En metalurgia y ciencia de los materiales , el recocido es un tratamiento térmico que altera las propiedades físicas y, a veces, químicas de un material para aumentar su ductilidad y reducir su dureza , haciéndolo más manejable. Implica calentar un material por encima de su temperatura de recristalización , mantener una temperatura adecuada durante un tiempo apropiado y luego enfriarlo.
En el recocido, los átomos migran en la red cristalina y el número de dislocaciones disminuye, lo que produce un cambio en la ductilidad y la dureza. A medida que el material se enfría, se recristaliza. En muchas aleaciones, incluido el acero al carbono, el tamaño del grano del cristal y la composición de la fase, que en última instancia determinan las propiedades del material, dependen de la velocidad de calentamiento y de enfriamiento. El trabajo en caliente o en frío después del proceso de recocido altera la estructura del metal, por lo que se pueden utilizar tratamientos térmicos adicionales para lograr las propiedades requeridas. Conociendo la composición y el diagrama de fases , se puede utilizar el tratamiento térmico para ajustar desde más duro y frágil a más blando y dúctil.
En el caso de los metales ferrosos , como el acero , el recocido se realiza calentando el material (generalmente hasta que brille) durante un tiempo y luego dejándolo enfriar lentamente a temperatura ambiente en aire en calma. El cobre , la plata y el latón se pueden enfriar lentamente en el aire o rápidamente enfriándolos en agua. [1] De esta manera, el metal se ablanda y se prepara para trabajos posteriores, como dar forma, estampar o formar.
Muchos otros materiales, incluidos el vidrio y las películas de plástico , utilizan el recocido para mejorar las propiedades finales. [2] [3]
El recocido se produce por difusión de átomos dentro de un material sólido, de modo que el material progresa hacia su estado de equilibrio. El calor aumenta la velocidad de difusión al proporcionar la energía necesaria para romper los enlaces. El movimiento de los átomos tiene el efecto de redistribuir y erradicar las dislocaciones en los metales y (en menor medida) en la cerámica. Esta alteración de las dislocaciones existentes permite que un objeto metálico se deforme más fácilmente, aumentando su ductilidad. [4]
La cantidad de energía libre de Gibbs que inicia el proceso en un metal deformado también se reduce mediante el proceso de recocido. En la práctica y en la industria, esta reducción de la energía libre de Gibbs se denomina alivio de tensión . [ cita requerida ]
El alivio de las tensiones internas es un proceso termodinámicamente espontáneo ; sin embargo, a temperatura ambiente, es un proceso muy lento. Las altas temperaturas a las que se produce el recocido sirven para acelerar este proceso. [ cita requerida ]
La reacción que facilita el retorno del metal trabajado en frío a su estado libre de tensiones tiene muchas vías de reacción, la mayoría de las cuales implican la eliminación de gradientes de vacantes en la red dentro del cuerpo del metal. La creación de vacantes en la red está regida por la ecuación de Arrhenius , y la migración/difusión de vacantes en la red está regida por las leyes de difusión de Fick . [5]
En el acero, existe un mecanismo de descarburación que puede describirse como tres eventos distintos: la reacción en la superficie del acero, la difusión intersticial de átomos de carbono y la disolución de carburos dentro del acero. [6]
Las tres etapas del proceso de recocido que se llevan a cabo a medida que aumenta la temperatura del material son: recuperación , recristalización y crecimiento del grano . La primera etapa es la recuperación y da como resultado el ablandamiento del metal mediante la eliminación de defectos principalmente lineales llamados dislocaciones y las tensiones internas que causan. La recuperación ocurre en la etapa de temperatura más baja de todos los procesos de recocido y antes de la aparición de nuevos granos libres de tensión. El tamaño y la forma del grano no cambian. [7] La segunda etapa es la recristalización , donde los nuevos granos libres de tensión se nuclean y crecen para reemplazar a los deformados por las tensiones internas. [7] Si se permite que el recocido continúe una vez que se ha completado la recristalización, se produce el crecimiento del grano (la tercera etapa). En el crecimiento del grano, la microestructura comienza a engrosarse y puede hacer que el metal pierda una parte sustancial de su resistencia original. Sin embargo, esto se puede recuperar con el endurecimiento . [8] [ cita requerida ]
La alta temperatura del recocido puede provocar la oxidación de la superficie del metal, lo que genera incrustaciones. Si se debe evitar la formación de incrustaciones, el recocido se lleva a cabo en una atmósfera especial , como por ejemplo con gas endotérmico (una mezcla de monóxido de carbono , gas hidrógeno y gas nitrógeno ). El recocido también se realiza en gas de formación , una mezcla de hidrógeno y nitrógeno.
