Ciencias de los materiales

8 Tratamientos térmicos y termoquímicos de los aceros El objeto de los tratamientos térmicos no es otro que el obtener una determinada estructura interna cuyas propiedades permitan alcanzar alguno de los siguientes objetivos: - Lograr una estructura de menor dureza y mayor maquinabilidad. - Eliminar tensiones internas para evitar deformaciones después de mecanizado. - Eliminar la acritud ocasionada por el trabajo en frío. - Conseguir una estructura más homogénea. - Obtener máxima dureza y resistencia. - Variar alguna de las propiedades físicas. Estos objetivos propuestos se pueden lograr con alguno de los tratamientos térmicos siguientes: recocido, normalizado, temple y revenido. La primera operación de todo tratamiento térmico es el calentamiento adecuado. En la mayoría de los tratamientos térmicos la temperatura de calentamiento es ligeramente superior a la de transformación Ac1 Ac3 o Acm. El calentamiento debe ser de tal forma que la diferencia de temperatura, entre el exterior y el interior, sea mínima; la duración del calentamiento depende del diámetro de la pieza. Al calentar, desde la temperatura de ambiente hasta los puntos de transformación, el grano disminuye de tamaño; y, aunque esté largo tiempo a esa temperatura, el tamaño no aumenta. El tamaño del grano aumenta considerablemente al aumentar la temperatura por encima del punto de transformación y con el tiempo; cuando el tamaño del grano es muy grande puede llegar a quemarse y se hace inservible.

8.1 Tratamientos térmicos

8.1.1 Recocido La finalidad del recocido es ablandar, afinar el grano, eliminar tensiones, eliminar la acritud (aumento de la dureza, fragilidad y resistencia producida por la conformación del material en frío). Se obtiene el recocido calentando la pieza hasta la temperatura adecuada y enfriando lentamente; la austenita se transforma en otros constituyentes más estables. Con el recocido aumentan las propiedades de alargamiento, el ablandamiento y la plasticidad son máximas y disminuyen la carga de rotura, el límite de elasticidad y también la dureza. Tiene que hacerse con la suficiente lentitud, para que la austenita se transforme. El enfriamiento lento se consigue dejando enfriar las piezas en el horno recubriéndolas de arena o ceniza caliente.

8.1.1.1 Tipos de recocido Los principales tipos de recocido son los siguientes: de regeneración, globular, contra acritud, de ablandamiento, de estabilización, isotérmico y doble recocido. Recocido de regeneración. Tiene por objeto afinar el grano de los aceros sobrecalentados. La temperatura de calentamiento es de 50 ºC, por encima de Ac3. Recocido globular. Se efectúa en los aceros hipereutectoides para lograr una fácil mecanización. Recocido contra acritud. En la deformación en frío de los aceros es inevitable la aparición de acritud o pérdida de las propiedades de plasticidad originales. Para recuperarlas y proseguir la deformación, si interesa, se Tema 8 - 2 efectúa un recocido entre 500 y 650ºC. Recocido de ablandamiento. Se emplea cuando hay que mecanizar piezas templadas porque elimina los constituyentes del temple. La temperatura de calentamiento es siempre inferior a Ac3, y el enfriamiento debe ser muy lento, especialmente para los aceros aleados. Recocido de estabilización. Tiene por objeto eliminar las tensiones internas de las piezas forjadas o trabajadas en frío. Recocido isotérmico. El recocido isotérmico consiste en enfriar las piezas, desde el estado austenítico hasta una temperatura de 700-750 ºC y dejarlas a esta temperatura hasta que la austenita se transforme totalmente. A continuación, se enfrían al aire. Tiene la particularidad de que es mucho más rápido que los anteriores. Es muy empleado en piezas que han sido estampadas en caliente. Doble recocido. En los aceros de alta aleación es necesario, la mayoría de las veces, hacer un doble recocido para lograr una estructura mecanizable. Esencialmente es como sigue: se calienta lentamente el acero a Ac3 + 25, dejándolo bastante tiempo a esta temperatura; después se enfría al aire por debajo de Ac1 para regenerar el grano y anular tensiones; finalmente, se vuelve a calentar hasta cerca de Ac1, dejándolo unas cuatro horas en estas condiciones, para terminar con un enfriamiento lento.

