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• Iván Pérez Martinez

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Área Mecánica Talca

TRATAMIENTOS DE LOS METALES Prof.: Alejandro Olave Dinamarca

1.- INTRODUCCIÓN Actualmente, las posibilidades de modificar la estructura, constitución e incluso la composición química de los metales y aleaciones, se han extendido considerablemente. Pero siguen siendo los tratamientos térmicos, los que más se utilizan en la metalurgia actual. Los tratamientos térmicos son procesos donde únicamente se utiliza la temperatura como magnitud variable modificadora de la microestructura y constitución de metales y aleaciones, pero sin variar su composición química. El objetivo de los tratamientos térmicos consiste en mejorar las propiedades mecánicas de metales y aleaciones, de tal forma que unas veces interesa aumentar la dureza y resistencia mecánica, y otras veces la ductilidad o plasticidad para facilitar su conformación. Por extensión, también se emplea la denominación de tratamientos a otras técnicas, donde además de utilizar la temperatura como única variable a considerar, se modifica también la composición química de una capa superficial de la pieza. A estos tratamientos se les conoce con el nombre de tratamientos termoquímicos. Ambos tipos de tratamientos se pueden clasificar, atendiendo a los diversos métodos que emplean: a) Tratamientos térmicos: • Recocido • Normalizado • Temple • Revenido b) Tratamientos termoquímicos: • Cementado • Cianurado • Nitrurado • Carbonitrurado • Sulfinización

2.- FASES EN TODO TRATAMIENTO TÉRMICO En todo tratamiento térmico se distinguen tres fases: 1ª Calentamiento hasta la temperatura adecuada. 2ª Mantenimiento a esa temperatura hasta obtener uniformidad térmica. 3ª Enfriamiento a la velocidad adecuada. De acuerdo con las variantes de estas fases se obtienen los distintos tratamientos.

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Explicación de cada una de estas fases: Fase 1ª Si en esta fase se llega a la temperatura de transformación superior, toda la estructura se convierte en austenita. Si el calentamiento es suficientemente lento, se logra una transformación completa. Si el calentamiento se hace a distintas velocidades, la transformación empieza y termina más tarde cuanto mayor sea la velocidad. Fase 2ª Esta fase tiene por objeto lograr el equilibrio entre la temperatura del centro y la periferia y con ello la homogeneización de la estructura. Deberá ser tanto más larga cuanto más rápido haya sido el calentamiento.

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Área Mecánica Talca Fase 3ª Es la fase decisiva en la mayoría de los tratamientos. Para lograr el constituyente deseado hay que partir de la estructura austenítica, si queremos que haya transformación. Si el enfriamiento es lento, la temperatura de transformación y los constituyentes obtenidos son los que se explicitan para el proceso en equilibrio definidos en el diagrama de fases del acero. Si el enfriamiento se hace a distintas velocidades, el comienzo y el final de transformación es distinto, y las estructuras resultantes serán distintas aún para el mismo acero. Si esta tercera fase se hace escalonadamente, es decir, enfriando rápidamente hasta una cierta temperatura y luego se la mantiene a esa misma temperatura durante el tiempo suficiente, se comprueba que también se logra la transformación. Se dice de estas transformaciones son a temperatura constante o isotérmica. Las transformaciones isotérmicas tienen la ventaja, sobre las logradas en el enfriamiento continuo, de que la estructura resulta muy homogénea, mientras que en el enfriamiento continuo pueden resultar varios tipos de cristales. Uniendo los puntos de principio de transformación resulta una curva característica para cada acero. A la izquierda o por encima de ella, todo está en forma austenita. Uniendo los puntos finales de transformación se obtiene otra curva, detrás de la cual o debajo de ella toda la masa estará transformada. Estas se llaman de las "eses" por su forma característica, y al diagrama se le llama de las TTT (Transformación, Tiempo, Temperatura). Las temperaturas Ms y Mf son muy importantes y representan el principio y el final de la transformación en martensita. Con estas curvas resulta fácil comprender los efectos de los tratamientos térmicos. Variando las fases se pueden variar los resultados.

