Guía definitiva para el tratamiento térmico de metales: Transforme las propiedades de los metales como un profesional

Guía del tratamiento térmico de los metales: Cómo modifica el calor las propiedades de los metales

Introducción: Cambiar el funcionamiento de los metales

El tratamiento térmico de metales es una parte importante del trabajo con metales. Consiste en calentar y enfriar metales de forma controlada para modificar su comportamiento. No se trata sólo de calentar o enfriar el metal, sino de cambiar cuidadosamente la diminuta estructura interna del metal para obtener resultados específicos. Este proceso nos permite tomar una pieza de acero y hacerla blanda y fácil de moldear, o dura y resistente al desgaste.

Esta guía va más allá de la información básica para explorar las razones fundamentales por las que se producen estos cambios. Examinaremos las reglas científicas que controlan el comportamiento de los metales cuando se calientan y se enfrían. El objetivo es proporcionarle una comprensión sólida de cómo el tiempo y la temperatura crean diferentes estructuras internas en los metales. Cuando comprenda estas ideas, podrá predecir y controlar lo que ocurre, haciendo que el tratamiento térmico deje de seguir recetas para convertirse en auténtica ciencia de la ingeniería. La clave está en comprender cómo se conectan el proceso de calentamiento y enfriamiento, la diminuta estructura resultante, los cambios que la crean y las propiedades finales.

La base científica

Para controlar propiedades del aceroEn primer lugar, hay que comprender las reglas que rigen su estructura interna. Esta base se construye sobre diagramas de fase, que funcionan como hojas de ruta de los metales, y el conocimiento de las estructuras clave que pueden formarse en el interior de los metales.

Leer el plan

El diagrama de fases hierro-carbono es la base del tratamiento térmico del acero. Es un mapa científico que muestra qué fases existen en las mezclas de hierro-carbono a diferentes temperaturas y cantidades de carbono. Entender este diagrama es esencial para cualquiera que se tome en serio el tratamiento térmico.

Muestra las fases importantes y las temperaturas de transformación. Las fases clave incluyen:

• Ferrita: Un tipo de estructura de hierro que es blanda, flexible y magnética. Sólo puede contener muy poco carbono.
• Austenita: Una estructura de hierro diferente que no es magnética y puede contener mucho más carbono (hasta 2,11% en peso). La mayoría de los cambios de tratamiento térmico parten de esta fase.
• Cementita: Compuesto hierro-carbono duro y quebradizo (6,67% de carbono). Proporciona dureza y resistencia al desgaste en el acero.
• Perlita: No es una fase única, sino una estructura en capas formada por capas alternas de ferrita y cementita. Se forma al enfriarse lentamente a partir de la austenita.

El diagrama también muestra las temperaturas críticas de transformación. La más importante es la línea A1, o temperatura crítica inferior, a unos 727 °C (1341 °F). Por debajo de esta temperatura, la austenita no puede existir. La línea A3 indica la temperatura por encima de la cual el acero con bajo contenido en carbono se transforma completamente en austenita. La línea Acm muestra la temperatura a la que el acero con alto contenido en carbono se disuelve completamente en austenita. Calentar el acero por encima de estas temperaturas críticas superiores es el primer paso en la mayoría de los procesos de endurecimiento y normalización, denominados austenitización.

Galería de estructuras internas

Las propiedades del acero tratado térmicamente dependen directamente de su estructura interna. El objetivo de cualquier proceso térmico es producir una estructura específica o una combinación de estructuras.

