¿Cuáles son los 5 procesos de tratamiento térmico? Un desglose claro y práctico

Los cinco fundamentales tratamiento térmico Los procesos que dominan la metalurgia y la manufactura son recocido , normalizando , apagar , templado , y endurecimiento de caso . Estas operaciones controladas de calentamiento y enfriamiento transforman la estructura interna de los metales para lograr combinaciones precisas de dureza, resistencia, ductilidad y resistencia al desgaste. Sin ellos, la ingeniería moderna tendría dificultades para producir de todo, desde engranajes para automóviles hasta instrumentos quirúrgicos. En esta guía explicamos cada proceso, lo respaldamos con números reales y le brindamos una comparación lado a lado que puede usar de inmediato.

1. recocido : La base de la suavidad y el alivio del estrés

El propósito central de recocido es ablandar el metal, mejorar su ductilidad y eliminar las tensiones internas que se acumulan durante la fundición, la soldadura o el trabajo en frío. Al calentar el material a un rango de temperatura específico, mantenerlo allí y luego enfriarlo muy lentamente (a menudo dentro de un horno que enfría entre 10 y 30 grados Celsius por hora), los átomos se reorganizan en una configuración más estable y de baja energía. El resultado es una estructura de perlita gruesa o carburo esferoidizado en los aceros, que reduce drásticamente la dureza y hace que el metal sea mucho más fácil de mecanizar o formar.

Para aceros al carbono simples con un contenido de carbono del 0,3 al 0,6 por ciento, recocido completo requiere calentamiento a aproximadamente 30 a 50 grados Celsius por encima de la temperatura crítica superior A3 (generalmente entre 800 y 910 grados Celsius), luego se enfría lentamente en un horno. La dureza post-recocido de un acero con contenido medio de carbono cae desde alrededor de 280 HB (dureza Brinell) hasta aproximadamente 140 HB, mientras que la ductilidad, medida como alargamiento, puede aumentar del 10 por ciento a más del 25 por ciento. Esta compensación es fundamental para componentes como ejes de bombas grandes o piezas en bruto de engranajes que necesitan un conformado extenso antes del endurecimiento final.

varios recocido variants servir a diferentes industrias:

• recocido subcrítico (proceso de recocido) se realiza por debajo de la temperatura crítica más baja A1 (alrededor de 723 grados Celsius para el acero eutectoide) para aliviar las tensiones del trabajo en frío sin cambios microestructurales importantes. Rango de temperatura típico: 550 a 700 grados Celsius. Puede reducir el estrés residual hasta en un 80 por ciento, según datos recopilados por el ASM Handbook.
• Recocido esferoidal Mantiene acero con alto contenido de carbono (0,6 a 1,4 por ciento de carbono) a aproximadamente 700 grados Celsius durante 15 a 30 horas, transformando placas duras de cementita en esferas redondeadas. Esto produce una dureza tan baja como 110 HB, esencial para los aceros para rodamientos antes del mecanizado.
• recocido isotérmico enfría el acero rápidamente a unos 650 grados Celsius, lo mantiene hasta que finaliza la transformación y luego lo enfría al aire. Esto reduce el tiempo total del ciclo entre un 30 y un 50 por ciento en comparación con el enfriamiento completo del horno y, al mismo tiempo, produce una estructura de perlita fina y uniforme.

El coste energético del recocido no es trivial: los ciclos de horno discontinuo para una tonelada de acero suelen consumir entre 1,8 y 2,5 gigajulios. Esta limitación del mundo real empuja a los ingenieros de procesos a hacer coincidir los parámetros de recocido con precisión con la aleación y los pasos de fabricación posteriores.

2. Normalizando : Refinación del grano para una resistencia uniforme

Normalizando Ofrece una estructura de grano más fina y uniforme que el recocido, y lo hace con un paso de enfriamiento más simple y rápido: aire en calma. El resultado principal es un aumento moderado de la resistencia y la dureza en comparación con el estado recocido, junto con una mayor tenacidad. Esto hace que la normalización sea un tratamiento preparatorio preferido para muchos aceros estructurales y de recipientes a presión.

