TRATAMIENTO TÉRMICO DE METALES
Pueden realizarse operaciones de tratamiento térmico sobre una pieza de trabajo metálica en varios momentos de su secuencia de manufactura. En algunos casos, el tratamiento se aplica antes del proceso de formado (por ejemplo, para ablandar el metal y así ayudar a formarlo con más facilidad mientras se encuentra caliente). En otros casos, el tratamiento térmico se usa para aliviar los efectos del endurecimiento por deformación que ocurre durante el formado, de manera que el material pueda someterse a una deformación posterior. También, el tratamiento térmico puede realizarse durante la secuencia de manufactura, o casi al finalizar ésta, para lograr la resistencia y dureza requeridas en el producto terminado. Los principales tratamientos térmicos son el recocido, la formación de martensita en el acero, el endurecimiento por precipitación y el endurecimiento superficial.
RECOCIDO
El recocido consiste en calentar el metal a una temperatura adecuada, en la cual se mantiene por un cierto tiempo (llamado recalentamiento) y después se enfría lentamente. El recocido se realiza sobre un metal en cualquiera de los siguientes casos: 1) para reducir la dureza y la fragilidad, 2) para alterar la microestructura de manera que puedan obtenerse las propiedades mecánicas deseadas, 3) para ablandar los metales y mejorar su maquinabilidad o formabilidad, 4) para recristalizar los metales trabajados en frío (endurecidos por deformación) y 5) para aliviar los esfuerzos residuales inducidos por los procesos de formado previos. Se usan diferentes términos para el recocido, dependiendo de los detalles del proceso y de la temperatura usada, relativa a la temperatura de recristalización del metal que está bajo tratamiento.
El recocido total se asocia con metales ferrosos (por lo general, aceros al medio y bajo carbono); el proceso implica calentar la aleación hasta la región austenita seguida de un enfriamiento lento en el horno para producir perlita gruesa. La normalización implica ciclos similares de calentamiento y recalentamiento, pero las velocidades de enfriamiento son más rápidas. Se permite que el acero se enfríe en aire, a temperatura ambiente. El resultado es perlita fina con una resistencia y dureza más altas pero con una ductilidad más baja que el tratamiento de recocido total.
Con frecuencia, las piezas trabajadas en frío son recocidas para reducir los efectos del endurecimiento por deformación y para incrementar su ductilidad. El tratamiento permite que el metal endurecido por deformación se recristalice de manera completa o parcial, dependiendo de las temperaturas, los periodos de recalentamiento y las velocidades de enfriamiento. Cuando el recocido se realiza para permitir trabajos posteriores sobre la pieza se llama proceso de recocido. Cuando se realiza en toda la pieza (trabajada en frío) para remover los efectos del endurecimiento por deformación, y ésta no va a someterse a ninguna deformación subsecuente, se llama recocido. El proceso en sí es casi el mismo, pero se usan diferentes términos para indicar el propósito del tratamiento.
Si las condiciones de recocido permiten la recuperación total de la estructura de grano original del metal trabajado en frío, entonces ha ocurrido la recristalización. Después de este tipo de recocido, el metal tiene una nueva geometría creada por la operación de formado, pero su estructura de grano y sus propiedades asociadas son esencialmente las mismas que antes del trabajo en frío. Las condiciones que tienden a favorecer la recristalización son una temperatura más alta, un tiempo más largo manteniendo esta situación y una velocidad más baja de enfriamiento. Si el proceso de recocido sólo permite un retorno parcial a la estructura de grano del estado original, se denomina recuperación por recocido. La recuperación permite que el metal retenga la mayoría del endurecimiento por deformación, obtenido durante el trabajo en frío, pero la tenacidad de la pieza se mejora.
Las operaciones de recocido anteriores se ejecutan primordialmente para lograr otras funciones además del alivio de los esfuerzos. Sin embargo, el recocido se realiza algunas veces sólo para aliviar los esfuerzos residuales en la pieza de trabajo causados por los procesos de formado previos. Estos tratamientos, denominados recocido para el alivio de esfuerzos, ayudan a reducir la distorsión y las variaciones dimensionales que pudieran resultar en las piezas que fueron sometidas a esfuerzos.
