Tratamientos térmicos

BLOQUE I: Materiales
TEMA 3: Tratamientos térmicos
Tecnología
Industrial II
TEMA 3: TRATAMIENTOS TÉRMICOS
0. INTRODUCCIÓN
Al añadir ciertos elementos (azufre, cobalto, cobre, cromo, tungsteno, manganeso, molibdeno,
níquel, vanadio…) en la aleación del acero se consigue mejorar algunas de sus propiedades,
obteniendo aleaciones específicas para determinadas aplicaciones industriales, como herramientas,
cuchillas, fijaciones, soportes,…. Sin embargo la diferencia de comportamiento entre los diversos
aceros depende, no sólo de su composición química, sino también del tipo del tratamiento térmico a
los que se les someta.
Existen piezas que están sometidas a condiciones de trabajo que requieren propiedades
específicas para soportar esfuerzos de choque, vibraciones y rozamiento superficial. Para soportar
estas condiciones de trabajo, se requiere tenacidad elevada, resiliencia, y una gran dureza superficial.
Por este motivo se realizan los tratamientos térmicos, que son procesos en los cuales
mediante una sucesión de operaciones de calentamiento y enfriamiento, se modifica la
microestructura y la constitución de los metales y aleaciones sin variar su composición química.
La finalidad de estos procesos es mejorar las propiedades mecánicas del material,
especialmente la dureza, la resistencia, la tenacidad y la maquinabilidad.
Pero en estos procesos no se modifica la constitución química de los materiales. Para ello se
realizan los tratamientos termoquímicos, que son procesos en los cuales se altera la estructura del
metal, modificando su composición mediante un proceso de difusión.
1. TRATAMIENTOS TÉRMICOS
Los tratamientos térmicos más importantes son: temple, recocido, revenido y normalizado.
Con su aplicación se consiguen estructuras más blandas y más mecanizables, con mayor dureza y
resistencia. Otro aspecto que mejoran es la homogeneización de la estructura.
1.1.
TEMPLE
Este tratamiento térmico se caracteriza por enfriamientos rápidos (continuos o
escalonados) en un medio adecuado: agua, aceite o aire, para transformar la austenita en
martensita. Mediante el temple se consigue:
−
−
−
−
Aumentar la dureza y la resistencia mecánica.
Disminuir la tenacidad (aumento de la fragilidad).
Disminuir el alargamiento unitario.
Modificar algunas propiedades eléctricas, magnéticas y químicas.
El temple se realiza siguiendo los siguientes pasos:
1. Calentamiento del metal.- Se realiza en horno, siendo lento al hasta los 500ºC y rápido
hasta la temperatura de temple, por encima de A3 si el acero es hipoeutectoide, y por encima
de A1 si el acero es eutectoide o hipereutectoide.
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2.
Homogeneización de la temperatura.- Se mantiene a la temperatura de temple durante un
determinado tiempo a la pieza para que se homogenice en todo el volumen de la pieza a
templar. Este tiempo se estima experimentalmente para cada pieza, aunque se puede
calcular aproximadamente
3.
Enfriamiento rápido.- Se saca la pieza del horno y se enfría el material en un fluido
denominado medio de temple a una velocidad superior a la crítica de temple con objeto de
obtener una estructura martensítica, y así mejorar la dureza y resistencia del acero El medio
de temple puede ser:
•
Agua: es el medio más económico y antiguo. Se consiguen buenos temples con aceros al
carbono. Las piezas se agitan dentro del agua para eliminar las burbujas de gas.
•
Aceite: enfría más lentamente que el agua.
•
Aire: se enfrían las piezas con corrientes de aire. Se utiliza para los denominadas aceros
rápidos.
A la hora de realizar un temple, hay que tener en cuenta los siguientes factores:
−
El tamaño de la pieza, puesto que cuanto más espesor tenga la pieza más habrá que
aumentar el tiempo de duración del proceso de calentamiento y de enfriamiento.
−
La composición química del acero, ya que en general, los aceros aleados son más fácilmente
templables.
−
El tamaño del grano influye principalmente en la velocidad crítica del temple, teniendo más
templabilidad el de grano grueso.
−
El medio de enfriamiento, siendo el más adecuado para templar un acero el que consiga una
velocidad de temple ligeramente superior a la crítica.
