Tratamientos Térmicos en Aceros: Mejora de Propiedades y Procesos

Objetivo de los Tratamientos Térmicos

El objetivo principal de los tratamientos térmicos es mejorar las propiedades de los materiales, obteniendo productos que respondan mejor a las condiciones bajo las que trabajarán. Para que sus propiedades cambien, es necesario que la estructura interna de los materiales también se modifique, lo que se logra por medio de calentamientos y enfriamientos adecuados, formalizando los llamados tratamientos térmicos.

De forma general, los tratamientos térmicos podrán:

• Aumentar o disminuir la dureza de los materiales, logrando variar la resistencia de los mismos.
• Conseguir mejorar la maquinabilidad.
• Eliminar tensiones internas residuales.
• Eliminar la acritud que pueden presentar ciertos materiales sometidos a conformación en frío.

Transformaciones de la Austenita

El tratamiento térmico de los materiales comienza con la austenita, alcanzando altas temperaturas de manera lenta para asegurar un calentamiento uniforme. La temperatura de austenización se mantiene el tiempo suficiente para que toda la estructura se convierta en austenita. Luego, el enfriamiento puede ser lento, generando fases estables, o rápido, produciendo fases metaestables que pueden cambiar a una forma más estable. El diagrama Fe-C ayuda a comprender las transformaciones del acero y la fundición a diferentes temperaturas, aunque no es útil para enfriamientos rápidos. La velocidad de enfriamiento es crucial para determinar el resultado final del material.

Tipos de Enfriamientos

Enfriamiento Lento

El enfriamiento lento sigue las leyes del diagrama Fe-C, produciendo estructuras cercanas al equilibrio. Se considera lento cuando el gradiente de temperatura es inferior a 50°C/seg. Este tipo de enfriamiento se puede lograr cubriendo la pieza con arena o controlando su enfriamiento en un horno, ya sea de manera automática o permitiendo un enfriamiento natural.

Enfriamientos Medios

El intervalo de temperaturas a las que enfriarán se encontrarán entre los 50 y los 200°C por segundo. Con ellos se logran estructuras finales de tipo perlítico, que reciben el nombre de troostita, sorbita de temple o perlita fina. Para lograr estos enfriamientos se puede introducir el elemento dentro de sales o dejarlo simplemente al aire.

Enfriamiento Rápido

El enfriamiento rápido ocurre a una velocidad de descenso de temperatura entre 250 y 500°C por segundo, resultando en una mezcla de perlita fina y martensita, generalmente enfriada con agua, aceite o agua con sales. Los enfriamientos muy rápidos, superiores a 500°C/seg, producen una estructura de martensita, típica de los aceros templados.

Proceso de Calentamiento

El comienzo de cualquier tratamiento térmico consistirá en elevar progresivamente la temperatura del elemento mediante un dispositivo, como por ejemplo un horno, un baño de sales, etc. Evidentemente, la temperatura de partida suele ser la que exista en el ambiente, pues la pieza se encontrará en esas condiciones; sin embargo, en la mayoría de los tratamientos se alcanzará la temperatura de austenización, lo que implicará temperaturas superiores a Ac3, Ac1, Acm, según estudiamos en el diagrama hierro-carbono.

Este calentamiento será progresivo, permitiendo que todo el material vaya aumentando la temperatura uniformemente. De lo contrario, se podrían establecer dilataciones desiguales con el peligro de generar grietas. De lo dicho deducimos que los calentamientos rápidos son perjudiciales y siempre deben evitarse. Como norma general, diremos que la velocidad de calentamiento dependerá en gran medida del espesor de la pieza y del tipo de acero.

Una vez alcanzada la temperatura de austenización, se permanecerá en ese estado un tiempo determinado, con el fin de que todo el material se haya transformado en austenita y esta sea homogénea. Es interesante que el tamaño del grano que presenta la austenita sea lo más fino posible, ya que se lograrán transformaciones rápidas y homogéneas. Además, el tamaño final del grano austenítico dependerá del tamaño de partida del grano.

Proceso de Enfriamiento

Este paso es mucho más variable e incluso delicado, porque de él dependerá el resultado final del tratamiento. Seguidamente iremos desglosando esta fase en cada tipo de tratamiento.

Tipos de Recocido

El recocido es un tratamiento térmico destinado a ablandar el material, homogeneizar su estructura, afinar el grano, eliminar tensiones internas y facilitar el mecanizado. Se inicia con un calentamiento prolongado (al menos 1 hora por cada 25 mm de sección) hasta alcanzar el estado austenítico, a una temperatura de entre Ac3 y (Acm) + 30-50°C, dependiendo de la composición química. Luego, el material se enfría lentamente para transformarse en constituyentes más estables. Este enfriamiento se puede hacer en un horno controlado, apagando el horno o utilizando baños de sales, cenizas o arena caliente.

Recocido de Homogeneización

Se suele emplear en los productos semielaborados, como los lingotes. Con él se logra eliminar las posibles segregaciones de azufre, fósforo, etc., que se generan en la solidificación del producto. Las condiciones que se deben establecer en el procedimiento son: Ta calentamiento = Ac3 + 200°C, pero sin alcanzar la temperatura de "solidus". Debido a estas condiciones, se obtiene acero sobrecalentado que posteriormente se regenerará (fig. 21a).

Recocido de Regeneración

Se aplica a los aceros sobrecalentados o cuando queremos anular los efectos de un tratamiento térmico. Se logra así un producto final de grano fino, que es la que mejores características mecánicas presenta. La temperatura de calentamiento suele ser Ac3 +50°C o Acm+ 50°C. Después se enfriará en un horno hasta unos 500°C. Posteriormente ya podremos dejarlo enfriar al aire. Los constituyentes finales serán ferrita y perlita o cementita y perlita, dependiendo de si se trata de un acero hipo o hipereutectoide (fig. 21b).

Recocido de Ablandamiento

Es muy parecido al anterior. Se aplica principalmente sobre piezas templadas que serán mecanizadas o en aceros aleados de gran resistencia. Con él se logra disminuir la dureza del material, facilitando el mecanizado. El procedimiento a seguir para este recocido será: Tacalentamiento = Ac3 o Acm - 75°C.

Recocido contra Acritud

El recocido contra acritud se aplica a materiales que han sido trabajados en frío, lo que genera endurecimiento y fragilidad, conocido como acritud, que dificulta su posterior trabajo. Un ejemplo común es el de los alambres que, al doblarse repetidamente, se vuelven frágiles y se rompen. Para mejorar la maleabilidad y ductilidad, se realiza un tratamiento térmico calentando el material a una temperatura entre 500°C y Ac1 -75°C y dejándolo enfriar en un horno o al aire. Al bajar de los 550°C, la ferrita se recristaliza, recuperando sus propiedades iniciales y eliminando la acritud. Este proceso se aplica a los aceros hipoeutectoides.