Los metalúrgicos suelen idear programas complejos de tratamiento térmico, o «ciclos», para optimizar las propiedades mecánicas de una aleación. En la industria aeroespacial, una superaleación puede someterse a cinco o más operaciones diferentes de tratamiento térmico para desarrollar las propiedades deseadas. Esto puede dar lugar a problemas de calidad en función de la precisión de los controles de temperatura del horno y del temporizador. Estas operaciones suelen dividirse en varias técnicas básicas.
RecalentamientoEditar
El recocido consiste en calentar un metal hasta una temperatura específica y luego enfriarlo a una velocidad que produzca una microestructura refinada, separando total o parcialmente los constituyentes. La velocidad de enfriamiento suele ser lenta. El recocido se utiliza más a menudo para ablandar un metal para trabajarlo en frío, para mejorar la maquinabilidad o para mejorar propiedades como la conductividad eléctrica.
En las aleaciones ferrosas, el recocido se consigue normalmente calentando el metal por encima de la temperatura crítica superior y enfriándolo después muy lentamente, lo que da lugar a la formación de perlita. Tanto en los metales puros como en muchas aleaciones que no pueden tratarse térmicamente, el recocido se utiliza para eliminar la dureza causada por el trabajo en frío. El metal se calienta hasta una temperatura en la que puede producirse la recristalización, reparando así los defectos causados por la deformación plástica. En estos metales, la velocidad de enfriamiento suele tener poco efecto. La mayoría de las aleaciones no ferrosas que son tratables térmicamente también se recuecen para aliviar la dureza del trabajo en frío. Pueden enfriarse lentamente para permitir la precipitación completa de los constituyentes y producir una microestructura refinada.
Las aleaciones ferrosas suelen ser «recocidas completas» o «recocidas de proceso». El recocido completo requiere velocidades de enfriamiento muy lentas, con el fin de formar perlita gruesa. En el recocido de proceso, la velocidad de enfriamiento puede ser más rápida, hasta llegar a la normalización. El objetivo principal del recocido por procesos es producir una microestructura uniforme. Las aleaciones no ferrosas se someten a menudo a una variedad de técnicas de recocido, incluyendo el «recocido de recristalización», el «recocido parcial», el «recocido completo» y el «recocido final». No todas las técnicas de recocido implican recristalización, como el alivio de tensiones.
NormalizaciónEditar
La normalización es una técnica utilizada para proporcionar uniformidad en el tamaño del grano y la composición (cristales equiaxos) en toda una aleación. El término se utiliza a menudo para aleaciones ferrosas que han sido austenitizadas y luego enfriadas al aire libre. El normalizado no sólo produce perlita, sino también martensita y, a veces, bainita, lo que da lugar a un acero más duro y resistente, pero con menos ductilidad para la misma composición que el recocido completo.
En el proceso de normalizado, el proceso de calentamiento del acero hasta unos 40 grados centígrados por encima de su límite superior de temperatura crítica se mantiene a esta temperatura durante algún tiempo y luego se enfría al aire.
El alivio de tensionesEditar
El alivio de tensiones es una técnica para eliminar o reducir las tensiones internas creadas en el metal. Estas tensiones pueden ser causadas de varias maneras, desde el trabajo en frío hasta el enfriamiento no uniforme. El alivio de tensiones suele realizarse calentando un metal por debajo de la temperatura crítica inferior y enfriándolo después uniformemente. El alivio de tensiones se utiliza comúnmente en artículos como tanques de aire, calderas y otros recipientes a presión, para eliminar todas las tensiones creadas durante el proceso de soldadura.
