Generalidades

Se entiende por tratamiento térmico al conjunto de operaciones de

calentamiento, permanencia y enfriamiento de las aleaciones de
metales en estado sólido, con el fin de cambiar su estructura y
conseguir propiedades físicas y mecánicas necesarias. Se tratan
térmicamente no solo las piezas semiacabadas (bloques, lingotes,
planchas, etc.), con el objetivo de disminuir dureza, mejorar la
maquinabilidad y preparar su estructura para el tratamiento térmico
definitivo posterior, sino también las piezas terminadas y
herramientas para proporcionarles las propiedades definitivas
exigidas.

Orígenes
Los griegos descubrieron hacia el 1000 AC una técnica para
endurecer las armas de hierro mediante un tratamiento térmico.

Todas las aleaciones de hierro fabricadas hasta el siglo XIV d.c se

clasifican en la actualidad como hierro forjado. Para obtener estas
aleaciones, se calentaba en un horno una masa de mineral
de hierro y carbón vegetal. Mediante este tratamiento se reducía el
mineral a una masa esponjosa de hierro llena de escoria formada por
impurezas metálicas y cenizas de carbón vegetal. Esta masa
esponjosa se retiraba mientras permanecía incandescente y se
golpeaba con pesados martillos para eliminar la escoria y darle una
determinada forma.

El hierro que se producía en estas condiciones solía tener un 3% de

partículas de escoria y un 0,1% de otras impurezas. En algunas
ocasiones, y por error, solían producir autentico acero en lugar de
hierro forjado.

Los artesanos del hierro acabaron por aprender a fabricar acero,

calentando hierro forjado y carbón vegetal en un recipiente de arcilla
durante varios días, con lo que el hierro absorbía suficiente carbono
para convertirse en acero.

Después del siglo XIV se aumento el tamaño de los hornos empleados

para fundir. En estos hornos, el mineral de hierro de la parte superior
se convertía en hierro metálico y a continuación absorbía más
carbono debido a los gases que lo atravesaban. Como resultado daba
arrabio, un metal que funde a temperatura menor que el hierro y el
acero. Posteriormente se refinaba el arrabio para obtener acero.

En la producción moderna de acero se emplean altos hornos que son

modelos perfeccionados de los que se usaban antiguamente.
El arrabio se refina mediante chorros de aire. Este invento de debe a
un británico llamado Henry Bessemer, que en 1855 desarrollo este
inventó.

Los materiales a los que se aplica el tratamiento térmico son,

básicamente, el acero y la fundición, formados
por hierro y carbono. También se aplican tratamientos térmicos
diversos a los sólidos cerámicos.

Propiedades mecánicas

Transformación de las fases

Las características mecánicas de un material dependen tanto de su

composición química como de la estructura cristalina que tenga. Los
tratamientos térmicos modifican esa estructura cristalina sin alterar
la composición química, dando a los materiales unas características
mecánicas concretas, mediante un proceso de calentamientos y
enfriamientos sucesivos hasta conseguir la estructura cristalina
deseada.

Entre estas características están:

 Resistencia al desgaste: Es la resistencia que ofrece un
material a dejarse erosionar cuando está en contacto
de fricción con otro material.

 Tenacidad: Es la capacidad que tiene un material de absorber

energía sin producir fisuras (resistencia al impacto).

 Mecanizabilidad: Es la facilidad que posee un material de

permitir el proceso de mecanizado por arranque de viruta.

 Dureza: Es la resistencia que ofrece un acero para dejarse

penetrar. Se mide en unidades BRINELL (HB), unidades ROCKWEL
C (HRC), VICKERS (HV),etc.Dureza Vickers mediante el test del
mismo nombre.

La propiedad de tener diferentes estructuras de grano con la misma

composición química se llama polimorfismo y es la que justifica los
térmicos.

