¿Cuáles son los cuatro tipos de tratamiento térmico del acero?

Los cuatro fundamentales tipos de tratamiento térmico Los métodos que se aplican al acero son el recocido, la normalización, el endurecimiento (templado) y el revenido. Estos procesos térmicos controlados manipulan la estructura cristalina interna del metal para lograr propiedades mecánicas específicas, como dureza, ductilidad, resistencia a la tracción y resistencia al impacto, sin cambiar la composición química. Según la Sociedad Internacional de Tratamiento Térmico ASM, el tratamiento térmico es la tecnología central detrás de casi todos los productos metálicos duraderos, desde engranajes automotrices y herramientas quirúrgicas hasta vigas en I estructurales. Entender exactamente qué son estos cuatro tipos de heat treatment Son y cómo funcionan permite a los ingenieros seleccionar el ciclo correcto para evitar fracturas frágiles, mejorar la maquinabilidad o maximizar la resistencia al desgaste para una aplicación en particular.

1. Recocido: ablandar el metal y aliviar la tensión interna

El recocido es un proceso de tratamiento térmico que ablanda el acero, mejora su ductilidad y alivia las tensiones internas calentando el metal a una temperatura elevada específica, manteniéndolo allí el tiempo suficiente para que se produzcan transformaciones de fase y luego enfriándolo extremadamente lentamente, generalmente dentro del propio horno. El objetivo principal del recocido es llevar el acero a su estado más blando posible, haciéndolo fácil de mecanizar o conformar en frío. Para aceros al carbono simples, la temperatura de recocido suele ser 30°C a 50°C (50°F a 90°F) por encima de la temperatura crítica superior (A3) , que oscila entre aproximadamente 723 °C para el acero eutectoide y más de 910 °C para el acero con bajo contenido de carbono. El acero se mantiene a esta temperatura, a menudo durante una o dos horas por pulgada de sección transversal, lo que permite que el carbono se disuelva uniformemente en la fase de austenita. El enfriamiento posterior es la característica definitoria del recocido: debe ser lo suficientemente lento como para permitir que el carbono se difunda fuera de la red de hierro y forme capas gruesas y muy espaciadas de ferrita y cementita conocidas como perlita. Las velocidades de enfriamiento son típicamente 10°C a 50°C por hora , a menudo se logra simplemente dejando las piezas en el horno y dejándolas enfriar juntas durante muchas horas o incluso días. La microestructura resultante es una perlita gruesa con grandes áreas de ferrita blanda, que exhibe una dureza Brinell tan baja como 120 a 150 HB en aceros de medio carbono como el AISI 1045. Según la Manual de ASM Volumen 4: Tratamiento térmico , el recocido no solo reduce la dureza sino que también elimina las tensiones residuales del trabajo en frío o la soldadura anteriores, lo cual es fundamental para evitar la deformación durante el mecanizado o servicio posterior. Además del recocido completo, existen variantes especializadas: el recocido esferoidal produce una estructura de partículas esferoidales de carburo para una máxima formabilidad en aceros para herramientas con alto contenido de carbono, mientras que el recocido de proceso es un tratamiento a baja temperatura aplicado a aceros con bajo contenido de carbono durante secuencias de trabajo en frío para restaurar la ductilidad entre pasadas de trefilado o laminado. Independientemente del método específico, el recocido es siempre el punto de partida cuando se requiere una trabajabilidad extrema o un alivio de tensiones, y es uno de los más utilizados. tipos de heat treatment en industrias de fabricación pesada.