FORMACIÓN DE MARTENSITA EN EL ACERO
El diagrama de fases hierro-carbono de la figura 6.4 indica las fases del hierro y el carburo de hierro (cementita) presentes bajo condiciones de equilibrio. Se supone que el enfriamiento desde una temperatura alta ha sido lo suficientemente lento para permitir que la austenita se descomponga en una mezcla de ferrita y cementita (Fe3 C) a temperatura ambiente. Esta reacción de descomposición requiere de difusión y otros procesos que dependen del tiempo y la temperatura para transformar el metal a su forma final preferida. Sin embargo, bajo condiciones de enfriamiento rápido, de manera que se evita el equilibrio de la reacción, la austenita se transforma en una fase de no equilibrio llamada martensita. La martensita es una fase dura y frágil que da al acero su capacidad única de endurecerse a valores muy altos. El video clip sobre tratamiento térmico proporciona una visión general del tratamiento térmico del acero.Curva tiempo-temperatura-transformación
La naturaleza de la transformación a martensita puede entenderse mejor usando la curva tiempo-temperatura-transformación (curva TTT) para acero eutectoide ilustrada en la figura 27.1. La curva TTT muestra cómo la velocidad de enfriamiento afecta la transformación de austenita en varias fases posibles. Las fases pueden dividirse en 1) formas alternativas de ferrita y cementita y 2) martensita. El tiempo se representa (logarítmicamente por conveniencia) a lo largo del eje horizontal y la temperatura en el eje vertical. La curva se interpreta a partir del tiempo cero en la región austenita (en un lugar por encima de la línea de temperatura A1 para una composición dada) y continúa hacia abajo y a la derecha a lo largo de una trayectoria que muestra cómo se enfría el metal en función del tiempo. La curva TTT que se muestra en la figura es para una composición específica de acero (0.80% de carbono). La forma de la curva es diferente para otras composiciones.
A velocidades lentas de enfriamiento, la trayectoria pasa a través de la región, lo que indica una transformación en perlita o bainita que son formas alternativas de mezclas ferrita-carburo. Como estas transformaciones toman tiempo, el diagrama TTT muestra dos líneas: el inicio y el fin de la transformación conforme transcurre el tiempo, indicando las diferentes regiones de fase por los subíndices s y f, respectivamente. La perlita es una mezcla de fases ferrita y carburo en la forma de placas delgadas paralelas. Se obtiene por enfriamiento lento de la austenita, de manera que la trayectoria de enfriamiento pase a través de Ps arriba de la “nariz” de la curva TTT. La bainita es una mezcla alternativa de las mismas fases, que puede producirse mediante un enfriamiento inicial rápido a una temperatura por encima de Ms , de manera que se evite la nariz de la curva TTT; de esto sigue un enfriamiento mucho más lento para pasar a través de Bs y dentro de la región ferritacarburo. La bainita tiene una estructura en forma de agujas o plumas que consiste en finas regiones de carburo.
Si el enfriamiento ocurre a una velocidad suficientemente rápida (indicada por la línea punteada en la figura 27.1), la austenita se transforma en martensita. La martensita es una fase única que consiste en una solución hierro-carbono cuya composición es igual a la de la austenita de donde se deriva. La estructura cúbica centrada en la cara de la austenita se transforma casi instantáneamente en la estructura tetragonal centrada en el cuerpo (BCT) de la martensita, sin que ocurra el proceso de difusión, el cual está en función del tiempo y es necesario para separar la ferrita y el carburo de hierro en las transformaciones precedentes.
Durante el enfriamiento, la transformación de la martensita empieza a cierta temperatura Ms y termina a una temperatura más baja Mf , como se muestra en el diagrama TTT. En los puntos entre estos dos niveles, el acero es una mezcla de austenita y martensita. Si se detiene el enfriamiento a una temperatura entre las líneas Ms y Mf , la austenita se transformará en bainita en cuanto la trayectoria tiempo-temperatura cruce el umbral de Bs . El nivel de la línea Ms es influido por los elementos de la aleación, incluido el carbono. En algunos casos, la línea Ms se cae por debajo de la temperatura ambiente, lo que hace imposible para estos aceros la formación de martensita mediante métodos de tratamiento térmico tradicional.
