Tratamientos termicos de los aceros

El acero es el más importante de todos los productos siderúrgicos y esto lo confirma el hecho de que se dedique a su obtención el 80% del hierro líquido producido en los altos hornos. Uno de los hechos que justifica la importancia del acero en la industria es la posibilidad de obtener una gran variedad de propiedades con el mismo tipo de material. Por ejemplo, podemos disponer de aceros maleables para chapas, de aceros inoxidables para trabajos en ambientes húmedos, de aceros magnéticos para aplicaciones electromecánicas, de aceros de elevada dureza y resistencia al desgaste y a las altas temperaturas para herramientas de corte, etc.

Gran parte de la variabilidad de las propiedades se debe a los distintos tratamientos a que se somete el acero entre los que destacan la laminación, el forjado, los tratamientos térmicos como el temple, el recocido, el revenido y el normalizado, tratamientos superficiales como la cementación y la nitruración, etc.

Los tratamientos térmicos consisten en someter al acero a una combinación de operaciones de calentamiento y enfriamiento con tiempos determinados, con el fin de variar las proporciones de sus constituyentes y así producir las propiedades deseadas sobre él. Las variaciones de las propiedades en el material que se producen como resultado del tratamiento térmico deben ser permanentes, de lo contrario el tratamiento térmico no tendría ningún sentido.

Los tratamientos térmicos más utilizados son el temple, el revenido, el recocido y la normalización. Todos los procedimientos se basan en la transformación o descomposición de la austenita. Por tanto, el primer paso en cualquier tratamiento térmico de un acero será calentar el material a la temperatura que conlleve la formación de la austenita.

La temperatura y el tiempo son los factores principales que influyen en un tratamiento térmico y hay que fijarlos siempre de antemano, de acuerdo con la composición del acero, la forma y el tamaño de las piezas que se desean obtener.

Por medio de la representación gráfica temperatura frente a tiempo se puede caracterizar cualquier tratamiento térmico. De una manera muy generalizada se pueden considerar los siguientes puntos importantes: la temperatura máxima de calentamiento, Tmax, hasta la cual se calienta el material durante el tratamiento térmico, el tiempo que se mantiene a la temperatura máxima, tm, y las velocidades de calentamiento y de enfriamiento.

Hay dos valores de temperatura durante el calentamiento que son importantes de destacar: la temperatura AC₁, o aquella en la que empieza a aparecer el constituyente austenita (723^oC), y la temperatura AC₃ o aquella en la que toda la masa de acero se ha transformado ya en austenita (entre 723^oC y 1.148^oC); los valores concretos de estas temperaturas varían según la proporción de carbono que contienen el acero.

El diagrama de fases Fe-Fe₃C (figura 4.2) es la base para el estudio de los tratamientos térmicos de los aceros, en particular solo la parte del diagrama correspondiente a las aleaciones cuya concentración no supera el 2% de C, de manera que la parte que realmente interesa es la coloreada.

La martensita es el constituyente típico de los aceros templados. Se define como una fase metaestable formada por una solución sólida intersticial sobresaturada de carbono en la red cristalina del hierro BCC o hierro tetragonal centrado en el cuerpo.

El contenido en carbono de la martensita suele variar, generalmente desde pequeñas trazas hasta el 1% de C. La dureza y resistencia de las martensitas Fe-C están relacionadas directamente con su contenido en carbono y aumentan con él. Sin embargo, la ductilidad y tenacidad disminuyen a medida que aumenta el contenido en carbono. Tienen una resistencia máxima a la rotura de 1600 a 2400 MPa, un alargamiento comprendido entre un 0,5 y un 2,5%, y una dureza entre 495 y 745 unidades Brinell.

La microestructura de las martensitas en aceros ordinarios al carbono depende del contenido en carbono del acero. Si el acero contiene menos de aproximadamente un 0,6% de C, la martensita presenta dominios de cintas con orientaciones diferentes (figura 4.3a). A medida que el contenido de carbono en las martensitas se incrementa por encima del 0,6%, se empieza a formar un tipo diferente de martensita llamada martensita laminada. Aproximadamente por encima del 1% de C, las aleaciones Fe-C constan en su totalidad de láminas de martensita (figura 4.3b). Las martensitas con contenidos de carbono entre el 0,6 y el 1% tienen microestructuras con ambos tipos de martensitas, en cintas y en láminas.

El temple se aplica cuando se quiere conseguir un acero de elevada dureza y resistencia mecánica. El inconveniente es que aporta fragilidad a la pieza templada.

