Tratamientos Térmicos en Aceros: Mejora de Propiedades y Aplicaciones
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Objetivo de los Tratamientos Térmicos
El objetivo de los tratamientos térmicos es mejorar las propiedades de los materiales, obteniendo productos que respondan mejor a las condiciones bajo las que trabajarán. Para que sus propiedades cambien, es necesario que la estructura interna de los materiales también se modifique, lo que se logra por medio de calentamientos y enfriamientos adecuados, formalizando los llamados tratamientos térmicos:
- Aumentar o disminuir la dureza de los materiales, logrando variar la resistencia de los mismos.
- Conseguir mejorar la maquinabilidad.
- Eliminar tensiones internas residuales.
- Eliminar la acritud que pueden presentar ciertos materiales sometidos a conformación en frío.
Transformaciones de la Austenita
El punto de partida de casi todos los tratamientos térmicos es la austenita. Esto significa que el material se encontrará a elevadas temperaturas, las cuales se alcanzarán de forma lenta, logrando un calentamiento uniforme en todo el volumen de la pieza, desde el exterior del cuerpo a su parte central o núcleo. Una vez alcanzada la temperatura de austenización, se permanecerá en ese estado el tiempo suficiente para asegurar que toda la estructura del cuerpo sea austenita. En este estado se podrá someter al acero a un enfriamiento lento, para obtener los constituyentes estables estudiados en el diagrama Fe-C, o a un enfriamiento rápido, para generar constituyentes que se encuentran en un equilibrio aparente.
- Enfriamientos lentos: Siguen las leyes del diagrama Fe-C, logrando estructuras parecidas a las de equilibrio. Estas condiciones se pueden lograr cubriendo la pieza con arena o introduciéndola en un horno al que se le va controlando la disminución de la temperatura, bien de forma automática o dejándolo enfriar de forma natural.
- Enfriamientos medios: Con ellos se logran estructuras finales de tipo perlítico, que reciben el nombre de troostita, sorbita de temple o perlita fina. Para lograr estos enfriamientos se puede introducir el elemento dentro de sales o dejarlo simplemente al aire.
- Enfriamientos rápidos: El compuesto obtenido será una mezcla de perlita fina y martensita. Normalmente el enfriamiento se realiza con agua, aceite o agua con sales.
- Enfriamientos muy rápidos: En el material se forma una estructura de martensita, que es la que presentan los aceros templados.
Recocido Contra Acritud
En muchas ocasiones el material se trabaja en frío, estirándolo, doblándolo... y, en definitiva, deformándolo. Estas deformaciones se traducen en un endurecimiento y fragilidad del material, que recibe el nombre de acritud y que imposibilitaría seguir trabajando o conformando en esas condiciones.
Temple: Aumento de Resistencia y Dureza
El temple tiene como finalidad aumentar la resistencia y la dureza del material. De forma más teórica, diremos que el temple consiste en calentar el material a una temperatura suficientemente alta para que se transforme en austenita y, una vez en este estado, enfriarlo lo suficientemente rápido para transformar la austenita en martensita, con el consiguiente aumento de dureza. Lógicamente, podrán lograrse temples más o menos duros dependiendo del tipo de acero empleado, ya que el material presentará distintas capacidades de temple.
Fases del Temple
Calentamiento
Se deberá conseguir que toda la masa sea austenita. De forma aproximada se puede decir que, una vez alcanzada la temperatura de austenización, son necesarios 2 minutos de permanencia por cada milímetro de espesor del cuerpo para lograr una austenización completa. Estudiando más en profundidad las temperaturas de calentamiento del temple, diremos que tienen su lógica; los aceros hipoeutectoides tienen ferrita y perlita, que son constituyentes blandos y por lo tanto interesa que toda la masa se transforme en austenita; al enfriarse esta rápidamente se convertirá en martensita. Por el contrario, los aceros hipereutectoides presentan cementita y perlita. La cementita es más dura que la martensita, por lo que solamente interesa transformar la perlita en austenita.
