TRATAMIENTOS TERMICOS DE LOS ACEROS

Los tratamientos térmicos son procedimientos que tienen por finalidad mejorar o alcanzar propiedades y características en los materiales a partir de la consecución de la microestructura deseada. Cada procedimiento consiste en calentar y mantener la pieza o herramientas a temperaturas adecuadas, durante un cierto tiempo y enfriarlas luego en condiciones convenientes, por tanto, en un tratamiento térmico es importante la relación entre la temperatura, el tiempo y la velocidad de enfriamiento.

De esta forma se modifica la microestructura de los aceros por medio de transformaciones de fase de estado sólido. Dependiendo del tipo de tratamiento, las piezas pueden o no variar su composición química. El tiempo y la temperatura son los factores más importantes y que hay que fijarlos siempre de antemano, de acuerdo con la composición del acero, la forma, el tamaño de las piezas y las propiedades que se desean obtener

El calentamiento hasta la temperatura de austenización y el tiempo de sostenimiento a esa temperatura son dos variables bastante importantes a tener en cuenta en algunos tratamientos térmicos. A continuaciones hace una breve descripción de estas variables.

Temperatura de austenización

Para cada tipo de acero hay una temperatura de austenización, determinada fundamentalmente por la composición. Sin embargo, ha sido la experimentación la que ha señalado el intervalo de temperatura hasta la cual se debe calentar el acero, la cual se escoge para que de la máxima dureza y al mismo tiempo mantenga también una estructura de grano fino; ello porque el valor de la temperatura depende, entre otras variables, de la forma de la pieza y del medio templante.

El tamaño de la pieza a tratar puede variar el tiempo de sostenimiento, pero no la temperatura.

Algunos manuales traen la temperatura de austenización, pero Esta también se puede determinar templando varias probetas desde distintas temperaturas. Se mide la dureza superficial, se fractura y se obtiene el intervalo de temperatura de austenización.

la temperatura de austenización para los aceros hipoeutectoides es A3 + 50°C; en estos aceros hay que austenizar completamente porque si no se hace, al enfriar, quedaría ferrita en la estructura, este es el principio de los aceros bifásicos, o sea mal templados.

Los aceros hipoeutectoides se templan todos desde la misma temperatura: A3 + 50°C. Por encima de A1, estos aceros están constituidos por austenita y cementita; dado que la última microestructura es más dura que la martensita misma, el acero queda suficientemente duro. Con respecto a los aceros hipereutectoides, si se calienta por encima de Acm, al templar quedara totalmente martensÌtico, pero sus propiedades respecto a la estructura cementita-martensita no serán mucho menores, por el contrario, se pierde tiempo y energía y se aumenta el peligro de grietas en estos aceros hipertemplados

Tiempo de sostenimiento

Si la temperatura de austenización se ha escogido correctamente, el acero estará en estado austenitico una vez la alcance, pues se supone que toda la pieza esta a la temperatura del horno. En ese momento se empieza a contar el verdadero tiempo de sostenimiento, necesario para preparar la estructura adecuadamente. Este tiempo depende del grado de disolución de los carburos que se desee. Como la cantidad de carburos es diferente para los distintos tipos de acero, el tiempo de permanencia también depende del acero. Los aceros ordinarios al carbono y los estructurales de baja aleación que contienen carburos fácilmente solubles, solo requieren unos minutos de sostenimiento. Para asegurarse que ha habido suficiente disolución de los carburos, un sostenimiento de 20 min es suficiente para secciones pequeñas; sobre Este se aumenta el tiempo según el diámetro D de la barra.

t(min) = 20 +D/2 (mm)

De otro lado, los aceros de herramientas de baja aleación requieren un tiempo definido de permanencia con el fin de asegurar la dureza necesaria. Se sugiere un tiempo de 0,5 min por cada mm de espesor; sin embargo, el máximo debe ser 1h y el mínimo 5 min.

Los aceros de alto cromo requieren un tiempo de permanencia más largo que todos los aceros de herramientas. Sin embargo, esto depende de la temperatura de austenización, por ejemplo, si esta en la parte superior del intervalo se recomienda 0,5 min por milímetro de espesor; si esta en la parte inferior se usa 0,8 min por milímetro de sección. El máximo debe ser 1h y el mínimo 10 min.

