4 tipos de tratamiento térmico del acero

El tratamiento térmico del acero es un proceso que consiste en calentar, mantener y enfriar el acero en estado sólido para modificar su microestructura interna y lograr las propiedades deseadas. Este tratamiento permite eliminar defectos en piezas en bruto, como fundiciones y forjas, mejorar las propiedades de procesamiento del acero, como la maquinabilidad y la conformabilidad, y potenciar sus propiedades mecánicas. Al aprovechar el potencial del acero, el tratamiento térmico contribuye a reducir los costos de producción, mejorar el rendimiento de los componentes y prolongar su vida útil.

I. Enfriamiento

Temple El tratamiento térmico del acero es un proceso en el que el acero se calienta a una temperatura superior a la temperatura crítica Ac3 para el acero hipoeutectoide o Ac1 para el acero hipereutectoide, se mantiene durante un período para lograr una austenización total o parcial y luego se enfría rápidamente a una velocidad mayor que la velocidad de enfriamiento crítica hasta por debajo de la temperatura Ms o se mantiene isotérmicamente cerca de Ms para promover la transformación de la martensita.

El término temple también se utiliza comúnmente para referirse al tratamiento de solubilización o cualquier tratamiento térmico que implique el enfriamiento rápido de otros materiales, tales como aleaciones de aluminio, aleaciones de cobre y aleaciones de titanio.

Finalidad del enfriamiento

• Mejorar las propiedades mecánicas de productos o piezas metálicas semielaboradas. Por ejemplo, aumentar la dureza y la resistencia al desgaste de herramientas y cojinetes, mejorar el límite elástico de los resortes y potenciar las propiedades mecánicas generales de los componentes de ejes.
• Mejorar las propiedades materiales o químicas de ciertos aceros especiales. Algunos ejemplos incluyen aumentar la resistencia a la corrosión del acero inoxidable o potenciar el magnetismo permanente del acero magnético.

Durante el enfriamiento por temple, además de seleccionar un medio de temple adecuado, debe emplearse el método de temple correcto. Los métodos de temple comunes incluyen: temple en baño único, temple en baño doble, temple martensítico, austemperado y temple localizado.

Características del acero después del temple

• La formación de microestructuras inestables o fuera del equilibrio, como martensita, bainita y austenita retenida.
• La presencia de altas tensiones internas o tensiones residuales.
• Las propiedades mecánicas resultantes suelen ser inadecuadas para su uso. Por lo tanto, las piezas de acero generalmente requieren un revenido posterior al temple.

II. Templado

Temperamento Es un proceso de tratamiento térmico que consiste en calentar un producto o pieza metálica templada a una temperatura específica, mantenerla durante un tiempo determinado y luego enfriarla a una velocidad controlada. El revenido se realiza inmediatamente después del temple y suele ser el paso final del tratamiento térmico. El proceso combinado de temple y revenido se conoce a menudo como tratamiento final o proceso de temple y revenido.

Fines del templado

• Reduce las tensiones internas y disminuye la fragilidad. Las piezas templadas presentan altas tensiones y fragilidad, y sin un revenido oportuno, son propensas a la deformación o incluso al agrietamiento.
• Ajustar las propiedades mecánicas de la pieza. Tras el temple, la pieza presenta alta dureza y fragilidad. El revenido se utiliza para ajustar la combinación de dureza, resistencia, ductilidad (plasticidad) y tenacidad, con el fin de cumplir los diversos requisitos de rendimiento de los distintos componentes.
• Estabilizar las dimensiones de la pieza. El revenido favorece la estabilización de la microestructura, garantizando que no se produzcan cambios dimensionales adicionales durante su uso posterior.
• Mejorar la maquinabilidad de ciertos aceros aleados.
• Mejora la estabilidad microestructural, evitando cambios microestructurales durante la vida útil de la pieza y manteniendo así una geometría y un rendimiento estables.
• Elimina tensiones internas, lo que mejora el rendimiento del servicio y estabiliza la geometría de la pieza.
• Ajustar las propiedades mecánicas del acero para cumplir con los requisitos de servicio.

Estos efectos se producen porque las temperaturas más elevadas aumentan la movilidad atómica, lo que permite que los átomos de hierro, carbono y otros elementos de aleación se difundan con mayor rapidez. Esto facilita la reorganización y recombinación de los átomos, transformando gradualmente la microestructura inestable y fuera de equilibrio en una estable y en equilibrio. La eliminación de la tensión interna también está relacionada con la disminución de la resistencia del metal a temperaturas elevadas.

En general, el revenido del acero produce una disminución de la dureza y la resistencia, y un aumento de la ductilidad. Cuanto mayor sea la temperatura de revenido, mayor será el cambio en estas propiedades mecánicas. Sin embargo, algunos aceros de alta aleación, al ser revenidos dentro de un cierto rango de temperatura, precipitan compuestos metálicos finos, lo que provoca un aumento de la resistencia y la dureza. Este fenómeno se conoce como endurecimiento secundario.

