El tratamiento térmico (o tratamiento térmico ) es un grupo de procesos industriales , térmicos y metalúrgicos que se utilizan para alterar las propiedades físicas y, a veces , químicas , de un material. La aplicación más común es la metalúrgica . Los tratamientos térmicos también se utilizan en la fabricación de muchos otros materiales, como el vidrio . El tratamiento térmico implica el uso de calentamiento o enfriamiento, normalmente a temperaturas extremas, para lograr el resultado deseado, como el endurecimiento o el ablandamiento de un material. Las técnicas de tratamiento térmico incluyen recocido , cementación , fortalecimiento por precipitación , templado , carburación , normalización y temple . Aunque el término tratamiento térmico se aplica solo a procesos en los que el calentamiento y el enfriamiento se realizan con el propósito específico de alterar las propiedades de manera intencional, el calentamiento y el enfriamiento a menudo ocurren incidentalmente durante otros procesos de fabricación, como el conformado en caliente o la soldadura.
Los materiales metálicos consisten en una microestructura de pequeños cristales llamados "granos" o cristalitos . La naturaleza de los granos (es decir, el tamaño y la composición del grano) es uno de los factores más eficaces que pueden determinar el comportamiento mecánico general del metal. El tratamiento térmico proporciona una forma eficiente de manipular las propiedades del metal controlando la velocidad de difusión y la velocidad de enfriamiento dentro de la microestructura. El tratamiento térmico se utiliza a menudo para alterar las propiedades mecánicas de una aleación metálica , manipulando propiedades como la dureza , la resistencia , la tenacidad , la ductilidad y la elasticidad . [1]
Hay dos mecanismos que pueden cambiar las propiedades de una aleación durante el tratamiento térmico: la formación de martensita hace que los cristales se deformen intrínsecamente, y el mecanismo de difusión provoca cambios en la homogeneidad de la aleación. [2]
La estructura cristalina está formada por átomos agrupados en una disposición muy específica, llamada red. En la mayoría de los elementos, este orden se reorganizará por sí solo, dependiendo de condiciones como la temperatura y la presión. Esta reorganización, llamada alotropía o polimorfismo , puede ocurrir varias veces, a muchas temperaturas diferentes para un metal en particular. En las aleaciones, esta reorganización puede hacer que un elemento que normalmente no se disolvería en el metal base se vuelva repentinamente soluble , mientras que una inversión de la alotropía hará que los elementos sean parcial o completamente insolubles. [3]
Cuando está en estado soluble, el proceso de difusión hace que los átomos del elemento disuelto se dispersen, intentando formar una distribución homogénea dentro de los cristales del metal base. Si la aleación se enfría a un estado insoluble, los átomos de los constituyentes disueltos (solutos) pueden migrar fuera de la solución. Este tipo de difusión, llamada precipitación , conduce a la nucleación , donde los átomos migrantes se agrupan en los límites de grano. Esto forma una microestructura que generalmente consta de dos o más fases distintas . [4] Por ejemplo, el acero que se ha calentado por encima de la temperatura de austenización (rojo a naranja-caliente, o alrededor de 1500 °F (820 °C) a 1600 °F (870 °C) dependiendo del contenido de carbono), y luego se enfría lentamente, forma una estructura laminada compuesta de capas alternas de ferrita y cementita , convirtiéndose en perlita blanda . [5] Después de calentar el acero hasta la fase austenítica y luego templarlo en agua, la microestructura estará en la fase martensítica. Esto se debe al hecho de que el acero cambiará de la fase austenítica a la fase martensítica después del temple. Es posible que haya algo de perlita o ferrita si el temple no enfrió rápidamente todo el acero. [4]
A diferencia de las aleaciones a base de hierro, la mayoría de las aleaciones tratables térmicamente no experimentan una transformación de ferrita. En estas aleaciones, la nucleación en los límites de grano a menudo refuerza la estructura de la matriz cristalina. Estos metales se endurecen por precipitación. Este proceso, que suele ser lento y depende de la temperatura, suele denominarse "endurecimiento por envejecimiento". [6]
