TRATAMIENTO TÉRMICO
Tratamiento térmico es un proceso que comprende en el calentamiento de los metales o
las aleaciones 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 resistenciay
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 cerámicos.
Todas las aleaciones de hierro fabricadas
hasta el siglo XIV d.c se clasifican en la actualidad como hierro forjado. Para obtener estas aleaciones, se calentaba en un horno una masa de
mineral de hierro y carbón vegetal.
Mediante este tratamiento se reducía el mineral a una masa esponjosa de hierro
llena de escoria formada por impurezas metálicas y cenizas de carbón vegetal.
Esta masa esponjosa se retiraba mientras permanecía incandescente y se golpeaba
con pesados martillos para eliminar la escoria y darle una determinada forma.
El
hierro que se producía en estas condiciones solía tener un 3% de partículas de
escoria y un 0,1% de otras impurezas. En algunas ocasiones, y por error, solían
producir autentico acero en lugar de hierro forjado.
Los artesanos del hierro acabaron
por aprender a fabricar acero, calentando hierro forjado y carbón vegetal en un
recipiente de arcilla durante varios días, con lo que el hierro absorbía
suficiente carbono para convertirse en acero.
En la producción moderna de acero se emplean
altos hornos que son modelos perfeccionados de los que se usaban antiguamente.
El arrabio se
refina mediante chorros de aire. Este invento de debe a un británico
llamado Henry Bessemer, que
en 1855desarrollo
este inventó.
Los materiales a los que se
aplica el tratamiento térmico son, normalmente, el acero y la fundición,
formados por hierro y carbono. También se
aplican tratamientos térmicos diversos a los sólidos cerámicos.
ETAPAS DEL TRATAMIENTO TÉRMICO
Un tratamiento térmico consta de
tres etapas que se presentan a continuación:
• Calentamiento hasta la
temperatura fijada: La elevación de temperatura debe ser uniforme en la pieza.
• Permanencia a la temperatura fijada: Su
fin es la completa transformación del constituyente estructural de partida.
Puede considerarse suficiente una permanencia de unos 2 minutos por milímetro
de espesor.
• Enfriamiento: Este enfriamiento
tiene que ser rigurosamente controlado en función del tipo de tratamiento que
se realice. 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.
La 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 austenitay
la δ-ferrita son
polimorfismos del hierro.
Estas propiedades varían de
acuerdo al tratamiento que se le dé al acero dependiendo de
la temperatura hasta la cual se lo caliente y de cómo 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 el
Diagrama Hierro Carbono.
TIPOS DE TRATAMIENTOS TÉRMICOS
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 del 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:
• Endurecimiento: 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: La finalidad del temple 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 700-950 °C) y se enfría luego más o menos
rápidamente (según características de la pieza) en un medio como agua, aceite,
etcétera. Existen distintos tipos de temples, algunos de ellos son:
Temple
continuo completo: Se aplica a los aceros hipoeutectoides (contenido de
carbono inferior a 0,9%). Se calienta la pieza hasta la temperatura de temple y
seguidamente se enfría en el medio adecuado (agua, aceite, sales, aire) con lo
que obtendremos como elemento constituyente martensita.
Temple
continuo incompleto: Se aplica a los aceros hipereutectoides (contenido
de carbono superior a 0,9%). Se calienta la pieza hasta la temperatura
indicada, transformándose la perlita en austenita y quedando intacta la
cementita. Después de enfriar, la estructura resultante estará formada por
martensita y cementita.
Temple
escalonado: Consiste en calentar el acero a temperatura adecuada y
mantenerlo hasta que se transforme en austenita, seguidamente se enfría con una
temperatura uniforme en un baño de sales hasta transformarlo en bainita.
Temple
superficial: Se basa en un calentamiento superficial muy rápido de la
pieza y un enfriamiento también muy rápido, obteniendo la austenización solo en
la capa superficial, quedando el núcleo de la pieza blando y tenaz y la
superficie exterior dura y resistente al rozamiento.
Temple
por inducción: Es un proceso de endurecimiento de acero en el cual las
superficies de las piezas se calientan rápidamente a temperatura de
austenitización mediante inducción electromagnética, (con un diseño adecuado
del inductor, se puede confinar el calor a áreas pequeñas). Una vez alcanzada
la temperatura de austenitización se aplica una ducha de agua fría que produce
el temple.
El principio del
calentamiento por inducción es el siguiente: una bobina que conduce una
corriente de alta frecuencia rodea o se coloca sobre la pieza, se inducen así
corrientes alternativas que generan rápidamente calor en la superficie.
Las corrientes
inducidas de alta frecuencia tienden a viajar por la superficie del metal, por
tanto, es posible calentar una capa poco profunda del acero sin necesidad de
calentar el interior del material. La profundidad del calentamiento depende de
la frecuencia de la corriente, la densidad de potencia y el tiempo de
aplicación de ésta. Mientras mayor es la frecuencia, menor es la profundidad
calentada, de forma que: altas potencias (100 kHz a 1 Mhz), y tiempos cortos
(en segundos), calientan espesores de 0,25 mm; en cambio, potencias menores (25
kHz), y tiempos más largos calientan espesores de 10 mm. Se utiliza en aceros
al carbono, con contenido medio de C, en éstos produce superficies endurecidas
delgadas.
