Tratamiento térmico de metales: todo lo que necesita saber

Los usuarios de metales en la industria manufacturera han aprendido a mejorar una amplia variedad de metales. Esto se hace principalmente para adaptar sus propiedades a la tarea en cuestión, como la reacción al mecanizado de precisión.

Existen numerosos métodos para mejorar los metales, uno de los cuales incluye el tratamiento térmico de metales. Este proceso puede alterar diversas propiedades, como la resistencia, la conformabilidad, la elasticidad, la dureza, la ductilidad y la maquinabilidad.

Como sugiere el tema de este artículo, nos centramos en todo lo que necesita saber sobre el tratamiento térmico de metales.

¿Qué es el tratamiento térmico de metales?

El tratamiento térmico es un proceso general que utiliza operaciones de calentamiento y enfriamiento en distintas etapas para alterar las propiedades físicas de los metales (microestructura), como el acero, el aluminio y muchos otros. El objetivo principal de este tratamiento es mejorar las propiedades físicas y estructurales para un uso específico o un trabajo posterior del metal.

Existe una amplia variedad de procesos de tratamiento térmico, entre los que se incluyen el cementado, el recocido, el revenido, la descarburación, la normalización, el envejecimiento, el temple y otros. Aunque cada uno de estos tratamientos térmicos produce resultados diferentes en el metal, todos implican tres pasos básicos: calentamiento, mantenimiento y enfriamiento.

Las ventajas del tratamiento térmico de metales

En el mundo de la fabricación, el tratamiento térmico de metales se utiliza de forma generalizada y es un proceso de calentamiento y enfriamiento controlado con precisión. El tratamiento térmico no solo endurece el metal, sino que también lo ablanda. El ablandamiento permite realizar operaciones de conformado como la forja en frío, el mecanizado, el embutido profundo y muchas más. El tratamiento térmico de metales aporta beneficios, entre ellos los siguientes:

• Mejora de la maquinabilidad o trabajabilidad:

El tratamiento térmico ayuda a mejorar la fabricabilidad de un metal. Esto se logra mediante la eliminación de tensiones internas de procesos de fabricación previos, como el trabajo en caliente, el trabajo en frío, el mecanizado, la soldadura y el estampado. Por ejemplo, si un metal es muy difícil de doblar o mecanizar, se puede someter a recocido o alivio de tensiones. Esto ayudará a reducir la dureza de dicho material. Si un material se deforma al mecanizarlo, para evitar la deformación se puede recocer o aliviar tensiones. El tratamiento térmico por inducción o con llama también puede utilizarse para ablandar una zona específica del metal, dejando intacto el resto.

• Mejora de la durabilidad y la resistencia al desgaste

Existen varios procesos de tratamiento térmico. Algunos de ellos pueden utilizarse para mejorar la resistencia al desgaste endureciendo los metales implicados. Metales como el titanio, el acero, el Inconel y algunas aleaciones de cobre pueden endurecerse en la superficie (cementado) o en todo su espesor (temple total). Esto se hace para que el material sea más resistente, más duradero, más tenaz y más resistente al desgaste. Este método es el más utilizado habitualmente para aumentar la durabilidad de aceros económicos como el 1018 o el A-36.

El endurecimiento localizado puede realizarse por inducción o con llama. Esto también ayuda a endurecer una parte específica dejando el resto del material intacto o sin cambios. Por último, la nitruración se utiliza para endurecer la superficie de la pieza a bajas temperaturas y reducir la distorsión.

• Mejora de la tenacidad y la resistencia

La tenacidad y la resistencia son un compromiso, ya que aumentar la resistencia medida por la dureza puede reducir la tenacidad e introducir fragilidad. En consecuencia, el tratamiento térmico puede afectar la resistencia a la tracción, el límite elástico y la tenacidad a la fractura. El temple total o el cementado ayudan a aumentar la resistencia del material. Sin embargo, será necesario revenir el material para reducir la fragilidad. El grado de revenido viene determinado por la resistencia última requerida en la pieza. Además, si el material recibido es demasiado frágil, se puede tratar térmicamente mediante un nuevo revenido o un recocido para hacerlo más utilizable (dúctil).

