El tratamiento térmico (o tratamiento térmico ) es un grupo de procesos industriales , térmicos y metalúrgicos utilizados para alterar las propiedades físicas , y en ocasiones 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 ablandamiento de un material. Las técnicas de tratamiento térmico incluyen recocido , endurecimiento por cementación , fortalecimiento por precipitación , revenido , carburación , normalización y enfriamiento . Aunque el término tratamiento térmico se aplica sólo a procesos en los que el calentamiento y el enfriamiento se realizan con el propósito específico de alterar intencionalmente las propiedades, el calentamiento y el enfriamiento a menudo ocurren de manera incidental durante otros procesos de fabricación, como el conformado en caliente o la soldadura.
Los materiales metálicos están formados por una microestructura de pequeños cristales llamados "granos" o cristalitos . La naturaleza de los granos (es decir, tamaño y composición de los granos) es uno de los factores más eficaces que pueden determinar el comportamiento mecánico general del metal. El tratamiento térmico proporciona una forma eficaz 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 , resistencia , tenacidad , ductilidad y 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 consta de átomos que se agrupan en una disposición muy específica, llamada red. En la mayoría de los elementos, este orden se reorganizará según condiciones como la temperatura y la presión. Este reordenamiento, llamado alotropía o polimorfismo , puede ocurrir varias veces, a muchas temperaturas diferentes para un metal en particular. En las aleaciones, esta reordenación puede causar 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 extiendan, intentando formar una distribución homogénea dentro de los cristales del metal base. Si la aleación se enfría hasta 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 migratorios se agrupan en los límites de los granos. 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 (de rojo a naranja, o alrededor de 1500 °F (820 °C) a 1600 °F (870 °C) dependiendo del contenido de carbono), y luego enfriado Poco a poco, forma una estructura laminada compuesta por capas alternas de ferrita y cementita , convirtiéndose en perlita blanda . [5] Después de calentar el acero hasta la fase austenita y luego enfriarlo en agua, la microestructura estará en la fase martensítica. Esto se debe al hecho de que el acero cambiará de la fase austenita a la fase martensita después del enfriamiento. Puede haber algo de perlita o ferrita si el templado 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 los granos suele reforzar la estructura de la matriz cristalina. Estos metales se endurecen por precipitación. Por lo general, es un proceso lento que depende de la temperatura y que a menudo se denomina "endurecimiento por envejecimiento". [6]
Muchos metales y no metales exhiben una transformación de martensita cuando se enfrían rápidamente (con medios externos como aceite, polímero, agua, etc.). Cuando un metal se enfría muy rápidamente, es posible que los átomos insolubles no puedan migrar fuera de la solución a tiempo. A esto se le llama " 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 cortantes dentro de la red. Cuando algunas aleaciones se enfrían rápidamente, como el acero, la transformación de 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 normalmente tendrá un gran efecto en los resultados del tratamiento térmico. Si el porcentaje de cada componente es el correcto, la aleación formará una microestructura única y continua al enfriarse. Se dice que dicha mezcla es eutectoide . Sin embargo, si el porcentaje de solutos varía de la mezcla eutectoide, normalmente se formarán dos o más microestructuras diferentes simultáneamente. Una solución hipoeutectoide contiene menos soluto que la mezcla de eutectoide, mientras que una solución hipereutectoide contiene más. [9]
Una aleación eutectoide ( similar a eutéctica ) tiene un comportamiento similar a una aleación eutéctica . Una aleación eutéctica se caracteriza por tener un único punto de fusión . Este punto de fusión es más bajo que el de cualquiera de los constituyentes y ningún cambio en la mezcla reducirá 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 se produce, no a partir de un líquido, sino de una solución sólida . Al enfriar una aleación eutectoide desde la temperatura de la solución, los constituyentes se separarán en diferentes fases cristalinas , formando una única microestructura . Un acero eutectoide, por ejemplo, contiene un 0,77% de carbono . Al enfriarse lentamente, la solución de hierro y carbono (una fase única 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 suavidad que se puede lograr normalmente se limita 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 separados. Ambos están por encima del punto de fusión eutéctico del sistema pero están por debajo de los puntos de fusión de cualquier constituyente que forme el sistema. Entre estos dos puntos de fusión, la aleación existirá en parte sólida y en parte líquida. El constituyente con mayor punto de fusión se solidificará primero. Cuando está completamente solidificada, una aleación hipoeutéctica suele estar en una solución sólida.