Enfriamiento
La velocidad de enfriamiento mínima para que tenga lugar este fenómeno recibe el nombre de velocidad crítica de temple. De manera orientativa diremos que será entre 250 y 750°C por segundo, dependiendo del tipo de acero. Lógicamente, la forma y dimensiones de la pieza influirán sustancialmente en esta velocidad, pues en piezas voluminosas, para que todo el cuerpo quede templado, el núcleo o parte interior del objeto se habrá tenido que enfriar como mínimo a la velocidad crítica de temple.
Los medios más empleados en el enfriamiento son:
- Agua: Con él se obtienen temples fuertes, ya que disminuye rápidamente la temperatura del cuerpo. Pero es importante agitar el objeto al introducirlo, ya que la severidad de temple del agua en reposo es baja.
- Aceite: Este es el medio más empleado. La velocidad de enfriamiento que se logra es menor que en el caso anterior y depende en gran medida de la viscosidad; pero debido a la gran calidad de los aceros que hoy en día se emplean, se obtienen los temples deseados. Lógicamente, los temples obtenidos por este medio son más suaves y uniformes. Habitualmente se aplicará en piezas de poca sección cuyo acero presenta alto contenido en carbono o en aceros aleados con velocidades críticas de temple bajas.
Defectos e Inconvenientes del Temple
Como ya sabemos, el temple produce un aumento de la dureza, pero esto implicará fragilidad, sobre todo si la temperatura de calentamiento ha sido muy alta o el intervalo de tiempo ha sido excesivo, ya que se habrá incrementado el tamaño del grano.
En ocasiones puede que no se obtenga la dureza deseada, bien porque se estableció una descarburación superficial, porque no se alcanzó la temperatura de calentamiento adecuada o porque se enfrió el cuerpo lentamente. Hablaremos finalmente de las deformaciones, grietas o roturas que pueden aparecer. Las contracciones y dilataciones irregulares en distintas secciones de la pieza, bien sean por los cambios de temperatura o por la transformación del material a martensita, producen grandes fuerzas perjudiciales que se van a traducir en defectos y que se manifiestan en las piezas después de haber sido templadas.
Tipos de Temple
Temple Continuo de Austenización Completa
Como ya hemos dicho con anterioridad, realizaremos una austenización completa cuando se trate de aceros hipoeutectoides. La secuencia es: temperatura de calentamiento Ac3 +50°C; se permanecerá en ese estado el tiempo necesario y finalmente se realizará el enfriamiento en el medio adecuado.
Temple Continuo de Austenización Incompleta
Se aplica a los aceros hipereutectoides y, como ya dijimos, elevaremos la temperatura hasta lograr transformar solamente la perlita en austenita. La austenita coexistirá en ese estado con la cementita y, al realizar el temple, se obtendrá finalmente un producto compuesto por cementita y martensita.
Temple Isotérmico "Martempering"
Se calentará el acero hasta la temperatura de austenización, permaneciendo en ese estado el tiempo necesario para homogeneizar la masa. Seguidamente se enfriará rápidamente en un medio, como puede ser un baño de sales fundidas, hasta una temperatura ligeramente superior a la de la formación de la martensita; el acero permanecerá estable a esa temperatura hasta que toda la pieza presente la misma temperatura. En este punto la austenita no habrá experimentado ninguna transformación. Seguidamente se extrae la pieza y se enfría rápidamente.
Temple Isotérmico "Austempering"
Es similar al que acabamos de estudiar, pero la permanencia isotérmica se hace a una temperatura superior, aproximadamente entre 450°C y Mi. Una vez alcanzada esa temperatura se permanecerá en ella hasta que la austenita se haya transformado. Debido a esa temperatura, el constituyente que se forma es bainita. Seguidamente se podrá enfriar hasta la temperatura ambiente de forma natural. Las ventajas de este método es que las deformaciones, las tensiones internas o las grietas que se van a poder formar se minimizan, ya que el cambio de volumen de austenita a bainita es muy pequeño. Incluso al realizar este temple se puede evitar el revenido, que es otro tratamiento térmico practicado habitualmente después del temple y que posteriormente veremos.