3.- TEMPLE Tratamiento térmico de un material que consiste en calentarlo hasta la temperatura de austenización H-C-I

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Área Mecánica Talca durante un tiempo también previsto, y posteriormente enfriarlo rápidamente para favorecer la conversión de la austenita en martensita. Es el tratamiento térmico convencional, y se usa para la obtención de aceros martensíticos. Se caracteriza por enfriamientos rápidos y continuos en un medio adecuado de temple: agua, aceite o aire. Las propiedades óptimas de un acero templado se consiguen durante el tratamiento térmico del temple si la muestra adquiere un alto contenido en martensita. El acero al carbono para herramientas se puede endurecer al calentarse hasta su temperatura crítica, la cual se adquiere aproximadamente entre los 790 a 830 °C, esto se identifica cuando el metal adquiere el color rojo cereza brillante. Los constituyentes más duros y resistentes son las martensita y la cementita. Para lograr estos constituyentes, se sigue este proceso:

Gráfico de temple

Fase 1ª: El calentamiento se hace hasta alcanzar la austenización completa en los aceros de menos de 0.83% de C; y entre la A1 y Acm para los que pasan de 0.83% de C. En la figura aparece la zona adecuada de calentamiento, en función del C. Fase 2ª: El mantenimiento a la temperatura de temple, debe ser suficiente para alcanzar la homogeneización entre el núcleo y la periferia. Las piezas gruesas necesitarán más tiempo que las delgadas. Si la velocidad en la fase 1ª fue grande, hay que alargar el tiempo de permanencia de la fase 2ª. Fase 3ª: La velocidad de enfriamiento debe ser tal, que no penetre la curva de enfriamiento en la S, hasta llegar a la temperatura Ms de la martensita. En la figura se muestra el gráfico del temple. El éxito del temple estriba en el conocimiento exacto de los puntos de transformación y del empleo del medio adecuado para lograr la velocidad suficiente de enfriamiento.

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Dentro del temple existen tratamientos térmicos que representan una evolución en la búsqueda del equilibrio perfecto entre dureza y tenacidad. Las necesidades industriales han impulsado el desarrollo de dos tratamientos de este tipo, que son: El Martempering y el Austempering.

Austempering y Martempering Estos tratamientos reciben el nombre de isotérmicos ya que son una variante del temple convencional, con diferencias puntuales en el medio, temperatura y tiempo de enfriamiento. Así pues, el enfriamiento, en lugar de hacerse con aceite o aire, como en un proceso de temple normal, se realiza por medio de sales para evitar enfriamientos demasiado drásticos a una temperatura media – según el contenido de carbono del acero, entre la temperatura de austenización y la del medio ambiente–, con un lapso de tiempo de horas en vez de segundos o minutos, lo que favorece la obtención estructural de martensita (martempering) o bainita (austempering), según los requerimientos de la pieza. El gran desarrollo de estos tratamientos básicamente, está dado por un mayor control en los rangos y variaciones de la temperatura.

3.1.- Austempering Los inicios del austempering comienzan en 1930, gracias a las investigaciones de Edgar C. Bain and Edmund S. Davenport, reconocidos metalúrgicos de la época, quienes después de la exposición del metal a temperaturas promedio entre los 250–550 °C, hallaron una formación microestructural que se le llamó bainita, la cual le confiere al acero propiedades mecánicas, principalmente la tenacidad, a la vez buenos niveles de dureza. La explotación comercial del acero bainítico no se hizo masiva de la noche a la mañana, pues otros tratamientos térmicos practicados en aquella época por enfriamiento continuo, impidieron la creación de microestructuras completamente bainíticas; debido, entre otros factores, a la variada gama de aleaciones del acero disponibles, que producían ya sea microestructuras mixtas o con cantidades excesivas de martensita. En 1958, con el advenimiento de los aceros de bajo carbono que incluían microaleantes de: boro y molibdeno, permitieron la producción de aceros completamente bainíticos, además de la aplicación de nuevos tratamientos térmicos, aquellos que implicaban mantener la pieza de trabajo a una temperatura fija durante un periodo de tiempo suficiente para la formación de la bainita, técnica que se conoció colectivamente en el mundo como austempering. El principal objetivo del austempering es obtener un aumento de la ductilidad y la resistencia al impacto junto a valores de dureza altos. Para los procesos de endurecimiento de los materiales ferrosos hay dos temperaturas importantes: primero se calienta el acero para sostenerlo a la temperatura dentro del rango de austenización (sobre los 900 °C), y se sostiene hasta que toda su masa alcance la temperatura. Segundo: se templa en un baño de sales a una temperatura constante entre 270°C y 400°C, el tiempo requerido para la transformación