Muchos metales y no metales presentan una transformación martensita cuando se enfrían rápidamente (con medios externos como aceite, polímero, agua, etc.). Cuando un metal se enfría muy rápidamente, los átomos insolubles pueden no ser capaces de migrar fuera de la solución a tiempo. Esto se llama una " transformación sin difusión ". Cuando la matriz cristalina cambia a su disposición de baja temperatura, los átomos del soluto quedan atrapados dentro de la red. Los átomos atrapados impiden que la matriz cristalina cambie completamente a su alótropo de baja temperatura, creando tensiones de corte dentro de la red. Cuando algunas aleaciones se enfrían rápidamente, como el acero, la transformación martensita endurece el metal, mientras que en otras, como el aluminio, la aleación se vuelve más blanda. [7] [8]
La composición específica de un sistema de aleación suele tener un gran efecto en los resultados del tratamiento térmico. Si el porcentaje de cada componente es el adecuado, la aleación formará una única microestructura continua al enfriarse. Se dice que una mezcla de este tipo es eutectoide . Sin embargo, si el porcentaje de solutos varía con respecto a la mezcla eutectoide, normalmente se formarán simultáneamente dos o más microestructuras diferentes. Una solución hipoeutectoide contiene menos soluto que la mezcla eutectoide, mientras que una solución hipereutectoide contiene más. [9]
Una aleación eutectoide ( similar a la eutéctica ) tiene un comportamiento similar al de 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 los componentes y ningún cambio en la mezcla reducirá aún más el punto de fusión. Cuando se enfría una aleación eutéctica fundida, todos los componentes cristalizarán en sus respectivas fases a la misma temperatura.
Una aleación eutectoide es similar, pero el cambio de fase ocurre, no desde un líquido, sino desde una solución sólida . Al enfriar una aleación eutectoide desde la temperatura de la solución, los componentes 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 .
Como la perlita es más dura que el hierro, el grado de suavidad que se puede alcanzar normalmente está limitado al producido por la perlita. De manera similar, la templabilidad está limitada por la microestructura martensítica continua que se forma cuando se enfría muy rápido. [10]
Una aleación hipoeutéctica tiene dos puntos de fusión independientes. Ambos están por encima del punto de fusión eutéctico del sistema, pero por debajo de los puntos de fusión de cualquier componente que forme el sistema. Entre estos dos puntos de fusión, la aleación existirá en parte sólida y en parte líquida. El componente con el punto de fusión más alto se solidificará primero. Cuando esté completamente solidificada, una aleación hipoeutéctica estará a menudo en una solución sólida.
De manera similar, una aleación hipoeutectoide tiene dos temperaturas críticas, llamadas "detención". Entre estas dos temperaturas, la aleación existirá en parte como solución y en parte como una fase de cristalización separada, llamada "fase proeutectoide". Estas dos temperaturas se denominan temperaturas 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 a menudo se verá obligado a "cristalizarse", convirtiéndose en el proeutectoide. Esto ocurrirá hasta que la concentración restante de solutos alcance el nivel eutectoide, que luego cristalizará como una microestructura separada.
Por ejemplo, un acero hipoeutectoide contiene menos de 0,77 % de carbono. Al enfriar un acero hipoeutectoide desde la temperatura de transformación de austenita, se formarán pequeñas islas de proeutectoide-ferrita. Estas seguirán creciendo y el carbono retrocederá hasta que se alcance 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, las dos microestructuras se combinan para aumentar la ductilidad de la aleación. En consecuencia, se reduce la templabilidad de la aleación. [11]
Una aleación hipereutéctica también tiene diferentes puntos de fusión. Sin embargo, entre estos puntos, el componente con el punto de fusión más alto será el sólido. De manera similar, una aleación hipereutectoide tiene dos temperaturas críticas. Al enfriar una aleación hipereutectoide desde la temperatura de transformación superior, generalmente serán los solutos en exceso los que cristalicen primero, formando el proeutectoide. Esto continúa hasta que la concentración en la aleación restante se vuelve eutectoide, que luego cristaliza en una microestructura separada.
