Tratamientos termicos y diagramas

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BLOQUE I: Materiales 
TEMA 3: Tratamientos térmicos 
Tecnología 
Industrial II 
 
 
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TEMA 3: TRATAMIENTOS TÉRMICOS 
 
0. INTRODUCCIÓN 
 Al añadir ciertos elementos (azufre, cobalto, cobre, cromo, tungsteno, manganeso, molibdeno, 
níquel, vanadio…) en la aleación del acero se consigue mejorar algunas de sus propiedades, 
obteniendo aleaciones específicas para determinadas aplicaciones industriales, como herramientas, 
cuchillas, fijaciones, soportes,…. Sin embargo la diferencia de comportamiento entre los diversos 
aceros depende, no sólo de su composición química, sino también del tipo del tratamiento térmico a 
los que se les someta. 
 
 Existen piezas que están sometidas a condiciones de trabajo que requieren propiedades 
específicas para soportar esfuerzos de choque, vibraciones y rozamiento superficial. Para soportar 
estas condiciones de trabajo, se requiere tenacidad elevada, resiliencia, y una gran dureza superficial. 
 
 Por este motivo se realizan los tratamientos térmicos , que son procesos en los cuales 
mediante una sucesión de operaciones de calentamiento y enfriamiento, se modifica la 
microestructura y la constitución de los metales y aleaciones sin variar su composición química. 
 
 La finalidad de estos procesos es mejorar las propiedades mecánicas del material, 
especialmente la dureza, la resistencia, la tenacidad y la maquinabilidad. 
 
 Pero en estos procesos no se modifica la constitución química de los materiales. Para ello se 
realizan los tratamientos termoquímicos , que son procesos en los cuales se altera la estructura del 
metal, modificando su composición mediante un proceso de difusión. 
 
1. TRATAMIENTOS TÉRMICOS 
 Los tratamientos térmicos más importantes son: temple, recocido, revenido y normalizado . 
Con su aplicación se consiguen estructuras más blandas y más mecanizables, con mayor dureza y 
resistencia. Otro aspecto que mejoran es la homogeneización de la estructura. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 1.1. TEMPLE 
 Este tratamiento térmico se caracteriza por enfriamientos rápidos (continuos o 
escalonados) en un medio adecuado: agua, aceite o aire, para transformar la austenita en 
martensita. Mediante el temple se consigue: 
 
− Aumentar la dureza y la resistencia mecánica. 
− Disminuir la tenacidad (aumento de la fragilidad). 
− Disminuir el alargamiento unitario. 
− Modificar algunas propiedades eléctricas, magnéticas y químicas. 
 
 El temple se realiza siguiendo los siguientes pasos: 
 
1. Calentamiento del metal .- Se realiza en horno, siendo lento al hasta los 500ºC y rápido 
hasta la temperatura de temple, por encima de A3 si el acero es hipoeutectoide, y por encima 
de A1 si el acero es eutectoide o hipereutectoide. 
 
 
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2. Homogeneización de la temperatura .- Se mantiene a la temperatura de temple durante un 
determinado tiempo a la pieza para que se homogenice en todo el volumen de la pieza a 
templar. Este tiempo se estima experimentalmente para cada pieza, aunque se puede 
calcular aproximadamente 
3. Enfriamiento rápido .- Se saca la pieza del horno y se enfría el material en un fluido 
denominado medio de temple a una velocidad superior a la crítica de temple con objeto de 
obtener una estructura martensítica, y así mejorar la dureza y resistencia del acero El medio 
de temple puede ser: 
• Agua: es el medio más económico y antiguo. Se consiguen buenos temples con aceros al 
carbono. Las piezas se agitan dentro del agua para eliminar las burbujas de gas. 
• Aceite: enfría más lentamente que el agua. 
• Aire: se enfrían las piezas con corrientes de aire. Se utiliza para los denominadas aceros 
rápidos. 
 
 A la hora de realizar un temple, hay que tener en cuenta los siguientes factores: 
− El tamaño de la pieza, puesto que cuanto más espesor tenga la pieza más habrá que 
aumentar el tiempo de duración del proceso de calentamiento y de enfriamiento. 
− La composición química del acero, ya que en general, los aceros aleados son más fácilmente 
templables. 
− El tamaño del grano influye principalmente en la velocidad crítica del temple, teniendo más 
templabilidad el de grano grueso. 
− El medio de enfriamiento, siendo el más adecuado para templar un acero el que consiga una 
velocidad de temple ligeramente superior a la crítica. 
 