• Mejora de las propiedades magnéticas

Muchos metales, incluidos el 316 o el 1008, tienden a adquirir magnetismo, que se mide como permeabilidad magnética. Esto se produce principalmente cuando los materiales en cuestión se endurecen por deformación mediante métodos como el mecanizado, el estampado, la conformación y el plegado. Además de adquirir magnetismo, existe un tipo específico de proceso de recocido que ayuda a reducir la permeabilidad magnética. Es importante llevarlo a cabo si la pieza tiene una aplicación en un entorno electrónico.

¿Qué metales pueden someterse a tratamiento térmico?

En el mundo del tratamiento térmico, los metales ferrosos representan la mayoría de los materiales tratados térmicamente. Alrededor del 80 % de los metales ferrosos tratados térmicamente corresponde a los distintos grados de acero. Otros ejemplos de metales ferrosos tratables térmicamente incluyen el acero inoxidable y el hierro fundido. Sin embargo, otros metales como el magnesio, el aluminio, el níquel, el titanio, el latón, las aleaciones de cobre y muchos más también son tratables térmicamente.

Tratamiento térmico del aluminio

El tratamiento térmico del aluminio ayuda a reforzar y endurecer un subconjunto específico de aleaciones de aluminio. Esto incluye aleaciones forjadas y de fundición que pueden endurecerse por precipitación. Estas aleaciones de aluminio endurecibles por precipitación incluyen los grados 2XXX, 6XXX, 7XXX y 8XXX. También puede ser necesario un recocido para las piezas que han sufrido endurecimiento por deformación durante su proceso de conformación.

El tratamiento térmico típico del aluminio incluye recocido, envejecimiento natural y artificial, homogeneización y tratamiento térmico de solución. Aunque el tratamiento térmico del aluminio difiere del de otros metales como el acero, la temperatura del horno puede oscilar entre 240 y 1000 °F según el proceso exacto que se utilice.

Tratamiento térmico del acero

Como se mencionó anteriormente, el metal ferroso más tratado térmicamente es el acero. El ajuste del contenido de carbono del acero es el tratamiento térmico más sencillo del acero. Esto ayuda a modificar las propiedades mecánicas del acero. Se realizan cambios adicionales mediante tratamiento térmico, por ejemplo, acelerando la velocidad de enfriamiento a través del punto de transformación de austenita a ferrita. Además, aumentar la velocidad de enfriamiento del acero perlítico (0,77 % de carbono) a unos 200 °C por minuto genera una DPH de aproximadamente 300, y el enfriamiento a 400 °C por minuto eleva la DPH a aproximadamente 400. El aumento de la dureza se atribuye a la formación de una microestructura de perlita y ferrita más fina que puede obtenerse durante un enfriamiento lento al aire ambiente.

En general, los procesos de tratamiento térmico de uso común para el acero incluyen recocido, temple, revenido, borurización, cementación, endurecimiento superficial, nitruración, descarburación, cianuración y muchos más. Sin embargo, no es necesario que todos los grados de acero pasen por todos los tratamientos térmicos mencionados, pero todo el acero debe tratarse.

Tratamiento térmico del acero inoxidable

Otro metal tratable térmicamente es el acero inoxidable. En el caso del acero inoxidable, generalmente se trata según el grado o el tipo de aleación. Los métodos de tratamiento térmico, como el endurecimiento, el alivio de tensiones y el recocido, ayudan a reforzar las propiedades de resistencia a la corrosión y ductilidad del acero inoxidable durante la fabricación. También ayudan a generar una estructura dura capaz de resistir la abrasión y las altas tensiones mecánicas.

El tratamiento térmico del acero inoxidable se realiza principalmente en condiciones controladas para evitar la descarburación, la carburización y el descascarillado en la superficie del acero inoxidable. Los métodos de tratamiento térmico de uso común para el acero inoxidable incluyen recocido (recocido por temple, recocido de proceso y recocido de estabilización), endurecimiento, alivio de tensiones y muchos más.

