Los tratamientos térmicos que se aplican a los aceros permiten variar su microestructura y, en consecuencia, modificar las propiedades mecánicas. Características como la dureza, la resistencia mecánica o la ductilidad son modificadas en busca de las combinaciones óptimas para cada aplicación. Entre los tratamientos térmicos del acero más comunes se encuentran los recocidos, el normalizado, el temple y el revenido.
Al final del artículo tenéis un vídeo con animaciones y no os olvidéis de repasar conceptos relacionados como el diagrama hierro-carbono, los diagramas TTT o los tratamientos de endurecimiento superficial.
1. Los aceros y sus microconstituyentes
Los aceros son aleaciones de hierro y carbono, con un porcentaje de carbono inferior al 2,11%, que cuentan con numerosas aplicaciones dadas sus excelentes y variadas propiedades mecánicas. La aleación con una cantidad del 0,8% de carbono corresponde con la composición del acero eutectoide. A partir de este, se clasifican como aceros hipoeutectoides aquellos con menor contenido de carbono (a la izquierda) y como aceros hipereutectoides aquellos con mayor cantidad de carbono (a la derecha). Los aceros muestran constituyentes como:
- Ferrita, \delta (zona amarilla): es una solución sólida de carbono en hierro que únicamente aparece a altas temperaturas, por lo que su interés tecnológico es muy bajo.
- Austenita, \gamma (zona azulada): es una solución sólida de carbono en hierro con una solubilidad máxima del 2,11% a una temperatura alrededor de 1147ºC. No es estable a temperatura ambiente, ya que no existe en el diagrama por debajo de 723ºC. Se caracteriza por ser dúctil, blanda y tenaz, motivo por el que los aceros son calentados hasta esta región de temperatura cuando deben ser sometidos a procesos de deformación plástica. Además, las transformaciones de la austenita en función de los tratamientos térmicos en los aceros generan la alta diversidad de propiedades mecánicas en los mismos, siendo una fase muy importante.
- Ferrita, \alpha (zona verde): es una solución sólida de carbono en hierro, con una muy baja solubilidad, inferior al 0,02% de carbono. La máxima solubilidad se encuentra a 723ºC. Este constituyente sí aparece a temperatura ambiente, teniendo una importancia clave en las propiedades mecánicas de los aceros. Aunque es más duro que la austenita, la ferrita es la fase más blanda que es estable a temperatura ambiente.
Además de estos microconstituyentes derivados de las variaciones del hierro puro, también encontramos:
- Cementita, Fe_3C (eje vertical izquierdo): es un compuesto intermetálico muy duro y frágil, por lo que no es apropiado para procesos de deformación plástica debido a su baja capacidad de deformación. Es el límite izquierdo del diagrama hierro-carbono, lo que otorga también el nombre de diagrama hierro-cementita.
- Perlita, \alpha+Fe_3C (línea discontinua naranja en 0,8%C): la perlita es un microconstituyente formado por láminas alternas de ferrita y cementita, producto de la transformación eutéctoide a 723ºC. Combina las propiedades de la ferrita y la cementita, dando como resultado una estructura con buena resistencia mecánica.
En función de cómo aparecen distribuidos estos microconstituyentes, se producen variaciones en las propiedades mecánicas del material, lo que se controla con la aplicación de tratamientos térmicos.
2. ¿Qué es un tratamiento térmico?
Un tratamiento térmico es una combinación de etapas de calentamiento y enfriamiento a una temperatura y tiempo definidos, aplicado para variar las propiedades de un material mediante la obtención de una microestructura específica. Obviamente, la temperatura y el tiempo dependerán del material en cuestión y el objetivo del tratamiento.
En el caso de los aceros, la temperatura de tratamiento vendrá marcada por el tipo de acero, ya sea hipoeutectoide o hipereutectoide. Así, se distinguen tres límites para la temperatura:
- Temperatura crítica inferior, A_1, similar para todos los aceros, ya que coincide con la temperatura de transformación eutectoide (723ºC). Durante el calentamiento, al incrementar la temperatura por encima de A_1, comenzará a formarse la austenita.
- Temperatura crítica superior en los aceros hipoeutectoides, A_3, a partir de la cual se completa la transformación de la ferrita en austenita durante el calentamiento.
- Temperatura crítica superior en los aceros hipereutectoides, A_{cm}, que marca el límite de solubilidad del carbono en la austenita
Los distintos tratamientos térmicos que se explican a continuación quedan definidos según se realicen a temperaturas superiores o inferiores a A_1, A_3 y A_{cm}, los tiempos de tratamiento y la velocidad de enfriamiento.
3. Tratamientos de recocido en los aceros
Existen distintos tipos de tratamiento de recocido que se aplican en los aceros con objetivos distintos. Los principales son:
Recocido de homogeneización o difusión
Este tratamiento se aplica para eliminar posibles diferencias de concentraciones y segregaciones de los distintos elementos aleantes que contenga el acero, como el azufre, el carbono o el manganeso. Es posible que, el material contenga concentraciones diferentes en las distintas regiones (periferia, núcleo) debido al proceso de fabricación previo. Con este tratamiento se obtiene un material más homogéneo y uniforme.
