Tratamiento Térmico en Fundiciones Ferrosas

Acero templado, revenido, normalizado y recocido

El tratamiento térmico es un paso importante para garantizar las propiedades mecánicas de las fundiciones de acero. A través del moldeado, el vaciado, el desmoldado y la limpieza, las piezas fundidas toman su forma final, pero es posible que no sean lo suficientemente fuertes o elásticas para su uso final. Al calentar y enfriar el metal a diferentes velocidades, una fundición puede cambiar sus propiedades mecánicas.

Pero, ¿cómo cambia la aplicación de calor la resistencia o la flexibilidad de un metal?

Cristalización y propiedades del metal

Cuando el metal fundido se enfría, se congela en estructuras cristalinas. Bajo un microscopio, estas estructuras se ven como los cristales de escarcha que se forman en el vidrio en invierno. Cada estructura crece desde un punto central hasta que se encuentra con otra estructura cristalina. Estas estructuras forman los “granos” de un metal.

Así como las condiciones invernales variables crean muchos tipos de patrones de escarcha, las temperaturas variables cambian los cristales que forman el metal. El grano que crean suele ser invisible, pero se revela cuando el metal se graba con ácido.

La forma y la relación de los granos en una aleación determinan sus propiedades mecánicas. Los granos redondos pueden deslizarse entre sí cuando se golpea el metal, abollando en lugar de permanecer fuertes o romperse. Los granos planos pueden apilarse y apoyarse entre sí como los ladrillos de una pared; más fuerte que los granos redondos, pero todavía algo movible. Los granos irregulares y entrelazados pueden no ceder en absoluto. El tratamiento térmico de un metal puede remodelar su cristalización, lo que cambia su grano y, por lo tanto, las propiedades del metal.

Metal de endurecimiento por trabajo

La imagen de un herrero en su fragua, golpeando una losa de metal incandescente, es reconocible de inmediato, aunque ya no es una vista común. Sin embargo, durante gran parte de la historia humana, los herreros trabajaban el metal mecánicamente para hacerlo más resistente. Hoy en día, en lugar de ser trabajado a mano por un herrero, el acero a menudo se lamina para endurecerlo mecánicamente.

Representar la estructura del grano explica cómo funciona el endurecimiento por trabajo. Los granos redondos dentro del metal se deforman y su nueva forma le da fuerza al metal. En el laminado en frío, por ejemplo, los granos redondos se aplastan y estiran para volverse más parecidos a varillas. Estas varillas se sostienen entre sí, como palos en un paquete. Un herrero o metalúrgico puede martillar, torcer, calentar, enfriar y estirar un objeto para cambiar la forma del grano. Si los granos no tienen adónde ir cuando se golpean, forman una matriz inelástica e inamovible que aumenta la dureza del metal.

Sin embargo, esta dureza puede tener un costo:la resistencia puede hacer que el material se vuelva quebradizo. Los granos de forma irregular no se deslizan fácilmente entre sí:están encajados entre sí. Cualquier impacto lo suficientemente grande, algo mayor que la fuerza de los enlaces entre los granos, los romperá.

Metal tratado térmicamente

La fundición comienza creando las propiedades mecánicas deseadas del acero eligiendo una aleación que se sabe que produce esas características. Sin embargo, hay muy poco control sobre la cristalización de este metal a medida que se enfría la fundición. Debido a que la cristalización crea las propiedades mecánicas del metal, es posible que la aleación no se comporte de manera óptima a menos que se trate más. La fundición puede hacer esto calentando y enfriando el metal de manera regular y controlada.

El tratamiento térmico es una forma no destructiva de cambiar las propiedades del material. A veces es un proceso secundario con metal endurecido por trabajo, pero es la primera opción de la fundición, ya que la fundición ya tiene la forma correcta y no se puede trabajar.

La cristalización casi siempre comienza en las superficies exteriores y se mueve hacia adentro y, especialmente en las piezas fundidas grandes, existe una gran diferencia de temperatura entre la cubierta de la pieza fundida y el centro. Los cristales crecen irregularmente, generalmente más nítidos y menos maleables cerca de la superficie. A menudo son más redondos y, por lo tanto, más blandos cuanto más adentro. La forma de fundición y los defectos o inclusiones dentro del metal afectarán las velocidades de enfriamiento, lo que dará lugar a zonas en el metal que tienen propiedades mecánicas diferentes. Estas diferencias pueden causar tensión interna en el metal, lo que puede causar fatiga o falla del metal. El tratamiento térmico permite a la fundición volver al interior de un metal y reorganizar los cristales que lo componen.

Remojo

El remojo es el proceso que constituye la base de todos los métodos de tratamiento térmico. El tratamiento térmico se basa en la temperatura de "recristalización" de un metal que se encuentra por debajo de su punto de fusión. Durante la recristalización, el carbono se desbloquea para difundirse a través del metal, pasando de una forma molecular a otra según el calor, el porcentaje de carbono y el tiempo. Este movimiento de carbono cambia los patrones de cristalización del metal y, por lo tanto, conlleva diferentes propiedades materiales. El diagrama de fase de hierro-carbono muestra la formación de granos de austenita, ferrita, perlita y cementita en diferentes tiempos y temperaturas en el calor. La martensita, otra estructura granular que se encuentra en los aceros endurecidos, está formada por austenita de choque en frío.

Por lo tanto, el remojo es el proceso de llevar una fundición por encima del punto de recristalización. El “tiempo a la temperatura” de remojo especificado para un tratamiento térmico permite que los cristales del metal se fundan y vuelvan a formarse. Observar el ciclo de fase de hierro-carbono puede ayudar a una fundición a saber cuánto tiempo debe mantener una fundición a la temperatura para permitir la difusión específica de carbono.