Técnicamente el poliformismo es la capacidad de algunos materiales

de presentar distintas estructuras cristalinas, con una única
composición química, el diamante y el grafito son polimorfismos
del carbono. La α-ferrita, la austenita y la δ-ferrita son
polimorfismos del hierro.

Esta propiedad en un elemento químico puro se denomina alotropía.

Por lo tanto las diferentes estructuras de grano pueden ser
modificadas, obteniendo así aceros con nuevas propiedades
mecánicas, pero siempre manteniendo la composición química.

Estas propiedades varían de acuerdo al tratamiento que se le de

al acero dependiendo de la temperatura hasta la cual se lo caliente
y de como se enfría el mismo. La forma que tendrá el grano y los
microconstituyentes que compondrán al acero, sabiendo la
composición química del mismo (esto es porcentaje de Carbono y
Hierro (Fe3) y la temperatura a la que se encuentra, se puede ver en
el Diagrama Hierro Carbono.

Tipos de tratamientos térmicos

Diagrama Fe-C. Sección transformación del acero

El tratamiento térmico en el material es uno de los pasos

fundamentales para que pueda alcanzar las propiedades mecánicas
para las cuales está creado.

Este tipo de procesos consisten en el calentamiento y enfriamiento

de un metal en su estado sólido para cambiar sus propiedades físicas
- mecánicas. Con el tratamiento térmico adecuado se pueden reducir
los esfuerzos internos, el tamaño del grano, incrementar la tenacidad
o producir una superficie dura con un interior dúctil. La clave de los
tratamientos térmicos consiste en las reacciones que se producen en
el material, tanto en los aceros como en las aleaciones no férreas, y
ocurren durante el proceso de calentamiento y enfriamiento de las
piezas, con unas pautas o tiempos establecidos.

Para conocer a que temperatura debe elevarse el metal para que se

reciba un tratamiento térmico es recomendable contar con los
diagramas de cambio de fases como el diagrama hierro carbono. En
este tipo de diagramas se especifican las temperaturas en las que
suceden los cambios de fase (cambios de estructura cristalina),
dependiendo de los materiales diluidos.

Los tratamientos térmicos han adquirido gran importancia en la

industria en general, ya que con las constantes innovaciones se van
requiriendo metales con mayores resistencias tanto al desgaste
como a la tensión.

Temple
La finalidad del temple es aumentar la dureza y la resistencia del
acero. Para ello, se calienta el acero a una temperatura ligeramente
más elevada que la crítica superior Ac (entre 700-950 °C) y se enfría
luego más o menos rápidamente (según características de la pieza)
en un medio como agua, aceite, etcétera. Existen distintos tipos de
temples, algunos de ellos son:

Temple continuo completo

Se aplica a los aceros hipoeutectoides (contenido de carbono inferior
a 0,9%). Se calienta la pieza hasta la temperatura de temple y
seguidamente se enfría en el medio adecuado (agua, aceite, sales,
aire) con lo que obtendremos como elemento constituyente
martensita.

Temple continuo incompleto

Se aplica a los aceros hipereutectoides (contenido de carbono
superior a 0,9%). Se calienta la pieza hasta la temperatura indicada,
transformándose la perlita en austenita y quedando intacta la
cementita. Después de enfriar, la estructura resultante estará
formada por martensita y cementita.

Temple escalonado
Consiste en calentar el acero a temperatura adecuada y mantenerlo
hasta que se transforme en austenita, seguidamente se enfría con
una temperatura uniforme en un baño de sales hasta transformarlo en
bainita.

Temple superficial
Se basa en un calentamiento superficial muy rápido de la pieza y un
enfriamiento también muy rápido, obteniendo la austenización solo
en la capa superficial, quedando el núcleo de la pieza blando y tenaz
y la superficie exterior dura y resistente al rozamiento.

Temple por inducción

Es un proceso de endurecimiento de acero en el cual las superficies
de las piezas se calientan rápidamente a temperatura de
austenitización mediante inducción electromagnética, (con un diseño
adecuado del inductor, se puede confinar el calor a áreas pequeñas).
Una vez alcanzada la temperatura de austenitización se aplica una
ducha de agua fría que produce el temple.