El tratamiento se realiza a una temperatura alta, entre 1000ºC y 1300ºC, según la composición del acero, sin alcanzar la línea de solidus. Los tiempos de tratamiento son largos para lograr la difusión atómica, lo que requiere una gran cantidad de energía. El enfriamiento se realiza lentamente.
Aunque el tratamiento puede ayudar a incrementar la tenacidad del acero es necesario un control exhaustivo de la temperatura y el tiempo. Si estos se exceden se puede generar un crecimiento del grano no deseado, con el efecto contrario.
Recocido de regeneración o recocido completo
Este tratamiento térmico busca reblandecer el acero, obteniendo una ductilidad mayor. Así se consigue un material más apto para procesos de deformación plástica o mecanizado.
La temperatura de tratamiento, en el caso de aceros hipoeutectoides, se encuentra alrededor de 50ºC por encima de la temperatura A_3. En aceros hipereutectoides el tratamiento se aplica unos 50ºC por encima de la temperatura crítica inferior, A_1. Así se evita calentar por encima de A_{cm}, lo que provocaría la precipitación de cementita alrededor de los bordes de grano durante el enfriamiento aportando fragilidad. El resultado sería contrario al deseado, que persigue un material blando y dúctil.
El enfriamiento es muy lento, dentro del horno, obteniendo una microestructura de equilibrio con perlita gruesa.
Recocido de esferoidización o recocido globular
En ciertas ocasiones, el estado del acero después del recocido completo sigue siendo de una dureza excesiva para ser mecanizado o conformado en frío, siendo necesario aplicar el recocido globular. Su objetivo es variar la forma en la que se presenta la cementita dentro de la matriz de ferrita.
En estado de equilibrio, la cementita en forma laminar es la encargada de aportar dureza y resistencia. Este tratamiento, realizado a temperaturas próximas a A_1, consigue globulizar los carburos formando esperas de cementita. El resultado es un material mucho más blando que permite reducir las fuerzas necesarias para su conformado.
Recocido de recristalización
Es un tratamiento muy utilizado entre etapas de conformado por deformación en frío para aumentar la ductilidad del material y alcanzar mayores grados de deformación.
Los proceso de deformación en frío generan una deformación en los granos del material, produciendo un aumento de la dureza. Esto se conoce como acritud. Sin embargo, hay una perdida de la capacidad plástica del material, limitando la deformación máxima que puede obtenerse.
El tratamiento de recocido de recristalización elimina los efectos de la deformación mediante la recristalización de la microestructura, generando nuevos granos equiaxiales en lugar de los granos deformados. Esto permite devolver el material al estado inicial incrementando la deformación que puede obtenerse para continuar aplicando nuevas etapas de conformado.
El tratamiento se realiza entre 600-700ºC, seguido de un enfriamiento lento y sin producir un engrosamiento del tamaño de grano debido a tiempos de tratamiento excesivos.
Recocido de alivio de tensiones
Permite eliminar tensiones residuales que hayan podido inducirse debido a procesos de deformación o enfriamientos no uniformes y que pueden generar distorsiones geométricas en las piezas.
El tratamiento se realiza a baja temperatura sin que haya cambios microestructurales y con enfriamiento al horno o al aire.
4. Tratamiento de normalizado del acero
El tratamiento de normalizado busca dar uniformidad a la microestructura después de procesos de conformado o en casos donde no ha podido controlarse su evolución previamente.
El objetivo del normalizado es obtener una estructura perlítica de grano fino de estado natural, lo que conduce a unas propiedades mecánicas homogéneas y uniformes de mayor dureza y resistencia mecánica que la conseguida con un recocido. El resultado es un acero más tenaz.
El tratamiento se lleva a cabo a una temperatura alrededor de 50-70ºC superior a A_3 en aceros hipoeutectoides y a A_{cm} en aceros hipereutectoides. El tiempo debe ser suficiente para generar la conversión completa en austenita, enfriando posteriormente al aire.
5. Tratamiento de temple y revenido en los aceros
Si se necesita que el acero presente un estado de elevada dureza y límite elástico, es necesario aplicar un tratamiento de temple (o templado). Consiste en calentar alrededor de 50ºC por encima de A_3 en aceros hipoeutectoides y de A_1 en aceros hipereutectoides. Posteriormente, la pieza se enfría rápidamente al sumergirla en agua o en aceite.
El objetivo es generar una microestructura con martensita, que es una solución sólida sobresaturada en carbono que se caracteriza por presentar forma de agujas y aportar una elevada dureza, pero también fragilidad.
Si el tratamiento no se aplica correctamente, pueden aparecer tensiones excesivas en el material que generen grietas o distorsiones. Para reducir estos efectos y disminuir la fragilidad, se aplica un proceso llamado revenido a una baja temperatura (200-500ºC) posterior al templado. Este tratamiento, que no conlleva cambios en la microestructura, es muy importante y complementa al temple. Además, ayuda a aumentar la tenacidad.
Si queréis ampliar un poco más vuestros conocimientos sobre los tratamientos térmicos del acero os animo a ver el siguiente vídeo donde se detallan todos estos conceptos con animaciones!!