Las propiedades magnéticas del mu-metal (núcleos de Espey) se introducen recociendo la aleación en una atmósfera de hidrógeno.
Por lo general, se utilizan hornos grandes para el proceso de recocido. El interior del horno es lo suficientemente grande como para colocar la pieza de trabajo en una posición en la que reciba la máxima exposición al aire caliente circulante. Para el recocido de procesos de gran volumen, a menudo se utilizan hornos transportadores a gas. Para piezas de trabajo grandes o piezas de gran cantidad, se utilizan hornos de fondo de carro para que los trabajadores puedan mover las piezas hacia adentro y hacia afuera fácilmente. Una vez que el proceso de recocido se completa con éxito, las piezas de trabajo a veces se dejan en el horno para que se enfríen de manera controlable. Mientras que algunas piezas de trabajo se dejan en el horno para que se enfríen de manera controlada, otros materiales y aleaciones se retiran del horno. Una vez que se retiran del horno, las piezas de trabajo a menudo se enfrían rápidamente en un proceso conocido como endurecimiento por temple. Los métodos típicos de endurecimiento por temple de materiales involucran medios como aire, agua, aceite o sal. La sal se utiliza como medio para el temple generalmente en forma de salmuera (agua salada). La salmuera proporciona velocidades de enfriamiento más rápidas que el agua. Esto se debe a que cuando un objeto se enfría en agua, se forman burbujas de vapor en la superficie del objeto, lo que reduce el área de superficie con la que el agua está en contacto. La sal en la salmuera reduce la formación de burbujas de vapor en la superficie del objeto, lo que significa que hay una mayor área de superficie del objeto en contacto con el agua, lo que facilita una mejor conducción del calor del objeto al agua circundante. El endurecimiento por temple se aplica generalmente a algunas aleaciones ferrosas, pero no a las aleaciones de cobre. [ cita requerida ]
En la industria de semiconductores , las obleas de silicio se recocen para reparar el desorden a nivel atómico que se produce en pasos como la implantación de iones . En el paso del proceso, los átomos dopantes , normalmente boro , fósforo o arsénico , se mueven a posiciones sustitutivas en la red cristalina, lo que permite que estos átomos dopantes funcionen correctamente como dopantes en el material semiconductor.
La normalización es un proceso de recocido que se aplica a las aleaciones ferrosas para dar al material una estructura uniforme de grano fino y evitar un ablandamiento excesivo del acero. Consiste en calentar el acero a 20–50 °C por encima de su punto crítico superior, remojándolo durante un breve período a esa temperatura y luego dejándolo enfriar al aire. Calentar el acero justo por encima de su punto crítico superior crea granos austeníticos (mucho más pequeños que los granos ferríticos anteriores) que, durante el enfriamiento, forman nuevos granos ferríticos con un tamaño de grano aún más refinado. El proceso produce un material más resistente y dúctil, y elimina los granos columnares y la segregación dendrítica que a veces se produce durante la fundición. La normalización mejora la maquinabilidad de un componente y proporciona estabilidad dimensional si se somete a procesos de tratamiento térmico adicionales.