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Área Mecánica Talca de bainita y finalmente se enfría hasta la temperatura ambiente. La velocidad de enfriamiento depende del tipo de acero y en todos los casos del tamaño y espesor de las piezas. En comparación con el temple convencional, el enfriamiento del metal en el austempering se hace a una velocidad más lenta, la cual está determinada o depende de la temperatura del medio o sal en el cual el operario enfría el metal; es decir, es necesario enfriar lentamente el acero para lograr la fase molecular del austempering, en este caso el líquido deberá estar por encima de la temperatura de transformación martensítica (200ºC); más o menos a unos 300ºC. En el austempering el acero debe permanecer en enfriamiento de 10 y 12 horas aproximadamente, aunque el tiempo de sostenimiento es proporcional a la masa de la pieza; en todo caso, el operario debe guiarse por los resultados de ensayos in situ, es decir, después de que realice una prueba con el material previamente, para así determinar con exactitud este tiempo. Es importante anotar que cuando el acero se enfría rápidamente queda demasiado estresado, como consecuencia del movimiento brusco de los átomos en estado sólido (transformación que se da durante el choque térmico), lo que ocasiona tensiones al interior del acero. Sin embargo, en el austempering la diferencia de temperaturas es menor comparada con el temple, por lo tanto el nivel de esfuerzos residuales y las deformaciones son más bajas lo que se traduce en un menor grado de tensión en el material. Una de las aplicaciones más comunes donde los expertos recomiendan emplear el austempering es la fabricación de resortes, palas, flejes y, en algunos casos, en piñones, ya que brinda tenacidad y capacidad de soportar impactos, además, al lograr otorgarles a los materiales excelentes propiedades de resortabilidad. El objetivo del austempering es pues lograr la combinación en las piezas de la tenacidad y la resortabilidad. Por ello, se emplea en los casos particulares en los que se requiere estas propiedades. Si se practica austempering a todo tipo de piñones es posible obtener piezas con buen grado de tenacidad, pero con dientes que pueden llegar a sufrir un desgaste prematuro. Así pues, la decisión correcta de utilizar austempering o un por ejemplo un cementado convencional, depende da las necesidades de la pieza y del tipo de trabajo que se quiera adelantar; piezas como el rotomartillo, por ejemplo, necesitan mayor resistencia al impacto (austempering) que al desgaste, dado que es una herramienta que en su funcionamiento produce un choque continuo. Según Johnny Obando, Ingeniero Químico, y quien tiene una amplia experiencia en la asesoría de materiales y procesos de fabricación, en el proceso de austempering también se puede utilizar piezas como las puntillas, dado que, además de proporcionarles la dureza adecuada, parar clavarse en la pared o cualquier otro material, también le confiere resortabilidad, a fin de que el golpe fuerte con el martillo no provoque su ruptura inmediata. Así mismo, los cigüeñales para los carros, son otro tipo de elementos que necesitarían austempering, dado que estas herramientas trabajan bajo condiciones de impacto muy fuertes, por lo que requieren de una alta tenacidad. En el austempering se distinguen básicamente cuatro importantes ventajas: • Durabilidad de las piezas cuando estas están sometidas a altos impactos. • Deformaciones mínimas en el material. • No requiere un calentamiento posterior de revenido, es decir la pieza ya adquiere las características mecánicas de ductibilidad, resortabilidad, resistencia al impacto y tenacidad, sin la utilización de procesos posteriores. • Menor grado de tensiones. Los expertos recomiendan el austempering, sobre todo en aceros con un mejor contenido de carbono entre 0,5 y 0,9 por ciento.

