GENERALIDADES DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS

En el diagrama de fases Fe-Fe3C existen diferentes temperaturas o puntos críticos de interés,

los cuales son importantes desde el punto de vista básico y práctico. Así como también las fases estables a determinadas condiciones de temperatura y composición.

Estructuras de equilibrio definiciones.

El carbono al disolverse en cada una de las variedades alotrópicas del hierro forma soluciones sólidas que son:

Ferrita (  ).

Es la solución sólida intersticial de carbono en hierro . La máxima solubilidad de carbono en hierro es 0.020 a 723°C, es la estructura menos resistente del sistema.

Austenita (  ).

Es una solución sólida de carbono en hierro. La máxima solubilidad de carbono en hierro es de 2% a 1143°C.

Hierro (  ).

Es una solución sólida de carbono en hierro . La máxima solubilidad de carbono en hierro 

es de 0.09% a 1495°C.

Esta solución produce una transformación peritéctica con líquido de 0.53%C dando Austenita de 0.18%C.

Otros constituyentes que se forman a diferentes contenidos de carbono son los siguientes:

Cementita (Fe3C).

En un compuesto intersticial típico, de alta dureza y baja resistencia a la tracción, pero de alta resistencia a la compresión. Es el constituyente más duro que aparece en el sistema.

Ledeburita.

Es una mezcla eutéctica de cementita y austenita, contiene 4.3% C y se forma a 1147° conforme a la reacción L  Fe3C + .

Perlita.

Mezcla eutectoide de ferrita y cementita arregladas en forma de láminas alternadas. Su contenido de carbono es de 0.8% y se forma a 723°C conforme a la reacción   Fe3C + .

Los otros componentes microestructurales que se observan en los aceros son la bainita y la martensita, las cuales se obtienen a través de un tratamiento térmico de temple y revenido.

Definición de tratamientos térmicos (Metals Handbook).

Es la operación o conjunto de operaciones (en el caso de un tratamiento Térmico integral) por medio de las cuales se somete a un metal, en estado sólido, a uno o varios ciclos térmicos con el fin de conferir al metal propiedades particulares adecuadas a su transformación o empleo posteriores. Dentro de estos términos no se incluye el calentamiento efectuado como preparación para un trabajo en caliente.

Ciclo Térmico: “Conjunto de variaciones de temperatura (entre límites determinados) a que se

somete un producto en función del tiempo”. Las variaciones pueden ser más o menos bruscas y los tiempos también más o menos prolongados a temperatura constante.

Tratamientos térmicos.

La primera etapa del más común de los tratamientos térmicos es diseñada para cambiar la estructura y propiedades del hierro dúctil, el proceso es el siguiente: se lleva a una temperatura entre 850 º y 950 ºC (1560 y 1740 ºF), por un tiempo aproximado de 1 hora, mas 1 hora por cada 25 mm (1 in) de sección del espesor para homogenizar el hierro. Cuando los carburos son presentes en la estructura, la temperatura deberá ser aproximadamente de 900 a 950 ºC (1650 a 1740 ºF), de esta manera se descomponen los carburos previo a las siguientes etapas del proceso de tratamiento térmico. El tiempo puede ser de 6 a 8 horas en la estabilización de carburos, en el caso de piezas con geometría compleja se recomienda un

calentamiento inicial de 600 ºC (1110 ºF) lentamente y con un aumento gradual de 50 a 100 ºC (90 a 180 ºF) por hora.

Relevado de esfuerzos.

El objetivo principal de este tratamiento, es remover los esfuerzos presentes dentro del vaciado sin cambiar las propiedades y microestructura, ya que si se presentan gran cantidad de esfuerzos puede ocasionar defectos dentro de los materiales aun cuando se tengan formas complejas, para el relevado de esfuerzos la pieza o componente es llevado a una temperatura aproximada de 500 a 600 ° C (930 a 1100 °F). El componente es calentado a 50 °C (90 °F) por un lapso de una hora, de 200 a 600 °C (390 a 1110 °F) y posteriormente de 600 °C (1110 °F) hacia arriba, se calcula de una hora por cada 25 mm de sección por una hora, posteriormente es enfriado en el horno a 50 °C (90 °F), por hora hasta llegar a 200 °C (390 °F) y finalmente es enfriado en aire a temperatura ambiente.

