Los 7 tratamientos térmicos de acero: ¿cómo transforman este metal?

Los tratamientos térmicos del acero tienen su origen en las prácticas de los primeros herreros y artesanos metalúrgicos de la antigüedad. Ya en el año 1500 a. C., las civilizaciones de Oriente Medio y Asia habían descubierto que calentar y enfriar el metal de forma controlada podía transformar significativamente sus propiedades. Lo que comenzó como un proceso intuitivo y casi místico ha evolucionado hasta convertirse en una disciplina científica fundamental para la industria metalúrgica moderna.

Estos procedimientos, basados en ciclos precisos de calentamiento y enfriamiento del acero, permiten modificar sus propiedades mecánicas sin alterar su composición química. Durante siglos, el conocimiento de estos procesos se transmitió como secreto comercial entre los maestros herreros, que lograron producir armas y herramientas de calidad excepcional sin comprender los principios metalúrgicos subyacentes.

No fue hasta fines del siglo XIX, con el advenimiento de la metalografía y el estudio científico de las estructuras metálicas, que se comenzaron a comprender los mecanismos que rigen los cambios producidos por los tratamientos térmicos. Hoy en día, procesos como el recocido, la normalización, el temple, el revenido, la cementación y la nitruración son esenciales para la fabricación de componentes de alto rendimiento en sectores tan diversos como el automotriz, aeroespacial, de la construcción y de la producción de herramientas industriales.

En este artículo, explicamos los principales tipos de tratamientos térmicos, su impacto en la estructura y las propiedades del acero, y sus aplicaciones más relevantes en la industria contemporánea.

1. Recocido

El recocido consiste en calentar el acero hasta su temperatura de austenización (normalmente entre 750 y 950 °C, dependiendo del tipo de acero) y luego enfriarlo lentamente, a menudo en un horno. Este enfriamiento lento permite la formación de microestructuras de equilibrio.

Detalles del proceso: El proceso de recocido comienza calentando el acero por encima de su temperatura crítica para formar austenita. A continuación, el material se mantiene a esta temperatura durante un tiempo suficiente para garantizar la homogeneización completa de la microestructura. Tras este periodo de mantenimiento, el acero se enfría muy lentamente, normalmente a una velocidad de 20-30 °C por hora, a menudo dentro de un horno apagado. Este enfriamiento metódico permite la formación de fases de equilibrio y logra la máxima suavidad en el material.

Ventajas:

• Reduce la dureza y aumenta la ductilidad.
• Elimina las tensiones internas del procesamiento anterior.
• Mejora la maquinabilidad y la trabajabilidad en frío.
• Refina la estructura del grano.
• Aumenta la homogeneidad de la microestructura.
• Prepara el acero para operaciones posteriores.

Aplicaciones:

• Se utiliza para aceros que se someterán a un mecanizado intensivo.
• Alivio de tensiones después de la soldadura.
• Preparación para operaciones de conformado en frío.
• Ablandamiento de aceros con alto contenido de carbono.

2. Normalización

La normalización consiste en calentar el acero a la temperatura de austenización y luego dejarlo enfriar al aire. La velocidad de enfriamiento es más rápida que el recocido, pero más lenta que el temple.

Detalles del proceso: La normalización consiste en calentar el acero a aproximadamente 30-50 °C por encima de su temperatura crítica para garantizar la austenización completa de todo el material. El acero se mantiene a esta temperatura durante un período relativamente breve, el tiempo suficiente para lograr la homogeneización microestructural. Después del período de mantenimiento, el acero se retira del horno y se deja enfriar naturalmente en aire quieto. Este enfriamiento por aire produce una velocidad de enfriamiento intermedia entre el enfriamiento lento del recocido y el enfriamiento rápido del temple, lo que da como resultado una estructura de grano refinado.

Ventajas:

• Crea una estructura más uniforme que el material fundido o laminado.
• Refina el tamaño del grano.
• Mejora la maquinabilidad.
• Mejora las propiedades mecánicas (equilibrio entre resistencia y tenacidad).
• Elimina las irregularidades estructurales del procesamiento anterior.
• Más económico que el recocido completo.

Aplicaciones:

• Preparación para tratamientos térmicos posteriores.
• Mejora de la estructura de forjas y piezas fundidas.
• Mejora de la maquinabilidad en aceros de carbono medio.
• Creación de estructuras uniformes en componentes soldados.

