Tratamiento térmico de metales: Todo lo que debe saber

Los usuarios de metales en la industria manufacturera han aprendido a mejorar una gran variedad de metales. En la mayoría de los casos, esto se hace para adaptar sus propiedades a la tarea que se va a realizar. mecanizado de precisión.

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

Como indica el tema de este artículo, éste se centra en todo lo que necesita saber sobre el tratamiento térmico de los metales.

Qué es el tratamiento térmico de los metales

El tratamiento térmico es un proceso general de uso de operaciones de calentamiento y enfriamiento en varios niveles para alterar las propiedades físicas de metales (microestructura) como el acero, el aluminio y muchos más. El objetivo principal de este tratamiento es mejorar las propiedades físicas y estructurales del metal para un uso específico o un trabajo futuro.

Hay una gran variedad de procesos de tratamiento térmico, entre los que se incluyen la cementación en caja, el recocido, el revenido, la descarburación, la normalización, la cementación en caja, el envejecimiento y el temple, entre otros. Aunque cada uno de estos tratamientos térmicos produce resultados diferentes en el metal, todos implican tres pasos básicos. Estos pasos incluyen el calentamiento, el remojo y el enfriamiento.

Ventajas del tratamiento térmico de metales

En el mundo de la fabricación se suele utilizar el tratamiento térmico de metales, que es un proceso de calentamiento y enfriamiento controlado con precisión. El tratamiento térmico no sólo endurece el metal, sino que también lo ablanda. El ablandamiento permite que los metales puedan someterse a operaciones de trabajo como la forja en frío, el mecanizado, la embutición profunda y muchas más. Los beneficios del tratamiento térmico del metal son los siguientes:

• Mejora de la maquinabilidad o trabajabilidad:

El tratamiento térmico ayuda a mejorar la fabricabilidad de un metal. Esto se consigue eliminando las tensiones internas de procesos de fabricación anteriores como el trabajo en caliente, el trabajo en frío, el mecanizado, la soldadura y el estampado. Por ejemplo, si un metal es muy duro para doblarlo o mecanizarlo, puede someterse a recocido o alivio de tensiones. Esto ayudará a reducir la dureza de dicho material. Si un material se deforma al mecanizarlo, para evitar que se deforme, se puede someter a recocido o alivio de tensiones. El tratamiento térmico mediante inducción o llama también puede utilizarse para ablandar una zona específica del metal, dejando intacta la parte restante del metal.

• Mejora de la durabilidad y la resistencia al desgaste

Existen varios procesos de tratamiento térmico. Algunos de estos procesos 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 (cementación en caja) o en el interior (endurecimiento pasante). Esto se hace para que el material sea más fuerte, más duradero, más duro y más resistente al desgaste. Este método es el más utilizado para aumentar la durabilidad de los aceros baratos, como el 1018 o el A-36.

El endurecimiento localizado puede realizarse por inducción o por llama. Esto también puede ayudar 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 para reducir la distorsión.

• Mejora de la resistencia y la fuerza

La dureza y la resistencia son un compromiso, ya que aumentar la resistencia medida por la dureza puede ayudar a reducir la dureza e introducir fragilidad. Por consiguiente, el tratamiento térmico puede afectar a la resistencia a la tracción, el límite elástico y la tenacidad a la fractura. El endurecimiento o la cementación en caja ayudarán a aumentar la resistencia del material. Sin embargo, será necesario retractilar o templar el material para reducir la fragilidad. El grado de revenido viene determinado por la resistencia final requerida en la pieza. Además, si el material recibido es demasiado quebradizo, puede someterse a un tratamiento térmico de retemplado o recocido para hacerlo más utilizable (dúctil).

• Mejora de las propiedades magnéticas

Muchos metales, incluidos el 316 o el 1008, tienden a ganar magnetismo, que se mide como permeabilidad magnética. Esto se consigue sobre todo cuando los materiales en cuestión se endurecen mediante métodos como el mecanizado, el estampado, el conformado y el doblado. Además de ganar magnetismo, hay un tipo específico de proceso de recocido que ayuda a reducir la permeabilidad magnética. Esto es importante si la pieza se va a utilizar en un entorno electrónico.

¿Qué metales pueden someterse a tratamiento térmico?

En el mundo del tratamiento térmico, los metales ferrosos representan la mayor parte de los materiales tratados térmicamente. Alrededor del 80% de los metales férricos tratados térmicamente son los distintos grados de acero. Otros ejemplos de metales ferrosos que pueden someterse a tratamiento térmico son el acero inoxidable y el hierro fundido. Sin embargo, otros metales como el magnesio. Aluminio, níquel, titanio, latón, aleaciones de cobre y muchos más son tratables térmicamente.

