Técnicas de Tratamiento Térmico para Fundiciones Ferrosas: Mejorando Resistencia y Durabilidad

Temple, revenido, normalizado y recocido del acero

El tratamiento térmico es un paso importante para garantizar las propiedades mecánicas de las fundiciones de acero. A través del moldeo, colada, desmoldeo y limpieza, las fundiciones toman su forma final, pero pueden no ser 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 flexibilidad de un metal?

Cristalización y propiedades del metal

Cuando el metal fundido se enfría, se solidifica en estructuras cristalinas. Bajo un microscopio, estas estructuras parecen 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 componen los "granos" de un metal.

Al igual que las variadas condiciones invernales crean muchos tipos de patrones de escarcha, las temperaturas variables cambian los cristales que componen el metal. El grano que crean suele ser invisible pero se revela cuando el metal se ataca con ácido.

La forma y relación de los granos en una aleación determinan sus propiedades mecánicas. Los granos redondos pueden deslizarse entre sí cuando el metal es golpeado, abollándose en lugar de mantenerse fuertes o romperse. Los granos planos pueden apilarse y apoyarse como ladrillos en una pared; más fuertes que los granos redondos, pero aún algo móviles. Los granos irregulares e interconectados pueden no tener ninguna flexibilidad. El tratamiento térmico de un metal puede remodelar su cristalización, lo que cambia su grano y, por tanto, las propiedades del metal.

Endurecimiento por trabajo del metal

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

Visualizar la estructura de grano explica cómo funciona el endurecimiento por trabajo. Los granos redondos dentro del metal se deforman, y su nueva forma da resistencia 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 apoyan entre sí, como palos en un haz. Un herrero o trabajador del metal puede martillar, torcer, calentar, enfriar y estirar un objeto para cambiar la forma del grano. Si los granos no tienen lugar a donde ir cuando son golpeados, forman una matriz inmóvil e inelástica que aumenta la dureza del metal.

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

Tratamiento térmico del metal

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

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 puede trabajarse.

La cristalización casi siempre comienza desde las superficies exteriores y avanza hacia adentro, y —especialmente en fundiciones grandes— hay una gran diferencia de temperatura entre la carcasa de la fundición y el centro. Los cristales crecen irregularmente, generalmente más agudos y menos maleables cerca de la superficie. A menudo son más redondos y, por tanto, más blandos cuanto más adentro. La forma de la fundición y los defectos o inclusiones dentro del metal afectarán las tasas de enfriamiento, llevando a zonas en el metal que tienen propiedades mecánicas disímiles. Estas diferencias pueden causar tensión interna del metal, que puede causar fatiga o fallo del metal. El tratamiento térmico permite a la fundición volver dentro del metal y reorganizar los cristales que lo componen.

Mantenimiento a temperatura (Soaking)

El mantenimiento a temperatura es el proceso que forma la base de todos los métodos de tratamiento térmico. El tratamiento térmico se basa en la temperatura de "recristalización" de un metal, que se sitúa por debajo de su punto de fusión. Durante la recristalización, el carbono se desbloquea para difundirse a través del metal, moviéndose de una forma molecular a otra dependiendo del calor, porcentaje de carbono y tiempo. Este movimiento de carbono cambia los patrones de cristalización del metal, y por tanto conlleva diferentes propiedades del material. El diagrama de fases hierro-carbono muestra la formación de granos de austenita, ferrita, perlita y cementita a diferentes tiempos y temperaturas en el calor. La martensita, otra estructura de grano encontrada en aceros endurecidos, se forma por enfriamiento brusco (choque térmico) de la austenita.

El mantenimiento a temperatura es, por tanto, el proceso de llevar una fundición por encima del punto de recristalización. El "tiempo a temperatura" de mantenimiento especificado para un tratamiento térmico permite que los cristales en el metal se fundan y reformen. Observar el ciclo de fases hierro-carbono puede ayudar a una fundición a saber cuánto tiempo mantener una fundición a temperatura para permitir una difusión específica de carbono.

