La nueva ciencia de los materiales

Justificación

En la economía mundial globalizada se ha facilitado el acceso a la información actualizada aunque en los países del tercer mundo se mantiene la dificultad para acceder al conocimiento técnico de actualidad.

Debido a lo reducido del mercado venezolano y la muy escasa producción nacional de libros de carácter técnico que permitan a los estudiantes universitarios y a los profesionales en general, mantenerse actualizado sobre los adelantos de la ciencia; es que surge la necesidad de desarrollar este tipo de investigaciones bibliográficas que facilitarán el proceso de adquisición de conocimiento en un área tan importante en formación del profesional universitario en el campo de Mantenimiento Mecánico y Tecnología Automotriz, especialmente.

Este trabajo busca entregar un aporte que permita cerrar una brecha del conocimiento técnico sobre el tema de las técnicas de Tratamiento Técnico, apoyado en veinte años de experiencia profesional y ocho años en la docencia, me permiten conformar un trabajo de investigación bibliográfico que reúna la información más adecuada a los programas de estudio de los estudiantes del Instituto Universitario de Tecnología Industrial y estudiantes en general.

Fundamentos generales

1. 1. GENERALIDADES.

El conocimiento acerca de los materiales se remonta a algunos siglos a. de J. C. Los hombres han trabajado siempre con materiales de algún tipo. En muchos casos se han utilizado métodos extraños y misteriosos. En la fabricación de la espada de Damasco, una parte del proceso consistía en hundir la espada en el estomago de un esclavo de Nubia después de haberla calentado hasta que tuviese el color del sol naciente, observado desde cierto lugar del desierto. Y así, aunque los antiguos podían hacer mucho con sus materiales – trabajaban fundamentalmente con hierro, bronce, plomo y cobre – en realidad desconocían el porqué del comportamiento de esos materiales. Los cruzados no podían creer a sus ojos y sospecharon que se trataba de un truco. Saladino entonces lanzó un veló al aire y con su arma lo desgarró. Era ésta una lámina curva y delgada que brillaba no como las espadas de los Francos sino con un color azulado marcado por una miriada de líneas curvas distribuidas al azar. Los europeos comprobaron entonces que éstas eran, precisamente, las características, ¡oh gran señor!, de todas las láminas usadas en el Islam en tiempos de Saladino (Figura 1).

Figura 1. Una cimitarra de Damasco. Las zonas más claras que se aprecian en el acercamiento están formadas por cementita y las más oscuras por hierro con un contenido de carbono mucho menor

Para hablar de la evolución de uso de los materiales y en especial de los materiales metálicos, es necesario que veamos el marco histórico en el que se dio esa evolución. Por ejemplo, es indispensable contar cómo se produjo el uso de hierro históricamente, ya que la fabricación del acero parte del procedimiento del hierro.

Desde sus comienzos, el ser humano fue aprovechando los recursos de la naturaleza y creando técnicas de distintos tipos, con el proceso de satisfacer sus necesidades. Esta perspectiva histórica es la que permite entender claramente como el hombre va inventando utensilios, instrumentos, maquinas y tecnologías para solucionar sus problemas.

El hombre comenzó a utilizar los metales hace unos seis mil (6.000) años. Antes de usar los metales, empleaba la madera y la piedra en sus actividades domésticas y de caza. Por eso se ha denominado Edad de Piedra a un largo periodo que va desde los comienzos de la prehistoria hasta hace 6.000 años.

Finalizada la Edad de Piedra, comenzó la llamada Edad de los Metales, caracterizada por el uso de los metales. Esta Edad se dividió, a su vez, en dos periodos históricos caracterizados por el uso del Bronce y del Hierro, lo que tiene relación en la forma en que el hombre fue incorporando los metales a su vida cotidiana.

Los primeros metales utilizados por el hombre fueron el Oro y el Cobre. El Oro se empleaba para hacer adornos, debido a que es brillante, fácil de trabajar y muchas veces se encuentra en la naturaleza en estado puro. El Cobre se comenzó a utilizar en la confección de utensilios caseros. La extracción de este metal implicaba procesos bastante complejos en aquella época, el principal de ellos era la fundición del metal, es decir, someter al metal a altas temperaturas, hasta convertirlo en líquido; en este proceso la madera jugaba un papel muy importante, pues era la única fuente energética disponible.

A pesar de que el manejo del Cobre era difícil para el hombre de esa época, hay pruebas de que su producción fue bastante grande entre los años 4.000 y 2.000 a. de J. C.

