— Tutorial nº 186 —
Tratamientos térmicos del acero
Índice de contenidos:
1.- ¿Qué son los tratamientos térmicos del acero?
2.- ¿Para qué sirven los tratamientos térmicos en el acero?
3.- Principales tratamientos térmicos en el acero
3.1- Temple
3.2- Revenido
3.3- Recocido
3.4- Normalizado
4.- Otros tratamientos térmicos importantes en el acero
4.1- Cementado
4.2- Nitruración
4.3- Esferoidización
4.3- Astempering
4.3- Martemplado
DESARROLLO DEL CONTENIDO
1.- ¿Qué son los tratamientos térmicos del acero?
Los tratamientos térmicos del acero son procedimientos industriales en los que se somete al acero a una serie de procesos de calentamiento y enfriamiento de forma controlada, y que se aplican con objeto de poder modificar la microestructura interna del material, pero sin cambiar su composición química.
Todo tratamiento térmico que se realice sobre una pieza de acero se compone de tres etapas fundamentales:
1. Calentamiento: en esta fase se eleva la temperatura de la pieza de manera uniforme hasta un punto específico (frecuentemente llamado temperatura de austenización).
2. Mantenimiento (o Empape): a continuación se mantiene la temperatura durante un tiempo determinado para asegurar que toda la masa de la pieza alcance la misma estructura interna.
3. Enfriamiento: por último se baja la temperatura a una velocidad controlada, que puede llevarse a cabo de forma rápida sumergiendo la pieza en agua/aceite, o bien de una forma más lenta sacando la pieza al aire o dejándola dentro del horno para que el enfriamiento se haga poco a poco.
Según se realice el proceso de enfriamiento de la pieza, así se van a definir las propiedades finales que alcance el acero.
2.- ¿Para qué sirven los tratamientos térmicos en el acero?
El objetivo principal que se persigue con los tratamientos térmicos en el acero es la de modificar alguna de sus propiedades mecánicas (como la dureza, tenacidad o elasticidad), pero sin cambiar su composición química, es decir, que el material siga siendo acero, pero, eso sí, con mejores propiedades.
En realidad, los tratamientos térmicos en el acero se hacen para poder adaptar la pieza al uso específico que se le vaya a dar. No es lo mismo un acero que se destine a la fabricación de perfiles metálicos para la construcción, que un acero que se emplee para fabricar máquinas o herramientas de corte o de mecanizado.
En algunos casos, por ejemplo, para fabricar perfiles de la construcción, nos interesará conseguir un acero que no tiene que ser tan duro, pero sí que sea tenaz y dúctil, propio de las vigas y pilares de un edificio. Sin embargo, si se va a destinar a fabricar herramientas de corte, nos interesará un acero de alta dureza y muy resistente al desgaste, pero que al mismo tiempo no sea muy dúctil para que el filo de corte de la herramienta no se deforme.
En general, mediante los tratamientos térmicos a los que podemos someter al acero, se puede conseguir:
● Aumentar la dureza
● Mejorar la resistencia mecánica
● Reducir la fragilidad
● Mejorar la tenacidad
● Aliviar tensiones internas
● Facilitar el mecanizado de la pieza
En definitiva, los tratamientos térmicos permiten adaptar las propiedades del acero al uso que se le vaya a dar, siendo estos procesos de tratamiento esenciales en sectores como la automoción, la construcción y en la fabricación de herramientas o de maquinaria industrial.
3.- Principales tratamientos térmicos en el acero
3.1- Temple
El temple es un tratamiento térmico que consiste en calentar el acero hasta una temperatura elevada (generalmente entre 800 y 900 °C, dependiendo del tipo de acero) para llevarlo a un estado llamado austenización, para después enfriarlo bruscamente sumergiendo la pieza en un medio como agua, aceite, salmuera o aire forzado.
El objetivo de este enfriamiento rápido es modificar la estructura interna del acero, transformando la austenita, que es la fase o estructura cristalina que aparece cuando el acero se calienta a altas temperatura, en martensita, que es una fase del acero que se caracteriza por ser muy dura.
- Efectos principales del temple:
✅ Aumento de la dureza: es el efecto principal que se consigue con el templado del acero, por eso es uno de los tratamientos térmicos más importantes en metalurgia. El acero templado alcanza altos valores de dureza y resistencia al desgaste.
✅ Mayor resistencia mecánica: con el temple también se mejora la resistencia a esfuerzos de tracción y compresión de la pieza de acero, lo que resulta muy útil para los aceros que se destinen para la fabricación de herramientas y piezas que van a estar sometidas a procesos de carga.
✅ Mejora del comportamiento al desgaste: el temple también resulta ideal para aquellas piezas de acero que trabajan por fricción, como engranajes, cuchillas o ejes de máquinas y vehículos.