En la mayoría (pero no en todas) las partes del ciclo de fases hierro-carbono, mantener a temperatura un metal fundido o trabajado lo hará menos duro y frágil. A medida que los granos en el metal crecen más regularmente, son más redondos y pueden reorganizarse al impacto deslizándose unos sobre otros. Además, como 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 mantenimiento a temperatura, y luego continúa dejando que el acero se enfríe muy lentamente en el horno. El trabajador de la fundición apaga el horno y permite una caída de temperatura suave y controlada. Hay consistencia térmica en todo el objeto tanto durante el calentamiento como el enfriamiento, lo que significa que hay pocos esfuerzos internos: no ocurren "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 alargamiento. Los tamaños de grano con metales recocidos son a menudo muy grandes debido a la curva de enfriamiento muy lenta.

Normalizado

Normalizar un metal significa llevarlo a temperaturas de recristalización mediante mantenimiento a temperatura, y luego sacarlo del horno y permitir que se enfríe en la atmósfera. Muchas de las propiedades de los metales recocidos son evidentes en los metales normalizados, pero como no hay la misma uniformidad de enfriamiento, los granos tienden a ser un poco menos regulares. Aun así, una diferencia de temperatura mucho menor que la que se encuentra en el metal congelado significa que un producto normalizado es menos frágil.

La tasa de enfriamiento encontrada en el normalizado 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.

Temple

¿Qué pasa si se desea un grado muy alto de dureza? Al fabricar herramientas y piezas de máquina, ablandar el metal puede derrotar el propósito.

El tratamiento térmico puede permitir que la dureza se especifique y sea consistente. Para crear dureza en el acero, la fundición mantiene el acero a temperatura hasta que la austenita es la molécula principal y luego lo templa en aceite más frío o aire forzado. Cuando la austenita sufre un choque térmico en 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 temple ocurre de afuera hacia adentro, los objetos grandes pueden experimentar las presiones de la cristalización rápida que conducen a presión interna en el metal. Estas fuerzas a veces pueden causar agrietamiento si el temple es demasiado extremo. Por esta razón, el temple en agua no es muy común para objetos grandes de acero, ya que causa una caída muy rápida de temperatura que puede causar grietas. El aceite y el aire enfrían ligeramente menos vigorosamente.

Sin embargo, no solo los aceros se templan para endurecer. El temple en agua se usa en una fundición. Los metales no aceros 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 temple trata con mucha energía que puede salir mal. A continuación se muestra una explosión causada por un núcleo de arena retenido durante el temple 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 apagar pequeños incendios iniciados por la metralla de arena sobrecalentada.

Revenido

Encontrar la mezcla correcta de dureza y ductilidad también puede lograrse mediante un proceso llamado revenido. El revenido a menudo se realiza con acero templado para hacerlo menos frágil mientras se preserva algo de la dureza. En el revenido, un metal se recalienta nuevamente, pero ahora a una temperatura más baja que en el recocido, normalizado o temple.

La martensita no es una molécula estable en calor —se logra bajo choque— por lo que el revenido del acero significa desestabilizar la martensita para permitir que comience a convertirse en cementita y ferrita. Un rango de temperaturas y duración en el horno de revenido influirá en cuánta martensita se convierte y, por tanto, en qué tan blando se vuelve el metal. Por ejemplo, los resortes metálicos pueden revenirse a temperaturas más altas para mayor elasticidad en comparación con herramientas revenidas a temperaturas más bajas para mantener la dureza.

El revenido a menudo se usa para aliviar las tensiones internas en un material templado. Un metal que ha sufrido otro estrés térmico como soldadura o forja puede revenirse para permitir que las moléculas dentro se relajen un poco entre sí.

Variaciones en el tratamiento térmico

En una fundición, las fundiciones suelen tratarse térmicamente de forma uniforme. Sin embargo, a veces un artículo puede tratarse térmicamente de forma irregular. Las espadas de acero revenido comúnmente se revenían de forma variable, de modo que las hojas tenían bordes duros mientras que los núcleos se mantenían elásticos. Los resortes a veces pasan por tratamiento térmico diferencial, para adaptarse a su función.

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