 1.1.1. Templabilidad 
 
 Se puede definir la templabilidad como la aptitud de un acero para endurecerse por 
formación de martensita, como consecuencia de un tratamiento térmico. Para determinar 
el grado de templabilidad de un acero se realiza el ensayo Jominy . El ensayo consiste en 
realizar el templado de una probeta de dimensiones determinadas según un proceso 
definido. El estudio de los resultados permite definir el comportamiento del material ante el 
tratamiento de temple. 
 
Para realizar el ensayo, se calienta en primer lugar la probeta cilíndrica 
25 mm de diámetro y 100 mm de longitud, a la temperatura de 
austenización durante 30 minutos en atmósfera controlada. 
Tras finalizar el calentamiento, se cuelga la probeta por un extremo de 
modo que un chorro de agua, a temperatura constante, incida 
directamente sobre su extremo inferior durante 10 minutos. La probeta se 
irá enfriando a distinta velocidad según la distancia respecto al punto de 
incidencia del chorro de agua. El extremo inferior de la probeta se 
enfriará rápidamente, sufriendo un temple más severo y será más duro 
que el otro extremo. 
Una vez que la probeta se ha enfriado a temperatura ambiente, se 
desbasta una tira de 0.4 milímetros de espesor y se determina la dureza 
Rockwell C a lo largo de los 50 mm primeros de la probeta. En los 
primeros 12.5 mm las lecturas de dureza se toman a intervalos de 1.6 
mm y en los 37.5 mm siguientes cada 3.2 mm. 
 
Después se traza una curva de templabilidad representando los valores 
de dureza en función de la distancia al extremo templado, obteniéndose 
así la curva de templabilidad . Si la dureza disminuye rápidamente 
conforme nos alejamos del extremo templado, el acero tendrá una 
templabilidad baja, mientras que los aceros cuyas curvas son casi 
horizontales serán de alta templabilidad, es decir, serán susceptibles de 
endurecerse rápido cuando sufren temple. 
 
 
 
 
 
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 1.1.2. Tipos de temple 
 
1. Temple continuo de austenización completa .- se aplica a los aceros hipoeutectoides. 
Se calienta el material a 50ºC por encima de la temperatura crítica superior A3, 
enfriándose en el medio adecuado para obtener martensita. 
2. Temple continuo de austenización incompleta .- se aplica a los aceros 
hipereutectoides. Se calienta el material hasta AC1 + 50ºC, transformándose la perlita en 
austenita y dejando la cementita intacta. Se enfría a temperatura superior a la crítica, con 
lo que la estructura resultante es de martensita y cementita. 
3. Temple superficial .- el núcleo de la pieza permanece inalterable, blando y con buena 
tenacidad, y la superficie se transforma en dura y resistente al rozamiento. Con el temple 
superficial se consigue que solamente la zona más exterior se transforme en martensita, 
y para ello el tiempo durante el que se mantiene el calentamiento debe ser el adecuado 
para que solamente un reducido espesor de acero se transforme en austenita. 
4. Temple Escalonado (Martempering) .- consiste en calentar el acero a temperatura de 
austenización y mantenerlo el tiempo necesario para que se transforme completamente 
en austenita. Posteriormente se enfría en un baño de sales bruscamente hasta una 
temperatura próxima pero superior a Ms, con el fin de homogeneizar la temperatura en 
toda la masa y se acaba reduciendo la temperatura para que toda la pieza se transforme 
en martensita. 
5. Temple isotérmico (Austempering) .- consiste en calentar el acero a temperatura de 
austenización y mantenerloel tiempo necesario para obtener austenita. Posteriormente 
se enfría bruscamente en un baño de sales hasta una temperatura determinada, para 
igualar la temperatura en toda la masa y luego se vuelve a disminuir la temperatura para 
que toda la pieza se transforme en bainita. 
 
 
Austenización 
completa 
Austenización 
incompleta 
Temple + revenido Martempering Austempering 
 
 
 1.2. RECOCIDO 
 Se trata de calentar el metal hasta una determinada temperatura y enfriarlo después muy 
lentamente (incluso en el horno donde se calentó). De esta forma se obtienen estructuras de 
equilibrio. Son generalmente tratamientos iniciales mediante los cuales se ablanda el acero. 
 
 Su finalidad es suprimir los defectos del temple. Mediante el recocido se consigue: 
 
− Aumentar la plasticidad, ductilidad y tenacidad. 
− Eliminar la acritud. 
− Afinar el grano y homogeneizar la estructura. 
 
