Tratamientos térmicos del acero.
Para cambiar las propiedades del acero
se usan diferentes tipos
tratamientos térmicos, que cambian su micro estructura.
En general hay cuatro tipos básicos de tratamiento
térmico:
- Temple.
- Revenido.
- Recocido.
- Normalización.
Todos los tratamientos térmicos tiene una ruta obligatoria:
- Calentamiento del acero hasta
una temperatura determinada.
- Permanencia a esa temperatura
cierto tiempo.
- Enfriamiento mas o menos
rápido.
El hierro tiene una
temperatura de fusión de 1539 oC,
y en estado sólido presenta el fenómeno de la
alotropía o polimorfismo.
En la mayoría de
los casos, el calentamiento del acero para el temple,
normalización y recocido se hace unos 30-50 oC
por encima de la temperatura de cambio alotrópico. Las
temperaturas
mayores, si no son necesarias para un uso especial, no son deseables
para evitar un crecimiento excesivo del grano.
En la figura 1 se muestra un gráfico esquemático de como
se desarrolla el proceso para cada tipo de tratamiento térmico.
El carácter de la transformación del acero depende de la
velocidad de enfriamiento. Durante un enfriamiento lento en el horno
se verifica el recocido; si el
enfriamiento se realiza al aire libre, tal recocido se denomina normalización.
El temple se hace utilizando
un enfriamiento rápido en agua o en aceite.
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Figura 1
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Después del temple, obligatoriamente, se ejecuta el revenido, cuyo objetivo es disminuir
en algo la uniformidad de la estructura y, de tal modo, quitar las
tensiones internas de la pieza. El revenido siempre se realiza a una
temperatura menor a la de la transformación del material.
El acero y su temperatura.
Para comprender mejor la influencia del tratamiento térmico en
el acero, primero hay que conocer los cambios estructurales de este a
diferentes temperatura. Estos cambios tienen bastante complejidad y
dependen de la cantidad de carbono presente y otros factores, que en la
metalurgia se establecen con precisión en el llamado diagrama de equilibrio hierro-carbono.
En este artículo vamos a describir de manera muy simplificada,
las estructuras del acero a diferentes temperaturas.
A temperaturas menores de 910 oC y por encima de 1400 oC
el
hierro
tiene
una red
espacial cubica centrada. En el primer caso se
le llama hierro alfa y en el
segundo hierro gamma, entre
las temperaturas de 910-1400 oC el hierro tiene la
red cúbica centrada en las caras y se le llama hierro delta.
Solubilidad del carbono en hierro.
Los hierros alfa y gamma disuelven muy poco carbono (entre 0,025 y
0.1%), y a esas soluciones se les denomina ferrita. La ferrita es muy blanda y
plástica según el tamaño de sus granos; por debajo
de 768 oC tiene propiedades ferromagnéticas
muy
acentuadas.
La solubilidad del carbono en el hierro delta es mucho mayor, y puede
alcanzar el 2% en peso a 1130 oC. Esta solución se
llama austenita y existe
comúnmente por encima de 723 oC (por métodos
especiales puede obtenerse austenita a temperaturas menores).
La austenita es blanda y plástica, no es magnética y peor
conductor del calor que la ferrita.
Compuestos del hierro y el carbono.
El hierro forma con el carbono el carburo de hierro, Fe3C,
que se denomina cementita y
contiene 6.67 % de carbono en peso. La cementita es frágil y muy
dura; a temperaturas superiores a 210 oC no tiene
propiedades magnéticas.
La cementita pura no es estable, especialmente a altas temperaturas, y
se desintegra en grafito y solución sólida: ferrita o
austenita, según la temperatura.
Sin embargo, en las aleaciones de bajo contenido de carbono la
cementita existente es estable hasta altas temperaturas y por eso se le
puede considerar como un componente autónomo dentro de la masa
del acero.
La cementita en el acero puede tener tres orígenes y se llaman:
- Primaria: Segregada
a partir de la reacción del hierro y el carbono en la
solución líquida.
- Secundaria: La que
se precipita de la austenita al enfriarse.
- Terciaria: La que
se desprende de la ferrita al enfriarse por debajo de 910 oC.
La cementita puede mezclarse mecánicamente con la austenita
desde la solución líquida, la mezcla eutéctica de
cementita y austenita se denomina ledeburita.
De
la
misma
forma
la cementita puede mezclarse desde la solución
sólida con la ferrita procedente de la desintegración de
la austenita a menos de 723 oC y concentración de
carbono de 0.8 %. La mezcla eutectoide* de ferrita y cementita se llama
perlita.