El principio del calentamiento por inducción es el siguiente: una

bobina que conduce una corriente de alta frecuencia rodea o se
coloca sobre la pieza, se inducen así corrientes alternativas que
generan rápidamente calor en la superficie.

Las corrientes inducidas de alta frecuencia tienden a viajar por la

superficie del metal, por tanto, es posible calentar una capa poco
profunda del acero sin necesidad de calentar el interior del material.
La profundidad del calentamiento depende de la frecuencia de la
corriente, la densidad de potencia y el tiempo de aplicación de ésta.
Mientras mayor es la frecuencia, menor es la profundidad calentada,
de forma que: altas potencias (100 kHz a 1 Mhz), y tiempos cortos (en
segundos), calientan espesores de 0,25 mm; en cambio, potencias
menores (25 kHz), y tiempos más largos calientan espesores de 10
mm. Se utiliza en aceros al carbono, con contenido medio de C, en
éstos produce superficies endurecidas delgadas.

También se puede utilizar en aceros aleados; los aceros de baja

aleación se endurecen fácil y superficialmente mediante este
método; en cambio, los aceros altamente aleados son más lentos y
pueden necesitar de un aumento de temperatura para lograr la
estructura deseada, sin embargo, como el calentamiento mediante
este método es muy rápido, se pueden calentar sin peligro de
crecimiento excesivo de grano. Entre las ventajas de este proceso
podemos destacar el hecho que no necesita de personal
especializado para su operación debido a que es un proceso
prácticamente automático. Entre las desventajas resaltan el alto
costo del equipo, el alto costo de mantenimiento y el hecho que no es
económico si se desean endurecen pocas piezas.

Revenido
El revenido sólo se aplica a aceros previamente templados, para
disminuir ligeramente los efectos del temple, conservando parte de la
dureza y aumentar la tenacidad. El revenido consigue disminuir la
dureza y resistencia de los aceros templados, se eliminan las
tensiones creadas en el temple y se mejora la tenacidad, dejando al
acero con la dureza o resistencia deseada. Se distingue básicamente
del temple en cuanto a temperatura máxima y velocidad de
enfriamiento.
Recocido
El recocido consiste básicamente en un calentamiento hasta
temperatura de austenitización (800-925 °C) seguido de un
enfriamiento lento.

Con este tratamiento se logra aumentar la elasticidad, mientras que

disminuye la dureza. También facilita el mecanizado de las piezas al
homogeneizar la estructura, afinar el grano y ablandar el material,
eliminando la acritud que produce el trabajo en frío y las tensiones
internas.

Recocido de homogeneización
En el recocido de homogeneización, propio de los aceros
hipoeutectoides, la temperatura de calentamiento es la
correspondiente a A3+200ºC sin llegar en ningún caso a la curva de
sólidos, realizándose en el propio horno el posterior enfriamiento
lento, siendo su objetivo principal eliminar las heterogeneidades
producidas durante la solidificación.

Recocido de regeneración
También llamado normalizado, tiene como función regenerar la
estructura del material producido por temple o forja. Se aplica
generalmente a los aceros con más del 0.6% de C, mientras que a los
aceros con menor porcentaje de C sólo se les aplica para finar y
ordenar su estructura.

Recocido de globalización
Usado en aceros hipoeutectoides para ablandarlos después de un
anterior trabajo en frío. Por lo general se desea obtener globulización
en piezas como placas delgadas que deben tener alta embutición y
baja dureza. Los valores más altos de embutición por lo general están
asociados con la microestructura globulizada que solo se obtiene en
un rango entre los 650 y 700 grados centígrados. Temperaturas por
encima de la crítica producen formación de austenita que durante el
enfriamiento genera perlita, ocasionando un aumento en la dureza no
deseado. Por lo general piezas como las placas para botas de
protección deben estar globulizadas para así obtener los dobleces
necesarios para su uso y evitar rompimiento o agrietamiento.
Finalmente son templadas para garantizar la dureza. Es usado para
los aceros hipereutectoides, es decir con un porcentaje mayor al
0,89 % de C, para conseguir la menor dureza posible que en
cualquier otro tratamiento, mejorando la maquinabilidad de la pieza.
La temperatura de recocido está entre AC3 y AC1.