1.1.1. Templabilidad
Se puede definir la templabilidad como la aptitud de un acero para endurecerse por
formación de martensita, como consecuencia de un tratamiento térmico. Para determinar
el grado de templabilidad de un acero se realiza el ensayo Jominy. El ensayo consiste en
realizar el templado de una probeta de dimensiones determinadas según un proceso
definido. El estudio de los resultados permite definir el comportamiento del material ante el
tratamiento de temple.
Para realizar el ensayo, se calienta en primer lugar la probeta cilíndrica
25 mm de diámetro y 100 mm de longitud, a la temperatura de
austenización durante 30 minutos en atmósfera controlada.
Tras finalizar el calentamiento, se cuelga la probeta por un extremo de
modo que un chorro de agua, a temperatura constante, incida
directamente sobre su extremo inferior durante 10 minutos. La probeta se
irá enfriando a distinta velocidad según la distancia respecto al punto de
incidencia del chorro de agua. El extremo inferior de la probeta se
enfriará rápidamente, sufriendo un temple más severo y será más duro
que el otro extremo.
Una vez que la probeta se ha enfriado a temperatura ambiente, se
desbasta una tira de 0.4 milímetros de espesor y se determina la dureza
Rockwell C a lo largo de los 50 mm primeros de la probeta. En los
primeros 12.5 mm las lecturas de dureza se toman a intervalos de 1.6
mm y en los 37.5 mm siguientes cada 3.2 mm.
Después se traza una curva de templabilidad representando los valores
de dureza en función de la distancia al extremo templado, obteniéndose
así la curva de templabilidad. Si la dureza disminuye rápidamente
conforme nos alejamos del extremo templado, el acero tendrá una
templabilidad baja, mientras que los aceros cuyas curvas son casi
horizontales serán de alta templabilidad, es decir, serán susceptibles de
endurecerse rápido cuando sufren temple.
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1.1.2. Tipos de temple
1. Temple continuo de austenización completa.- se aplica a los aceros hipoeutectoides.
Se calienta el material a 50ºC por encima de la temperatura crítica superior A3,
enfriándose en el medio adecuado para obtener martensita.
2. Temple continuo de austenización incompleta.- se aplica a los aceros
hipereutectoides. Se calienta el material hasta AC1 + 50ºC, transformándose la perlita en
austenita y dejando la cementita intacta. Se enfría a temperatura superior a la crítica, con
lo que la estructura resultante es de martensita y cementita.
3. Temple superficial.- el núcleo de la pieza permanece inalterable, blando y con buena
tenacidad, y la superficie se transforma en dura y resistente al rozamiento. Con el temple
superficial se consigue que solamente la zona más exterior se transforme en martensita,
y para ello el tiempo durante el que se mantiene el calentamiento debe ser el adecuado
para que solamente un reducido espesor de acero se transforme en austenita.
4. Temple Escalonado (Martempering).- consiste en calentar el acero a temperatura de
austenización y mantenerlo el tiempo necesario para que se transforme completamente
en austenita. Posteriormente se enfría en un baño de sales bruscamente hasta una
temperatura próxima pero superior a Ms, con el fin de homogeneizar la temperatura en
toda la masa y se acaba reduciendo la temperatura para que toda la pieza se transforme
en martensita.
5. Temple isotérmico (Austempering).- consiste en calentar el acero a temperatura de
austenización y mantenerlo el tiempo necesario para obtener austenita. Posteriormente
se enfría bruscamente en un baño de sales hasta una temperatura determinada, para
igualar la temperatura en toda la masa y luego se vuelve a disminuir la temperatura para
que toda la pieza se transforme en bainita.
Austenización
completa
1.2.
Austenización
incompleta
Temple + revenido
Martempering
Austempering
RECOCIDO
Se trata de calentar el metal hasta una determinada temperatura y enfriarlo después muy
lentamente (incluso en el horno donde se calentó). De esta forma se obtienen estructuras de
equilibrio. Son generalmente tratamientos iniciales mediante los cuales se ablanda el acero.
Su finalidad es suprimir los defectos del temple. Mediante el recocido se consigue:
−
−
−
Aumentar la plasticidad, ductilidad y tenacidad.
Eliminar la acritud.
Afinar el grano y homogeneizar la estructura.
Es tratamiento térmico muy utilizado y según las temperaturas que se alcanzan en el
proceso se pueden distinguir los siguientes tipos:
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1. Recocido completo.- afina el grano cuando
ha crecido producto de un mal tratamiento.
Se realiza en aceros hipoeutectoides.