Requisitos de templado: Las piezas con diferentes aplicaciones deben templarse a diferentes temperaturas para satisfacer sus requisitos de servicio.

• Revenido a baja temperatura (150-250 °C): Se utiliza para herramientas, cojinetes, piezas cementadas y templadas, y piezas endurecidas superficialmente. El revenido a baja temperatura produce pocos cambios en la dureza, reduce las tensiones internas y aumenta ligeramente la tenacidad.
• Templado a temperatura media (350-500 °C): Se utiliza para resortes para lograr una alta elasticidad y la tenacidad necesaria.
• Templado a alta temperatura (500-600 °C): Se aplica a piezas fabricadas con acero estructural de carbono medio para lograr una combinación favorable de resistencia y tenacidad.

Cuando el acero se templa a unos 300 °C, su fragilidad suele aumentar. Este fenómeno se conoce como fragilidad por revenido tipo I. Generalmente, debe evitarse el revenido en este rango de temperatura. Algunos aceros estructurales de aleación de carbono medio también son propensos a volverse frágiles si se enfrían lentamente a temperatura ambiente después de un revenido a alta temperatura. Esto se denomina fragilidad por revenido tipo I.

La adición de molibdeno al acero, o el enfriamiento rápido en aceite o agua durante el revenido, puede prevenir la fragilidad por revenido tipo II. El recalentamiento del acero susceptible a la fragilidad por revenido tipo II a la temperatura original de revenido puede eliminar esta fragilidad.

En la fabricación, el templado se suele clasificar en función de la temperatura de calentamiento, de acuerdo con las propiedades requeridas:

• Revenido a baja temperatura (150-250 °C): La microestructura es de martensita revenida. Reduce la tensión interna y la fragilidad, mejora la ductilidad y la tenacidad, y conserva una alta dureza y resistencia al desgaste. Se utiliza para calibres, herramientas de corte y rodamientos.
• Revenido a temperatura media (350-500 °C): Su microestructura es de troostita. Logra una alta elasticidad con cierta ductilidad y dureza. Se utiliza para muelles y matrices de forja.
• Revenido a alta temperatura (500-650 °C): Microestructura de sorbita. Logra excelentes propiedades mecánicas generales. Se utiliza para engranajes y cigüeñales.

La combinación de temple seguido de revenido a alta temperatura se denomina temple y revenido, proceso que produce una alta resistencia combinada con buena ductilidad y tenacidad.

III. Normalización

La normalización es un tratamiento térmico diseñado para mejorar la tenacidad del acero. Consiste en calentar una pieza de acero a una temperatura de 30 a 50 °C por encima de la temperatura Ac3, mantenerla a esa temperatura durante un tiempo determinado y, a continuación, enfriarla al aire libre, fuera del horno. Su principal característica es que la velocidad de enfriamiento es mayor que la del recocido, pero menor que la del temple. La normalización aprovecha este enfriamiento ligeramente más rápido para refinar la estructura del grano del acero. Esto no solo permite obtener una resistencia satisfactoria, sino que también mejora significativamente la tenacidad (medida mediante el valor AKV) y reduce la susceptibilidad de la pieza a la fisuración. Las propiedades mecánicas generales de algunas placas de acero de baja aleación laminadas en caliente, forjados de acero de baja aleación y piezas fundidas pueden mejorar notablemente tras la normalización, lo que también facilita su maquinabilidad.

Aplicaciones de la normalización

Acero hipoeutectoide: El normalizado se utiliza para eliminar estructuras de grano grueso y sobrecalentado, así como estructuras de Widmanstätten, en fundiciones, forjas y soldaduras, y para eliminar la formación de bandas en productos laminados. Refina el grano y puede servir como tratamiento térmico preliminar antes del temple.

Acero hipereutectoide: La normalización puede eliminar la red o película de límite de grano de la cementita secundaria y refinar la perlita, lo que no solo mejora las propiedades mecánicas sino que también facilita el recocido de esferoidización posterior.

Acero de bajo carbono: El normalizado produce una mayor cantidad de perlita lamelar fina, lo que aumenta la dureza a HB 140-190. Esto evita la adherencia durante el mecanizado y mejora la maquinabilidad. Para el acero de medio carbono, el normalizado suele ser más económico y conveniente cuando tanto el normalizado como el recocido son opciones viables.

Acero estructural de carbono medio: Cuando no se requieren propiedades mecánicas exigentes, la normalización puede sustituir al temple y al revenido a alta temperatura. Esto simplifica el proceso y estabiliza la microestructura y las dimensiones del acero.

Normalización a alta temperatura (150 a 200 °C por encima de Ac3): Debido a la alta velocidad de difusión a temperaturas elevadas, este proceso puede reducir la segregación de componentes en fundiciones y forjas. Los granos gruesos resultantes de la normalización a alta temperatura pueden refinarse mediante una segunda etapa de normalización a una temperatura inferior.

En ciertos aceros de aleación de bajo y medio carbono utilizados en turbinas de vapor y calderas, a menudo se utiliza la normalización para obtener una estructura bainítica, seguida de un revenido a alta temperatura, que proporciona una buena resistencia a la fluencia a 400 a 550 °C.