2. Normalización: refinamiento de la estructura del grano para lograr uniformidad y resistencia

La normalización es un proceso de tratamiento térmico que produce una microestructura uniforme de grano fino con resistencia y tenacidad mejoradas en comparación con el acero recocido al calentar el metal por encima de su rango crítico y luego enfriarlo en aire en calma en lugar de en el horno. La temperatura de calentamiento para la normalización suele ser 30°C a 50°C por encima de la temperatura crítica superior , similar al recocido, pero la distinción crucial radica en la fase de enfriamiento. Después de un remojo suficiente, el acero se retira del horno y se deja enfriar en aire ambiente en calma. Este enfriamiento por aire es significativamente más rápido que el enfriamiento por horno, lo que da como resultado una estructura de perlita más fina con granos más pequeños. El tamaño de grano fino es importante porque aumenta simultáneamente el límite elástico y la tenacidad, mientras que la mayoría de los mecanismos de fortalecimiento intercambian uno por el otro. Para un acero AISI 1045 normalizado, la resistencia a la tracción suele alcanzar alrededor de 620 MPa (90.000 psi) , que es sustancialmente más alto que los 500 MPa típicos del mismo acero en estado completamente recocido. Según una investigación publicada por el Revista de ingeniería y rendimiento de materiales , la normalización también homogeneiza la microestructura en componentes fundidos o forjados que pueden haber experimentado un enfriamiento no uniforme durante la solidificación, asegurando así propiedades mecánicas consistentes en toda la pieza. La normalización a menudo se especifica como el tratamiento térmico final para aceros estructurales que no requieren la dureza extrema de una condición de templado y revenido, así como un paso preparatorio antes del endurecimiento, porque una estructura de grano uniforme responde de manera más predecible al enfriamiento posterior. entre los cuatro tipos de heat treatment , la normalización ocupa el punto medio entre el estado blando y dúctil producido por el recocido y el estado duro y frágil producido por el enfriamiento, lo que lo convierte en una excelente opción para componentes que necesitan un equilibrio entre resistencia y tenacidad, como ruedas de ferrocarril, ejes y placas de recipientes a presión.

3. Endurecimiento (Enfriamiento): Lograr la máxima dureza y resistencia al desgaste

El endurecimiento, también llamado temple, es un tratamiento térmico que aumenta drásticamente la dureza y resistencia del acero calentándolo hasta el rango austenítico y luego enfriándolo rápidamente en agua, salmuera, aceite o aire forzado, transformando la estructura cristalina en una fase sobresaturada y extremadamente dura llamada martensita. El acero se calienta a una temperatura de aproximadamente 760°C a 870°C (1400°F a 1600°F) , dependiendo del contenido de carbono, y se mantuvo el tiempo suficiente para austenitizar completamente la estructura. El rápido enfriamiento, que a menudo excede 200°C por segundo en enfriamiento con agua: suprime la difusión de átomos de carbono fuera de la red de hierro. En lugar de formar las fases de equilibrio de ferrita y cementita, el carbono queda atrapado dentro de una estructura cristalina tetragonal centrada en el cuerpo conocida como martensita. Esta estructura se caracteriza por una inmensa tensión interna y una dureza que puede alcanzar 62 a 67 HRC en la escala Rockwell C en aceros para herramientas con alto contenido de carbono como AISI 1095. La selección del medio de enfriamiento es una decisión de ingeniería crítica. El agua y la salmuera proporcionan el enfriamiento más severo, produciendo la máxima dureza pero también el mayor riesgo de distorsión y agrietamiento por enfriamiento. El enfriamiento con aceite es más lento y uniforme, lo que reduce el choque térmico y lo convierte en el medio preferido para aceros aleados y formas complejas. El enfriamiento con aire o enfriamiento con gas se utiliza para aceros de alta aleación endurecidos al aire que forman martensita incluso a velocidades de enfriamiento relativamente lentas. Sin embargo, la estructura martensítica enfriada, aunque extremadamente dura, también es muy frágil. Según datos recopilados por el Manual de análisis de fallas de ASM , la martensita sin templar contiene altos niveles de tensión residual y puede agrietarse espontáneamente debido a defectos superficiales menores o durante el rectificado. Esta fragilidad es la razón por la que el endurecimiento casi nunca es el paso final de un ciclo térmico. En cambio, al endurecimiento se le debe seguir inmediatamente un templado para restaurar la dureza. A pesar de esta limitación, el endurecimiento es la forma más directa de lograr la alta dureza superficial requerida para herramientas de corte, pistas de rodamiento, matrices y placas resistentes al desgaste, y es el proceso definitorio entre los tipos de heat treatment para componentes que deben resistir la abrasión y las hendiduras.

