
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Cianuración
|
Baño de sales
|
Austenitica
|
Menor
|
Mayor
|
|
Nitruración
|
Gas
|
500 a 560° C
|
Veamos por qué