metalotecnia - tratamientos térmicos. generalidades

8/17/2019 Metalotecnia - Tratamientos Térmicos. Generalidades

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Tratamientos térmicos Fecha:03/12/01 Página 1 de 21

siderurgia.etsii.upm.es

MATERIALES I:

TRATAMIENTOS TÉRMICOS: GENERALIDADES

por Vicente Lorenzo


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TRATAMIENTOS TÉRMICOS: GENERALIDADES

1. INTRODUCCIÓN 3

2. DEFINICIÓN DE TRATAMIENTO TÉRMICO 3

3. CLASIFICACIÓN DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS: 4

4. EL CALENTAMIENTO EN LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS 8

4.1 HORNOS PARA TRATAMIENTOS TÉRMICOS 8

4.2 VELOCIDAD DE CALENTAMIENTO 15

EJERCICIOS 21


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1. INTRODUCCIÓN

En capítulos anteriores se han presentado algunas herramientas que permiten interpretar y

predecir cuáles son las modificaciones estructurales que provocan los cambios de temperatura

en las aleaciones metálicas. Estas herramientas son las que se van a emplear en los próximos

capítulos para describir los cambios estructurales que se producen en los tratamientos térmicos

de los aceros y, más adelante, en los tratamientos térmicos de otras aleaciones metálicas.

Los diagramas de equilibrio son los instrumentos que dan información sobre la

termodinámica del sistema que se pretende estudiar. Un diagrama de equilibrio señala cuál es

la estructura hacia la que tendería la aleación en cuestión si hubiera evolucionado desde un

estado de equilibrio hasta las condiciones objeto de estudio siguiendo un proceso

cuasiestático. Ahora bien, la termodinámica del sistema no predice si ese estado de equilibrio

se alcanzará en un tiempo razonable o si, por el contrario, el proceso es tan lento que, a

efectos prácticos, la estructura fuera de equilibrio se puede considerar como estable. Para

responder a estas cuestiones es necesario contar con información sobre cinética del paso al

equilibrio. Las curvas T.T.T. u otras representaciones con contenido análogo son las

herramientas que permiten conocer cuál es la celeridad con que se produce el paso a la

estructura que marca el diagrama y, por tanto, cuáles son las condiciones en las que se

alcanzan o no estados de equilibrio.

2. DEFINICIÓN DE TRATAMIENTO TÉRMICO

El término tratamiento térmico hace referencia al proceso tecnológico en el que se somete

un componente metálico a una variación de temperatura programada con el fin de modificar suestructura en estado sólido y adecuar sus propiedades para los fines a los que se destina. En

ocasiones, la aplicación del programa de temperatura puede ir acompañada de una

modificación localizada de la composición química o de la imposición simultánea de unas

solicitaciones mecánicas prefijadas de modo que se llega a una estructura condicionada por el

proceso de deformación. Los tratamientos del primero de estos tipos se denominan

termoquímicos mientras que los del segundo se conocen con el calificativo de termomecánicos.

Antes de continuar avanzando, resulta interesante precisar algunos extremos relativos a la

definición anterior. En primer lugar, hay que señalar que el término estructura debe

interpretarse en su acepción más amplia. Así, en este contexto, puede hacer referencia, según


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el caso, a la naturaleza y proporción de fases y constituyentes presentes, a la distribución y

morfología de estos últimos, al estado tensional del componente en cuestión o a la

heterogeneidad de su composición química. También es importante resaltar que los

tratamientos térmicos nunca van acompañados de la formación de fases líquidas porque se

puede llegar a quemar la aleación con la consiguiente pérdida de características. Como

consecuencia de esto, las temperaturas que se alcanzan en los tratamientos térmicos nunca

pueden llegar a la de comienzo de fusión que marca la línea de solidus real. Por último hay que

delimitar el sentido del verbo adecuar aplicado a las propiedades de la aleación. El objetivo de

un tratamiento térmico no es, en general, alcanzar un valor extremo, ya sea máximo o mínimo,

de alguna de las propiedades del material si no que, en la mayoría de las ocasiones, lo que se

pretende es llegar a una solución de compromiso entre ciertas propiedades que resulta

especialmente favorable para posteriores operaciones de procesado o para la aplicación finalque se va a dar a la pieza tratada.