EnvejecimientoEditar
Algunos metales se clasifican como metales de endurecimiento por precipitación. Cuando una aleación de endurecimiento por precipitación se enfría, sus elementos de aleación quedarán atrapados en la solución, dando lugar a un metal blando. El envejecimiento de un metal «disuelto» permitirá que los elementos de aleación se difundan a través de la microestructura y formen partículas intermetálicas. Estas partículas intermetálicas se nuclearán y saldrán de la solución y actuarán como fase de refuerzo, aumentando así la resistencia de la aleación. Las aleaciones pueden envejecer «naturalmente», lo que significa que los precipitados se forman a temperatura ambiente, o pueden envejecer «artificialmente» cuando los precipitados sólo se forman a temperaturas elevadas. En algunas aplicaciones, las aleaciones que envejecen de forma natural pueden almacenarse en un congelador para evitar que se endurezcan hasta después de otras operaciones -el montaje de remaches, por ejemplo, puede ser más fácil con una pieza más blanda.
Ejemplos de aleaciones que se endurecen por precipitación son las aleaciones de aluminio de las series 2000, 6000 y 7000, así como algunas superaleaciones y algunos aceros inoxidables. Los aceros que se endurecen por envejecimiento suelen denominarse aceros martensíticos, a partir de una combinación del término «envejecimiento de la martensita»
EnfriamientoEditar
El temple es un proceso de enfriamiento de un metal a una velocidad rápida. La mayoría de las veces se hace para producir una transformación en martensita. En las aleaciones ferrosas, esto suele producir un metal más duro, mientras que las aleaciones no ferrosas suelen volverse más blandas de lo normal.
Para endurecer por temple, un metal (normalmente acero o hierro fundido) debe calentarse por encima de la temperatura crítica superior y luego enfriarse rápidamente. Dependiendo de la aleación y de otras consideraciones (como la preocupación por la dureza máxima frente al agrietamiento y la distorsión), el enfriamiento puede realizarse con aire forzado u otros gases, (como el nitrógeno). Pueden utilizarse líquidos, debido a su mejor conductividad térmica, como aceite, agua, un polímero disuelto en agua o una salmuera. Al enfriarse rápidamente, una parte de la austenita (dependiendo de la composición de la aleación) se transformará en martensita, una estructura cristalina dura y frágil. La dureza enfriada de un metal depende de su composición química y del método de enfriamiento. Las velocidades de enfriamiento, de la más rápida a la más lenta, van desde la salmuera, el polímero (es decir, mezclas de agua + polímeros de glicol), el agua dulce, el aceite y el aire forzado. Sin embargo, el enfriamiento demasiado rápido de ciertos aceros puede provocar grietas, por lo que los aceros de alta resistencia, como el AISI 4140, deben enfriarse en aceite, los aceros para herramientas, como el ISO 1.2767 o el acero para herramientas de trabajo en caliente H13, deben enfriarse en aire forzado, y los aceros de baja aleación o de resistencia media, como el XK1320 o el AISI 1040, deben enfriarse en salmuera.
Algunas aleaciones basadas en titanio Beta también han mostrado tendencias similares de aumento de la resistencia mediante el enfriamiento rápido. Sin embargo, la mayoría de los metales no ferrosos, como las aleaciones de cobre, aluminio o níquel, y algunos aceros de alta aleación, como los aceros inoxidables austeníticos (304, 316), producen un efecto contrario cuando se enfrían: se ablandan. Los aceros inoxidables austeníticos deben ser templados para ser totalmente resistentes a la corrosión, ya que se endurecen por el trabajo de forma significativa.
TempladoEditar
El acero martensítico no templado, aunque es muy duro, es demasiado frágil para ser útil en la mayoría de las aplicaciones. Un método para aliviar este problema es el llamado revenido. La mayoría de las aplicaciones requieren que las piezas templadas sean revenidas. El revenido consiste en calentar el acero por debajo de la temperatura crítica inferior, (a menudo de 400˚F a 1105˚F o de 205˚C a 595˚C, dependiendo de los resultados deseados), para impartir cierta tenacidad. A veces se utilizan temperaturas de revenido más elevadas (quizá hasta 1.300˚F o 700˚C, según la aleación y la aplicación) para conferir más ductilidad, aunque se pierde algo de límite elástico.