Tratamiento térmico del titanio

El titanio y sus aleaciones se someten a tratamiento térmico para reducir las tensiones residuales desarrolladas durante la fabricación (alivio de tensiones). Además, conduce a la producción de una combinación óptima de estabilidad dimensional y mecanizabilidad (recocido). Para aumentar la resistencia del titanio y su aleación se utilizan el tratamiento de solución y el envejecimiento. En lo que respecta al tratamiento térmico, las aleaciones de titanio se clasifican en aleaciones alfa, casi alfa, alfa-beta o beta.

• Si bien las aleaciones alfa y casi alfa de titanio pueden someterse a alivio de tensiones y recocido, la alta resistencia no puede desarrollarse mediante ningún tipo de tratamiento térmico
• Las aleaciones beta comerciales se consideran aleaciones de titanio beta metaestables. Cuando se exponen a determinadas temperaturas elevadas, la fase beta retenida se descompone y se produce el endurecimiento del material. Para obtener aleaciones beta, pueden combinarse el envejecimiento y el tratamiento de alivio de tensiones, mientras que el recocido y el tratamiento de solución pueden ser operaciones idénticas.
• Como su nombre indica, las aleaciones alfa-beta son aleaciones bifásicas que comprenden tanto la fase alfa como la fase beta. Parecen ser las más versátiles y comunes de las tres variedades de aleaciones de titanio.

Tratamiento térmico del cobre

El cobre como metal presenta un color agradable, pero las características más importantes del cobre son su alta conductividad térmica y eléctrica, su resistencia, su maquinabilidad, su buena resistencia a la corrosión, su carácter no magnético y su facilidad de fabricación. Los productos finales de la fabricación del cobre se describen generalmente como productos de fundición y de laminación. Estos pueden incluir cable e hilo, banda, barra, tubo, piezas fundidas, formas de pulvimetalurgia, chapa, placa, barras, forjados y más. Los productos mencionados se fabrican con cobre y sus aleaciones y pueden someterse a tratamiento térmico para una amplia variedad de fines.

Los métodos de tratamiento térmico más utilizados para el cobre incluyen la homogeneización, el alivio de tensiones, el recocido, el endurecimiento por precipitación y muchos más.

Métodos comunes de tratamiento térmico

Recocido

El recocido es un método de tratamiento térmico que consiste en calentar un metal hasta una temperatura determinada y luego enfriarlo a una velocidad lenta que produzca una microestructura refinada. Este proceso puede realizarse de forma total o parcial separando los constituyentes. Este método se utiliza habitualmente para ablandar un metal destinado al conformado en frío con el fin de mejorar sus características o propiedades, como la maquinabilidad, la conductividad eléctrica, la ductilidad y la tenacidad.

Resulta beneficioso para aliviar las tensiones del metal que surgen como consecuencia de procesos previos de conformado en frío. Durante la recristalización, la deformación plástica producida se elimina cuando la temperatura del metal supera la temperatura crítica superior.

Mediante este método de tratamiento térmico, las piezas a tratar pueden someterse a una amplia variedad de técnicas. Estas técnicas incluyen, entre otras, el recocido parcial, el recocido total, la recristalización y el recocido final.

Las aleaciones ferrosas pueden someterse a recocido de proceso o a recocido total. En este caso, el recocido de proceso implica una velocidad de enfriamiento más rápida, hasta la normalización inclusive, para producir una microestructura uniforme. El recocido total, en cambio, implica un enfriamiento lento para producir una forma de perlita gruesa.

En el caso de los metales no ferrosos, se someten mayoritariamente a una amplia variedad de métodos de recocido. Esto incluye el recocido parcial, el recocido total, el recocido de recristalización y el recocido final.

Normalización

La técnica de tratamiento térmico de normalización se utiliza cuando se requiere aliviar las tensiones internas. Estas tensiones pueden deberse a procesos como la fundición, la soldadura o el temple. Este proceso requiere calentar las piezas metálicas hasta una temperatura 40 °C superior a su temperatura crítica superior.