El proceso calienta el acero entre 30 y 60 grados Celsius por encima de su temperatura crítica superior (normalmente entre 830 y 950 grados Celsius para aceros de baja aleación), lo mantiene el tiempo suficiente para una austenitización completa y luego lo retira para enfriarlo en aire tranquilo. El enfriamiento por aire a velocidades de aproximadamente 0,5 a 3 grados Celsius por segundo produce perlita fina con granos de ferrita más pequeños. Para un acero con bajo contenido de carbono como el AISI 1020, la normalización aumenta la resistencia a la tracción de aproximadamente 400 megapascales (recocido) a 450-480 megapascales y aumenta el límite elástico de 220 megapascales a alrededor de 280 megapascales. La dureza pasa de 120 HB a aproximadamente 140 HB, según datos de la Guía Internacional de Tratadores Térmicos de ASM.

Una ventaja práctica de normalizando es su capacidad para borrar una estructura de grano desigual causada por forja o fundición previa. En un estudio sobre piezas forjadas de acero Cr-Mo, la normalización redujo la variación del tamaño del grano en más del 40 por ciento, lo que condujo a una mejora del 15 por ciento en la tenacidad al impacto Charpy a -40 grados Celsius. Esta uniformidad se traduce directamente en un rendimiento más seguro del recipiente a presión.

Sin embargo, la refrigeración por aire es sensible a la geometría de la pieza. Las secciones gruesas (más de 100 milímetros) se enfrían demasiado lentamente y es posible que no alcancen una normalización completa, lo que da como resultado una microestructura mixta. Para tales piezas, se puede utilizar aire forzado o enfriamiento controlado, aunque esto se acerca a la definición de normalización acelerada .

3. Apagar : Capturando una dureza extrema mediante un enfriamiento rápido

Apagar Es el proceso de calentar el acero hasta su temperatura de austenitización y luego enfriarlo tan rápidamente que los átomos de carbono no tienen tiempo de difundirse fuera de la red de hierro. El resultado es martensita , una fase tetragonal centrada en el cuerpo que puede alcanzar niveles de dureza de 60 a 68 HRC, muy por encima de cualquier otra microestructura de acero. Esta dureza extrema es la clave para cortar herramientas, rodamientos, matrices y componentes de alto desgaste.

El medio de enfriamiento determina la velocidad de enfriamiento y la consiguiente dureza y riesgo de distorsión. El agua proporciona una velocidad de enfriamiento severa de 200 a 500 grados Celsius por segundo en el rango crítico de alrededor de 550 grados Celsius, mientras que el aceite rápido se enfría a 60 a 120 grados Celsius por segundo, y las soluciones de polímeros se encuentran en el medio. Elegir el medio incorrecto puede causar grietas: el temple con agua de un acero para herramientas con alto contenido de carbono como AISI W1 (1,0% C) alcanza 65 HRC, pero conlleva un riesgo de 3 a 5 por ciento de agrietamiento por enfriamiento si no se diseña adecuadamente. El enfriamiento con aceite del mismo acero proporciona 62-63 HRC con una distorsión mucho menor, razón por la cual muchos componentes con alto contenido de carbono se templan con aceite.

Los datos de proceso importantes de la práctica industrial incluyen:

• Para un acero Cr-Mo de contenido medio en carbono (AISI 4140), el enfriamiento con aceite a 845 grados Celsius produce una dureza superficial de 54-58 HRC, con una resistencia a la tracción que supera los 1800 megapascales después del revenido.
• el tasa de enfriamiento crítica —la velocidad mínima de enfriamiento para evitar la formación de perlita—varía según el contenido de la aleación. El acero al carbono simple AISI 1040 requiere una velocidad de enfriamiento superior a 200 grados Celsius por segundo, mientras que el 4140 solo necesita alrededor de 8 grados Celsius por segundo debido al molibdeno y al cromo, lo que lo hace endurecible en profundidad.
• Un método de extinción interrumpido llamado martemperar Implica enfriar justo por encima de la temperatura inicial de la martensita (alrededor de 250 a 300 grados Celsius), mantenerla para igualar la temperatura y luego enfriar con aire. Esto puede reducir la tensión residual entre un 60 y un 80 por ciento en comparación con el enfriamiento directo, según lo documentado por la Heat Treating Society.

El enfriamiento nunca es el paso final: la martensita recién apagada es demasiado frágil, con un alargamiento inferior al 2 por ciento. Debe ir seguido de un templado para restaurar la dureza.

4. Templado : Equilibrio de dureza y tenacidad

Templado es el recalentamiento controlado de martensita enfriada a una temperatura por debajo del punto crítico inferior A1 (generalmente entre 150 y 650 grados Celsius), manteniéndola allí y luego enfriándola, generalmente al aire. El resultado inmediato es una reducción de la fragilidad manteniendo al mismo tiempo un nivel específico de dureza. Al ajustar la temperatura de templado, un tratador térmico puede marcar con precisión las propiedades mecánicas necesarias para una aplicación específica.

