¿Cuáles son los cuatro tratamientos térmicos del acero?

El tratamiento térmico es un proceso crítico en la fabricación y procesamiento del acero, ya que modifica la microestructura del acero para lograr las propiedades mecánicas deseadas, como la dureza, la tenacidad, la resistencia y la ductilidad. Entre las diversas técnicas de tratamiento térmico, cuatro procesos fundamentales forman la columna vertebral del acondicionamiento de acero: recocido, normalización, apagado y templado, y endurecimiento de la superficie. Cada uno tiene un propósito distinto y se adapta a aplicaciones específicas, asegurando que el acero funcione de manera óptima en su uso previsto.
1. Recocido: ablandamiento y homogeneización
El recocido es un proceso de tratamiento térmico diseñado para suavizar el acero, mejorar su maquinabilidad y reducir las tensiones internas. Implica tres pasos clave: calentar el acero a una temperatura específica (típicamente por encima de su temperatura crítica, donde la microestructura se transforma en austenita), manteniéndolo a esa temperatura durante un tiempo suficiente para garantizar un calentamiento uniforme, y luego enfriarla lentamente - generalmente en el horno o en un entorno controlado.
El objetivo principal del recocido es refinar la microestructura del acero. Por ejemplo, si el acero ha sido el trabajo - endurecido (fortalecido por el trabajo en frío, como rodar o forjar), el recocido recupera su ductilidad al permitir que los granos se reorienten y se conviertan en una estructura más uniforme. También elimina las tensiones internas causadas por la soldadura, el lanzamiento o el mecanizado, lo que puede provocar deformación o agrietamiento si no se aborda.
Hay varios tipos de recocido, cada uno con aplicaciones específicas:
• Recocido completo: utilizado para aceros hipoeutectetoides (con menos del 0,8% de carbono). Calienta el acero a 50–100 grados F (10–38 grados) por encima de la temperatura crítica, lo sostiene y se enfría lentamente para formar una microestructura dúctil suave de ferrita y perlita.
• Recocido de proceso: aplicado a los aceros de carbono - bajo para reducir el endurecimiento del trabajo durante la fabricación. Calienta el acero a una temperatura más baja (por debajo del punto crítico) y se enfría lentamente, restaurando la ductilidad sin alterar la microestructura general.
• Speroidizing: utilizado para aceros de carbono -} para mejorar la maquinabilidad. Calienta el acero justo por debajo de la temperatura crítica y lo mantiene durante un período prolongado, lo que hace que las partículas de carburo se formen en formas esféricas, lo que hace que el acero sea más suave y más fácil de mecanizar.
El acero recocido es ideal para aplicaciones que requieren facilidad de mecanizado, como piezas automotrices que deben ser formadas o perforadas antes del endurecimiento final.
2. Normalización: refinación y estabilización
La normalización es un proceso de tratamiento térmico similar al recocido pero con una velocidad de enfriamiento más rápida. Implica calentar el acero a una temperatura ligeramente más alta que su temperatura crítica (típicamente 100-150 grados f/38-66 grados arriba), sosteniéndolo para garantizar una austenitización uniforme y luego enfriarla en el aire fijo. Esta velocidad de enfriamiento más rápida (en comparación con el recocido) da como resultado una microestructura más fina y uniforme.
Los beneficios clave de la normalización incluyen:
• Estructura de grano de refinación: elimina los granos gruesos formados durante la fundición, la falsificación o la rodadura, lo que resulta en un tamaño de grano más fino y más consistente. Esto mejora la resistencia y la dureza del acero.
• Reducir el estrés interno: al igual que el recocido, alivia las tensiones pero con menos riesgo de ablandamiento excesivo.
• Estandarización de propiedades: garantiza propiedades mecánicas uniformes en un lote de acero, lo que facilita la predecir el rendimiento en los procesos posteriores.
La normalización a menudo se usa para aceros de carbono - y aceros de aleación que requieren un equilibrio de resistencia y ductilidad. Se aplica comúnmente a las piezas fundidas, perdiciones y piezas soldadas para mejorar su estabilidad estructural antes del procesamiento adicional. Por ejemplo, los cigüeñales automotrices y los engranajes industriales pueden sufrir una normalización para garantizar una resistencia constante y reducir el riesgo de distorsión durante el mecanizado.
En comparación con el recocido, el acero normalizado es ligeramente más duro y más fuerte debido a su microestructura más fina, por lo que es una mejor opción para piezas que necesitan resistencia moderada sin la fragilidad del acero completamente endurecido.
3. Enfrentamiento y templado: endurecimiento y endurecimiento
El enfriamiento y el templado es un proceso de dos pasos - diseñado para producir acero con alta resistencia y dureza - Una combinación que es difícil de lograr con otros tratamientos.
• Apagado: el primer paso implica calentar el acero a su temperatura austenítica (por encima del punto crítico), sujetarlo para formar una microestructura uniforme de austenita y luego enfriarla rápidamente (enfriamiento) con soluciones de agua, aceite o polímeros. Este rápido enfriamiento atrapa los átomos de carbono en la austenita, transformando la microestructura en martensita - una fase dura y frágil que puede alcanzar niveles de dureza de 60-65 hrc.
