El tratamiento térmico es un paso crucial posterior a la fundición para refinar la microestructura y las propiedades mecánicas de los componentes metálicos. Mediante el calentamiento cuidadoso de una pieza fundida a temperaturas específicas, su mantenimiento (remojo) durante tiempos controlados y su enfriamiento de forma definida, las fundiciones pueden ajustar la dureza, la resistencia, la ductilidad, la tenacidad, la resistencia al desgaste y la tensión residual.
Los tratamientos térmicos típicos incluyen recocido, normalización, alivio de tensiones, temple (endurecimiento), revenido, martemperado/austemperado, tratamiento de solución y envejecimiento (endurecimiento por precipitación) y endurecimiento de la superficie (carburación/nitruración).
El recocido calienta el metal a 1,550-1,850 °F y luego lo enfría lentamente en el horno. Este proceso ablanda el metal y facilita su mecanizado.
El enfriamiento lento permite que la estructura cristalina del metal se reorganice. Esto elimina las tensiones internas que se acumulan durante la fundición o el trabajo en frío.
El recocido tarda de 4 a 12 horas, dependiendo del tipo y grosor del metal. Las piezas de acero suelen necesitar recocido antes de poder mecanizarlas o darles su forma final.
El recocido de alivio de tensiones calienta el metal a 1,000-1,200 °F para eliminar la tensión interna sin alterar su dureza. La temperatura se mantiene por debajo del punto en el que cambia la estructura del metal.
Este proceso previene la deformación y el agrietamiento de las piezas terminadas. Las estructuras soldadas y los componentes mecanizados suelen necesitar alivio de tensiones para mantener su estabilidad dimensional.
El metal se calienta de 1 a 2 horas por cada pulgada de espesor. Luego se enfría lentamente al aire libre o en el horno.
La normalización calienta el acero a más de 1,600 °F y luego lo enfría al aire a temperatura ambiente. Esto crea una estructura de grano uniforme en todo el metal.
El proceso dura de 1 a 2 horas y produce piezas entre un 10 % y un 20 % más duras que el acero recocido. El acero normalizado se mecaniza mejor y presenta propiedades más consistentes.
Las piezas fundidas y forjadas suelen someterse a un proceso de normalización para mejorar su estructura. El enfriamiento por aire crea un tamaño de grano más fino que el enfriamiento por horno.
El temple enfría rápidamente el metal caliente en agua, aceite o aire para aumentar su dureza. El acero debe calentarse a 1,450-1,550 °F antes del temple para alcanzar su máxima dureza.
El temple en agua enfría más rápido y produce resultados más duros. El temple en aceite reduce el riesgo de agrietamiento al enfriarse más lentamente.
El enfriamiento rápido atrapa los átomos de carbono en la estructura cristalina del acero. Esto crea un material duro pero frágil que suele requerir revenido.
El revenido recalienta el acero templado a 300-1,200 °C para reducir la fragilidad y conservar la dureza. Temperaturas de revenido más altas crean un acero más resistente, pero más blando.
El proceso tarda de 1 a 4 horas, dependiendo de las propiedades deseadas. Una broca puede templarse a 550 °F para obtener dureza, mientras que un resorte se templa a 800 °F para obtener flexibilidad.
El revenido transforma la frágil estructura de martensita en una combinación más tenaz de ferrita y carburos. Esto equilibra la dureza con la tenacidad para un uso práctico.
El temple martensítico templa el acero en un baño de sales fundidas a 400-600 °C antes de enfriarlo al aire. Esto reduce la distorsión y el agrietamiento en comparación con el temple convencional.
El austemperado mantiene el acero a una temperatura de 500-750 °C durante varias horas para generar bainita. Esta estructura proporciona una excelente tenacidad a altos niveles de dureza.
Ambos procesos producen menos distorsión que el temple convencional. Engranajes, resortes y piezas de precisión suelen utilizar estos métodos.
El tratamiento térmico en solución disuelve los elementos de aleación a una temperatura de 900-1,000 °F, seguido de un enfriamiento rápido. Esto crea una solución sólida sobresaturada en aluminio y otras aleaciones no ferrosas.
El envejecimiento calienta el metal a 250-500 °C durante 4 a 24 horas. Se forman finos precipitados en toda la estructura, lo que aumenta su resistencia entre un 50 % y un 100 %.
El endurecimiento superficial crea superficies resistentes al desgaste, manteniendo la tenacidad de los núcleos. Estos métodos de tratamiento térmico modifican únicamente la capa exterior de las piezas.
La carburación añade carbono a las superficies de acero calentando las piezas a 1,650-1,750 °F en una atmósfera rica en carbono. El proceso dura de 4 a 20 horas, dependiendo de la profundidad deseada.
La carburación con gas utiliza metano o propano como fuente de carbono. La carburación por empaquetado rodea las piezas con polvo rico en carbono.
La superficie con alto contenido de carbono puede alcanzar una dureza de 60-63 HRC tras el temple. Los engranajes, cojinetes y árboles de levas suelen someterse a carburación.
La nitruración difunde nitrógeno en las superficies de acero a una temperatura de 950-1,050 °C (65-70 °F) utilizando amoníaco gaseoso. El proceso crea una capa superficial extremadamente dura de XNUMX-XNUMX HRC.
La temperatura más baja previene la distorsión, lo que hace que la nitruración sea ideal para piezas acabadas. La profundidad de la capa alcanza de 0.001 a 0.020 pulgadas después de 10 a 80 horas.
