Tratamientos Térmicos y Superficiales PDF

# Tratamientos Térmicos y Superficiales ## 4. Tratamientos Térmicos y Superficiales A partir de los últimos avances tecnológicos, las posibilidades de modificar la estructura, la constitución e incluso la composición química de los metales y las aleaciones se han ampliado de forma considerable, pe...

# Tratamientos Térmicos y Superficiales ## 4. Tratamientos Térmicos y Superficiales A partir de los últimos avances tecnológicos, las posibilidades de modificar la estructura, la constitución e incluso la composición química de los metales y las aleaciones se han ampliado de forma considerable, pero siguen siendo los tratamientos térmicos los que más se utilizan en la metalurgia actual. Los tratamientos térmicos son procesos donde únicamente se utiliza la temperatura como magnitud variable modificadora de la microestructura y constitución de metales y aleaciones, pero sin variar su composición química. El objetivo de los tratamientos térmicos consiste en mejorar las propiedades mecánicas de metales y aleaciones, de tal forma que unas veces interesa aumentar la dureza y resistencia mecánica y otras veces la ductilidad o plasticidad para facilitar su conformación. Si bien nos vamos a referir fundamentalmente a los aceros, los tratamientos térmicos se pueden aplicar a otras aleaciones. Comentaremos el caso del recocido aplicado tras la deformación en frío de metales como el cobre o el aluminio. ### 4.1. Temple Es el tratamiento térmico convencional y se utiliza para la obtención de aceros martensiticos. El temple se caracteriza por enfriamientos rápidos y continuos en un medio adecuado, como el agua, el aceite o el aire. Las propiedades óptimas de un acero templado se consiguen durante el tratamiento térmico del temple si la muestra adquiere un alto contenido en martensita. La capacidad de un acero aleado para transformarse en martensita durante un determinado temple depende de la composición química (cantidad de carbono y otros elementos de aleación) y de un parámetro denominado templabilidad, que se define como la aptitud de la aleación para endurecerse por formación de martensita como consecuencia de un tratamiento térmico. Cuando un acero se encuentra a la temperatura de austenización, su estructura interna se transforma en austenita; si se enfría rápidamente, el hierro (estructura FCC) no tiene tiempo suficiente para pasar a hierro a (estructura BCC). Esta temperatura es mayor para los aceros hipoeutectoides que para los hipereutectoides. #### A. Ensayo de Templabilidad El procedimiento empleado para determinar el grado de templabilidad se conoce como ensayo Jominy. Este ensayo consiste en mantener constantes todos los factores que influyen en la profundidad del endurecimiento de la pieza, excepto la composición. ##### 1. Una probeta normalizada de 25 mm de diámetro y 100 mm de longitud se lleva a la temperatura de austenización (según el porcentaje de carbono) el tiempo necesario para conseguir que la estructura se convierta en austenita. ##### 2. Se saca del horno, y el extremo de la pieza se templa mediante un chorro de agua de caudal y temperatura constantes, de tal manera que la velocidad de enfriamiento es máxima en el extremo templado y disminuye a lo largo de la probeta. Una vez que la probeta se ha enfriado a temperatura ambiente, se desbasta una tira de 0,4 mm de espesor y se determina la dureza a lo largo de los primeros 50 mm. Se traza una curva de templabilidad, representando los valores de dureza en función de la distancia al extremo templado. #### B. Curvas de Templabilidad En la gráfica se representa una gráfica de templabilidad típica. El extremo templado se enfría más rápidamente y presenta un máximo de dureza. En este punto, y en la mayoría de los aceros, la microestructura coincide con el 100% de martensita. La velocidad de enfriamiento decrece con la distancia del extremo templado y, en consecuencia, la dureza disminuye. Al disminuir la velocidad de enfriamiento, el carbono dispone de más tiempo para la difusión y facilita la formación de perlita más blanda, que puede estar mezclada con martensita y bainita. #### C. Factores que Influyen en el Temple La velocidad de enfriamiento de una muestra depende de la rapidez de eliminación de energía térmica, que es función a su vez de los siguientes factores: * **Composición del acero.** Fundamentalmente, como se ha comentado, influye el contenido en carbono, hasta llegar a un máximo. Otros elementos de aleación aumentan la dureza del acero por la formación de carburos y tienden a aumentar la templabilidad, lo que permite obtener martensita con velocidades de enfriamiento más lentas. Es decir, piezas gruesas en las que el interior no se templaría. Tratándose de un acero aleado, sería posible su temple. * **Temperatura a la que hay que calentar.** Según el contenido de carbono y los elementos de aleación (Mo, Al, Si, W y V aumentan esta temperatura, mientras que Ni y Mn bajan la temperatura de los puntos críticos). * **Tiempo de calentamiento.