Tratamientos Térmicos de los Aceros

Definición de Tratamientos Térmicos

Son todos los procesos metalúrgicos que tienen por objeto la modificación de la estructura cristalina y la variación de algunas de las características físico-mecánicas en forma total o parcial, por medio del calentamiento y enfriamiento a temperaturas y tiempos rigurosamente controlados.

Recocido

Cuando no se realiza un enfriamiento con un riguroso control, el acero puede presentar una estructura irregular, endurecimientos superficiales incorrectos y hasta tensiones internas. Estos defectos se subsanan mediante el recocido, que es un tratamiento térmico que consiste en calentar el metal hasta temperaturas superiores a las críticas, para luego enfriarlo lentamente en medios o condiciones de acuerdo con el tipo o calidad del acero. Si bien con el recocido podemos eliminar las tensiones internas y regenerar su estructura, deja al material sumamente blando y dúctil, lo que beneficiará trabajos posteriores, pero no su empleo en esas condiciones.

Tipos de Recocido

Recocido de Regeneración o Austenización Completa

Mediante un calentamiento lento y uniforme se lleva el acero hasta la zona de la austenita, donde permanecerá a esa temperatura (temperatura mayor a la de su punto crítico superior) el tiempo suficiente para asegurar que toda la masa adopte la estructura austenítica. Para aceros hipoeutectoides y para obtener una estructura o grano fino, el enfriamiento debe realizarse, dentro de su normal lentitud, tanto más rápidamente cuanto menor es el contenido de carbono, para evitar el crecimiento de los cristales de ferrita (único componente cristalográfico). Este recocido se realiza para ablandar el acero y uniformar su estructura.

Recocido Subcrítico

Se aplica este recocido cuando se busca eliminar las tensiones internas e incrementar la ductilidad y consiste en calentar el acero a temperaturas próximas, pero menores, a la de su punto crítico inferior (Ac1). Se pueden distinguir tres formas distintas:

• De Ablandamiento: Para dar al acero buenas condiciones de mecanización, sin llegar a valores de la dureza tan bajos como en el recocido anterior. El calentamiento se lleva a temperaturas lo más próximas posibles a Ac1, enfriándolos al aire.
• Contra Acritud: Se utiliza para aumentar la ductilidad del acero, de bajo porcentaje de carbono, cuando ha sido trabajado en frío y con el objeto de facilitar procesos posteriores. Se enfría al aire.
• Globular: Se lo emplea para disminuir la dureza del acero, por lo que al calentarlos se logra una estructura de configuración semejante a la globular.

Recocido Globular o de Austenización Incompleta

Es aconsejado para los aceros hipereutectoides, debido a que en ellos es donde se consigue con mayor facilidad la estructura que caracteriza a este recocido y que es la de cementita globular, en una base de ferrita. Calentando a una temperatura intermedia entre los puntos críticos inferior y superior, se puede operar de dos formas distintas: o bien manteniendo constante la temperatura alcanzada durante un cierto tiempo, o haciéndola oscilar con valores inferiores a Ac1, enfriando finalmente en ambos casos de forma muy lenta.

Doble Recocido

Consiste en la ejecución de un recocido a austenización completa seguido de otro subcrítico, sin haber dejado enfriar totalmente el metal. Su objeto es el de obtener valores de dureza muy bajos.

Normalizado

Es un tratamiento térmico muy similar al recocido a austenización completa, diferenciándose en que la velocidad de enfriamiento es un poco mayor, al igual que la temperatura de calentamiento. Debido al enfriamiento más rápido, se consigue una estructura de grano fino, dando lugar a una configuración perlito-troostítica en menor cantidad de ferrita, lo que eleva su comportamiento mecánico. No es aconsejable para los aceros hipereutectoides y menos en los especiales, aunque se lo suele realizar como tratamiento previo al temple.

Temple

Para la obtención de un temple correcto, se debe llevar la masa de los aceros a un estado totalmente austenítico. Para conseguir esto, las condiciones en las que se realiza el calentamiento deben ser tales que no provoquen diferencias de temperaturas muy notorias entre las superficies y el centro de los perfiles o piezas tratadas. Estas diferencias de temperaturas pueden dar lugar a dilataciones desiguales, las que originan tensiones que si alcanzan valores elevados ocasionan fisuras o grietas internas. Como consecuencia se procede a un control riguroso para que no haya posteriores inconvenientes, principalmente, con el mal enfriamiento. Las temperaturas ideales de austenización para el temple son un valor intermedio entre el normalizado y el recocido. Calentando uniformemente el acero a la temperatura conveniente, se debe proceder luego a enfriarlo, siendo esta la operación más delicada y a la vez más compleja. A medida que va aumentando la velocidad de enfriamiento, los puntos Ar irán descendiendo cada vez más, dando origen al mismo tiempo a cambios fundamentales de su estructura y típicos de cada enfriamiento, como ser la sorbita, troostita y martensita. Para grandes velocidades de enfriamiento (temperaturas inferiores a 350 °C) comienza a aparecer la martensita, que es la que caracteriza mejor al temple. Su estructura cristalina es la tetragonal. Si el enfriamiento es algo más lento, se presenta la troostita, de aspecto nodular. Con enfriamientos aún más lentos (temperaturas entre los 600 y 650 °C) aparece la sorbita.