3. Temple/Endurecimiento

El temple consiste en calentar el acero hasta su temperatura de austenización y luego enfriarlo rápidamente (en agua, aceite o aire, según el tipo de acero). Este enfriamiento rápido evita la formación de fases de equilibrio y, en su lugar, forma martensita.

Detalles del proceso: El proceso de enfriamiento comienza calentando el acero por encima de su temperatura crítica, asegurando la transformación completa a austenita en todo el material. Después de un breve tiempo de mantenimiento a esta temperatura para lograr la homogeneización, el acero se enfría rápidamente por inmersión en un medio de enfriamiento como agua, salmuera, aceite, soluciones poliméricas o, para aceros altamente aleados, a veces solo aire. El factor clave en este proceso es que la velocidad de enfriamiento debe superar la velocidad de enfriamiento crítica del acero para suprimir la formación de ferrita, perlita o bainita y, en su lugar, formar la fase dura de martensita. La selección del medio de enfriamiento depende de la composición del acero, el grosor de la sección y el perfil de dureza deseado.

Beneficios:

• Aumenta significativamente la dureza y la resistencia.
• Crea superficies resistentes al desgaste.
• Sienta las bases para las operaciones de templado posteriores.
• Puede crear superficies endurecidas en caja cuando se combina con la carburación.

Desafíos:

• Puede causar distorsión y agrietamiento debido al choque térmico.
• Aumenta la fragilidad.
• Introduce altas tensiones internas.
• Requiere un control cuidadoso del medio de enfriamiento y agitación.

Aplicaciones:

• Herramientas de corte.
• Componentes resistentes al desgaste.
• Componentes estructurales que requieren alta resistencia.
• Muelles y componentes de rodamientos.

4. Temple

El templado se realiza normalmente después del enfriamiento. Consiste en calentar el acero endurecido a una temperatura inferior al punto de austenización (entre 150 y 650 °C) y luego enfriarlo. Esto reduce la fragilidad y las tensiones internas.

Detalles del proceso: El templado consiste en calentar cuidadosamente el acero previamente enfriado a una temperatura específica por debajo de su punto crítico de transformación. La temperatura exacta se selecciona en función de las propiedades finales deseadas, y las temperaturas más altas suelen proporcionar mayor resistencia a expensas de la dureza. El acero se mantiene a la temperatura seleccionada durante un período de tiempo específico, normalmente una hora por pulgada de espesor, lo que permite la descomposición controlada de la martensita y la precipitación de carburos. Después del período de mantenimiento, el acero se enfría normalmente en aire en reposo, aunque se puede utilizar el enfriamiento en aceite para algunas aplicaciones específicas que requieren propiedades particulares.

Tipos de templado:

• Baja temperatura (150-250 °C): Mantiene una alta dureza al tiempo que reduce ligeramente las tensiones internas.
• Temperatura media (350-450 °C): Equilibra la dureza y la tenacidad.
• Alta temperatura (500-650 °C): Maximiza la tenacidad a expensas de cierta dureza.

Beneficios:

• Reduce la fragilidad al tiempo que mantiene una dureza aceptable.
• Alivia las tensiones internas.
• Mejora la tenacidad y la ductilidad.
• Estabiliza las dimensiones.
• Mejora la resistencia al impacto.
• Mejora las propiedades de fatiga.

Aplicaciones:

• Prácticamente todos los aceros templados reciben algún tipo de revenido.
• Herramientas que requieren combinaciones específicas de dureza/resistencia.
• Aceros para muelles.
• Componentes estructurales.

5. Carburación

La carburación es un tratamiento termoquímico en el que el acero se expone a un entorno rico en carbono a alta temperatura. Aumenta el contenido de carbono en la superficie, lo que permite endurecerlo mediante temple, mientras que el núcleo permanece resistente.

Detalles del proceso: El proceso de cementación consiste en calentar acero con bajo contenido de carbono en un entorno rico en carbono, que puede ser en forma sólida, líquida o gaseosa. El acero se mantiene normalmente a temperaturas entre 850 y 950 °C, bien en la región de la fase austenítica, donde la difusión del carbono es rápida. El material se mantiene a esta temperatura durante un periodo de tiempo suficiente para lograr la profundidad de la carcasa deseada, que suele oscilar entre 0,5 y 2,0 mm, dependiendo de los requisitos de la aplicación. Tras la fase de enriquecimiento de carbono, el acero suele enfriarse directamente desde la temperatura de carburación para endurecer la superficie, ahora con alto contenido de carbono, manteniendo un núcleo resistente con bajo contenido de carbono. A este paso de enfriamiento a menudo le sigue el templado para reducir la fragilidad y mantener una dureza superficial aceptable.

