Endurecimiento por Precipitación

El envejecimiento térmico, también conocido como endurecimiento por precipitación es un tratamiento térmico para endurecer, es decir, aumentar la dureza y resistencia de las aleaciones. Se basa en la deposición de fases metaestables en forma finamente dividida, de modo que forma una barrera eficaz contra los movimientos de las dislocaciones. La resistencia a la fluencia de las aleaciones así tratadas puede aumentar hasta 300 MPa.

Algunas aleaciones endurecidas por envejecimiento térmico:

• La serie 2000 de aleaciones de aluminio (ejemplos importantes: 2024 y 2019, también de aleación de Y y Hiduminium)
• La serie 6000 de aleaciones de aluminio (ejemplo importante: 6061 para los cuadros de bicicleta y de las estructuras aeronáuticas)
• La serie 7000 de aleaciones de aluminio (ejemplos importantes: 7075 y 7475)
• Acero inoxidable 17-4PH (UNS S17400)
• Acero martensítico
• Inconel 718
• Aleación X-750
• René 41
• Waspaloy.

Endurecimiento superficial del acero

El endurecimiento superficial es un término general que abarca una amplia variedad de técnicas, todas ellas con el mismo objetivo: Aumentar la dureza superficial de la pieza, incrementando la resistencia al desgaste y conservando la tenacidad en el interior de la misma. En algunas aplicaciones se busca, además, incrementar la resistencia a la fatiga.

Esta combinación de superficie dura y resistencia al impacto, dos propiedades en general opuestas entre sí, es útil en piezas tales como engranajes, ejes y piezas sometidas al desgaste mecánico. Hay tres enfoques diferentes a los diversos métodos de endurecimiento superficial. Estos son: Procesos Termoquímicos, Procesos Térmicos y Revestimientos. Las principales diferencias entre ellos se muestran en la tabla a continuacion.

Tabla 1. Métodos ingenieriles para el endurecimiento superficial de los aceros y algunos no ferrosos.

Procesos Termoquímicos

 Son procesos de endurecimiento superficial por difusión. En este caso, se modifica la composición química de la superficie de la pieza mediante un proceso termoquímico, el cual necesita calor para promover la disfusión de una especie endurecedora hacia la superficie y regiones subsuperficiales de la pieza a tratar. Este proceso de difusión modifica la composición química de la superficie de la pieza, formando una capa dura.

Tabla 2. Clasificación de los procesos de endurecimiento por difusión (procesos termoquímicos). 

Carburización

Es un proceso de endurecimiento superficial en el que la especie endurecedora es el carbono. Se emplea para endurecer principalmente superficies de piezas de acero de bajo carbono y aceros aleados de bajo carbono, generalmente de 0.08 a 0.25 %C.

El proceso de carburización puede resumirse en los siguientes pasos:

a) Calentar la pieza hasta la temperatura de austenización (815-1090 ºC).

b) Someter la pieza a un medio carburante (sólido, líquido o gaseoso) por un determinado tiempo (de algunas horas a días, dependiendo del medio carburante).

c) Temple la pieza: La superficie carburada, de mayor templabilidad, forma martensita. El núcleo de la pieza, cuya composición química no es alterada, posee menor templabilidad y no forma martensita.

d) Revenido de la microestructura martensítica superficial.

De esta forma, se obtiene en la pieza un gradiente superficial en la concentración de carbono. Como consecuencia, se genera un gradiente de dureza, que es mayor en la superficie y decrece hacia el interior. Así se genera una superficie dura (50-65 HRC) y resistente al desgaste, conservando la tenacidad del interior de la pieza.

Fig 1. Gradiente en la concentración de carbono que resulta de la carburización gaseosa de un acero SAE 8620 para 4, 8 y 16 horas a 927 ºC. Der: Diferentes microestructuras de la carburización sólida de un acero 0.15% C, luego de un enfriamiento lento desde 940ºC por a) 1 hora, b) 2 horas y c) 4 horas. 

Nitruración

Es una técnica de endurecimiento superficial de aleaciones ferrosas en el que se consiguen durezas extraordinarias en la periferia de las piezas por absorción de nitrógeno en una atmósfera de amoníaco y sin la necesidad de un temple final.

Las piezas que se desean nitrurar son siempre templadas y revenidas antes de la nitruración. La nitruración se realiza en una atmósfera de amoníaco a 500-575 ºC, durante 20 a 80 horas. Se alcanzan profundidades de capa de 0.20 a 0.70 mm y durezas de hasta 70 HRC.

Los pasos completos del proceso de nitruración suelen ser los siguiente:

a) Mecanizado de las barras laminadas o piezas en bruto de forja o estampado, dejando un exceso de 2 mm sobre las medidas finales.

b) Temple y revenido a una temperatura tal que el núcleo consiga la dureza o resistencia deseada.

c) Mecanizado final de las piezas, dejándolas casi exactamente a las medidas finaIes.

d) En algunos casos se somete a las piezas a un tratamiento a 500-600 ºC (temperatura inferior a la de revenido) para eliminar las tensiones de mecanizado.

e) Protección de las superficies que no se quiere endurecer y desengrasado.

f) Nitruración.

g) Ligero rectificado final (opcional).

