Transformaciones de Fase en Aceros: Un Estudio de los Tratamientos Térmicos

Transformaciones de Fase en Aceros

Introducción a las Estructuras Cristalinas

La ferrita α (BCC) no forma maclas. La austenita γ (FCC) compacta sí forma maclas. La martensita (tetragonal centrada en el cuerpo) no es compacta. La solubilidad del carbono en la austenita es grande debido al mayor tamaño de sus huecos.

Efecto de la Temperatura

Al calentar, se produce un cambio de volumen (ΔV) porque la ferrita se transforma en austenita, lo que disminuye el volumen total. A₁ representa la reacción eutectoide, A₃ la estabilidad de la ferrita primaria, y A_cm la estabilidad de la cementita (formación de carburos). Por debajo de A₁, la ferrita α y la perlita son estables.

Perlita = Ferrita + Fe₃C (88%, 12%). La ferrita ocupa una mayor proporción. La cementita primaria se forma en el límite de grano de la fase inicial y es dura y frágil. La ferrita primaria, si se enfría lentamente, tiene una estructura equiaxial; si no, presenta una estructura Widmanstätten.

El espaciado de la perlita depende de la velocidad de enfriamiento:

• Horno: gran espaciado (blando, menor resistencia mecánica)
• Aire: espaciado menor

Efecto del Tamaño de Grano

La perlita nuclea en el límite de grano de la austenita y crece hasta llenarlo. Un tamaño de grano de austenita fino implica menos perlita y favorece la transformación. Un grano grueso retrasa la transformación y favorece la templabilidad. La perlita fina tiene más límites de grano y es más resistente.

Martensita

La martensita se forma a partir de la austenita. Se presenta en forma de agujas o placas, y las agujas tienen mayor tensión. Con tensiones residuales, aparece martensita retenida (M_s, M_f). Con mayor porcentaje de carbono y de elementos de aleación, las temperaturas M_s y M_f disminuyen. La martensita es más dura con mayores tensiones, mayor porcentaje de carbono, presencia de maclas y una estructura específica. A mayor tensión, mayor cambio de volumen y mayor deformación.

Bainita

La bainita es una estructura no laminar formada por ferrita y cementita por enfriamiento de la austenita a velocidad intermedia. No hay una estructura ordenada debido al carbono austenítico. La bainita superior se forma a temperatura y velocidad elevadas, mientras que la bainita inferior se forma a temperatura y velocidad bajas.

Curvas TTT

En las curvas TTT (Tiempo-Temperatura-Transformación), la transformación a perlita ocurre a tiempos cortos en aceros hipereutectoides. A mayor contenido de aleantes, la transformación se desplaza a tiempos más largos, aumentando la separación entre la bainita y la perlita. En las curvas TTC (Tiempo-Temperatura-Enfriamiento Continuo), los enfriamientos son más realistas, y la velocidad de enfriamiento depende del grosor de la pieza.

Tratamientos Térmicos

Tratamientos Térmicos Continuos

En los tratamientos térmicos continuos, hay calentamiento y enfriamiento. En los tratamientos isotérmicos, hay calentamiento, mantenimiento a temperatura constante y enfriamiento.

Recocido

El recocido ablanda la aleación, se alcanza el equilibrio, se produce regeneración y refinado de grano, y se eliminan las tensiones internas.

Austenización Completa

• Recristalización: Elimina el endurecimiento por laminación y refina el grano. Se realiza a una temperatura mayor que la crítica, se mantiene y se enfría lentamente. Disminuye la fragilidad y aumenta la ductilidad. Tiempo corto.
• Regeneración: Elimina la estructura no deseada. Se calienta 25-75 °C + A₃ y se enfría lentamente al aire con tiempo corto.
• Blando o total: Austenización y enfriamiento lento en horno. Perlita muy gruesa y muy blanda.
• Homogeneización: Destruye la heterogeneidad química. Se calienta hasta austenita y se enfría. Se aplica a aceros de colada.

Austenización Incompleta

Se realiza a una temperatura entre A₁ y A₃ con tiempo prolongado, y enfriamiento lento para obtener mínima dureza, máxima ductilidad y maquinabilidad con alto porcentaje de carbono. Se obtiene cementita y carburos globulares, y perlita menos laminar.

Recocido Subcrítico

• Ablandamiento: Para aceros de forja, elimina tensiones residuales. Se enfría al aire.
• Contra acritud: En materiales deformados en frío para quitar la acritud y mejorar la tenacidad. Baja temperatura, enfriamiento al aire. Destruye el alargamiento de la ferrita.
• Subcrítico globular: Estructura globular de baja dureza. Tiempos inferiores a A₁ durante largo tiempo, enfriamiento al aire.