• Ferrita: Al ser la parte más blanda, proporciona una gran capacidad de flexión y tenacidad, pero poca resistencia y dureza. Se encuentra en aceros con bajo contenido en carbono en su estado reblandecido.
• Perlita: Esta estructura en capas de ferrita y cementita ofrece una resistencia y una capacidad de flexión equilibradas. La perlita gruesa, formada por un enfriamiento muy lento, es más blanda y fácil de mecanizar. La perlita fina, de enfriamiento más rápido (como el enfriamiento por aire), es más dura y resistente.
• Bainita: Estructura intermedia que se forma a temperaturas inferiores a la de formación de la perlita pero superiores a la de inicio de la martensita. Presenta finas partículas de carburo en una matriz de ferrita y ofrece una excelente combinación de resistencia, capacidad de flexión y tenacidad, a menudo mejor que las estructuras templadas y revenidas de dureza similar.
• Martensita: Solución sobresaturada de carbono en hierro con una estructura cristalina especial. Se forma por enfriamiento rápido a partir de la región de austenita, lo que impide el movimiento del carbono. Es extremadamente dura, quebradiza y tiene un aspecto característico de aguja al microscopio. Es la base de la mayoría de los aceros templados.

Análisis de los procesos primarios

Los tratamientos térmicos más comunes utilizan los principios del diagrama Hierro-Carbono mediante ciclos controlados de calentamiento y enfriamiento. Cada proceso -definido por su temperatura de calentamiento, tiempo de mantenimiento y velocidad de enfriamiento- está diseñado para lograr un resultado estructural específico.

Ablandamiento y maquinabilidad

Cuando el acero debe conformarse, mecanizarse o liberarse de tensiones internas, se utilizan tratamientos de ablandamiento.

• Recocido completo: El objetivo principal es conseguir la máxima suavidad, plegabilidad y estructura uniforme. El proceso consiste en calentar el acero a unos 30-50°C por encima del A3 (para aceros de bajo carbono) o Acm (para aceros de alto carbono), mantenerlo a esa temperatura para garantizar la transformación completa y la uniformidad química y, a continuación, enfriarlo muy lentamente dentro del horno. Este enfriamiento lento deja tiempo suficiente para el movimiento de los átomos, lo que da lugar a estructuras gruesas de perlita y ferrita, ideales para el posterior trabajo en frío o el mecanizado.
• Normalización: El objetivo es refinar la estructura del grano y mejorar la uniformidad de las propiedades mecánicas, produciendo un material más duro y resistente. acero que totalmente recocido acero. Las fases de calentamiento y mantenimiento son similares al recocido, pero el enfriamiento se realiza en aire en calma. Esta velocidad de enfriamiento moderadamente más rápida da lugar a una estructura de perlita más fina y abundante. El normalizado se utiliza a menudo para preparar un componente para posteriores operaciones de temple, asegurando una respuesta más uniforme al enfriamiento.

Alcanzar la máxima dureza

Para crear un componente resistente al desgaste y a la indentación, el objetivo es producir una estructura totalmente martensítica.

• Endurecimiento (temple): El objetivo de este proceso es conseguir la máxima dureza. El acero se calienta a su temperatura de austenización adecuada y se mantiene el tiempo suficiente para disolver los carburos en la matriz de austenita. A continuación, se enfría rápidamente (templado) a una velocidad superior a la "velocidad crítica de enfriamiento" del acero. Esta rápida eliminación del calor impide la formación normal de perlita o bainita. En su lugar, la austenita se transforma mediante otro tipo de transformación en martensita. Los átomos de carbono atrapados distorsionan la estructura del hierro, creando una inmensa tensión interna, que es la fuente de la extrema dureza de la martensita y su correspondiente fragilidad.

Recuperar la fortaleza

Una pieza completamente martensítica recién templada es demasiado frágil para casi todos los usos de ingeniería. Debe modificarse para ser útil.

• Revenido: Se trata de un tratamiento posterior al temple. Su objetivo es reducir la fragilidad, aliviar las tensiones internas y aumentar la tenacidad, aunque se pierde algo de dureza. El proceso consiste en recalentar por debajo de la línea A1 (normalmente entre 150 °C y 650 °C), mantener durante un tiempo determinado y, a continuación, enfriar. Durante el revenido, la inestable martensita empieza a romperse. Los átomos de carbono pueden salir de la estructura y formar partículas de carburo extremadamente finas dentro de una matriz de ferrita más blanda. La estructura resultante se denomina martensita revenida. La dureza y la tenacidad finales dependen directamente de la temperatura de revenido; a mayor temperatura, menor dureza pero mayor tenacidad.