Figura 21. Esquema y microestructura de la capa nitrurada. La microestructura de la derecha corresponde a un acero 0.4%C, 1.6%Cr, 0.35%Mo y 1.13%Al. El núcleo consiste de martensita revenida con 30 HRC de dureza.

TRATAMIENTOS ISOTÉRMICOS

Consisten en calentar el acero por encima de la temperatura crítica superior (A3) o inferior (A1) según los casos (generalmente 740 a 880°C) y enfriando luego hasta una temperatura de 600 a 700°C, que se mantiene constante durante varias horas, para conseguir la completa transformación isotérmica de la austenita. Las durezas obtenidas son muy bajas y pueden graduarse según la temperatura seleccionada.

¿Qué es un Recocido?

 El recocido es un tratamiento térmico cuya finalidad es el ablandamiento, la recuperación de la estructura o la eliminación de tensiones internas generalmente en metales. Cualquier metal que haya sido tratado tiene como resultado una alteración de las propiedades físicas del mismo. El recocido consiste en calentar el metal hasta una determinada temperatura para después dejar que se enfríe lentamente, habitualmente, apagando el horno y dejando el metal en su interior para que su temperatura disminuya de forma progresiva. El proceso finaliza cuando el metal alcanza la temperatura ambiente. Mediante la combinación de varios trabajos en frío y varios recocidos se pueden llegar a obtener grandes deformaciones en metales que, de otra forma, no podríamos conseguir.

Los Objetivos 

Son eliminar las tensiones internas producidas por tratamientos anteriores (como el templado) como aumentar la plasticidad, la ductilidad y la tenacidad del material. Con el recocido de los aceros también se pretende ablandar las piezas para facilitar su mecanizado o para conseguir ciertas especificaciones mecánicas. A su vez, mediante el recocido, se disminuye el tamaño del grano y se puede producir una microestructura deseada controlando la velocidad a la que se enfría el metal.

                            Tipos de Recocido

Recocido De Regeneración Completa

·   Con el nombre de recocidos se conocen varios tratamientos cuyo objetivo principal es ablandar el metal. Dicha acción puede implicar la regeneración de su microestructura o simplemente, la eliminación de tensiones internas.

·  Consisten en calentamientos a temperaturas adecuadas, seguidos generalmente de enfriamientos lentos.

·       En este caso la temperatura se eleva para lograr la recristalización de la microestructura, lo que genera la formación de nuevos granos que reemplazan estructuras previas de granos grandes o deformados. La dureza se minimiza.

·      En el caso de los aceros, se ingresa en el estado austenítico, por encima de la temperatura crítica superior A3 y se enfría muy lentamente.

Objetivos Principales

·         Ablandar el acero.

·         Regenerar su estructura.

·         Otorgar elevada plasticidad.

·         Mejorar la maquinabilidad.

Recocido Subcritico

·      Con temperaturas moderadas se logra relajar tensiones resultantes de procesos previos como soldadura, fundición, deformación plástica, etc. En caso de aceros, se calienta por debajo de la temperatura crítica A1.

Objetivos Principales

·         Estabilidad dimensional a lo largo del tiempo.

·         Prevención de procesos de corrosión.

·         Mejora de la ductilidad.

Recocido de Globulización

·   Se aplican particularmente a aceros que demandan la mínima dureza y la máxima plasticidad.

·     Se emplean temperaturas cercanas a la crítica inferior A1 y se caracterizan por tiempos largos de permanencia para lograr la esferoidización o globulización del carburo de hierro (Cementita) en la matriz ferrítica.

Objetivos Principales

·         Preparación de materias primas para conformar en frío.

·         Aumento de permeabilidad magnética.

Normalizado en los recocidos.

En aceros y fundiciones se aplica para regenerar la estructura de granos con el objetivo de eliminar distorsiones ocasionadas por procesos productivos previos, como en piezas que han sufrido trabajos en caliente o en frío, soldadura, etc.

Consiste en un calentamiento a temperaturas ligeramente por encima de la crítica superior (A3), seguido de un enfriamiento en aire hasta temperatura ambiente. Dicho ciclo es asumido como condición “normal” de enfriamiento de donde deriva el nombre del proceso.

Objetivos Principales

·         Recristalizar micro-estructura.

·         Afinar tamaño de grano.

·         Mejorar propiedades mecánicas.

·         Mejorar maquinabilidad.

El Temple

En numerosos aceros y en bronces al aluminio, es el proceso que permite incrementar la dureza del material a su máximo nivel. Normalmente, este proceso va complementado con un posterior “revenido”, a fin de hallar un punto de equilibrio entre alta dureza y buena tenacidad ya que si la dureza se maximiza, se tiene el riesgo de rotura por fragilidad. 