Recocido subcrítico
Para un acero al carbono hipoeutectoide: La microestructura
obtenida en este tratamiento varía según la temperatura de recocido.

Por lo general las que no excedan los 600 grados liberarán tensiones
en el material y ocasionaran algún crecimiento de grano (si el
material previamente no fue templado).

Generalmente mostrando Ferrita-Perlita. Por encima de los 600 y bajo

los 723 se habla de recocido de globulización puesto que no
sobrepasa la temperatura crítica. En este caso no hay grano de
perlita, los carburos se esferoidizan y la matriz es totalmente
ferrítica. Se usa para aceros de forja o de laminación, para lo cual se
usa una temperatura de recocido inferior a AC1, pero muy cercana.

Mediante este procedimiento se destruyen las tensiones internas

producidas por su moldeo y mecanización. Comúnmente es usado
para aceros aleados de gran resistencia, al Cr-Ni, Cr-Mo, etcétera.
Este procedimiento es mucho más rápido y sencillo que los antes
mencionados, su enfriamiento es lento.

Normalizado
El normalizado tiene por objeto dejar un material en estado normal,
es decir, ausencia de tensiones internas y con una distribución
uniforme del carbono. Se suele emplear como tratamiento previo al
temple y al revenido.

Tratamientos termoquímicos
Los tratamientos termoquímicos son tratamientos térmicos en los
que, además de los cambios en la estructura del acero, también se
producen cambios en la composición química de la capa superficial,
añadiendo diferentes productos químicos hasta una profundidad
determinada. Estos tratamientos requieren el uso de calentamiento y
enfriamiento controlados en atmósferas especiales.
Entre los objetivos más comunes de estos tratamientos están
aumentar la dureza superficial de las piezas dejando el núcleo más
blando y tenaz, disminuir el rozamiento aumentando el poder
lubrificante, aumentar la resistencia al desgaste, aumentar la
resistencia a fatiga o aumentar la resistencia a la corrosión.

Cementación (C)
La cementación aumenta la dureza superficial de una pieza
de acero dulce, aumentando la concentración de carbono en la
superficie. Se consigue teniendo en cuenta el medio
o atmósfera que envuelve el metal durante el calentamiento y
enfriamiento. El tratamiento logra aumentar el contenido de carbono
de la zona periférica, obteniéndose después, por medio de temples y
revenidos, una gran dureza superficial, resistencia al desgaste y
buena tenacidad en el núcleo.

Características de la cementación
 Endurece la superficie.
 No afecta al corazón de la pieza.
 Aumenta el carbono de la superficie.
 Se coloca la superficie en contacto con polvos de cementar
(Productos cementantes.
 El enfriamiento es lento y se hace necesario un tratamiento
térmico posterior.
 Los engranajes suelen ser piezas que se cementan.

Equipos para cementación

Cajas de cementado: Se cementa con mezcla cementante que rodea
a la pieza en un recipiente cerrado, el cual se calienta a la
temperatura adecuada durante el tiempo requerido y luego se enfría
con lentitud. Este equipo no se presta para alta producción, siendo
sus principales ventajas su economía, eficiencia y la no necesidad de
una atmósfera preparada. En realidad, el agente cementante, son los
gases que esta pasta que rodea al material desprende cuando se
calienta en el horno.

