Tratamiento Térmico General

El tratamiento térmico es un proceso que implica una serie de calentamientos y enfriamientos aplicados al material para garantizar que su dureza, estructura de grano y propiedades mecánicas sean las deseadas. Dependiendo de sus características de ejecución y propiedades obtenidas, el tratamiento térmico se puede dividir en dos grupos: Recocido y Endurecimiento.

RECOCIDO

El recocido es un proceso en el que los materiales son calentados a una temperatura específica y luego se enfrían lentamente para mejorar su capacidad de mecanizado, aumentar su capacidad de conformado plástico o corregir las propiedades de su estructura interna.

El proceso de recocido se puede expresar de diferentes maneras según las temperaturas de tratamiento y los métodos de enfriamiento. Los principales tipos de recocido son los siguientes:

1. Recocido de Ablandamiento: Los materiales no tratados térmicamente muestran diferentes niveles de dureza a temperatura ambiente dependiendo de su contenido de carbono. Algunos materiales pueden ser difíciles de procesar debido a su dureza. Para los procesos de conformado plástico, se desea que los materiales tengan la mínima dureza posible. Por lo tanto, se realiza un recocido de ablandamiento para reducir la dureza de los materiales.

La estructura a temperatura ambiente de los aceros está formada por partículas en forma de placas largas y finas que están dispuestas de manera ordenada, conocidas como perlita, y estas placas de carburo son más densas cuanto mayor es el contenido de carbono, lo que aumenta la dureza. El recocido de ablandamiento transforma estas placas largas y finas en una estructura más corta y esférica. Como resultado, el acero se vuelve más suave y fácil de trabajar. Este proceso también se conoce como recocido esferoidizante.

2. Recocido para Alivio de Tensiones: Procesos como la soldadura, el conformado plástico o el calentamiento excesivo seguidos de un enfriamiento rápido pueden generar tensiones internas en el material. Para aliviar estas tensiones, se mantiene la pieza a una temperatura superior a la temperatura de uso máxima pero inferior a la temperatura de transformación de fases, durante un máximo de dos horas, para permitir que las tensiones internas se disipen.
3. Recocido de Recristalización: En las piezas conformadas por procesos plásticos, especialmente en las zonas de la pared, pueden ocurrir deformaciones permanentes en la estructura de grano. Esto puede llevar a un aumento de la dureza y resistencia, pero a una disminución de la ductilidad y la conductividad eléctrica. El recocido de recristalización se realiza por debajo de la temperatura de transformación de fases, manteniendo el material durante una hora y luego enfriándolo lentamente. Esto permite que la estructura de grano vuelva a ser uniforme y ordenada, recuperando las propiedades previas a la deformación. Este proceso también se conoce como recristalización.
4. Recocido de Normalización: Todos los procesos de recocido proporcionan buenas propiedades al material, pero también pueden causar un agrandamiento del grano. Cuando no se desean estructuras de grano grueso, los materiales se calientan hasta la temperatura de endurecimiento y luego se dejan enfriar al aire. La característica que distingue al recocido de normalización de los demás es que, en lugar de un enfriamiento lento, el material se enfría rápidamente en aire tranquilo. Como resultado, la estructura del grano se vuelve más fina. Este proceso también se conoce como normalización.

ENDURECIMIENTO

Dependiendo de las condiciones de trabajo de las piezas fabricadas, se puede requerir que toda la pieza o solo una parte de ella, ya sea hasta el núcleo o solo a lo largo de la superficie externa, adquiera dureza. En tales casos, deben aplicarse diferentes tratamientos térmicos según las propiedades deseadas.

Según las características de ejecución y las propiedades finales de la estructura, el proceso de endurecimiento se puede clasificar en diferentes categorías.

TEMPLE

El temple es un proceso de tratamiento térmico realizado para obtener la dureza y las propiedades mecánicas deseadas. Se utiliza principalmente cuando se requiere que toda la sección de la pieza tenga dureza.

La estructura final que se forma después del proceso de templado es muy dura y quebradiza, y contiene tensiones internas debido al enfriamiento rápido. Por lo tanto, el temple es un proceso en el cual el material se vuelve a calentar, se mantiene a la misma temperatura durante un tiempo y luego se enfría, con el fin de mejorar la tenacidad del material.

El proceso de temple puede llevarse a cabo a diferentes temperaturas según el nivel de tenacidad deseado, la dureza y la estructura final. Si se espera a que la pieza se enfríe completamente después del templado, esto puede causar grietas. Por esta razón, el temple debe realizarse inmediatamente después de que la pieza alcance una temperatura de 60-80 °C.

1. Templado por Inmersión en Agua (Templado): El proceso de templado se describe de manera simple como el calentamiento del material hasta su temperatura de endurecimiento, seguido de un enfriamiento rápido. En cuanto a este proceso, factores como la elección de la temperatura de endurecimiento, la velocidad de calentamiento, el tipo de medio de enfriamiento y la velocidad de enfriamiento están interrelacionados, y determinar los valores correctos requiere experiencia técnica.