El revenido también puede realizarse en aceros normalizados. Otros métodos de revenido consisten en enfriar a una temperatura específica, que está por encima de la temperatura de inicio de la martensita, y luego mantenerla allí hasta que se pueda formar bainita pura o se puedan aliviar las tensiones internas. Entre ellos se encuentran el austemplado y el martemplado.
Colores de revenidoEditar
El acero que ha sido recién esmerilado o pulido formará capas de óxido al calentarse. A una temperatura muy específica, el óxido de hierro formará una capa con un grosor muy específico, provocando una interferencia de película fina. Esto hace que aparezcan colores en la superficie del acero. Al aumentar la temperatura, la capa de óxido de hierro aumenta su grosor y cambia el color. Estos colores, llamados colores de revenido, se han utilizado durante siglos para medir la temperatura del metal.
- 350˚F (176˚C), amarillo claro
- 400˚F (204˚C), paja clara
- 440˚F (226˚C), paja oscura
- 500˚F (260˚C), marrón
- 540˚F (282˚C), púrpura
- 590˚F (310˚C), azul intenso
- 640˚F (337˚C), azul claro
Los colores de revenido pueden utilizarse para juzgar las propiedades finales del acero templado. Las herramientas muy duras suelen estar templadas en la gama de la paja clara a la oscura, mientras que los muelles suelen estar templados en el azul. Sin embargo, la dureza final del acero templado variará en función de la composición del acero. El acero para herramientas con más carbono seguirá siendo mucho más duro después del revenido que el acero para muelles (con algo menos de carbono) cuando se templa a la misma temperatura. La película de óxido también aumentará su grosor con el tiempo. Por lo tanto, el acero que se ha mantenido a 400˚F durante mucho tiempo puede volverse marrón o púrpura, aunque la temperatura nunca haya superado la necesaria para producir un color pajizo claro. Otros factores que afectan al resultado final son las películas de aceite en la superficie y el tipo de fuente de calor utilizada.
Tratamiento térmico selectivoEditar
Se han desarrollado muchos métodos de tratamiento térmico para alterar las propiedades de sólo una parte de un objeto. Estos tienden a consistir en el enfriamiento de diferentes áreas de una aleación a diferentes velocidades, calentando rápidamente en un área localizada y luego apagando, por difusión termoquímica, o templando diferentes áreas de un objeto a diferentes temperaturas, como en el templado diferencial.
Dureza diferencialEditar
Algunas técnicas permiten que diferentes áreas de un mismo objeto reciban diferentes tratamientos térmicos. Esto se llama endurecimiento diferencial. Es común en los cuchillos y espadas de alta calidad. El jian chino es uno de los primeros ejemplos conocidos de esto, y la katana japonesa puede ser el más conocido. El Khukuri nepalí es otro ejemplo. Esta técnica utiliza una capa aislante, como capas de arcilla, para cubrir las zonas que deben permanecer blandas. Las zonas que han de endurecerse se dejan expuestas, lo que permite que sólo algunas partes del acero se endurezcan por completo al enfriarse.
Endurecimiento a la llamaEditar
El endurecimiento a la llama se utiliza para endurecer sólo una parte del metal. A diferencia del endurecimiento diferencial, en el que toda la pieza se calienta y luego se enfría a diferentes velocidades, en el endurecimiento a la llama sólo se calienta una porción del metal antes del enfriamiento. Esto suele ser más fácil que el endurecimiento diferencial, pero a menudo produce una zona extremadamente frágil entre el metal calentado y el no calentado, ya que el enfriamiento en el borde de esta zona afectada por el calor es extremadamente rápido.
Endurecimiento por inducciónEditar
El endurecimiento por inducción es una técnica de endurecimiento superficial en la que la superficie del metal se calienta muy rápidamente, utilizando un método de calentamiento por inducción sin contacto. A continuación, la aleación se enfría, produciendo una transformación de martensita en la superficie y dejando el metal subyacente inalterado. Esto crea una superficie muy dura y resistente al desgaste, al tiempo que mantiene la dureza adecuada en la mayor parte del objeto. Las muñequillas del cigüeñal son un buen ejemplo de superficie endurecida por inducción.