Recocido.

El propósito de este tratamiento es la generación de una estructura ferritica y la remoción de la perlita y carburos, el tratamiento puede tomar una de las siguientes formas, con enfriamiento interrumpido, enfriamiento controlado y estación simple.

Normalizado.

Consiste en llevar la pieza o componente a una alta temperatura, la cual se alcanza un completo austenitizado y la descomposición de cualquier carburo, seguido por un enfriamiento en aire para la obtención de una matriz de perlitica fina con trazas de ferrita y libre de otros productos de transformación.

Endurecimiento.

El hierro dúctil con altos valores de esfuerzo, generalmente aquellos que exceden 700 MPa (100 Ksi) y con una baja elongación es obtenida por un calentamiento de 875 a 925 °C (1605 a 1695 °F), manteniendo a esta temperatura por un tiempo de 2 a 5 horas, el enfriamiento es en un baño de aceite para producir una estructura de matriz martensitica y un revenido a 400 a 600 °C (750 a 1110 °F) para producir una matriz de martensita revenida, es

importante el control adecuado ya que puede producir agrietamiento

Por lo común, los aceros son tratados térmicamente para alcanzar la estructura y las propiedades adecuadas. Todos los tratamientos térmicos de los aceros están orientados a la producción de un mezcla de ferrita () y cementita (Fe3C) que de la adecuada combinación de

las propiedades.

Austenitizado.

Si el hierro dúctil es austenitizado y enfriado en un baño con sal o en un baño de aceite caliente a una temperatura de 320 a 550 °C (610 a 1020 °F), la estructura que se obtiene es comúnmente vainita con porciones de austenita, la matriz obtenida está en función del tiempo de transformación y la temperatura del baño de enfriamiento.

Endurecimiento superficial.

Algunos de los procesos usados para realizar este tratamiento son el uso de flama, endurecimiento por inducción, nitruración y laser o plasma.

Diagrama temperatura-tiempo-transformación (Curvas TTT). Este diagrama (figura 18),

llamado también diagrama de transformación isotérmica (T-I), o curva C, nos permite predecir la estructura, las propiedades y el tratamiento térmico de los aceros.

Figura 18. Diagrama de transformación isotérmica para un acero 1080 (eutectoide).

Clasificación de los tratamientos térmicos

I. Tratamientos que involucran solamente temperatura. (Fig. 19)

Tratamientos Térmicos de Recocido

1. Recocido. Calentamiento y mantenimiento a una temperatura adecuada y un enfriamiento a una velocidad adecuada.

 Una disminución en la dureza.

 Mejoría en la maquinabilidad.

 Mayor facilidad para el trabajo en frío.

 Una cierta microestructura.

 Una cierta propiedad mecánica, física, etc.

2. Recocido completo. Calentamiento a una temperatura inferior a Ac3 para un acero

hipoeutectoide o entre Ac1 y Acm para un acero hipereutectoide seguido de un

enfriamiento lento a través de la zona o rango de transformación.

3. Normalizado. Calentamiento a una temperatura adecuada sobre el rango de transformación seguido de un enfriamiento al aire hasta una temperatura

649 538 427 316 204 93 TEMPERATURA °C °F

substancialmente abajo del rango de transformación.

4. Relevado de esfuerzos. Calentamiento a una temperatura adecuada y un mantenimiento suficientemente largo para reducir los esfuerzos residuales; seguido de un enfriamiento lo suficientemente lento para minimizar el desarrollo de nuevos esfuerzos residuales.

5. Esferoidización o Globulización. Calentamiento y enfriamiento para reducir a una forma globular o esferoidal los carburos de fiero del acero. Métodos más usados:

a) Mantenimiento prolongado a una temperatura justo abajo de Ae1.

b) Calentamientos y enfriamientos alternativos entre temperaturas justo arriba y justo abajo de Ac1.

c) Calentamiento a temperaturas arriba de Ae1 ó Ae1 seguido de un enfriamiento muy

lento (en el horno) o mantenimiento justo abajo de Ae1. Tratamientos Térmicos de Temple.