8.1.2 Normalizado El normalizado se diferencia del recocido en que la velocidad de enfriamiento es más elevada. Las piezas se sacan del horno y se dejan enfriar al aire. La estructura del normalizado es de grado fino; es rápido de realizar, pero no se consigue la mínima dureza; la austenita no se ha transformado completamente. Sólo se utiliza en los aceros no aleados.

 8.1.3 Temple El temple tiene por objeto endurecer y aumentar la resistencia del acero. Es el más importante de los tratamientos térmicos. Después del temple es necesario el tratamiento de revenido para eliminar un exceso de dureza y fragilidad y suavizar las tensiones internas. El temple consiste en calentar el acero, a una temperatura suficientemente elevada, para transformarlo en austenita, seguido de un enfriamiento rápido para transformar la austenita en martensita. Factores que Influyen en el temple Al realizar el temple de un acero, hay que tener en cuenta los siguientes factores: - Composición del acero. - Temperatura a la que hay que calentar. - Tiempo de calentamiento. - Velocidad de enfriamiento. - Medios de enfriamiento en el temple. Temperatura de temple Depende fundamentalmente del tanto por ciento de carbono; los aceros hipoeutectoides deben calentarse a la temperatura de Ac3 + 50 ºC, y los hipereutectoides a Ac1 + 50 ºC. Tema 8 - 3 En los aceros hipoeutectoides, a temperaturas inferiores a Ac3, aparece la ferrita. Para hacerla desaparecer, es necesario calentarla a 50 ºC del punto de transformación, Ac3. En los aceros hipereutectoides la temperatura de calentamiento es menor, porque no existe la ferrita; se puede templar, aunque la transformación en austenita no sea total, porque la cementita no transformada es muy dura. Tiempo de calentamiento Depende del diámetro o espesor de la pieza; la permanencia en el horno debe ser la estrictamente necesaria para que la austenización sea total para los aceros hipoeutectoides y parcial, para los aceros hipereutectoides. Medios de enfriamiento en el temple Los medios que se emplean para enfriar la pieza y producir el temple son los siguientes: Agua. Es un medio de enfriamiento rápido, ideal para conseguir un temple muy fuerte. Se emplea para templar aceros al carbono. La cantidad de agua a emplear debe ser la suficiente para que la temperatura no suba de los 30 ºC. Las piezas dentro del agua se deben agitar para impedir que el vapor producido haga de aislante térmico y retarde el enfriamiento. Si al agua se le adicionan sales, por ejemplo Cl Na, la velocidad de enfriamiento es mayor. Aceite mineral. La velocidad de enfriamiento con aceite mineral, cuyo calor especifico es notablemente menor, es más lenta que con el agua y depende de la viscosidad. No obstante, se consigue un temple más suave y uniforme. Se emplea para aceros aleados. Lo mismo que en la refrigeración con agua, las piezas deben agitarse, para eliminar la capa de vapor. Metales y sales fundidas. Se emplean para los tratamientos isotérmicos; los metales fundidos pueden ser: mercurio, plomo y plomo-estaño. Aire en calma o a presión. Solamente se emplea para templar algunos aceros especiales, de velocidad crítica de enfriamiento muy pequeña (aceros autotemplables). Tipos de temple Se clasifican según los resultados obtenidos