La dureza extrema de la martensita es consecuencia de la deformación reticular creada por los átomos de carbono atrapados en la estructura BCT, que forman una barrera al deslizamiento. En la figura 27.2 se muestra el efecto significativo que tiene la martensita sobre la transformación de la dureza del acero, al incrementar el contenido de carbono.
Procesos del tratamiento térmico
El tratamiento térmico para formar martensita consiste en dos pasos: austenitización y enfriamiento por inmersión. Con frecuencia, después de estos pasos sigue un templado para producir martensita templada. La austenitización implica calentamiento del acero a una temperatura lo suficientemente alta para convertirse entera o de manera parcial en austenita. Esta temperatura puede determinarse por medio del diagrama de fases para la composición particular de la aleación. La transformación a austenita implica un cambio de fase que requiere tiempo y calentamiento. En consecuencia, el acero debe mantenerse a una temperatura elevada por un periodo suficiente de tiempo para permitir que se forme la nueva fase y se logre la homogeneidad de composición requerida.
El paso de enfriamiento por inmersión implica que el enfriamiento de la austenita sea lo suficientemente rápido para evitar el paso a través de la nariz de la curva TTT, como se indica en la trayectoria de enfriamiento de la figura 27.1. La velocidad de enfriamiento depende del medio de inmersión y de la velocidad de transmisión de calor dentro de la pieza de acero. Se usan varios medios de inmersión en las operaciones comerciales de tratamiento térmico que incluyen: 1) salmuera —agua salada, generalmente agitada—; 2) agua dulce —destilada, no agitada—; 3) aceite destilado y 4) aire. La inmersión en salmuera agitada proporciona el enfriamiento más rápido de las superficies calentadas de la pieza, mientras que el temple al aire es el más lento. El problema es que mientras más efectivo sea el medio de inmersión en el enfriamiento, es más probable que cause esfuerzos internos, distorsión y grietas en el producto.
La velocidad de transferencia de calor dentro de la pieza depende en gran medida de su masa y su geometría. Una forma cúbica grande se enfriará mucho más despacio que una lámina delgada pequeña. El coeficiente de conductividad térmica k de la composición particular también es un factor en el flujo de calor en el metal. Hay una considerable variación en k para diferentes grados de acero; por ejemplo, el acero al bajo carbono tiene un valor típico de k igual a 0.046 J/s-mm-°C (2.2 Btu/h-in-°F), mientras que un acero de alta aleación debería tener una tercera parte de este valor.
La martensita es dura y frágil. El templado es un tratamiento térmico que se aplica a los aceros endurecidos para reducir su fragilidad, incrementar su ductilidad y tenacidad y aliviar los esfuerzos en la estructura de la martensita. El tratamiento implica calentamiento y mantenimiento a una temperatura por debajo de la eutectoide durante aproximadamente una hora, seguido de un enfriamiento lento. El resultado es la precipitación de partículas muy finas de carburo de la solución martensítica hierro-carbono y la transformación gradual de la estructura cristalina de BCT a BCC. Esta nueva estructura se llama martensita templada. Una ligera reducción en resistencia y dureza producen una mejora en ductilidad y tenacidad. La temperatura y el tiempo del tratamiento de templado controlan el grado de suavización del acero endurecido, ya que el cambio de la martensita no templada a la templada implica difusión.
En conjunto, los tres pasos del tratamiento térmico del acero para formar martensita templada pueden representarse como se muestra en la figura 27.3. Hay dos ciclos de calentamiento y enfriamiento, el primero para producir martensita y el segundo para templarla.