2. Recocido incompleto.- elimina tensiones
pero sólo recristaliza la perlita. Es más
económico que el anterior.
3. Recocido de globalización.- mejora la
mecanibilidad en los aceros eutectoides e
hipereutectoides.
4. Recocido de recristalización.tensiones y elimina la acritud.
reduce
5. Recocido de homogenización.- elimina la
segregación química y cristalina. Se obtiene
grano grueso por lo que es necesario un
recocido completo posterior.
1.3.
REVENIDO
Como ya se ha visto, el temple produce un
aumento de la fragilidad debido a las tensiones
internas que se generan al producirse la
transformación martensítica. Para evitarlo, se somete
el metal a un proceso de revenido, que consiste en
elevar la temperatura hasta una inferior a la de
transformación (punto crítico AC1) para transformar la
martensita en formas más estables. Mediante el
revenido se consigue:
−
−
1.4.
Disminuir la resistencia mecánica y la dureza.
Aumentar la plasticidad y la tenacidad.
NORMALIZADO
Se trata de calentar el metal hasta su austenización y posteriormente dejarlo enfriar al
aire. La ventaja frente al recocido es que se obtiene una estructura granular más fina y una
mayor resistencia mecánica. La desventaja es que la dureza obtenida es mayor.
Mediante este proceso se consigue:
−
−
Subsanar defectos de las operaciones anteriores de la elaboración en caliente (colada, forja,
laminación,…) eliminando las posibles tensiones internas.
Preparar la estructura para las operaciones tecnológicas siguientes (por ejemplo mecanizado
o temple).
El normalizado se utiliza como tratamiento previo al temple y al revenido, aunque en
ocasiones puede ser un tratamiento térmico final.
En el caso de los aceros con bastante contenido en
carbono y mucha templabilidad, este tratamiento puede
equivaler a un temple parcial, donde aparezcan productos
perlíticos y martensíticos.
Para aceros con bajo contenido de carbono no aleados
no existe mucha diferencia entre el normalizado y el
recocido.
Cuando se trata de aceros de contenido medio en
carbono (entre 0.3 – 0,5%C) la diferencia de propiedades
es mayor que en el caso anterior; en general, el proceso
de normalizado da más dureza.
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2. TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS
Los más importantes son: cementación, nitruración, cianuración y sulfinización. Además de
los producir cambios en la estructura, también se producen cambios en la composición química de su
capa superficial añadiendo distintos productos.
Estos tratamientos requieren el uso de calentamiento y enfriamiento controlados en atmósferas
especiales. Los objetivos que se persiguen mediante estos procesos son variados, pero entre ellos
podemos destacar:
−
−
−
Mejorar la dureza superficial de las piezas, sin disminuir
la tenacidad del núcleo.
Aumentar la resistencia al desgaste aumentando el
poder lubrificante.
Aumentar la resistencia a la fatiga y/o la corrosión, sin
modificar otras propiedades esenciales tales como
ductilidad.
Se aplican sobre herramientas de arranque de viruta, camisas de pistones,..
2.1.
CEMENTACIÓN
Consiste en aumentar la cantidad de carbono de la
superficie, en estado sólido (carbón vegetal), líquido (cianuro
sódico) o gaseoso (hidrocarburos). Se consigue teniendo en
cuenta el medio o atmósfera que envuelve el metal durante
el calentamiento y enfriamiento.
Se consiguen superficies de gran dureza y resistencia
superficial. Se aplica a piezas resistentes al desgaste y a los
choques.
2.2.
NITRURACIÓN
Consiste en aportar nitrógeno a la superficie de la pieza
por medio de una corriente de amoniaco.
Se consiguen durezas muy elevadas y superficies muy
resistentes al desgaste, la corrosión y la fatiga sin perder la
dureza. Se aplica a piezas sometidas a choques y rozamientos
(ruedas dentadas, árboles de levas, ejes de cardán, aparatos
de medida).
2.3.
CIANURACIÓN
Es una mezcla de cementación y nitruración. Se endurecen las piezas introduciendo
carbono y nitrógeno mediante baños de cianuro, carbonato y cianato sódico. Después hay que
templar las piezas.
2.4.
SULFINIZACIÓN
Consiste en aportar a la superficie azufre, carbono y nitrógeno para mejorar la resistencia
al desgaste, favorecer la lubricación y evitar el agarrotamiento. Se aplica a herramientas.
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