Otra utilidad de la normalización es proporcionar uniformidad en tamaño y composición cuando se va a crear una aleación. La normalización también puede aplicarse a aleaciones ferrosas austenitizadas que se han enfriado al aire libre.

Esta técnica resulta beneficiosa porque produce martensita, perlita e incluso bainita. Esto genera un acero más duro y resistente que el acero recocido. Es un hecho que el acero normalizado es más tenaz que cualquier acero tratado térmicamente. Por ello, las piezas que deben soportar grandes cargas externas o que tienen aplicaciones de resistencia al impacto siempre se normalizan. Esto ayudará a que la pieza cumpla con los requisitos exigidos para el proyecto.

Alivio de tensiones

Cuando algunas piezas se someten a procesos como conformado, laminado, enderezado o mecanizado, se generan tensiones internas específicas en la pieza. Para aliviar estas tensiones internas se utiliza la técnica de tratamiento térmico de alivio de tensiones.

La técnica de tratamiento térmico de alivio de tensiones se utiliza para reducir o eliminar las tensiones acumuladas en una pieza debido a actividades técnicas previas realizadas sobre ella. Se realiza principalmente calentando las piezas hasta una temperatura inferior a la temperatura crítica y luego enfriándolas de forma uniforme.

La técnica de tratamiento térmico de alivio de tensiones se aplica a elementos como calderas, tanques de aire, recipientes a presión y muchos más.

Envejecimiento

El envejecimiento también se conoce como endurecimiento por precipitación. Esta técnica de tratamiento térmico es conocida principalmente por su aplicación en el aumento del límite elástico de metales maleables. El mecanismo de acción de esta técnica produce partículas uniformemente dispersas dentro de la estructura granular del metal que dan lugar a cambios en las propiedades.

Tras la técnica de tratamiento térmico que alcanza altas temperaturas viene el endurecimiento por precipitación. El envejecimiento, por su parte, solo eleva la temperatura hasta un nivel óptimo y la reduce rápidamente de nuevo.

Mientras que algunos metales envejecen de forma natural (a temperatura ambiente), otros envejecen de forma artificial, es decir, a temperaturas elevadas. Es muy sencillo almacenar los metales de envejecimiento natural a temperaturas más bajas. En algunas aplicaciones, las aleaciones de envejecimiento natural se conservan en el congelador para evitar su endurecimiento hasta el momento de su uso. Entre las aleaciones que pueden someterse a endurecimiento por precipitación se incluyen las de aluminio (series 2000, 6000 y 7000), las de acero (acero maraging) y muchas más.

Temple

El temple o endurecimiento por temple consiste en calentar las piezas por encima de su temperatura crítica superior y devolver rápidamente su temperatura a la ambiente. El retorno a la temperatura ambiente se realiza sumergiendo el metal caliente en aceite, salmuera, un polímero disuelto en agua u otro líquido adecuado para endurecer la estructura por completo. Este proceso se lleva a cabo de forma rápida. El temple se aplica tanto a aleaciones férreas como no férreas. Mientras que los metales no férreos producen piezas más blandas de lo normal, las aleaciones férreas producen una pieza más dura.

La dureza por temple de la pieza deseada depende del método de temple empleado y de la composición química del metal. El temple se aplica a metales férreos, como el hierro y el acero, y a metales no férreos, como las aleaciones de níquel, cobre, aluminio y muchas más. Sin embargo, la mayoría de los metales no férreos producen un efecto contrario cuando se templan. Entre estos materiales se encuentran el aluminio, el cobre o el níquel y el acero inoxidable austenítico como el 316 y el 304.

Endurecimiento

En el ámbito del tratamiento térmico, el endurecimiento es la técnica más habitual para aumentar la dureza de las piezas. En algunas situaciones, solo se endurece la superficie de estas piezas.