De manera similar, una aleación hipoeutectoide tiene dos temperaturas críticas, llamadas "detenciones". Entre estas dos temperaturas, la aleación existirá en parte como solución y en parte como una fase cristalizante separada, llamada "fase proeutectoide". Estas dos temperaturas se denominan temperaturas de transformación superior (A 3 ) e inferior (A 1 ). 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 del 0,77% de carbono. Al enfriar un acero hipoeutectoide desde la temperatura de transformación de austenita, se formarán pequeñas islas de ferrita proeutectoide. Estos seguirán creciendo y el carbono retrocederá hasta alcanzar la concentración de eutectoide en el resto del acero. Esta mezcla eutectoide luego cristalizará 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 constituyente con el punto de fusión más alto será sólido. De manera similar, una aleación hipereutectoide tiene dos temperaturas críticas. Al enfriar una aleación hipereutectoide desde la temperatura de transformación superior, normalmente serán los solutos en exceso los que cristalizarán 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 del 0,77% de carbono. Al enfriar lentamente el acero hipereutectoide, la cementita comenzará a cristalizar primero. Cuando el acero restante tenga una composición eutectoide, cristalizará en perlita. Dado que la cementita es mucho más dura que la perlita, la aleación tiene una mayor templabilidad a un costo en ductilidad. [9] [11]
Un tratamiento térmico adecuado requiere un control preciso de la temperatura, el tiempo que se mantiene a una determinada temperatura y la velocidad de enfriamiento. [12]
Con la excepción del alivio de tensiones, el revenido y el envejecimiento, la mayoría de los tratamientos térmicos comienzan calentando una aleación más allá de una determinada temperatura de transformación o detención (A). Esta temperatura se denomina "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 subir durante un breve periodo de 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 generalmente se mantendrá a esta temperatura el tiempo suficiente para que el calor penetre completamente en la aleación, convirtiéndola así en 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 agrega carbono, convirtiéndose en acero, la temperatura A 2 se divide en la temperatura A 3 , también llamada temperatura de austenización (todas las fases se convierten en austenita, una solución de hierro gamma y carbono) y su temperatura A 1 (la austenita se transforma en perlita). al enfriarse). Entre estas temperaturas superior e inferior se forma la fase pro eutectoide 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 del grano de austenita afecta directamente al tamaño del grano martensítico. Los granos más grandes tienen límites de grano grandes, que sirven como puntos débiles en la estructura. Generalmente se controla el tamaño del grano para reducir la probabilidad de rotura. [14]
La transformación de difusión depende mucho del tiempo. Enfriar un metal normalmente suprimirá la precipitación a una temperatura mucho más baja. La austenita, por ejemplo, normalmente sólo se encuentra por encima de la temperatura crítica superior. Sin embargo, si la austenita se enfría lo suficientemente rápido, la transformación puede suprimirse cientos de grados por debajo de la temperatura crítica más baja. Esta austenita es muy inestable y, si se le da suficiente tiempo, precipitará en diversas microestructuras de ferrita y cementita. La velocidad de enfriamiento se puede utilizar para controlar la tasa 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 (Ms ) antes de que se puedan formar completamente otras microestructuras, la transformación generalmente ocurrirá justo por debajo de la velocidad del sonido. [dieciséis]
Cuando la austenita se enfría pero se mantiene por encima de la temperatura inicial de la martensita Ms para que no se produzca una transformación de martensita, el tamaño del grano de austenita tendrá un efecto sobre la velocidad de nucleación, pero generalmente es la temperatura y la velocidad de enfriamiento las que controlan el tamaño del grano. y microestructura. Cuando la austenita se enfría muy lentamente, se formarán grandes cristales de ferrita llenos de inclusiones esféricas de cementita. Esta microestructura se denomina "esferaoidita". Si se enfría un poco más rápido, se formará perlita gruesa. Aún más rápido se formará perlita fina. Si se enfría aún más rápido, se formará bainita , y se producirá una transformación de bainita más completa dependiendo del tiempo que se mantenga por encima del inicio 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, estos se enfrían muy rápidamente para producir una transformación de martensita, poniendo la solución en un estado sobresaturado . La aleación, al estar en un estado mucho más blando, se puede trabajar en frío . Esto provoca un endurecimiento por trabajo que aumenta la resistencia y dureza de la aleación. Además, los defectos provocados por la deformación plástica tienden a acelerar la precipitación, aumentando la dureza más allá de lo normal para la aleación. Incluso si no se trabajan en frío, los solutos de estas aleaciones normalmente precipitarán, aunque el proceso puede llevar mucho más tiempo. A veces, estos metales se calientan a una temperatura inferior a la temperatura crítica inferior (A 1 ), evitando la recristalización, para acelerar la precipitación. [18] [19] [20]
Los metalúrgicos suelen idear complejos programas o "ciclos" de tratamiento térmico 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 necesaria ] Esto puede provocar problemas de calidad dependiendo de la precisión de los controles de temperatura y el temporizador del horno. Estas operaciones normalmente se pueden dividir en varias técnicas básicas.