Templabilidad
El término templabilidad se refiere a la capacidad relativa de un acero de ser endurecido por transformación a martensita. Es una propiedad que determina la profundidad por debajo de la superficie enfriada por inmersión a la cual el acero se endurece o la severidad de la inmersión requerida para lograr una cierta penetración de la dureza. Los aceros con buena templabilidad pueden endurecerse más profundamente debajo de la superficie y no requieren altas velocidades de enfriamiento.
La templabilidad no se refiere a la máxima dureza que se puede lograr en el acero; eso depende del contenido de carbono. La templabilidad de un acero se incrementa mediante la aleación. Los elementos aleantes que tienen el mayor efecto son el cromo, el manganeso, el molibdeno (y el níquel en menor grado). El mecanismo con el cual operan estos elementos aleantes es el aumento del tiempo antes de que inicie la transformación de austenita a perlita en el diagrama TTT. En efecto, la curva TTT se mueve hacia la derecha, lo que permite velocidades de enfriamiento más lentas durante la inmersión. Por lo tanto, la trayectoria del enfriamiento es capaz de seguir con mayor facilidad una trayectoria más lenta hacia la línea Ms , con lo que evita el obstáculo impuesto por la nariz de la curva TTT.
El método más común para medir la templabilidad es la prueba de Jominy del extremo enfriado por inmersión. La prueba involucra el calentamiento de un espécimen estándar de diámetro de 25.4 mm (1.0 in) y longitud de 102 mm (4.0 in) dentro del rango de la austenita, y después la inmersión de uno de sus extremos en agua fría mientras se sostiene en posición vertical, como se muestra en la figura 27.4a). La velocidad de enfriamiento en el espécimen de prueba disminuye con el incremento de la distancia desde el extremo que se enfría por inmersión. La templabilidad está indicada por la dureza del espécimen como una función de la distancia desde el extremo enfriado por inmersión, como se muestra en la figura 27.4b).
ENDURECIMIENTO POR PRECIPITACIÓN
El endurecimiento por precipitación implica la formación de finas partículas (precipitados) que actúan para bloquear el movimiento de las dislocaciones y hacer más resistente y duro al metal. Es el principal tratamiento térmico para hacer resistentes las aleaciones de aluminio, cobre, magnesio, níquel y otros metales no ferrosos. El endurecimiento por precipitación puede usarse también para hacer resistentes las aleaciones de acero que no pueden formar martensita por medio del método usual.
La condición necesaria que determina si un sistema de aleación puede ser endurecido por precipitación es la presencia de una línea inclinada de solvus, como se muestra en el diagrama de fase de la figura 27.5a). Una composición que puede endurecerse por precipitación es aquella que contiene dos fases a temperatura ambiente, pero que se puede calentar a una temperatura tal que disuelva la segunda fase. La composición C que se muestra en la figura satisface este requerimiento. El proceso de tratamiento térmico consiste en tres pasos, los cuales se ilustran en la figura 27.5b): 1) tratamiento de la solución, en el cual se calienta la aleación a la temperatura Ts arriba de la línea solvus dentro de la región de la fase alfa y se sostiene por un periodo suficiente para disolver la fase beta; 2) enfriamiento por inmersión a temperatura ambiente para crear una solución sólida sobresaturada y 3) tratamiento por precipitación, en el cual se calienta la aleación a una temperatura Tp , por debajo de Ts , para ocasionar la precipitación de partículas finas de la fase beta. Este tercer paso se llama envejecimiento, y por esta razón algunas veces se le llama al proceso entero endurecimiento por envejecimiento. Sin embargo, el envejecimiento puede ocurrir en algunas aleaciones a temperatura ambiente, y así el término endurecimiento por precipitación resulta más adecuado para los tres pasos del proceso de tratamiento térmico que se analiza aquí. Cuando el paso de envejecimiento se realiza a temperatura ambiente se usa el término envejecimiento natural. Cuando se realiza a una temperatura elevada, como se muestra en la figura, a menudo se usa el término envejecimiento artificial.