** Relacionado con la masa de la pieza, para conseguir que toda ella llegue a la austenización. * **Velocidad de enfriamiento.** Es el factor más importante y viene condicionado por el medio de temple. * **Características del medio donde se realiza el temple.** Condiciona la velocidad de enfriamiento. * **Tamaño y geometría de la muestra.** En una pieza gruesa, se necesita más tiempo para que el interior consiga la austenización, aunque su interior no enfriará lo bastante rápido para conseguir la estructura martensitica. #### D. Medios de Temple De los tres medios más comunes que se utilizan para templar (agua, aceite y aire), el agua es el que produce temples más rápidos o intensos, seguido a continuación del aceite, que es más efectivo que el aire. El grado de agitación de los medios también influye en la velocidad de enfriamiento: una mayor agitación implica una mayor velocidad de enfriamiento, lo que aumenta la efectividad del temple. Para aceros con alto contenido en carbono, el temple en agua puede resultar demasiado veloz porque produce deformaciones y grietas. Para evitar estos defectos, se utilizan los aceites como medio de temple. El temple al aire de los aceros provoca una microestructura casi totalmente perlítica. * **Agua.** Es un medio rápido de enfriamiento con el que se consiguen temples muy fuertes, y se utiliza para templar el acero. Es necesaria una cantidad de agua suficiente para que la temperatura de esta no rebase los 30°C. Las piezas se han de agitar dentro del medio acuoso para evitar la formación de burbujas de vapor alrededor de la pieza que actuarían de aislante térmico y retardarían el enfriamiento. * **Aceite.** Dado que los aceites poseen un calor específico menor que el agua y son más viscosos, se enfrían más lentamente y, por tanto, consiguen temples más suaves. Se emplean para aceros aleados. También resulta conveniente agitar las piezas en el proceso de inmersión para evitar la formación de vapor. ## 4.2. Recocido Este tratamiento térmico consiste en calentar el material hasta una temperatura determinada durante un tiempo también previsto y, después, enfriarlo lentamente. Tiene como finalidad suprimir los defectos del temple. Las variables fundamentales que manejamos son el tiempo y la temperatura. Los objetivos que se persiguen con este tratamiento térmico son: * Eliminar tensiones del temple. * Aumentar la plasticidad, ductilidad y tenacidad. * Conseguir una microestructura específica. Todo proceso de recocido consta de tres etapas fundamentales: primero se calienta hasta un temperatura prefijada, después se mantiene durante un tiempo determinado y, por último, se realiza un enfriamiento lento hasta alcanzar la temperatura ambiente. ### Recocido de aleaciones Fe-C Para modificar algunas propiedades de los aceros, es necesario someterlos a diferentes procedimientos de recocido. Antes de estudiarlos, es conveniente fijarse en lo que ocurre en el diagrama hierro-carbono, representado en la figura, en un punto cercano al eutectoide. La línea de fase A, se denomina «de temperatura crítica inferior». Por debajo de ella, y en condiciones de equilibrio, la austenita se convierte en ferrita y cementita. Las líneas de fase A y A representan las líneas de temperatura crítica superior para los aceros hipoeutectoides. ## 4.3. Normalizado Los aceros que se han deformado plásticamente por laminación, por ejemplo, tienen una microestructura perlítica, con tamaños de grano relativamente grandes y de forma irregular. Se les aplica un tratamiento térmico llamado normalizado, mediante el cual se afina el acero (disminuye su tamaño de grano medio) y se consigue una distribución de tamaños más uniforme. El normalizado se realiza calentando el material a una temperatura entre 55 y 85°C superior a la temperatura crítica superior. El valor exacto depende de la composición. ## 4.4. Globulización Los aceros con contenidos medios y altos de carbono tienen una microestructura consistente en perlita gruesa, demasiado dura para la deformación plástica y para el mecanizado. Estos aceros pueden recocerse para desarrollar la microestructura de esferoiditas. Este acero globulizado presenta la máxima blandura y ductilidad, y es fácilmente mecanizable o deformable. El tratamiento térmico consiste en calentar la aleación a una temperatura justo por debajo de la eutectoide (línea A de la figura), a 700°C. El tiempo de globulización suele durar de 15 a 25 horas. ## 4.5. Revenido Es un tratamiento que sigue al temple, con objeto de eliminar la fragilidad y las tensiones ocasionadas. Consiste en un calentamiento de las piezas templadas a una temperatura inferior al punto A, para lograr que la martensita se transforme en una estructura más estable. El proceso termina con un enfriamiento más bien rápido. Los factores que más influyen en los resultados del revenido son la temperatura y el tiempo de calentamiento. Si bien se destruye parte del temple, el acero es más blando y se obtiene un material menos frágil.