El recocido consiste en calentar un metal a una temperatura específica y luego enfriarlo a un ritmo que produzca una microestructura refinada , separando total o parcialmente los constituyentes. La velocidad de enfriamiento es generalmente lenta. El recocido se utiliza con mayor frecuencia para ablandar un metal para trabajarlo en frío, mejorar la maquinabilidad o mejorar propiedades como la conductividad eléctrica .
En las aleaciones ferrosas, el recocido generalmente se logra 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 pueden tratarse térmicamente, se utiliza el recocido 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 provocados 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. Estos pueden enfriarse lentamente para permitir la precipitación total de los constituyentes y producir una microestructura refinada.
Las aleaciones ferrosas suelen ser "recocidas completamente" o "recocidas por proceso". El recocido completo requiere velocidades de enfriamiento muy lentas para formar perlita gruesa. En el proceso de recocido, la velocidad de enfriamiento puede ser más rápida; hasta e incluyendo la normalización. El objetivo principal del proceso de recocido es producir una microestructura uniforme. Las aleaciones no ferrosas a menudo se someten a una variedad de técnicas de recocido, incluido el "recocido por recristalización", el "recocido parcial", el "recocido total" y el "recocido final". No todas las técnicas de recocido implican recristalización, como el alivio de tensiones. [21]
La normalización es una técnica utilizada 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 han sido austenitizadas 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 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 superior de temperatura crítica, se mantiene a esta temperatura durante algún tiempo y luego se enfría al aire.
El alivio de tensiones es una técnica para eliminar o reducir las tensiones internas creadas en el metal. Estas tensiones pueden deberse a diversas formas, desde trabajo en frío hasta enfriamiento no uniforme. El alivio de tensiones generalmente se logra calentando un metal por debajo de la temperatura crítica más baja y luego enfriándolo uniformemente. [21] El alivio de tensiones se usa comúnmente 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 que endurecen por precipitación . Cuando una aleación que endurece por precipitación se enfría, sus elementos de aleación quedarán atrapados en la solución, lo que dará 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 sólo se forman a temperaturas elevadas. En algunas aplicaciones, las aleaciones que envejecen naturalmente se pueden almacenar en un congelador para evitar que se endurezcan hasta después de operaciones adicionales; el montaje de remaches, por ejemplo, puede ser más fácil con una parte más blanda.
Ejemplos de aleaciones de endurecimiento por precipitación incluyen aleaciones de aluminio de las series 2000, 6000 y 7000 , así como algunas superaleaciones y algunos aceros inoxidables . Los aceros que se endurecen con el envejecimiento suelen denominarse aceros martensíticos , de una combinación del término "envejecimiento martensita". [21]
El enfriamiento es un proceso de enfriamiento de un metal a un ritmo rápido. Esto se hace con mayor frecuencia para producir una transformación de martensita. En las aleaciones ferrosas, esto a menudo producirá un metal más duro, mientras que las aleaciones no ferrosas generalmente se volverán más blandas de lo normal.
Para endurecer mediante enfriamiento, 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 se puede realizar 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 porción de austenita (dependiendo de la composición de la aleación) se transformará en martensita , una estructura cristalina dura y quebradiza. La dureza de enfriamiento de un metal depende de su composición química y método de enfriamiento. 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, razón por la cual los aceros de alta resistencia como el AISI 4140 deben templarse en aceite, los aceros para herramientas como ISO 1.2767 o el acero para herramientas para trabajo en caliente H13 deben templarse con aire forzado y los aceros de baja resistencia. Los aceros aleados o de resistencia media como XK1320 o AISI 1040 deben enfriarse en salmuera.
