1. INTRODUCCION
- TRATAMIENTOS TÉRMICOS. FUNDAMENTO Y OBJETO
- RECOCIDO
3.1 Recocido de homogeneización
3.2 Recocido de regeneración
3.3 Recocido de ablandamiento
3.4 Recocido de globular
3.5 Recocido de recristalización
- NORMALIZADO
- TEMPLE
5.1 Objeto y fundamento
5.2 Curvas TTT
5.3 Templabilidad
5.4 Procedimiento y variables
5.5 Defectos ocasionados en el temple
5.6 Temple superficial
- REVENIDO
6.1 Procedimiento y variables
6.2 Defectos y riesgos a evitar en el revenido.
- CONCLUSIÓN
1. INTRODUCCIÓN
Los aceros tras su ciclo de producción: extracción, reducción, afino, colada y deformación plástica no tienen la estructura adecuada para conseguir las mejores características de utilización. Por ello es preciso someterlos a tratamientos térmicos, para lograr las cualidades del acero más acordes con la futura aplicación.
En esta exposición nos centraremos exclusivamente en los tratamientos térmicos a los que son sometidos las aleaciones Fe-C por su mayor peso industrial, si bien otros muchos metales como son las aleaciones de Al, Mg o Cu también son susceptibles de mejorar sus propiedades por estos tratamientos.
- TRATAMIENTOS TÉRMICOS. FUNDAMENTO Y OBJETO
Las características mecánicas de un material dependen tanto de su composición química como de la estructura cristalina que estos toman. Los tratamientos térmicos son capaces de modificar esa estructura cristalina, sin modificar la composición química, dando a los materiales unas características mecánicas concretas, mediante un proceso de calentamiento y enfriamientos sucesivos hasta conseguir la estructura cristalina deseada.
Las propiedades físicas de los aceros y su comportamiento a distintas temperaturas dependen sobre todo de la cantidad de carbono y de su distribución. Antes del tratamiento térmico, la mayoría de los aceros son una mezcla de tres constituyentes:
Ferrita, SS de inserción de C en Feα, que es blanda y dúctil, de cementita, carburo de hierro de gran dureza y fragilidad y de perlita, constituyente eutectoide cuya composición y propiedades son una combinación de las anteriores.
La resistencia y dureza de un acero que no ha sido tratado térmicamente depende de las proporciones de estos tres constituyentes.
Veamos los diferentes tipos de tratamientos térmicos a los que se somete a los aceros.
- RECOCIDO
El objetivo de este tratamiento es la transformación del acero en sus constituyentes más estables, aumentando así su ductilidad y maleabilidad, a expensas de disminuir su dureza y resistencia. Las variables que influyen en proceso serán:
a. Temperatura de calentamiento del metal, la cual será función de la composición química del acero y del tipo de recocido buscado. Se puede realizar por debajo de la Tª crítica inferior (recocidos subcríticos), entre esta y la Tª crítica superior (recocidos de austenización incompleta) o por encima de la crítica superior (recocidos de austenización completa).
b. Tiempo de calentamiento, que será función del espesor de la pieza pues se ha de alcanzar la temperatura de calentamiento en toda la masa.
c. La velocidad de enfriamiento, que deberá ser característicamente lenta para que la austenita se transforme en la zona superior de la reacción perlítica. Estos enfriamientos lentos se consiguen manteniendo el acero en hornos o en baños de sales a temperaturas controladas.
Dependiendo de los fines buscados se distinguen los distintos tipos de recocido:
3.1 Recocido de homogeneización
Se aplica a los lingotes de aceros para destruir las heterogeneidades químicas (segregaciones de C, Si y P) que se originan durante la solidificación. El calentamiento se produce en el campo de la SS y a una temperatura tan alta como sea posible pero sin llegar a la zona de solidus que produciría la fusión de ciertos componentes obteniendo acero quemado. Además a altas temperaturas se produce acero sobrecalentado de gran tamaño de grano que habrá que regenerar.