Un acero hipereutectoide contiene más de un 0,77 % de carbono. Al enfriarse lentamente, el acero hipereutectoide comenzará a cristalizar primero la cementita. Cuando el acero restante se vuelva eutectoide en composición, cristalizará en perlita. Dado que la cementita es mucho más dura que la perlita, la aleación tiene una mayor templabilidad a costa de la ductilidad. [9] [11]
Un tratamiento térmico adecuado requiere un control preciso de la temperatura, el tiempo que se mantiene a una temperatura determinada y la velocidad de enfriamiento. [12]
Con la excepción del alivio de tensiones, el templado y el envejecimiento, la mayoría de los tratamientos térmicos comienzan calentando una aleación más allá de una cierta temperatura de transformación o detención (A). Esta temperatura se conoce como "detención" porque a la temperatura A el metal experimenta un período de histéresis . En este punto, toda la energía térmica se utiliza para provocar el cambio de cristal, por lo que la temperatura deja de aumentar durante un corto tiempo (se detiene) y luego continúa subiendo una vez que se completa el cambio. [13] Por lo tanto, la aleación debe calentarse por encima de la temperatura crítica para que se produzca una transformación. La aleación normalmente se mantendrá a esta temperatura el tiempo suficiente para que el calor penetre completamente en la aleación, llevándola así a una solución sólida completa. El hierro, por ejemplo, tiene cuatro temperaturas críticas, según el contenido de carbono. El hierro puro en su estado alfa (temperatura ambiente) cambia a hierro gamma no magnético a su temperatura A 2 y a hierro delta soldable a su temperatura A 4 . Sin embargo, a medida que se añade carbono, convirtiéndose en acero, la temperatura A2 se divide en la temperatura A3, también llamada temperatura de austenización (todas las fases se convierten en austenita, una solución de hierro gamma y carbono) y su temperatura A1 ( la austenita se transforma en perlita al enfriarse). Entre estas temperaturas superior e inferior se forma la fase proeutectoide al enfriarse.
Debido a que un tamaño de grano más pequeño generalmente mejora las propiedades mecánicas, como la tenacidad , la resistencia al corte y la resistencia a la tracción , estos metales a menudo se calientan a una temperatura que está justo por encima de la temperatura crítica superior, para evitar que los granos de solución crezcan demasiado. Por ejemplo, cuando el acero se calienta por encima de la temperatura crítica superior, se forman pequeños granos de austenita. Estos crecen a medida que aumenta la temperatura. Cuando se enfría muy rápidamente, durante una transformación de martensita, el tamaño de grano de austenita afecta directamente al tamaño de grano martensítico. Los granos más grandes tienen grandes límites de grano, que sirven como puntos débiles en la estructura. El tamaño de grano generalmente se controla para reducir la probabilidad de rotura. [14]
La transformación por difusión depende en gran medida del tiempo. El enfriamiento de un metal normalmente suprimirá la precipitación a una temperatura mucho más baja. La austenita, por ejemplo, normalmente sólo existe por encima de la temperatura crítica superior. Sin embargo, si la austenita se enfría lo suficientemente rápido, la transformación puede suprimirse durante cientos de grados por debajo de la temperatura crítica inferior. Dicha austenita es muy inestable y, si se le da suficiente tiempo, precipitará en varias microestructuras de ferrita y cementita. La velocidad de enfriamiento se puede utilizar para controlar la velocidad de crecimiento del grano o incluso se puede utilizar para producir microestructuras parcialmente martensíticas. [15] Sin embargo, la transformación de martensita es independiente del tiempo. Si la aleación se enfría a la temperatura de transformación de martensita (M s ) antes de que se puedan formar completamente otras microestructuras, la transformación normalmente se producirá justo por debajo de la velocidad del sonido. [16]
Cuando la austenita se enfría pero se mantiene por encima de la temperatura inicial de la martensita Ms de modo que no se produzca una transformación de martensita, el tamaño del grano de austenita tendrá un efecto en la velocidad de nucleación, pero generalmente es la temperatura y la velocidad de enfriamiento lo que controla el tamaño del grano y la microestructura. Cuando la austenita se enfría extremadamente lentamente, formará grandes cristales de ferrita llenos de inclusiones esféricas de cementita. Esta microestructura se conoce como "esferoidita". Si se enfría un poco más rápido, se formará perlita gruesa. Incluso más rápido, se formará perlita fina. Si se enfría aún más rápido, se formará bainita , y la transformación de bainita más completa se producirá dependiendo del tiempo que se mantenga por encima de la temperatura inicial de martensita Ms. De manera similar, estas microestructuras también se formarán, si se enfrían a una temperatura específica y luego se mantienen allí durante un tiempo determinado. [17]
La mayoría de las aleaciones no ferrosas también se calientan para formar una solución. En la mayoría de los casos, se enfrían muy rápidamente para producir una transformación de martensita, lo que pone la solución en un estado sobresaturado . La aleación, al estar en un estado mucho más blando, puede entonces trabajarse en frío . Esto provoca un endurecimiento por deformación que aumenta la resistencia y la dureza de la aleación. Además, los defectos causados por la deformación plástica tienden a acelerar la precipitación, lo que aumenta la dureza más allá de lo normal para la aleación. Incluso si no se trabaja en frío, los solutos en estas aleaciones generalmente precipitarán, aunque el proceso puede tardar mucho más. A veces, estos metales se calientan a una temperatura que está por debajo de la temperatura crítica inferior (A 1 ), lo que evita la recristalización, para acelerar la precipitación. [18] [19] [20]
Los metalúrgicos suelen idear programas complejos de tratamiento térmico, o "ciclos", para optimizar las propiedades mecánicas de una aleación. En la industria aeroespacial , una superaleación puede someterse a cinco o más operaciones de tratamiento térmico diferentes para desarrollar las propiedades deseadas. [ cita requerida ] Esto puede provocar problemas de calidad según la precisión de los controles de temperatura y el temporizador del horno. Estas operaciones suelen dividirse en varias técnicas básicas.
