Tratamientos Térmicos: Mejora de Resistencia y Rendimiento de Metales

El tratamiento térmico se define como proceso combinado de calentamiento y enfriamiento de metal para cambiar sus propiedades físicas y mecánicas. Se usa para homogeneizar aleaciones fundidas y mejorar su trabajabilidad a muy alta temperatura, cambiar la microestructura para lograr propiedades mecánicas deseadas. La seguridad es prioridad: gran cantidad de calor se libera, cualquier fallo puede causar problemas graves. Se realiza en hornos y estufas donde la temperatura varía según requerimiento, usando gases para controlar la atmósfera. El contacto con atmósfera puede causar reacciones químicas; gases y humedad afectan el proceso, por lo que la atmósfera debe mantenerse. Reduce oxidación en componentes tratados.

Asociado a aumento de resistencia, pero no solo eso: mejora mecanizado, conformabilidad, y al enfriar el material recupera ductilidad.

Objetivos del tratamiento térmico:

• Refinar tamaño de grano
• Aumentar mecanibilidad
• Eliminar tensiones residuales internas
• Eliminar gases que fragilizan el acero
• Cambiar composición superficial por difusión
• Lograr propiedades mecánicas, físicas o químicas deseadas
• Reblandecer acero endurecido

Parámetros que afectan composición y propiedades:

1. Atmósfera
2. Recubrimiento superficial
3. Difusión superficial
4. Enfriamiento
5. Calentamiento
6. Trabajo de entrada
7. Tiempo

Clasificación de Procesos de Tratamiento Térmico

Procesos Comunes:

1. Homogeneización
2. Recocido (Annealing)
3. Normalizado

Tratamientos para cambiar propiedades superficiales (química):

1. Cementación (Carburising)
2. Nitruración (Nitriding)
3. Carbonitruración (Carbonitriding)
4. Nitrocarburación (Ferritic Nitrocarburising)

Tratamientos para cambiar estructura de fase:

1. Endurecimiento (Hardening)
2. Templado (Tempering)
3. Endurecimiento por inducción

Proceso especial:

1. Sinterizado

Procesos Comunes de Tratamiento Térmico

1. Homogeneización

Tratamiento general antes del real para mantener temperatura uniforme en todo el material. También reduce efecto de coring por composición química no uniforme.

2. Recocido (Annealing)

Material calentado a temperatura muy alta y luego enfriado lentamente. Aumenta ductilidad y reduce dureza. Al cambiar dureza y ductilidad, reduce dislocaciones en estructura cristalina. Calentado a temperatura prefijada, mantenido tiempo determinado, luego enfriamiento lento a temperatura ambiente. Si es acero: calentado justo por encima de temperatura crítica (727°C) y enfriado lento.

Etapas: 1) Recuperación, 2) Recristalización, 3) Crecimiento de grano.

3. Normalizado

Material calentado sobre 910°C para completar austenización. Alcanza etapa, se enfría en aire para obtener perlita fina, con buena dureza y ductilidad. Usado en materiales ferrosos para mejorar propiedades mecánicas.

Química Superficial

1. Cementación (Carburising)

Tratamiento térmico superficial para aumentar dureza y resistencia al desgaste. Adición de carbono en superficie, especialmente aceros bajos en carbono, a temperatura predeterminada. También llamado endurecimiento de caja (case hardening): pieza de bajo carbono calentada a alta temperatura en atmósfera rica en carbono. La difusión de átomos de carbono en la superficie depende del potencial de carbono de la atmósfera, temperatura y tiempo de exposición. Para endurecer caja y núcleo, se hace temple rápido. Luego la parte cementada se templa para requisitos del cliente. Mejora dramáticamente ductilidad y tenacidad.

Métodos: Cementación en caja, gas, vacío, líquido.

Ventajas: Aplicable a piezas simples y complejas; aumenta dureza superficial; aumenta resistencia al desgaste y fatiga.

2. Nitruración (Nitriding)

Adición de nitrógeno a superficie, especialmente acero. Dos métodos: proceso gaseoso y plasma. Pieza calentada a 600°C en gas y amoníaco disociado; dureza por formación de nitruros en superficie. En proceso gaseoso, amoníaco disociado es fuente; en plasma, iones de nitrógeno difunden en superficie. En nitruración gaseosa no se requiere temple, desarrolla caja dura a bajas temperaturas. En plasma, penetración en agujeros ciegos no posible, proceso muy restringido.

Ventajas: Aumenta vida a fatiga; aumenta resistencia al desgaste y corrosión; dureza mayor que cementación; sin temple; mínima distorsión.

3. Carbonitruración (Carbonitriding)

Produce caja dura y resistente al desgaste. Carbono y nitrógeno involucrados. Difusión de ambos aumenta endurecibilidad, más que cementación. Temperatura menor que cementación → menos distorsión. 0.5-0.8% C y 0.2-0.4% N añadidos a superficie. Tras difusión, componentes templados directamente en aceite para evitar agrietamiento.

Ventajas: Alta dureza superficial y resistencia al desgaste; aumenta vida a fatiga 30-100%; menos distorsión por menor temperatura; bueno para aplicaciones alta temperatura; aumenta límite elástico y resistencia a tracción.

4. Nitrocarburación Ferrítica (Ferritic Nitrocarburising)

Proceso de endurecimiento de caja para producir superficie dura y resistente al desgaste en aceros de baja calidad. Difunde nitrógeno y carbono en caja por debajo de temperatura crítica (650°C). A esta temperatura, microestructura no se convierte en austenítica, permanece en fase ferrítica → nombre.

Tratamientos para Cambiar Estructura de Fase

1. Endurecimiento (Hardening)

Básicamente para metales ferrosos. Metal calentado a temperatura predeterminada y enfriado rápido sumergiendo en agua. También enfriado en aire. Aumenta dureza y resistencia pero aumenta fragilidad.

2. Templado (Tempering)

Al calentar acero, propiedades cambian: dureza y fragilidad aumentan. Al calentar, metal se expande; al enfriar, se contrae. Durante enfriamiento, se generan tensiones internas. Templado alivia tensiones y reduce fragilidad tras endurecimiento. Metal calentado a temperatura especificada y enfriado en aire quieto. Temperatura de templado < temperatura de endurecimiento.

3. Endurecimiento por Inducción (Induction Hardening)

Tratamiento superficial para endurecer superficie de aceros y aleaciones. Piezas dentro de bobina de cobre refrigerada por agua. Bobina conectada a corriente alterna. Corriente calienta pieza sobre temperatura de transformación. Núcleo permanece inafectado. Pieza mantenida hasta lograr profundidad de dureza deseada. Luego templado en aceite u otro medio según material y dureza requerida.

Proceso Especial

1. Sinterizado (Sintering)

Tratamiento térmico aplicado a compacto de polvo para dar resistencia e integridad. Metal calentado por debajo de su temperatura de fusión (evita licuefacción). Reduce porosidad y mejora propiedades: resistencia, dureza, conductividad térmica, etc.

Esta es una introducción básica a los procesos de tratamiento térmico. ¿Dudas? Comenta. ¿Útil? Compártelo y suscríbete.