No se puede fabricar nada sin tratamiento térmico. El tratamiento térmico del metal es necesario ya que es esencial para los ejes, cojinetes, engranajes, sujetadores y cigüeñales.
Los servicios de tratamiento térmico añaden alrededor de 15 mil millones de dólares al año en valor a los productos metálicos al impartirles propiedades específicas que se requieren para que las piezas funcionen exitosamente.
¿Qué es el tratamiento térmico?
El tratamiento térmico es el proceso de calentar y enfriar un metal en estado sólido para obtener las propiedades y durabilidad deseadas, sin cambiar su forma.
El proceso de tratamiento térmico se utiliza para endurecer el metal, ablandarlo, hacerlo más resistente al desgaste o hacer que los productos quebradizos sean más duros.
Metales tratados térmicamente
Los metales ferrosos representan la mayoría de los metales tratados térmicamente. El 80% de los metales ferrosos son acero calentado por calor , incluido el hierro fundido, el acero inoxidable y el acero para herramientas.
También se pueden tratar térmicamente aleaciones de aluminio, cobre, magnesio, níquel y titanio.
¿Por qué tratar térmicamente los metales?
- Para mejorar la dureza del metal. La superficie de las piezas tratadas térmicamente es al menos entre un 30 y un 40 % más dura que el núcleo.
- Mejorar la ductilidad y maquinabilidad, haciendo que el metal sea apto para laminación en frío, trefilado, etc.
- Para mejorar la resistencia al desgaste y la corrosión. Coloque una superficie dura sobre partes relativamente blandas, la vida útil del producto es más larga.
- Para mejorar la fragilidad.
- Para aliviar las tensiones internas generadas en fundición, soldadura, procesamiento en caliente y en frío.
- Mejorar las propiedades eléctricas y magnéticas.
¿Cómo funciona el tratamiento térmico?
Aunque los diferentes procesos de tratamiento térmico producen diferentes resultados en el metal, todos implican tres etapas: calentamiento, mantenimiento y enfriamiento.
1. Calefacción
Caliente el metal lentamente hasta la temperatura crítica superior para mantener una temperatura uniforme.
Los metales tratados térmicamente se encuentran en una atmósfera protectora. Para calentar se utiliza el método de sal fundida, vacío, recubrimiento o envasado. Si el metal se trata térmicamente de manera desigual, una sección se expandirá más rápido que otra, lo que dará como resultado una sección del metal distorsionada o agrietada.
Los diferentes metales tienen diferentes temperaturas de tratamiento térmico. La velocidad de calentamiento se basa en los siguientes factores:
- La conductividad térmica de los metales. Los metales con alta conductividad térmica se calientan más rápido que aquellos con baja conductividad.
- El estado de los metales. Las herramientas y piezas que han sido endurecidas o estresadas se calientan más lentamente que aquellas que no lo han sido.
- El tamaño y la sección transversal de los metales. Las piezas más grandes o con secciones transversales desiguales se calientan más lentamente que las piezas pequeñas.
2. Sosteniendo
Mantenga el metal a la temperatura alcanzada durante algún tiempo.
El tiempo depende de los requisitos, que varían desde unos pocos segundos hasta 60 horas o más.
El tiempo también depende del tipo de material y del tamaño de la pieza. Las piezas grandes necesitan más tiempo. Para secciones transversales irregulares, puede utilizar la sección más grande para determinar el tiempo.
3. Enfriamiento
Enfríe el metal a temperatura ambiente. La velocidad de enfriamiento depende del metal mismo y del medio refrigerante.
Los medios de enfriamiento incluyen salmuera, agua, aceite y aire, que están en orden decreciente de velocidad de enfriamiento. La salmuera absorbe el calor más rápido, mientras que el aire es el más lento. Generalmente, utilizamos agua para endurecer el acero al carbono, aceite para endurecer el acero aleado y agua para templar metales no ferrosos.
También es posible utilizar hornos de tratamiento térmico para el enfriamiento . El entorno controlado permite una alta precisión cuando es necesario un enfriamiento lento.
Tipos de tratamiento térmico
1. Tratamiento térmico de recocido
El tratamiento térmico de recocido se utiliza para ablandar metales para trabajarlos y conformarlos en frío, dándoles alta ductilidad y tenacidad. Tiene menos tensiones internas, deformaciones y grietas, pero a expensas de la dureza.
