Tratamento térmico

Para outras páxinas con títulos homónimos véxase: Tratamento.

O tratamento térmico é o proceso de quecemento e arrefriamento ao que se someten os materiais co fin de mellorar as súas propiedades mecánicas, especialmente a dureza, a resistencia e a tenacidade. Os materiais aos que se aplica o tratamento térmico son, basicamente, o aceiro e a fundición, formados por ferro e carbono mais tamén moitos outros metais, plásticos e cada vez máis o vidro.


Tratamentos térmicos
Témpera Austémpera Martémpera Recocemento Revenimento Normalizado Beneficiamento Esferoidización
Endurecemento
Cementación Nitruración Envellecemento

Propiedades mecánicas

As características mecánicas dun material dependen tanto da súa composición química como da estrutura cristalina que teña. Os tratamentos térmicos modifican esa estrutura cristalina sen alterar a composición química, dando aos materiais unhas características mecánicas concretas, mediante un proceso de arrequecementos e arrefriados sucesivos ata conseguir a estrutura cristalina desexada.

Entre estas características están:

Resistencia ao desgaste: É a resistencia que ofrece un material a deixarse erosionar cando esta en contacto de fricción con outro material.
Tenacidade: É a capacidade que ten un material de absorber enerxía sen producir fisuras (resistencia ao impacto).
Maquinabilidade: É a facilidade que posúe un material de permitir o proceso de mecanizado por arranque de labra.
Dureza: É a resistencia que ofrece un aceiro para deixarse penetrar. Mídese en unidades BRINELL (HB) ou unidades ROCKWEL C (HRC), mediante o test do mesmo nome.

Mellora das propiedades a través do tratamento térmico

As propiedades mecánicas das aliaxes dun mesmo metal, e en particular dos aceiros, reside na composición química da aliaxe que os forma e o tipo de tratamento térmico ao que se lles somete. Os tratamentos térmicos o que fan é modificar a estrutura dos grans que forman os aceiros sen variar a composición química dos mesmos.

Esta propiedade de ter diferentes estruturas de gran coa mesma composición química chámase polimorfismo e é a que xustifica os tratamentos térmicos. Tecnicamente o poliformismo é a capacidade dalgúns materiais de presentar distintas estruturas cristalinas, cunha única composición química, o diamante e o grafito son polimorfismos do carbono. A α-ferrita, a austenita e a δ-ferrita son polimorfismos do ferro. Esta propiedade nun elemento químico puro denomínase alotropía.

Propiedades mecánicas do aceiro

O aceiro é unha aliaxe de ferro e carbono que contén outros elementos de aliaxe, os cales confírenlle propiedades mecánicas específicas para a súa utilización na industria metalmecánica.

Os outros principais elementos de composición son o cromo, tungsteno, manganeso, níquel, vanadio, cobalto, molibdeno, cobre, xofre e fósforo. A estes elementos químicos que forman parte do aceiro chámaselles compoñentes, e ás distintas estruturas cristalinas ou combinación delas constituíntes.

Os elementos constituíntes, segundo a súa porcentaxe, ofrecen características específicas para determinadas aplicacións, como ferramentas, coitelas, soportes etc. A diferenza entre os diversos aceiros, tal como se díxo, depende tanto da composición química da aliaxe dos mesmos, como do tipo de tratamento térmico ao que se lles somete.

Tratamentos térmicos do aceiro

O tratamento térmico do aceiro é un dos pasos fundamentais para que poida alcanzar as propiedades mecánicas para as cales está creado. Este tipo de procesos consisten no arrequecemento e arrefriado dun metal no seu estado sólido para cambiar as súas propiedades físicas. Co tratamento térmico adecuado pódense reducir os esforzos internos, o tamaño do gran, incrementar a tenacidade ou producir unha superficie dura cun interior dúctil. A clave dos tratamentos térmicos consiste nas reaccións que se producen no material, tanto nos aceiros como nas aliaxes non férreas, e ocorren durante o proceso de arrequecemento e arrefriado das pezas, cunhas pautas ou tempos establecidos.

