TRATAMIENTOS TÉRMICOS.

Ingeniería de materiales
M.C. Gilberto Oros Galaviz
TRATAMIENTOS TÉRMICOS.
Durante mucho tiempo los tratamientos térmicos de los metales han sido un medio relativamente económico de mejorar las propiedades
mecánicas de esos materiales. Involucran varios procesos de calentamiento y enfriamiento, para poder efectuar los cambios
estructurales necesarios para el mejoramiento de las propiedades requeridas en el material.
Se pueden llevar a cabo operaciones de tratamiento térmico sobre piezas metálicas, en varios pasos de la secuencia de manufactura de
un producto. En algunos casos, el tratamiento se aplica antes del proceso de formado, por ejemplo para ablandar el metal y ayudar a
formarlo más fácilmente mientras se encuentra caliente. En otros casos, se usa el tratamiento térmico para aliviar los efectos del
endurecimiento por deformación que ocurren durante el formado y poder así producir en la pieza una deformación posterior. Y
finalmente, el tratamiento térmico puede realizarse durante o casi al finalizar la secuencia de manufactura para lograr la resistencia y
dureza requeridas en el producto terminado.
Los principales tratamientos térmicos son: 1)Templado( formación de martensita en el acero) 2) revenido, 3) recocido, 4) endurecimiento
por precipitación y 5)Tratamientos superficiales.
TEMPLADO.
Tratamiento térmico que consiste en calentar el material hasta una
temperatura lo suficiente alta para convertirlo entera o parcialmente
en austenita, dentro o por arriba de su zona crítica; esta temperatura
puede determinarse por medio del diagrama de fase para la
composición particular de la aleación. Procediendo luego a
practicarle un enfriamiento rápido, para evitar la intersección con la
nariz de la curva de templabilidad y obtener una estructura
martensítica. La dureza obtenida dependerá de la velocidad del
temple, del contenido de carbono y de las dimensiones de la pieza.
Si el material tiene secciones amplias, el tiempo de calentamiento
deberá ser mayor.
La transformación a
austenita implica un
cambio de fase que
requiere tiempo y
calentamiento; en consecuencia, se debe mantener el acero a temperatura elevada por un
periodo suficiente de tiempo para permitir que se forme la nueva fase y alcance la
homogeneidad de composición requerida.
Austenita
Para aceros de bajo y medio carbono, el temple en un baño de agua, como medio enfriador,
es un método muy utilizado; para aceros al alto carbono y aleados, se usa generalmente
aceite mineral, debido a que su acción no es tan severa como la del agua.
El temple en salmuera agitada suministra el enfriamiento más rápido de las superficies calentadas de la parte, mientras que el temple al
aire es el más lento. El problema es que mientras más efectivo sea el medio de temple en el enfriamiento, es más probable que cause
esfuerzos internos, distorsión y grietas en el producto.
Velocidad critica de templado
Es la mínima velocidad de enfriamiento, que da por resultado un 100% de martensita
Temple por inducción
Es un método muy rápido ya que solo requiere algunos segundos para calentar hasta una profundidad de 3.2 mm;. No
se presenta oxidación, su operación es limpia y la distorsión producida es pequeña. Es ideal para acero al medio
carbono, en piezas donde es importante que la composición de la superficie no varíe, como cigüeñales y otras piezas
sometidas a desgaste.
La pieza a templar se coloca dentro una bobina a la que se le aplica una corriente eléctrica alterna de alta frecuencia;
el calentamiento se logra debido a las corrientes inducidas de Foucault y a las perdidas por histérisis en la superficie
del material.
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Temple por flama
Con este proceso se obtienen superficies duras con un núcleo dúctil, se pueden tratar piezas grandes sin calentarlas en su totalidad, se
controla fácilmente la profundidad de la capa. El calentamiento se obtiene por flama oxiacetilénica, aplicada directamente sobre la
superficie.
TEMPLABILIDAD
El término templabilidad se refiere a la capacidad relativa de un acero de ser endurecido por transformación de la austenita a martensita.
Es una propiedad que determina la profundidad por debajo de la superficie templada a la cual el acero se endurece o la severidad del
temple requerido para lograr una cierta penetración de la dureza. Los aceros con buena templabilidad pueden endurecerse más
profundamente debajo de la superficie y no requieren altas velocidades de enfriamiento, por lo que la templabilidad no se refiere a la
máxima dureza que se puede lograr en el acero, ya que eso depende del contenido de carbono.
La templabilidad de un acero se incrementa mediante la aleación. Los elementos aleantes que tienen el mayor efecto son el cromo, el
manganeso, el molibdeno y el níquel en menor grado. El mecanismo mediante el cual operan estos elementos aleantes, es el
aumento del tiempo antes de que ocurra la transformación de austenita a perlita en el diagrama TTT. En efecto, la curva TTT se mueve
hacia la derecha, permitiendo así velocidades de enfriamiento más lentas durante el apagado. Por tanto la trayectoria del enfriamiento
es capaz de seguir más fácilmente una ruta más lenta hacia la línea Ms, evitando el obstáculo impuesto por la nariz de la curva TTT.
