TRATAMIENTO TÉRMICO DEL ACERO

El tratamiento térmico del acero se refiere a los procesos en los que se controla el tiempo y la temperatura y en los que se liberan esfuerzos residuales y/o se modifican las propiedades del material como la dureza (resistencia), ductilidad y tenacidad. Algunas veces otras operaciones mecánicas y químicas se agrupan bajo el tratamiento térmico. Las operaciones comunes de tratamiento térmico son recocido, templado, revenido y endurecimiento superficial.

Recocido 

Cuando un material se trabaja en frío o en caliente, se inducen esfuerzos residuales; además, el material suele adquirir una dureza mayor debido a estas operaciones de trabajo, que cambian la estructura del material de tal manera que ya no puede ser representado por el diagrama de equilibrio. El recocido completo y el normalizado son operaciones de calentamiento que permiten que el material se transforme de acuerdo con el diagrama de equilibrio. El material que se va a recocer se calienta a una temperatura aproximadamente 100°F por encima de la temperatura crítica. Se mantiene a esta temperatura durante un tiempo suficiente para que el carbono se disuelva y se difunda a través del material. Luego se permite que el objeto tratado se enfríe lentamente, por lo general, en el horno en el cual se trató. Si la transformación es completa, entonces se dice que se tiene un recocido completo. El recocido se utiliza para suavizar un material y hacerlo más dúctil, eliminar los esfuerzos residuales y refinar la estructura del grano. 

El término recocido incluye el proceso llamado normalizado. Las partes que se van a normalizar se calientan hasta una temperatura un poco mayor que en el recocido completo. Esto produce una estructura de grano más grueso, que se puede maquinar con mayor facilidad si el material es un acero de bajo carbono. En el proceso de normalizado la parte se enfría al aire a temperatura ambiente. Como este enfriamiento es más rápido que el enfriamiento lento que se usa en el recocido completo, se dispone de menos tiempo para el equilibrio, y el material es más duro que el acero completamente recocido. A menudo, el normalizado se usa como la operación de tratamiento final del acero. El enfriamiento en aire equivale a un templado lento.

Templado 

El acero eutectoide, que está completamente recocido, consiste en su totalidad de perlita, la cual se obtiene a partir de la austenita bajo condiciones de equilibrio. Un acero hipoeutectoide completamente recocido consistiría de perlita más ferrita, mientras que un acero hi pereutectoide consistiría de perlita más cementita. La dureza del acero con cierto contenido de carbono depende de la estructura que reemplaza la perlita cuando no se realiza el recocido completo. 

La ausencia del recocido completo indica una rapidez de enfriamiento más acelerada. Dicha rapidez es el factor que determina la dureza. La rapidez de enfriamiento controlada se llama templado. El templado suave se obtiene al enfriar el acero al aire, lo que, como se ha visto, se obtiene mediante el proceso de normalizado. Los dos medios más usados para el templado son el aire y el aceite. El templado con aceite resulta muy lento pero evita las grietas de templado causadas por la rápida dilatación del elemento tratado. El templado en agua se usa para aceros al carbono y para aceros al medio carbono de baja aleación. 

La eficacia del templado depende de que, cuando la austenita se enfría, no se transforme de manera instantánea en perlita, sino que requiere tiempo para iniciar y completar el proceso. Como la transformación termina aproximadamente a 800°F, puede prevenirse enfriando rápido el material a una temperatura más baja. Cuando el material se enfría con rapidez a 400°F o menos, la austenita se transforma en una estructura llamada martensita, que es una solución sólida supersaturada de carbono en ferrita, que representa la forma más dura y más fuerte del acero. 

Si el acero se enfría rápido hasta una temperatura entre 400 y 800°F y se mantiene a esa temperatura durante un tiempo suficiente, la austenita se transforma en un material que suele llamarse bainita, que es una estructura intermedia entre la perlita y la martensita. Aunque hay varias estructuras que se identifican entre las temperaturas dadas, según la temperatura empleada, en conjunto se llaman bainita. Por medio de la elección de esta temperatura de transformación se puede obtener casi cualquier variación de la estructura, desde perlita gruesa hasta martensita fina.

Revenido 

Cuando una pieza de acero se ha endurecido por completo es muy dura y frágil y tiene altos esfuerzos residuales. Por otra parte, cuando envejece, el acero es inestable y tiende a contraerse. Esta tendencia se incrementa cuando la pieza se somete a cargas aplicadas de manera externa, porque los esfuerzos resultantes contribuyen aún más a la inestabilidad. Dichos esfuerzos internos pueden eliminarse mediante un proceso de bajo calentamiento llamado alivio de esfuerzos, o por medio de una combinación de alivio de esfuerzos y suavizado que recibe el nombre de revenido o regulación. Después de que la pieza se ha endurecido completamente al templarse por encima de la temperatura crítica, se recalienta hasta determinada temperatura menor que la crítica durante un cierto tiempo y luego se permite que se enfríe en aire quieto. La temperatura a la cual se recalienta depende de la composición y del grado de dureza o tenacidad deseados. La operación de recalentamiento libera el carbono que contiene la martensita, con lo cual se forman cristales de carburo. La estructura que se obtiene se llama martensita revenida. Ahora, ésta es esencialmente una dispersión superfina de carburo(s) de hierro en ferrita de grano fino. 

Los efectos de las operaciones de tratamiento térmico sobre varias de las propiedades mecánicas de un acero de baja aleación se presentan en forma gráfica en la figura 2-13.

Endurecimiento superficial 

El propósito del endurecimiento superficial es producir una superficie exterior dura sobre un elemento de acero al bajo carbono, mientras que al mismo tiempo se retiene su ductilidad y tenacidad en el núcleo. Este proceso se basa en el incremento del contenido de carbono en la superficie. Se pueden utilizar materiales carburizantes sólidos, líquidos o gaseosos. El proceso consiste en introducir la parte que se va a carburizar en el material carburizante durante un tiempo y una temperatura establecidos, dependiendo de la profundidad del espesor deseado y de la composición de la parte. Luego, ésta puede templarse en forma directa a partir de la temperatura de carburización y después se reviene, o en algunos casos se somete a un tratamiento térmico con objeto de asegurar que tanto el núcleo como la superficie adquieran condiciones adecuadas. Algunos de los procesos de endurecimiento superficial más útiles son el carburizado en caja, el carburizado en gas, nitrurado, cianurado, endurecimiento por inducción y endurecimiento a la flama. En los dos últimos casos el carbono no se agrega al acero en cuestión, que suele ser un acero de medio carbono, por ejemplo SAE/AISI 1144.

Estimación cuantitativa de las propiedades de aceros tratados térmicamente

 Los cursos de metalurgia (o ciencia de los materiales) para ingenieros mecánicos presentan el método de adición de Crafts y Lamont para la predicción de las propiedades tratadas térmicamente de la prueba de Jominy para aceros al carbono simples. Si este tema no se encuentra entre sus estudios previos, consulte el Standard Handbook of Machine Design, donde el método de adición se cubre con ejemplos. Si esta obra se considera el libro de texto para un curso de elementos de máquina, un buen proyecto de la clase (muchas manos hacen que el trabajo sea más ligero) sería estudiar el método y reportarlo al grupo. 

Para los aceros de baja aleación, el método de multiplicación de Grossman y Field se explica en el Standard Handbook of Machine Design (secciones 29.6 y 33.6). 

En Modern Steels and Their Properties Handbook se explica cómo predecir la curva de Jominy mediante el método de Grossman y Field a partir de un análisis de horneada y de ta - maño de grano. Bethlehem Steel ha desarrollado una regla plástica circular que es útil para este propósito.