Para coñecer a que temperatura debe elevarse o metal para que se reciba un tratamento térmico é recomendable contar cos diagramas de cambio de fases como o do ferro-carbono. Neste tipo de diagramas especifícanse as temperaturas nas que suceden os cambios de fase (cambios de estrutura cristalina), dependendo dos materiais diluídos.

Os tratamentos térmicos adquiriron grande importancia na industria en xeral, xa que coas constantes innovacións vanse requirindo metais con maiores resistencias tanto ao desgaste como á tensión. Os principais tratamentos térmicos son:

Temperado: A súa finalidade é aumentar a dureza e a resistencia do aceiro. Para iso, quéntase o aceiro a unha temperatura lixeiramente máis elevada que a crítica superior Ac (entre 900-950 °C) e arrefríase logo máis ou menos rapidamente (segundo características da peza) nun medio como auga, aceite etc.
Revenimento: Aplícase a pezas que foron previamente temperados e reteñen defectos ou tensións consecuencia deses procesos. Con este proceso conservan parte da dureza e aumentan a tenacidade. O revenido consegue diminuír a dureza e resistencia dos aceiros temperados, elimínanse as tensións creadas na témpera e mellórase a tenacidade, deixando ao aceiro coa dureza ou resistencia desexada. Distínguese basicamente do temperado en canto á temperatura máxima e velocidade de arrefriado.
Recocemento: Consiste basicamente nun quecemento ata temperatura de austenitización (800-925 °C) seguido dun arrefriado lento. Con este tratamento lógrase aumentar a elasticidade, mentres que diminúe a dureza. Tamén facilita o mecanizado das pezas ao homoxeneizar a estrutura, afinar o gran e abrandar o material, eliminando a acritude que produce o traballo en frío e as tensións internas.
Normalizado: Ten por obxecto deixar un material en estado normal, é dicir, ausencia de tensións internas e cunha distribución uniforme do carbono. Adóitase empregar como tratamento previo ao temperado e ao revenimento.

Tratamentos termoquímicos do aceiro

No caso dos tratamentos termoquímicos non só se producen cambios na estrutura do aceiro senón tamén na súa composición química, engadindo diferentes produtos químicos durante o proceso do tratamento. Estes tratamentos teñen un efecto só superficial nas pezas tratadas e conseguen aumentar a dureza superficial dos compoñentes, deixando o núcleo máis brando e flexible. Estes tratamentos requiren o uso de quecemento e arrefriado en atmosferas especiais.

Cementación: Aumenta a dureza superficial dunha peza de aceiro doce, aumentando a concentración de carbono na superficie. Conséguese tendo en conta o medio ou atmosfera que envolve o metal durante o quecemento e arrefriado. O tratamento logra aumentar o contido de carbono da zona periférica, obténdose despois, por medio de témpera e revenido, unha gran dureza superficial, resistencia ao desgaste e boa tenacidade no núcleo.
Nitruración: Do mesmo xeito que a cementación, aumenta a dureza superficial, aínda que o fai en maior medida, incorporando nitróxeno na composición da superficie da peza. Lógrase quentando o aceiro a temperaturas comprendidas entre 400-525 °C, dentro dunha corrente de gas amoníaco que en contacto co aceiro libera nitróxeno.
Cianuración: Endurecemento superficial de pequenas pezas de aceiro. Utilízanse baños con cianuro, carbonato e cianato sódico. Aplícanse temperaturas entre 760 e 950 °C.

Exemplos de tratamentos

Endurecemento do aceiro

O proceso de endurecemento do aceiro consiste no quecemento do metal de xeito uniforme á temperatura correcta (ver figura de temperaturas para endurecido de metais) e logo arrefrialo con auga, aceite, aire ou nunha cámara refrixerada. O endurecemento produce unha estrutura granular fina que aumenta a resistencia á tracción (tensión) e diminúe a ductilidade. O aceiro ao carbono para ferramentas pódese endurecer ao quentarse até a súa temperatura crítica, a cal está aproximadamente entre os 790 e 830 °C e identifícase cando o metal adquire a cor vermella cereixa brillante. Cando se quenta o aceiro a perlita combínase coa ferrita, o que produce unha estrutura de gran fino chamada austenita. Cando se arrefría a austenita de xeito brusco con auga, aceite ou aire, transfórmase en martensita, material que é moi duro e fráxil.