Métodos de cementación:

• Cementación en paquete: Piezas de acero empaquetadas con materiales ricos en carbono.
• Cementación gaseosa: Uso de gases que contienen carbono, como el metano o el propano.
• Cementación al vacío: Se realiza en hornos de vacío con un control preciso del potencial de carbono.
• Cementación líquida: Uso de baños de sales fundidas que contienen compuestos de cianuro.

Ventajas:

• Crea una superficie resistente al desgaste con un núcleo duro.
• Mejora la resistencia a la fatiga.
• Aumenta la capacidad de carga.
• Proporciona buena resistencia al impacto.
• Prolonga la vida útil de los componentes.

Aplicaciones:

• Engranajes.
• Árboles de levas.
• Rodamientos.
• Componentes de automoción.
• Piezas de maquinaria sujetas a desgaste.

6. Nitruración

Similar a la carburación, pero se utiliza nitrógeno en lugar de carbono. Proporciona una superficie muy dura y resistente al desgaste sin necesidad de un enfriamiento posterior.

Detalles del proceso: La nitruración se lleva a cabo calentando el acero a temperaturas moderadas de 500-550 °C, que están por debajo de la temperatura de transformación en la que se formaría la austenita. A continuación, el acero se expone a un entorno rico en nitrógeno, que puede ser en forma de gas amoniaco, baños de sal ricos en nitrógeno o plasma de nitrógeno. El proceso requiere tiempos de tratamiento relativamente largos, que suelen oscilar entre 20 y 60 horas, dependiendo de la profundidad de la capa deseada y de la composición específica del acero. Una de las principales ventajas de la nitruración es que no es necesario templar después del tratamiento, ya que la temperatura del proceso está por debajo del punto de transformación, lo que da como resultado una distorsión mínima y una excelente estabilidad dimensional.

Métodos de nitruración:

• Nitruración gaseosa: con gas amoniaco.
• Nitruración en baño de sales: con baños de sales que contienen cianuro.
• Nitruración por plasma: Uso de plasma de nitrógeno en una cámara de vacío.

Ventajas:

• Dureza superficial extremadamente alta (hasta 1100 HV).
• Excelente resistencia al desgaste.
• Mayor resistencia a la fatiga.
• Resistencia a la corrosión.
• Mínima distorsión debido a las bajas temperaturas de tratamiento.
• No es necesario templar.

Aplicaciones:

• Componentes de precisión que requieren una distorsión mínima.
• Moldes y matrices.
• Componentes de motores.
• Piezas aeroespaciales.
• Herramientas e implementos de corte.

7. Tratamiento criogénico

Consiste en enfriar el acero a temperaturas extremadamente bajas (normalmente en nitrógeno líquido a -196 °C) para completar la transformación de la austenita retenida.

Detalles del proceso: El tratamiento criogénico consiste en enfriar acero previamente endurecido a temperaturas extremadamente bajas, normalmente en el rango de -185 °C a -196 °C, a menudo utilizando nitrógeno líquido como medio de enfriamiento. El acero se mantiene a estas temperaturas criogénicas durante períodos prolongados, normalmente de 24 a 48 horas, lo que permite la transformación completa de cualquier austenita retenida en martensita. Después de la etapa de congelación profunda, el material se somete a un calentamiento lento y controlado a temperatura ambiente para evitar el choque térmico. El tratamiento criogénico suele ir seguido de un ciclo de templado para aliviar las tensiones y optimizar la microestructura, lo que da como resultado una transformación martensítica más completa y estable que la que se puede lograr con el enfriamiento rápido convencional por sí solo.

Beneficios:

• Completa la transformación martensítica.
• Reduce la austenita retenida.
• Mejora la estabilidad dimensional.
• Mejora la resistencia al desgaste.
• Aumenta la uniformidad de la dureza.
• Mejora la conductividad térmica.
• Puede prolongar la vida útil entre un 200 y un 400 %.

Aplicaciones:

• Herramientas de medición de precisión.
• Herramientas de corte de alto rendimiento.
• Componentes de motores de carreras.
• Instrumentos quirúrgicos.
• Componentes aeroespaciales.
• Rodamientos.

Estos tratamientos son esenciales en la industria metalúrgica porque permiten adaptar las propiedades del acero a aplicaciones específicas, desde herramientas de corte hasta componentes de alta resistencia para las industrias automotriz o aeroespacial.