Para ello, la pieza destinada al tratamiento térmico se endurece mediante tratamiento térmico hasta una temperatura especificada y después se enfría rápidamente sumergiéndola en un medio de enfriamiento. Los medios de enfriamiento que se pueden utilizar incluyen, entre otros, salmuera, agua o aceite. El producto final del tratamiento térmico por endurecimiento aumentará la resistencia y la dureza; sin embargo, la fragilidad del material aumentará al mismo tiempo.

Un tipo de proceso de endurecimiento es el endurecimiento superficial, en el que solo las piezas metálicas presentan dureza en la capa exterior. Esto significa que la pieza resultante tendrá un núcleo más blando pero una capa exterior más dura. Esta dureza de la capa exterior es habitual en los ejes, ya que protege su capa externa del desgaste del material.

Revenido

El revenido es una técnica de tratamiento térmico que se utiliza para aumentar la resiliencia de las aleaciones base hierro, como el acero. Aunque las aleaciones base hierro presentan un alto nivel de dureza, a menudo son demasiado frágiles para la mayoría de las aplicaciones. Por ello, el revenido se emplea para modificar la ductilidad, la dureza, la resistencia y la fragilidad y facilitar así el mecanizado. Para ello, la pieza se somete a un tratamiento térmico por debajo del punto crítico, ya que una temperatura más baja reduce la fragilidad mientras mantiene la dureza de la pieza. Por otro lado, si se requiere una mayor plasticidad con menor dureza y resistencia, se necesita una temperatura más alta.

Otro enfoque consiste en adquirir piezas ya endurecidas o endurecer la pieza antes del mecanizado. A diferencia de un tratamiento posterior al mecanizado, puede resultar difícil de mecanizar, pero elimina el riesgo de cambios en las dimensiones de la pieza. Este proceso también ayuda a eliminar la necesidad de un taller de rectificado para obtener tolerancias o acabados ajustados.

Descarburación

La descarburación consiste en la eliminación del carbono de la superficie de las piezas deseadas, ya sea mediante el proceso normal de oxidación por envejecimiento o mediante la aplicación de calor. Es un fenómeno de degradación superficial en el tratamiento térmico y la forja del acero. También puede describirse como un proceso metalúrgico en el que la superficie del acero se empobrece de su contenido en carbono. Esto se logra principalmente mediante acción química o calentando la pieza de acero por encima de la temperatura crítica inferior.

El contenido de carbono del metal influye en su dureza. Durante el proceso de descarburación, el carbono se difunde desde la superficie del metal, lo que debilita el metal. Aunque el proceso reduce la resistencia del metal, también aumenta la deformación por cizallamiento por debajo de la superficie del metal. Asimismo, disminuye la resistencia a la fatiga mientras aumentan la tasa de desgaste y el crecimiento de grietas.

Proceso habitual de tratamiento térmico

Existe una amplia variedad de técnicas de tratamiento térmico utilizadas en el ámbito de la fabricación. Cada técnica de tratamiento térmico tiene resultados diferentes, pero comparten pasos comunes, entre ellos:

• Calentamiento
• Mantenimiento a temperatura
• Enfriamiento

Calentamiento

En la mayoría de los procesos de tratamiento térmico, el calentamiento es el primer paso. Muchas de las aleaciones tratables térmicamente cambian su estructura cuando se calientan a una temperatura específica. A temperatura ambiente, la estructura de una aleación puede ser una solución sólida, una mezcla mecánica o una combinación de mezcla mecánica y solución sólida.

Por ejemplo, una mezcla mecánica puede compararse con el hormigón, del mismo modo que la arena y la grava se mantienen unidas en una sola pieza mediante el cemento. Asimismo, en una mezcla mecánica, los elementos y compuestos son visibles y están unidos por una matriz de metales base.

Se denomina solución sólida a aquella en la que dos o más metales se absorben en otro para formar una sola pieza. Por lo tanto, cuando una aleación está en forma de solución sólida, los elementos y compuestos que constituyen la pieza se absorben entre sí.