Los aceros para trabajo en caliente contienen carburos que no se disuelven hasta 1000°C; a esta temperatura el grano crece muy rápidamente, por lo que debe limitarse el tiempo de permanencia. Si el calentamiento se hace en un baño de sales, donde es fácil ver cuando el acero ha alcanzado la temperatura adecuada, el tiempo es de unos 30 min, independientemente de las dimensiones.

Si la herramienta esta empacada en una caja para ser tratada en un horno de mufla, se debe usar una temperatura en la parte inferior del intervalo y así se puede dejar más tiempo, que no debe exceder de 1h.

Los aceros rápidos son los aceros de herramientas de más alta aleación. Sus temperaturas de austenización están entre 1200 y 1300°C. Para evitar el excesivo crecimiento del grano, lo común es usar sostenimiento de unos pocos minutos.

TIPOS DE TRATAMIENTOS TERMICOS

Como fue mencionado antes, una de las formas de clasificación de los tratamientos es de acuerdo a la forma como es enfriada la pieza, así, los tratamientos pueden ser divididos en continuos e isotérmicos.

Tratamientos continuos: De estos tratamientos se distinguen básicamente cuatro tipos: recocido, normalizado, temple y revenido. Estos tratamientos se inician con la etapa de calentamiento hasta que la pieza a tratar alcance la temperatura a partir de la cual se hará el enfriamiento, seguido por un tiempo de sostenimiento a esa temperatura y finalmente

se le hace un enfriamiento adecuado. Cada uno de estos tratamientos se resume a continuación.

Recocido

Con este nombre se conocen varios tratamientos cuyo objetivo principal es ablandar el acero, eliminar tensiones o recristalizar el material. El recocido consiste en calentar adecuadamente la pieza y luego enfriarla de una forma tan lenta que semeje enfriamientos en condiciones de equilibrio, esto se logra si el enfriamiento se hace dentro del horno. Los tipos de recocido son:

Recocido de ablandamiento:

Es un tratamiento térmico utilizado para reducir los niveles de dureza de un acero a un valor específico. Este tratamiento requiere que el material se caliente a una temperatura un poco inferior a A1 y se mantenga por un tiempo prolongado.

En los aceros de alto contenido de carbono las temperaturas del recocido se aumentan un poco mas de A1, siendo que para los aceros que se muestran a continuación, la temperatura de recocido recomendada es:

0,9 % de C 730 º C

1,1 % de C 740 º C

1,2 % de C 750 º C

En este estado blando es más apropiado para operaciones de mecanizado y procesos de conformación en frío así como para temple.

Recocido de alivio de tensiones – estabilizado:

Para este tipo de recocido, el calentamiento se hace por debajo de la temperatura crítica inferior. A1 Después de ser fabricada la herramienta, esta debe calentarse en toda su masa a 650ºC - 700°C por dos horas y sostener, el enfriamiento se hace lentamente hasta 500ºC y después al aire libre. Este enfriamiento es lento con el fin de aliviar tensiones internas sin producir variaciones esenciales en las propiedades mecánicas existentes. También sirve para eliminar tensiones producidas por el mecanizado severo en piezas sensibles a la distorsión, aumentando la ductilidad del material. La velocidad de enfriamiento no tiene tanta importancia, pudiendo utilizarse aire sin que por ello se endurezca el material. Para aceros al carbono se recomienda usar entre 550 y 650°C. Aceros rápidos entre 600 y 700°C y cuando factores externos impiden el uso de estas altas temperaturas, se recomienda usar temperaturas tan bajas como 480°C

Recocido de recristalización:

Este tratamiento, también conocido como recocido contra acritud, tiene por finalidad recuperar los granos deformados que se obtienen después de someter una pieza a deformaciones que pueden ser en frío o caliente. La temperatura a la cual se realiza este tratamiento es por arriba de 550°C y específicamente entre 550 y 650°C, donde ocurre la recristalización de la ferrita, es decir se forman nuevos granos libres de deformación.

El tiempo de permanencia a la temperatura de recocido es normalmente media hora.