Prueba Jominy
El método más común para medir la templabilidad
es el ensayo de Jominy.
El ensayo involucra el calentamiento de una
probeta de diámetro = 1.0 pulg (25.4 mm) y una
longitud = 4.0 pulg (102 mm) hasta austenitizar y
después es templado de uno de sus extremos con
agua fría mientras se sostiene verticalmente. La
velocidad de enfriamiento en la probeta de prueba
disminuye con el incremento de la distancia desde
el extremo que se templa. La templabilidad es
indicada por la dureza de la probeta como una
función de la distancia desde el extremo templado.
REVENIDO
Consiste en un recalentamiento del acero endurecido por temple a una
temperatura inferior a la crítica, seguido de un enfriamiento a cualquier
velocidad, la estructura que se obtiene es martensita revenida. El
revenido es posible debido a la inestabilidad de la martensita. Mediante
este tratamiento es posible reducir: La dureza, resistencia a la tensión y
la fragilidad; aumentando su ductilidad y tenacidad.
Los revenidos a baja temperatura (150 a 205 °C) no originan un gran
decremento en la dureza y se usan para liberar los esfuerzos internos.
Los elementos de aleación tienen gran influencia en el revenido,
produciendo un retraso en la velocidad de suavización, de manera que
requieren temperaturas de revenido mas altas, para obtener la suavidad
deseada
Revenido
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Austemplado.
Es una transformación isotérmica que convierte la austenita en bainita. El proceso se limita a piezas pequeñas con buena templabilidad.
Martemplado.
El acero es templado rápidamente desde la región austenítica, hasta una temperatura justo por encima de la línea Ms , donde se
mantiene lo suficiente hasta permitir que el núcleo y la superficie de la pieza alcancen la misma temperatura. Cuando esto ocurre, la
pieza es enfriada al aire a temperatura ambiente, formando así martensita. Posteriormente el acero se recalienta a una temperatura que
varía con los contenidos de carbono y aleantes.
El propósito principal del martemplado es el de reducir al mínimo la distorsión, agrietamiento y los esfuerzos internos que resultan del
templado en aceite o agua.
Austemplado
Martemplado
RECOCIDO
El propósito del recocido es suavizar el acero duro, pero sirve también para aliviar los esfuerzos, eliminar gases, alterar la ductilidad, la
tenacidad, las propiedades magnéticas, eléctricas o refinar el tamaño de grano.
!" Recocido completo: En este es borrada toda estructura previa
dejada por cualquier tratamiento térmico, refina la estructura
cristalina y suaviza el metal. Cuando el acero se calienta por
encima de su zona crítica, los componentes vuelven a
transformarse en austenita, por lo que un enfriamiento lento
proporciona el tiempo suficiente para completar la
transformación de la austenita en los componentes más suaves.
Ver línea roja de la figura de recocido isotérmico.
!" Recocido isotérmico: Proporciona un ciclo corto de recocido,
ya que el acero es templado rápidamente hasta la temperatura
donde comienza la formación de ferrita (α), justo por encima de
la nariz. Es mantenido a esa temperatura, hasta lograr la
transformación de la austenita remanente en perlita. Terminada
la reacción, la pieza puede enfriarse a cualquier temperatura.
La perlita generada, tendrá una estructura mas uniforme que la
lograda con otros métodos.
Recocido isotérmico
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Recocido entre pasos: Consiste en el calentamiento del acero a una temperatura ligeramente por debajo de la zona crítica, con un
posterior enfriamiento lento. Hay menos tendencia del acero a oxidarse en el proceso.
Nota: Los elementos aleantes tienden a desplazar la curva hacia la derecha
NORMALIZADO
Consiste en calentar el acero de 10 a 40°C arriba de la zona crítica superior y enfriar en aire suave a la temperatura ambiente. Este
proceso se usa principalmente con aceros de bajo y medio carbono para lograr una estructura de grano mas uniforme, liberar esfuerzos
internos. La mayoría de los aceros comerciales son normalizados después de laminados o fundidos.
ESFEROIDIZADO
Es útil para aceros hipereutectoides que deben maquinarse. Se produce por calentamiento lento del acero a una temperatura por debajo
de la zona crítica, manteniéndose ahí por un periodo de tiempo, hasta obtener en la cementita una estructura esferoidal llamada
“Esferoidita”. La estructura globular obtenida mejora la maquinabilidad del acero Puede obtenerse también por calentamientos y
enfriamientos alternativos.
ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACIÓN
Llamado también endurecimiento por envejecimiento. El endurecimiento por
precipitación involucra la formación de finas partículas (precipitados) que actúan
para bloquear el movimiento de las dislocaciones y hacer más resistente y duro al
metal. Es el principal tratamiento térmico para hacer resistentes las aleaciones de
aluminio, cobre, magnesio, níquel y otros metales no ferrosos. Los tratamientos de
endurecimiento por precipitación se utilizan también para hacer resistentes
numerosos aceros de aleación que no forman martensita por los métodos usuales.