3.2.- Martempering El martempering, se popularizó a partir del año 1943, como un proceso de producción metalúrgica destinado a controlar las características de la martensita; un estado cristalino de las moléculas de hierro inducido mediante la manipulación térmica en el acero y aleaciones, que lo hacen excepcionalmente duro. La primera aplicación del tratamiento de martempering fue en hojas de sierra para metales, fabricadas de acero de

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Área Mecánica Talca alto carbono y bajo volframio (C-W). Dicho proceso consistía en el calentamiento del metal en un baño de sales a una temperatura de 793 ºC, con dos minutos a temperatura de austenización –la cual depende de la composición química del acero, por lo regular es de 900ºC– para luego volver a ser enfriado en baños de sales, pero esta vez a una temperatura de 293ºC, con un tiempo de tres minutos de permanencia, antes de secar al aire ambiente. Como resultado, las hojas de la sierra alcanzaron una dureza de 67 Rockwell C con apenas algunas deformaciones. En este caso las cuchillas se caracterizaron también por ser más tenaces que las sierras templadas convencionalmente. Además, una muy amplia serie de ensayos de corte, confirmó un rendimiento mayor (20 por ciento) en comparación con las hojas endurecidas con temple convencional. Al igual que en el austempering, en este tratamiento térmico luego que el metal o la pieza es llevada a altas temperaturas de austenización, también se enfría en un medio por encima de la temperatura de transformación martensítica (200°C a 220°C) la diferencia consiste en que en vez de dejarlo por espacio de 10 a 12 horas en el líquido, la pieza de metal debe durar 1 o 2 horas máximo. El resultado de este proceso es una microestructura llamada martensita y que le confiere al acero excelente resistencia al desgaste. Posteriormente, el material, contrario al austempering, debe someterse a un proceso de revenido, con el fin de otorgarle a la pieza una mayor dureza, de lo contrario queda demasiado frágil, lo que afecta no sólo su buen funcionamiento, sino que además conlleva a rupturas prematuras. Vale anotar que la martensita se obtiene principalmente con enfriamientos de mayores velocidades, es decir que el medio en que se enfría se encuentra a temperaturas de hasta 80ºC, –por debajo de la temperatura de transformación martensitica–, sin embargo en el martempering este componente se obtiene a una temperatura de transformación más elevada o igual que en el austempering, con el fin de evitar deformaciones del material. Las deformaciones en el material se dan cuando se trabaja una pieza caliente y se enfría a temperaturas muy bajas, la pieza se tuerce, pues el líquido comienza a extraerle calor al material, lo que ocasiona que este sufra un cambio de estructura interna y por ende una alta deformación. Es por esta razón que se utiliza el martempering, un proceso de enfriamiento que ayuda a disipar las temperaturas altas del metal, en un medio de enfriamiento adecuado, donde el choque térmico es menor que el temple convencional, a fin que la pieza o metal conserve sus propiedades mecánicas y obtenga así una buena resistencia al desgaste y en general buenas propiedades mecánicas. Las principales aplicaciones del martempering son:

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Para la fabricación de engranajes del mecanismo diferencial de automóviles, dado que para este tipo de piezas se utilizaba el proceso clásico de cementación con temple en aceite, dichas piezas, fabricadas en acero cromo-molibdeno, eran enfriadas en aceite, utilizando además un procedimiento especial para evitar deformaciones en el material, sin embargo, en un 75 por ciento de estos componentes aparecían variaciones de 0.2 mm y 0.6 mm que hacían necesario un enderezado costoso y que en su gran mayoría los inutilizaba por agrietamiento. El enfriamiento del martempering en sales, en lugar de aceite, permite que las deformaciones sean las mínimas posibles reduciendo así el enderezado y excesos para el rectificado, además de obtener durezas elevadas. El martempering también se utiliza en la fabricación de troqueles con geometrías complejas con grandes longitudes o espesores muy delgados, en las que el uso este tratamiento reduce al máximo las deformaciones. El martempering también se utiliza en aceros de alto porcentaje de carbono, altas aleaciones, aceros de medio carbono y aceros de baja aleación, que son usados para la fabricación de cuchillas, espadas, navajas, punzones y demás herramientas.