y el proceso de ejecución; básicamente son: - Temple continuo: - completo - incompleto - Temple escalonado (isotérmico): - Austempering - Martempering - Temple superficial. Temple continuo de austenizacíón completa. Se aplica a los aceros hipoeutectoides. Se calienta el material hasta AC3 + 50. A continuación se enfría en el medio adecuado. El constituyente obtenido es la martensita. Temple continuo de austenización incompleta. Se emplea en los aceros hipereutectoides. La temperatura previa alcanzada es Ac1 + 50; entonces la perlita se transforma en austenita quedando intacta la cementita. Después se enfría a velocidad superior a la critica, con lo que la estructura resultante será mixta, a base de martensita y cementita. Temple martensítico o martempering. Consiste en calentar el acero a la temperatura de austenización, mantenerlo el tiempo necesario para que se transforme completamente en austenita y, seguidamente, enfriarlo en baño de sales, manteniéndolo a esta temperatura un cierto tiempo, sin que la austenita se transforme; a continuación, se enfría rápidamente hasta la temperatura ambiente. Tema 8 - 4 Por este método se consigue reducir el número de piezas defectuosas, sobre todo cuando su forma es irregular, porque evita los cambios desiguales de volumen en la transformación de la austenita en martensita. Temple austempering. Se diferencia del martempering en que el tiempo de permanencia en las sales fundidas debe ser suficientemente largo como para que se transforme la austenita en bainita. Los resultados que se consiguen, en cuanto al número de piezas defectuosas, es muy satisfactorio. Temple superficial Este tratamiento se basa en un calentamiento superficial muy rápido, de tal forma que sólo una capa delgada alcance la temperatura de austenización, seguido de un enfriamiento también rápido. Así se consigue que el núcleo quede blando, con buena tenacidad y la superficie dura y resistente al rozamiento. El calentamiento se puede hacer con soplete oxiacetilénico y por inducción. Temple superficial con soplete oxiacetilénico. Consiste en calentar la superficie de la pieza a templar con soplete oxiacetilénico hasta la temperatura de austenización y, seguidamente, enfriar rápidamente con un chorro de agua a presión. Se puede conseguir una profundidad de temple de hasta 10 mm. Se emplea este procedimiento para endurecer superficialmente piezas grandes, como bancadas de máquinas, etc. Si el temple es muy fuerte, la capa templada puede saltar o desprenderse. El avance del soplete y del chorro de agua pueden ser automáticos. Temple superficial por inducción. Este método consiste en el calentamiento superficial de la pieza por medio de corrientes inducidas de alta frecuencia, seguido de la introducción en el medio de enfriamiento. Templabilidad Es la capacidad de penetración del temple que tiene un acero; la templabilidad depende fundamentalmente del diámetro o espesor de la pieza y de la calidad del acero. Una pieza de mucho espesor y de acero al carbono tiene poca templabilidad y, por consiguiente, su interior no quedará templado, aunque el exterior lo esté. Una pieza de acero aleado puede dejar penetrar el temple aunque tenga notable espesor. Entonces se dice que el acero es de mucha templabilidad.