Con estos elementos examinemos ahora el carácter de las
formaciones estructurales de los aceros en el proceso de
enfriamiento, desde el estado líquido hasta las temperaturas
normales. Este proceso es reversible por lo que los procesos son
válidos también durante el calentamiento.
* Se le denomina eutectoide porque se produce en la
solución sólida y no en la líquida como en el caso
de una mezcla eutéctica.
El enfriamiento o calentamiento del acero.
En la figura 2 se muestra
el sector izquierdo del diagrama Fe-C (hierro carbono). En él,
se han marcado las líneas correspondientes a las soluciones de
0.6, 0.8, y 1.2 % de carbono.
La linea G-H corresponde a los 723 oC temperatura
límite de existencia de la austenita.
Observemos que para los tres casos, de la solución
líquida al enfriarse comienzan a formarse cristales de
austenita, los que conviven en equilibrio con la solución
líquida entre las líneas A-B y C-D.
Al bajar de la temperatura de solidificación (linea C-D), toda
la solución se convierte en austenita. Con el ulterior
enfriamiento y en dependencia del contenido de carbono se van formando
estructuras diferentes, a saber:
1.- Para el acero
de 0.6 % de carbono o menos, al alcanzar la linea F-E comienza a
desprenderse ferrita y hay una zona (entre F-E y G-H) donde conviven
ambas formas estructurales.
La formación de la ferrita con muy poco carbono disuelto hace
que el resto de la austenita pase a ser mas rica en carbono, con lo que
se alcanza el 0.8 % necesario para la formación de la cementita,
con ello se puede producir la mezcla mecánica de ferrita y
cementita que ya hemos visto se denomina perlita.
El resultado final de esta aleación cuando llega a la
temperatura normal es una mezcla de ferrita y perlita.
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Figura 2
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2.- Para el acero de 0.8
% de carbono, como tiene la composición adecuada para la
reacción de formación de cementita (0.8 % de carbono) el
final
del proceso de enfriamiento conduce a perlita en casi toda la masa
sólida.
3.- Para el acero de 1.2
% de carbono o mas, una vez que se alcanza la linea E-D comienza a
segregarse la cementita secundaria por la sobresaturación de la
austenita con carbono, con el enfriamiento posterior y al sobrepasar la
linea G-H se produce cierta cantidad de ferrita que junto a la
cementita forma la perlita. Finalmente queda una mezcla de perlita y
cementita secundaria.
Temple y revenido.
El temple y el revenido se
utilizan ampliamente para mejorar las propiedades de resistencia de los
aceros de construcción e importarles dureza y altas propiedades
cortantes a los aceros de herramientas.
Por temple se comprende la fijación de las estructuras, a
temperatura
normal, que son propias de temperaturas altas. Por eso las estructuras
templadas son inestables o, como dicen los físicos metaestables.
Si el acero se enfría rápidamente desde la zona de
austenita (figura 2)
el carbono no puede desprenderse, y como es imposible detener la
transformación de hierro gamma a hierro alfa con capacidades de
disolución de carbono muy diferentes, se produce una
solución sólida
sobresaturada de carbono en hierro alfa que se conoce como martensita. La estructura de la
martensita es inestable, con una gran dureza y fragilidad considerable.
La dureza de la martensita es tanto mayor, cuanto mas cantidad de
carbono esté disuelto en esta, y se explica por el
fenómeno de que su
red cristalina está muy deformada por los átomos de
carbono. Esto hace
que el cristal elemental de la red cristalina de la martensita nos sea
cúbico sino tetragonal. Lo que a su vez dificulta su
deformación plástica.
El acero tiene la capacidad de ser templado si contiene mas del 0.3% de
carbono.
El enfriamiento para el proceso de templado puede efectuarse a
diferentes velocidades de acuerdo a los fines perseguidos y del tipo de
acero (cantidad de carbono y otros elementos aleantes) los mas usados
son:
- Agua.
- Aceite.
- Sales fundidas.
- Soluciones salinas.
- Y hasta el aire para ciertos aceros aleados.
Si tomamos la capacidad refrigerante del agua a temperatura de 20 oC
como
la
unidad,
entonces,
la capacidad refrigerante relativa de la
solución acuosa de cloruro de sodio al 10% será de 1.23;
del aceite mineral 0.20 y del aire ambiente 0,03.
Después del temple se efectúa el revenido, cuyo fin es el
aumento de la plasticidad (disminución de la fragilidad) del
acero con una disminución mínima de la resistencia o la
dureza adquiridas durante el temple.