3.2 Recocido de regeneración
Como decimos, se da a los aceros sobrecalentados para afinar el tamaño de grano. La Tª de calentamiento es inferior al anterior pero también de austenización completa. Por enfriamiento lento conduce a una estructura fina, de mejores características mecánicas.
3.3 Recocido de ablandamiento
Se puede considerar un revenido prolongado, pues su objetivo es reducir la dureza de piezas previamente templadas y facilitar la operación de mecanizado. La temperatura de de calentamiento es inferior a la Tª crítica inferior a la cual se destruyen todos los constituyentes del temple.
3.4 Recocido globular
Se da a los aceros hipereutectoides para que la cementita y demás carburos adopten la forma esférica o globular en la matriz blanda de la ferrita. Los aceros con esta estructura se mecanizan fácilmente.
Dependiendo de la temperatura de calentamiento se diferencian los de austenización incompleta, oscilantes y subcríticos. 
3.5 Recocido contra acritud o de recristalización
Debido a los procesos de deformación en frío, los aceros se endurecen adquiriendo acritud, de tal forma que es imposible continuar deformándolos sin peligro de rotura. Para poder proseguir la deformación hay que devolverle al acero sus características iniciales de plasticidad. Para ello, este se calienta a Temperaturas que oscilan entre 500ºC y 650ºC, según la composición del acero. Se distinguen tres etapas en la transformación estructural:
Þ Restauración, en la que desaparecen las tensiones internas y no se modifica la forma de los granos.
Þ Recristalización, donde se forman cristales nuevos a expensas de los granos deformados y desaparece toda acritud, recobrando el acero sus características primitivas de plasticidad.
Þ Crecimiento de grano. Al terminar la recristalización los granos aumentan de tamaño a expensas de los vecinos.
- NORMALIZADO
El normalizado es un tratamiento térmico similar al recocido, del que se diferencia en que la velocidad de enfriamiento es algo más elevada así como la Tª de calentamiento. El enfriamiento se consigue sacando las piezas del horno y enfriándolas al aire.
La estructura que se obtiene varía con la composición y dimensiones de la pieza, si bien se consigue una estructura que subjetivamente se considera normal.
Este tratamiento presenta ciertas ventajas sobre el recocido como su fácil realización y que se obtienen estructuras más finas; sin embargo, con él no se consiguen la máxima plasticidad; todo dependerá de la futura aplicación del acero. Se suele aplicar típicamente a los aceros al C para construcción.
Los factores de que dependen son los mismos que los del recocido.
- TEMPLE
5.1 Objeto y fundamento.
A grandes rasgos el temple es un tratamiento térmico en el que la austenita enfriada rápidamente, con velocidad de enfriamiento alta, se transforma en el constituyente estructural martensita. La martensita es una SS intersticial sobresaturada de C en Feα, cuya red distorsionada le confiere alta dureza y resistencia.
Los objetivos del temple serán:
1. Aumentar las características mecánicas de resistencia, elasticidad y dureza a expensas de disminuir la ductilidad y plasticidad. La dureza máxima conseguible con el temple serán función exclusivamente el % de C y aumentan con éste.
2. En menor medida se pretende modificar ciertas propiedades físicas como magnetismo remanente y resistencia eléctrica. Además los aceros templados resisten mejor que los recocidos la acción de ciertos ácidos.
5.2 Curvas de Temperatura Tiempo y Transformación
Para el estudio del temple, es muy interesante la representación gráfica de transformación de la austenita, llamadas generalmente curvas de la “S” por su forma característica. Cada acero, dependiendo de su composición ofrecerá unos diagramas TTT distintos.
Para facilitar la exposición de lo que sigue, podemos ver la siguiente figura.
Partimos de un acero cuya Temperatura crítica es A1. Tras enfriar bruscamente desde la zona austenítica a la temperatura θ1, la austenita no tiene tiempo de transformarse, pero si se mantiene a esta temperatura, dado que es inestable, comenzará su transformación en un cierto momento P y lo terminará en otro punto F entre los cuales coexisten la austenita y sus productos de transformación.