4. Templado: Equilibrio de dureza y tenacidad después del temple

El templado es un tratamiento térmico obligatorio que sigue al endurecimiento; reduce la fragilidad de la estructura martensítica y alivia las tensiones de enfriamiento recalentando el acero a una temperatura por debajo del punto crítico inferior, manteniéndolo y luego enfriándolo al aire. La temperatura de templado es la principal variable que controla el equilibrio final de dureza y tenacidad. Va desde tan bajo como 150°C (300°F) para aplicaciones que exigen la máxima resistencia al desgaste, como hojas de afeitar y herramientas para cortar metales, hasta un máximo de 650°C (1200°F) para componentes que deben absorber la energía del impacto, como ejes y cigüeñales de automóviles. A medida que aumenta la temperatura de templado, los átomos de carbono atrapados precipitan fuera de la red de martensita como finas partículas de carburo, y la estructura cristalina se transforma gradualmente de tetragonal centrada en el cuerpo a una disposición cúbica centrada en el cuerpo más estable con carburos dispersos. Esta estructura de martensita templada se puede diseñar con precisión controlando el tiempo y la temperatura. Por ejemplo, un acero al carbono simple templado a 64 HRC se puede templar a 200 °C para conservar una dureza de 60 a 62 HRC para un filo, o templado a 550°C para producir una dureza de 30 a 35 HRC y un alto grado de tenacidad adecuado para una biela. Puede ocurrir un fenómeno especial conocido como fragilidad por temple si ciertos aceros aleados se enfrían lentamente en el rango de 450 °C a 600 °C, un riesgo que se mitiga agregando pequeñas cantidades de molibdeno o enfriando rápidamente desde la temperatura de revenido. Según el Manual de metales Edición de escritorio , el templado no es simplemente una medida correctiva posterior al endurecimiento; es una herramienta de diseño deliberada que adapta la respuesta mecánica del acero a las necesidades precisas de la aplicación. entre los cuatro tipos de heat treatment , el templado es el que convierte una pieza frágil y estresada internamente en un componente de ingeniería confiable.

Cómo funcionan juntos los cuatro tipos de tratamiento térmico en la fabricación

En la práctica industrial, los cuatro tipos de tratamiento térmico rara vez se utilizan de forma aislada; se combinan en una secuencia que transforma la materia prima en componentes terminados con propiedades controladas con precisión. Una ruta de fabricación típica para un engranaje endurecido comienza con la normalización o recocido de la pieza en bruto forjada para ablandarla para el mecanizado y eliminar tensiones residuales de fundición o forjado. Luego, la pieza en bruto se mecaniza hasta darle la forma casi neta mientras se encuentra en su estado más blando y trabajable. Después del mecanizado, el componente se calienta hasta la temperatura de austenitización y se enfría para formar martensita, logrando la alta dureza superficial necesaria para la resistencia al desgaste. Inmediatamente después del templado, la pieza se templa hasta alcanzar la tenacidad requerida, aliviando las tensiones internas del templado y evitando el agrietamiento retardado. Esta secuencia (ablandar, dar forma, endurecer, templar) es fundamental para la producción de millones de componentes críticos, desde engranajes de transmisión de automóviles hasta instrumentos quirúrgicos. Los parámetros específicos de cada paso dependen del grado del acero y de la dureza y tenacidad finales deseadas. Por ejemplo, un engranaje fabricado con acero de aleación de bajo contenido de carbono AISI 8620 puede someterse a una ruta de endurecimiento diferente llamada carburación, que introduce carbono en la capa superficial antes del enfriamiento, pero la secuencia de tratamiento del núcleo aún implica la normalización para el refinamiento del grano, el enfriamiento para formar una caja martensítica y el revenido para reducir la fragilidad de la caja. Entendiendo cómo estos cuatro tipos de heat treatment interact permite a los ingenieros de procesos diseñar un ciclo térmico que maximiza el rendimiento y minimiza la distorsión y los desechos.