Tabla 1: Análisis comparativo de los tratamientos térmicos del acero primario

La ciencia del enfriamiento

La instrucción de "enfriar rápido" durante el temple es demasiado simple. El proceso de eliminación de calor durante el enfriamiento es un fenómeno complejo de transferencia de calor que determina el éxito o el fracaso del proceso de temple. Comprenderlo es fundamental para el control del proceso.

Las tres etapas del enfriamiento

Cuando una pieza de acero caliente se introduce en un líquido de temple, no se enfría a un ritmo uniforme. La curva de enfriamiento se rige por tres etapas distintas de transferencia de calor:

1. Etapa de manta de vapor (ebullición de la película): Inmediatamente después de la inmersión, el líquido que toca la superficie caliente se vaporiza, formando una capa de vapor estable y aislante alrededor de la pieza. La transferencia de calor a través de esta capa de vapor es lenta y se produce principalmente por radiación. Esta es la etapa de enfriamiento menos eficaz. Si esta etapa dura demasiado, es posible que la pieza no se enfríe lo suficientemente rápido como para formar martensita, formando en su lugar productos más blandos como la perlita.
2. Etapa de transporte de vapor (ebullición nucleada): A medida que la superficie de la pieza se enfría, el manto de vapor se vuelve inestable y colapsa. El líquido entra en contacto directo con la superficie, hierve violentamente y es expulsado, arrastrando consigo grandes cantidades de calor. Esta fase de ebullición nucleada proporciona la tasa más rápida de eliminación de calor y es la etapa más crítica para lograr la transformación martensítica.
3. Etapa de enfriamiento del líquido (convección): Una vez que la temperatura de la superficie desciende por debajo del punto de ebullición del agente de enfriamiento, se detiene la ebullición. El enfriamiento continúa a un ritmo mucho más lento, regido por la convección y la conducción hacia el líquido a granel. Esta etapa es menos crítica para la dureza, pero puede influir en la tensión final y la distorsión.

Análisis técnico de Quenchant

La elección del medio de temple es una decisión crítica basada en la templabilidad del acero, la forma de la pieza y las propiedades deseadas. Cada medio tiene un perfil de curva de enfriamiento único.

• Agua/Salmuera: El agua proporciona un enfriamiento muy rápido. La etapa de vapor es corta y la etapa de ebullición nucleada es extremadamente eficiente. Sin embargo, su velocidad de enfriamiento no disminuye significativamente en el rango inferior de temperaturas, donde se forma la martensita, lo que crea enormes diferencias de temperatura y elevadas tensiones internas. Esto conlleva un alto riesgo de distorsión y agrietamiento por enfriamiento rápido, especialmente en formas complejas. La adición de sal para crear la salmuera suprime el manto de vapor, haciendo que el enfriamiento sea aún más rápido y severo.
• Aceites: Los aceites de enfriamiento son los caballos de batalla de la industria. Proporcionan un enfriamiento más lento que el agua. La principal ventaja es una fase de capa de vapor mucho más larga y estable, seguida de una fase de ebullición nucleada menos agresiva. Lo más importante es que la velocidad de enfriamiento disminuye considerablemente en la fase de convección, que coincide con el intervalo de formación de martensita. Este enfriamiento "suave" a través de la transformación reduce el choque térmico y minimiza el riesgo de agrietamiento y distorsión. Desde un punto de vista práctico, el riesgo de incendio es una consideración constante y requiere sistemas adecuados de ventilación y seguridad.
• Polímeros: Los agentes de enfriamiento de polímeros (a base de glicol) ofrecen lo mejor de ambos mundos. Variando la concentración de polímero en el agua, la velocidad de enfriamiento puede oscilar entre la del agua y la del aceite. Las concentraciones más altas crean una película de polímero más estable sobre la pieza, lo que ralentiza el enfriamiento. No son inflamables y ofrecen una enorme flexibilidad de proceso.
• Gas/Aire forzado: Para los aceros de alta aleación con muy alta templabilidad, el temple líquido es a menudo demasiado severo. El temple con gas a alta presión (normalmente nitrógeno o argón) en un horno de vacío proporciona una velocidad de enfriamiento limpia, controlada y predecible, suficiente para formar martensita en estas aleaciones manteniendo la distorsión al mínimo absoluto.