También se puede utilizar en
aceros aleados; los aceros de baja aleación se endurecen fácil y
superficialmente mediante este método; en cambio, los aceros altamente aleados
son más lentos y pueden necesitar de un aumento de temperatura para lograr la
estructura deseada, sin embargo, como el calentamiento mediante este método es
muy rápido, se pueden calentar sin peligro de crecimiento excesivo de grano.
Entre las ventajas de este proceso podemos destacar el hecho que no necesita de
personal especializado para su operación debido a que es un proceso
prácticamente automático. Entre las desventajas resaltan el alto costo del
equipo, el alto costo de mantenimiento y el hecho que no es económico si se
desean endurecen pocas piezas.
• Revenido: El 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.
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 oscuro
|
255
|
|
Morado
|
270
|
Árboles y
cinceles para madera
|
Azul oscuro
|
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 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). Esto es, eliminar los esfuerzos residuales
producidos durante el trabajo en frío sin afectar las propiedades mecánicas de
la pieza finalizada, o puede utilizarse el recocido para eliminar por completo
el endurecimiento por deformación. En este caso, la parte final es blanda y
dúctil pero sigue teniendo un acabado de superficie y precisión dimensional
buenos. Después del recocido, se puede realizar un trabajo en frío adicional
dado que la ductilidad se restaura; al combinar ciclos de repetición de trabajo
en frío y recocido, pueden alcanzarse deformaciones totales grandes.
El término "recocido"
también se utiliza para describir otros tratamientos térmicos. Por ejemplo, los
vidrios pueden tratarse de manera térmica o recocerse para eliminar los
esfuerzos residuales presentes en el mismo. Los hierros y aceros pueden
recocerse para maximizar sus propiedades, en este caso la ductilidad, aun
cuando no se haya trabajado con el material en frío.
Existen 3 etapas consideradas
como las más importantes en el proceso de recocido:
Recuperación:
La microestructura original trabajada a bajas temperaturas está
compuesta de granos que se encuentran deformados que contienen un gran número
de dislocaciones entrelazadas unas con otras. Cuando se calienta primero el
metal, la energía térmica adicional permite que las dislocaciones se muevan y
formen los límites de una estructura subgranular poligonizada. Lo anterior
significa que, conforme el material se va calentando, las dislocaciones van
desapareciendo y a su vez los granos toman mayor tamaño. Sin embargo, la
densidad de las dislocaciones permanece virtualmente sin cambiar. Este
tratamiento a temperatura baja elimina los esfuerzos residuales debidos al trabajo
en frío, sin ocasionar un cambio en la densidad de las dislocaciones, y se le
llama recuperación.
Las propiedades
mecánicas del metal permanecen relativamente sin cambio alguno, ya que no se
reduce el número total de dislocaciones que se presentan durante esta etapa.
Dado que se reducen o incluso se eliminan los esfuerzos residuales cuando se
reacomodan las dislocaciones, a la recuperación con frecuencia suele
denominársele recocido de alivio de esfuerzos. Además, la recuperación
restaura la elevada conductividad eléctrica del material,
lo que permitiría fabricar alambres que podrían usarse para transmitir energía
eléctrica, porque, además serían altamente resistentes. Por último, la
recuperación frecuentemente agiliza la resistencia a la corrosión de los
materiales.
Recristalización:
Cuando se somete a muy altas temperaturas un metal trabajado en frío
previamente, la recuperación rápida elimina los esfuerzos residuales y produce
la estructura de las dislocaciones poligonizadas. Durante este instante ocurre
la formación de núcleos de pequeños granos en los límites de las celdas de la
estructura poligonizada, eliminando la mayoría de las dislocaciones. Debido a
que el número de dislocaciones se reduce en gran escala, el metal
recristalizado tiene una resistencia baja pero una gran ductilidad. Se denomina
como temperatura de recristalización a la temperatura a la cual aparece una
microestructura de granos nuevos que tienen pocas dislocaciones.
Recristalización es el proceso durante el cual se forman granos nuevos a través
del tratamiento térmico a un material trabajado en frío. La temperatura de
recristalización depende de varias variables, por lo tanto no es una
temperatura fija.
c. Crecimiento
de granos: Cuando las temperaturas aplicadas en el recocido son muy
altas, las etapas de recuperación y de recristalización ocurren de una forma
más rápida, produciéndose así una estructura de granos más fina. Si la
temperatura es lo bastante alta, los granos comienzan a crecer, con granos
favorecidos que eliminan a los granos que son más pequeños. Este fenómeno, al
cual se le puede denominar como crecimiento de granos, se lleva a cabo por
medio de la reducción en el área de los límites de los granos. En la mayoría de
los materiales ocurrirá el crecimiento de grano si se mantienen a una
temperatura lo suficientemente alta, lo cual no se encuentra relacionado con el
trabajo en frío. Esto quiere decir que la recristalización o la recuperación no
son indispensables para que los granos puedan crecer dentro de la estructura de
los materiales.
Los materiales cerámicos
que presentan un endurecimiento casi nulo muestran una cantidad considerable de
crecimiento de granos. Asimismo, puede ocurrir un crecimiento anormal de granos
en algunos materiales como resultado de una formación de fase líquida.
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