Tratamiento térmico Aluminio

Tratamiento térmico de aluminio ayuda a fortalecer y endurecer un subconjunto específico de aleaciones de aluminio. Esto incluye aleaciones forjadas y fundidas que son endurecibles por precipitación. Estas aleaciones de aluminio endurecibles por precipitación incluyen los grados 2XXX, 6XXX, 7XXX y 8XXX. El recocido también puede ser necesario para piezas que han sufrido endurecimiento por deformación en su proceso de conformado.

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

Tratamiento térmico del acero

Como ya se ha mencionado, el metal férreo más tratado térmicamente es acero. El ajuste del contenido de carbono del acero es el tratamiento térmico más sencillo del acero. Esto ayuda a cambiar las propiedades mecánicas del acero. Los cambios adicionales se realizan mediante el tratamiento térmico, por ejemplo, acelerando la velocidad de enfriamiento a través del punto de transformación de austenita en ferrita. Asimismo, el aumento de la velocidad de enfriamiento del acero perlítico (0,77% de carbono) a unos 200oC por minuto genera una DPH de unos 300, y el enfriamiento a 400oC por minuto eleva la DPH a unos 400. El aumento de la dureza se atribuye a la formación de una microestructura de perlita y ferrita más fina que puede obtenerse durante el enfriamiento lento con aire ambiente.

En general, los procesos de tratamiento térmico del acero más utilizados son el recocido, el temple, el revenido, el boronizado, el carburizado, la cementación, la nitruración, la descarburación, el endurecimiento por cianuro y muchos más. Sin embargo, no todos los tipos de acero deben someterse a todos los tratamientos térmicos mencionados, pero sí todos los aceros.

Tratamiento térmico Acero inoxidable

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

El tratamiento térmico del acero inoxidable se realiza principalmente en condiciones controladas para evitar la descarburación, la carburación y la formación de incrustaciones en la superficie del acero inoxidable. Los métodos de tratamiento térmico del acero inoxidable más utilizados son el recocido (recocido de enfriamiento rápido, recocido de proceso y recocido estabilizador), el endurecimiento, el alivio de tensiones y muchos más.

Tratamiento térmico Titanio

Titanio y sus aleaciones se someten a un tratamiento térmico para reducir las tensiones residuales desarrolladas durante la fabricación (Alivio de tensiones). Además, permite obtener una combinación óptima de estabilidad dimensional y maquinabilidad (recocido). Para aumentar la resistencia del titanio y sus aleaciones se utilizan el tratamiento por disolución 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.

• Aunque las aleaciones de titanio alfa y casi alfa pueden someterse a tratamientos de distensión y recocido, su elevada resistencia no puede desarrollarse mediante ningún tipo de tratamiento térmico.
• Las aleaciones Beta comerciales se consideran aleaciones Beta metaestables de titanio. Cuando se exponen a temperaturas elevadas seleccionadas, la fase Beta retenida se descompone y se produce el fortalecimiento del material. Para obtener aleaciones Beta, pueden combinarse el envejecimiento y el tratamiento de alivio de tensiones, mientras que el recocido y el tratamiento en solución pueden ser operaciones idénticas.
• Como su nombre indica, las aleaciones Alfa-Beta son aleaciones bifásicas que comprenden las fases Alfa y Beta. Parecen ser las más versátiles y comunes de las tres variedades de aleaciones de titanio.

Tratamiento térmico Cobre

El cobre como metal presenta un color agradable, pero las características más importantes del cobre son su alta conductividad térmica y eléctrica, su solidez, su maquinabilidad, su buena resistencia a la corrosión, su amagnetismo y su facilidad de fabricación. Los productos finales de la fabricación del cobre se describen generalmente como productos de fundición y laminación. Entre ellos se incluyen cables y alambres, tiras, varillas, tubos, piezas de fundición, formas pulvimetalúrgicas, chapas, placas, barras, piezas forjadas y mucho más. Estos productos se fabrican con cobre y sus aleaciones y pueden someterse a tratamientos térmicos para una gran 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 habituales de tratamiento térmico

Recocido

El recocido es un método de tratamiento térmico que consiste en calentar un metal a una temperatura determinada y, a continuación, enfriar el mismo metal a una velocidad lenta que produzca una microestructura refinada. Este proceso puede realizarse total o parcialmente separando los constituyentes. Este método suele utilizarse para ablandar un metal para trabajarlo en frío con el fin de mejorar sus características o propiedades, como la maquinabilidad, la conductividad eléctrica, la ductilidad y la tenacidad.

