Tratamientos Termicos
Gaetan Boren
Se conoce como tratamiento trmico cuando las aleaciones de metales son sometidas bajo condiciones bruscas de temperatura alta y enfriamiento repentino, tiempo de permanencia, velocidad, presin, siempre y cuando la alineacin de los metales o las aleaciones se encuentre en estado slido, con el fin de mejorar sus propiedades mecnicas, especialmente la dureza, la resistencia y la elasticidad. Los materiales a los que se aplica el tratamiento trmico son, bsicamente, el acero, el vidrio y la fundicin, formados por hierro y carbono. Tambin se aplican tratamientos trmicos diversos a los cermicos y maderas.
Las caractersticas mecnicas de un material dependen tanto de su composicin qumica como de la estructura cristalina que tenga. Los tratamientos trmicos modifican esa estructura cristalina sin la composicin qumica, mediante un proceso de calentamientos y enfriamientos sucesivos hasta conseguir la estructura cristalina deseada.
Las propiedades mecnicas de las aleaciones de un mismo metal, y en particular de los aceros, residen en la composicin qumica de la aleacin que los forma y el tipo de tratamiento trmico a los que se les somete. Los tratamientos trmicos modifican la estructura cristalina que forman a los aceros, sin variar la composicin qumica de los mismos.
Esta propiedad debe tener diferentes estructuras de grano con la misma composicin qumica, se llama alotropa y es la que justifica los tratamientos trmicos. Tcnicamente, el polimorfismo es la capacidad de algunos materiales de presentar distintas estructuras cristalinas (vase redes de Bravais), con una nica composicin qumica. El diamante y el grafito son polimorfismos del carbono. La α-ferrita, la austenita y la δ-ferrita son polimorfismos del hierro. En un elemento qumico puro, esta propiedad se denomina alotropa.
Por lo tanto, las diferentes estructuras de grano pueden modificarse, con lo cual se obtienen aceros con nuevas propiedades mecnicas, pero siempre manteniendo la composicin qumica. Estas propiedades varan de acuerdo con el tratamiento que se le d al acero, dependiendo de la temperatura hasta la cual se lo caliente y de cmo se enfra el mismo. La forma que tendr el grano y los microconstituyentes que compondrn el acero, sabiendo la composicin qumica del mismo (esto es, porcentaje de carbono y de hierro (Fe3)) y la temperatura a la que se encuentra se puede observar en el diagrama hierro-carbono.
A continuacin y a modo de ejemplo, se adjunta una figura que muestra cmo vara el grano a medida que el acero se calienta primero y luego se enfra. Los microconstituyentes a los que antes se hizo referencia son, en este caso, la perlita, la austenita y la ferrita.
Esto ser posible si se lleva a cabo el control del tratamiento trmico, para comprobar si el proceso cumple con todos los requisitos tcnicos que se requieren en el control de calidad. Este control se realiza en todas las etapas de la produccin, teniendo en cuenta el control de calidad de los materiales iniciales, el control de los procesos tecnolgicos del tratamiento trmico y el control de la produccin del taller de tratamiento trmico.
Los otros principales elementos de composicin son el cromo, el wolframio, el manganeso, el nquel, el vanadio, el cobalto, el molibdeno, el cobre, el azufre y el fsforo. A estos elementos qumicos que forman parte del acero se les llama componentes, y a las distintas estructuras cristalinas o a la combinacin de ellas, constituyentes.
Los elementos constituyentes, segn su porcentaje, ofrecen caractersticas especficas para determinadas aplicaciones, como herramientas, cuchillas, soportes, etc. La diferencia entre los diversos aceros, tal como se ha dicho, depende tanto de la composicin qumica de la aleacin de los mismos como del tipo de tratamiento trmico.
El tratamiento trmico en el material es uno de los pasos fundamentales para que pueda alcanzar las propiedades mecnicas para las cuales est creado. Este tipo de procesos consisten en el calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado slido para cambiar sus propiedades fsicas. Con el tratamiento trmico adecuado se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamao del grano, incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un interior dctil. La clave de los tratamientos trmicos consiste en las reacciones que se producen en el material, tanto en los aceros como en las aleaciones no frreas, y ocurren durante el proceso de calentamiento y enfriamiento de las piezas, con unas pautas o tiempos establecidos.
Para conocer a qu temperatura debe elevarse el metal para que se reciba un tratamiento trmico es recomendable contar con los diagramas de cambio de fases como el del hierro-carbono. En este tipo de diagramas se especifican las temperaturas en las que suceden los cambios de fase (cambios de estructura cristalina), dependiendo de los materiales diluidos.
Los tratamientos trmicos han adquirido gran importancia en la industria en general, ya que con las constantes innovaciones se van requiriendo metales con mayores resistencias tanto al desgaste como a la tensin. Los principales tratamientos trmicos son:
Los tratamientos termoqumicos son tratamientos trmicos en los que, adems de los cambios en la estructura del acero, tambin se producen cambios en la composicin qumica de la capa superficial, aadiendo diferentes productos qumicos hasta una profundidad determinada. Estos tratamientos requieren el uso de calentamiento y enfriamiento controlados en atmsferas especiales.
