Tratamientos Térmicos de los Metales: Fundamentos y Procesos Clave

Fundamentos de los Tratamientos Térmicos

Las operaciones más importantes para mejorar las propiedades de los metales son los tratamientos térmicos. Un tratamiento térmico se puede definir como varias procesos de calentamiento y enfriamiento para efectuar cambios estructurales en un material obteniendo una mejora en alguna sus propiedades mecánicas.

Los tratamientos térmicos se pueden llevar a cabo en diferentes momentos de su proceso de fabricación: antes del proceso de formado, antes del proceso de deformación e, incluso, durante el proceso de manufactura o casi al finalizar el proceso.

Los principales tratamientos térmicos son el recocido, la formación de martensita en el acero (temple y revenido), el endurecimiento por precipitación y el endurecimiento superficial.

Diagrama Tiempo-Temperatura-Transformación

El diagrama de fases Fe-Fe3C indica las fases del hierro y de la cementita bajo condiciones de enfriamiento en equilibrio. De modo que se pueden identificar las distintas fases en función de la temperatura y la composición de la aleación. En estos diagramas en ningún caso se tiene en cuenta el efecto del tiempo, es decir, el tiempo de enfriamiento no es una variable que influya en los resultados. Esto es así porque los diagramas de fase suponen enfriamientos suficientemente lentos como para que se de la transformación de la austenita en ferrita y cementita, permitiendo la difusión del carbono. Se supone que los enfriamientos son muy lentos pasando por infinitos estados de sub-equilibrio.

Sin embargo, esos procesos tan lentos no se aplican en la industria, si no que los tiempos de enfriamiento son menores. En los enfriamientos más rápidos, se evita el equilibrio de la reacción y las transformaciones que ocurren en la microestructura del material son diferentes a las de los diagramas de fase. Por eso, no es posible utilizarlos en la mayoría de los procesos industriales.Para los casos de enfriamientos rápidos, se utiliza las curvas de Tiempo - Temperatura - Transformación (TTT), también conocidas como curvas de la S. En ellas se representa la microestructura de una aleación en concreto en función de la temperatura y del tiempo de enfriamiento. A diferencia de los diagramas de fase, las curvas TTT son específicas de una composición concreta, mientras que en los diagramas de fase teníamos todas las combinaciones posibles de una aleación binaria. De esta forma las curvas de la S dan información mucho más útil en un entorno industrial.

Utilizando la curva tiempo-temperatura-transformación (curva de la S o curva TTT) se puede entender mejor la naturaleza de la transformación de la austenita para enfriamientos rápidos. En la curva TTT se muestra las transformaciones de la austenita en diferentes fases en función de la velocidad de enfriamiento. Estas fases son: perlita, bainita y martensita. Estas fases aparecen de arriba abajo en el diagrama de la S, siendo, por lo general, más duras y frágiles las fases cuanto más abajo se produzca la transformación.

A velocidades lentas de enfriamiento podemos obtener estructura de perlita o bainita, que son mezclas de ferrita-carburo. El inicio y el fin de la transformación en estas regiones se indica con subíndices s y f de la respectiva región.

La perlita es una mezcla de fases de ferrita y cementita que se forma a velocidades lentas de enfriamiento. Dentro de la perlita se puede diferenciar entre perlita fina y gruesa. La perlita gruesa se obtiene a velocidades de enfriamiento muy bajas, de manera que la transformación se produce a temperaturas cercanas a las de austenización, y da lugar a una estructura de grano grueso (de ahí su nombre). La perlita fina se obtiene a velocidades de enfriamiento algo mayores, lo que hace que el grano sea más fino. La perlita fina es más dura que la perlita gruesa, pero también más frágil.

La bainita es una mezcla de las mismas fases, pero con un enfriamiento inicial rápido seguido de un enfriamiento lento, de manera que la trayectoria de enfriamiento pase por la zona baja de la curva S (Bs - Bf). La bainita tiene una estructura en forma de agujas que consisten en finas regiones de carburo.

Los aceros bainíticos son más duros y resistentes que los perlíticos al tratarse de una microestructura más fina. Presentan una conveniente combinación de resistencia y ductilidad.Por último, si el enfriamiento ocurre a una velocidad suficientemente rápida, la austenita se transforma en martensita, una fase única de hierro-carbono cuya composición es igual a la de austenita. La estructura FCC de la austenita se transforma casi instantáneamente en BCT. De este modo no hay tiempo suficiente para separar la ferrita y el carburo de hierro durante la transformación eutectoide y se obtiene una microestructura acicular extremadamente dura, pero a su vez muy frágil.

La microestructura de las martensitas en acero al carbono depende del contenido de carbono presente. Un acero con un contenido menos de 0,6% de C desarrolla martensita de listón, mientras un acero con un contenido más de 1% de C desarrolla martensita de placa. Las martensitas Fe-C con un contenido entre 0,6%-1% presentan microestructura mezclada, incluyendo tanto martensita de listón cómo martensita de placas. La estructura de la martensita de listón consiste en dominios de listones con diferentes orientaciones, y la de martensita de placas consiste de estructura fina de maclas paralelas.

1 μm .5 μm 1 a) Martensita de listón, b) Martensita de placa

Procesos de Temple y Revenido: Bonificado

El principal tratamiento de endurecimiento del acero es el Bonificado. El bonificado tiene tres fases: austenización, temple y revenido. Este tratamiento consigue endurecer el acero aprovechando la dureza de la martensita.