Tabla 2: Comparación técnica de los medios de enfriamiento habituales

Tratamientos avanzados y superficiales

Más allá de los procesos primarios, los tratamientos especializados ofrecen combinaciones de propiedades únicas o modifican sólo la superficie de un componente, creando un material compuesto con distintas propiedades de carcasa y núcleo.

Tratamientos isotérmicos de transformación

Estos procesos interrumpen el temple para conseguir estructuras específicas no martensíticas.

• Austemplado: Este proceso está diseñado para producir una estructura totalmente bainítica. La pieza se enfría desde su temperatura de austenitización en un baño de sal fundida o aceite mantenido a una temperatura constante por encima de la línea de inicio de la martensita (normalmente 260-400°C). Se mantiene a esta temperatura hasta que la austenita se transforma completamente en bainita. A continuación, se enfría a temperatura ambiente. La estructura bainítica resultante proporciona una excelente resistencia, gran tenacidad y buena capacidad de flexión, a menudo sin necesidad de una operación final de revenido. Es muy apreciada para fabricar componentes resistentes y tolerantes a los daños, como los tornillos de retención. clips y muelles.
• Martemplado (Marquenching): No es un proceso de temple en sí, sino una técnica para minimizar la distorsión y la tensión residual durante el temple. La pieza se enfría desde la temperatura de austenización en un fluido caliente (sal o aceite) que se mantiene justo por encima de la temperatura de inicio de la martensita. Se mantiene el tiempo suficiente para que la temperatura se iguale en toda la sección transversal de la pieza, pero no lo suficiente para que se forme bainita. A continuación, se retira la pieza y se enfría con aire hasta alcanzar la temperatura ambiente. Durante este lento enfriamiento al aire, la austenita se transforma en martensita de manera bastante uniforme en toda la sección, reduciendo drásticamente las diferencias de temperatura que causan la distorsión. Una pieza martemplada sigue siendo totalmente martensítica y frágil, y debe templarse.

Química de cementación

La cementación en caja crea una superficie dura y resistente al desgaste (la caja) sobre un interior más blando y resistente (el núcleo). Esto se consigue mediante la difusión de elementos en la superficie de un acero bajo en carbono a temperaturas elevadas.

• Carburación: Es el método de endurecimiento superficial más común. Una pieza de acero con bajo contenido en carbono (que no puede endurecerse significativamente en toda su masa) se calienta en una atmósfera rica en carbono (gas, líquido o paquete sólido). A una temperatura elevada (normalmente 900-950°C), los átomos de carbono se difunden en la superficie del acero. Después de un tiempo suficiente para alcanzar la profundidad deseada (por ejemplo, 0,5-1,5 mm), la pieza, ahora con una superficie rica en carbono, se templa y revenida. El resultado es una pieza compuesta con una capa martensítica dura de alto contenido en carbono y un núcleo blando y resistente de bajo contenido en carbono, ideal para engranajes, cojinetes y ejes.
• Nitruración: Este proceso difunde nitrógeno en la superficie del acero para formar nitruros de hierro o aleación extremadamente duros. Se realiza a una temperatura inferior a la del carburizado (normalmente 500-550°C), por debajo de la temperatura crítica A1. Una gran ventaja es que no suele ser necesario el temple, ya que la dureza procede de los propios compuestos estables de nitruro, no de una transformación martensítica. Esta casi eliminación del temple minimiza drásticamente la distorsión, lo que hace que la nitruración sea ideal para piezas acabadas de alta precisión. La caja resultante es excepcionalmente dura (a menudo >65 HRC) y resistente al desgaste y la corrosión.

Cuadro 3: Análisis de las técnicas avanzadas de endurecimiento superficial

Verificación y control

El tratamiento térmico es una ciencia de precisión, y su éxito debe verificarse mediante rigurosas métodos de control de calidad. Estas pruebas tienden un puente entre la teoría metalúrgica y la aplicación en el mundo real.

