Tratamiento térmico

Una aleación eutectoide ( o eutéctica ) se comporta de forma similar a una aleación eutéctica . Una aleación eutéctica se caracteriza por tener un único punto de fusión . Este punto de fusión es inferior al de cualquiera de sus componentes, y ningún cambio en la mezcla lo reducirá aún más. Cuando una aleación eutéctica fundida se enfría, todos sus componentes cristalizan en sus respectivas fases a la misma temperatura.

Una aleación eutectoide es similar, pero el cambio de fase no ocurre a partir de un líquido, sino de una solución sólida . Al enfriar una aleación eutectoide desde la temperatura de solución, los constituyentes se separarán en diferentes fases cristalinas , formando una única microestructura . Un acero eutectoide, por ejemplo, contiene 0,77 % de carbono . Al enfriarse lentamente, la solución de hierro y carbono (una única fase llamada austenita ) se separará en plaquetas de las fases ferrita y cementita . Esto forma una microestructura en capas llamada perlita .

Dado que la perlita es más dura que el hierro, el grado de blandura que se puede alcanzar suele estar limitado por el que produce la perlita. Del mismo modo, la templabilidad está limitada por la microestructura martensítica continua que se forma al enfriarse muy rápidamente. ^{[ 10 ]}

Una aleación hipoeutéctica tiene dos puntos de fusión distintos. Ambos se encuentran por encima del punto de fusión eutéctico del sistema, pero por debajo de los puntos de fusión de cualquiera de sus componentes. Entre estos dos puntos de fusión, la aleación existirá en estado sólido y líquido. El componente con el punto de fusión más alto se solidificará primero. Una vez solidificada por completo, una aleación hipoeutéctica suele estar en solución sólida.

De forma similar, una aleación hipoeutectoide presenta dos temperaturas críticas, denominadas "puntos de inflexión". Entre estas dos temperaturas, la aleación existirá parcialmente como solución y parcialmente como una fase cristalizante independiente, denominada "fase proeutectoide". Estas dos temperaturas se conocen como temperatura de transformación superior (A₃ ₎ e inferior (A₁ ₎ . A medida que la solución se enfría desde la temperatura de transformación superior hacia un estado insoluble, el exceso de metal base suele verse forzado a cristalizar, convirtiéndose en la fase proeutectoide. Este proceso se repite hasta que la concentración restante de solutos alcanza el nivel eutectoide, momento en el que la aleación cristalizará como una microestructura independiente.

Por ejemplo, un acero hipoeutectoide contiene menos del 0,77 % de carbono. Al enfriar un acero hipoeutectoide desde la temperatura de transformación austenítica, se formarán pequeñas islas de ferrita proeutectoide. Estas continuarán creciendo y el carbono disminuirá hasta alcanzar la concentración eutectoide en el resto del acero. Esta mezcla eutectoide cristalizará entonces como una microestructura de perlita. Dado que la ferrita es más blanda que la perlita, ambas microestructuras se combinan para aumentar la ductilidad de la aleación. En consecuencia, la templabilidad de la aleación disminuye. ^{[ 11 ]}

Una aleación hipereutéctica también presenta diferentes puntos de fusión. Sin embargo, entre estos puntos, el componente con el punto de fusión más alto será el que permanezca sólido. De manera similar, una aleación hipereutectoide tiene dos temperaturas críticas. Al enfriar una aleación hipereutectoide desde la temperatura de transformación superior, generalmente son los solutos en exceso los que cristalizan primero, formando el proeutectoide. Este proceso continúa hasta que la concentración en la aleación restante se vuelve eutectoide, la cual luego cristaliza en una microestructura distinta.