Durante el paso de envejecimiento se logra una alta resistencia y dureza en la aleación. La combinación de tiempo y temperatura en el proceso de precipitación (envejecimiento) es crítica para lograr las propiedades deseadas en la aleación. A temperaturas elevadas en el tratamiento por precipitación, como en la figura 27.6a), la dureza se eleva en un tiempo relativamente corto; mientras que a temperaturas más bajas, como en b), se requiere más tiempo para endurecer la aleación, pero su máxima dureza será probablemente más grande que en el primer caso. Como se observa en la gráfica, la continuación del proceso de envejecimiento da por resultado una reducción en las propiedades de dureza y resistencia. A esta reducción se le llama sobrenvejecimiento. El efecto global es similar al del recocido.
ENDURECIMIENTO SUPERFICIAL
El endurecimiento superficial se refiere a cualquiera de los varios tratamientos termoquímicos aplicados al acero en los cuales la composición de la superficie de la pieza se altera por la adición de carbono, nitrógeno u otros elementos. Los tratamientos más comunes son: carburización, nitruración y carbonitruración. Por lo general, estos procesos se aplican a las piezas de acero de bajo carbono para lograr una corteza exterior dura resistente al desgaste al mismo tiempo que se retiene un núcleo tenaz. A menudo, se usa el término endurecimiento superficial para denominar este tratamiento. Carburización La carburización es el tratamiento de endurecimiento superficial más común. Implica el calentamiento de una pieza de acero al bajo carbono en presencia de un medio rico en carbono, de manera que el C se difunda en la superficie. En efecto, la superficie se convierte en un acero al alto carbono, con una dureza más alta que la del núcleo de bajo carbono. El entorno rico en carbono puede crearse de varias formas. Un método consiste en el uso de materiales carbonáceos, como carbón vegetal o coque, que se empacan en un recipiente cerrado junto con las piezas. Este proceso se llama carburización en caja, y produce una capa relativamente gruesa en la superficie de la pieza, cuyos valores fluctúan aproximadamente entre 0.6 y 4 mm (0.025 y 0.150 in). Otro método, llamado carburización gaseosa, usa hidrocarburos combustibles, como el propano (C3 H8 ) dentro de un horno sellado para difundir el carbono dentro de las piezas. El grosor de la corteza en este tratamiento es delgado, de 0.13 a 0.75 mm (0.005 a 0.030 in). Otro proceso es la carburización líquida, el cual emplea un baño de sal fundida que contiene cianuro de sodio (NaCN), cloruro de bario (BaCl2 ) y otros componentes para difundir el carbono en el acero. Este proceso produce un espesor de la capa superficial que fluctúa entre el de los otros dos tratamientos. Las temperaturas típicas de carburización están entre 875° y 925 °C (1 600° y 1 700 °F), dentro del rango de la austenita.
La carburización seguida de un enfriamiento por inmersión produce un endurecimiento de la superficie alrededor de HRC = 60. Sin embargo, debido a que las regiones internas de la pieza consisten en acero al bajo carbono, y a que su templabilidad es baja, no le afecta la inmersión y permanece relativamente tenaz y dúctil para soportar los impactos y los esfuerzos por fatiga.
Nitruración La nitruración es un tratamiento mediante el cual se difunde nitrógeno en las superficies de los aceros de aleación especial, para producir una delgada capa dura sin enfriar por inmersión. Para una mayor efectividad, el acero debe contener ciertos elementos aleantes tales como aluminio (0.85 a 1.5%) o cromo (5% o más). Estos elementos forman nitruros que precipitan como partículas muy finas en la superficie del acero endurecido. Los métodos de nitruración incluyen: la nitruración gaseosa, en la cual las piezas de acero se calientan en una atmósfera de amoniaco (u otra mezcla gaseosa rica en nitrógeno); y la nitruración líquida en la cual las piezas se sumergen en sales de cianuro fundidas. Ambos procesos se llevan a cabo a temperaturas de alrededor de 500 °C (950 °F). El espesor de la corteza va desde 0.025 mm (0.001 in) hasta alrededor de 0.5 mm (0.020 in), con durezas de hasta HRC 70.