• Templado: para reducir la fragilidad, el acero enfriado se calienta a una temperatura más baja (típicamente 300-1,300 grados f/149-704 grados) y se mantiene durante un período, seguido de enfriamiento en el aire. El templado hace que se formen pequeñas partículas de carburo dentro de la martensita, reduciendo la fragilidad mientras retiene la mayor parte de la dureza lograda durante el enfriamiento. La temperatura de templado determina las propiedades finales: las temperaturas más bajas (300–500 grados F) retienen la alta dureza con tenacidad moderada, mientras que las temperaturas más altas (800-1,300 grados F) reducen la dureza pero aumentan la tenacidad.
El resultado es un acero que equilibra la resistencia y la dureza - lo suficientemente fuerte como para resistir el desgaste pero lo suficientemente resistente como para resistir el impacto. Esto lo hace ideal para aplicaciones de estrés - altas como:
• Acero de herramientas: los brocas de taladro, las herramientas de corte y los troqueles dependen del acero apagado y templado para dureza y resistencia al astillado.
• Piezas estructurales: los ejes automotrices, los pernos de construcción y los componentes de maquinaria industrial utilizan este tratamiento para soportar cargas e impactos pesados.
• Componentes aeroespaciales: piezas que requieren alta resistencia - a - Las relaciones de peso, como el tren de aterrizaje de aeronaves, se benefician del proceso.
La elección del medio de enfriamiento afecta la dureza final: el enfriamiento del agua se enfría más rápido, produciendo mayor dureza pero aumentando el riesgo de agrietarse; El enfriamiento de aceite se enfría más lentamente, reduciendo el riesgo de agrietamiento, pero lo que resulta en una dureza ligeramente menor. El templado luego ajusta las propiedades para que coincidan con la aplicación, asegurando que el acero sea lo suficientemente duro para la resistencia al desgaste, pero no tan frágil como para fractura bajo estrés.
4. Endurecimiento de la superficie: endurecimiento de la superficie, preservando el núcleo
El endurecimiento de la superficie (también llamado endurecimiento de la caja) es un tratamiento térmico que se endurece solo la superficie del acero mientras deja el núcleo relativamente suave y resistente. Esto es ideal para piezas que necesitan una superficie resistente de desgaste - para resistir la fricción o la abrasión, mientras que el núcleo duro resiste el impacto y la flexión.
Existen varios métodos de endurecimiento de la superficie, siendo la carburación y la nitruración los más comunes:
• Carburización: este proceso introduce carbono en la capa superficial de acero de carbono bajo -}. El acero se calienta a una temperatura alta (1.600–1,800 grados f/871–982 grados) en un entorno rico de carbono - (gas, líquido o sólido), lo que permite que el carbono se difunda en la superficie. Después de la carburación, el acero se apaga para endurecer la capa de superficie de carbono (Case) alta -}, mientras que el núcleo de carbono bajo -} permanece suave. La profundidad del caso puede variar de 0.005 a 0.25 pulgadas, dependiendo de la aplicación. El acero carburizado se usa para piezas como engranajes, cojinetes y ejes, donde la superficie debe resistir el desgaste, pero el núcleo debe absorber los impactos.
• Nitruración: este proceso difunde nitrógeno en la superficie del acero en lugar de carbono. Se realiza a una temperatura más baja (950–1,150 grados F/510–621 grados) en una atmósfera rica de nitrógeno -, formando compuestos de nitruro duros en la superficie. A diferencia del carburamiento, no requiere enfriamiento, reduciendo el riesgo de distorsión. El acero nitridio tiene una excelente resistencia al desgaste y resistencia a la corrosión, lo que lo hace adecuado para piezas como tallos de válvulas, cilindros hidráulicos y guías de máquina herramienta.
Otros métodos de endurecimiento de la superficie incluyen endurecimiento de la llama (calentando la superficie con una llama y enfriamiento) y endurecimiento por inducción (utilizando inducción electromagnética para calentar la superficie y luego enfrentarse). Estos son procesos más rápidos utilizados para grandes partes donde solo las áreas específicas necesitan endurecimiento, como los dientes de grandes engranajes o las superficies de desgaste de las vías del riel.
Cómo se comparan los cuatro tratamientos​
Cada proceso de tratamiento térmico modifica las propiedades de acero de manera distinta:
• El recocido maximiza la ductilidad y la maquinabilidad, pero minimiza la resistencia.
• Normalizar la fuerza y ​​la ductilidad con una microestructura refinada.
• El enfriamiento y el templado logra alta resistencia y dureza.
• El endurecimiento de la superficie crea una superficie resistente dura - con un núcleo resistente.
La elección del tratamiento depende de la composición del acero, las propiedades deseadas y la aplicación. Por ejemplo, una llave inglesa necesita acero apagado y templado para la resistencia y la dureza, mientras que un engranaje puede requerir la carburación para resistir el desgaste en sus dientes.
Conclusión
Los cuatro tratamientos térmicos principales de acero - recocido, normalización, enfriamiento y templado, y endurecimiento de la superficie - juegan un papel vital en la adaptación de las propiedades de acero a las necesidades específicas. El recocido suaviza y homogeneiza, la normalización de los refines y estabiliza, el enfriamiento y el templado equilibra la resistencia y la dureza, y el endurecimiento de la superficie protege contra el desgaste mientras preserva la tenacidad del núcleo. Al comprender estos procesos, los fabricantes e ingenieros pueden seleccionar el tratamiento adecuado para garantizar que el acero funcione de manera confiable en aplicaciones que van desde sujetadores simples hasta componentes aeroespaciales complejos.