La transformación durante el templado se produce en distintas etapas. Entre 100 y 250 grados Celsius, precipitan carburos de transición muy finos y la dureza cae sólo ligeramente: de 65 HRC a alrededor de 60-62 HRC. esto templado a baja temperatura se utiliza para herramientas de corte, rodamientos de bolas y piezas cementadas donde la alta resistencia al desgaste es primordial. Entre 350 y 450 grados Celsius, la austenita retenida se descompone y la dureza cae más notablemente; Este rango generalmente se evita en muchos aceros de baja aleación debido a la fragilización del temple. Templado a alta temperatura , entre 500 y 650 grados Celsius, produce una microestructura llamada martensita templada o sorbita, que ofrece una excelente combinación de resistencia a la tracción (900-1100 megapascales para AISI 4140) y alargamiento (15-20 por ciento). Estos aceros templados y revenidos son la columna vertebral de ejes, cigüeñales y pernos de alta resistencia.

Los datos de una tabla de templado típica para el acero AISI 4340 ilustran la sensibilidad: el templado a 200 grados Celsius deja una dureza de 54 HRC y un valor de impacto Charpy de 15 julios, mientras que el templado a 600 grados Celsius produce 32 HRC pero lleva la tenacidad al impacto a más de 80 julios. El tratador térmico utiliza dicha tabla para encontrar el punto óptimo exacto de dureza-tenacidad.

Una pauta práctica: el doble revenido, en el que la pieza se templa dos veces con un enfriamiento intermedio por aire, se aplica a menudo a aceros rápidos y componentes grandes para garantizar la transformación de la austenita retenida y reducir el riesgo de agrietamiento retardado. Los estudios muestran que el doble revenido a 550 grados Celsius puede mejorar la resistencia a la fatiga por flexión entre un 12 y un 18 por ciento en comparación con un solo revenido.

5. Endurecimiento : Una piel resistente al desgaste con un núcleo resistente

Endurecimiento no es un ciclo térmico único, sino una familia de procesos que enriquecen la capa superficial de un acero con bajo contenido de carbono con carbono o nitrógeno y luego lo endurecen mediante enfriamiento rápido, mientras que el núcleo permanece resistente y relativamente blando. La ventaja de ingeniería inmediata es un componente que resiste el desgaste y la fatiga en su superficie pero absorbe la energía del impacto sin fracturarse. Los engranajes, árboles de levas, pivotes centrales y brocas para roca dependen del endurecimiento por cementación.

La variante más común es carburación , que introduce carbono en la superficie a temperaturas entre 850 y 950 grados Celsius en una atmósfera rica en carbono (medio gaseoso, líquido o sólido). La profundidad típica de un caso varía de 0,5 a 2,5 milímetros. Después de la cementación, la pieza se enfría para formar una carcasa martensítica con alto contenido de carbono con una dureza de 60 a 64 HRC, mientras que el núcleo con bajo contenido de carbono permanece por debajo de 40 HRC. Para un diente de engranaje, esto significa que la superficie puede soportar tensiones de contacto superiores a 1.500 megapascales, mientras que la resistencia a la flexión del núcleo se mantiene por encima de 1.000 megapascales.

Otros métodos de endurecimiento de casos incluyen:

• nitruración : Difunde nitrógeno en la superficie a una temperatura más baja (500-590 grados Celsius), creando una capa compuesta muy dura sin enfriarse. La dureza de la superficie puede alcanzar 900-1100 HV (Vickers), mucho más alta que la martensita carburizada. Se utiliza para cilindros de motores de aviones y manguitos de husillo de precisión.
• carbonitruración : Introduce carbono y nitrógeno a 820-900 grados Celsius, lo que permite el uso de aceros al carbono simples menos costosos y al mismo tiempo produce una profundidad de caja de 0,1 a 0,8 milímetros. A menudo se aplica a estampados y ejes pequeños.
• Endurecimiento por inducción : Calienta la superficie selectivamente con un campo electromagnético de alta frecuencia y luego la apaga. Esto ofrece un control preciso de la profundidad de la zona endurecida (1-10 milímetros) y es energéticamente eficiente. La dureza superficial de 55-60 HRC es común en los muñones del cigüeñal.