CasificaciónEditar
La cementación es un proceso de difusión termoquímica en el que un elemento de aleación, más comúnmente carbono o nitrógeno, se difunde en la superficie de un metal monolítico. La solución sólida intersticial resultante es más dura que el material base, lo que mejora la resistencia al desgaste sin sacrificar la tenacidad.
La ingeniería de superficies por láser es un tratamiento de superficies con gran versatilidad, selectividad y propiedades novedosas. Dado que la velocidad de enfriamiento es muy alta en el tratamiento láser, se puede obtener por este método un vidrio metaestable incluso metálico.
Tratamiento en frío y criogénicoEditar
Aunque el temple del acero hace que la austenita se transforme en martensita, normalmente no se transforma toda la austenita. Algunos cristales de austenita permanecerán inalterados incluso después del enfriamiento por debajo de la temperatura de acabado de la martensita (Mf). La transformación posterior de la austenita en martensita puede inducirse enfriando lentamente el metal a temperaturas extremadamente bajas. El tratamiento en frío suele consistir en el enfriamiento del acero a unos -115˚F (-81˚C), pero no elimina toda la austenita. El tratamiento criogénico suele consistir en el enfriamiento a temperaturas mucho más bajas, a menudo en el rango de -315˚F (-192˚C), para transformar la mayor parte de la austenita en martensita.
Los tratamientos en frío y criogénicos suelen realizarse inmediatamente después del temple, antes de cualquier revenido, y aumentarán la dureza, la resistencia al desgaste y reducirán las tensiones internas en el metal pero, al ser realmente una extensión del proceso de temple, pueden aumentar las posibilidades de agrietamiento durante el procedimiento. El proceso se utiliza a menudo para herramientas, rodamientos u otros elementos que requieren una buena resistencia al desgaste. Sin embargo, sólo suele ser eficaz en los aceros de alto carbono o de alta aleación en los que se conserva más del 10% de austenita después del temple.
DescarburaciónEditar
El calentamiento del acero se utiliza a veces como método para alterar el contenido de carbono. Cuando el acero se calienta en un entorno oxidante, el oxígeno se combina con el hierro para formar una capa de óxido de hierro, que protege al acero de la descarburización. Sin embargo, cuando el acero se convierte en austenita, el oxígeno se combina con el hierro para formar una escoria, que no protege de la descarburización. La formación de escoria y cascarilla en realidad aumenta la descarburación, porque el óxido de hierro mantiene el oxígeno en contacto con la zona de descarburación incluso después de que el acero se traslade a un entorno sin oxígeno, como las brasas de una forja. Así, los átomos de carbono comienzan a combinarse con la cascarilla y la escoria circundantes para formar monóxido de carbono y dióxido de carbono, que se liberan al aire.
El acero contiene un porcentaje relativamente pequeño de carbono, que puede migrar libremente dentro del hierro gamma. Cuando el acero austenitizado se expone al aire durante largos períodos de tiempo, el contenido de carbono en el acero puede disminuir. Esto es lo contrario de lo que ocurre cuando el acero se calienta en un entorno reductor, en el que el carbono se difunde lentamente en el metal. En un entorno oxidante, el carbono puede difundirse fácilmente hacia el exterior, por lo que el acero austenitizado es muy susceptible de descarburarse. Se utiliza a menudo para el acero fundido, cuando se necesita un alto contenido de carbono para la fundición, pero se desea un menor contenido de carbono en el producto final. A menudo se utiliza en hierros fundidos para producir hierro fundido maleable, en un proceso llamado «temple blanco». Esta tendencia a la descarburación suele ser un problema en otras operaciones, como la herrería, en la que resulta más conveniente austenizar el acero durante el menor tiempo posible para evitar una descarburación excesiva.