Tratamiento Térmico del Acero

El tratamiento térmico es un proceso que implica calentar y enfriar un metal en estado sólido para modificar sus propiedades físicas. En el caso del acero, el tratamiento térmico consiste en calentarlo a una temperatura específica, mantenerlo a esa temperatura durante un tiempo determinado para formar la estructura deseada y luego enfriarlo a una velocidad controlada. Estos procesos permiten modificar la microestructura del material, mejorando su rendimiento y garantizando su calidad.

Factores Temperatura-Tiempo

La combinación de temperatura y tiempo en el tratamiento térmico permite modificar la estructura interna de los metales, logrando:

• Mejor dureza y maquinabilidad.
• Eliminación de tensiones internas y prevención de deformaciones.
• Estructura más homogénea.
• Máxima dureza y resistencia.
• Variación de propiedades físicas.

Aleaciones de Acero

Las propiedades de las aleaciones de acero se deben a la presencia de elementos adicionales al carbono, como níquel (Ni), cromo (Cr), manganeso (Mn), molibdeno (Mo), tungsteno (W), silicio (Si), vanadio (V) y cobre (Cu). El diagrama de equilibrio Fe-Fe3C muestra las temperaturas a las que ocurren los cambios de fase (cambios en la estructura cristalina) en función de la composición del material.

Aceros al Carbono

Los aceros al carbono son aleaciones de hierro y carbono con un contenido de carbono de hasta el 2%. En el diagrama Fe-Fe3C, los hierros fundidos o fundiciones de hierro tienen un contenido de carbono entre el 2% y el 6,67%.

Temperatura de Austenización

La temperatura de austenización varía según la concentración de carbono en el acero. Como regla general, se elige una temperatura 50 °C por encima de la temperatura crítica correspondiente a la composición de la aleación. El tiempo de austenización depende de la temperatura elegida y la concentración de carbono, ya que la austenita resultante debe ser homogénea en concentración.

Diagrama Hierro-Carbono

El diagrama hierro-carbono muestra las fases presentes en las aleaciones hierro-carbono enfriadas lentamente a diferentes temperaturas y composiciones. Es una herramienta útil para determinar cómo, cuándo y en qué condiciones realizar un tratamiento térmico y los resultados esperados.

Formas Alotrópicas del Hierro

El hierro es un metal alotrópico, lo que significa que puede existir en diferentes estructuras cristalinas según la temperatura. Las formas alotrópicas del hierro son:

• Variedad α (Fe-α): estable hasta los 768 °C, con estructura cristalina BCC (cúbica centrada en el cuerpo) y baja solubilidad de carbono.
• Variedad β (Fe-β): estable entre 768 °C y 910 °C, con estructura cristalina FCC (cúbica centrada en las caras) y similar al hierro α, pero no magnético.
• Variedad ϒ (Fe-ϒ): estable entre 910 °C y 1.394 °C, con estructura cristalina BCC y alta solubilidad de carbono (hasta el 2,11%). Es diamagnético (débilmente magnético).
• Variedad δ (Fe-δ): estable entre 1.394 °C y 1.538 °C, con estructura cristalina BCC y baja solubilidad de carbono (hasta el 0,1%). No tiene aplicaciones siderúrgicas.

A partir de 1.538 °C, el hierro comienza a fundirse.

Constituyentes del Acero

Los constituyentes del acero son las diferentes fases que se forman en función de la composición (Fe y C) y la temperatura. Los más importantes son:

• Austenita: solución sólida de carbono en hierro ϒ (hasta 2,11% de C). No se encuentra a temperatura ambiente. Es blanda, deformable, tenaz, resistente al desgaste, densa y no magnética. Presenta una estructura FCC y comienza a formarse a 727 °C.
• Ferrita: solución sólida de carbono en hierro α. Es el constituyente más blando del acero, con baja solubilidad de carbono (menos de 0,008%).
• Cementita: carburo de hierro (Fe3C). Es el constituyente más duro y frágil del acero (6,67% C).
• Perlita: microconstituyente eutectoide formado por ferrita (88,7%) y cementita (11,3%). El contenido de carbono de la aleación es de 0,77% C.
• Ledeburita: aleación eutéctica con un contenido de 4,3% C, compuesta por austenita y cementita. Es propia de las fundiciones.