- Inconvenientes del temple:
❌ Aumento de la fragilidad: el acero templado es muy duro pero poco tenaz. Puede romperse con impactos o cargas bruscas, debido a su excesiva fragilidad.
❌ Aparición de tensiones internas: el proceso de enfriamiento rápido a la que se somete el acero genera fuertes tensiones residuales en su interior. Estas tensiones residuales que quedan atrapadas en la pieza pueden provocar fisuras o grietas que pueden acarrear una rotura prematura de la pieza.
❌ Riesgo de deformaciones: el riesgo que aparezcan deformaciones es especialmente importante en piezas grandes o de geometría compleja, debido a que se pueda producir un enfriamiento desigual en distintos puntos de la pieza, lo que puede causar que se generen alabeos o deformaciones.
❌ Necesidad de tratamientos posteriores: generalmente todo proceso de templado viene acompañado por una serie de tratamientos posteriores que corrija la mayor parte de los inconvenientes citados. Por ejemplo, normalmente lo que se hace es aplicar un procedimiento específico conocido como revenido tras el temple. Con el revenido lo que se consigue es reducir la fragilidad y mejorar la tenacidad de la pieza templada.
En resumen el temple es un tratamiento térmico fundamental para obtener alta dureza y resistencia en el acero, pero debe aplicarse con cuidado. Si no se controla bien, puede terminar generando fragilidad, tensiones internas y deformaciones, por lo que casi siempre se complementa con un proceso posterior de revenido de la pieza para así equilibrar las propiedades del material.
3.2- Revenido
El revenido es un tipo de tratamiento térmico que se realiza normalmente después del temple. Este tratamiento consiste en calentar el acero templado a una temperatura inferior a la de austenización (normalmente entre 150 y 650 °C) y mantenerlo un tiempo determinado, para luego enfriarlo de forma controlada, generalmente sacando la pieza al aire.
El objetivo principal del revenido es reducir la fragilidad del acero templado y ajustar sus propiedades mecánicas para que la pieza pueda ofrecer mejores prestaciones de uso.
- Efectos principales del revenido:
✅ Disminución de la fragilidad: después del templado, el acero se vuelve extremadamente frágil, por lo que el revenido sirve para reducir esta fragilidad extrema propio de la martensita. En definitiva, con el revenido conseguimos un acero que resulta más seguro frente a impactos.
✅ Aumento de la tenacidad: mediante el revenido el acero puede absorber más energía antes de romperse. Esto puede resultar fundamental en piezas que están sometidas a golpes o cargas variables.
✅ Alivio de tensiones internas: el revenido también sirve para eliminar o reducir las tensiones residuales creadas durante el enfriamiento brusco del temple. Esto disminuirá el riesgo de que se generen grietas internas en el material.
✅ Ajuste de la dureza: aunque con el revenido se pierde parte de la dureza conseguida con el temple, si se realiza el proceso de forma controlada, permite encontrar un punto de equilibrio entre dureza y resistencia para la pieza.
- Inconvenientes del revenido:
❌ Pérdida de dureza: cuanto mayor es la temperatura de revenido, menor es la dureza final. Este hecho puede no ser adecuado para piezas que requieren de una dureza máxima.
❌ Riesgo de sobre-revenido: si durante el revenido, la temperatura o el tiempo de calentamiento son excesivos, el acero pierde demasiada resistencia y se degradan sus propiedades mecánicas.
❌ Aumento del coste y tiempo de proceso: en todo caso, el revenido supone hacer un tratamiento adicional al acero. Esto incrementa el consumo energético y el tiempo de fabricación de las piezas.
❌ Fragilidad de revenido (en algunos aceros): en ciertos aceros y rangos de temperatura, puede aparecer la llamada fragilidad de revenido, que reduce la resistencia al impacto de las piezas de acero.
En resumen, el revenido es un tratamiento térmico esencial que complementa al temple. Sacrifica parte de la dureza conseguida con el temple, pero se hace para ganar tenacidad, estabilidad y fiabilidad, haciendo que las piezas de acero sean más utilizables en la práctica.
Se suele decir que: temple + revenido = combinación clásica en piezas mecánicas.
3.3- Recocido
El recocido es un tratamiento térmico que consiste en calentar el acero hasta una temperatura adecuada (normalmente por encima de la temperatura crítica, entre 700 y 950 °C, según el tipo de acero), manteniendo esa temperatura durante un tiempo suficiente, para luego enfriar muy lentamente la pieza, casi siempre dentro del horno.
El objetivo del recocido es ablandar el acero y devolverle un estado estructural estable. Se puede decir, que el recocido viene a ser casi lo opuesto al temple.
- Efectos principales del recocido:
✅ Disminución de la dureza: con el recocido se consiguen varios efectos beneficiosos para los procesos de fabricación, como es la disminución de la dureza. El acero se vuelve más blando, lo cual facilita mucho las operaciones de mecanizado, conformado y estampación.