Es beneficioso para aliviar las tensiones en el metal que surgen como resultado de procesos previos de trabajo en frío. Durante la recristalización, la deformación plástica que se produjo se elimina cuando la temperatura del metal cruza la temperatura crítica superior.

Utilizando este método de tratamiento térmico, las piezas a tratar térmicamente pueden pasar por una gran variedad de técnicas. Estas técnicas incluyen, entre otras, el recocido parcial, el recocido completo, la recristalización y el recocido final.

Las aleaciones ferrosas pueden someterse a un recocido de proceso o a un recocido completo. En este caso, el recocido de proceso implica una velocidad de enfriamiento más rápida hasta e incluyendo la normalización para producir una microestructura uniforme. Por otro lado, el recocido completo implica un enfriamiento lento para producir una forma de perlita gruesa.

En el caso de los metales no férreos, la mayoría se someten a una gran variedad de métodos de recocido. Estos incluyen el recocido parcial, el recocido completo, el recocido de recristalización y el recocido final.

Normalización

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

Otra utilidad del normalizado es proporcionar uniformidad de tamaño y composición cuando se va a crear una aleación. El normalizado también puede utilizarse para aleaciones ferrosas austenitizadas que se han enfriado al aire libre.

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

Alivio del estrés

Cuando algunas piezas se someten a procesos como el conformado, el laminado, el enderezado o el mecanizado, se producen tensiones internas específicas en la pieza. Para aliviar esta tensión interna, 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 que se han acumulado en una pieza debido a actividades técnicas previas realizadas en dichas piezas. Suele realizarse calentando las piezas a una temperatura inferior a la temperatura crítica y enfriándolas después uniformemente.

La técnica de tratamiento térmico de alivio de tensiones se utiliza en calderas, depósitos de aire, recipientes a presión y muchos otros productos.

Envejecimiento

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

Tras la técnica de tratamiento térmico que alcanza altas temperaturas viene el endurecimiento por precipitación. En cambio, el envejecimiento solo eleva la temperatura hasta un nivel óptimo y la vuelve a bajar rápidamente.

Mientras que algunos metales envejecen de forma natural (a temperatura ambiente), otros lo hacen artificialmente, es decir, a temperaturas elevadas. Es muy fácil almacenar metales que envejecen de forma natural a temperaturas más bajas. En algunas aplicaciones, las aleaciones que envejecen de forma natural se guardan en el congelador para evitar que se endurezcan hasta el momento de su uso. Entre las aleaciones que pueden sufrir endurecimiento por precipitación se incluyen las aleaciones de aluminio (series 2000, 6000 y 7000), acero (acero martensítico envejecido) y muchas más.

Enfriamiento

El temple o endurecimiento por enfriamiento rápido consiste en calentar las piezas por encima de su temperatura crítica superior para que vuelvan rápidamente a la temperatura ambiente. El retorno a la temperatura ambiente se realiza colocando el metal caliente en aceite, salmuera, un polímero disuelto en agua u otro líquido adecuado para endurecer la estructura por completo. Este proceso se realiza en estado rápido. El temple se realiza tanto para aleaciones férricas como para aleaciones no férricas. Mientras que el metal no ferroso produce piezas más blandas de lo normal, las aleaciones ferrosas producen una pieza más dura.

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

Endurecimiento

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

Para ello, la pieza deseada para el tratamiento térmico se endurece mediante tratamiento térmico a una temperatura especificada y, a continuación, se enfría rápidamente introduciéndola en un medio refrigerante. El medio de enfriamiento a utilizar incluye y no se limita a 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 simultáneamente.

Un tipo de proceso de endurecimiento es la cementación en caja, en el que sólo 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 porque protege su capa exterior del desgaste del material.

Templado

El revenido es una técnica de tratamiento térmico utilizada para aumentar la resistencia de las aleaciones con base de hierro, como el acero. Aunque las aleaciones con base de hierro presentan un alto nivel de dureza, suelen ser demasiado quebradizas para la mayoría de las aplicaciones. En consecuencia, el revenido se utiliza para alterar la ductilidad, dureza, resistencia y fragilidad para facilitar su 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 manteniendo la dureza de la pieza. Por el contrario, si se desea aumentar la plasticidad con menos dureza y resistencia, se requiere una temperatura más alta.