Un estudio comparativo sobre engranajes de transmisión de automóviles mostró que los engranajes cementados y endurecidos duraron 3,5 veces más en pruebas de fatiga por picaduras que los engranajes totalmente endurecidos con la misma resistencia central, lo que demuestra el inmenso valor de una estructura compuesta de superficie y núcleo.

Una mirada lado a lado: los cinco procesos de un vistazo

Tabla: Comparación directa de los cinco procesos de tratamiento térmico esenciales, incluidas ventanas de temperatura, técnicas de enfriamiento y casos de uso industrial.

Cómo funcionan juntos estos procesos en una secuencia de fabricación real

Rara vez se utiliza un único proceso de tratamiento térmico de forma aislada. Una ruta típica de fabricación de engranajes ilumina la sinergia: una forja de acero con aleación baja en carbono se somete por primera vez normalizando para homogeneizar su estructura de grano después de la forja. Luego se mecaniza, seguido de endurecimiento de caso (carburación con gas a 920 grados Celsius) para construir una capa superficial con alto contenido de carbono. El enfriamiento directo forma una caja martensítica, pero la pieza ahora está muy sometida a tensión y es quebradiza. un temperamento a baja temperatura a 180 grados Celsius alivia las tensiones máximas y al mismo tiempo conserva una dureza de la carcasa de 61-63 HRC. El producto final cuenta con una superficie resistente al desgaste y un núcleo con una resistencia al impacto superior a 35 julios. Esta secuencia se repite millones de veces al día en las cadenas de suministro automotrices y aeroespaciales.

Preguntas frecuentes

¿Existen sólo cinco procesos de tratamiento térmico?

No, estos cinco forman la columna vertebral. La práctica industrial incluye métodos adicionales como el austemperado, el marqueado, el recocido en solución (para aceros inoxidables y aleaciones de aluminio), el endurecimiento por precipitación y el recocido con alivio de tensiones. Sin embargo, casi todos los demás tratamientos térmicos se remontan a una variación o combinación de las cinco categorías principales analizadas aquí.

¿Cuál es la mayor diferencia entre recocido y normalización?

La velocidad de enfriamiento. El recocido utiliza un horno lento para enfriar, produciendo una microestructura gruesa y suave. La normalización utiliza refrigeración por aire, lo que genera granos más finos y mayor resistencia. Para un acero AISI 1045, la dureza recocida puede ser de 160 HB, mientras que la dureza normalizada es de alrededor de 185 HB, un salto notable en la maquinabilidad y la respuesta posterior al tratamiento térmico.

¿Se puede saciar sin templar?

Técnicamente sí, pero rara vez es recomendable. La martensita recién apagada generalmente tiene un alargamiento de menos del 2 por ciento y contiene altas tensiones de tracción residuales. Sin templado, la pieza es extremadamente susceptible a agrietarse bajo carga o incluso espontáneamente. El templado es casi obligatorio para los componentes portantes.

¿A qué profundidad puede penetrar el endurecimiento?

La profundidad del caso depende del proceso. La carburación puede producir profundidades de caja efectivas desde 0,2 milímetros hasta 6 milímetros en dientes de engranajes pesados. La nitruración normalmente produce profundidades menores de 0,05 a 0,75 milímetros pero con mayor dureza superficial. El endurecimiento por inducción se puede ajustar desde 1 milímetro hasta más de 10 milímetros. La elección viene dictada por la tensión de contacto esperada y los márgenes de desgaste.

¿Qué metales además del acero se pueden tratar térmicamente?

Las aleaciones de aluminio a menudo se tratan térmicamente en solución y se envejecen (endurecimiento por precipitación) para alcanzar resistencias a la tracción superiores a 500 megapascales. Las aleaciones de titanio se recocen y se tratan con solución para optimizar las propiedades de fluencia y fatiga. Las aleaciones de cobre se recocen para restaurar la ductilidad después del trabajo en frío. Incluso algunas superaleaciones a base de níquel se someten a complejos tratamientos térmicos de varios pasos. Los cinco procesos descritos aquí se aplican predominantemente a aleaciones ferrosas, pero los principios de calentamiento y enfriamiento controlados se extienden ampliamente.

Al comprender estos cinco procesos básicos de tratamiento térmico, los ingenieros y diseñadores pueden tomar decisiones informadas sobre el rendimiento del material y las secuencias de fabricación. Los datos y las comparaciones de esta guía ofrecen una referencia práctica para aplicaciones del mundo real.