Un acero hipereutectoide contiene más del 0,77 % de carbono. Al enfriar lentamente el acero hipereutectoide, la cementita comienza a cristalizar primero. Cuando el acero restante adquiere una composición eutectoide, cristaliza en perlita. Dado que la cementita es mucho más dura que la perlita, la aleación presenta mayor templabilidad a costa de una menor ductilidad. ^{[ 9 ] [ 11 ]}

El recocido consiste en calentar un metal a una temperatura específica y luego enfriarlo a una velocidad que produzca una microestructura refinada , separando total o parcialmente sus componentes. La velocidad de enfriamiento suele ser lenta. El recocido se utiliza con mayor frecuencia para ablandar un metal para el trabajo en frío, mejorar su maquinabilidad o potenciar propiedades como la conductividad eléctrica .

En las aleaciones ferrosas, el recocido generalmente se realiza calentando el metal por encima de la temperatura crítica superior y luego enfriándolo muy lentamente, lo que da como resultado la formación de perlita . Tanto en metales puros como en muchas aleaciones que no pueden ser tratadas térmicamente, el recocido se utiliza para eliminar la dureza causada por el trabajo en frío. El metal se calienta a una temperatura donde puede ocurrir la recristalización , reparando así los defectos causados ​​por la deformación plástica. En estos metales, la velocidad de enfriamiento generalmente tendrá poco efecto. La mayoría de las aleaciones no ferrosas que son tratables térmicamente también se recocen para aliviar la dureza del trabajo en frío. Estas pueden enfriarse lentamente para permitir la precipitación completa de los constituyentes y producir una microestructura refinada.

Las aleaciones ferrosas suelen someterse a un recocido completo o a un recocido de proceso. El recocido completo requiere velocidades de enfriamiento muy lentas para formar perlita gruesa. En el recocido de proceso, la velocidad de enfriamiento puede ser más rápida, incluso hasta la normalización. El objetivo principal del recocido de proceso es obtener una microestructura uniforme. Las aleaciones no ferrosas suelen someterse a diversas técnicas de recocido, como el recocido de recristalización, el recocido parcial, el recocido completo y el recocido final. No todas las técnicas de recocido implican recristalización, como el alivio de tensiones. ^{[ 21 ]}

La normalización es una técnica que se utiliza para proporcionar uniformidad en el tamaño de grano y la composición ( cristales equiaxiales ) en toda una aleación. El término se usa a menudo para aleaciones ferrosas que han sido austenizadas y luego enfriadas al aire libre. ^{[ 21 ]} La normalización no solo produce perlita, sino también martensita y, a veces , bainita , lo que da como resultado un acero más duro y resistente, pero con menor ductilidad para la misma composición que el recocido completo.

En el proceso de normalización, el acero se calienta a unos 40 grados Celsius por encima de su límite superior de temperatura crítica, se mantiene a esta temperatura durante un tiempo y, a continuación, se enfría al aire.

El alivio de tensiones es una técnica para eliminar o reducir las tensiones internas generadas en el metal. Estas tensiones pueden ser causadas por diversos factores, desde el trabajo en frío hasta el enfriamiento no uniforme. El alivio de tensiones generalmente se logra calentando el metal por debajo de la temperatura crítica inferior y luego enfriándolo uniformemente. ^{[ 21 ]} El alivio de tensiones se utiliza comúnmente en elementos como tanques de aire, calderas y otros recipientes a presión , para eliminar una parte de las tensiones generadas durante el proceso de soldadura. ^{[ 22 ]}

Algunos metales se clasifican como metales de endurecimiento por precipitación . Cuando una aleación de endurecimiento por precipitación se enfría bruscamente, sus elementos de aleación quedan atrapados en solución, lo que da como resultado un metal blando. El envejecimiento de un metal "solubilizado" permite que los elementos de aleación se difundan a través de la microestructura y formen partículas intermetálicas. Estas partículas intermetálicas se nuclean, precipitan de la solución y actúan como una fase de refuerzo, aumentando así la resistencia de la aleación. Las aleaciones pueden envejecer "naturalmente", es decir, los precipitados se forman a temperatura ambiente, o pueden envejecer "artificialmente", cuando los precipitados solo se forman a temperaturas elevadas. En algunas aplicaciones, las aleaciones de envejecimiento natural pueden almacenarse en un congelador para evitar el endurecimiento hasta después de operaciones posteriores; por ejemplo, el ensamblaje de remaches puede ser más fácil con una pieza más blanda.