Temperado (con revenimento)

Despois que se endureceu o aceiro é moi quebradizo ou fráxil o que impide o seu manexo pois rompe co mínimo golpe debido á tensión interior xerada polo proceso de endurecemento. Para contrarrestar a fraxilidade recoméndase o revenimento do aceiro. Este proceso fai máis tenaz e menos quebradizo o aceiro aínda que perde algo de dureza. O proceso consiste en limpar a peza cun abrasivo para logo quentala ata a temperatura adecuada (ver táboa), para despois arrefriala con rapidez no mesmo medio que se utilizou para endurecela.

Táboa de temperaturas para revenir aceiro endurecido
Cor	Grados C	Tipos de aceiros
Palla claro	220	Ferramentas como brocas etc
Palla mediano	240	Punzóns, dados e fresas
Palla escuro	255	Cisallas e martelos
Morado	270	Ciceis para madeira
Azul escuro	300	Coitelos e ciceis para aceiro
Azul claro	320	Chaves de parafuso e resortes

Recocimento

O recocimento é o tratamento térmico que, en xeral, ten como finalidade principal abrandar o aceiro, rexenerar a estrutura de aceiros sobrequecidos ou simplemente eliminar as tensións internas que seguen a un traballo en frío. (Arrefriado no forno).

Cementado

Consiste no endurecemento da superficie externa do aceiro ao baixo carbono, quedando o núcleo brando e dúctil. Como o carbono é o que xera a dureza nos aceiros, no método de cementado tense a posibilidade de aumentar a cantidade de carbono nos aceiros de baixo contido de carbono antes de ser endurecido. O carbono agrégase ao quentar ao aceiro á súa temperatura crítica mentres se atopa en contacto cun material carbonoso. Os tres métodos de cementación máis comúns son: empacado para carburación, baño líquido e gas.

Carburización por empaquetado

Este procedemento consiste en meter ao material de aceiro con baixo contido carbónico nunha caixa pechada con material carbonáceo e quentalo ata 900 a 927 °C durante 4 a 6 horas. Neste tempo o carbón que se atopa na caixa penetra á superficie da peza a endurecer. Canto máis tempo se deixe a peza na caixa con carbón, de maior profundidade será a capa dura. Unha vez quente a peza a endurecer á temperatura adecuada arrefríase rapidamente en auga ou salmoira. Para evitar deformacións e diminuír a tensión superficial recoméndase deixar arrefriar a peza na caixa para posteriormente sacala e volvela a quentar entre 800 e 845 °C (vermello cereixa) e proceder ao arrefriado por inmersión. A capa endurecida máis utilizada ten un espesor de 0,38 mm, con todo pódense ter espesores de ata 4 mm.

Carburización en baño líquido

O aceiro a cementar mergúllase nun baño de cianuro de sodio líquido. Tamén se pode utilizar cianuro de potasio pero os seus vapores son moi perigosos. Mantense a temperatura a 845 °C durante 15 minutos a 1 hora, segundo a profundidade que se requira. A esta temperatura o aceiro absorberá o carbono e o nitróxeno do cianuro. Despois débese arrefriar con rapidez en auga ou salmoira. Con este procedemento lógranse capas con espesores de 0,75 mm.

Carburización con gas

Neste procedemento utilízanse gases carburizantes para a cementación. A peza de aceiro con baixo contido carbónico colócase nun tambor ao que se introduce gas para carburizar como derivados dos hidrocarburos ou gas natural. O procedemento consiste en manter ao forno, o gas e a peza entre 900 e 927 °C. logo dun tempo predeterminado córtase o gas carburizante e déixase arrefriar o forno. Logo sácase a peza e se requece a 760 °C e arrefríase con rapidez en auga ou salmoira. Con este procedemento lógranse pezas cuxa capa dura ten un espesor ata de 6 mm, pero polo regular non exceden de 0.7 mm.

Carburado, cianurado e nitrurado

Existen varios procedementos de endurecemento superficial coa utilización do nitróxeno e cianuro aos que polo regular se lles coñece como carbonitrurado ou cianurado. En todos estes procesos con axuda dos sales do cianuro e do amoníaco lógranse superficies duras como nos métodos anteriores.