Tratamiento térmico básico de los metales

Introducción

Como trabajadores del acero, nos interesa el tratamiento térmico de los metales porque debemos conocer los efectos que el calor producido por la soldadura o el corte tiene sobre el metal.

También necesitamos conocer los métodos utilizados para restaurar el metal a su condición original. El proceso de tratamiento térmico es un método mediante el cual los metales se calientan y enfrían en una serie de operaciones específicas sin permitir que el metal alcance el estado de fusión.

El propósito del tratamiento térmico es hacer que un metal sea más útil al cambiar o restaurar sus propiedades mecánicas. A través del tratamiento térmico, podemos hacer que un metal sea más duro, más resistente y más capaz de soportar impactos. También, el tratamiento térmico puede hacer que un metal sea más blando y dúctil. Sin embargo, una desventaja es que ningún procedimiento de tratamiento térmico puede producir todas estas características en una sola operación. Algunas propiedades se mejoran a expensas de otras; por ejemplo, endurecer un metal puede hacerlo más frágil.

Teoría del tratamiento térmico

Los diversos tipos de procesos de tratamiento térmico son similares en que todos implican el calentamiento y enfriamiento de los metales; sin embargo, difieren en las temperaturas de calentamiento, las velocidades de enfriamiento utilizadas y los resultados finales.

Los métodos más comunes de tratamiento térmico para metales ferrosos (metales con hierro) son el recocido, la normalización, el endurecimiento y el revenido.

La mayoría de los metales no ferrosos pueden ser recocidos, pero nunca templados, normalizados o cementados. Para lograr un tratamiento térmico exitoso, es necesario un control preciso de todos los factores que afectan el calentamiento y enfriamiento de un metal. Esto solo es posible cuando se cuenta con el equipo adecuado.

El horno debe tener el tamaño y el tipo apropiado, además de ser controlado para mantener las temperaturas dentro de los límites prescritos para cada operación. Incluso la atmósfera del horno influye en la condición del metal sometido al tratamiento térmico.

La atmósfera del horno consiste en los gases que circulan a través de la cámara de calentamiento y rodean el metal mientras se calienta. En un horno eléctrico, la atmósfera es aire o una mezcla controlada de gases. En un horno de combustión, la atmósfera es la mezcla de gases resultante de la combinación del aire con los gases liberados por el combustible durante la combustión.

Estos gases contienen diversas proporciones de monóxido de carbono, dióxido de carbono, hidrógeno, nitrógeno, oxígeno, vapor de agua y otros hidrocarburos. Los hornos de combustión pueden proporcionar tres tipos distintos de atmósfera según la proporción de aire y combustible: oxidante, reductora y neutra.

El tratamiento térmico se lleva a cabo en tres etapas principales:

1. Etapa 1: Calentamiento lento del metal para garantizar una temperatura uniforme.
2. Etapa 2: Mantenimiento del metal a una temperatura específica durante un tiempo determinado y luego enfriamiento hasta la temperatura ambiente.
3. Etapa 3: Enfriamiento del metal hasta la temperatura ambiente.

El objetivo principal en la etapa de calentamiento es mantener temperaturas uniformes. Si el calentamiento es desigual, una sección de la pieza puede expandirse más rápido que otra, lo que puede provocar distorsión o agrietamiento.

Las temperaturas uniformes se logran mediante un calentamiento lento. La velocidad de calentamiento de una pieza depende de varios factores, entre ellos:

• La conductividad térmica del metal. Un metal con alta conductividad térmica se calienta más rápido que uno con baja conductividad.
• La condición del metal. Las herramientas y piezas endurecidas deben calentarse más lentamente que los metales sin tratar o sin tensiones internas.
• Tamaño y sección transversal. Las piezas con una sección transversal grande requieren velocidades de calentamiento más lentas para evitar diferencias de temperatura entre el interior y la superficie, evitando deformaciones o grietas.

Después de calentar el metal a la temperatura adecuada, se mantiene a esa temperatura hasta que se produzcan los cambios estructurales internos deseados.

Este proceso se llama remojo. El tiempo que el metal permanece a la temperatura correcta se conoce como período de remojo, que depende de la composición química del metal y la masa de la pieza.

Si las piezas de acero tienen secciones transversales desiguales, el tiempo de remojo se determina en función de la sección más grande.

En la mayoría de los casos, el metal no se calienta directamente desde la temperatura ambiente hasta la temperatura final en una sola operación. En cambio, se calienta lentamente hasta una temperatura justo por debajo del punto de cambio estructural y se mantiene en ese nivel hasta que el calor se distribuya uniformemente por todo el metal.

Este proceso se llama precalentamiento. Luego, el metal se calienta rápidamente hasta la temperatura final requerida.

En piezas con diseños intrincados, es posible que se requiera más de una temperatura de precalentamiento para evitar grietas y deformaciones excesivas.

Por ejemplo, si una pieza compleja necesita calentarse a 1500°F (815°C) para endurecerse, se puede calentar lentamente a 600°F (315°C), remojar a esa temperatura, luego calentar lentamente hasta 1200°F (650°C) y remojar nuevamente. Luego, se calienta rápidamente hasta la temperatura de endurecimiento de 1500°F (815°C).

Nota: los metales no ferrosos rara vez requieren precalentamiento, ya que generalmente no lo necesitan, y este proceso puede aumentar el tamaño del grano en estos metales.

Después de que el metal ha sido remojado, debe regresar a la temperatura ambiente para completar el proceso de tratamiento térmico.

El enfriamiento puede realizarse en contacto directo con un medio de enfriamiento compuesto por un gas, líquido, sólido o una combinación de estos.

El enfriamiento rápido se llama temple o enfriamiento brusco (quenching), y se realiza sumergiendo el metal en aceite, agua, salmuera u otro medio.

El temple se asocia generalmente con el endurecimiento, aunque no siempre aumenta la dureza. Por ejemplo, para recocer cobre, este se enfría rápidamente en agua.

Algunos metales se agrietan o deforman fácilmente durante el enfriamiento rápido, mientras que otros no sufren efectos adversos. Por lo tanto, el medio de enfriamiento debe seleccionarse de acuerdo con el tipo de metal.

• La salmuera o el agua se usan para metales que requieren una velocidad de enfriamiento rápida.
• Las mezclas de aceite son más adecuadas para metales que necesitan una velocidad de enfriamiento más lenta.
• Los aceros al carbono generalmente se endurecen con agua.
• Los aceros aleados suelen endurecerse con aceite.
• Los metales no ferrosos generalmente se enfrían en agua.

Hoy en día, se utilizan cuatro tipos básicos de tratamiento térmico:

1. Recocido (annealing): Ablanda el metal y alivia tensiones internas.
2. Normalización (normalizing): Mejora la resistencia y elimina tensiones.
3. Endurecimiento (hardening): Aumenta la dureza y la resistencia del acero.
4. Revenido (tempering): Reduce la fragilidad y alivia tensiones internas.

Términos destacados :

Cada uno de estos tratamientos se usa para mejorar ciertas propiedades del metal según su aplicación específica.