El proceso consiste en que el metal recocido se calienta más allá de su temperatura crítica superior, se mantiene a esta temperatura durante un período de tiempo y luego se enfría muy lentamente en un horno o aire.
Los tipos de recocido incluyen principalmente recocido completo, recocido por difusión, recocido esferoidal y recocido por proceso.
El recocido de proceso , también llamado recocido subcrítico, calienta el metal a una temperatura justo por debajo de la temperatura crítica más baja del acero. Se utiliza principalmente en acero con bajo contenido de carbono para restaurar la ductilidad. El rango de temperatura es de 260 °C (500 °F) a 760 °C (1400 °F).
Aplicación: Los metales recocidos incluyen cobre, aluminio, plata, acero y latón. El recocido del cobre hace que se pueda enrollar o doblar. El acero recocido, como el acero semiduro, el acero duro y el acero aleado, se puede cortar fácilmente.
2. Tratamiento térmico normalizador
No hay diferencia entre el tratamiento térmico de recocido y de normalización , excepto que la normalización se somete a enfriamiento por aire. La normalización alivia las tensiones internas causadas por la soldadura, la fundición o el enfriamiento, para hacer que el metal sea más fácil de cortar.
La normalización es que el metal se calienta a una temperatura que está 40 °C por encima de su temperatura crítica superior, se mantiene durante un período de tiempo y luego se enfría en aire a una velocidad ligeramente rápida.
Aplicación: La normalización se utiliza después del trabajo en frío, como laminado, estampado y martillado. El acero normalizado es más duro que el acero recocido. La normalización del acero hace que el acero sea más tenaz que en cualquier otra condición.
3. Tratamiento térmico de enfriamiento
El enfriamiento prepara la estructura para el revenido. Puede aumentar la alta dureza y la resistencia al desgaste, pero a costa de una baja ductilidad.
El tratamiento térmico de enfriamiento consiste en calentar el metal a la temperatura de austenitización adecuada y mantenerla durante algún tiempo. Luego, el metal se enfría rápidamente en agua, aceite o salmuera.
Aplicación: El acero se calienta de 800 a 850 °C para realizar la austenitización. Luego se enfría rápidamente para formar martensita. Este acero templado en aceite es bastante resistente pero más frágil.
4. Tratamiento térmico de templado
El tratamiento térmico de templado se realiza después del templado. Hace que el metal aumente la elasticidad, dureza y resistencia al desgaste.
El templado consiste en recalentar el metal templado a una temperatura inferior a la temperatura crítica más baja y seguido de un enfriamiento extremo en aire, agua o aceite.
Las temperaturas de templado oscilan entre 300° y 1100° F, que suele ser mucho más baja que las temperaturas de endurecimiento. Cuanto mayor es la temperatura, más suave se vuelve.
Aplicación: El templado se aplica a herramientas de corte, herramientas y engranajes, que se endurecen mediante el proceso de tratamiento térmico de endurecimiento. El acero templado (acero al carbono endurecido) puede reducir la fragilidad y mantener la tenacidad.
La velocidad de enfriamiento del recocido, normalización y enfriamiento se vuelve más rápida a su vez. Cuanto más rápida sea la velocidad de enfriamiento, más duro será el metal.
5. Austempering y martempering
(1) Temperamento
El austempering se utiliza en piezas de trabajo de hierro dúctil o acero. En comparación con el templado, crea menos grietas y distorsiones, lo que hace que los productos sean más dúctiles, duros y resistentes a los impactos. Sin embargo, los metales austemplados no pueden tener más de 1/2 pulgada de espesor.
El austempering tiene como objetivo obtener una estructura de bainita en la pieza de trabajo para materiales resistentes y dúctiles. La temperatura de calentamiento es más alta que la de los templados, normalmente entre 840 y 950 grados Celsius. El enfriamiento es bastante rápido y todo el proceso no requiere templado final.
(2) Temperamento
El martemperado permite que el metal tenga un mayor control de la descarburación y la carburación. Sin embargo, no se puede utilizar en una pieza de trabajo grande ni en todo tipo de acero.