El recocido de proceso, también llamado recocido intermedio , recocido subcrítico o recocido en proceso , es un ciclo de tratamiento térmico que restaura parte de la ductilidad de un producto que se está trabajando en frío para que pueda seguir trabajándose en frío sin romperse.
El rango de temperatura para el recocido de proceso varía de 260 °C (500 °F) a 760 °C (1400 °F), dependiendo de la aleación en cuestión. Este proceso es principalmente adecuado para acero con bajo contenido de carbono. El material se calienta hasta una temperatura justo por debajo de la temperatura crítica inferior del acero. El acero trabajado en frío normalmente tiende a poseer mayor dureza y menor ductilidad, lo que dificulta su trabajo. El recocido de proceso tiende a mejorar estas características. Esto se lleva a cabo principalmente en acero laminado en frío como acero trefilado, tubería de hierro dúctil fundida por centrifugación, etc.
Un recocido completo generalmente da como resultado el segundo estado más dúctil que un metal puede asumir para una aleación de metal. Su propósito es originar una microestructura uniforme y estable que se asemeje lo más posible a la microestructura de equilibrio del diagrama de fases del metal, permitiendo así que el metal alcance niveles relativamente bajos de dureza, límite elástico y resistencia máxima con alta plasticidad y tenacidad. Para realizar un recocido completo en un acero, por ejemplo, el acero se calienta ligeramente por encima de la temperatura austenítica y se mantiene durante el tiempo suficiente para permitir que el material forme completamente la estructura de grano de austenita o austenita-cementita. Luego, el material se deja enfriar muy lentamente para que se obtenga la microestructura de equilibrio . En la mayoría de los casos, esto significa que se deja que el material se enfríe en el horno (se apaga el horno y se deja que el acero se enfríe en el interior), pero en algunos casos se enfría al aire. La velocidad de enfriamiento del acero tiene que ser lo suficientemente lenta como para no dejar que la austenita se transforme en bainita o martensita , sino que se transforme completamente en perlita y ferrita o cementita . Esto significa que los aceros que son muy endurecibles (es decir, que tienden a formar martensita a velocidades de enfriamiento moderadamente bajas) tienen que ser enfriados en horno. Los detalles del proceso dependen del tipo de metal y la aleación precisa involucrada. En cualquier caso, el resultado es un material más dúctil pero con un límite elástico menor y una resistencia a la tracción menor . Este proceso también se llama recocido LP para perlita laminar en la industria del acero en contraposición a un recocido de proceso , que no especifica una microestructura y solo tiene el objetivo de ablandar el material. A menudo, el material que se va a mecanizar se recoce y luego se somete a un tratamiento térmico adicional para lograr las propiedades finales deseadas.
El recocido de ciclo corto se utiliza para convertir la ferrita normal en ferrita maleable. Consiste en calentar, enfriar y volver a calentar durante 4 a 8 horas.
El calentamiento resistivo se puede utilizar para recocer eficazmente el cable de cobre ; el sistema de calentamiento emplea un cortocircuito eléctrico controlado . Puede resultar ventajoso porque no requiere un horno con temperatura regulada como otros métodos de recocido.
El proceso consiste en dos poleas conductoras ( poleas escalonadas ), por las que pasa el alambre después de ser estirado. Las dos poleas tienen un potencial eléctrico a través de ellas, lo que hace que el alambre forme un cortocircuito. El efecto Joule hace que la temperatura del alambre suba aproximadamente a 400 °C. Esta temperatura se ve afectada por la velocidad de rotación de las poleas, la temperatura ambiente y el voltaje aplicado. Donde t es la temperatura del alambre, K es una constante, V es el voltaje aplicado, r es el número de rotaciones de las poleas por minuto y t a es la temperatura ambiente .
La constante K depende del diámetro de las poleas y de la resistividad del cobre.
En términos puros de la temperatura del cable de cobre, un aumento en la velocidad del cable a través del sistema de poleas tiene el mismo efecto que una disminución en la resistencia.