✅ Aumento de la ductilidad y la tenacidad: con el recocido el material puede deformarse sin romperse, lo que lo hace ideal para ciertos procesos de fabricación como laminado, embutición o doblado.
✅ Eliminación de tensiones internas: el recocido también sirve para eliminar las tensiones que se generan en las piezas de acero cuando éstas se someten a procesos de fabricación como es el trabajo en frío del acero, la realización de soldaduras y las operaciones de mecanizado de piezas. Con el proceso de recocido se mejora la estabilidad dimensional de las piezas de acero.
✅ Homogeneización de la estructura interna: con el recocido también se obtiene una estructura interna más uniforme (ferrita y perlita más equilibradas) de las piezas de acero, lo que mejora el comportamiento del acero en tratamientos posteriores.
- Inconvenientes del recocido:
❌ Pérdida de resistencia mecánica: al disminuir la dureza de la pieza, también baja la resistencia. Por lo tanto, el recocido no es un procedimiento adecuado para piezas que vayan a trabajar sometidas a altas cargas o a mucho desgaste.
❌ Mayor tiempo y coste: todo el procedimiento que conlleva el recocido, sobre todo el enfriamiento lento, va a implica muchas horas de horno, lo cual repercute en un aumento del consumo energético y el coste de producción.
❌ Posible crecimiento del grano: otro de los aspectos a tener muy en cuenta es que si el tratamiento de recocido no se controla bien, podrá dar lugar a que aparezca grano grueso en la estructura interna de la pieza, lo que hace empeorar algunas propiedades mecánicas del acero.
❌ Necesidad de otros tratamientos posteriores: tras el recocido, muchas piezas van a requerir de otros tratamientos posteriores como temple, cementado o nitruración. En este sentido, el recocido debe considerarse como un tratamiento preparatorio, que no final de la pieza de acero.
En resumen, el recocido es un tratamiento térmico orientado a facilitar los distintos procesos de fabricación a que tenga que someterse el acero posteriormente, pero no en lo relativo a su resistencia final. Así, el recocido hace que el acero sea más blando, dúctil y estable, pero a costa de reducir su dureza y resistencia.
3.4- Normalizado
El normalizado es un tipo de tratamiento térmico en el acero que consiste básicamente en llevar a cabo los siguientes procesos de manera secuencial:
1. Calentar el acero por encima de la temperatura crítica (normalmente entre 750 y 900 °C, según el tipo de acero).
2. Mantener la temperatura el tiempo necesario para que la estructura interna del acero se transforme en austenita.
3. Enfriar al aire, en un ambiente tranquilo y controlado (enfriamiento que sea más rápido que el recocido, pero más lento que el temple).
El objetivo del normalizado es obtener una estructura interna uniforme y de grano fino, mejorando las propiedades mecánicas generales del acero. En este sentido, el normalizado suele quedar a medio camino entre el recocido y el temple.
- Efectos principales del normalizado:
✅ Refinamiento del grano: el normalizado produce un acero con una estructura interna de grano más fino y homogéneo, por lo que se consigue mejorar el comportamiento mecánico del acero.
✅ Mejora de la resistencia mecánica: con este proceso térmico se aumenta la resistencia y dureza respecto al recocido, pero sin llegar a alcanzar la fragilidad del temple.
✅ Estructura uniforme (perlita fina + ferrita): el normalizado es un tratamiento que permite obtener una microestructura interna más regular, lo que resulta ideal como estado "base" del acero.
✅ Reducción parcial de tensiones internas: el normalizado elimina muchas de las tensiones internas que se generan cuando el acero se somete a procesos como fundición, laminado o forja, aunque no se consigue eliminar tantas como con el recocido.
- Inconvenientes del normalizado:
❌ Menor ductilidad que el recocido: el acero normalizado es más duro y menos dúctil, lo cual puede dificultar operaciones posteriores de conformado severo.
❌ Eliminación incompleta de tensiones: el normalizado no alivia del todo las tensiones internas del acero. En piezas muy exigentes puede requerir un recocido de alivio posterior que aminore los niveles de tensiones.
❌ No alcanza durezas elevadas: el normalizado no sustituye al temple cuando se necesita una pieza de acero de alta dureza o resistencia al desgaste.
❌ Riesgo de oxidación superficial: el enfriamiento al aire del normalizado favorece la formación de cascarilla si no se realiza bajo una atmósfera controlada.
En resumen, el normalizado es un tratamiento térmico muy utilizado para mejorar la estructura y las propiedades generales del acero, lográndose un buen equilibrio entre resistencia, dureza y ductilidad.
Y para fijar algunas ideas claras sobre los tratamientos térmicos del acero vistos hasta este punto, en pocas palabras se podría decir lo siguiente del objetivo de cada uno de ellos:
Temple → endurecer
Revenido → equilibrar
Recocido → ablandar y estabilizar
Normalizado → equilibrio estructural
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>> FIN DEL TUTORIAL
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