8.1.4 Revenido Es un tratamiento que sigue al temple con objeto de eliminar la fragilidad y las tensiones ocasionadas. Consiste en un calentamiento de las piezas templadas a una temperatura inferior al punto Ac1 para lograr que la martensita se transforme en una estructura más estable, terminando con un enfriamiento más bien rápido. Los factores que más influyen en los resultados del revenido son la temperatura y el tiempo de calentamiento. Tema 8 - 5 2 CO + Fe . . Fe . C + CO2 BaCO CO + BaO 3 2 . CO + C 2 CO 2 . 2 NaCN + BaCl 2 NaCl + Ba(CN) 2 2 . Ba(CN)2 + Fe Fe (C) + BaCN2 . . .

8.2 Tratamientos termoquímicos Consisten en modificar la composición química superficial de los aceros, adicionando otros elementos, con el fin de mejorar algunas propiedades en la superficie, fundamentalmente la dureza o la resistencia a la corrosión. Los principales tratamientos termoquímicos son los siguientes: cementación, nitruración, cianuración y sulfinización.

8.2.1 Cementación La cementación consiste en aumentar la cantidad de carbono de la capa exterior en una pieza de acero. A la cementación sigue el tratamiento térmico del temple, el cual se realiza solamente en la capa exterior, por ser la que tiene el carbono. Así se consigue un endurecimiento superficial. La cementación se aplica a piezas que deben ser resistentes al desgaste y a los golpes, es decir, que posean dureza superficial y resiliencia. Sustancias cementantes Pueden ser sólidas, líquidas o gaseosas. Suministran carbono en estado atómico a partir de CO; a la temperatura de austenización se realiza la reacción reversible: El espesor de la capa cementada depende del tiempo de permanencia y de la temperatura a la que se efectúe. Cementantes sólidos. El más importante es el denominado mezcla de carbón, que es una mezcla de carbón de madera (60%) y de carbonato bárico (BaCO3) (40%). Las piezas a cementar y el cementante se introducen en cajas metálicas herméticamente cerradas y se calientan en el horno, de 800 a 900 ºC durante el tiempo necesario. Durante la cementación tiene lugar las reacciones siguientes: El CO es el que suministra el C naciente. Cementantes líquidos. Son muy empleados por su rapidez y practicidad. Son una mezcla de sales fundidas (900-950 ºC), de cianuro sódico (NaCN), cloruro sódico (NaCl) y carbonato sódico (Na2CO3); las dos últimas actúan como diluyentes. El horno se llama de sales fundidas y puede calentarse con gas, fuel-oil o electricidad. El NaCN es muy venenoso, por lo cual es preciso manipularlo con precaución. Las reacciones que tienen lugar durante la cementación son las siguientes: Cementantes gaseosos. Los cementantes gaseosos necesitan unas instalaciones muy costosas que sólo son rentables cuando se han de cementar grandes series de piezas. Se emplean en la industria del automóvil y en otras semejantes. Los gases a utilizar son una mezcla de metano (CH4), monóxido de carbono (CO), hidrógeno (H2) y nitrógeno (N2). Las principales reacciones que tienen lugar son las siguientes: Tema 8 - 6 2 CO + Fe . . Fe . (C) + CO2 CH + Fe Fe (C) + 2 H 4 2 . . . 2 NH 2 N + 3 H 3 2 .

8.2.2 Nitruración La nitruración es un tratamiento de endurecimiento superficial aplicado a ciertos aceros y fundiciones. Permite obtener durezas muy elevadas, del orden de 1200 unidades Brinell. El nitrógeno puede formar con el hierro los compuestos: Fe4N y Fe2N. Los aceros o fundiciones nitrurados son superficialmente muy duros y resistentes a la corrosión. Los aceros de nitruración contienen Al, Cr, Mo, y V Después de la nitruración no es necesario ningún tratamiento. La nitruración se efectúa en hornos especiales, exponiendo las piezas a una corriente de amoníaco (NH3), a la temperatura de 500 a 525 ºC, durante un tiempo que puede durar noventa horas; la penetración del nitrógeno es de 0,01 mm por hora aproximadamente. La reacción que tiene lugar es la siguiente: El N atómico es el que penetra en el acero formando nitruros. La nitruración tiene la ventaja de que se efectúa a bajas temperaturas y las piezas no se deforman; antes de nitrurar ya están con las medidas de acabado. En la práctica, las instalaciones son muy costosas y sólo se emplean para grandes series, especialmente en la industria aeronáutica y automovilística, para endurecer camisas de cilindros, árboles de levas, ejes de cardán, piñones y aparatos de medida.

 8.2.3 Cianuración Consiste en endurecer la superficie de las piezas introduciendo carbono y nitrógeno; es como una mezcla de cementación y nitruración. Después de la cianuración hay que templar las piezas tratadas. Las sales para la cianuración son una mezcla de NaCN y Na2CO3 calentadas a (800-900 ºC) en presencia del oxígeno del aire.

 8.2.4 Sulfinización Es un tratamiento termoquímico que consiste en introducir una pequeña capa superficial a base de S, N y C en aleaciones férreas y de cobre. Las piezas a tratar se introducen en baños de sales de NaCN (95% ) y Na2S03 (5%) calentadas a 560-570 ºC. En tres horas de tratamiento se puede conseguir una capa sulfinizada de 0,3 mm; las dimensiones de la pieza aumentan ligeramente. Con la sulfinización se consigue mejorar la resistencia al desgaste, favorecer la lubricación y evitar el agarrotamiento. Las herramientas de corte sulfinizadas tienen una duración de cinco a seis veces más que sin sulfinizar.