Pero el Cobre es demasiado blando y los artesanos de la época buscaron la manera de endurecerlo, encontrándose que eso se lograba mezclándolo (aleaciones) con otro metal, el Estaño. Así se logro el Bronce, un metal aleado de excelentes características de dureza, fácil de trabajar y muy resistente a la corrosión.

En ese proceso de búsqueda de un metal de mejores características participaron los artesanos del metal y los inquietos alquimistas, que eran personas que trataban de lograr la "transmutación de los metales", es decir, la conversión de un metal en otro.

La Edad de Bronce es muy importante, porque la técnica de mezclar el Cobre y el Estaño para producir el Bronce, requería de un cierto desarrollo del proceso de fundición. Y, efectivamente, los artesanos llegaron a desarrollar una gran experiencia en la utilización de sus rústicos hornos de arcilla y piedra. El dominio de la fundición significó un importante salto tecnológico en el aprovechamiento y uso de los metales.

Siendo el Hierro el metal base en la aleación más importante en el desarrollo de la civilización, pasemos a conocer su historia. Hay indicios de que el primer mineral de Hierro utilizado por el hombre, cayo del cielo en forma de meteorito. Como se sabe, un meteorito o aerolito, es un fragmento de materia sólida procedente del espacio, que cae en el planeta Tierra. Eso parece haber advertido el hombre prehistórico y de alguna manera se la ingenió para extraer y trabajar ese metal. El Hierro, metal duro y fácil de trabajar cuando se encontraba en estado puro, es decir cuando no estaba mezclado con tierra y otros metales, resultaba para nuestros antepasados un verdadero "don del cielo", un regalo que les hacía el universo infinito.

Generalmente se señala que los primeros en utilizar el Hierro en forma importante fueron los Hititas, un pueblo asentado en la llamada Asia Menor en el año 2.000 a. de J. C. Sin embargo, hay evidencia de que para el año 5.000 a 4.000 antes de la Era Cristiana, los egipcios utilizaban el Hierro para fabricar las herramientas. Pero, realmente, la Edad del Hierro comienza alrededor del año 1.200 a. de J.C., cuando el imperio Hitita fue destruido y los numerosos y calificados herreros del imperio se desperdigaron, llevándose esos conocimientos a otros lugares. Sin embargo, antes de la destrucción del Imperio Hitita había ocurrido un hecho de mucha importancia en el uso de los metales: la conversión del Hierro en Acero, mediante un proceso denominado Forja, de la cual trataremos a detalle en capítulos subsiguiente.

La mayor parte del desarrollo en el campo de los metales tuvo lugar a partir del 1.700, pero nuestro conocimiento de qué sucede dentro de los metales cuando se los calienta o se los trabaja mecánicamente se debe al trabajo de Sorby, en 1861. Nuestras aleaciones modernas se hicieron a partir de 1890, pero es probable que se haya aprendido más acerca de los metales en los últimos treinta años que en todo el resto de la historia.

Algunos desarrollos importantes en la fabricación de herramientas mecánicas influyen en el desarrollo de los materiales.

• PROPIEDADES DE LOS MATERIALES.

Para distinguir un material de otro hay que considerar las Propiedades Físicas. Estas son: color, densidad, calor específico, coeficiente de expansión térmica, conductividad térmica, conductividad eléctrica, resistencia y dureza.

Algunas de las propiedades físicas describen la reacción del material al uso mecánico. A estas propiedades se las llama frecuentemente mecánicas. En la mayoría de los casos los ingenieros tienen que considerar estas propiedades mecánicas ya que deben saber como reaccionan los materiales con el uso al que se los destina.

Para determinar las propiedades mecánicas, se someten los materiales a pruebas de laboratorio normalizadas, en las que se controlan las condiciones que influyen. Así se determinan la reacción ante cambios de variables.

Algunos ensayos aplicados a los materiales son: Ensayo de Tracción, Curvas de Tensión-deformación, Límite de Proporcionalidad, Módulo de Elasticidad, Límite Elástico, Resiliencia, Límite de Fluencia, Tensión de Rotura, Ductilidad, Dureza, entre ellos Ensayo de Dureza Brinell, Ensayo de Dureza Rockwell, Ensayo de Dureza Vickers, Ensayo de Dureza del Escleroscopio, Ensayo de Microdureza, Ensayo de Dureza al rayado, Ensayos de Compresión, Fragilidad, Maleabilidad, Impacto, Fallas por Fatiga, Ensayos de Durabilidad,

• ALEACIONES Y ENDURECIMIENTO DE LOS METALES.

