Tratamientos termicos

Diariamente estamos en constante contacto con muchos objetos que utilizamos de distintas formas, sin imaginarnos todo el proceso que está detrás de su fabricación, ni tampoco si los estamos utilizando de la forma correcta o adecuada según son sus propiedades. Hoy en día tenemos amplio conocimiento sobre estos temas, que nos da gran ventaja a la hora de  elaborarlos.

Esta vez hablaremos sobre los tratamientos térmicos aplicables a los materiales para ingeniería, de acuerdo a las propiedades mecánicas y de manufactura.

Los tratamientos térmicos son procesos mediante los cuales se les aplica temperatura a los materiales, por lo general metales, para así cambiar las propiedades físicas y mecánicas de estos, con el fin de mejorarlo y así aprovechar las propiedades que tiene y las que se le agregan después de realizarle este tipo de procesos.  Según De Garmo (1994) “un tratamiento térmico es, por definición, todo proceso de calentamiento y enfriamiento controlados al que se somete un metal con el propósito de variar alguna o algunas de sus propiedades.”

Con lo anterior, comprendemos mejor como son estos tratamientos y porque utilizarlos, ya que nos proporcionan muchos beneficios. Pero cabe aclarar que no todos los procesos son iguales y que estos no se le pueden aplicar a todos los materiales. Cada tipo de tratamiento térmico, proporciona distintas propiedades  a los materiales, y tiene que ser elegido cuidadosamente para poder aprovechar recursos y obtener el mejor beneficio al utilizarlos. A continuación conoceremos como son cada unos de ellos y cuál es el más conveniente según sean nuestros intereses.

El templado es un tratamiento térmico convencional, este funciona calentando a muy alta temperatura el acero y enfriándolo muy rápido, buscando obtener una estructura martensítica, que sea dura y resistente. Se trata de evitar la cristalización y así se logre obtener una mayor tenacidad en el material.

Hay diferentes formas para alcanzar la temperatura de austenización y se recomienda que alcance su temperatura máxima de forma gradual y que esta se distribuya de forma homogénea en toda la pieza. Después del calentamiento se pasa al enfriamiento, este debe ser de forma rápida. El enfriamiento tiene por finalidad obtener un material muy duro, denominado martensita. Este tiene que ser de una forma brusca, y hay distintas maneras para lograrlo, la pieza se puede sumergir en un baño de temple. Por lo general se emplean líquidos,  como agua, salmuera o aceites, y para casos que se necesite un enfriamiento isotérmico se utilizan  metales fundidos como Hg, Pb o Pb-Sn. En general este tratamiento es aplicado para mejorar las propiedades mecánicas del metal o aleación y otra técnica para obtener el mismo tipo de resultados es el revenido. Este se realiza exclusivamente  después del templado, esto es para reducir su fragilidad e incrementar ductilidad y tenacidad. Consiste en someter al material a una temperatura suave, es decir a un valor inferior del punto crítico, y se enfría de forma rápida o lenta, según sea el caso, pero siempre de una forma controlada.

Para comprender de mejor forma este tratamiento en el libro  Introducción a la ciencia e ingeniería de los materiales, William D. Callister  nos explica “El revenido se lleva a cabo calentando el acero martensitico a una temperatura inferior a la eutectoide durante un periodo de tiempo especifico. Normalmente el revenido se realiza calentando entre los 250°C y 650°C; sin embargo las tensiones internas se pueden eliminar a temperaturas de unos 200°C. Durante el tratamiento térmico de revenido, se puede conseguir por un proceso de difusión la formación de de martensita revenida, según la reacción donde la martensita monofásica BCT sobresaturada sobre saturada de carbono se transforma en martensita revenida, compuesta por las fases ferrita estable y cementita, según indica el diagrama de fases hierro-carburo de hierro. “

Analizando lo anterior, entendemos que para utilizar un acero después de haberse sometido al temple, es necesario someterlos a revenido. Estos raramente se emplean después del revenido, ya que son demasiado frágiles y tienen muchas tensiones internas y el revenido aporta ductilidad y tenacidad.

Otro tratamiento térmico es el recocido, este es lo contrario a los anteriores, ya que trata de ablandar los materiales. Este es un tratamiento térmico que en general tiene como finalidad principal ablandar el acero y eliminar las tensiones internas que siguen a un trabajo en frío. Consiste en calentar el metal a una temperatura adecuada, en la cual se mantiene por un cierto tiempo para posteriormente enfriarse lentamente. Se realiza en varios casos, ya sea buscando reducir la dureza y la fragilidad, para obtener las propiedades mecánicas deseadas alteando la microestructura del material,  para ablandar el metal y para mejorar su maquinabilidad o formabilidad.