Ejemplos de aleaciones endurecibles por precipitación incluyen las aleaciones de aluminio de las series 2000, 6000 y 7000 , así como algunas superaleaciones y algunos aceros inoxidables . Los aceros que se endurecen por envejecimiento se denominan generalmente aceros maraging , término derivado de la combinación de "envejecimiento de la martensita". ^{[ 21 ]}

El temple es un proceso que consiste en enfriar un metal rápidamente. Generalmente se realiza para producir una transformación martensítica. En las aleaciones ferrosas, esto suele dar como resultado un metal más duro, mientras que en las aleaciones no ferrosas, este metal suele volverse más blando de lo normal.

Para endurecer mediante temple, un metal (generalmente acero o hierro fundido) debe calentarse por encima de la temperatura crítica superior (Acero: por encima de 815~900 grados Celsius ^{[ 23 ]} ) y luego enfriarse rápidamente. Dependiendo de la aleación y otras consideraciones (como la preocupación por la máxima dureza frente al agrietamiento y la deformación), el enfriamiento puede hacerse con aire forzado u otros gases (como nitrógeno ). Se pueden usar líquidos , debido a su mejor conductividad térmica , como aceite , agua, un polímero disuelto en agua o una salmuera . Al enfriarse rápidamente, una porción de austenita (dependiendo de la composición de la aleación) se transformará en martensita , una estructura cristalina dura y frágil. La dureza templada de un metal depende de su composición química y del método de temple. Las velocidades de enfriamiento, de más rápida a más lenta, van desde salmuera, polímero (es decir, mezclas de polímeros de agua + glicol), agua dulce, aceite y aire forzado. Sin embargo, enfriar ciertos aceros demasiado rápido puede provocar grietas, por lo que los aceros de alta resistencia como el AISI 4140 deben enfriarse en aceite, los aceros para herramientas como el ISO 1.2767 o el acero para herramientas de trabajo en caliente H13 deben enfriarse con aire forzado, y los aceros de baja aleación o de resistencia media como el XK1320 o el AISI 1040 deben enfriarse en salmuera.

Algunas aleaciones de titanio beta también han mostrado tendencias similares de aumento de resistencia mediante enfriamiento rápido. ^{[ 24 ]} Sin embargo, la mayoría de los metales no ferrosos, como las aleaciones de cobre , aluminio o níquel , y algunos aceros de alta aleación como el acero inoxidable austenítico (304, 316), producen un efecto opuesto cuando se templan: se ablandan. Los aceros inoxidables austeníticos deben templarse para lograr una resistencia total a la corrosión, ya que se endurecen significativamente por deformación. ^{[ 21 ]}

El acero martensítico sin templar, si bien es muy duro, resulta demasiado frágil para la mayoría de las aplicaciones. Un método para mitigar este problema es el revenido. La mayoría de las aplicaciones requieren que las piezas templadas se sometan a este proceso. El revenido consiste en calentar el acero por debajo de la temperatura crítica inferior (generalmente entre 205 °C y 595 °C, según los resultados deseados) para conferirle cierta tenacidad . En ocasiones, se utilizan temperaturas de revenido más elevadas (quizás hasta 700 °C, según la aleación y la aplicación) para aumentar la ductilidad, aunque se pierde algo de límite elástico.