Según la Temperatura de subenfriamiento se consiguen distintos productos de transformación de la austenita:
Entre 723 y 500ºC, perlita, que será tanto más fina cuanto mayor es el subenfriamiento.
Entre 500º y 225º, bainita, mezcla difusa de ferrita y cementita, y según la Tª de transformación también se diferenciará el tamaño de grano.
A temperaturas inferiores Ms (Martensita Start) la Austenita se transforma instantáneamente en martensita. La cantidad de austenita transformada en martensita depende aquí de la Tª de subenfriamiento: será completa a Tªs inferiores de una cierta temperatura Mf (Martensita Finish). Los puntos de inicio y finalización de transformación martensítica dependerán de la composición del acero (todos los elementos salvo el Co y Al los disminuyen). Existen aceros de alta aleación en que Mf se sitúa por debajo de la T ambiente por lo que tras el temple coexisten austenita retenida y martensita, pudiéndose transformase la primera en bainita en función del tiempo.
A la vista de lo descrito, existirá por tanto una velocidad de enfriamiento crítica para que no se alcance el equilibrio entre las fase que aparecen en los diagramas estables y metaesetables (perlita o bainita).
5.3 Templabilidad
Este es otro concepto de suma importancia en el TT del temple. Podemos definir la templabilidad como la mayor o menor aptitud de un acero para que forme una estructura martensítica en todos los puntos de su sección, cuando se enfría en unas condiciones determinadas.
Los elementos de aleación, de forma general, desplazan las curvas de las S hacía la derecha, es decir, aumentan la templabilidad. De igual manera, para una misma composición, cuanto mayor sea el tamaño de grano más suave será la velocidad crítica necesaria.
Los procedimientos más comunes para medir la templabilidad son: el ensayo Jominy, por ataque químico a secciones transversales de la pieza, por examen de fractura y a partir de curvas de dureza en redondos de diversos diámetros.
5.4 Procedimiento y variables del temple
Los factores que influyen en el temple son los siguientes:
a. Composición del acero. Como decimos, tanto el C como la mayoría de elementos de aleación influyen en la forma y posición de las curvas “s” y en los puntos críticos. Es decir, mejoran la templabilidad. Esto es de especial importancia pues permitirá conseguir estructuras martensíticas en el interior de piezas de gran espesor.
b. Temperatura de calentamiento. En los ac. Hipoeutectoides se parte siempre de la estructura austenítica (Ac3 + 50ºC) y en los hipereutectoides la estructura de partida es cementita+austenita. (Ac1 + 50ºC)
c. Tiempo de calentamiento. El tiempo de permanencia a la Tª de austenización será el estrictamente necesario para que todo el C esté en solución y la austenita sea homogénea.
d. Velocidad de enfriamiento. Tiene que ser lo suficientemente rápida para evitar pasar por la nariz perlítica y se produzcan las transformaciones de la austenita antes de alcanzar Ms. Esta velocidad de enfriamiento mínima o crítica dependerá de la Tª de calentamiento, de la composición, del tamaño de grano de la austenita y sobretodo de la masa y forma de la pieza.
Los medios de enfriamiento habituales son el agua, aceites y baños de sales. Aplicando agitación aumentaremos la severidad del temple. En condiciones de muy bajas velocidades de temple se puede realizar el enfriamiento al aire (los llamados aceros autotemplables).
5.5 Defectos ocasionados en el temple
Los principales son:
1. Oxidaciones y descarburaciones. Debido a un calentamiento en atmósferas inadecuadas (oxidantes o reductoras).
2. Exceso de fragilidad. Se produce por calentamientos a extremadas temperaturas (aceros sobrecalentados de grano grueso).
3. Falta de dureza. Puede ser debida a un débil calentamiento, a una descarburación superficial o a velocidades de enfriamiento inferiores a la crítica.