Existen varios tipos de recocidos, que en sí, son el mismo procedimiento, pero obtienen diferentes nombres según sea su propósito. Uno de ellos es el recocido total, este consiste en  calentar el acero a cierta temperatura y luego enfriar lentamente a lo largo del intervalo de transformación, preferentemente en el horno o en cualquier material que sea buen aislante al calor y su  propósito es  refinar el tamaño del grano, proporcionar suavidad, mejorar las propiedades eléctricas y magnéticas y mejorar el maquinado. El recocido para la eliminación de esfuerzo  se utiliza para eliminar esfuerzos residuales debidos a un fuerte maquinado u otros procesos de trabajo en frío. Este recocido, también denominado subcrítico, se lleva a cabo a temperaturas por debajo de la línea crítica inferior. Por último está el recocido de proceso, donde la pieza de trabajo se recuece para restaurar su ductilidad, la cual se ha perdido  en parte por completo mediante endurecimiento por trabajo durante el trabajo en frío, posteriormente la pieza se puede seguir trabajando hasta obtener la forma deseada. Si el tiempo y la temperatura son demasiado largos, se puede obtener un crecimiento de grano, que creara efectos adversos sobre la capacidad de formabilidad del material.

Existe otro tratamiento térmico llamado normalizado, que consiste en calentar un metal durante cierto tiempo a una temperatura superior a la crítica (entre 55 y 85 °C mayor)  para después enfriarse a temperatura ambiente, el cual debe ser lento pero no tanto, ya que se realiza al aire. Por el contrario, si el enfriamiento es rápido no permitirá la formación de microestructuras de equilibrio y esto daría lugar a un tratamiento térmico distinto, llamado temple.  El normalizado  se realiza con el fin de obtener diversos objetivos, principalmente para refinar la estructura granular del material, haciéndola más uniforme, también se utiliza para liberar esfuerzos internos y ajustar las propiedades mecánicas. Su propósito es producir un acero más duro y más fuerte que el obtenido después del recocido total, de manera que para algunas aplicaciones, el normalizado es utilizado como tratamiento térmico final.  Este tratamiento es muy efectivo  si es bien realizado y se evitan fallas en el procedimiento. Los aceros nomalizados son más tenaces y fuertes que los aceros recocidos, y su tenacidad es mayor después de este tratamiento que después de cualquier otro realizado y debido a esto, las piezas que estarán sujetas a impactos o aquellas que requieran dureza máxima con resistencia a los esfuerzos externos, son usualmente normalizadas.

El tratamiento térmico de esferiorizado permite que un acero de alto carbono sea más fácil de conformar y mecanizar. Esto se logra a nivel microscópico cambiando las partículas alargadas y duras de carburo contenidas en el acero, en formas esféricas con diámetro y distribución convenientes. (W. Callister 1995)  nos explica mas “Los aceros medios y altos en carbono tienen una microsestructura consistente en perlita gruesa que puede llegar a ser demasiado dura para la deformación plástica y para el mecanizado. Estos aceros y también los otros, se pueden recocer para desarrollar la microestructura de esferoiditas. El acero esferoidizado o globulizado tiene la máxima blandura y ductilidad y es fácilmente mecanizable o deformable.

Es un  tipo especial de recocido que  requiere un ciclo extremadamente largo, este ciclo de calentamiento masivo y sostenido toma de 20 a 50 horas para completarse. Varias combinaciones de temperaturas y  tiempos pueden usarse para lograr la forma y distribución deseada de las esferas de carburo

Este tipo de tratamiento térmico es utilizado para producir un estado globular del carburo y la máxima elasticidad, a fin de conseguir la mejor capacidad de mecanización o maximizar la formabilidad en frío. Su propósito es dar tenaciad al acero que de otra forma serían frágil. Es necesario tener un alto contenido de carbono para darle resistencia al desgaste, pues de otra manera, en la forma perlítica, tendría muy baja ductilidad.

El tratamiento por precipitación, también llamado endurecido  por  envejecimiento y este solo puede lograrse solamente con aquellas aleaciones en las cuales las solubilidad decreciente de un material en otro, según se reduzca la temperatura. Esta técnica endurece y aumenta la resistencia del material, mediante la formación de finas partículas, que actúan bloqueando el movimiento de las dislocaciones. Es muy usado para hacer resistentes a las aleaciones de aluminio, cobre, magnesio, níquel y otros metales no ferrosos. También se utiliza para hacer resistentes numerosos aceros de aleación que no forman martensita por métodos usuales. El objetivo de la realización de este tratamiento es aumentar la resistencia de muchas aleaciones de aluminio y otros metales, y crear, en una aleación tratada térmicamente, una dispersión densa y fina de partículas precipitadas en una matriz de metal deformable. Para saber si un material puede ser sometido a este proceso, es necesaria la presencia de una línea de solvus, una vez identificado esto, se puede endurecer por precipitación, cuando contiene dos fases a temperatura ambiente, pero puede calentarse a una temperatura tal, que se disuelva la segunda fase. Al comenzar el proceso de tratamiento térmico consiste en tres pasos, el primero de ellos es el tratamiento de la solución, en la cual se calienta la aleación por arriba de la línea solvus dentro de la región de la fase alfa y se sostiene por un periodo suficiente para disolver la fase beta, el segundo es el templado a temperatura ambiente para crear una solución sobresaturada y por último el tercero es la aplicación del tratamiento por precipitación, en el cual se calienta la aleación por debajo del punto crítico para provocar la precipitación de las partículas finas.

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