Además de en componentes y materiales de acero, la normalización se utiliza ampliamente en el tratamiento térmico del hierro fundido dúctil (nodular) para obtener una matriz perlítica, aumentando así su resistencia.

Dado que el enfriamiento al aire es característico de la normalización, la temperatura ambiente, el método de apilamiento, el flujo de aire y el tamaño de la pieza influyen en la microestructura y las propiedades resultantes. La microestructura obtenida tras la normalización también puede utilizarse como método de clasificación para aceros aleados. Estos se clasifican generalmente en perlíticos, bainíticos, martensíticos y austeníticos según la microestructura obtenida al calentar una muestra de 25 milímetros de diámetro a 900 °C y enfriarla al aire.

IV. Recocido

Recocido Es un proceso de tratamiento térmico de metales que consiste en calentar lentamente el metal a una temperatura específica, mantenerla durante un tiempo suficiente y luego enfriarlo a una velocidad adecuada. Los tratamientos térmicos de recocido se clasifican en recocido completo, recocido incompleto y recocido de alivio de tensiones. Las propiedades mecánicas de los materiales recocidos pueden comprobarse mediante ensayos de tracción o de dureza. Muchos aceros se suministran en estado recocido. Para las pruebas de dureza del acero se puede utilizar el durómetro Rockwell, y para láminas, flejes y tubos de paredes delgadas, se puede utilizar el durómetro Rockwell superficial.

Objetivos del recocido

• Mejora o elimina diversos defectos microestructurales y tensiones residuales causadas por la fundición, la forja, el laminado y la soldadura, evitando así la deformación y el agrietamiento de la pieza de trabajo.
• Ablanda la pieza de trabajo para facilitar el trabajo. maquinado.
• Refinar la estructura del grano y mejorar la microestructura para potenciar las propiedades mecánicas de la pieza de trabajo.
• Prepare la microestructura para el tratamiento térmico final.

Procesos comunes de recocido

Recocido completo o recocido homogeneizador: Se utiliza para refinar la microestructura gruesa y sobrecalentada, con propiedades mecánicas deficientes, que resulta de la fundición, forja y soldadura de aceros de medio y bajo carbono. La pieza se calienta entre 30 y 50 °C por encima de la temperatura a la que toda la ferrita se transforma en austenita, se mantiene a esa temperatura durante un tiempo y luego se enfría lentamente en el horno. Durante el enfriamiento, la austenita se vuelve a transformar, lo que da como resultado una microestructura de acero refinada.

Recocido esferoidizante: Se utiliza para reducir la elevada dureza del acero para herramientas y del acero para rodamientos tras el forjado. La pieza se calienta entre 20 y 40 °C por encima de la temperatura a la que el acero comienza a formar austenita, se mantiene a esa temperatura y, a continuación, se enfría lentamente. Durante el enfriamiento, la cementita laminar de la perlita se transforma en partículas globulares o esféricas, lo que reduce la dureza.

Recocido isotérmico: Se utiliza para reducir la elevada dureza de ciertos aceros estructurales de aleación con alto contenido de níquel y cromo para facilitar su mecanizado. Las piezas se enfrían con relativa rapidez hasta la temperatura a la que la austenita es más inestable, se mantienen a esa temperatura durante un tiempo adecuado y, posteriormente, la austenita se transforma en troostita o sorbita, lo que reduce la dureza.

Recocido de recristalización: Se utiliza para eliminar el endurecimiento por deformación (aumento de la dureza, disminución de la ductilidad) en alambres y láminas metálicas causado por el estirado y laminado en frío. La temperatura de calentamiento suele ser de 50 a 150 °C inferior a la temperatura a la que el acero comienza a formar austenita. Este rango es necesario para eliminar el endurecimiento por deformación y ablandar el metal.

Recocido grafitizante: Se utiliza para transformar la fundición con alto contenido de cementita en fundición dúctil o maleable con buena plasticidad. El proceso consiste en calentar la pieza fundida a unos 950 °C, mantenerla a esa temperatura durante un tiempo determinado y, a continuación, enfriarla adecuadamente, lo que provoca la descomposición de la cementita y la formación de grafito floculento.

Recocido por difusión u homogeneización: Se utiliza para homogeneizar la composición química de las piezas fundidas de aleación y mejorar su rendimiento en servicio. El método consiste en calentar la pieza fundida a la temperatura más alta posible sin que se funda y mantenerla a esa temperatura durante un tiempo prolongado. Esto permite que los distintos elementos de la aleación se difundan hasta alcanzar una distribución uniforme antes de que la pieza se enfríe lentamente.

Recocido de alivio de tensiones: Se utiliza para eliminar las tensiones internas en piezas fundidas de acero y componentes soldados. En el caso de los productos de acero, el calentamiento a una temperatura de entre 100 y 200 °C por debajo de la temperatura a la que comienza a formarse la austenita, el mantenimiento de dicha temperatura y, posteriormente, el enfriamiento al aire, eliminan las tensiones internas.