El recocido consiste en calentar un metal a una temperatura específica y luego enfriarlo a una velocidad que produzca una microestructura refinada , ya sea separando total o parcialmente los componentes. La velocidad de enfriamiento es generalmente lenta. El recocido se utiliza con mayor frecuencia para ablandar un metal para trabajarlo en frío, para mejorar la maquinabilidad o para mejorar propiedades como la conductividad eléctrica .
En las aleaciones ferrosas, el recocido se suele llevar a cabo calentando el metal más allá 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 se pueden tratar térmicamente, el recocido se utiliza para eliminar la dureza causada por el trabajo en frío. El metal se calienta a una temperatura en la que puede producirse la recristalización , reparando así los defectos causados por la deformación plástica. En estos metales, la velocidad de enfriamiento normalmente tendrá poco efecto. La mayoría de las aleaciones no ferrosas que se pueden tratar térmicamente también se recocen para aliviar la dureza del trabajo en frío. Estas pueden enfriarse lentamente para permitir la precipitación completa de los componentes y producir una microestructura refinada.
Las aleaciones ferrosas suelen ser "recocidas por completo" o "recocidas por proceso". El recocido por completo requiere velocidades de enfriamiento muy lentas para formar perlita gruesa. En el recocido por proceso, la velocidad de enfriamiento puede ser más rápida, hasta llegar a la normalización. El objetivo principal del recocido por proceso es producir una microestructura uniforme. Las aleaciones no ferrosas suelen estar sujetas a una variedad de técnicas de recocido, que incluyen "recocido de recristalización", "recocido parcial", "recocido por completo" y "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 y la composición del grano ( cristales equiaxiales ) en toda una aleación. El término se utiliza a menudo para aleaciones ferrosas que se han austenizado y luego se han enfriado 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 menos 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 de temperatura crítica superior, se mantiene a esta temperatura durante algún tiempo y luego se enfría al aire.
La eliminación de tensiones es una técnica que se utiliza para eliminar o reducir las tensiones internas que se generan en el metal. Estas tensiones pueden producirse de diversas formas, desde el trabajo en frío hasta el enfriamiento no uniforme. La eliminación de tensiones se suele lograr calentando un metal por debajo de la temperatura crítica inferior y luego enfriándolo de manera uniforme. [21] La eliminación de tensiones se utiliza habitualmente en elementos como tanques de aire, calderas y otros recipientes a presión , para eliminar una parte de las tensiones creadas durante el proceso de soldadura. [22]
Algunos metales se clasifican como metales endurecibles por precipitación . Cuando se enfría una aleación endurecible por precipitación, sus elementos de aleación quedan atrapados en la solución, lo que da como resultado un metal blando. El envejecimiento de un metal "solucionado" permitirá que los elementos de aleación se difundan a través de la microestructura y formen partículas intermetálicas. Estas partículas intermetálicas se nuclearán y caerán de la solución y actuarán como una fase de refuerzo, aumentando así la resistencia de la aleación. Las aleaciones pueden envejecer "naturalmente", lo que significa que 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 que envejecen naturalmente se pueden almacenar en un congelador para evitar el endurecimiento hasta después de otras operaciones: el ensamblaje de remaches, por ejemplo, puede ser más fácil con una pieza más blanda.