Preguntas frecuentes sobre los tipos de tratamiento térmico

¿Cuál es la diferencia entre recocido y normalizado?

ambos tipos de heat treatment ablandan el acero y refinan su estructura, pero difieren en la velocidad de enfriamiento. El recocido emplea un enfriamiento en horno muy lento, produciendo el estado más suave posible con máxima ductilidad y la estructura de grano más gruesa. La normalización utiliza refrigeración por aire, lo que da como resultado una estructura de grano fino moderadamente dura con mayor resistencia y mejor uniformidad. Se prefiere la normalización cuando se necesita un equilibrio entre resistencia y tenacidad, mientras que se elige el recocido cuando se requiere suavidad y conformabilidad extremas para el posterior trabajo en frío.

¿Se pueden endurecer todos los aceros mediante temple?

No. La capacidad de formar martensita durante el endurecimiento depende del contenido de carbono y de la composición de la aleación. Aceros con menos de aproximadamente 0,30% carbono generalmente no se pueden endurecer hasta obtener una estructura martensítica mediante enfriamiento directo porque carecen de suficiente carbono para crear una red dura y distorsionada. Los aceros con bajo contenido de carbono, como el AISI 1018, a menudo se endurecen mediante cementación, lo que agrega carbono a la superficie antes del enfriamiento, creando una carcasa dura sobre un núcleo resistente. Los aceros con contenido medio y alto de carbono, así como la mayoría de los aceros aleados, responden fácilmente al proceso de endurecimiento.

¿Por qué se debe realizar el templado inmediatamente después del endurecimiento?

La martensita formada durante el enfriamiento contiene enormes tensiones internas. Si estas tensiones no se alivian mediante el templado, pueden provocar que la pieza se agriete espontáneamente, a veces horas o días después del templado, en un fenómeno conocido como agrietamiento retardado. El templado debe realizarse tan pronto como la pieza alcance aproximadamente 50°C a 65°C (120°F a 150°F) después del enfriamiento. Retrasar este paso corre el riesgo de que la pieza falle y se considera un error de proceso grave en todos los talleres de tratamiento térmico.

¿Cómo elijo entre recocido y normalizado para un acero con bajo contenido de carbono?

Para aceros con bajo contenido de carbono que se someterán a un extenso conformado en frío o embutición profunda, el recocido es el preferido. tratamiento térmico porque produce la condición más suave y dúctil. Si el componente está destinado a un uso estructural donde se requiere cierta resistencia, la normalización es la mejor opción porque proporciona un tamaño de grano más fino y propiedades mecánicas mejoradas sin el costo de un enfriamiento prolongado del horno. La decisión también depende de los pasos de fabricación posteriores: el recocido es ideal para el material premecanizado, mientras que la normalización suele servir como tratamiento final para los perfiles laminados en caliente.

los cuatro tipos de heat treatment (recocido, normalizado, endurecido y revenido) forman un conjunto de herramientas completo para manipular las propiedades mecánicas del acero. Cada proceso aborda una necesidad de ingeniería diferente: el recocido crea una base suave y libre de tensiones para el conformado; la normalización refina y homogeneiza la estructura para lograr confiabilidad; el endurecimiento empuja el acero a su máxima dureza posible; y el templado transforma esa dureza frágil en una combinación segura y utilizable de fuerza y ​​dureza. Juntos, estos procesos permiten la producción de componentes que van desde láminas de metal blandas y flexibles hasta bordes cortantes ultraduros, y siguen siendo tan esenciales para la fabricación moderna como lo eran hace un siglo.