Tratamientos térmicos

Los tratamientos térmicos aquí mentados se aplican sobre metales para alterar sus estructuras cristalinas y así modificar sus propiedades, principalmente las mecánicas. Están basados en los cambios estructurales que se producen por la difusión de átomos, favorecida por la temperatura y, que tiene lugar a nivel molecular.

Dentro de los tratamientos térmicos se engloban todos aquellos procesos donde un material se calienta (sin llegar a fusión) y se enfría en un solo paso o secuencialmente, con tal de mejorar o recuperar, por ejemplo tras un proceso de trabajo mecánico, sus propiedades, fundamentalmente mecánicas, a través de cambios en su estructura cristalina, producidos tal y como se ha indicado, por difusión atómica favorecida con la temperatura.

Difusión

La difusión se rige por la 1ª Ley de Fick y es la responsable última de las alteraciones que se observan en las propiedades del material.

Imagen 1. Difusión en estado sólido.

J = -D (Dc/Dx)

Ecuación 1. 1ª Ley de Fick para calcular la velocidad de difusión atómica.

J: densidad de flujo

D: difusividad o coeficiente de difusión 

Dc/Dx: gradiente de concentración

D = D0 e –(Q/RT)

Ecuación 2. Efecto de la temperatura sobre el coeficiente de difusión.

La variación del coeficiente de difusión con la temperatura es característico de cada material; en la imagen 1 podemos ver los coeficientes de difusión de diversos metales.

Imagen 2. Efecto de la temperatura sobre el coeficiente de difusión de diversos elementos en metales.

Algunas aplicaciones industriales de la difusión en sólidos son:

• Endurecimiento de superfícies. 
• Cementación.
• Nitruración.
• Sinterizado. 
• Preparación de semiconductores extrínsecos.

Imagen 3. Tipología de piezas sobre las que se aplican tratamientos térmicos para endurecimiento de superfícies.

Imagen 4. Proceso de sinterizado de metales.

Tratamientos térmicos

A. Recocido. El término recocido se refiere al tratamiento térmico de un material expuesto a elevada temperatura durante un período de tiempo y, luego, enfriado lentamente. Corrientemente el recocido se lleva a cabo para (1) eliminar tensiones; (2) incrementar la plasticidad, ductilidad y tenacidad y/o (3) producir una microestructura específica.

Todo proceso de recocido consta de tres etapas: (1) calentamiento a la temperatura prevista, (2) mantenimiento a esta temperatura y (3) enfriamiento, generalmente hasta temperatura ambiente. El tiempo es un parámetro importante en estos procedimientos.

El tiempo de recocido debe ser suficientemente largo para permitir la necesaria reacción de transformación. La temperatura de recocido también es importante; el recocido se acelera al aumentar la temperatura, ya que representa un proceso de difusión.

Un proceso de recocido es un tratamiento térmico utilizado para eliminar los efectos del trabajo en frío, para ablandar y ductilizar el metal agrio. Durante su aplicación tienen lugar fenómenos de recuperación y de recristalización. Generalmente se prefiere una microestructura de grano fino; por tanto, el tratamiento térmico suele terminar antes de que ocurra un crecimiento de grano apreciable.

La oxidación superficial se puede prevenir minimizando la temperatura de recocido (siempre superior a la temperatura de recristalización) u operando en atmósfera no oxidante.

A pesar de que el apartado está dedicado al tratamientos térmicos en metales, éstos también se pueden aplicar a otra tipología de materiales pero con restricciones debido a las propiedades intrínsecas de los mismos.

B. Normalización. Los aceros que se han deformado plásticamente, por ejemplo por laminación, constan de granos de perlita (y como máximo de una fase proeutectoide). Estos granos son relativamente y de forma irregular, pero de tamaño muy variable; por ello, se les aplica un tratamiento térmico denominado normalizado para afinarlos y producir una distribución de tamaños más uniforme. 

Los aceros perlíticos de grano fino son más tenaces que lo de grano grande. El normalizado se realiza calentando 55 a 85 ºC por encima de la temperatura crítica superior, que, naturalmente, depende de la composición. Después del tiempo suficiente para conseguir la completa transformación a austenita (procedimiento de austenización) el tratamiento termina enfriando al aire.

Imagen 5. Curvas de transformación de tratamientos térmicos.

C. Temple. El temple es un tratamiento térmico de enfriado rápido que produce el endurecimiento del acero; en contraposición el material se torna más frágil.

D. Revenido. El revenido, al igual que el temple, la normalización y el recocido, es un tratamiento térmico que permite controlar la dureza y fragilidad de los aceros; habitualmente se procede a aplicar un proceso de recocido para compensar la fragilidad que se produce en el material cuando se somete a un temple.

E. Endurecimiento por precipitación. La resistencia y la dureza de algunas aleaciones metálicas pueden aumentar por la formación de partículas extremadamente pequeñas y uniformemente dispersas de una segunda fase dentro de la original fase matriz. Esto se puede conseguir mediante un apropiado tratamiento térmico denominado endurecimiento por precipitación porque las pequeñas partículas de la nueva fase de denominan “precipitados”. Este procedimiento también se denomina “endurecimiento por envejecimiento” porque el endurecimiento se desarrolla con el tiempo, como en las aleaciones envejecidas.

Tal y como hemos visto, los tratamientos térmicos nos permiten modular las propiedades de los materiales 


Esta sección se irá ampliando gradualmente a lo largo de las próximas semanas.

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