Entre los ejemplos de aleaciones endurecidas por precipitación se 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 normalmente aceros maraging , de una combinación del término "envejecimiento por martensita". [21]
El temple es un proceso de enfriamiento rápido de un metal. Esto se hace con mayor frecuencia para producir una transformación de martensita. En aleaciones ferrosas, esto suele producir un metal más duro, mientras que las aleaciones no ferrosas generalmente se vuelven más blandas de lo normal.
Para endurecer por 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 dureza máxima frente al agrietamiento y la distorsión), el enfriamiento puede realizarse con aire forzado u otros gases (como nitrógeno ). Se pueden utilizar líquidos , debido a su mejor conductividad térmica , como aceite , agua, un polímero disuelto en agua o una salmuera . Al enfriarse rápidamente, una parte de la austenita (dependiendo de la composición de la aleación) se transformará en martensita , una estructura cristalina dura y quebradiza. 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 agua + polímeros de 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 AISI 4140 deben enfriarse en aceite, los aceros para herramientas como ISO 1.2767 o H13 para trabajo en caliente deben enfriarse en aire forzado, y los aceros de baja aleación o de resistencia media como XK1320 o AISI 1040 deben enfriarse en salmuera.
Algunas aleaciones basadas en titanio beta también han mostrado tendencias similares de mayor resistencia a través del 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 volverse completamente resistentes a la corrosión, ya que se endurecen con el trabajo de manera significativa. [21]
El acero martensítico sin templar, aunque es muy duro, es demasiado frágil para ser útil en la mayoría de las aplicaciones. Un método para aliviar este problema se llama revenido. La mayoría de las aplicaciones requieren que las piezas templadas se templen. El revenido consiste en calentar el acero por debajo de la temperatura crítica inferior (a menudo de 400 ˚F a 1105 ˚F o 205 ˚C a 595 ˚C, según los resultados deseados), para impartir cierta dureza . A veces se utilizan temperaturas de revenido más altas (quizás hasta 1300 ˚F o 700 ˚C, según la aleación y la aplicación) para impartir mayor ductilidad, aunque se pierde algo de resistencia al límite elástico .
El templado también se puede realizar en aceros normalizados. Otros métodos de templado consisten en enfriar a una temperatura específica, que es superior a la temperatura inicial de la martensita, y luego mantenerla allí hasta que se pueda formar bainita pura o se puedan aliviar las tensiones internas. Estos incluyen el austemperado y el martemperado . [21]
El acero recién molido o pulido formará capas de óxido cuando se caliente. A una temperatura muy específica, el óxido de hierro formará una capa con un espesor muy específico, lo que provocará una interferencia de película fina . Esto hace que aparezcan colores en la superficie del acero. A medida que aumenta la temperatura, la capa de óxido de hierro aumenta de espesor, lo que cambia el color. [25] Estos colores, llamados colores de templado, se han utilizado durante siglos para medir la temperatura del metal. [26]
Los colores de templado se pueden utilizar para juzgar las propiedades finales del acero templado. Las herramientas muy duras suelen templarse en el rango de color paja claro a oscuro, mientras que los resortes suelen templarse al azul. Sin embargo, la dureza final del acero templado variará, dependiendo de la composición del acero. El acero para herramientas con mayor contenido de carbono seguirá siendo mucho más duro después del templado que el acero para resortes (con un poco menos de carbono) cuando se templa a la misma temperatura. La película 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 morado, aunque la temperatura nunca haya excedido la necesaria para producir un color paja claro. Otros factores que afectan el resultado final son las películas de aceite en la superficie y el tipo de fuente de calor utilizada. [26]
Se han desarrollado muchos métodos de tratamiento térmico para alterar las propiedades de solo una parte de un objeto. Estos tienden a consistir en enfriar diferentes áreas de una aleación a diferentes velocidades, calentando rápidamente en un área localizada y luego enfriando, por difusión termoquímica, o templando diferentes áreas de un objeto a diferentes temperaturas, como en el templado diferencial . [ cita requerida ]
Algunas técnicas permiten que distintas áreas de un mismo objeto reciban distintos 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 de esto, y la katana japonesa puede ser la más conocida. El khukuri nepalí 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 se dejan expuestas, lo que permite que solo ciertas partes del acero se endurezcan por completo cuando se enfrían. [ cita requerida ]