Los desarrollos modernos de los materiales para responder a las exigencias de los avances de la tecnología se han logrado con el progreso en la producción de nuevas aleaciones, entendidas estas como soluciones sólida de algunos materiales bases como el Hierro, Aluminio y el Cobre que en combinación controlada con otros materiales metálicos conforman aleaciones tales como: Acero, Aluminio, Bronce y Latón, respectivamente. Estas aleaciones poseen propiedades que permiten una mejor adaptación a las necesidades de las maquinas modernas y que además permiten mediante la aplicación de técnicas de Tratamiento Térmico ajustarlas a necesidades particulares; en el avance de esta investigación describiremos los detalles de las técnicas modernas en la aplicación de Tratamientos Térmicos, los resultados obtenidos y los medios a través de los cuales se logran los objetivos.

En general se pueden definir los tratamientos térmicos como la operación o combinación de operaciones que envuelven calentamientos o enfriamientos de un metal o aleaciones en estado sólido, con el objeto de obtener ciertas y determinadas condiciones o propiedades.

Figura 2. Diagrama de fases del sistema hierro-carbono.

Tipos de tratamientos térmicos

Entendido los procesos de tratamientos térmicos como la secuencia de operaciones de calentamiento y enfriamiento de las aleaciones en condiciones especiales, con el fin de mejorar sus propiedades y características físicas.

En los tratamientos térmicos los materiales sufren modificaciones y cambios de estructura al ser calentados por encima de una temperatura llamada crítica, posteriormente pueden ser enfriadas con distintas velocidades de enfriamiento, cada una de ellas le confiere al material propiedades físicas características, estas propiedades físicas, tales como: dureza, tenacidad, resistencia a la tracción, resistencia al choque, resistencia a la fatiga, maquinabilidad y otras; están asociadas a la estructura formada.

Sometiendo los metales y las aleaciones a modificaciones de su estructura, bien por el cambio de la forma y tamaño de los granos o bien por transformación de sus constituyentes. El objeto de los tratamientos es mejorar las propiedades mecánicas o adaptarlas, confiriéndole características especiales, a las aplicaciones que se van a dar a las piezas. De esta manera se obtienen aumentos de dureza a la resistencia mecánica, así como mayor plasticidad o maquinabilidad para facilitar su conformación. Estos procesos pueden ser mecánicos y térmicos, y también consistir en la aportación de algún elemento a la superficie de la pieza. Pueden clasificarse de acuerdo a los siguientes grupos:

Entre los factores que intervienen entre los tratamientos térmicos podemos identificar como la transformación en el estado sólido para que puedan realizarse completamente, necesitan el tiempo suficiente. Un enfriamiento lento hasta la temperatura ambiente permitirá la total transformación de los constituyentes, obteniéndose con ello una estructura y una constitución determinada. Si calentamos de nuevo hasta temperaturas superiores a la de transformación, y al enfriar otra vez, no se aumenta la velocidad de enfriamiento, la transformación encontrará más dificultad para realizarse y será sólo parcial (o será impedida totalmente si la velocidad es suficientemente rápida), obteniéndose así una constitución y una estructura distinta alas anteriores. Los tratamientos térmicos son especialmente indicados para los aceros, si bien se trata también con éxito gran número de aleaciones no férreas. En todo ciclo de tratamiento térmico hay que considerar ciertas fases, a saber: calentamiento hasta una temperatura determinada, tiempo de permanencia en ella y enfriamiento hasta la temperatura ambiente, siendo los siguientes factores los que intervienen en el resultado final: Efectos de masa (espesor o diámetro de las piezas), duración de ciertas fases del ciclo térmico y formación de enfriamiento y medio de enfriamiento.

Tratamiento térmico del acero

Con el nombre Acero se denominan la gama de aleaciones de hierro y carbono aptas para ser deformadas en frío y en caliente, y en las cuales el porcentaje de carbono no excede de 1,76% (Figura 2), aunque en algunos casos especiales se puede superar ese límite, como sucede en ciertos aceros con un elevado contenido de carbono. Para muchas aplicaciones de los metales en manufactura, no se utilizan en sus formas puras, sino forma de aleaciones. Una aleación puede definirse como un material compuesto por dos o más elementos, donde al menos uno de ellos es un metal, y que posee propiedades metálicas. La adición de un segundo elemento, tal que forma una aleación, trae como consecuencia un gran cambio de las propiedades. Es para obtener estas propiedades que se producen y utilizan estas aleaciones.