Consiste en obtener un acero formado por una gran proporción de martensita. Como la martensita, se obtienen por enfriamiento rápido de la austenita, el tratamiento consiste en:

Calentar el acero hasta que toda su masa se transforme en austenita. Según el porcentaje de carbono del acero, la temperatura a la que será necesario llegar (AC3) será más alta o más baja.

Enfriar rápidamente la muestra para asegurar que toda la austenita se ha transformado en martensita. A medida que se produce el enfriamiento, la temperatura a la que comienza la transformación de austenita a martensita se denomina temperatura inicio de martensita, Ms; y la temperatura a la cual la transformación termina, temperatura fin de martensita, Mf. La temperatura Ms disminuye a medida que aumenta el porcentaje en peso de carbono de la aleación tal como muestra la figura4.4.

Para cada tipo de acero existe una velocidad de enfriamiento mínima que asegura la transformación completa en martensita. Por ejemplo, para aceros al carbono está comprendida entre los 200 y 600^oC/s; en el caso de aceros aliados la temperatura suele ser de 50^oC/s.

Para conseguir el templado de una pieza es necesario enfriarla a una velocidad ligeramente superior a la mínima. En algunos casos, pueden producirse deformaciones o fracturas si se aplican velocidades de enfriamiento excesivas. Para conseguir las diferentes velocidades de enfriamiento se sumergen las piezas en distintos medios: agua, sales fundidas, aceites minerales, plomo fundido, mercurio, aire a temperatura ambiente, etc.

A veces interesa solamente endurecer una capa externa de la pieza, manteniendo la parte interna sin temple con el fin de no perder la tenacidad y asegurar la resistencia al desgaste. En estos casos se aplica un temple superficial, calentando rápidamente las capas superficiales de la muestra (mediante un soplete oxiacetilénico o por inducción electromagnética) y aplicando un enfriamiento posterior al aire o al agua.

El principal objetivo del recocido es ablandar el acero eliminando posibles tensiones o anomalías internas de su estructura que puedan haberse originado como consecuencia de algún tratamiento previo (forja, laminación, etc.), que endurecen el material.

El recocido disminuye la dureza y aumenta la plasticidad de un acero para así poderlo deformar y trabajar más fácilmente.

En general consiste en un calentamiento a temperatura elevada, por encima de la temperatura AC3 y un enfriamiento lento. El enfriamiento (entre 50 y 100^oC/h) se consigue en un horno en el que se regula la temperatura hasta conseguir que el material adquiera temperatura ambiente.

El revenido se aplica cuando se quiere aumentar la tenacidad y ductilidad de los aceros que han estado sometidos al temple. El tratamiento consiste en un calentamiento de la martensita inferior a 723^oC y un enfriamiento posterior al aire, en aceite o en agua, según la composición del acero. De esta manera se consigue aumentar la tenacidad y ablandar el acero templado al reducir las tensiones internas de este. El revenido conlleva una disminución de la dureza, de la resistencia mecánica y del límite elástico.

El normalizado del acero consiste en un calentamiento hasta la temperatura de austenización y un enfriamiento al aire libre a velocidad más lenta que el templado pero más rápida que el recocido.

El objetivo del normalizado es producir un acero más duro y resistente que el obtenido por enfriamiento más lento, en horno, al someterle a un recocido. El normalizado también se aplica después que un acero se ha deformado, ya sea en frío o en caliente con el fin de eliminar las posibles tensiones internas producidas por la deformación. Otro de los objetivos que persigue la normalización es la reducción del tamaño de los granos de acero con el fin de mejorar las propiedades mecánicas de este.

Los cuatro gráficos representan temperatura frente a tiempo, representación característica de cualquier tratamiento térmico de los aceros.

En los gráficos i, ii y iv se calienta una muestra de acero hasta su total transformación en austenita (temperatura superior a AC3), manteniéndose así durante un cierto tiempo. Posteriormente se produce un enfriamiento de la muestra: muy lento en el gráfico i, muy rápido en el gráfico ii y un enfriamiento intermedio en el último gráfico.

El gráfico i representa el tratamiento térmico del recocido. El gráfico ii representa el templado y el gráfico iv representa el normalizado.

En el gráfico iii se observa un calentamiento de la muestra por debajo de la temperatura de austenización y posterior enfriamiento a temperatura más lenta que el templado pero más rápida que el recocido. Representa el tratamiento de revenido.