Carbonitruración Como su nombre lo indica, la carbonitruración es un tratamiento en el que tanto el carbono como el nitrógeno se absorben en la superficie del acero, por lo general mediante calentamiento en un horno que contiene carbono y amoniaco (NH3 ). El espesor de la corteza está normalmente entre 0.07 y 0.5 mm (0.003 y 0.020 in), con durezas comparables con las de los otros dos tratamientos.
El borizado se lleva a cabo en aceros de herramienta, aleaciones basadas en níquel y cobalto, y hierros fundidos; también se ejecuta en aceros al carbono, usando polvos, sales o atmósferas gaseosas que contienen boro. El resultado de este proceso es una capa delgada con alta resistencia a la abrasión y un bajo coeficiente de fricción. Las capas endurecidas alcanzan 70 HRC. Cuando se usa el borizado en aceros al bajo carbono y baja aleación, también mejora la resistencia a la corrosión.
MÉTODOS E INSTALACIONES PARA EL TRATAMIENTO TÉRMICO
La mayoría de las operaciones de tratamiento térmico se realizan en hornos. Además, hay técnicas que pueden usarse para calentar de manera selectiva la superficie del trabajo o una porción de ella. Por lo tanto, esta sección se divide en dos categorías de métodos e instalaciones para el tratamiento térmico [9]: 1) hornos y 2) métodos selectivos de endurecimiento superficial.
Debe mencionarse que algunos de los equipos descritos aquí se utilizan para otros procesos además de los tratamientos térmicos; éstos incluyen la fundición de metales para colado (sección 11.4.1), calentamiento previo a los trabajos en caliente y medio caliente (sección 18.3), soldadura dura, soldadura blanda y curado de adhesivos, y procesamiento de semiconductores.
Hornos para tratamiento térmico
Los hornos varían mucho en cuanto a tecnología, tamaño y capacidad, construcción y control de la atmósfera. Por lo general, calientan las piezas mediante una combinación de radiación, convección y conducción. La tecnología de calentamiento se divide entre los calentados con combustibles y los calentados con electricidad. Los hornos calentados con combustibles son generalmente calentados directamente, lo cual significa que las piezas de trabajo quedan expuestas directamente a los productos de la combustión. Los combustibles incluyen gases (como el gas natural o el propano) y aceites que pueden atomizarse (como el diesel o el aceite combustible). La química de los productos de combustión puede controlarse al ajustar la mezcla aire-combustible u oxígeno-combustible para minimizar las incrustaciones (formación de óxido) sobre la superficie de trabajo. Los hornos eléctricos usan una resistencia eléctrica para calentar; son más limpios, silenciosos y proporcionan un calentamiento más uniforme, pero son más caros tanto en su valor de compra como en su operación.
Un horno convencional es un espacio cerrado diseñado para resistir las fugas de calor y adecuarse al tamaño de las piezas a procesar. Los hornos se clasifican en carga por lotes y continuos. Los hornos por lotes son más simples, consisten básicamente en un sistema de calentamiento dentro de una cámara aislada con una puerta para cargar y descargar las piezas. Ejemplos de este tipo general de horno son los hornos de caja, que se construyen como cajas rectangulares, disponibles en varios tamaños; hornos con carro, que son mucho más grandes y usan carros tipo ferrocarril para mover piezas grandes en la cámara de calentamiento; y hornos tipo campana, en los cuales la cubierta o campana del horno se puede elevar por medio de una grúa de puente para cargarlo o descargarlo.
En ciertas operaciones de tratamiento térmico se requieren atmósferas especiales, como en algunos de los tratamientos de endurecimiento superficial que se han analizado. Estas atmósferas incluyen ambientes ricos en carbono o nitrógeno para la difusión de estos elementos en la superficie del trabajo. El control de la atmósfera es conveniente en las operaciones de tratamiento térmico convencional para evitar la oxidación excesiva o la descarburización.
Los hornos al vacío son capaces de crear un vacío en la cámara de calentamiento y de calentar las piezas por radiación. Una ventaja de estos hornos que se cita frecuentemente es que evitan la oxidación superficial de las piezas de trabajo; esto representa una alternativa atractiva para el control de la atmósfera. La desventaja es el tiempo requerido en cada ciclo para crear el vacío, lo cual reduce la velocidad de producción.