El hierro puro carece de importancia industrial, pero, formando aleaciones con el carbono y otros ingredientes, es el metal más utilizado, por las utilísimas propiedades que le confiere el citado elemento. Las aleaciones con un contenido de carbono entre 0,08% y 1,76% tienen unas características muy definidas y las hemos denominado acero. Estos, a su vez, pueden alearse con otros elementos para formar los aceros especiales o aceros aleados.

Como se ha tratado anteriormente el hombre ha evolucionado a la par de su capacidad para adaptar las propiedades de los materiales a sus necesidades, el aprovechamiento del hierro por los metalúrgicos antiguos al separar el hierro metálico del mineral en que está contenido, rodeando totalmente el mineral con carbón de leña provocando la combustión del carbón, es un ejemplo palpable de esta habilidad. Los métodos rudimentarios que utilizaban para mantener encendido el carbón no permitía lograr una temperatura lo suficientemente alta como para fundir el mineral de hierro. De esa manera sólo obtenían una masa esponjosa, pastosa, mezcla de hierro y otras sustancias. Para eliminar las impurezas tenían que poner la masa al rojo vivo y martillarla. Con este procedimiento se obtenía un hierro puro y muy duro, una especie de acero primitivo. En 1.748 el inglés Abraham Darby II comenzó el estudio que años más tarde resultaría en la obtención de un coque con las características requeridas para producir un hierro colado o arrabio de buenas característica para posterior procesamiento. Este logro abrió una nueva e importante fase en la larga historia de la metalurgia.

Fue en 1.784 cuando se hizo posible convertir el hierro colado obtenido en los Altos Hornos (Figura 3) en acero o hierro dulce, listo para forjar. Esa conversión se hacía mediante un proceso llamado pudelado, que consiste en quitarle carbono al hierro colado o arrabio.

Figura 3. Esquema de un Alto Horno y sus elementos constituyentes.

El acero es, en pocas palabras, un material en el que el hierro es predominante, cuyo contenido de carbono es, generalmente, inferior al 2% y que contiene otros elementos.

Antes de entrar a estudiar los distintos procesos de tratamiento térmicos aplicados al acero es necesario conocer algunos elementos fundamentales de los constituyentes de esta aleación, el comportamiento bajo condiciones de alta y baja temperatura y de sus propiedades en cada caso.

3.1. DIAGRAMA HIERRO-CARBONO.

Es el diagrama de fase para el acero y la fundición, formas fundamentales de la aleación del Hierro y el carbono, en el cual se indican los constituyentes que existen a cualquier temperatura, y para cualquier contenidos de carbono, cuando la aleación se enfría y calienta con la suficiente lentitud para que aquellos permanezcan en el estado de equilibrio. Este diagrama no señala el tamaño relativo del grano de los constituyentes presentes, tampoco indica lo que le ocurre a la estructura cuando se emplean diferentes velocidades de enfriamiento. Obsérvese la Figura 4, se puede apreciar que en el eje de las abscisas donde se ubica el porcentaje de carbono presente en la aleación, hay unos puntos bien definidos:

• a) El límite del diagrama corresponde a un 6,67%, que es la de la Cementita pura. Las aleaciones hierro-carbono con carbono en una proporción superior a la citada lo contendrá en forma de grafito y, por tanto, están excluidas las que consideramos como constituidas por carbono y hierro formado el carburo de hierro.

• b) El punto C, denominado eutéctico, corresponde a una proporción de carbono del 4,3% y de carburo de hierro en un total de 64,5%. La aleación con un 4,3% de carbono es la de más bajo punto de fusión (1.130 C). Con contenidos inferiores de carbono entre el principio y el fin de la solidificación, se va precipitando austenita. Para aleaciones de contenidos superiores a 4,3%, se precipitan cristales de cementita. Las aleaciones con un 4,3% se solidifican formando un solo constituyente, que también se denomina eutéctico, y es la ledeburita.