A temperatura ambiente, el metal en su mezcla mecánica pasa a una solución parcial, o solución sólida, cuando se calienta. Durante este proceso, las propiedades químicas y la composición de la pieza pueden alterarse en tamaño de grano y estructura. Existe la posibilidad de que la aleación acabe en uno de los tres estados explicados anteriormente, según la técnica empleada.

Mantenimiento a temperatura

Esta etapa también se considera la etapa de mantenimiento: el metal sometido a tratamiento térmico se mantiene a la temperatura requerida. El metal debe permanecer a esta temperatura hasta que el calor se distribuya de manera uniforme, lo que se denomina mantenimiento a temperatura. La duración del tiempo que permanecerá a esta temperatura depende de los requisitos. Por ejemplo, cuanto mayor sea la masa de la pieza, más tiempo tardará en alcanzar el mantenimiento a temperatura. Otro factor que afecta la duración es el tipo de material.

Enfriamiento

Una vez que la pieza se ha mantenido correctamente a temperatura, el siguiente paso es enfriarla. Aquí, la estructura de la pieza puede experimentar cambios de una composición química a otra, puede volver a su forma original o permanecer igual. Según la velocidad de enfriamiento y el tipo de metal, un metal en solución sólida puede mantenerse igual durante el enfriamiento, transformarse en una combinación de los dos o convertirse en una mezcla mecánica. Es un hecho interesante que el resultado es predecible, por lo que se prevé que la pieza acabe como se espera.

En consecuencia, se puede lograr que una amplia variedad de metales adopte estructuras específicas para aumentar su tenacidad, dureza, resistencia a la tracción, ductilidad y muchas otras propiedades.

Equipo necesario para el tratamiento térmico

Para obtener un proceso de tratamiento térmico exitoso, se requiere un control estricto de todos los factores que afectan el calentamiento y el enfriamiento de la pieza. Este control solo es posible cuando se dispone del equipo adecuado y este se ajusta correctamente a los requisitos del proyecto. Por lo tanto, el horno que se utilice debe ser del tipo y tamaño adecuados, y en él la temperatura debe controlarse y mantenerse dentro de los límites prescritos para cada operación.

Además, la condición atmosférica dentro del horno puede afectar el estado de las piezas que se van a tratar térmicamente. Asimismo, el medio de temple y el equipo de temple deben elegirse en función del material utilizado y del proceso de tratamiento térmico. Por último, debe preverse equipo para la manipulación de piezas y materiales, el enderezado de piezas y la limpieza de metales. A continuación se presentan los diferentes tipos de hornos requeridos para el proceso de tratamiento térmico:

• Horno por lotes: compuesto por cámaras aisladas con un sistema de calentamiento, una carcasa de acero y acceso a la cámara.
• Horno de campana: compuesto por cubiertas desmontables llamadas campanas, que pueden descenderse sobre la carga y el solera mediante una grúa.
• Horno de cámara: en su mayoría se han actualizado a un horno por lotes semicontinuo con características que incluyen cámaras de enfriamiento lento y tanques de temple integrados.
• Horno de vagoneta: también conocido como horno de solera móvil, es un horno por lotes extremadamente grande con una vagoneta aislada móvil que puede entrar y salir del horno.
• Horno de elevador: la solera y la vagoneta se desplazan hasta su posición bajo el horno, a diferencia del horno de vagoneta.
• Horno de lecho fluidizado: compuesto por una retorta cilíndrica fabricada con una aleación para altas temperaturas.
• Horno de fosa: el horno se construye en una fosa y se extiende hasta el nivel del suelo o ligeramente por encima.
• Horno de baño de sales: utiliza una variedad de sales para el tratamiento térmico.

Resumen

En conclusión, el tratamiento térmico es una forma de utilizar técnicas controladas de calentamiento y enfriamiento para modificar las propiedades físicas de los metales y mejorarlos. Como resultado, dichos metales adquieren la capacidad de utilizarse en una amplia variedad de industrias. Además, el tratamiento térmico es una parte esencial del proceso de mecanizado de precisión para transformar las piezas y garantizar que sus piezas funcionen según lo esperado en sus proyectos.