Otros tipos de horno son el de baño de sales y el de cama fluidizada. Los hornos de baño de sales son recipientes que contienen sales fundidas como cloruros o nitratos. Las piezas a tratar se sumergen en el medio fundido. Los hornos de cama fluidizada tienen un depósito en el que se encuentran pequeñas partículas inertes suspendidas en una corriente de gases calientes a alta velocidad. Bajo condiciones adecuadas, el comportamiento del conjunto de partículas parece el de un fluido, por lo que ocurre un calentamiento rápido de las piezas sumergidas en esta cama de partículas.
Métodos de endurecimiento superficial selectivo
Con estos métodos se calienta sólo la superficie del trabajo o áreas locales de la superficie de trabajo. Difieren de los métodos de endurecimiento superficial (sección 27.4) en que no ocurren cambios químicos. Aquí los tratamientos son exclusivamente térmicos. Los métodos de endurecimiento superficial selectivo incluyen el endurecimiento por flama, el endurecimiento por inducción, el calentamiento por resistencia a alta frecuencia, el calentamiento por haz de electrones y el calentamiento por haz láser.
Endurecimiento por flama Este método implica el calentamiento del trabajo por medio de uno o más sopletes, seguido de un rápido enfriamiento por inmersión. Como proceso de endurecimiento, se aplica en aceros al carbono y aleados, aceros de herramienta y fundiciones de hierro. Los combustibles incluyen el acetileno (C2 H2 ), el propano (C3 H8 ) y otros gases. El nombre de endurecimiento por flama sugiere una operación muy manual con una falta general de control sobre los resultados; sin embargo, el proceso puede configurarse incluyendo control de temperatura, fijadores para posicionar el trabajo respecto a la flama y dispositivos indicadores que operan durante ciclos precisos de tiempo, todo lo cual proporciona un estrecho control de los resultados del tratamiento térmico. Es un proceso rápido y versátil que se presta para producciones altas y para componentes grandes, como engranes que exceden la capacidad de los hornos. Con un control adecuado, endurecen sólo las superficies externas sin afectar las partes internas. La profundidad del endurecimiento es de alrededor de 2.5 mm (0.10 in).
Calentamiento por inducción Este método implica la aplicación de energía inducida electromagnéticamente por medio de una bobina de inducción en una pieza de trabajo conductora de electricidad. El calentamiento por inducción es un método ampliamente usado en la industria para procesos como la soldadura dura, la soldadura suave y el curado adhesivo, así como en varios tratamientos térmicos. Cuando se usa para endurecimiento de aceros, el siguiente paso es un enfriamiento por inmersión. En la figura 27.7 se ilustra una disposición típica. La bobina inductora de calentamiento conduce una corriente alterna de alta frecuencia que induce una corriente en la pieza de trabajo encerrada para efectuar el calentamiento. Con este proceso puede calentarse la superficie, una parte de la superficie o la masa entera de la pieza. El calentamiento por inducción proporciona un método rápido y eficiente para calentar cualquier material conductor de la electricidad. Los tiempos del ciclo de calentamiento son cortos; en consecuencia, el proceso se presta para producciones medias o altas.
Calentamiento por resistencia a alta frecuencia (HF, por sus siglas en inglés) Este método se utiliza para endurecer áreas específicas de superficies de trabajo de acero mediante la aplicación de calentamiento por resistencia localizado a altas frecuencias (por lo general 400 khz). En la figura 27.8 se muestra una configuración típica. El aparato consiste en un conductor de proximidad enfriado por agua que se coloca sobre el área que se desea calentar. Los contactos se aplican a la pieza de trabajo en los bordes exteriores del área. Cuando se aplica la corriente HF, la región por debajo del conductor de proximidad se calienta rápidamente a alta temperatura; se requiere menos de un segundo para alcanzar la escala de la austenita. Cuando la alimentación de corriente se detiene, el área, usualmente una línea estrecha como en la figura, se enfría por transferencia de calor al metal circundante. La profundidad del área tratada es de alrededor de 0.63 mm (0.025 in); la dureza depende del contenido de carbono del acero y puede llegar hasta 60 HRC [9].