Fundiciones

Las fundiciones se clasifican en hipoeutécticas e hipereutécticas. Se expanden al fundirse y verterse en un molde. En las fundiciones enfriadas lentamente, el carbono sobrante se expulsa como cementita, formando fundición blanca. Si el enfriamiento es más rápido, el carbono se expulsa como grafito, formando fundiciones negras o grises.

Tipos de Tratamientos Térmicos

Tratamientos Termo-físicos

Los tratamientos termo-físicos modifican la estructura cristalina del material sin alterar su composición química, confiriéndole características mecánicas específicas. Implican procesos de calentamiento y enfriamiento periódicos hasta obtener la estructura cristalina deseada. Los tratamientos más comunes son:

• Temple
• Recocido
• Revenido
• Normalizado

Tratamientos Termo-químicos

Los tratamientos termo-químicos modifican tanto la estructura como la composición química de la capa superficial del material. Se basan en la difusión en estado sólido y en el medio o atmósfera que rodea al metal durante el calentamiento y enfriamiento. Los tratamientos más comunes son:

• Cementación
• Nitruración
• Carbonitruración
• Cianuración
• Sulfinización

Tratamientos Isotérmicos

Los tratamientos isotérmicos interrumpen o modifican el enfriamiento de las piezas a diferentes temperaturas durante ciertos intervalos, manteniendo el material a temperatura constante durante un tiempo determinado. Los más conocidos son:

• Martempering
• Austempering

Tratamientos Térmicos Específicos

Temple

El temple es un proceso de calentamiento seguido de un enfriamiento rápido (a una velocidad mínima llamada «crítica») para aumentar la dureza y resistencia mecánica del acero. El objetivo es transformar toda la masa en austenita con el calentamiento y luego, mediante un enfriamiento rápido, convertir la austenita en martensita, el constituyente típico de los aceros templados.

Factores que Influyen en el Temple

• Tamaño de la pieza: a mayor espesor, mayor duración del ciclo de calentamiento y enfriamiento.
• Composición química del acero: los elementos de aleación facilitan el temple.
• Tamaño del grano: influye en la velocidad crítica del temple; el grano grueso tiene mayor templabilidad.
• Medio de enfriamiento: el más adecuado es aquel que consiga una velocidad de temple ligeramente superior a la crítica. Los medios más utilizados son aire, aceite, agua, plomo fundido, mercurio fundido, sales fundidas y polímeros hidrosolubles.

Recocido

El recocido es un tratamiento que ablanda el material, regenera su estructura o elimina tensiones internas. Existen diferentes tipos de recocido:

• Recocidos de austenización completa: calentamiento a una temperatura ligeramente superior a la crítica superior, seguido de un enfriamiento muy lento para ablandar el acero y regenerar su estructura.
• Recocidos de austenización incompleta: calentamientos prolongados a temperaturas intermedias entre la crítica superior y la inferior, seguidos de un enfriamiento lento para obtener la menor dureza posible y facilitar el mecanizado.
• Recocidos subcríticos: calentamiento por debajo de la temperatura crítica inferior, sin importancia en la velocidad de enfriamiento, para eliminar tensiones internas y aumentar la ductilidad.

Revenido

El revenido disminuye la dureza y resistencia de los aceros templados, elimina las tensiones creadas en el temple y mejora la tenacidad, dejando el acero con la dureza o resistencia deseada. Se realiza a temperaturas entre 175 °C y 705 °C, durante tiempos de 30 minutos a 4 horas.

Normalizado

El normalizado se realiza calentando el acero a una temperatura unos 100 °C superior a la crítica, manteniéndolo a esa temperatura y luego dejándolo enfriar al aire tranquilo. La velocidad de enfriamiento es más lenta que en el temple y más rápida que en el recocido. Se consigue afinar y homogeneizar la estructura, mejorar la maquinabilidad, y mejorar la respuesta del acero en una operación de endurecimiento por temple.

Cementación

La cementación endurece la superficie externa del acero al bajo carbono, dejando el núcleo blando y dúctil.

Nitruración

La nitruración aumenta el contenido de nitrógeno en la superficie del acero, produciendo gran dureza superficial, mayor resistencia al desgaste, a la fatiga, a la corrosión y al ablandamiento por revenido.

Carbonitruración

La carbonitruración combina la absorción de carbono y nitrógeno para obtener dureza superficial en aceros de bajo carbono que no reaccionan al tratamiento térmico ordinario.

Sulfinización

La sulfinización añade una pequeña capa superficial de azufre, nitrógeno y carbono a la pieza, aumentando su resistencia al desgaste y favoreciendo su lubricación.