En la mayoría (pero no en todas) las partes del ciclo de la fase hierro-carbono, remojar un metal fundido o trabajado lo hará menos duro y quebradizo. A medida que los granos en el metal crecen con más regularidad, son más redondos y pueden reorganizarse con el impacto al deslizarse unos sobre otros. Además, dado que el artículo alcanza la misma temperatura en todo momento, los cristales suelen ser más uniformes que los de una fundición recién vertida.

Recocido

El recocido comienza con el remojo y luego continúa dejando que el acero se enfríe muy lentamente en el horno. El trabajador de la fundición apaga el horno y permite un descenso suave y controlado de la temperatura. Hay consistencia térmica en todo el objeto tanto durante el calentamiento como durante el enfriamiento, lo que significa que hay pocas tensiones internas:no se producen "zonas" de metal con diferentes propiedades de cristalización. El metal que ha sido recocido es generalmente muy maleable, con mayor ductilidad, resistencia a la tracción y elongación. Los tamaños de grano con metales recocidos suelen ser muy grandes debido a la curva de enfriamiento muy lenta.

Normalizar

Normalizar un metal significa llevarlo a las temperaturas de recristalización sumergiéndolo y luego sacándolo del horno y dejándolo enfriar en la atmósfera. Muchas de las propiedades de los metales recocidos son evidentes en los metales normalizados, pero debido a que el enfriamiento no es exactamente igual, los granos tienden a ser un poco menos regulares. Aún así, un diferencial de temperatura mucho más pequeño que el que se encuentra en el metal congelado significa que un producto normalizado es menos quebradizo.

La tasa de enfriamiento que se encuentra en la normalización crea granos más pequeños en el metal que el recocido, lo que significa que, en general, será más fuerte o más duro que el metal recocido.

Enfriamiento

¿Qué pasa si se desea un grado muy alto de dureza? Cuando se fabrican herramientas y piezas de máquinas, ablandar el metal puede frustrar el propósito.

El tratamiento térmico puede permitir que la dureza se especifique y sea consistente. Para crear dureza en el acero, la fundición empapa el acero hasta que la austenita es la molécula principal y luego lo enfría en aceite más frío o aire forzado. Cuando la austenita se somete a un choque frío, crea una estructura cristalina ligeramente irregular llamada martensita. Este material es más duro debido a una distorsión de carbono en cada molécula de martensita.

Dado que el enfriamiento ocurre de afuera hacia adentro, los objetos grandes pueden experimentar las presiones de la cristalización rápida que conducen a la presión interna en el metal. Estas fuerzas a veces pueden causar grietas si el enfriamiento es demasiado extremo. Por esta razón, el enfriamiento con agua no es muy común para objetos de acero grandes, ya que provoca una caída muy rápida de la temperatura que puede provocar la formación de grietas. Tanto el aceite como el aire se enfrían un poco menos vigorosamente.

Sin embargo, no son sólo los aceros los que se templan para su temple. El enfriamiento con agua se utiliza en una fundición. Los metales no siderúrgicos pueden no sufrir las mismas presiones internas porque sus fases y estructuras moleculares serán diferentes. El manganeso se templa en agua a temperaturas mucho más altas que el acero, sin agrietarse. Sin embargo, la diferencia de temperatura es tan grande que cualquier enfriamiento requiere mucha energía que puede salir mal. A continuación se muestra una explosión provocada por un núcleo de arena retenido durante el enfriamiento de una fundición de acero al manganeso. Len Cranmore de Reliance Foundry, ahora nuestro gerente de ventas, resultó ileso en esta explosión, pero tuvo que sofocar pequeños incendios provocados por la metralla de arena sobrecalentada.

Templado

Encontrar la combinación correcta de dureza y ductilidad también se puede lograr a través de un proceso llamado templado. El templado a menudo se realiza con acero templado para hacerlo menos quebradizo y al mismo tiempo preservar parte de la dureza. En el templado, un metal se recalienta una vez más, pero ahora a una temperatura más baja que en el recocido, el normalizado o el templado.

La martensita no es una molécula estable al calor, se logra bajo impacto, por lo que templar el acero significa desestabilizar la martensita para permitir que comience a convertirse en cementita y ferrita. Un rango de temperaturas y la duración del tiempo en el horno de revenido influirán en la cantidad de martensita que se convierte y, por lo tanto, en la suavidad del metal. Por ejemplo, los resortes metálicos se pueden templar a temperaturas más altas para aumentar la elasticidad en comparación con las herramientas templadas a temperaturas más bajas para mantener la dureza.

El templado se usa a menudo para aliviar las tensiones internas en un material templado. Un metal que ha sufrido otro estrés por calor, como soldadura o herrería, puede templarse para permitir que las moléculas internas se relajen un poco entre sí.

Variaciones en el tratamiento térmico

En una fundición, las piezas fundidas suelen recibir un tratamiento térmico uniforme. Sin embargo, a veces un artículo puede recibir un tratamiento térmico irregular. Las espadas de acero templado comúnmente tenían un templado variable, de modo que las hojas tenían bordes duros mientras que los núcleos permanecían elásticos. Los resortes a veces pasan por un tratamiento térmico diferencial para que coincidan con su función.

Al igual que con gran parte de la fundición, la comprensión de la química de una aleación significa que los tiempos, las temperaturas y las tolerancias se pueden especificar científicamente. Sin embargo, con el tiempo, un trabajador de fundición llega a conocer el metal con el que está trabajando. Al igual que un chef experto conoce sus ingredientes lo suficientemente bien como para no necesitar una receta, un trabajador de fundición experto sabrá cuándo algo está mal. Un metal que tarda demasiado en brillar, o que se enfría demasiado rápido, cuenta una historia molecular para un ojo experimentado, sin la ayuda de equipos en el laboratorio.

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