• c) El punto E marca la máxima solubilidad dl carbono en el hierro gamma y corresponde a un contenido d carbono dl 1,76%. Este punto en el eje de las abcisas divide las aleaciones de hierro-carbono en dos clases: acero de contenido de carbono inferior al 1,76%, hasta 0,03%, y las fundiciones de contenido de carbono comprendido entre 1,76% y 6,67%. Los aceros son las aleaciones que, a partir de una temperatura marcada en el diagrama por las líneas A3 (GS) y Acm (SE), se transforman íntegramente en austenita, y ésta, al enfriarla rápidamente, en martensita.

• d) El punto S, denominado eutéctoide, es análogo al punto C. La diferencia está en que en punto eutéctico tiene lugar un cambio de estado de líquido a sólido, o viceversa, y en eutectoide se produce solamente un cambio de constitución de la aleación, que es sólida. Así el punto C marca la composición que permanece líquida a más baja temperatura. La masa de austenita, al pasar por el punto S, la transformación de la austenita en perlita tiene lugar a través de una fase intermedia durante la cual va dando un constituyente nuevo, hasta que, al llegar a la temperatura d 723 C, la austenita tiene la composición eutectoide y se transforma íntegramente en perlita. Para porcentajes de carbonos superiores al 0,89% la austenita, al enfriarse por debajo de la línea Acm, segrega cementita hasta llegar a los 723 C; para porcentajes inferiores al 0,89% la austenita, al pasar a temperatura inferior a las líneas A3 (GS), segregan ferrita hasta los 723 C.

• e) El punto J, cuyo porcentaje de carbono es del 0,18%, es el de la austenita que permanece estable a la más alta temperatura de 1.492 C. Este punto se denomina peritéctico y puede muy bien considerarse como un punto eutéctico al revés.

• f) El punto H, del 0,08% de carbono, es el máximo porcentaje que puede contener el hierro delta en solución sólida.

• g) El punto P, del 0,025% de carbono, es el máximo porcentaje de carbono que puede disolverse la ferrita. En el eje de la ordenadas hay los siguientes puntos críticos:

• A0 = 210 C, en el cual tiene lugar el campo magnético de la cementita, que deja de ser magnética por encima de esta temperatura.

• A1 = 723 C, que es el límite de la perlita.

• A2 = 768 C, que es el punto de cambio magnético de la ferrita, no magnética por encima de esta temperatura.

• A3 = (línea SG), que es el límite de la ferrita (este punto crítico varía desde 723 C hasta 910 C, según el porcentaje de carbono).

• Acm = (línea SE), que es el límite de la cementita (este punto crítico varía desde 723 C hasta 1 130 C). Línea EF = 1.130 C, que es el límite de la ledeburita. La línea AHJECF es la de las temperaturas en que se inicia la fusión al calentar o se termina la solidificación al enfriar. Por debajo de esta línea, todo el metal está sólido. La línea ABCD es la de las temperaturas del término de la fusión al calentar o del inicio de la solidificación al enfriar. Por encima de ella todo el metal está en estado sólido. Entre esta línea y la anterior existe una mezcla de líquida y sólida.

• A1 = (línea HB), que es el límite superior de la austenita.

• RECOCIDO.

Es un tratamiento orientado a conseguir varios objetivos, como eliminar particularidades estructurales anormales en metales y aleaciones, conferir al metal un estado de ablandamiento o reproducir el estado original del metal en caso de haber sido perturbado en otro tratamiento. Provocar estructuras favorables para mecanizado, eliminar o reducir tensiones internas y disminuir heterogeneidades en la composición del metal.

El ciclo térmico supone calentamiento hasta la temperatura de recocido, mantenimiento isotérmico u oscilante alrededor de esa temperatura y un enfriamiento lento, según una ley predeterminada, Figura 5.. En los trabajo de forjas, doblado, enderezado, torneado, etc., de los aceros, se desarrollan tensiones internas que deben eliminarse antes de templar la pieza, pues en otro caso daría origen a la formación de grietas. Para eliminar estas tensiones internas se procede al recocido de las piezas, que consiste en calentarlas y enfriarlas lentamente.

El recocido antes del temple se recomienda no sólo para las herramientas para que acaban de ser preparadas, sino también siempre que hayan de templarse las que, hallándose en uso, están siendo sometidas a choques.

Figura 5. Ciclo Térmico del recocido.

Tipos de recocidos.

Según sea el fin perseguido se practican varios tipos de recocidos, que son los siguientes:

Recocido Total o de Regeneración: Con este recocido se pretende devolver las propiedades que le corresponderían al acero según su composición. Se utiliza en piezas de acero fundido, soldaduras y piezas que han sufrido en el recocido de homogeneización. Regula por norma, las propiedades mecánicas y elásticas correspondientes a su composición química.