La temperatura del revenido se escoge de acuerdo a la posterior
utilización de la pieza, pero nunca llegará a la
temperatura de transformación (linea G-H de la figura 2).
Se distinguen tres tipos de revenido:
- Revenido de bajas temperaturas (entre 180 y 220oC);
Con
él
se
reducen
las tensiones internas pero se conserva la
estructura martesítica. Se usa en el revenido de herramientas de
corte, en las que debe mantenerse la dureza y resistencia al desgaste.
- Revenido a medias temperaturas (entre 300-400 oC);
A
estas
temperaturas
la
martensita se modifica y se transforma en lo
que
se conoce como troostita y se
aplica en los muelles o matrices.
- Revenido de altas temperaturas (500-550 oC); A
estas temperaturas la troostita se convierte en otra forma llamada sorbita, se aplica fundamentalmente
para el acero de construcción.
La troostita y la sorbita obtenidas durante el revenido de la
martensita, sobrepasan por su tenacidad, las estructuras
análogas que se obtienen durante el enfriamiento directamente a
partir de la austenita.
Recocido.
El recocido tiene diferentes objetivos en el tratamiento térmico
del acero y generalmente suele ser de dos clases:
- Recocido de primera clase
o subcrítico: Se aplica para eliminar tensiones
residuales, acritud,
y cambiar forma de la cementita a cementita
esferoidal en los aceros de alto carbono para poder trabajarlos
mejor. Por lo común mientras mas alta es la temperatura, tanto
mas corto puede ser el tiempo de permanencia, pero, de todos modos,
para la esferoidización se requiere un permanencia larga.
El recocido para eliminar la acritud se efectúa
después de la deformación plástica en frío;
con ello no solo se reducen las tensiones, sino también la
recristalización de la estructura, por eso se le denomina recocido de recristalización.
- Recocido de segunda clase
o supercrítico: Tiene como objeto diferentes
finalidades, y exactamente:
- Disminución del
grano: El recocido de los aceros de bajo y medio carbono
se efectúa por calentamiento s unos 20-50 oC
por encima de la temperatura de transformación, es decir por
encima de
la línea F-E (figura 2). Bajo estas temperaturas se verifica la
transformación del hierro alfa a hierro gamma y la
formación de una
gran cantidad de granos pequeños de austenita,
independientemente del
tamaño original de los granos de ferrita o perlita. El
enfriamiento
ulterior de piezas con grano pequeño de austenita conduce a la
formación
de granos pequeños de ferrita y perlita. Un calentamiento
considerable por encima de la línea F-E, produce no
disminución, sino aumento del tamaño del grano.
- Obtención de una
estructura equilibrada y mas blanda.
- Modificación de la
estructura en piezas fundidas: Las estructuras fundidas,
muy a menudo suelen ser de grano grueso y la fase sobrante, por
ejemplo, la ferrita en el acero de bajo carbono y la cementita
secundaria en los de alto carbono, se distribuyen en granos, formando
la armazón alrededor de la cual se solidifica la masa restante.
Tal estructura se denomina de Widmastatten
y tiene una tenacidad menor en comparación con la estructura
normal. Durante el recocido no solo se efectúa la
disminución del grano, sino también la liquidación
de la estructura de Widmastatten.
- Eliminación de las
segregaciones dendríticas: El recocido para eliminar la
segregación dendrítica
que surge durante la solidificación de los lingotes, se denomina recocido de
homogenización. Generalmente este recocido se logra
durante el calentamiento de los lingotes para su tratamiento por
presión en la fabricación de piezas en caliente. La
homogenización exige una temperatura muy alta (unos
1000-1100 oC) y una permanencia larga (15 o mas horas).
Durante este recocido es inevitable el crecimiento del grano, la
disminución de este se realiza después por medio de un
recocido de recristalización.
Normalización.
La estructura que surge después del calentamiento hasta las
temperaturas que corresponden a la zona de austenita y enfriamiento en
el aire, se considera como normal en el acero. Por eso la
normalización corresponde a un recocido supercrítico con
enfriamiento al aire.
La cantidad de ferrita o cementita sobrante, después del
normalizado, es menor que después del recocido y la perlita
está mas dispersa. Por eso el acero normalizado tiene
resistencia y tenacidad un poco mas altas y una maquinabilidad mas baja
que el acero recocido.
En la figura 3 se muestra un gráfico en el que se destacan las
zonas de temperatura utilizadas mas comúnmente para la
realización de los diferentes tratamientos térmicos.
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Figura 3
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