Cajas de gas: Es más eficiente que el anterior, los ciclos son más
controlados, el calentamiento más uniforme, es más limpio y requiere
de menos espacio. La pieza se calienta en contacto con CO y/o un
hidrocarburo, por ejemplo alguna mezcla de gases que contengo
butano, propano o metano, que fácilmente se descompone a la
temperatura de cementación El gas tiene una composición típica de:
CO 20%, H2 40% y N2 40%, pudiendo modificarse la composición de
éste para controlar el potencial de C.

Nitruración (N)
La nitruración consiste en enriquecer la superficie de la pieza
en nitrógeno calentándola en una atmósfera especifica a
temperatura comprendida entre 500 y 580 ºC, formándose una capa
de muy poca profundidad pero de dureza muy superior a la capa de
cementado. Durante el proceso no hay deformaciones y obtenemos
una mayor resistencia a la corrosión.

Si en un recinto, un horno de tratamiento térmico, se somete

al amoníaco (NH3) a temperaturas de 500° C, se descompone
en nitrógeno e hidrógeno. El hidrógeno, más ligero, se separa del
nitrógeno por diferencia de densidad. El nitrógeno liberado por la
descomposición del amoníaco forma la atmósfera en el interior del
horno que, en contacto con la superficie de hierro y a
esa temperatura, forma nitruro de hierro, un compuesto de gran
dureza pero frágil.

Si bien este tratamiento da gran dureza superficial a la pieza, la

velocidad de penetración es muy lenta, aproximadamente 1 mm en
100 horas de tratamiento, pero no necesita de temple posterior.La
nitruración se da a piezas sometidas a grandes fuerzas de rozamiento
y de carga como, por ejemplo, pistas de rodamientos, camisas de
cilindros o piezas similares, que necesitan un núcleo con cierta
plasticidad, que absorba golpes y vibraciones, y una superficie de
gran dureza contra desgaste y deformaciones.

Características de la nitruración
 Aumenta el volumen de la pieza.
 Se emplean vapores de amoniaco.
 Es un tratamiento muy lento.
 Las piezas no requieren ningún otro tratamiento.
 Endurece la superficie de la pieza.

Aceros de nitruración
No todos los aceros son aptos para nitrurar. Resulta conveniente que
en la composición de la aleación haya una cierta cantidad de
aluminio 1%. También es aplicable a los aceros inoxidables, aceros
al cromo níquel y ciertas fundiciones al aluminio o al cromo.No es
aconsejable en aceros al carbono no aleados, el nitrógeno penetra
rápidamente en la superficie de la pieza y la capa nitrurada puede
desprenderse.Práctica de la nitruraciónLas piezas a nitrurar se
mecanizan, y luego se templan y revienen, con objeto de que el
núcleo adquiera una resistencia adecuada. Finalmente, una vez
mecanizadas a las cotas definitivas, se procede a efectuar la
nitruración.Las piezas a nitrurar se colocan dentro de un horno
eléctrico, con circulación de gas amoníaco por el interior,
manteniendo la temperatura y la concentración de nitrógeno durante
todo el tiempo que dure el proceso hasta su finalización.A aquellas
partes de la pieza que no se deban nitrurar se les da un baño de
estaño y plomo al 50%, que cubre la superficie de la pieza aislándola
del nitrógeno.

Cianuración (C+N)
La cianuración consiste en el endurecimiento superficial de
pequeñas piezas de acero. Se utilizan baños
con cianuro, carbonato y cianato sódico. Se aplican temperaturas
entre 760 y 950 °C.

Carbonitruración(C+N)
La carbonitruración al igual que la cianuración,
introduce carbono y nitrógeno en una capa superficial, pero con
hidrocarburos como metano, etano o propano; amoníaco (NH3) y
monóxido de carbono (CO). En el proceso se requieren temperaturas
de 650 a 850 °C y es necesario realizar un temple y
un revenido posterior.

Sulfinización (S+N+C)
La sulfinización aumenta la resistencia al desgaste por acción del
azufre. El azufre se incorpora al metal por calentamiento a baja
temperatura (565 °C) en un baño de sales.