La condición necesaria que determina si un sistema de aleación puede ser
endurecido por precipitación es la presencia de una línea de solvus, ver diagrama
de fases de la figura 1(a).
En este sistema, una composición que se puede endurecer por precipitación es
aquella que contiene dos fases a temperatura ambiente, pero que se puede calentar
a una temperatura tal que disuelva la segunda fase. La composición C mostrada en
la figura (circulo) satisface este requerimiento.
Fig. 1(a) Diagrama de fase de un sistema de
aleación formada por los metales A y B que
pueden endurecerse por precipitación
El proceso de tratamiento térmico consiste en tres pasos, ilustrados en la figura 1(b): (1) tratamiento de la solución, en el cual se calienta
la aleación a la temperatura Ts arriba de la línea solvus dentro de la región de la fase alfa y se sostiene por un período suficiente para
disolver la fase beta; (2) templado a temperatura ambiente para crear una solución sólida sobresaturada; y (3) tratamiento por
precipitación, en el cual se calienta la aleación a una temperatura Tp, debajo de Ts, para provocar la precipitación de partículas finas de
la fase beta. Este tercer paso se llama envejecimiento, y por ésta razón algunas veces se le llama al proceso entero endurecimiento por
envejecimiento.
Fig. 1(b) Tratamiento Térmico: (1) tratamiento de la solución, (2) templado y (3) tratamiento por precipitación
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El envejecimiento puede ocurrir en algunas aleaciones a temperatura ambiente, y así el término endurecimiento por precipitación resulta
más adecuado para los tres pasos del proceso de tratamiento térmico que analizamos aquí. Cuando el paso de envejecimiento es
realizado a temperatura ambiente se usa el término envejecimiento natural; pero a temperatura elevada, como se muestra en nuestra
figura, se usa frecuentemente el término envejecimiento artificial.
Durante el paso de envejecimiento se logra una alta resistencia y dureza en la aleación. La combinación de tiempo y temperatura en el
proceso de precipitación (envejecimiento) es crítica para lograr las propiedades deseadas en la aleación. El efecto se ilustra en la figura
2.
Fig. 2 Efecto de la temperatura y el tiempo durante el
tratamiento por precipitación (envejecimiento): (a) alta
temperatura de precipitación y (b) baja temperatura de
precipitación.
A temperaturas elevadas en el tratamiento por
precipitación, como en el caso de (1), la dureza se eleva
en un tiempo relativamente corto; mientras que a bajas
temperaturas, como en (2), se requiere más tiempo para
endurecer la aleación, pero su máxima dureza será
probablemente más grande que en el primer caso. La
continuación del proceso de envejecimiento como se
observa en la gráfica, da por resultado una reducción en
las propiedades de dureza y resistencia. A esta reducción se le da el nombre de sobrenvejecimiento. El efecto total es similar al del
recocido.
TRATAMIENTOS TÉRMICOS SUPERFICIALES
CEMENTACIÓN
Conocido también como temple superficial, consiste en calentar el acero hasta la zona crítica, mientras está en contacto con un material
carbonoso, que puede ser sólido líquido o gaseoso. Debido a la afinidad del carbono con el hierro a esa temperatura, se forma una
película de acero al alto carbono en la superficie.
Cementación en capa. Se utiliza carbón vegetal o coque y se consiguen capas de 0.75 a 4 mm. Se utiliza para piezas grandes o
lotes completos de pequeñas piezas.
Cementación Líquida. Se utiliza un baño de sales de cianuro, es similar al cianurado excepto que la capa tiene mas carbono que
nitrógeno. Se logran capas hasta de 6.35 mm. Se utiliza en piezas pequeñas y medianas.
Cementación gaseosa. Se utilizan hidrocarburos y se logran capas de 0.1 a 0.75 mm. Se utiliza en piezas pequeñas.
CARBONITRURADO
El acero se lleva a una temperatura arriba de la zona crítica, y se expone a una atmósfera gaseosa rica en carbono y nitrógeno; la capa
resultante alcanza un espesor de 0.08 a 0.75 mm, alcanzando buena templabilidad.
CIANURADO
Conocido también como carbonitrurado líquido, se utiliza para tratar piezas pequeñas de bajo carbono, que no reaccionan a los
tratamientos térmicos convencionales. La pieza se sumerge en un baño de sales fundidas de cianuro de sodio a una temperatura
superior a la temperatura crítica, se procede después a practicar el templado en agua o en aceite. La capa endurecida puede ser de
0.10 a 0.40 mm. Dependiendo del tiempo de exposición.
NITRURADO
Se calienta el metal entre los 495 y 565 °C (inferior a la temperatura de transformación) y se pone en contacto con gas amoniaco, por lo
que se forman nitruros que se distribuyen finamente en la superficie, hasta una profundidad de 0.64 mm.
Nitrurado líquido. Utiliza sales de cianuro fundidas. Se obtiene un espesor de 0.03 a 0.30 mm, agrega mas nitrógeno que carbono
que el cianurado o la cementación en baño de cianuro