Temple Superficial
Cuando templamos las piezas, logramos principalmente endurecer el material; pero igualmente aumenta la fragilidad o falta de tenacidad. Por eso, si calentamos rápidamente la superficie de un cuerpo hasta superar la temperatura de austenización y seguidamente realizamos un rápido enfriamiento, logramos una capa exterior templada que presentará dureza y un núcleo interior tenaz y resistente, ya que sus propiedades iniciales no habrán variado. Este tratamiento podrá ser interesante en piezas tales como engranajes, levas, etc.
El calentamiento superficial suele realizarse mediante un soplete o por inducción.
Fases Generales de los Tratamientos Térmicos
Los principales tratamientos térmicos que reciben el nombre de recocido, normalizado, temple y revenido, siguen las siguientes fases:
Calentamiento
El comienzo de cualquier tratamiento térmico consistirá en elevar progresivamente la temperatura del elemento mediante un dispositivo, como por ejemplo un horno, un baño de sales, etc. Evidentemente, la temperatura de partida suele ser la que exista en el ambiente, pues la pieza se encontrará en esas condiciones. Este calentamiento será progresivo, permitiendo que todo el material vaya aumentando la temperatura uniformemente. De lo contrario se podrían establecer dilataciones desiguales con el peligro de generar grietas. Una vez alcanzada la temperatura de austenización, se permanecerá en ese estado un tiempo determinado, con el fin de que todo el material se haya transformado en austenita y esta sea homogénea. Es interesante que el tamaño del grano que presenta la austenita sea lo más fino posible, ya que se lograrán transformaciones rápidas y homogéneas.
Enfriamiento
Este paso es mucho más variable e incluso delicado, porque de él dependerá el resultado final del tratamiento. Seguidamente iremos desglosando esta fase en cada tipo de tratamiento.
Recocido: Ablandamiento y Homogeneización del Material
Es un tratamiento térmico que persigue ablandar el material, homogeneizar la estructura, afinar el grano, eliminar la acritud, facilitar el mecanizado, eliminar las tensiones internas...; en definitiva diremos que el recocido "dulcificará" el material. Para realizar un tratamiento térmico de recocido partiremos de un correcto calentamiento, que no será menor a 1 hora por cada 25 mm de sección, hasta conseguir que todo el material se encuentre en estado austenítico. Dependiendo de su composición química la temperatura será: Ta calentamiento = Ac3 ó (Acm)+30 a 50°C. A continuación el material se enfriará lentamente, para permitirle transformarse en constituyentes más estables (zona superior de las curvas del diagrama TTT). Para ello, se puede realizar la operación en un horno que regule automáticamente la disminución de la temperatura. En ocasiones simplemente se apaga el horno y se deja enfriar hasta alcanzar la temperatura ambiente.
Tipos de Recocido
Recocido de Homogeneización
Se suele emplear en los productos semielaborados, como los lingotes. Con él se logra eliminar las posibles segregaciones de azufre, fósforo... que se generan en la solidificación del producto.
Recocido de Regeneración
Se aplica a los aceros sobrecalentados o cuando queremos anular los efectos de un tratamiento térmico. Se logra así un producto final de grano fino, que es la que mejores características mecánicas presenta. Posteriormente ya podremos dejarlo enfriar al aire. Los constituyentes finales serán ferrita y perlita o cementita y perlita, dependiendo de si se trata de un acero hipo o hipereutectoide.
Recocido de Ablandamiento
Es muy parecido al anterior. Se aplica principalmente sobre piezas templadas que serán mecanizadas o en aceros aleados de gran resistencia. Con él se logra disminuir la dureza del material, facilitando el mecanizado.