El endurecimiento por llama se utiliza para endurecer solo una parte del metal. A diferencia del endurecimiento diferencial, en el que se calienta y luego se enfría toda la pieza a diferentes velocidades, en el endurecimiento por llama solo se calienta una parte del metal antes de templarlo. Esto suele ser más fácil que el endurecimiento diferencial, pero a menudo produce una zona extremadamente frágil entre el metal calentado y el metal no calentado, ya que el enfriamiento en el borde de esta zona afectada por el calor es extremadamente rápido. [ cita requerida ]
El endurecimiento por inducción es una técnica de endurecimiento de superficies en la que la superficie del metal se calienta muy rápidamente, utilizando un método de calentamiento por inducción sin contacto . Luego, la aleación se enfría, lo que produce una transformación de martensita en la superficie mientras que el metal subyacente permanece inalterado. Esto crea una superficie muy dura y resistente al desgaste, al tiempo que mantiene la tenacidad adecuada en la mayor parte del objeto. Los muñones del cigüeñal son un buen ejemplo de una superficie endurecida por inducción. [27]
El endurecimiento superficial es un proceso de difusión termoquímica en el que un elemento de aleación, generalmente carbono o nitrógeno, se difunde en la superficie de un metal monolítico. La solución sólida intersticial resultante es más dura que el material base, lo que mejora la resistencia al desgaste sin sacrificar la tenacidad. [21]
La ingeniería de superficies por láser es un tratamiento de superficies con gran versatilidad, selectividad y propiedades novedosas. Dado que la velocidad de enfriamiento es muy alta en el tratamiento por láser, se puede obtener vidrio metálico incluso metaestable mediante este método.
Aunque el temple del acero hace que la austenita se transforme en martensita, normalmente no se transforma toda la austenita. Algunos cristales de austenita permanecerán inalterados incluso después del temple por debajo de la temperatura de acabado de la martensita (M f ). Se puede inducir una mayor transformación de la austenita en martensita 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 aumentarán la dureza, la resistencia al desgaste y reducirán las tensiones internas en el metal, pero, debido a que es realmente una extensión del proceso de temple, puede aumentar las posibilidades de agrietamiento durante el procedimiento. El proceso se utiliza a menudo para herramientas, cojinetes u otros elementos que requieren una buena resistencia al desgaste. Sin embargo, normalmente solo es eficaz en aceros con alto contenido de carbono o de alta aleación en los que se retiene más del 10% de austenita después del temple. [28] [29]
El calentamiento del acero se utiliza a veces como método para alterar el contenido de carbono. Cuando el acero se calienta en un entorno oxidante, el oxígeno se combina con el hierro para formar una capa de óxido de hierro, que protege al acero de la descarburación. Sin embargo, cuando el acero se convierte en austenita, el oxígeno se combina con el hierro para formar una escoria, que no proporciona protección contra la descarburación. La formación de escoria y cascarilla en realidad aumenta la descarburación, porque el óxido de hierro mantiene el oxígeno en contacto con la zona de descarburación incluso después de que el acero se traslada a un entorno libre de oxígeno, como las brasas de una forja. Por lo tanto, los átomos de carbono comienzan a combinarse con la cascarilla y la escoria circundantes para formar tanto monóxido de carbono como 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 austenizado se expone al aire durante largos períodos de tiempo, el contenido de carbono en el acero puede reducirse. Esto es lo opuesto a lo que sucede cuando el acero se calienta en un entorno reductor , en el que el carbono se difunde lentamente hacia el interior del metal. En un entorno oxidante, el carbono puede difundirse fácilmente hacia el exterior, por lo que el acero austenizado es muy susceptible a la descarburación. Esto se utiliza a menudo para 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 terminado. A menudo se utiliza en 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 se vuelve más deseable austenizar el acero durante el menor tiempo posible para evitar una descarburación excesiva. [30]
Generalmente se especifica la condición final en lugar del proceso utilizado en el tratamiento térmico. [31]