Otra solución consiste en adquirir piezas ya templadas o templar la pieza antes de mecanizarla. A diferencia de un proceso de tratamiento posterior al mecanizado, puede resultar difícil de mecanizar, pero elimina el riesgo de cambios en el tamaño de la pieza. Este proceso también ayuda a eliminar la necesidad de un taller de rectificado para obtener tolerancias o acabados ajustados.

Descarburización

La descarburación consiste en la eliminación del carbono de la superficie de las piezas deseadas, ya sea mediante el proceso normal de envejecimiento por oxidación o aplicando calor. Es un fenómeno de degradación de la superficie en el tratamiento térmico y la forja del acero. También puede describirse como un proceso metalúrgico en el que la superficie del acero pierde su contenido de carbono. Esto se hace principalmente por 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 provoca su debilitamiento. Aunque el proceso reduce la resistencia del metal, también aumenta la deformación por cizallamiento bajo la superficie del metal. También disminuye la resistencia a la fatiga, al tiempo que aumentan la tasa de desgaste y el crecimiento de grietas.

Proceso común de tratamiento térmico

Hay una gran variedad de técnicas de tratamiento térmico utilizadas en el sector de la fabricación. Cada una de las técnicas de tratamiento térmico tiene resultados diferentes, pero tienen pasos comunes que incluyen:

• Calefacción
• En remojo
• Refrigeración

Calefacción

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

Por ejemplo, una mezcla mecánica puede compararse al hormigón, ya que la arena y la grava se mantienen unidas en una sola pieza gracias al cemento. Del mismo modo, en una mezcla mecánica, los elementos y compuestos son visibles y se mantienen unidos por una matriz de metales comunes.

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

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

En remojo

Esta fase también se considera la fase de mantenimiento, en la que 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 uniformemente, lo que se denomina remojo. La duración del tiempo que pasará a esta temperatura depende de los requisitos. Por ejemplo, cuanto mayor sea la masa de la pieza, más tiempo tardará en remojarse. Otro factor que influye en la duración es el tipo de material.

Refrigeración

Una vez que la pieza se ha empapado correctamente, el siguiente paso es enfriarla. Aquí, la estructura de la pieza puede sufrir cambios de una composición química a otra, puede volver a su forma original o permanecer igual. Dependiendo de la velocidad de enfriamiento y del tipo de metal, un metal sólido en solución puede permanecer igual durante el enfriamiento, cambiar a una combinación de los dos, o cambiar a una mezcla mecánica. Es un hecho interesante que el resultado sea predecible, por lo que se prevé que la pieza acabe como se espera.

Por consiguiente, una gran variedad de metales pueden ajustarse a estructuras específicas para aumentar su tenacidad, dureza, resistencia a la tracción, ductilidad, y muchas más.

Equipo necesario para el tratamiento térmico

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

Además, las condiciones atmosféricas dentro del horno pueden afectar al estado de las piezas que se van a tratar térmicamente. Además, el medio de temple y el equipo de temple deben elegirse en función del material utilizado y del proceso de tratamiento térmico. Por último, hay que prever equipos para la manipulación de piezas y materiales, el enderezado de piezas y la limpieza de metales. A continuación se indican los distintos tipos de hornos necesarios para el proceso de tratamiento térmico:

• Horno discontinuo: compuesto por cámaras aisladas dotadas de un sistema de calentamiento, una envoltura de acero y un acceso a la cámara.
• Horno de campana: formado por cubiertas desmontables denominadas campanas que pueden bajarse sobre la carga y el hogar mediante una grúa.
• Horno de caja: la mayoría se ha convertido en un horno discontinuo semicontinuo con cámaras de enfriamiento lento y cubas de enfriamiento integradas.
• Horno de vagoneta: también llamado horno de vagoneta, es un horno discontinuo de grandes dimensiones con una vagoneta aislada móvil que puede entrar y salir del horno.
• Horno de elevador: la solera y la vagoneta se colocan debajo del horno, a diferencia del horno de vagoneta.
• Horno de lecho fluidizado: formado por retortas cilíndricas fabricadas con aleaciones de alta temperatura.
• Horno de cuba: el horno se construye en una cuba y se extiende hasta el nivel del suelo o ligeramente por encima.
• Horno de baño salino: utiliza una variedad de sal para el tratamiento térmico

Resumen

En conclusión, el tratamiento térmico es una forma de utilizar técnicas controladas de calentamiento y enfriamiento para alterar las propiedades físicas de los metales con el fin de mejorarlos. Gracias a ello, estos metales pueden utilizarse en una gran variedad de industrias. Además, el tratamiento térmico es una parte esencial del proceso de mecanizado de precisión para transformar piezas y garantizar que sus piezas rindan como se espera de ellas para sus proyectos.