Normalizado

Este tratamiento consiste en calentar las piezas a temperaturas ligeramente más elevadas que la crítica superior A3, para que pase al estado austenitico y luego después de un determinado tiempo de permanencia a esa temperatura, hacerle un enfriamiento en aire tranquilo. Es un tratamiento típico de los aceros al carbono de construcción de 0,15 %C a 0,40 % de C y rara vez se emplea en los aceros de herramientas, ni en los aceros aleados de construcción. De esta forma se deja el acero con una estructura y propiedades que arbitrariamente se consideran como normales y características de su composición. Se suele utilizar para piezas que han sufrido trabajos en caliente, trabajos en frío, enfriamientos irregulares o sobrecalentamientos y también sirve para destruir los efectos de un tratamiento anterior. La temperatura de normalización depende esencialmente del contenido de carbono del acero. La velocidad de enfriamiento importante en la normalización corresponde al punto en el que la austenita se esta transformando en perlita. Por tanto, casi siempre se sitúan las velocidades de enfriamiento en 700°C o entre el intervalo de 700 a 500°C. Una vez que se ha completado la transformación, las piezas se templan en agua o en aceite. Por lo regular, esto se hace cuando todas las secciones del componente se ponen al "rojo oscuro". Si el tamaño de las secciones es grande, es necesario que el material en el centro se ponga de color negro para que se pueda aplicar un enfriamiento drástico.

La velocidad de enfriamiento influye en forma importante, tanto en la cantidad de perlita, como en su tamaño y su espaciamiento. Las velocidades de enfriamiento mayores producen más perlita, así como láminas menos espaciadas y más finas. Tanto el aumento en la cantidad de laminas de perlita, su proximidad, así como su finura, dan por resultado mayor resistencia, tenacidad y dureza.

Por lo regular, los aceros al carbono con 0.20% C o menos no reciben más tratamientos después del normalizado. Sin embargo, los aceros de medio o alto carbono suelen templarse después de la normalización a fin de obtener propiedades específicas, por ejemplo, menor dureza para el enderezado, trabajado en frío o maquinado.

Revenido

Es simplemente otro proceso de calentamiento en el intervalo subcritico que se aplica para reblandecer la estructura de los aceros que se han endurecido durante el calentamiento y el enfriamiento en especial a los aceros endurecidos con estructura martensitica.

Temple

Temple es el enfriamiento rápido del acero desde una temperatura elevada.

El Temple es un tratamiento térmico que tiene por objetivo aumentar la dureza y resistencia mecánica del material, transformando toda la masa en Austenita con el calentamiento y después, por medio de un enfriamiento brusco (con aceites, agua o salmuera), se convierte en Martensita, que es el constituyente duro típico de los aceros templados.

Los factores que se consideran en el temple son: 1. Calentamiento 2. Temperatura de austenización 3. Tiempo de sostenimiento a la temperatura de austenización 4. Medios de

enfriamiento.

En el temple, es muy importante la fase de enfriamiento y la velocidad alta del mismo, además, la temperatura para el calentamiento óptimo debe ser siempre superior a la crítica para poder obtener de esta forma la Martensita. Existen varios tipos de Temple, clasificados en función del resultado que se quiera obtener:

Tipos de temple

Temple ordinario o directo

Es el método más ampliamente usado para tratar el acero. Se realiza calentando el acero hasta una temperatura por encima de A3 y enfriando con una velocidad mayor que la crítica de temple, de modo que se produzca un endurecimiento notable, el cual se debe a la formación de martensita y sucede en la superficie solamente o en toda la pieza, dependiendo de la capacidad de temple del acero y de su espesor. El enfriamiento se hace hasta temperaturas menores a A1.

Temple escalonado

Esta forma de temple se usa cuando la velocidad de enfriamiento de la pieza que se templa debe cambiarse abruptamente en un momento dado durante el enfriamiento. Este cambio puede ser un aumento o una disminución de la velocidad de enfriamiento, dependiendo de los resultados deseados. Lo más común es disminuir la velocidad de enfriamiento, esto se hace primero en un medio, por ejemplo agua, por corto tiempo hasta unos 400°C, de modo que la pieza esté a una temperatura por debajo de la nariz perlitica de la curva TTT, entonces se retira la pieza y se enfría en un segundo medio, por ejemplo aceite, de modo que se enfríe más lentamente en el intervalo de transformación martensitica hasta la temperatura ambiente. El segundo medio puede ser aire tranquilo en muchos casos.

Tratamientos térmicos isotérmicos: Este tipo de tratamientos se realizan a temperatura constante de forma tal a obtener la microestructura deseada. Los principales tratamientos isotérmicos son:

Austempering o austemperado

Es un tratamiento isotérmico que consiste en calentar el acero a la temperatura de austenización y después de sostenerlo un determinado tiempo, enfriarlo rápidamente hasta una temperatura levemente superior a Ms en un baño de sal, este baño mantiene la temperatura de la pieza constante. La reacción a esta temperatura produce una estructura completamente bainitica, (vainita superior o inferior), luego el acero es enfriado al aire, hasta la temperatura ambiente. De este modo se logra una estructura dura pero no excesivamente frágil.