Entre los objetivos ms comunes de estos tratamientos estn aumentar la dureza superficial de las piezas, dejando el ncleo ms blando y tenaz; disminuir el rozamiento aumentando el poder lubrificante; aumentar la resistencia al desgaste; aumentar la resistencia a la fatiga o aumentar la resistencia a la corrosin.
El proceso de endurecimiento del acero consiste en el calentamiento del metal de manera uniforme a la temperatura correcta (ver figura de temperaturas para endurecido de metales) y luego enfriarlo con agua, aceite, aire o en una cmara refrigerada. El endurecimiento produce una estructura granular fina que aumenta la resistencia a la traccin (tensin) y disminuye la ductilidad.El acero al carbono para herramientas se puede endurecer al calentarse hasta su temperatura crtica, la cual se adquiere aproximadamente entre los 790 y 830 C, lo cual se identifica cuando el metal adquiere el color rojo cereza brillante. Cuando se calienta el acero, la perlita se combina con la ferrita, lo que produce una estructura de grano fino llamada austenita. Cuando se enfra la austenita de manera brusca con agua, aceite o aire, se transforma en martensita, material que es muy duro y frgil.
Los tratamientos trmicos bsicos de mejora de propiedades de las aleaciones de aluminio son los tratamientos de precipitacin. Constan de las etapas de puesta en solucin, temple y maduracin o envejecimiento. Tambin se realizan tratamientos de recocido.
El recocido es el tratamiento trmico que, en general, tiene como finalidad principal el ablandar el acero u otros metales, regenerar la estructura de aceros sobrecalentados o simplemente eliminar las tensiones internas que siguen a un trabajo en fro. (Enfriamiento en el horno). Esto es, eliminar los esfuerzos residuales producidos durante el trabajo en fro sin afectar las propiedades mecnicas de la pieza finalizada, o puede utilizarse el recocido para eliminar por completo el endurecimiento por deformacin. En este caso, la parte final es blanda y dctil pero sigue teniendo un acabado de superficie y precisin dimensional buenos. Despus del recocido, se puede realizar un trabajo en fro adicional dado que la ductilidad se restaura; al combinar ciclos de repeticin de trabajo en fro y recocido, pueden alcanzarse deformaciones totales grandes.
El trmino recocido tambin se utiliza para describir otros tratamientos trmicos. Por ejemplo, los vidrios pueden tratarse de manera trmica o recocerse para eliminar los esfuerzos residuales presentes en el mismo. Los hierros y aceros pueden recocerse para maximizar sus propiedades, en este caso la ductilidad, aun cuando no se haya trabajado con el material en fro.
La microestructura original trabajada a bajas temperaturas est compuesta de granos que se encuentran deformados que contienen un gran nmero de dislocaciones entrelazadas unas con otras. Cuando se calienta primero el metal, la energa trmica adicional permite que las dislocaciones se muevan y formen los lmites de una estructura subgranular poligonizada. Lo anterior significa que, conforme el material se va calentando, las dislocaciones van desapareciendo y a su vez los granos toman mayor tamao. Sin embargo, la densidad de las dislocaciones permanece virtualmente sin cambiar. Este tratamiento a temperatura baja elimina los esfuerzos residuales debidos al trabajo en fro, sin ocasionar un cambio en la densidad de las dislocaciones, y se le llama recuperacin.
Las propiedades mecnicas del metal permanecen relativamente sin cambio alguno, ya que no se reduce el nmero total de dislocaciones que se presentan durante esta etapa. Dado que se reducen o incluso se eliminan los esfuerzos residuales cuando se reacomodan las dislocaciones, a la recuperacin con frecuencia suele denominrsele recocido de alivio de esfuerzos. Adems, la recuperacin restaura la elevada conductividad elctrica del material, lo que permitira fabricar alambres que podran usarse para transmitir energa elctrica, porque, adems seran altamente resistentes. Por ltimo, la recuperacin frecuentemente agiliza la resistencia a la corrosin de los materiales.
Cuando se somete a muy altas temperaturas un metal trabajado en fro previamente, la recuperacin rpida elimina los esfuerzos residuales y produce la estructura de las dislocaciones poligonizadas. Durante este instante ocurre la formacin de ncleos de pequeos granos en los lmites de las celdas de la estructura poligonizada, eliminando la mayora de las dislocaciones. Debido a que el nmero de dislocaciones se reduce en gran escala, el metal recristalizado tiene una resistencia baja pero una gran ductilidad. Se denomina como temperatura de recristalizacin a la temperatura a la cual aparece una microestructura de granos nuevos que tienen pocas dislocaciones. Recristalizacin es el proceso durante el cual se forman granos nuevos a travs del tratamiento trmico a un material trabajado en fro. La temperatura de recristalizacin depende de varias variables, por lo tanto no es una temperatura fija.
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