Se calienta hasta el Ac3 + 50 C, y se enfría al aire, y así se regeneran las propiedades de ese material.

Recocido Isotérmico: Tratamiento consistente en calentar el acero a una temperatura superior a la crítica Ac3 + 50 C, y enfriarlo luego rápidamente hasta una temperatura ligeramente inferior a la de austenización, Ac1, manteniéndolo en ésta el tiempo necesario para que se verifique toda la transformación de la austenita en perlita. Finalmente, se deja que siga enfriándose al aire. La estructura obtenida depende de la temperatura de austenización. Si esta se aproxima a Ac1, se logran estructuras aptas para el torneado. Si es mucho más elevado, la estructura serán aptas para el fresado y el taladrado. Por otra parte, este recocido tiene la ventaja de que es mucho más rápido que el enfriamiento continuo. Se aplica a piezas forjadas y a acero para herramientas.

Recocido de homogeneización: Se aplica a los aceros brutos de colada para destruir las hetereogeneidades de tipo químico que se han originado durante la solidificación. También se utiliza en forjados y laminados para eliminar las hetereogeneidades estructurales que perjudican los valores de tenacidad del acero. La temperatura ha de ser muy elevada, por encima de Ac3+ 100 C (temperatura a la cual la Austenita empieza a transformarse en ferrita en el enfriamiento en el Diagrama Fe-C para los aceros susceptibles de la transformación Fe-a a Fe-?), consiguiendo así disolver los carburos en la matriz y consiguiendo la homogeneización en la composición química. No se especifica la forma de enfriamiento.

Recocido de engrosamiento de grano: El aumento del tamaño del grano se consigue aplicando Ac3 + 150 C. Con ello disminuyen las propiedades mecánicas y plásticas. El enfriamiento depende de si queremos unas propiedades u otras. Si lo enfriamos al agua, mejoran las propiedades mecánicas y plásticas. Si lo enfriamos al aire, son mejoradas de forma inferior.

Recocido globular: Se aplica a los aceros para herramientas con un elevado porcentaje de carbono, en los cuales hay gran cantidad de carburo muy difícil de disolver y que dificultan el mecanizado. Su nombre se debe a la estructura que se observa al microscopio y en la cual los carburos adoptan la forma esférica o globular. Se efectúa a temperaturas ligeramente superior a la de transformación crítica, Ac1 + 20 C (temperatura a la cual la austenita eutectoide comienza a formarse en las condiciones del calentamiento utilizado), y de forma oscilante. Se mantiene esta temperatura prolongadamente y se enfría a velocidad conveniente.

Recocido de ablandamiento: Es un tipo de revenido. Se aplica a aquellos aceros que, después de la forja y laminado, han quedado con dureza tan elevadas que casi no se pueden mecanizar. Se recomienda para ablandar los aceros aleados de gran resistencia, al Cr-Ni o Cr-Mo. La temperatura adoptada es inferior a la crítica Ac1 y la duración total es pequeña. Se realiza en algunas decenas de grados por debajo del Ac1, con el fin de mejorar la maquinabilidad o aptitud a la deformación en frío.

Recocido de estabilización: Se da a las piezas que han sufrido un trabajo de forjado o laminado, u otros tratamientos, para destruir la s tensiones internas que se hayan originado y que podrían producir deformaciones en las piezas una vez acabadas. Se realiza a temperaturas no muy altas, por debajo del Ac1, lo que permite eliminar las tensiones internas a 700 C y una media hora, y también una atenuación o alivio de tensiones, desde los 700 C hacia abajo.

La única distinción que existe entre estas dos formas de recocido es que, en el primer caso, se elimina una mayor cantidad de tensiones internas que en el segundo. El primer es el más utilizado en la industria.

Recocido de restauración: Efectuado por debajo del Ac1 con el fin de restaurar, por lo menos parcialmente las propiedades físicas mecánicas sin modificación aparente de las estructuras (disminución de dureza, resistividad, acritud, etc.).

Recocido de recristalización o contra acritud: Se da a los aceros trabajados en frío para eliminar la acritud. La acritud produce una disminución e las propiedades plásticas, seguidas de un envejecimiento del acero. Se produce una precipitación de carburos ( Fe-C ) en los bordes de los granos, haciendo que se pierda la cohesión entre ellos. Consiste en un calentamiento a 500 C ó 700 C seguido de un enfriamiento al aire dentro del horno.