Martempering o martemperado.

Este término describe un procedimiento de temple a alta temperatura cuyo objetivo es disminuir las grietas, distorsión o los esfuerzos residuales.

TRATAMIENTO TERMICO DE LAS FUNDICIONES

Generalidades

Los tratamientos térmicos en las fundiciones tienen la misma finalidad que en los aceros, es decir, cambiar las propiedades y microestructura iniciales y de este modo obtener los valores deseados que garanticen las condiciones de trabajo. Los tratamientos más usados en fundiciones son el temple, revenido, recocido y austemperado.

Recocido

El recocido suele hacerse de varias formas dependiendo de la necesidad, así:

Recocido para eliminación de tensiones

Se realiza a relativas bajas temperaturas (550°C) y tiempos que van desde media hora hasta varias horas según el espesor de las piezas. Con estas condiciones se logran aliviar tensiones internas que aparecen en enfriamientos rápidos desde colada hasta temperatura ambiente. Se recomienda hacer siempre este Tratamiento a piezas de grandes espesores como bloques de motor y bancadas de máquinas herramientas fabricadas de fundición gris. En caso de no realizar este tratamiento, pueden aparecer defectos y deformaciones en las piezas durante el maquinado con su posterior falla durante el trabajo. Las condiciones de calentamiento de este tratamiento deben ser lentas para calentar y más lentas para enfriar, de esta forma se evita la aparición de nuevas tensiones.

Recocido de ablandamiento de fundiciones grises

Dependiendo de la temperatura de tratamiento, existen dos tipos.

- Recocido a 740°C

Se les suele realizar a fundiciones grises que después de coladas quedan con durezas difíciles de mecanizar por la presencia de alguna cantidad de perlita en la microestructura final. Después de sostener la pieza a esta relativa alta temperaturas de tratamiento, el enfriamiento debe realizarse al aire y de esta manera conseguir microestructuras de ferrita y grafito, las cuales son microestructuras fáciles de mecanizar. El sostenimiento a 740°C permite que la perlita presente transforme a ferrita y que buena parte del carbono por difusión, haga parte del grafito. El emplearse temperaturas más altas (así se realice enfriamiento al aire), el carbono depositado en el grafito es tan poco, que no se consigue la dureza deseada. El recocido a 740°C permite obtener durezas entre 120 y 130 HB.

- Recocido entre 800 y 900°C

El enfriamiento desde estas temperaturas debe hacerse lo más lentamente posible, aunque de todas maneras hay formación de perlita. Este tratamiento se recomienda hacerse a fundiciones que presenten gran dureza (250 - 300 HB), y después realizar un enfriamiento tan lento que se logre depositar algo del carbono presente de la perlita en el grafito. Durante el enfriamiento se recomienda sostener la pieza entre 740 - 720°C, ya que este intervalo de temperatura propicia que mayor cantidad de grafito y de ferrita sean formados.

Temple y revenido

Cuando se necesita adquirir altas durezas combinadas con altas resistencias a la tracción y resistencia al desgaste de las fundiciones grises, se puede realizar un tratamiento térmico de temple y luego un revenido para aliviar tensiones de las piezas tratadas. El efecto del tratamiento depende en gran medida de la composición química y de la microestructura presente, pues no se recomienda realizar este tratamiento a piezas con matrices ferriticas y grafito, a diferencia de matrices perliticas, donde se consiguen importantes valores de dureza y resistencia por temple más revenido.

El tratamiento térmico de temple en general, es similar al practicado a los aceros. Los resultados obtenidos dependen en gran medida de la velocidad de enfriamiento, pues de ella depende la cantidad de martensita obtenida, y de la templabilidad de la fundición, la cual también es función de la composición química y del tamaño de la pieza. La posibilidad de grietas y rupturas en estos materiales son mayores que en los aceros, pues una fundición esta constituida por grafito el cual hace el material más sensible a las grietas que el acero. Como se sabe, las grietas aparecen por la rápida velocidad de enfriamiento y el desigual enfriamiento de las piezas a partir de la superficie hasta el centro, provocando diferencias de temperatura que ocasionan la aparición de este tipo de defectos. En ocasiones suelen enfriarse las piezas en aceite, buscando disminuir el riesgo de agrietamiento de las piezas templadas, pero la dureza adquirida no es suficiente, para contrarrestar este problema

Austemperado

Este tratamiento ha sido especialmente utilizado en fundición nodular por la excelente combinación de propiedades que se consiguen; de aquí que este tratamiento solo va a ser tratado para este tipo de fundición.

