Los materiales metalúrgicos frecuentemente son sometidos a ciertos procesos o ciclos de calentamiento y enfriamiento a velocidades determinadas mediante los cuales se consiguen propiedades más convenientes para su utilización industrial.
Estos procesos se denominan TRATAMIENTOS TÉRMICOS y según la temperatura que se alcanza en el calentamiento, y la velocidad del enfriamiento posterior, se clasifican en:
· recocido
· normalizado
· temple
· revenido
Los aceros son los materiales más ampliamente usados en los cuales siempre se hace algún tratamiento térmico antes de su utilización y a ellos nos referiremos en particular. Estos presentan ciertas temperaturas en las cuales se producen modificaciones en su estructura íntima; tales temperaturas se llaman puntos críticos y es necesario llegar a ellos en el calentamiento, y aún pasar un poco más, para lograr la transformación deseada. El gráfico nos muestra cómo se produce el calentamiento de un acero hasta 30-50ºC por encima de la temperatura crítica superior, manteniendo un cierto tiempo esta temperatura, dependiendo del espesor de la pieza; luego, según la velocidad con que enfriemos, tenemos los tres procesos.
Recocido
o Se hace con enfriamiento lento, generalmente dentro del mismo horno de calentamiento.
o Mediante este proceso se consigue:
§ ablandar el acero para facilitar su trabajo.
§ A temperatura algo superior se consigue homogeneizar la composición.
§ También puede hacerse un recorrido sin llegar a la temperatura crítica (subcrítico) con el propósito de eliminar las tensiones internas, que son tensiones elásticas remanentes del colado, trabajado en caliente, etcétera, y que si no se eliminan pueden provocar la ruptura de piezas aparentemente sanas.
o Tenemos distintos tipos:
§ Recocido de regeneración. Tiene por objeto afinar el grano de los aceros sobrecalentados.
§ Recocido globular. Se realiza para lograr una más fácil deformación en frío.
§ Recocido contra la acritud. Recuperamos las propiedades perdidas en la deformación en frío (acritud).
§ Recocido de ablandamiento. Ablandamos piezas templadas con anterioridad para su mecanización.
§ Recocido de estabilización. Elimina las tensiones de las piezas trabajadas en frío.
§ Recocido isotérmico. Mejoramos la maquinabilidad de las piezas estampadas en caliente.
§ Doble recocido. Para lograr una estructura mecanizable en aceros de alta aleación
Normalizado
o Se enfría con una velocidad intermedia, el enfriamiento para normalizar se hace sacando la pieza del horno en que se ha calentado por encima de la temperatura crítica superior, y dejándola enfriar al aire (calmo o en movimiento), en montón o individualmente, según la velocidad deseada.
o Con el normalizado se consigue:
§ una mayor resistencia con poca disminución de la ductilidad, sin llegar al endurecimiento por temple.
Para comprenderlo es necesario conocer previamente que los metales se encuentran formados por cristales o granos metálicos, los que se agrandan cuando se someten a temperaturas elevadas durante prolongado tiempo, y que ese tamaño se mantiene si se enfría lentamente, en cambio se reduce o afina cuanto mayor es la velocidad de enfriamiento. Ocurre que cuando se forja un acero, por ejemplo, hay partes que se calientan más que otras y asimismo algunas enfrían más rápidamente que otras y en consecuencia la pieza presenta distintas zonas con granos de tamaño diferentes. Como este tamaño de grano tiene una gran influencia sobre las propiedades mecánicas (grano fino, mayor resistencia), es necesario normalizar el tamaño de grano, o sea llevar la pieza a una condición normal o uniforme. Regulando la velocidad de enfriamiento puede lograrse a voluntad el tamaño de grano más conveniente.
Temple
- Teniendo el acero caliente en un horno a temperatura por encima de la crítica superior, procedemos a enfriar bruscamente con aceite.
- En esta forma conseguimos una gran dureza en los aceros con contenidos de carbono superiores a 0,35%.
Cada acero, según su composición química, debe ser enfriado a una velocidad mínima necesaria para que en su estructura íntima se produzcan las transformaciones que originan la aparición de microconstituyentes duros, y a esta velocidad de enfriamiento se denomina velocidad crítica.
Luego del temple aumenta la dureza, resistencia, límite elástico y disminuye el alargamiento.
La severidad del temple puede ser graduada eligiendo un medio de enfriamiento conveniente, pudiendo usarse agua con aproximadamente 10% de sal, agua pura o aceite entre otros, y así mismo dependerá de la temperatura de dicho medio.
Revenido
- Se procede a un calentamiento por debajo de la temperatura crítica; esta temperatura depende del tipo de acero y de la dureza final deseada, pues los productos duros de temple se modifican en este calentamiento.
- Este proceso permite eliminar las tensiones como consecuencia de los cambios bruscos de temperaturas y de contracciones y dilataciones desiguales producidas por el temple.