Las superficies nitruradas resisten mejor el desgaste, la corrosión y la fatiga que las carburizadas. Las matrices de fundición a presión y los tornillos de extrusión se benefician de la nitruración.
El temple por inducción utiliza campos electromagnéticos para calentar superficies de acero a 1,550 °F en segundos. El agua pulverizada enfría inmediatamente la zona calentada.
El endurecimiento por llama utiliza sopletes de oxiacetileno con el mismo propósito. Ambos métodos endurecen zonas específicas sin afectar la pieza completa.
Estos procesos funcionan en aceros de medio carbono con un contenido de carbono del 0.40 al 0.50 %. Los ejes, engranajes y placas de desgaste suelen recibir un temple localizado.
El tratamiento criogénico expone los metales a temperaturas inferiores a -250 °F mediante nitrógeno líquido. El proceso completa la transformación martensítica en los aceros templados. La austenita retenida se convierte en martensita durante el enfriamiento profundo.
El tratamiento dura entre 24 y 36 horas, incluyendo enfriamiento y calentamiento controlados. Las piezas muestran una mayor resistencia al desgaste y estabilidad dimensional. Los aceros para herramientas y las aleaciones de alto rendimiento son los que más se benefician del procesamiento criogénico.
| Proceso | Temperatura/Enfriamiento | Microestructura | Materiales | Aplicaciones | Ventajas | Desventajas |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Recocido | Calentar hasta la región α↔γ (~Ac1–Ac3), remojar, enfriamiento muy lento (horno) | Ferrita gruesa + perlita o esferoidita; alivio de tensiones | Aceros al carbono y aleados; hierros grises y maleables; aleaciones de Cu y Al | Fundiciones mecanizables, piezas dúctiles, preformados | Ablanda el metal, alta ductilidad, reducción de tensión. | Reduce la resistencia, granos gruesos, ciclo largo. |
| Relajante para el estrés | 500–700 °C (acero) o ~500 °C (hierro fundido), remojo, enfriamiento lento del aire/horno | Esencialmente sin cambios (recuperación de dislocaciones); posible crecimiento de granos pequeños | Casi cualquier aleación de fundición (aceros, hierros, Al) | Piezas fundidas grandes o gruesas, soldadas o mecanizadas | Reduce la distorsión, mejora la estabilidad y la dureza. | Suavizado mínimo; paso adicional |
| La normalización | ~20–50 °C por encima de Ac3, remojar, aire fresco | Ferrita+perlita fina y uniforme (granos refinados) | Aceros al carbono y de baja aleación | Fundiciones estructurales (engranajes, ejes), acero prefabricado | Refina el grano, más resistente y duradero que el recocido. | Más duro que el recocido, algunos apagan la tensión |
| Temple | Arriba Ac3, remojar, enfriar en agua/aceite/polímero | Martensita (±bainita); muy dura, quebradiza | Aceros de medio/alto contenido de carbono, aceros para herramientas, algunos hierros | Piezas de desgaste, herramientas, engranajes, ejes | Maximiza la dureza y la resistencia. | Alta fragilidad, distorsión/agrietamiento |
| Temperamento | 150–600 °C (temperatura relativa baja), remojar, enfriar | Martensita templada (ferrita + carburos dispersos) | Aceros templados (al carbono, aleados) | Después del endurecimiento: resortes, engranajes, herramientas. | Aumenta la dureza, reduce la fragilidad. | Reduce la dureza, procesamiento extra. |
| Martemplado | Enfriar a ~100–200 °C, mantener y luego enfriar al aire. | Martensita (menos estresada) | Aceros de alto carbono/aleados | Piezas gruesas/endurecidas (engranajes carburizados) | Tensiones más bajas que el temple directo, dureza uniforme | Control complejo, velocidad de enfriamiento limitada |
| templado | Enfriar a ~260–400 °C, mantener isotérmico y luego enfriar. | Estructura bainítica (ausferrita) | Aceros de medio carbono; hierro dúctil (ADI) | Piezas de desgaste ADI, piezas fundidas de alta resistencia | Alta tenacidad y resistencia al desgaste, menor distorsión. | Requiere baño de sal, sólo algunas aleaciones son aptas |
| Solución + Envejecimiento | Calentar a temperatura de solución (por ejemplo, 500–1050 °C), enfriar y luego envejecer a 150–600 °C | Solución sólida monofásica → precipitados finos (por ejemplo, Al₂Cu, Ni₃Ti) | Aleaciones de aluminio (2xxx,6xxx,7xxx); acero inoxidable PH; aleaciones de níquel | Componentes aeroespaciales, piezas fundidas de aluminio endurecido | Muy alta resistencia y resistencia a la corrosión. | Distorsión, proceso largo, control estricto de temperatura. |
| Carburación | ~850–950 °C en baño/gas rico en C, remojar y luego enfriar | Superficie martensítica con alto contenido de carbono; núcleo blando | Aceros de bajo contenido en carbono, fundición dúctil | Engranajes, levas, ejes, superficies de desgaste | Superficie dura con núcleo dúctil; alta resistencia a la fatiga. | Distorsión, ciclos largos, medios tóxicos (líquidos) |
| Nitruración | ~480–550 °C en gas NH₃, remojo prolongado, sin enfriamiento rápido | Capa de nitruro duro (Fe₄N, etc.) en la superficie, núcleo sin cambios | Aceros formadores de nitruro (aceros Cr, Al) | Piezas de bomba de combustible, filos de corte, ejes | Estuche muy resistente; distorsión mínima; proceso sin aceite | Lento (horas), caja poco profunda, selección de aleación limitada |