El revenido también puede realizarse en aceros normalizados. Otros métodos de revenido consisten en enfriar hasta una temperatura específica, superior a la temperatura de inicio de la martensita, y mantenerla hasta que se forme bainita pura o se liberen las tensiones internas. Estos incluyen el austemperado y el martemperado . ^{[ 21 ]}

Colores templados

El acero recién rectificado o pulido forma capas de óxido al calentarse. A una temperatura muy específica, el óxido de hierro forma una capa de espesor muy específico, lo que provoca interferencia de película delgada . Esto hace que aparezcan colores en la superficie del acero. A medida que aumenta la temperatura, la capa de óxido de hierro se vuelve más gruesa, cambiando el color. ^{[ 25 ]} Estos colores, llamados colores de revenido, se han utilizado durante siglos para medir la temperatura del metal. ^{[ 26 ]}

• 350˚F (176˚C), ligeramente amarillento
• 400˚F (204˚C), pajita ligera
• 440˚F (226˚C), color pajizo oscuro
• 500˚F (260˚C), marrón
• 540˚F (282˚C), morado
• 590 °F (310 °C), azul intenso
• 640˚F (337˚C), azul claro ^{[ 26 ]}

Los colores del revenido pueden utilizarse para evaluar las propiedades finales del acero templado. Las herramientas muy duras suelen templarse en la gama de color pajizo claro a oscuro, mientras que los muelles suelen templarse hasta obtener un color azul. Sin embargo, la dureza final del acero templado variará según su composición. El acero para herramientas con mayor contenido de carbono se mantendrá mucho más duro después del revenido que el acero para muelles (con un contenido de carbono ligeramente menor) cuando se templa a la misma temperatura. La capa de óxido también aumentará de espesor con el tiempo. Por lo tanto, el acero que se ha mantenido a 400 °F durante mucho tiempo puede volverse marrón o púrpura, aunque la temperatura nunca haya superado la necesaria para producir un color pajizo claro. Otros factores que afectan al resultado final son las películas de aceite en la superficie y el tipo de fuente de calor utilizada. ^{[ 26 ]}

Se han desarrollado numerosos métodos de tratamiento térmico para modificar las propiedades de solo una parte de un objeto. Estos suelen consistir en enfriar distintas zonas de una aleación a diferentes velocidades, calentar rápidamente una zona localizada y luego enfriarla bruscamente, mediante difusión termoquímica, o templar distintas zonas de un objeto a diferentes temperaturas, como en el templado diferencial .

Endurecimiento diferencial

Algunas técnicas permiten que distintas áreas de un mismo objeto reciban diferentes tratamientos térmicos. Esto se denomina endurecimiento diferencial . Es común en cuchillos y espadas de alta calidad. El jian chino es uno de los primeros ejemplos conocidos, y la katana japonesa es quizás la más conocida. El khukuri nepalés es otro ejemplo. Esta técnica utiliza una capa aislante, como capas de arcilla, para cubrir las áreas que deben permanecer blandas. Las áreas que se van a endurecer quedan expuestas, permitiendo que solo ciertas partes del acero se endurezcan por completo al templarlas.

Aunque el temple del acero provoca la transformación de la austenita en martensita, generalmente no toda la austenita se transforma. Algunos cristales de austenita permanecen inalterados incluso después del temple por debajo de la temperatura de acabado de la martensita (M _f ). La transformación adicional de la austenita en martensita puede inducirse enfriando lentamente el metal a temperaturas extremadamente bajas. El tratamiento en frío generalmente consiste en enfriar el acero a alrededor de -115 °F (-81 °C), pero no elimina toda la austenita. El tratamiento criogénico generalmente consiste en enfriar a temperaturas mucho más bajas, a menudo en el rango de -315 °F (-192 °C), para transformar la mayor parte de la austenita en martensita.