Normalizado

Refina y homogeniza la estructura. Se realiza a 50-20 °C + A₃, enfriando al aire hasta temperatura ambiente. Produce acero duro, fuerte, con mejor maquinabilidad, grano fino y homogéneo. Destruye el calentamiento defectuoso. El normalizado produce perlita más fina y abundante para obtener acero duro y fuerte.

Temple

Calentamiento y enfriamiento rápido. Aumenta la dureza y la resistencia mecánica. La velocidad crítica es la mínima para obtener 100% de martensita. La templabilidad es la capacidad para ser templado, la profundidad a la que puede ser endurecido. Depende de:

• Tamaño de grano: A mayor grano, menor zona de nucleación, retrasa la transformación, más templable.
• Composición química: Los aleantes facilitan el temple al desplazar la transformación a tiempos más largos. También depende del contenido de carbono.

La severidad de temple es la capacidad para extraer calor de la superficie de la pieza. El diámetro crítico es el máximo de una barra que después del temple se consigue en su núcleo 50% de martensita. El diámetro crítico ideal es el mayor alcanzado en temple con capacidad de extracción infinita.

Revenido

Completa el temple. Se calienta a una temperatura inferior a A₁ y se enfría de forma controlada. Disminuye la fragilidad y las tensiones internas. Velocidad lenta, tiempo suficiente, temperatura suficiente, 1-2 horas por cada 25 mm de espesor.

Etapas del revenido: I. Segregación de carbono en dislocaciones y precipitación de carburos en sus interfaces. II. Descomposición de la austenita revenida. III. Formación de ferrita y cementita. IV. Crecimiento de la cementita. V. Formación de intermetálicos y carburos complejos.

La cementita en los bordes de la martensita se asocia a la fragilidad de revenido, que desaparece a temperaturas altas. Fragilidad Krupp: en aceros Cr-Ni, si permanece mucho tiempo a 450-500 °C, precipita el nitruro de hierro. Se evita con Mo o con un segundo revenido.

Tratamientos Isotérmicos

• Martempering (Temple interrumpido): El núcleo alcanza la misma temperatura que la superficie, evitando gradientes de temperatura. Es un temple escalonado. Se enfría el acero en un líquido a 200-400 °C y luego al aire. La austenita se transforma homogéneamente. Se consigue mayor resistencia al impacto con menor fragilidad.
• Austempering: Se forma austenita, se templa por encima de M_s y se enfría. Se transforma isotérmicamente a bainita. Mejor ductilidad y tenacidad, evitando la fragilidad de revenido.

Tratamientos Termoquímicos

Carburación

Aumenta el contenido de carbono en la superficie, manteniendo el núcleo blando y dúctil. Se templa y se reviene. Se aplica a aceros con bajo porcentaje de carbono, aleados con cromo, níquel y molibdeno. El porcentaje de carbono es de 0.5-0.9%, sin pasar del 1%. La capa cementada tiene un contenido de carbono superior. La capa dura es la zona que después del tratamiento térmico tiene la dureza de la martensita.

Cementante Sólido

Carbón vegetal, coque, 60% C + 40% carbonato cálcico, bárico o sódico. Larga duración, alto consumo de combustible, dificultad de temple e irregularidad por ser el carbonato bárico refractario.

Cementante Gaseoso

Alta resistencia al desgaste en el exterior. La pieza se coloca en una atmósfera carburante a 850-950 °C. Gas activo + portador. El portador es C + H₂ + N₂ + H₂O + CO₂. Desplaza el aire del horno, que es perjudicial. Reduce el depósito de hollín y economiza metano. El gas activo cementa al descomponerse y se absorbe a la temperatura de austenización. Por cada 8 horas, se obtiene 1.5 mm de espesor. Se mantiene la pieza a 800 °C en atmósfera neutra para mejorar la difusión del carbono.

Cementante Líquido

Tóxicos, baños de sales para piezas pequeñas. 0.3% para gran penetración, 1% para poca. Para evitar la absorción de N₂, los baños son de cianuro sódico.

Nitruración

Se introduce nitrógeno para endurecer extraordinariamente la superficie. Se calienta a 500-550 °C con una corriente de NH₃ hasta 4 días. Los nitruros forman elementos de aleación. Espesor de 0.2-0.7 mm. Se templan y revienen antes de nitrurar. Alto coeficiente de rozamiento, mejor resistencia mecánica al desgaste, buen acabado.

Carbonitruración y Cianuración

Se endurece con la absorción de carbono y nitrógeno. Se utilizan cianuros líquidos para la cianuración y gases para la carbonitruración. La cianuración líquida se realiza a baja temperatura en un baño. La carbonitruración se realiza a temperaturas de 900 °C, con transformación a baja temperatura y enfriamiento en aceite.