El endurecimiento superficial se especifica por "dureza" y "profundidad superficial". La profundidad superficial se puede especificar de dos maneras: profundidad superficial total o profundidad superficial efectiva. La profundidad superficial total es la profundidad real de la superficie. Para la mayoría de las aleaciones, la profundidad superficial efectiva es la profundidad de la superficie que tiene una dureza equivalente a HRC50; sin embargo, algunas aleaciones especifican una dureza diferente (40-60 HRC) en la profundidad superficial efectiva; esto se verifica en un comprobador de microdureza Tukon. Este valor se puede aproximar aproximadamente como el 65% de la profundidad superficial total; sin embargo, la composición química y la templabilidad pueden afectar esta aproximación. Si no se especifica ningún tipo de profundidad superficial, se asume la profundidad superficial total. [31]
En el caso de piezas cementadas, la especificación debe tener una tolerancia de al menos ±0,005 pulgadas (0,13 mm). Si la pieza se va a rectificar después del tratamiento térmico, se supone que la profundidad de cementación es posterior al rectificado. [31]
La escala de dureza Rockwell utilizada para la especificación depende de la profundidad total de la caja, como se muestra en la tabla siguiente. Por lo general, la dureza se mide en la escala Rockwell "C", pero la carga utilizada en la escala penetrará a través de la caja si esta es menor de 0,030 pulgadas (0,76 mm). El uso de la escala Rockwell "C" para una caja más delgada dará como resultado una lectura falsa. [31]
Para casos con un espesor inferior a 0,015 pulgadas (0,38 mm), no se puede utilizar de manera confiable una escala Rockwell, por lo queEn su lugar, se especifica el archivo duro . [31]El archivo duro 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]
Para el endurecimiento total solo se indica la dureza, que suele presentarse 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 la tensión residual y afectar las propiedades electromagnéticas...
Los hornos utilizados para el tratamiento térmico se pueden dividir en dos grandes categorías: hornos discontinuos y hornos continuos. Los hornos discontinuos suelen cargarse y descargarse manualmente, mientras que los hornos continuos tienen un sistema de transporte automático para proporcionar una carga constante en la cámara del horno. [33]
Los sistemas por lotes generalmente constan 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 convertirse en hornos discontinuos semicontinuos con la incorporación de tanques de enfriamiento integrados y cámaras de enfriamiento lento. Estos hornos modernizados son un equipo muy utilizado para el tratamiento térmico. [33]
También conocido como "horno de vagoneta", el horno de vagoneta es un horno de lotes extremadamente grande. El piso está construido como un vagón móvil aislado que se mueve dentro y fuera del horno para cargar y descargar. El vagón generalmente se sella con sellos de arena o sellos sólidos cuando está en posición. Debido a la dificultad de obtener un sellado suficiente, los hornos de vagoneta generalmente se usan para procesos sin atmósfera. [ cita requerida ]
Similares en tipo al horno de carro, excepto que el carro y el hogar se colocan en posición debajo del horno y se elevan por medio de un mecanismo accionado por motor, los hornos elevadores pueden manejar cargas grandes y pesadas y a menudo eliminan la necesidad de grúas externas y mecanismos de transferencia. [33]
Los hornos de campana tienen tapas removibles llamadas campanas , que se bajan sobre la carga y el hogar mediante una grúa. Se coloca una campana interior sobre el hogar y se sella para proporcionar una atmósfera protectora. Se baja una campana exterior para proporcionar el suministro de calor. [33]
Los hornos que se construyen en un pozo y se extienden hasta el nivel del suelo o ligeramente por encima se denominan hornos de pozo. Las piezas de trabajo pueden estar suspendidas de accesorios, sujetadas en cestas o colocadas sobre bases en el horno. Los hornos de pozo son adecuados para calentar tubos largos, ejes y varillas sosteniéndolos en posición vertical. Esta forma de carga proporciona una distorsión mínima. [33]
Los baños de sal 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 recipiente con sal fundida, donde se calientan por conducción , lo que proporciona una fuente de calor muy disponible. La temperatura central de una pieza aumenta aproximadamente al mismo ritmo que su superficie en un baño de sal. [33]
Los baños de sal utilizan una variedad de sales para el tratamiento térmico, siendo las sales de cianuro las más utilizadas. Las preocupaciones sobre la salud y la seguridad ocupacional asociadas y la gestión y eliminación costosas de los desechos 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, llena de partículas de óxido de aluminio similares a la arena. Se hace burbujear 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 las que se observan en un baño de sal. [33]