El tratamiento térmico para formar martensita consiste en austenitización y enfriamiento por inmersión (temple), seguido por un revenido para producir la martensita revenida. La austenitización es un proceso de calentamiento del acero hasta una temperatura por encima de la temperatura eutectoide para convertir las diferentes fases en austenita y mantenerlo a esta temperatura el tiempo necesario para lograr la homogeneidad de la composición.

El Temple es un enfriamiento rápido (por inmersión) de la austenita con el fin de conseguir martensita (muy dura y frágil). Este enfriamiento rápido va a impedir la difusión del carbono, generando la martensita. Para ello es necesario evitar el paso de la trayectoria de enfriamiento por la zona S de la curva TTT. La velocidad de enfriamiento depende enteramente del medio de inmersión y de la transmisión del calor dentro de la pieza. Existen cuatro métodos de inmersión: en salmuera (agua salada, agitada), en agua dulce (agua destilada, no agitada), en aceite destilado y al aire. Un enfriamiento más rápido causa más esfuerzos internos, distorsiones y grietas en la pieza, aunque también proporciona un mejor templado.

Después del proceso de templado tenemos una estructura metaestable sobresaturada en carbono, que es muy dura pero muy frágil, lo cual no es interesante.

El revenido es un tratamiento térmico que se aplica a los aceros endurecidos por temple para reducir su fragilidad, aliviar los esfuerzos en su estructura, incrementar la ductilidad y tenacidad. Todo ello se consigue a consta de reducir su dureza y resistencia.

Templabilidad

La templabilidad se define como la capacidad relativa de un acero de ser endurecido por transformación a martensita. Esta propiedad determina la profundidad de endurecimiento por debajo de la superficie o la severidad de inmersión requerida para lograr una cierta penetración. Una buena templabilidad se refiere a un endurecimiento más profundo por debajo de la superficie, no requiriendo alta velocidad de enfriamiento.

La templabilidad de los aceros se incrementa mediante la aleación con el cromo, el manganeso o el molibdeno. Estos elementos aumentan el tiempo de iniciación de transformación de austenita a perlita, moviendo la curva de la S hacia a derecha. De esta forma, la trayectoria de enfriamiento es capaz de seguir una trayectoria más lenta hacia Ms.

Revenido

El revenido es un proceso que consiste en recalentar un acero martensítico (templado) a una temperatura por debajo de la temperatura eutectoide manteniéndolo a esta temperatura durante un tiempo, seguido de un enfriamiento lento para hacerlo más dúctil. Después de este tratamiento se obtiene una estructura llamada martensita revenida, que es más dúctil que la martensita original aunque menos dura. Es decir, durante la fase de revenido se disminuye la dureza, y por tanto la resistencia, a expensas de ganar ductilidad y tenacidad.

El revenido de la martensita depende del tiempo y la temperatura del proceso, es decir, cuanto mayor sea el tiempo o la temperatura del proceso de revenido mayor será la pérdida de dureza y el incremento de la ductilidad (ver figura). Por tanto, la temperatura y el tiempo del tratamiento de revenido vienen determinados por las necesidades de ductilidad - tenacidad del producto final.

En concreto el acero se recalienta a una temperatura de entre 200 y 700℃ para reblandecer la martensita. Se ha de tener en cuenta que entre los 240℃ y 360℃ se produce un fenómeno de fragilización del material, es decir, a pesar de que se pierde dureza, también disminuye la tenacidad del material, por eso el revenido entre estas temperaturas debe evitarse. Este efecto es conocido como TME (tempered martensite embrittlement).

Recocido y Normalización de Aceros al Carbono

El proceso recocido consiste en calentar el acero a una temperatura adecuada seguido de un enfriamiento lento. Sea realiza para: reducir la dureza y fragilidad, alterar la microestructura, ablandar el metal para facilitar un proceso posterior, aliviar los esfuerzos residuales y recristalizar los metales trabajados en frío. Se conocen diferentes tipos de recocido dependiendo del proceso y de la temperatura usada.

El recocido total se aplica para metales ferrosos y consiste en calentar la aleación hasta la región austenita seguido de un enfriamiento lento en el horno, produciendo perlita gruesa. La normalización implica procesos similares de calentamiento y enfriamiento, pero el enfriamiento se produce al aire, el resultado siendo la perlita fina.

El recocido se conoce comúnmente en diferentes términos: proceso de recocido, cuando se realizan trabajos posteriores en la pieza dada, y recocido cuando la pieza no se someterá a ninguna deformación subsecuente. Los dos procesos son básicamente lo mismo, pero se utiliza para diferenciar el propósito del tratamiento.

En caso que las condiciones de recocido han permitido una recuperación total de la estructura de grano original del metal trabajado en frío, se considera que ha ocurrido la recristalización. Después del recocido, el metal trabajado en frío tiene la forma geométrica creada por la operación de formado y misma estructura cristalina que antes del trabajo en frío. Cuando el proceso de recocido sólo permite una recuperación parcial de la estructura se llama recuperación por recocido.

Estos procesos de recocido se utilizan principalmente para lograr funciones especiales deseadas aparte del alivio de esfuerzos residuales. Sin embargo, existen casos cuando sólo se desea aliviar los esfuerzos residuales, estos tratamientos se llaman recocido para el alivio de esfuerzo.