• TEMPLE.

Más del 90% de las operaciones de tratamiento térmico se llevan a cabo en el acero. Con mucho el proceso más común es el endurecimiento. El endurecimiento del acero se basa en el cambio en dos etapas que tiene lugar cuando la austenita se transforma en ferrita y cementita. Cuando esta transformación tiene lugar con enfriamiento lento, el hierro ? cambia a hierro a y la cementita se precipita saliendo de la solución, ya que la solubilidad de la cementita en hierro a es muy inferior comparada con la del hierro ?. Esta precipitación requiere tiempo. Si el acero que ha sido calentado o templado al estado austenítico se enfría muy rápidamente sumergiéndola en un medio de enfriamiento tal como el agua, la transformación de ? a a tendrá lugar (a veces en forma parcial) tan rápidamente, que la cementita no tiene tiempo de precipitar de la solución. Cuando esto ocurre, en le lugar de que el cambio de fase ? a a sea completo, el hierro ?, se transforma en una estructura tetragonal centrado en el cuerpo, la cual, como el hierro a tiene una baja solubilidad para cementita. El resultado es una solución sólida sobresaturada de cementita en hierro tetragonal centrado en el cuerpo, figura 6. Esta estructura se llama Martensita. Ya que la red tetragonal centrada en el cuerpo no es una red normal para el hierro sino que aparentemente existe como un producto de transición, la martensita es inestable pero muy dura. Bajo el microscopio se caracteriza por tener una estructura en forma de aguja, como muestra la figura 7. Es el constituyente duro en el acero común endurecido.

Si el contenido de carbono está por debajo del 0,15%, la martensita es muy fuerte y también muy tenaz. Con un contenido de carbono más alto, como en la mayoría de los aceros, la martensita es muy frágil.

Para endurecer el acero entonces, es necesario llenar dos condiciones. Primero, debe ponerse en condición austenítica. Segundo debe entonces enfriársele, rápidamente para suprimir la precipitación d la cementita que normalmente acompaña a la transformación ? a a. Esta velocidad de enfriamiento que suprime exactamente la precipitación, se llama Velocidad de Enfriamiento Crítica.

Ya que la Velocidad de Enfriamiento Crítica debe excederse en el momento en que la transformación ? a a tendrá lugar normalmente, el acero se calienta usualmente de 50 F a 100 F, por encima de la línea GOSK del Diagrama Fe-C, antes de retirarlo del horno para enfriarlo. Esto asegura que la velocidad de enfriamiento habrá alcanzado su máximo en el momento que se alcance la temperatura de transición.

La templabilidad se define como la facilidad del acero para desarrollar su máxima dureza cuando se somete al ciclo normal de calentamiento y temple.

Se dice que un acero tiene buena templabilidad cuando puede ser completamente endurecido con un enfriamiento relativamente lento. La buena templabilidad es muy importante en el acero que debe ser tratado térmicamente, ya que la velocidad crítica de enfriamiento para aceros ordinarios es muy rápida. Como el calor debe ser extraído de una masa de metal a través del mismo, que está en contacto con el medio de enfriamiento, la profundidad a la cual puede impartirse dureza es usualmente limitada, debido a que el calor no puede retirarse de las porciones interiores los suficientemente rápido como para exceder la velocidad de enfriamiento crítica. En otras palabras, mientras el material en o cerca de la superficie puede ser enfriado a una velocidad mayor que la crítica, en las porciones interiores la velocidad de enfriamiento puede ser mucho menor que la crítica, con el resultado que solamente las porciones exteriores son endurecidas.

Con este tratamiento se mejoran las características mecánicas, aumentando:

Resistencia a la Tracción.

Límite Elástico.

Dureza Superficial.

A costa de disminuir:

Alargamiento.

Estricción.

Resiliencia.

También modifica las propiedades físicas (aumento del magnetismo remanente y de la resistencia eléctrica) y las propiedades químicas (aumento de la resistencia a la acción de ciertos ácidos). La temperatura del temple depende de la clase de acero, por lo que se debe consultar a la casa suministradora. Para los aceros corrientes suele ser:

– Hasta el rojo cereza oscuro 700 C para aceros duros.

– Hasta el rojo cereza 800 C para aceros de dureza media.

– Hasta el rojo cereza claro 900 C para aceros dulce.