Los últimos estudios sobre la fundición nodular austemperada han demostrado que pueden lograrse una amplia gama de propiedades únicas y deseables para un número determinado de aplicaciones. Dependiendo de los parámetros del tratamiento térmico y de la composición química.

Las fundiciones nodulares austemperadas presentan mayor tenacidad y resistencia al desgaste que aceros de media aleación y otras fundiciones. Estas propiedades deseables, están asociadas con la microestructura austemperada específica, constituida por ferrita bainitica (acicular), libre de carburos, con grandes cantidades de austenita retenida. La precipitación de carburos en las últimas etapas del austemperado, reduce considerablemente la tenacidad a temperatura ambiente. La formación del carburo de hierro (Fe3C o cementita), asociada normalmente con las transformaciones bainiticas características, se suprime debido al alto contenido de silicio del hierro nodular, produciendo estructuras bainiticas con cantidades significativas de austenita retenida enriquecida en carbono (la cual puede contener hasta 2% de carbono), que es estable a muy bajas temperaturas (-120ºC). La real ventaja del austemperado de la fundición nodular, es que se obtiene una amplia gama de resistencias a la tracción para la misma cantidad de alargamiento, dependiendo de la temperatura de tratamiento, la cual oscila entre 280 y 420°C.

TRATAMIENTOS TERMICOS DE MATERIALES NO-FERROSOS.

Los materiales no ferrosos son los materiales metálicos diferentes de los aceros y de las fundiciones. De modo general, los materiales no-ferrosos están bien descritos en términos de microestructura por los diagramas de fase, y por tanto, también en términos de propiedades. No son necesarios diagramas de enfriamiento continuo como en el caso de los aceros. Los materiales no-ferrosos se pueden dividir de varias formas, dos de ellas son:

1. Composición química: Los materiales no-ferrosos son muy utilizados en la forma de metales puros, como en la forma de aleaciones. Por ejemplo, el aluminio.

2. Procesos de fabricación: Aleaciones eutécticas son muy utilizadas en fundición. Esas aleaciones no presentan buena conformabilidad, pero presentan bajo punto de fusión, lo que facilita su procesamiento. Piezas de formas complejas son usualmente fabricadas por fundición. Sin embargo, las aleaciones endurecibles por precipitación, son bastante utilizadas en procesos donde existe necesidad de conformación mecánica y/o tratamientos térmicos. Los tratamientos térmicos realizados en materiales no-ferrosos son un poco diferentes de los que se realizan en los aceros. A excepción de los aceros inoxidables ferriticos y austeniticos, en los cuales son hechos tratamientos térmicos semejantes a los de los materiales no-ferrosos.

Los tratamientos térmicos realizados en los materiales no-ferrosos y en los aceros inoxidables son:

Recocido. Este tratamiento puede tener como objetivo disminuir el endurecimiento por deformación y causar una disminución de dureza del material metálico.

Homogenización. Ese tratamiento térmico busca homogenizar la composición química del material. Ese tratamiento es comúnmente realizado en piezas fundidas y su tiempo de duración es bastante largo, pudiendo llegar a días.

Solubilización. Tratamiento térmico que busca la eliminación de precipitados en el material, frecuentemente es realizado en aceros inoxidables, así sea una aleación ferrosa.

Envejecimiento. Este tratamiento busca lo opuesto de la Solubilización. El tratamiento térmico de envejecimiento (o recocido isotérmico) busca la formación de precipitados que mejoran las propiedades mecánicas del material.

Existe un tipo de tratamiento térmico que es común a los materiales ferrosos y no ferrosos. Ese tratamiento es conocido como alivio de tensiones y busca eliminar tensiones residuales, causadas por diferentes motivos (soldadura, conformación mecánica, etc.).

Empresas que realizan TT

ABAREPHOR Ltda (bogota)

TRATAR SA (medellin)

TRATERCOL (bogota)

FERROTERMICOS SAS (bogota)

TEMPLAMOS SA (envigado ant)

Austenita retenida: Es la austenita que queda atrapada en la estructura, no logra transformarse en martensita durante el tratamiento de templado en razón de la expansión volumétrica asociada con la reacción.

Austenita: única fase que se transforma