Las temperaturas de endurecimiento se determinan mediante una serie de experimentos para obtener la máxima dureza con la estructura de grano más fina posible. El calentamiento fuera de este rango de temperatura puede resultar en una dureza baja y una estructura interna no deseada. Además, el tiempo de permanencia a la temperatura de endurecimiento es crucial y está relacionado con la aleación del material, la cantidad de aleante y el tamaño adecuado de grano.

2. Selección del Medio de Enfriamiento: La elección del medio de enfriamiento depende de la cantidad de aleación del material. Para aceros de baja aleación, se prefieren los baños de agua y sal, mientras que para los aceros de alta aleación, debido al riesgo de deformación, se prefieren medios más suaves, como aceites. Los medios de enfriamiento comúnmente utilizados son agua, aceite, baños de sal y aire.
   • Agua: Uno de los aspectos más importantes del enfriamiento en agua es la temperatura del agua utilizada para enfriar la pieza caliente. La temperatura más eficiente del agua de enfriamiento es entre 20 y 40 °C. A temperaturas superiores a 60 °C, la velocidad de enfriamiento disminuye considerablemente.
   • Aceite: En el enfriamiento con aceite, la velocidad de enfriamiento es más lenta que con agua. La temperatura más eficiente del aceite es entre 50 y 80 °C. Además, la mezcla constante y rápida del aceite aumenta considerablemente su eficiencia.
   • Solución Salina: Para aumentar la eficiencia del enfriamiento en agua, se puede agregar hidróxido de sodio o sal común al agua. Sin embargo, la sal común rara vez se utiliza debido a que puede causar corrosión en la pieza. La adición de NaOH al 10 % aumenta considerablemente la velocidad de enfriamiento. Este tipo de uso también incrementa la profundidad de endurecimiento y minimiza las tensiones internas.
   • Aire: El enfriamiento en aire es el menos eficiente entre todos los métodos. La razón principal es que la velocidad de enfriamiento del aire es muy baja, siendo incluso más del 1 % de la velocidad de enfriamiento en agua. Por este motivo, este método solo se utiliza para aceros de alta velocidad.

CEMENTACIÓN

Los aceros de bajo carbono, que tienen una buena capacidad de mecanizado, son tratados mediante un proceso en el que se impregna carbono en la superficie de las piezas después de ser mecanizadas, para luego someterlas a un proceso de endurecimiento. Este proceso aumenta la resistencia al desgaste de la superficie de la pieza y permite que el núcleo se mantenga blando, dándole a toda la pieza características de tenacidad y alta resistencia al impacto.

La cementación puede realizarse en medios sólidos, líquidos o gaseosos. El proceso más fácil de controlar y más económico es la cementación en ambiente gaseoso. Se utilizan hidrocarburos como el CO o el gas metano como fuentes de carbono. En la cementación en medio líquido, se utilizan sales de carbonos como el cianuro de sodio y el cianuro de potasio. Este método se emplea generalmente para piezas pequeñas. La cementación en medio sólido, que emplea carbón vegetal, es un proceso más difícil de controlar y menos común debido a que requiere experiencia.

En la cementación, se busca aumentar el contenido de carbono en la superficie hasta un 0.7-0.8%. Si el contenido de carbono es superior a este rango, se pueden formar carburos, lo que puede generar una superficie quebradiza. El criterio más importante en la cementación es la profundidad de cementación efectiva.

Después del proceso de impregnación de carbono, se realiza un templado por inmersión en agua para endurecer la superficie. El proceso de templado se puede realizar mediante un enfriamiento directo en agua (temple directo), o después de sumergir la pieza en agua, se puede realizar un temple a temperatura ambiente (único templado) o un temple a baja temperatura (templado después del enfriamiento en agua). Después de cualquier proceso de templado, es fundamental realizar un temple posterior. La mayor resistencia al desgaste se alcanza no con la máxima dureza, sino después de un temple realizado a unos 300 °C.

ENDURECIMIENTO SUPERFICIAL POR INDUCCIÓN

El endurecimiento superficial por inducción es un proceso en el que la superficie de la pieza se calienta rápidamente con una corriente de inducción y luego se enfría rápidamente. Es similar al endurecimiento por llama, pero es más eficiente en términos de tiempo de proceso y acumulación térmica en la superficie. Después del rápido calentamiento inducido, el enfriamiento se realiza generalmente con agua, lo que aumenta la posibilidad de fisuras en aceros de alta carbono. Para reducir la posibilidad de fisuras y tensiones internas, se recomienda que el agua de enfriamiento esté cerca de los 60 °C o se utilice una solución salina.

Después del proceso de endurecimiento, se realiza un temple a temperaturas entre 150-200 °C para aliviar las tensiones internas.