Ensayo Jominy

Mediante el empleo de este ensayo se pueden conocer, con mucha aproximación, la dureza máxima y mínima que alcanzará un determinado tipo de acero con tratamientos adecuados, la templeabilidad, la influencia de los elementos de aleación según su porcentaje, los posibles resultados con distintos medios refrigerantes, etc. Jominy, con el estudio y análisis de muchos y variados ensayos, también comprobó la dependencia casi directa de las características mecánicas a la tracción con la dureza del acero. El ensayo consiste, primeramente, en la elección de la forma o lugar de donde se debe extraer la muestra con la que se fabricará la probeta. Obtenida la muestra, se la somete al tratamiento de normalizado para uniformar su estructura. Posteriormente y una vez mecanizada, la probeta se calienta en un horno en el que se la coloca dentro de un molde de grafito. Se la transporta y coloca luego en el soporte del dispositivo de temple en el cual, dando inmediatamente paso al chorro de agua, se la enfría durante 10 minutos. El proceso se completa enfriando la probeta al aire o, para acelerarlo, introduciéndola en un recipiente de agua. Finalizado el tratamiento de temple, se rebajan dos generatrices diametrales mediante un rectificado. Sobre las superficies así obtenidas se determinará en su centro, de forma alineada y a una distancia de 1 mm entre sí, la dureza Rockwell del material. Luego, con los valores obtenidos, se construye un gráfico y se obtienen las curvas de los distintos aceros.

Medios de Enfriamiento para el Temple

Los medios refrigerantes típicos en el temple de los aceros son el agua y el aceite. El estudio del proceso de enfriamiento nos conduce a distinguir tres etapas:

Etapas del Proceso de Enfriamiento

• Período de pérdida de calor por conducción y radiación de la masa gaseosa, que depende de la conductividad térmica del vapor.
• De enfriamiento por transporte de vapor, que variará según la viscosidad del baño y del estado de agitación que se produzca.
• De enfriamiento por conducción y convección en el líquido, siendo su conductividad térmica y la agitación los factores preponderantes.

Por lo tanto, en cada medio refrigerante debemos tener en cuenta:

Medios Refrigerantes Específicos

• Agua: Por su bajo punto de ebullición alarga los efectos de la primera etapa, disminuyendo con ello la velocidad del proceso.
• Aceite: Su punto de volatilización debe ser elevado, al igual que los de inflamación y combustión. El primero para evitar la pérdida de características fundamentales al aumentar su viscosidad, y los otros dos como prevención del encendido o combustión del baño.
• Mercurio: Es de empleo muy limitado por su elevado costo, aunque se justifica para el temple de piezas especiales que deben adquirir gran dureza.
• El plomo y las sales fundidas: Como medio refrigerante dan origen a procesos de enfriamiento muy empleados y que se conocen como isotérmicos. En estos la temperatura del baño favorece la transformación estructural, que se realiza a temperatura constante, con lo que se beneficia su configuración y, como consecuencia, la calidad del acero.

Tratamientos Termoquímicos Específicos

Patenting

Se lo emplea como tratamiento previo o durante el trefilado de alambres de alta resistencia (cuerdas de piano). El patenting es un recocido de transformación isotérmica, que consiste en calentar el alambre hasta la austenización completa, para luego enfriarlo en un baño de plomo fundido cuya temperatura variará, según los casos, entre 350 y 650 °C. Del estado de austenización desciende rápidamente hasta la temperatura del baño, la que debe ser controlada con sumo cuidado para asegurar la transformación total de la austenita en una sorbita de grano fino muy propicia para el trefilado.

Austempering

Con este tratamiento se busca evitar los inconvenientes de las fisuras y tensiones internas propias del temple al adquirir la estructura martensítica. Es así que, al calentar el acero a la temperatura de austenización apropiada, se lo enfría luego en un medio refrigerante de sales fundidas y a una temperatura comprendida entre 250 y 550 °C. El enfriamiento a temperatura constante da lugar a la formación de una nueva estructura, la bainita, de aspecto acicular, que caracterizará a un acero de dureza superior a la que presentaría el mismo mediante el temple y revenido común, pero conservando y hasta aumentando su estricción, tenacidad y resistencia al plegado.

Martempering

Con este tratamiento se pretende eliminar las grietas y tensiones internas factibles en su transformación, para que la transformación posterior sea uniforme. Se lo aplica a la fabricación de cojinetes de bolillas, engranajes, etc.

Tratamientos con Variaciones de Composición Superficial

Los tratamientos térmicos con variaciones de composición han sido una solución para la fabricación de piezas de máquinas que, debiendo poseer la suficiente tenacidad por la índole de las tensiones a que están sometidas, requieren una dureza y resistencia al desgaste elevadas. La primera condición (tenacidad) se cumple en los aceros de bajo contenido de carbono, mientras que grandes valores de dureza y de resistencia al desgaste se pueden conseguir en los de alto porcentaje de carbono o aleados. Esta coexistencia de dos tipos diferentes de aceros en la constitución de una sola pieza, es posible en los aceros bajos mediante tratamientos como:

Cementación

Consiste en aumentar superficialmente el contenido de carbono de esos metales, sometiéndolos a temperaturas medias de 900 °C en contacto directo con sustancias o mezclas carburantes (sólidas, gaseosas o sales en fusión).

Carbonitruración

Aplicado con el mismo objeto que la cementación, se lo diferencia por la fijación o absorción simultánea de carbono y nitrógeno. El nitrógeno disminuye la velocidad crítica de temple y la temperatura de transformación de la martensita, con lo que se logra una mejor estructura.

Sulfinización

Su principal característica es la de conferir a las superficies tratadas inmejorables condiciones de resistencia al desgaste sin aumentar su dureza. El azufre es en este caso el elemento fijado y proviene de mezclas de sales.