Tratamiento térmico para niños

Un tratamiento térmico es un proceso especial que se aplica a los metales y otras aleaciones. Consiste en calentar estos materiales a temperaturas muy altas y luego enfriarlos de forma controlada. Esto se hace mientras el material sigue en estado sólido.

El objetivo principal es mejorar las propiedades de los metales. Por ejemplo, se busca que sean más duros, más resistentes o más elásticos. Los materiales más comunes que reciben este tratamiento son el acero, el vidrio y la fundición. También se usan tratamientos térmicos en cerámicas y maderas.

¿Qué son las propiedades mecánicas de los materiales?

Las propiedades mecánicas de un material nos dicen cómo se comporta cuando se le aplica una fuerza. Estas propiedades dependen de su composición química y de cómo están organizados sus átomos. Los tratamientos térmicos cambian la organización de los átomos sin alterar la composición química. Esto se logra calentando y enfriando el material de forma controlada.

Algunas propiedades importantes son:

• Resistencia al desgaste: Es la capacidad de un material para no dañarse cuando roza con otro.
• Tenacidad: Es la habilidad de un material para absorber energía sin romperse. Esto significa que puede soportar golpes sin agrietarse.
• Maquinabilidad: Es la facilidad con la que un material puede ser cortado o moldeado.
• Dureza: Es la resistencia de un material a ser rayado o penetrado. Se mide con escalas como Brinell o Rockwell.

¿Cómo mejoran los tratamientos térmicos las propiedades?

Las propiedades de los metales, como el acero, dependen de su composición y del tratamiento térmico que reciben. Los tratamientos térmicos cambian la estructura cristalina del acero. Esto se hace sin modificar los elementos químicos que lo componen.

Esta capacidad de un material de tener diferentes estructuras atómicas con la misma composición se llama alotropía. Por ejemplo, el diamante y el grafito son formas diferentes del carbono. En el hierro, la ferrita y la austenita son ejemplos de esto.

Al modificar la estructura, se obtienen aceros con nuevas propiedades. Estas propiedades varían según la temperatura de calentamiento y la velocidad de enfriamiento. El diagrama hierro-carbono es una herramienta que muestra cómo cambia la estructura del acero según la temperatura y su composición.

Horno de tratamiento térmico a 980 °C.

Para asegurar que el proceso sea correcto, se realiza un control de calidad. Esto incluye revisar los materiales, el proceso de calentamiento y enfriamiento, y el producto final.

Propiedades del acero

El acero es una mezcla de hierro y carbono. A menudo, también contiene otros elementos. Estos elementos le dan propiedades especiales para su uso en la industria.

Algunos de estos elementos son el cromo, el níquel y el molibdeno. A estos elementos se les llama componentes. Las diferentes estructuras que forman se llaman constituyentes. La cantidad de cada componente y el tratamiento térmico definen las características del acero.

Tipos de tratamientos térmicos para el acero

El tratamiento térmico es clave para que un metal tenga las propiedades deseadas. Estos procesos calientan y enfrían el metal en estado sólido. Así, se pueden reducir tensiones internas, hacer el grano más pequeño o aumentar la tenacidad. También se puede crear una superficie dura con un interior más flexible.

Para saber a qué temperatura calentar el metal, se usan los diagramas de cambio de fases. El Diagrama Hierro-Carbono es un ejemplo. Estos diagramas muestran las temperaturas en las que la estructura del material cambia.

Los tratamientos térmicos son muy importantes en la industria. Permiten crear metales más resistentes al desgaste y a la tensión. Los principales tratamientos son:

• Temple: Aumenta la dureza y resistencia del acero. Se calienta el acero a una temperatura alta (entre 900-950 °C) y se enfría rápidamente en agua o aceite.
• Revenido: Se aplica solo a aceros que ya han sido templados. Su objetivo es reducir un poco la dureza del temple. Así, se conserva parte de la dureza, pero se aumenta la tenacidad. También elimina las tensiones internas.
• Recocido: Consiste en calentar el acero y luego enfriarlo muy lentamente. Con este tratamiento, el acero se vuelve más elástico y menos duro. También facilita su moldeado y elimina tensiones.
• Normalizado: Busca dejar el material en un estado "normal". Esto significa sin tensiones internas y con el carbono distribuido de manera uniforme. A menudo se usa antes del temple y el revenido.

Tratamientos termoquímicos del acero

Los tratamientos termoquímicos son un tipo especial de tratamiento térmico. Además de cambiar la estructura del acero, también modifican la composición química de su superficie. Esto se logra añadiendo diferentes elementos químicos a una cierta profundidad. Estos tratamientos requieren un control muy preciso del calentamiento y enfriamiento.

Los objetivos de estos tratamientos son:

• Aumentar la dureza de la superficie, dejando el interior más blando y tenaz.
• Reducir el roce.
• Aumentar la resistencia al desgaste.
• Aumentar la resistencia a la fatiga (cuando un material se debilita por esfuerzos repetidos).
• Aumentar la resistencia a la corrosión (oxidación).