4. Deformaciones, grietas y roturas. Debidos a los cambios de volumen que se originan durante el temple, como consecuencia de la desigual velocidad de enfriamiento entre el núcleo y la periferia de la pieza. También a que la formación de la martensita va acompañada de un aumento de volumen por lo cual, cuando se forma la del núcleo, ejerce una fuerte presión sobre la periferia ya transformada, dura y frágil. Para evitar estos problemas se pueden realizar temples escalonados como los que veremos a continuación.
5.6 Tipos de temple
Además del temple de enfriamiento continuo que hemos descrito, se emplean otros tipos:
Temple “Martempering”. En esencia, consiste en enfriar el metal rápidamente hasta una temperatura superior a Ms y mantenerlo así, en un baño de sales, para que toda la masa de la pieza adquiera esta Tª, sin dar lugar a que la austenita experimente transformación alguna. Una vez que se ha conseguido la homogeneidad de Tª, se extrae la pieza del baño y se enfría rápidamente hasta la Tª ambiente, consiguiendo martensita.
La ventaja de este método es que el salto térmico producido en la transformación es mucho menor, por lo que se eliminan casi por completo las variaciones desiguales de volumen en la pieza.
Temple escalonado bainítico o “Austempering”. El procedimiento inicial es similar al anterior, pero ahora la Tª de permanencia isotérmica es algo mayor. El tiempo de permanencia en ella se ha de prolongar hasta que toda la austenita se haya transformado en bainita. Desde ese instante se extrae la pieza y se enfría por cualquier medio, ya que la bainita es esas circunstancias no experimenta transformación alguna.
En este método las tensiones internas y deformaciones son aún menores que en el anterior si bien las durezas obtenidas son menores.
5.7 Temple superficial
Se funda en producir un calentamiento superficial muy rápido, de forma que sólo una delgada capa pueda alcanzar la Tª de austenización, seguido de un enfriamiento también rápido. Así se logra una capa superficial de martensita sin que el núcleo experimente transformación alguna. Previamente las piezas han sido templadas y revenidas para conseguir buena resistencia y resiliencia.
El sistema de calentamiento superficial se realiza por llama o por corrientes de inducción.
- REVENIDO
6.1 Procedimiento
Los aceros después del temple presentan alta dureza y resistencia, si bien son frágiles. Este problema se puede corregir mediante el revenido: calentando a una Tª inferior a la crítica inferior AC1 y enfriando luego al aire. De esta forma aumenta la ductilidad, tenacidad y plasticidad del acero pero a expensas de reducir su resistencia y dureza. En cualquier caso, el objeto del revenido es modificar los efectos del temple pero nunca eliminar totalmente sus características.
Los factores que influyen en el proceso serán parecidos a los del temple.
6.2 Defectos y riesgos a evitar en el revenido
Fragilidad de los revenidos bajos. Al revenir entre 250º y 400º C, algunos aceros presentan una disminución de su tenacidad. Esto es debido a que durante la transformación se forma una delgada capa de cementita en las agujas de martensita.
Fragilidad Krupp. Ciertos aceros, entre ellos los que contienen altos porcentajes de Cr y Ni, durante su permanencia en el intervalo de Tªs entre 450-550º C, experimentan una disminución de resiliencia, que se conoce como fragilidad Krupp. Parece ser que es debida al nitrógeno disuelto, que a unos 550ºC se precipita como nitruro de hierro.
Se evita pasando por esta zona de Tªs lo más rápido posible o adicionando Mo, por tener gran afinidad por el N.
- CONCLUSIÓN
Podemos concluir el tema resaltando la variedad de propiedades y características (mayormente mecánicas) alcanzables con los tratamientos térmicos. El hecho de variar la estructura cristalina mediante calentamientos y enfriamientos nos permitirá encontrar las propiedades más adecuadas acordes al fin último del acero. .
Las variables a controlar en cada tratamiento son similares, si no iguales, si bien pequeñas desviaciones en los parámetros nos conducirán a obtener defectos o resultados no deseados.