Vale anotar que estos tratamientos no se pueden aplicar en aceros inoxidables, porque cuando se someten a cualquiera de estos dos procesos, se altera la resistencia de la corrosión al material, es decir, pierde su característica principal.

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Área Mecánica Talca Algunas de sus ventajas son: • Reduce la susceptibilidad a la formación de fisuras durante el tratamiento. • Disminuye la deformación y aumenta la resistencia al impacto, si se compara con otros medios de temple más severos. Limitaciones: Espesor y la composición del acero. • Se logran durezas elevadas y por lo tanto resistencia al desgaste. • Menor deformación en el material, comparado con el temple directo. • Tenacidad media con respecto al temple en otros medios. El proceso del martempering es muy útil para todo tipo de acero que requiera endurecerse y al ser un tratamiento térmico que produce menores deformaciones en el material, resulta más apropiado que practicar el temple directo.

4.- Temple superficial Como su nombre lo indica, no alcanza más que a la superficie de la pieza. Se emplea para obtener piezas superficialmente duras y resilientes en el núcleo. Fase 1ª Se calienta la pieza a gran velocidad, cuidando que sólo llegue a la temperatura de austenización el espesor deseado de la periferia. Fase 2ª Se enfría rápidamente para lograr la transformación martensítica de la periferia. La capacidad de un acero aleado para transformarse en martensita durante un determinado temple, depende de la composición química y de un parámetro que denominaremos templabilidad, que se define como la aptitud de la aleación para endurecerse por formación de martensita, como consecuencia de un tratamiento térmico. Un acero aleado de alta templabilidad es aquel que endurece, o forma martensita, no sólo en la superficie sino también en su interior. Por tanto, la templabilidad es una medida de la profundidad a la cual una aleación específica puede endurecerse. 5.- Revenido Es un tratamiento posterior al temple y que tiene por objeto: 1º Eliminar las tensiones del temple y homogeneizar el total de la masa. 2º transformar la martensita en estructuras perlíticas finas, menos duras pero más resilientes que la martensita. Fase 1ª Se calienta siempre por debajo del punto crítico A1. La temperatura alcanzada es fundamental para lograr el resultado apetecido. Fase 2ª En general, el mantenimiento no debe ser muy largo. Fase 3ª Se enfría en aceite, agua o al aire; en algunos aceros esta fase es muy importante. 6.- TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS Este tipo de tratamientos, básicamente consiste en agregar un elemento extra a la superficie de la pieza y tienen por finalidad el obtener una capa exterior muy dura y resistente, mientras el núcleo de la pieza queda con menor dureza aunque con mayor resistencia. H-C-I

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Área Mecánica Talca Dentro de los tratamientos termoquímicos se encuentran los siguientes: 6.1.- Cementación: La cementación tiene por objeto endurecer la superficie de una pieza sin modificar su núcleo, originando una pieza formada por dos materiales: la del núcleo de acero (con bajo índice de carbono) tenaz y resistente a la fatiga. Consta este tratamiento de dos fases fundamentales: 1ª Enriquecimiento superficial de carbono. Se logra calentando el acero a unos 900º C, en presencia de sustancias ricas en carbono y capaces de cederlo, para unirse al hierro y formar carburo de hierro. La mayor o menor penetración, desde algunas décimas hasta 2 ó 3 mm de este enriquecimiento, depende de la duración de la operación de la energía de las sustancias y de la temperatura alcanzada. El carbono penetra en la superficie que recubre a razón de 0,1 a 0,2 mm por hora de tratamiento. Las sustancias cementantes pueden ser sólidas, líquidas o gaseosas. 2ª La segunda fase es el temple; con él se logra que la capa exterior adquiera gran dureza mientras el núcleo permanece sin cambios. Cuando la primera fase ha sido muy larga, se suele intercalar entre la primera y la segunda un recocido de regeneración. Los aceros empleados para cementar deben ser pobres en carbono. 6.2.- Nituración La nitruración puede ser en horno o iónica. En el primer caso la pieza se introduce en un horno en el que se llena la atmósfera con amoníaco y luego se calienta a temperaturas de aproximadamente 500°C. Esto hace que el amoníaco se descomponga en nitrógeno e hidrógeno; el hidrógeno se separa del nitrógeno por diferencia de densidad y el nitrógeno, al entrar en contacto con la superficie de la pieza, forma un recubrimiento de nitruro de hierro. En el caso de la nitruración iónica, las moléculas de amoníaco se rompen mediante la aplicación de un campo eléctrico. Esto se logra sometiendo al amoníaco a una diferencia de potencial de entre 300 y 1000 V. Los iones de nitrógeno se dirigen hacia el cátodo (que consiste en la pieza a tratar) y reaccionan para formar el nitruro de hierro, Fe2N. Si bien este tratamiento da gran dureza superficial a la pieza, la velocidad de penetración es muy lenta, aproximadamente 1 mm en 100 horas de tratamiento, pero no necesita de temple posterior. Las partes de la pieza que no se deseen nitrurar se deben cubrir con un baño de estañoplomo al 50%. La nitruración se aplica principalmente a piezas que son sometidas regularmente a grandes fuerzas de rozamiento y de carga, tales como pistas de rodamientos, camisas de cilindros, árboles de levas, engranajes sin fin, etc. Estas aplicaciones requieren que la piezas tengan un núcleo con cierta H-C-I