Los tratamientos en frío y criogénicos se realizan normalmente inmediatamente después del temple, antes de cualquier revenido, y aumentan la dureza, la resistencia al desgaste y reducen las tensiones internas del metal. Sin embargo, al ser una extensión del proceso de temple, pueden aumentar las probabilidades de agrietamiento durante el procedimiento. Este proceso se utiliza a menudo para herramientas, cojinetes u otros elementos que requieren una buena resistencia al desgaste. No obstante, suele ser eficaz únicamente en aceros de alto contenido de carbono o de alta aleación en los que se retiene más del 10 % de austenita tras el temple. ^{[ 28 ] [ 29 ]}

El calentamiento del acero se utiliza a veces como método para modificar su contenido de carbono. Cuando el acero se calienta en un ambiente oxidante, el oxígeno se combina con el hierro para formar una capa de óxido de hierro, que lo protege de la descarburación. Sin embargo, cuando el acero se transforma en austenita, el oxígeno se combina con el hierro para formar una escoria, que no ofrece protección contra la descarburación. La formación de escoria y cascarilla aumenta la descarburación, ya que el óxido de hierro mantiene el oxígeno en contacto con la zona de descarburación incluso después de que el acero se traslade a un ambiente libre de oxígeno, como el carbón de una fragua. De este modo, los átomos de carbono comienzan a combinarse con la cascarilla y la escoria circundantes para formar monóxido de carbono y dióxido de carbono , que se liberan al aire.

El acero contiene un porcentaje relativamente pequeño de carbono, que puede migrar libremente dentro del hierro gamma. Cuando el acero austenitizado se expone al aire durante largos períodos de tiempo, el contenido de carbono en el acero puede disminuir. Esto es lo opuesto a lo que sucede cuando el acero se calienta en un ambiente reductor , en el que el carbono se difunde lentamente más profundamente en el metal. En un ambiente oxidante, el carbono puede difundirse fácilmente hacia el exterior, por lo que el acero austenitizado es muy susceptible a la descarburación. Esto se utiliza a menudo en el acero fundido, donde se necesita un alto contenido de carbono para la fundición, pero se desea un contenido de carbono menor en el producto final. También se utiliza a menudo en el hierro fundido para producir hierro fundido maleable , en un proceso llamado "templado blanco". Esta tendencia a la descarburación suele ser un problema en otras operaciones, como la herrería, donde es más conveniente austenitizar el acero durante el menor tiempo posible para evitar una descarburación excesiva. ^{[ 30 ]}

El endurecimiento superficial se especifica mediante la "dureza" y la "profundidad de la capa". La profundidad de la capa se puede especificar de dos maneras: profundidad total o profundidad efectiva. La profundidad total es la profundidad real de la capa. Para la mayoría de las aleaciones, la profundidad efectiva es la profundidad de la capa que tiene una dureza equivalente a HRC50; sin embargo, algunas aleaciones especifican una dureza diferente (40-60 HRC) a la profundidad efectiva; esto se verifica con un microdurómetro Tukon. Este valor se puede aproximar como el 65 % de la profundidad total; sin embargo, la composición química y la templabilidad pueden afectar esta aproximación. Si no se especifica ninguno de los dos tipos de profundidad, se asume la profundidad total. ^{[ 31 ]}

Para piezas cementadas, la especificación debe tener una tolerancia de al menos ± 0,005 pulg (0,13 mm) . Si la pieza se va a rectificar después del tratamiento térmico, se asume que la profundidad de la capa endurecida es la que se obtiene después del rectificado. ^{[ 31 ]}  

La escala de dureza Rockwell utilizada para la especificación depende de la profundidad total de la capa, como se muestra en la tabla a continuación. Generalmente, la dureza se mide en la escala Rockwell "C", pero la carga aplicada en la escala penetrará la capa si esta tiene menos de 0,030 pulgadas (0,76 mm) . El uso de la escala Rockwell "C" para una capa más delgada dará como resultado una lectura errónea. ^{[ 31 ]}  

Para casos que tengan menos de 0,015 pulgadas (0,38 mm) de espesor, no se puede utilizar de forma fiable la escala Rockwell, por lo que  En su lugar, se especifica la dureza del archivo . ^{[ 31 ]} La dureza del archivo es aproximadamente equivalente a 58 HRC. ^{[ 32 ]}

Al especificar la dureza, se debe indicar un rango o la dureza mínima. Si se especifica un rango, se deben indicar al menos 5 puntos. ^{[ 31 ]}

Solo se indica la dureza para el endurecimiento total. Generalmente se presenta en forma de HRC con un rango de al menos cinco puntos. ^{[ 31 ]}

La dureza para un proceso de recocido generalmente se indica en la escala HRB como un valor máximo. ^{[ 31 ]} Es un proceso para refinar el tamaño del grano, mejorar la resistencia, eliminar las tensiones residuales y afectar las propiedades electromagnéticas...