Calentamiento por haz de electrones (EB, por sus siglas en inglés) La tecnología del haz de electrones (HE) es relativamente nueva en la manufactura. Sus aplicaciones incluyen el corte (sección 26.3.2), la soldadura por fusión (sección 31.4.1) y el tratamiento térmico (que se analiza aquí). La característica atractiva del procesamiento EB es la concentración de altas densidades de energía en una pequeña pieza localizada. El tratamiento térmico EB implica el endurecimiento de superficies localizadas en el acero. El haz de electrones se genera en un cañón EB que se enfoca sobre una pequeña área, y el resultado es una acumulación rápida de calor. A menudo, las temperaturas de austenitización pueden lograrse en menos de un segundo. Cuando se retira el haz dirigido, el área caliente se enfría por inmersión y endurece inmediatamente por transferencia de calor al metal frío circundante.
Una desventaja del calentamiento por EB (la misma desventaja se aplica a otros usos) es que puede obtenerse mejores resultados cuando el proceso se ejecuta al vacío. Por lo tanto, se necesita una cámara especial de vacío y tiempo para generarlo, de ahí las velocidades lentas de producción. Cuando el endurecimiento por EB se realiza de esta manera se eliminan las incrustaciones de oxidación sobre la superficie de trabajo.
Calentamiento por haz láser (LB, por sus siglas en inglés) Los láseres constituyen otra tecnología nueva, cuyas aplicaciones incluyen corte (sección 26.3.3), soldadura por fusión (sección 31.4.2), medición e inspección (sección 44.5.2) y tratamiento térmico. Láser es un acrónimo del nombre en inglés de light amplification by stimulated emission of radiation (amplificación luminosa de emisiones de radiación estimulada). En el endurecimiento de acero por LB, se enfoca un haz de luz consistente de alta densidad en un área pequeña; el haz se mueve generalmente a lo largo de una trayectoria definida sobre la superficie de trabajo. Esto causa calentamiento del acero dentro de la región austenita. Cuando el haz se cambia de lugar, el área se enfría de inmediato por transferencia de calor al metal circundante. La ventaja del calentamiento por LB sobre el EB es que los láseres no requieren de vacío para lograr mejores resultados. Los niveles de densidad de energía en el calentamiento con EB y LB son más bajos que en el corte o la soldadura por fusión.
REFERENCIAS
[1] Ostwald, P. F. y Munoz, J., Manufacturing Processes and Systems, 9a. ed., John Wiley & Sons, Nueva York, 1977.
[2] Brick, R. M., Pense, A. W. y Gordon, R. B., Structure and Properties of Engineering Materials, 4a. ed., McGraw-Hill Book Company, Nueva York, 1977.
[3] Chandler, H. (ed.), Heat Treater’s Guide: Practices and Procedures for Irons and Steels, ASM International, Materials Park, Ohio, 1995.
[4] Chandler, H. (ed.), Heat Treater’s Guide: Practices and Procedures for Nonferrous Alloys, ASM International, Materials Park, Ohio, 1996.
[5] Flinn, R. A. y Trojan, P. K., Engineering Materials and Their Applications, 5a. ed., John Wiley & Sons, Inc., Nueva York, 1995.
[6] Guy, A. G. y Hren, J. J., Elements of Physical Metallurgy, 3a. ed., Addison-Wesley Publishing Co., Reading, Mass., 1974.
[7] Metals Handbook, 9a. ed., Vol. 4. Heat Treating. ASM International, Materials Park, Ohio, 1981.
[8] Vaccari, J. A., “Fundamentals of heat treating”, Special Report 737, American Machinist, septiembre de 1981, pp. 185- 200.
[9] Wick, C. y Veilleux, R. F. (eds.), Tool and Manufacturing Engineers Handbook. 4a. ed. Vol. 3. Materials, Finishing, and Coating; sección 2: Heat Treatment, Society of Manufacturing Engineers. Dearborn, Mich., 1985.
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