Algunas aleaciones a base de titanio Beta también han mostrado tendencias similares de mayor resistencia mediante un 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 que sean totalmente resistentes a la corrosión, ya que se endurecen significativamente durante el trabajo. [21]
El acero martensítico sin templar, si bien es muy duro, es demasiado frágil para ser útil en la mayoría de las aplicaciones. Un método para aliviar este problema se llama templado. La mayoría de las aplicaciones requieren que las piezas templadas estén templadas. El templado consiste en calentar el acero por debajo de la temperatura crítica más baja (a menudo de 400 ˚F a 1105 ˚F o de 205 ˚C a 595 ˚C, dependiendo de los resultados deseados), para impartir cierta tenacidad . A veces se utilizan temperaturas de revenido más altas (tal vez hasta 1300 °F o 700 °C, según la aleación y la aplicación) para impartir mayor ductilidad, aunque se pierde algo de límite elástico .
El templado también se puede realizar en aceros normalizados. Otros métodos de templado consisten en enfriar a una temperatura específica, que está por encima de 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 austemperamiento y el martemperamiento . [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, provocando interferencias 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 aumenta de espesor y cambia de color. [25] Estos colores, llamados colores templados, 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 estar templadas en la gama de paja clara a oscura, mientras que los resortes suelen estar templados en azul. Sin embargo, la dureza final del acero templado variará dependiendo de la composición del acero. El acero para herramientas con alto contenido de carbono permanecerá mucho más duro después del templado que el acero para resortes (de 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 exceda la necesaria para producir un color pajizo 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 sólo una parte de un objeto. Estos tienden a consistir en enfriar diferentes áreas de una aleación a diferentes velocidades, calentando rápidamente un área localizada y luego enfriándolo, mediante difusión termoquímica, o templando diferentes áreas de un objeto a diferentes temperaturas, como en el templado diferencial . [ cita necesaria ]
Algunas técnicas permiten que diferentes áreas de un solo objeto reciban diferentes tratamientos térmicos. Esto se llama 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 zonas que deben permanecer blandas. Las áreas a endurecer se dejan expuestas, permitiendo que solo ciertas partes del acero se endurezcan por completo cuando se templan. [ cita necesaria ]
El endurecimiento por llama se utiliza para endurecer solo una parte del metal. A diferencia del endurecimiento diferencial, donde toda la pieza se calienta y luego se enfría a diferentes velocidades, en el endurecimiento por llama, solo se calienta una parte del metal antes del enfriamiento. 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 necesaria ]
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, produciendo una transformación de martensita en la superficie mientras se deja el metal subyacente sin cambios. Esto crea una superficie muy dura y resistente al desgaste manteniendo la dureza adecuada en la mayor parte del objeto. Los muñones del cigüeñal son un buen ejemplo de superficie endurecida por inducción. [27]
El endurecimiento por cementación es un proceso de difusión termoquímica en el que un elemento de aleación, más comúnmente 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 con láser es un tratamiento de superficies con alta versatilidad, selectividad y propiedades novedosas. Dado que la velocidad de enfriamiento es muy alta en el tratamiento con láser, con este método se puede obtener incluso vidrio metaestable.