Importante:
- No sólo para cada acero, sino también para cada tipo de pieza, por su forma constructiva, su tamaño, su masa, su uso, es necesario estudiar en cada caso el tratamiento térmico adecuado, las temperaturas máximas y mínimas a aplicar, etcétera.
- Los aceros rápidos para herramientas necesitan temperaturas más elevadas de calentamiento, ya que en los elementos aleantes agregados y el carbono, se han formado compuestos llamados carburos, de difícil disolución. Otra característica de estos aceros es que necesitan un doble revenido para lograr sus mejores condiciones de dureza.
Tratamientos Isotérmicos
Los tratamientos que se han señalado anteriormente son los clásicos empleados, pero cabe señalar también que se presentan algunos inconvenientes, y para superarlos existen otros métodos que se han agrupado bajo la denominación de isotérmicos porque las transformaciones deseadas en las estructuras de los aceros se realizan en baños a temperatura constante y no con enfriamiento continuo como en los casos anteriores. Estos tratamientos se realizan mediante baños de sales o de plomo calentados a temperaturas adecuadas en los cuales se sumergen las piezas, previamente calentadas en horno por encima de la temperatura crítica superior, manteniéndolas allí un tiempo determinado, procediéndose luego a enfriar al aire.
La temperatura elegida para estos baños es clave para determinar si se logrará un recocido o un temple:
· a temperatura alta (650-800ºC) tenemos un recocido;
· a temperatura baja (200-300ºC) tenemos un temple.
Ventajas: El recocido isotérmico tiene la ventaja sobre el clásico de que permite ganar mucho tiempo, ya que el enfriamiento lento se suspende mucho antes. El temple evita las grietas que se producen en el temple clásico por el enfriamiento brusco. La aplicación más común es en la fabricación de alambres y se realiza con un baño de plomo a 600ºC.
Tratamientos Térmicos Superficiales
Hay algunos casos de piezas que deben poder soportar un gran desgaste superficial, además de absorber otros esfuerzos de flexión. Torsión, etcétera, como en el caso de ejes largos y cigüeñales. Si fueran totalmente endurecidos aguantarían el desgaste pero no soportarían la flexión o la torsión y se romperían; en estos casos se hace un endurecimiento superficial manteniendo el núcleo blando, y para ello hay varios procedimientos:
§ tratamiento superficial con calentamiento inductivo por corriente eléctrica de alta frecuencia. Al circular una corriente de alta frecuencia por la bobina (refrigerada interiormente con agua), que rodea a la pieza, se induce en la superficie de la misma una corriente que produce un intenso calentamiento por efecto Joule, llegándose a temperaturas por encima de la crítica necesaria; luego se enfría bruscamente y sólo se templa la parte calentada, o sea la superficie. En caso de ejes muy largos se aplica el procedimiento de temple progresivo; la pieza se desplaza pasando dentro de la bobina y enfriándose inmediatamente con un chorro de agua.
Tratamientos Termoquímicos
Se efectúa en aceros de bajo porcentaje de carbono (menos del 0,30 % C). En el caso de los tratamientos termoquímicos, no solo 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 efecto solo superficial en las piezas tratadas y consiguen aumentar la dureza superficial de los componentes dejando el núcleo más blando y flexible. Requieren el uso de calentamiento y enfriamiento en atmósferas especiales
Cementación: 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: cajas para carburación, baño líquido y gas. La cementación se aplica a piezas que deben de ser resistentes al desgaste y a los golpes. Dureza superficial y resistencia. La temperatura usual de cementación es cercana a los 950ºC y la profundidad de este tratamiento depende del tiempo y de la dureza deseada. Una vez obtenida la capa exterior rica en C, se endurece por temple
o Características de la cementación
§ Endurece la superficieNo afecta al corazón de la pieza
§ Aumenta el carbono de la superficie
§ Se coloca la superficie en contacto con polvos de cementar ( Productos cementantes)
§ El enfriamiento es lento y se hace necesario un tratamiento térmico posterior
§ Ej: Los engranajes suelen ser piezas que se cementan
Nitruración: 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 – 525º C, dentro de una corriente de gas amoníaco, más nitrógeno.
Si en un recinto, un horno de tratamiento térmico, se somete al amoníaco (NH3) a temperaturas de 500° C, se descompone en nitrógeno e hidrógeno. El hidrógeno, más ligero, se separa del nitrógeno por diferencia de densidad. El nitrógeno liberado por la descomposición del amoníaco forma la atmósfera en el interior del horno que, en contacto con la superficie de hierro y a esa temperatura, forma nitruro de hierro, un compuesto de gran dureza pero frágil. Si bien este tratamiento da gran dureza superficial a la pieza, la velocidad de penetración es muy lenta, aproximadamente 1 mm en 100 horas de tratamiento, pero no necesita de temple posterior.