1. Temple. Endurecimiento de una aleación ferrosa mediante: una austenización seguida de un enfriamiento suficientemente rápido tal, que toda o casi toda la austenita se transforme en martensita. La temperatura de austenización para aceros hipereutectoides está arriba de Ac1 y abajo de Acm y para hipoeutectoides arriba de Ac3.

2. Temple superficial. Calentamiento de la superficie del acero a una temperatura arriba de Ac3 ó Ac1-Acm (según el acero) seguido de un enfriamiento suficientemente rápido tal que

toda o casi toda la austenita se transforme en martensita.

3. Temple directo. Temple directo de componentes tratados termoquímicamente desde la temperatura del tratamiento.

4. Martempering. Temple de una aleación ferrosa en un medio que se encuentra a una temperatura ligeramente arriba del rango de transformación martensítica, manteniendo el componente hasta la homogeneización de la temperatura, seguido de un enfriamiento en aire a través del rango martensítico.

5. Temple Isotérmico. (Austempering). Es el temple de aleaciones ferrosas desde una temperatura superior a la transformación, en un medio que tiene una velocidad de sustracción de calor suficientemente alta para prevenir la formación de productos de transformación de altas temperaturas; manteniendo la aleación hasta que se complete la

transformación en una temperatura abajo de la formación de perlita pero superior a la de formación de martensita.

Tratamiento de Revenido

1. Revenido. Recalentamiento de una aleación ferrosa que ha sido endurecida por temple abajo de la de transformación (Ac1) y enfriamiento a cualquier velocidad.

2. Envejecimiento. Es el cambio en las propiedades de ciertos metales y aleaciones que ocurre a temperatura ambiente o a temperaturas moderadamente elevadas después de las operaciones de:

a) Tratamiento térmico b) Trabajado en caliente o c) Trabajado en frío

3. Endurecimiento por precipitación (Endurecimiento por envejecimiento).- Endurecimiento provocando por la precipitación de un constituyente de una solución sólida supersaturada. 4 Envejecimiento de tensiones (Strain Aging).- Calentamiento de un acero trabajado en frío

a una cierta temperatura para producir una condición más estable y enfriamiento lento.

Figura 19. Resumen esquemático de los tratamientos térmicos comunes para los aceros

II. Tratamientos termoquímicos.

Tratamientos Termoquímicos con elementos no-metálicos.

1. Difusión de un no-metal (C, O, N) en la fase austenítica (tratamientos austeníticos).

2. Difusión del no-metal (C, N, S o una combinación) en la fase ferrítica (tratamientos ferríticos).

Tratamientos en fase austenítica.

1. Carburizado. Difusión de carbón en materiales de bajo contenido de carbón a temperaturas usualmente entre 800 y 900ºC por períodos desde 30 min. hasta de 16 hrs, dependiendo de los requerimientos de penetración. El carbón puede ser suministrado por el medio de tratamiento térmico que puede ser: sólido, líquido o gaseoso. El proceso debe ser seguido por un temple para endurecer la capa carburizada

y hasta cierto punto, el centro carburizado.

2. Carbonitrurado. Difusión simultánea de carbón y nitrógeno en las superficies por tratar, mediante calentamiento en un baño de sales fundidas o en una atmósfera gaseosa adecuada. El carbonitrurado se efectúa usualmente entre 720 y 925ºC durante 1 ó 3 horas, seguido por un temple en aceite o en agua para endurecer la capa penetrada.

Tratamientos en fase ferrítica.

1. Nitrurado.- En este proceso el nitrógeno es introducido en la superficie de las aleaciones de acero en el rango de temperatura de 500 a 570ºC en un medio que puede ser gaseoso o líquido. Después del enfriamiento en aire se alcanzan altas durezas en la superficie. 2. Nitrocarburizado.- En este proceso tanto el nitrógeno como el carbón son introducidos en

la superficie del acero en el rango de temperatura de 500 a 570ºC en un medio que puede ser líquido o gaseoso y los componentes pueden ser templados o enfriados en aire dependiendo del proceso específico involucrado.

III. Tratamientos Termomecánicos

Procesos de trabajo mecánico durante las operaciones térmicas, los métodos utilizados son laminación en productos planos, forjado, trefilado, etc.