Algunos tratamientos termoquímicos son:

• Cementación (con Carbono): Aumenta la dureza de la superficie del acero. Se logra aumentando la cantidad de carbono en la capa exterior.
• Nitruración (con Nitrógeno): También aumenta la dureza superficial, pero de forma más intensa. Se incorpora nitrógeno a la superficie del metal.
• Cianuración (con Carbono y Nitrógeno): Endurece la superficie de piezas pequeñas de acero. Se usan baños con cianuro y otras sales.
• Carbonitruración (con Carbono y Nitrógeno): Similar a la cianuración, pero usando gases como metano o amoníaco.
• Sulfinización (con Azufre, Nitrógeno y Carbono): Aumenta la resistencia al desgaste gracias al azufre.

Ejemplos de tratamientos

Endurecimiento del acero

El endurecimiento del acero implica calentar el metal de manera uniforme a la temperatura correcta. Luego se enfría rápidamente con agua, aceite, aire o en una cámara fría. Este proceso crea una estructura de grano fino. Esto aumenta la resistencia del acero y disminuye su capacidad de estirarse.

Cuando el acero se calienta, su estructura interna cambia a una forma llamada austenita. Al enfriarse bruscamente, la austenita se convierte en martensita. La martensita es un material muy duro, pero también frágil.

Tratamiento térmico de las aleaciones de aluminio

Las aleaciones de aluminio también reciben tratamientos térmicos para mejorar sus propiedades. Los más comunes son los tratamientos de precipitación. Estos incluyen calentar el aluminio para disolver ciertos elementos, luego enfriarlo rápidamente y, finalmente, dejarlo "madurar" o "envejecer". También se les aplica el recocido.

Las aleaciones de aluminio tratadas térmicamente se designan con la letra 'T' seguida de un número. Por ejemplo, T4 significa que se le aplicó un tratamiento térmico de solución y luego se dejó envejecer naturalmente.

Recocido

El recocido es un tratamiento térmico que busca ablandar el acero u otros metales. También sirve para restaurar la estructura de aceros sobrecalentados o para eliminar tensiones internas. Estas tensiones pueden aparecer después de trabajar el metal en frío. El enfriamiento se realiza lentamente, a menudo dentro del mismo horno.

El recocido tiene tres etapas importantes:

Recuperación

Cuando un metal trabajado en frío se calienta, la energía permite que sus átomos se reorganicen. Esto reduce las tensiones internas sin cambiar mucho la dureza. A esta etapa se le llama recuperación o recocido de alivio de esfuerzos. También mejora la conductividad eléctrica del material y su resistencia a la corrosión.

Recristalización

Si el metal se calienta a temperaturas más altas, se forman nuevos granos. Estos nuevos granos tienen menos defectos. Como resultado, el metal se vuelve menos resistente pero mucho más flexible. La temperatura a la que aparecen estos nuevos granos se llama temperatura de recristalización.

Crecimiento de granos

Si las temperaturas del recocido son muy altas, los granos formados pueden empezar a crecer. Los granos más grandes "absorben" a los más pequeños. Este fenómeno se llama crecimiento de granos. Ocurre para reducir la superficie de contacto entre los granos.

Tipos de recocido

• Recocido de homogeneización: Busca eliminar las diferencias en la estructura del material que se producen al solidificarse.
• Recocido de regeneración (Normalizado): Su función es restaurar la estructura del material que ha sido alterada por el temple o la forja.
• Recocido de globulización: Se usa para ablandar el acero y mejorar su capacidad de ser moldeado. Se busca que los carburos (partículas de carbono) se agrupen en forma de esferas.
• Recocido subcrítico: Se usa para aceros que han sido forjados o laminados. Su objetivo es eliminar las tensiones internas causadas por el moldeo y el mecanizado.

Endurecimiento superficial

El endurecimiento superficial es un proceso que hace que solo la capa exterior de un objeto metálico sea dura. El interior del metal permanece blando y flexible. Así, la superficie es resistente al desgaste, mientras que el núcleo puede absorber golpes sin agrietarse.

Cementado

También conocido como carburizado, este proceso endurece la superficie externa de aceros con bajo contenido de carbono. El núcleo queda blando y flexible. Como el carbono es lo que da dureza al acero, este método aumenta la cantidad de carbono en la superficie antes de endurecerlo.

Hay tres métodos comunes de cementación:

• Carburización por empaquetado: El acero se coloca en una caja con material carbonoso y se calienta a altas temperaturas (900-927 °C). El carbono penetra en la superficie del metal. Cuanto más tiempo se deje, más profunda será la capa dura.
• Carburización en baño líquido: El acero se sumerge en un baño de cianuro de sodio líquido. A una temperatura de 845 °C, el acero absorbe carbono y nitrógeno. Luego se enfría rápidamente.
• Carburización con gas: Se usan gases especiales para la cementación. El acero se calienta en un horno con gases como el gas natural. Después de un tiempo, se corta el gas y se deja enfriar el horno.

Carbonitrurado, cianurado y nitrurado

Estos son otros procedimientos de endurecimiento superficial que usan nitrógeno y cianuro. Se les conoce como carbonitrurado o cianurado. Con la ayuda de sales de cianuro y amoníaco, se logran superficies muy duras.

Galería de imágenes

• 

  Piezas de fundición de acero después de someterse a un tratamiento térmico de 12 horas a 1200°C.

Véase también

En inglés: Heat treating Facts for Kids

• Endurecimiento (metalurgia)
• Proceso de fabricación
• Recocido por cortocircuito