Cuantificación de la dureza

La dureza es la propiedad más común y crítica que se mide después del tratamiento térmico. Indentación Los ensayos de dureza miden la resistencia a la deformación plástica localizada.

• El ensayo de dureza Rockwell es el estándar industrial para componentes templados. La escala "C" (HRC) utiliza un penetrador de diamante bajo una carga de 150 kg y es ideal para medir la dureza de aceros templados y revenidos.
• El ensayo de dureza Brinell utiliza un indentador de bola de carburo más grande y una carga más pesada, lo que crea una indentación más grande. Es excelente para medir materiales más blandos o materiales con estructuras gruesas, ya que proporciona una dureza media en un área mayor.

Visualizar el resultado

La confirmación definitiva del éxito del tratamiento térmico procede de la observación directa de la estructura interna. Esto se consigue mediante el análisis metalográfico. Se corta una muestra de un componente, se monta en un polímero y, a continuación, se esmerila y pule hasta obtener un acabado de espejo. A continuación, la muestra se graba químicamente, lo que ataca preferentemente las diferentes fases y límites de grano. Cuando se observa al microscopio, se revela la estructura interna. La diferencia entre la perlita gruesa en capas de una muestra recocida y la estructura fina en forma de aguja de la martensita es inconfundible. Esta evidencia visual confirma que se han producido las transformaciones de fase previstas.

Predicción de la templabilidad

Es fundamental distinguir entre dureza y templabilidad. La dureza es una medida de la resistencia de un material a la indentación. La templabilidad es la capacidad de un aleación de acero a templar por enfriamiento rápido. Determina la profundidad a la que se endurecerá una pieza. El ensayo Jominy End-Quench es el método estándar para medir esta propiedad. Una barra cilíndrica de tamaño estándar se austeniza y luego se templa sólo en un extremo con un chorro de agua controlado. El otro extremo se enfría lentamente al aire. A continuación, se mide la dureza a intervalos regulares a lo largo de la barra. El gráfico resultante de la dureza en función de la distancia desde el extremo templado es la curva de templabilidad del acero. Estos datos son esenciales para que los metalúrgicos seleccionen la aleación correcta para un tamaño de pieza determinado y un proceso de temple que garantice que se endurece en toda su sección transversal si es necesario.

Conclusiones: Ciencia y oficio

El tratamiento térmico de metales es una combinación de ciencia y artesanía. Es una disciplina precisa que se rige por los principios inmutables de la termodinámica, trazados por diagramas de fases, y la cinética, que dicta la naturaleza dependiente del tiempo de las transformaciones. Lo que diferencia a un técnico de un metalúrgico es un profundo conocimiento de cómo influyen las velocidades de calentamiento, los tiempos de inmersión y las curvas de enfriamiento en la formación de ferrita, perlita, bainita y martensita. Al dominar estos principios, no nos limitamos a seguir tablas de procedimientos. Adquirimos la capacidad de solucionar problemas, optimizar procesos y diseñar activamente las propiedades de los materiales para satisfacer los exigentes requisitos de ingeniería moderna. El tratamiento térmico es el último paso crítico que libera todo el potencial latente de cada aleación metálica.

1. ASM International - Tratamiento térmico y metalurgia https://www.asminternational.org/
2. ASTM International - Pruebas y normas sobre metales https://www.astm.org/
3. SAE International - Materiales y normas de tratamiento térmico https://www.sae.org/
4. Sociedad de Minerales, Metales y Materiales (TMS) https://www.tms.org/
5. NIST - Instituto Nacional de Normas y Tecnología https://www.nist.gov/
6. ISO - Organización Internacional de Normalización https://www.iso.org/
7. ASME - Sociedad Americana de Ingenieros Mecánicos https://www.asme.org/
8. Sociedad de Tratamientos Térmicos (parte de ASM International) https://www.asminternational.org/web/heat-treating-society
9. Ciencia e Ingeniería de Materiales - ScienceDirect https://www.sciencedirect.com/topics/materials-science
10. ANSI - Instituto Nacional Estadounidense de Normalización https://www.ansi.org/