Aunque el acero templado hace que la austenita se transforme en martensita, por lo general no se transforma toda la austenita. Algunos cristales de austenita permanecerán sin cambios incluso después de enfriarlos por debajo de la temperatura de acabado de martensita (Mf ) . 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 generalmente se realizan inmediatamente después del enfriamiento, antes de cualquier revenido, y aumentarán la dureza, la resistencia al desgaste y reducirán las tensiones internas en el metal pero, debido a que en realidad es una extensión del proceso de enfriamiento, 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 sólo 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 templado. [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 ambiente oxidante, el oxígeno se combina con el hierro para formar una capa de óxido de hierro, que protege el 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 e incrustaciones 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 ambiente libre de oxígeno, como las brasas de una forja. Por lo tanto, los átomos de carbono comienzan a combinarse con las incrustaciones y la escoria circundantes para formar monóxido de carbono y dióxido de carbono , que se libera 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, se puede reducir el contenido de carbono en el acero. Esto es lo contrario de lo que sucede cuando el acero se calienta en un ambiente reductor , en el que el carbono se difunde lentamente 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 para acero fundido, donde se necesita un alto contenido de carbono para la fundición, pero se desea un contenido de carbono más bajo en el producto terminado. A menudo se utiliza en hierros fundidos para producir hierro fundido maleable , en un proceso llamado "templado blanco". Esta tendencia a descarburar es a menudo un problema en otras operaciones, como la herrería, donde resulta 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 por cementación se especifica mediante "dureza" y "profundidad de cementación". La profundidad del caso se puede especificar de dos maneras: profundidad total del caso o profundidad efectiva del caso. La profundidad total del caso es la verdadera profundidad del caso. Para la mayoría de las aleaciones, la profundidad efectiva de la caja es la profundidad de la caja que tiene una dureza equivalente a HRC50; sin embargo, algunas aleaciones especifican una dureza diferente (40-60 HRC) a una profundidad efectiva de la caja; esto se verifica en un probador de microdureza Tukon. Este valor se puede aproximar aproximadamente al 65 % de la profundidad total del caso; sin embargo, la composición química y la templabilidad pueden afectar esta aproximación. Si no se especifica ningún tipo de profundidad del caso, se asume la profundidad total del caso. [31]
Para 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 la caja es después del rectificado. [31]
La escala de dureza Rockwell utilizada para la especificación depende de la profundidad total de la caja, como se muestra en la siguiente tabla. Por lo general, la dureza se mide en la escala Rockwell "C", pero la carga utilizada en la escala penetrará a través de la carcasa si ésta mide menos de 0,030 pulgadas (0,76 mm). El uso de Rockwell "C" para una carcasa más delgada dará como resultado una lectura falsa. [31]
Para casos que tienen menos de 0,015 pulgadas (0,38 mm) de espesor, no se puede utilizar de manera confiable una escala Rockwell, por lo queen su lugar se especifica file hard . [31]El archivo duro equivale aproximadamente a 58 HRC.[32]
Al especificar la dureza se debe dar un rango o especificar la dureza mínima. Si se especifica un rango, se deben otorgar al menos 5 puntos. [31]
Sólo se indica la dureza para el endurecimiento total. Suele adoptar la forma de HRC con un rango de al menos cinco puntos. [31]
La dureza para un proceso de recocido suele figurar en la escala HRB como 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 categorías amplias: hornos discontinuos y hornos continuos. Los hornos discontinuos generalmente se cargan y descargan manualmente, mientras que los hornos continuos tienen un sistema de transporte automático para proporcionar una carga constante a la cámara del horno. [33]
Los sistemas discontinuos suelen consistir en 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 actualizado a un horno discontinuo semicontinuo con la adición de tanques de enfriamiento integrados y cámaras de enfriamiento lento. Estos hornos mejorados son un equipo muy utilizado para el tratamiento térmico. [33]
También conocido como "hogar de bogie", el horno para automóviles es un horno discontinuo extremadamente grande. El piso está construido como un carro móvil aislado que entra y sale del horno para carga y descarga. El automóvil generalmente se sella usando sellos de arena o sellos sólidos cuando está en posición. Debido a la dificultad para conseguir un sellado suficiente, los hornos de automóviles se suelen utilizar para procesos sin atmósfera. [ cita necesaria ]
De tipo similar al horno de vagón, excepto que el vagón y la solera se colocan en posición debajo del horno y se elevan por medio de un mecanismo impulsado por motor, los hornos elevadores pueden manejar cargas grandes y pesadas y, a menudo, eliminan la necesidad de grúas y transferencias externas. mecanismos. [33]
Los hornos de campana tienen cubiertas extraíbles 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 foso y se extienden hasta el nivel del suelo o ligeramente por encima se denominan hornos de foso. Las piezas de trabajo se pueden suspender de accesorios, sostener en cestas o colocar sobre bases en el horno. Los hornos de pozo son adecuados para calentar tubos, ejes y varillas largos manteniéndolos 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, incluido el endurecimiento neutro, la carburación líquida, la nitruración líquida , el austemperado , el martempering y el revenido .
Las piezas se cargan 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 a la misma velocidad 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 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 sustituidos 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 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 las observadas en un baño de sal. [33]