Los sistemas por lotes suelen constar de una cámara aislada con una carcasa de acero, un sistema de calefacción y una puerta de acceso a la cámara. ^{[ 33 ]}

Muchos hornos básicos de tipo caja se han modernizado para convertirlos en hornos discontinuos semicontinuos con la adición de tanques de enfriamiento rápido y cámaras de enfriamiento lento integradas. Estos hornos modernizados son un equipo muy utilizado para el tratamiento térmico. ^{[ 33 ]}

También conocido como horno de carro, este tipo de horno es un horno de lotes de gran tamaño. Su base está construida con un carro móvil aislado que se introduce y extrae del horno para su carga y descarga. El carro suele sellarse con juntas de arena o juntas sólidas cuando está en posición. Debido a la dificultad para lograr un sellado adecuado, los hornos de carro se utilizan generalmente para procesos sin atmósfera controlada.

Similares en tipo a los hornos de carro, excepto que el carro y el hogar se colocan debajo del horno y se elevan mediante un mecanismo accionado por motor, los hornos elevadores pueden manejar grandes cargas pesadas y a menudo eliminan la necesidad de grúas externas y mecanismos de transferencia. ^{[ 33 ]}

Los hornos de campana tienen cubiertas desmontables llamadas campanas , que se bajan sobre la carga y el hogar mediante una grúa. Una campana interior se coloca sobre el hogar y se sella para proporcionar una atmósfera protectora. Una campana exterior se baja para proporcionar el suministro de calor. ^{[ 33 ]}

Los hornos construidos en un foso que se extienden hasta el nivel del suelo o ligeramente por encima se denominan hornos de foso. Las piezas de trabajo pueden suspenderse de soportes, sujetarse en cestas o colocarse sobre bases dentro del horno. Los hornos de foso son adecuados para calentar tubos, ejes y varillas largos, manteniéndolos en posición vertical. Este método de carga minimiza la deformación. ^{[ 33 ]}

Los baños de sales se utilizan en una amplia variedad de procesos de tratamiento térmico, incluidos el endurecimiento neutro, la carburación líquida, la nitruración líquida , el austemperado , el martemperado y el revenido .

Las piezas se introducen en un crisol de sal fundida donde se calientan por conducción , lo que proporciona una fuente de calor muy fácilmente disponible. La temperatura del núcleo de una pieza aumenta aproximadamente al mismo ritmo que la de su superficie en un baño de sal. ^{[ 33 ]}

Los baños de sal utilizan diversos tipos de sales para el tratamiento térmico, siendo las sales de cianuro las más empleadas. Las preocupaciones sobre la salud y la seguridad laboral asociadas, así como la costosa gestión y eliminación de residuos debido a sus efectos ambientales, han hecho que el uso de baños de sal sea menos atractivo en los últimos años. En consecuencia, muchos baños de sal están siendo reemplazados por hornos de lecho fluidizado, más respetuosos con el medio ambiente. ^{[ 34 ]}

Un lecho fluidizado consiste en una retorta cilíndrica hecha de una aleación de alta temperatura, rellena de partículas de óxido de aluminio similares a la arena. Se burbujea gas (aire o nitrógeno) a través del óxido y la arena se mueve de tal manera que exhibe un comportamiento similar al de un fluido, de ahí el término fluidizado . El contacto sólido-sólido del óxido proporciona una conductividad térmica muy alta y una excelente uniformidad de temperatura en todo el horno, comparable a la que se observa en un baño de sales. ^{[ 33 ]}