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Área Mecánica Talca plasticidad, que absorba golpes y vibraciones, y una superficie de gran dureza que resista la fricción y el desgaste. Las piezas que se hayan pasado por un proceso de nitruración se pueden usar en trabajos con temperaturas de hasta 500 °C (temperatura de nitruración), temperatura a la cual el nitrógeno comienza a escaparse de la pieza, eliminando los efectos de la nitruración y disminuyendo la dureza de la pieza. Este tratamiento también es aplicable a algunos aceros inoxidables, aceros al cromo-níquel y ciertas fundiciones al aluminio o al cromo. 6.3.- Cianuración Es una variante de la cementación y nitruración por la que las sustancias ceden nitrógeno y carbono. Se realiza con sustancias en estado líquido y tiene la ventaja de que es muy rápido. Se obtienen pequeñas penetraciones y el temple se hace aprovechando el calor de la primera fase. 6.4.- Sulfinización El objetivo no es mejorar las propiedades mecánicas sino mejorar el comportamiento del acero frente al mecanizado. Se realiza en piezas terminadas. El tratamiento consiste en elevar la temperatura de la pieza a 570°C en un baño de sales que ceden C, Ni, S. Se utiliza en aceros de bajo carbono donde la viruta no se corta sino que se deforma y es arrastrada acumulándose frente al ataque. La incorporación superficial de azufre genera sulfuro de hierro (S2Fe) como inclusión no metálica (impureza) y se aloja en los bordes de grano lo que fragiliza al metal, lo cual hace que disminuya el punto de fusión. Con la sulfinización se consigue mejorar la resistencia al desgaste, favorecer la lubricación y evitar el agarrotamiento. Las piezas sulfinizadas tienen una duración de 5 a 6 veces más que las que no fueron tratadas. Esto se logra sumergiendo las piezas en un baño apropiado y especialmente preparado, a una temperatura de 550ºC la pieza así tratada no ha sufrido ninguna deformación y ha adquirido una resistencia al desgaste que produce la fricción, tal, que jamás tratamiento alguno ha logrado hasta el presente. Esto constituye un verdadero acontecimiento. La sulfinizacion o nitruración al azufre, no solamente permite obtener excelentes resultados, sino que además, por primera vez se obtiene un rozamiento sin desgaste entre dos piezas fabricadas exactamente del mismo material y que han soportado un idéntico tratamiento térmico. Se aplica a todos los metales ferrosos, fundiciones y aceros aleados o no, comprendidos los aceros “inoxidables”. La presencia de los metales nobles en las aleaciones ferrosas favorece en H-C-I

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Área Mecánica Talca general la sulfinización. Se aplica a todas la piezas terminadas, es decir, después que esta se haya fabricado y esta apta para su servicio funcional.

Las principales ventajas de este tratamiento son:  

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Mejorar la fricción, reduciendo el coeficiente de rozamiento. Aumentar considerablemente la resistencia a la fatiga, por efecto de la micro dureza que origina una caparazón dura.

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