Tratamientos Térmicos del Acero: Procesos, Propiedades y Aplicaciones

Los tratamientos térmicos del acero son un conjunto de operaciones que consisten en someter al acero en estado sólido a uno o más ciclos térmicos, con el objetivo de mejorar sus características a través de cambios estructurales.

Proceso General de Calentamiento y Enfriamiento

• Calentamiento: En la mayoría de los casos, se calienta el acero entre 30 °C y 50 °C por encima de la temperatura $Ac_3$ (según el diagrama hierro-carbono).
• Mantenimiento: La pieza se mantiene en el horno hasta alcanzar la misma temperatura en todos sus puntos para lograr la homogeneización. Como regla general, se aplica 1 hora por cada pulgada de espesor.
• Consecuencias de un mal calentamiento: Si la temperatura es demasiado alta o el tiempo es excesivo, se produce un sobrecalentamiento que genera un tamaño de grano grande, lo cual es perjudicial para el acero. Si no ha habido alteración en los bordes de grano, es posible aplicar un tratamiento térmico para regenerar la estructura.
• Enfriamiento lento: La pieza se deja enfriar en el horno con un descenso de temperatura lento (proporcional a su tamaño) para evitar tensiones por dilatación desigual entre el núcleo y la superficie.

Clasificación de los Tratamientos Térmicos

Enfriamiento Lento

Consiste en la austenización seguida de un enfriamiento controlado, ya sea en el horno o al aire, para producir microestructuras próximas al equilibrio.

Normalizado

Busca obtener una estructura más uniforme, mejorando las propiedades y asegurando un resultado óptimo para cualquier tratamiento térmico posterior. Elimina tensiones internas y uniformiza el tamaño de grano del acero.

• Procedimiento: Enfriamiento al aire desde la región austenítica, lo que da como resultado un acero con estructuras y propiedades "normales" características de su composición.

Recocido

Tiene como objetivo ablandar el acero para obtener una maquinabilidad óptima.

• Procedimiento: Enfriamiento en el horno desde la fase austenítica. El acero resultante queda dúctil, con baja resistencia y una estructura gruesa.

Transformación Estructural de la Austenita

Si el enfriamiento es lento, los cambios de fase que tendrán lugar pueden predecirse mediante el diagrama de equilibrio hierro-carbono ($Fe-C$). Si no están en equilibrio, se forman nuevas fases y constituyentes.

Características de la transformación:

• La temperatura de formación de la ferrita y del eutectoide no es constante.
• La cantidad de ferrita aumenta hasta su desaparición.
• Varía la distancia interlaminar de la perlita.
• A mayores distancias, aparece la troostita (intermedia para el temple).
• Se produce un crecimiento acicular de la ferrita.
• Aparece martensita a velocidades mayores cuando la difusión del carbono es impedida.
• Crece la bainita.

Temple

Para comenzar el temple, toda la masa del acero debe encontrarse en estado austenítico.

Transformación de la austenita en martensita:

Requiere un enfriamiento rápido y con el tiempo suficiente para impedir la transformación por difusión atómica. Con el descenso de la temperatura se forma la martensita, delimitada por las temperaturas $M_s$ (inicio de la martensita) y $M_f$ (fin de la martensita). Estas dependen de:

• El porcentaje de carbono en el acero.
• Los elementos aleantes (como el Cromo y el Níquel), los cuales retardan la formación de austenita para facilitar la formación de martensita en un enfriamiento rápido al aire.

Nota: En aceros con muchos aleantes o con un contenido de carbono muy alto, esto influye negativamente porque no se completa la transformación a martensita, quedando presente la austenita retenida.

Revenido de la Martensita

El temple deja al material en un estado duro y frágil. Para corregir esto, se realiza un calentamiento a una temperatura inferior a la temperatura crítica con el fin de:

• Reducir la fragilidad.
• Aumentar la tenacidad.
• Eliminar las tensiones internas.

Conceptos Clave del Temple

• Martensita revenida: Ofrece mejores propiedades técnicas que cualquier otra microestructura del acero.
• Temple total: Se logra cuando la velocidad de enfriamiento en la superficie es superior a la velocidad crítica del diagrama de enfriamiento continuo.
• Templabilidad: Propiedad por la cual, a mayor cantidad de carbono y elementos aleantes, mayor es la capacidad del acero para ser templado.
• Severidad de temple: Es la capacidad del medio de temple para enfriar la superficie del acero.

Tratamientos de Endurecimiento Superficial

Temple Superficial

Temple a la llama: Utiliza uno o más sopletes para calentar únicamente las partes que se desean endurecer, seguido de un chorro de agua para un enfriamiento rápido que garantiza la dureza superficial.