El martempleado consiste en calentar el metal a una temperatura superior al punto crítico superior. Luego se enfría para reducir la temperatura a un punto entre 150 y 300 grados centígrados. Este punto está por encima del punto inicial de la martensita. Se mantiene en este punto hasta que toda la pieza alcance una temperatura uniforme. Permite que la austenita se transforme en martensita. Finalmente, se enfría al aire.
6. Tratamiento térmico de solución.
El recocido en solución, también llamado tratamiento en solución, es necesario antes del endurecimiento por envejecimiento.
El recocido en solución consiste en disolver los precipitados presentes en las aleaciones metálicas y luego enfriar rápidamente las aleaciones hasta temperatura ambiente para evitar que se produzca precipitación durante el enfriamiento. Las aleaciones quedarán blandas después del tratamiento.
Aplicación: Los aceros inoxidables austeníticos, las aleaciones de aluminio, las aleaciones con alto contenido de níquel, las aleaciones de titanio y las aleaciones de cobre utilizan la solución como pretratamiento para el endurecimiento por envejecimiento. Proporciona resistencia al calor y a la corrosión para la aplicación de la pieza.
7. Endurecimiento
El endurecimiento de la superficie cambia la composición química de la capa superficial al absorber carbono, nitrógeno o una mezcla de ambos. Sólo endurece la capa exterior de la pieza de trabajo, mientras que el interior permanece blando.
Los procesos de cementación comúnmente utilizados incluyen tratamientos de carburación y nitruración.
(1) Carburación: Después del temple y revenido a baja temperatura, se agrega carbono a la superficie del acero con bajo contenido de carbono para facilitar el endurecimiento, pero su centro aún mantiene dureza y plasticidad.
(2) Nitruración: consiste en agregar nitrógeno a la superficie del acero . La superficie del acero de nitruración tiene una mayor dureza, resistencia al desgaste, resistencia a la fatiga y resistencia a la corrosión. Actualmente, en la producción se utiliza principalmente la nitruración de gas. Se aplica para el tratamiento térmico de engranajes y el tratamiento térmico de hierro fundido.
8. Endurecimiento por inducción
Si la distorsión fuera un problema para una pieza, el endurecimiento por inducción es el método preferido. Este puede ser un factor importante para piezas circulares como engranajes. Dado que el tiempo de calentamiento es corto, el endurecimiento por inducción puede aumentar la producción y reducir los costos de mano de obra.
El endurecimiento por inducción utiliza una corriente eléctrica transferida desde una bobina de cobre colocada alrededor de la pieza. La corriente dirigida calienta áreas seleccionadas de la pieza de acero a la temperatura y profundidad requeridas. Luego la pieza se templa para lograr la dureza deseada.
9. Endurecimiento a la llama
El endurecimiento por llama solo calienta un área de la pieza. Este proceso funciona bien para trabajos de bajo volumen o casos muy profundos.
El endurecimiento por llama consiste en calentar la parte metálica con una llama y luego apagarla. A menudo esto se puede hacer con muy pocas herramientas especializadas.
10. Tratamiento térmico para aliviar el estrés
El tratamiento térmico de alivio de tensiones está diseñado para devolver un metal lo más cerca posible a su estado de fluencia, tensión máxima y ductilidad de prefabricación. El alivio de la tensión del metal durante la soldadura puede reducir el peligro de grietas en las piezas soldadas de los recipientes.
Este proceso consiste en que el metal se calienta a una temperatura justo por debajo de su límite crítico inferior y luego se enfría lentamente.
Aplicación: Se utiliza comúnmente para piezas de calderas, botellas de aire, acumuladores, etc.
11. Tratamiento térmico al vacío.
El tratamiento térmico al vacío puede producir el mejor acabado superficial y metalurgia de todos los métodos de tratamiento térmico , que no requiere limpieza adicional.
Coloca los aceros en hornos de tratamiento térmico al vacío que contienen únicamente gas argón. La cámara se calienta hasta 2400 grados F. a un ritmo controlado y luego se baja la temperatura. Un ciclo de tratamiento térmico al vacío dura entre 3 y 24 horas. El proceso está controlado por computadora para garantizar la uniformidad y la repetibilidad.
Aplicación: El endurecimiento al vacío se aplica a sujetadores, que son el núcleo de la minería, la industria médica, la aeroespacial, la construcción, etc.
Referencias
2. Procesos de tratamiento térmico
3. Etapas del tratamiento térmico