 
 Es tratamiento térmico muy utilizado y según las temperaturas que se alcanzan en el 
proceso se pueden distinguir los siguientes tipos: 
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1. Recocido completo.- afina el grano cuando 
ha crecido producto de un mal tratamiento. 
Se realiza en aceros hipoeutectoides. 
2. Recocido incompleto.- elimina tensiones 
pero sólo recristaliza la perlita. Es más 
económico que el anterior. 
3. Recocido de globalización.- mejora la 
mecanibilidad en los aceros eutectoides e 
hipereutectoides. 
4. Recocido de recristalización.- reduce 
tensiones y elimina la acritud. 
5. Recocido de homogenización.- elimina la 
segregación química y cristalina. Se obtiene 
grano grueso por lo que es necesario un 
recocido completo posterior. 
 
 1.3. REVENIDO 
 Como ya se ha visto, el temple produce un 
aumento de la fragilidad debido a las tensiones 
internas que se generan al producirse la 
transformación martensítica. Para evitarlo, se somete 
el metal a un proceso de revenido, que consiste en 
elevar la temperatura hasta una inferior a la de 
transformación (punto crítico AC1) para transformar la 
martensita en formas más estables. Mediante el 
revenido se consigue: 
 
− Disminuir la resistencia mecánica y la dureza. 
− Aumentar la plasticidad y la tenacidad. 
 
1.4. NORMALIZADO 
 Se trata de calentar el metal hasta su austenización y posteriormente dejarlo enfriar al 
aire. La ventaja frente al recocido es que se obtiene una estructura granular más fina y una 
mayor resistencia mecánica. La desventaja es que la dureza obtenida es mayor. 
 
 Mediante este proceso se consigue: 
 
− Subsanar defectos de las operaciones anteriores de la elaboración en caliente (colada, forja, 
laminación,…) eliminando las posibles tensiones internas. 
− Preparar la estructura para las operaciones tecnológicas siguientes (por ejemplo mecanizado 
o temple). 
 
 El normalizado se utiliza como tratamiento previo al temple y al revenido, aunque en 
ocasiones puede ser un tratamiento térmico final. 
 
En el caso de los aceros con bastante contenido en 
carbono y mucha templabilidad, este tratamiento puede 
equivaler a un temple parcial, donde aparezcan productos 
perlíticos y martensíticos. 
Para aceros con bajo contenido de carbono no aleados 
no existe mucha diferencia entre el normalizado y el 
recocido. 
Cuando se trata de aceros de contenido medio en 
carbono (entre 0.3 – 0,5%C) la diferencia de propiedades 
es mayor que en el caso anterior; en general, el proceso 
de normalizado da más dureza. 
 
 
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2. TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS 
 Los más importantes son: cementación, nitruración, cianuración y sulfinizaci ón . Además de 
los producir cambios en la estructura, también se producen cambios en la composición química de su 
capa superficial añadiendo distintos productos. 
 
 Estos tratamientos requieren el uso de calentamiento y enfriamiento controlados en atmósferas 
especiales. Los objetivos que se persiguen mediante estos procesos son variados, pero entre ellos 
podemos destacar: 
 
− Mejorar la dureza superficial de las piezas, sin disminuir 
la tenacidad del núcleo. 
− Aumentar la resistencia al desgaste aumentando el 
poder lubrificante. 
− Aumentar la resistencia a la fatiga y/o la corrosión, sin 
modificar otras propiedades esenciales tales como 
ductilidad. 
 
Se aplican sobre herramientas de arranque de viruta, camisas de pistones,.. 
 
 
 2.1. CEMENTACIÓN 
 Consiste en aumentar la cantidad de carbono de la 
superficie, en estado sólido (carbón vegetal), líquido (cianuro 
sódico) o gaseoso (hidrocarburos). Se consigue teniendo en 
cuenta el medio o atmósfera que envuelve el metal durante 
el calentamiento y enfriamiento. 
 
 Se consiguen superficies de gran dureza y resistencia 
superficial. Se aplica a piezas resistentes al desgaste y a los 
choques. 
 
 
2.2. NITRURACIÓN 
 Consiste en aportar nitrógeno a la superficie de la pieza 
por medio de una corriente de amoniaco. 
 
 Se consiguen durezas muy elevadas y superficies muy 
resistentes al desgaste, la corrosión y la fatiga sin perder la 
dureza. Se aplica a piezas sometidas a choques y rozamientos 
(ruedas dentadas, árboles de levas, ejes de cardán, aparatos 
de medida). 
 
 
2.3. CIANURACIÓN 
 Es una mezcla de cementación y nitruración. Se endurecen las piezas introduciendo 
carbono y nitrógeno mediante baños de cianuro, carbonato y cianato sódico. Después hay que 
templar las piezas. 
 
 
 2.4. SULFINIZACIÓN 
 Consiste en aportar a la superficie azufre, carbono y nitrógeno para mejorar la resistencia 
al desgaste, favorecer la lubricación y evitar el agarrotamiento. Se aplica a herramientas.