Los factores que influyen en el temple del acero son los siguientes:

– Composición.

• Tamaño del Grano.

• Estructura.

• Forma y tamaño de las piezas.

• Estado superficial.

• Medio de enfriamiento.

Todos ellos tienen gran importancia en el resultado final del tratamiento, por ejemplo, para las mismas condiciones de enfriamiento, la dureza de los aceros de carbonos templados es mayor cuando más alto es su porcentaje de carbono.

Figura . Temperatura de Temple para diferente Aceros.

Fluidos de temple.

El enfriamiento necesario para lograr el temple correcto se consigue por inmersión del acero, cuya temperatura se ha elevado en un medio refrigerante adecuado: sólido, líquido o gaseoso. Los más utilizados son:

Agua: Se emplea a temperaturas no superiores a 20 C y en baños refrigerados en los que se produce una circulación continua de líquido. Para disminuir la etapa de enfriamiento, se agita( el agua o la pieza) o se le añaden sales.

Aceite: Los aceites para temple, de origen mineral, pueden ser convencionales (no aditivados) o especiales (aditivados). Se usan para temples de aceros de alto porcentaje de carbono o bien aceros aleados.

Sales o metales fundidos: Tanto los metales fundidos (mercurio, plomo, etc.) como ciertas sales (cloruro, nitratos, etc.) se emplean como medios de enfriamiento en los tratamientos isotérmicos.

Gases: Las piezas se pueden enfriar mediante gases, pero este medio sólo es eficaz en aceros de auto temple. Figura

Figura . Velocidad de enfriamiento para medios diferente.

Tipos de temple:

Según el proceso seguido y los resultados obtenidos, existen varios tipos d temple para el acero que se describen a continuación.

Temple estructural o martensítico: La temperatura se eleva hasta unos 50 C por encima de la crítica y se mantiene el tiempo necesario. Sigue un enfriamiento rápido y continuo en el medio adecuado. El constituyente final es martensita sola si el acero es hipoeutectoide (menos del 0,89% de carbono), o cementita si es hipereutectoide (más del 0,89% de carbono).

Martempering: Tratamiento isotérmico, llamado temple escalonado martensítico, que consiste en calentar el acero a la temperatura de autenización, hacerlo permaneciendo en ella el tiempo necesario y enfriarlo después rápidamente de un baño de sales hasta la temperatura de inicio d transformación de la austenita en martensita, en la cual se mantiene ( permanencia isotérmica) hasta que toda la masa adquiere esa temperatura. A continuación se enfría el aire. Las principales ventajas de este tratamiento consisten en que elimina las tensiones producida por la transformación y, como consecuencia, minimiza las deformaciones y grietas de temple. Se aplica a herramientas, rodamientos, engranajes, troqueles, etc.

Austempering: Tratamiento isotérmico denominado temple escalonado bainítico. Proceso parecido al de martempering si bien la permanencia isotérmica se realiza a mayor temperatura, transformándose la austenita en bainíta. Su ventaja principal es la de que, como las tensiones internas propias de la transformación son en él muy débiles, resulta una deformación mínima y libre de las grietas microscópica del temple. El enfriamiento se efectúa de forma tal que se evita la formación en la zona superior austenita-perlita, la transformación austenita-martensita. Se aplica a muelle, alambres, piezas pequeñas, etc.

Denominaciones complementarias: Según el modo de realizar el temple, la denominación puede complementarse.

Según el modo de enfriamiento (severidad del temple)

• Temple al aire.

• Temple en niebla.

• Temple por aspersión o rociado de líquido (Quenchig).

• Temple en aceite.

• Temple en agua.

• Temple en solución salina.

• Temple en agua con aditivos.

• Temple en baño de plomo o de otro metal.

• Temp.`le en baño de sales.

• Temple en matices metálicas.

Según el modo de calentamiento:

Temple a la llama: Se realiza un calentamiento rápido mediante soplete hasta la temperatura de austenización. EL calentamiento puede alcanzar una zona más o menos profunda de la pieza.

Temple por inducción: En el cual se realiza el calentamiento por corriente inducida hasta la temperatura de austenización. Las temperaturas alcanzadas son del orden de los 1000 C en pocos segundos y para tal fin se emplean unos dispositivos arrollados en forma de bobinas. El conjunto es un transformador n el cual lo constituye la bobina de inducción, y la pieza hace el secundario. La profundidad del temple depende de la frecuencia, la potencia y el tiempo del calentamiento.