Las temperaturas necesarias para templar superan a la crítica superior, para “austenizar” el acero previo al enfriamiento. La velocidad del enfriamiento deberá ser suficientemente rápida para llegar a la máxima dureza. En general los medios de temple son líquidos (agua, aceite, sal o polímeros), aunque en algunas aleaciones, el temple puede lograrse en aire o con gases, siendo los elementos de aleación del acero lo que permiten tal operación.

Objetivos Principales

·         Aumentar resistencia mecánica.

·         Mejorar respuesta al desgaste.

·         Incrementar la tenacidad.

                           El Revenido

En numerosos aceros y en bronces al aluminio, es el proceso que permite incrementar la dureza del material a su máximo nivel. Normalmente, este proceso va complementado con un posterior “revenido”, a fin de hallar un punto de equilibrio entre alta dureza y buena tenacidad ya que si la dureza se maximiza, se tiene el riesgo de rotura por fragilidad. 

Las temperaturas necesarias para templar superan a la crítica superior, para “austenizar” el acero previo al enfriamiento. La velocidad del enfriamiento deberá ser suficientemente rápida para llegar a la máxima dureza. En general los medios de temple son líquidos (agua, aceite, sal o polímeros), aunque en algunas aleaciones, el temple puede lograrse en aire o con gases, siendo los elementos de aleación del acero lo que permiten tal operación.

Objetivos Principales:

·         Aumentar resistencia mecánica.

·         Mejorar respuesta al desgaste.

·         Incrementar la tenacidad.

                          Proceso Isotérmico

En este proceso la temperatura permanece constante. Como la energía interna de una gas ideal sólo es función de la temperatura, en un proceso isotérmico de un gas ideal la variación de la energía interna es cero (∆U= 0) La curva hiperbólica se conoce como    isotérmica.

De acuerdo con la primera ley de la termodinámica tenemos:

Q    = ∆U +W. Como ∆U    = 0, entonces,            Q = W

Este proceso se observa cuando en un    pistón que contiene un gas, después de suministrarle calor y producir cambios tanto en la presión como en el volumen su temperatura permanece    constante.

TRATAMIENTOS TERMICOS

TRATAMIENTOS TÉRMICOS APLICADOS AL ACERO

Los tratamientos térmicos consisten en someter al acero a una combinación de operaciones de calentamiento y enfriamiento con tiempos determinados, con el fin de variar las proporciones de sus constituyentes y así producir las propiedades deseadas sobre él. Las variaciones de las propiedades en el material que se producen como resultado del tratamiento térmico deben ser permanentes, de lo contrario el tratamiento térmico no tendría ningún sentido.
Los tratamientos térmicos más utilizados son el temple, el revenido, el recocido y la normalización. Todos los procedimientos se basan en la transformación o descomposición de la austenita. Por tanto, el primer paso en cualquier tratamiento térmico de un acero será calentar el material a la temperatura que conlleve la formación de la austenita.
La temperatura y el tiempo son los factores principales que influyen en un tratamiento térmico y hay que fijarlos siempre de antemano, de acuerdo con la composición del acero, la forma y el tamaño de las piezas que se desean obtener.
Por medio de la representación gráfica temperatura frente a tiempo se puede caracterizar cualquier tratamiento térmico. De una manera muy generalizada se pueden considerar los siguientes puntos importantes: la temperatura máxima de calentamiento, Tmax, hasta la cual se calienta el material durante el tratamiento térmico, el tiempo que se mantiene a la temperatura máxima, tm, y las velocidades de calentamiento y de enfriamiento.
fig 4.1

Hay dos valores de temperatura durante el calentamiento que son importantes de destacar: la temperatura AC₁, o aquella en la que empieza a aparecer el constituyente austenita (723^oC), y la temperatura AC₃ o aquella en la que toda la masa de acero se ha transformado ya en austenita (entre 723^oC y 1.148^oC); los valores concretos de estas temperaturas varían según la proporción de carbono que contienen el acero.

El diagrama de fases Fe-Fe₃C (figura 4.2) es la base para el estudio de los tratamientos térmicos de los aceros, en particular solo la parte del diagrama correspondiente a las aleaciones cuya concentración no supera el 2% de C, de manera que la parte que realmente interesa es la coloreada. 

fig 4.2

Importancia de los tratamientos térmicos del acero

El acero es el más importante de todos  los productos siderúrgicos y esto lo confirma el hecho de que se dedique a su obtención el 80% del hierro líquido producido en los altos hornos. Uno de los hechos que justifica la importancia del acero en la industria es la posibilidad de obtener una gran variedad de propiedades con el mismo tipo de material. Por ejemplo, podemos disponer de aceros maleables para chapas, de aceros inoxidables para trabajos en ambientes húmedos, de aceros magnéticos para aplicaciones electromecánicas, de aceros de elevada dureza y resistencia al desgaste y a las altas temperaturas para herramientas de corte, etc.
Gran parte de la variabilidad de las propiedades se debe a los distintos tratamientos a que se somete el acero entre los que destacan la laminación, el forjado, los tratamientos térmicos como el temple, el recocido, el revenido y el normalizado, tratamientos superficiales como la cementación y la nitruración, etc.