3. CLASIFICACIÓN DE LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS:

Los tratamientos térmicos propiamente dichos (excluyendo tratamientos termoquímicos y

termomecánicos) se pueden clasificar atendiendo, entre otros criterios, a la naturaleza de los

cambios estructurales que provocan. Conforme a este aspecto, los tratamientos térmicos se

pueden agrupar en tres categorías:

1. Tratamientos que buscan aproximar la estructura del metal a la de equilibrio: estos

tratamientos, que se caracterizan por enfriamientos relativamente lentos, reciben el nombre

genérico de recocidos. Los recocidos se subdividen a su vez en dos tipos diferentes:

a. Recocidos que buscan modificar la naturaleza, proporción y distribución de los

constituyentes de aleaciones que pueden sufrir transformaciones de fase en estado

sólido: estos tratamientos consisten en un calentamiento por encima de alguna

temperatura crítica seguido de un mantenimiento a la temperatura de recocido que

garantice que se alcanza el equilibrio y un posterior enfriamiento lento hasta

temperatura ambiente. En estos procesos es fundamental que la velocidad de

enfriamiento sea suficientemente lenta al atravesar el intervalo de temperaturas de

transformación. Una vez superado este rango de temperaturas se puede enfriar con

mayor velocidad. El ciclo térmico de estos tratamientos se recoge en esquema en la

figura 3-1.


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Figura 3-1. Programa de variación de temperatura para recocidos del tipo 1(a)

b. Recocidos que pretenden una aproximación al equilibrio sin modificar la naturaleza ni la

proporción de las fases presentes. Entre estos objetivos se pueden incluir, por ejemplo,

la reducción de la energía elástica almacenada en el sistema, la modificación de ladistribución de las fases o de su morfología o la reducción de la heterogeneidad. Todos

estos procesos de paso al equilibrio son térmicamente activados y, por tanto, su

velocidad crece al elevar la temperatura. En muchas ocasiones, basta con un

calentamiento para acercar el metal al equilibrio en un tiempo aceptable. Cuando se

tratan aleaciones que pueden sufrir transformaciones de fase en estado sólido, los

tratamientos que buscan conseguir estos fines pueden ser, según el caso,

supercríticos, subcríticos, intercríticos u oscilantes. En la figura 3-2 se recogen las

algunas de las posibilidades para los tratamientos de este tipo.

Figura 3-2. Programas de variación de temperatura para los recocidos del tipo 1-b en aleaciones que no

sufren o sí sufren transformaciones de fase en estado sólido


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2. En este segundo grupo se incluyen aquellos tratamientos que fijan a temperatura ambiente

una estructura que no es de equilibrio. Estos tratamientos, que se caracterizan porque los

enfriamientos con los que finalizan son suficientemente rápidos para evitar la formación de

las estructuras de equilibrio, se pueden subdividir a su vez en dos clases:

a. Aquellos que congelan a temperatura ambiente estructuras que corresponden a un

equilibrio a temperaturas más elevadas. Estos tratamientos reciben, en muchas

ocasiones, el nombre de tratamientos de solubilización porque las estructuras que se

fijan son soluciones sólidas sobresaturadas según se ilustra en la figura 3-3(a). En

ciertos casos, se puede emplear el término hipertemple para referirse a este tipo de

tratamientos.

b. El segundo grupo incluye aquellos tratamientos designados con el nombre general detemples que buscan provocar descomposición de fases en equilibrio a temperaturas

elevadas en otras metaestables tal como se esquematiza en la figura 3-3(b).

Figura 3-3. Representación esquemática de los ciclos térmicos de los tratamientos del tipo 2.

3. En la mayoría de las ocasiones, las piezas que han sufrido un tratamiento del tipo 2 no son

directamente utilizables. Los tratamientos del apartado anterior van, en estos casos,

seguidos de otro tratamiento que busca obtener una estructura más estable. Los

tratamientos de este tercer tipo pueden ser de dos clases diferentes dependiendo de la

naturaleza del tratamiento previo:


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a. Las soluciones sobresaturadas que resultan de los tratamientos de solubilización se

suelen someter a un calentamiento posterior hasta una temperatura inferior a la del

solvus para provocar la precipitación del soluto que se encuentra disuelto en exceso

seguido de un enfriamiento lento. Con estos tratamientos, que se conocen con el

nombre de maduración se busca obtener una dispersión fina de las partículas de la

segunda fase, distribución que resulta especialmente favorable desde el punto de vista

de las propiedades mecánicas.

b. Un temple siempre va seguido de un revenido: un tratamiento subcrítico que tiene

como finalidad descomponer en mayor o menor medida las fases metaestables que se

formaron en el tratamiento previo. La temperatura de revenido determina generalmente

la extensión de la descomposición de las fases no estables y, en consecuencia, la

microestructura y propiedades de la pieza tratada.

En principio se podría pensar que los tratamientos térmicos que se han clasificado en los

párrafos anteriores son reversibles, es decir, que los cambios producidos por alguno de ellos

podrían ser borrados por otro. Así, por ejemplo, se podría pensar que una aleación cuya

estructura inicial es la de equilibrio se puede someter a tratamientos sucesivos de los grupos 2

y 3 y, posteriormente, tras un recocido volver al estado original. En la práctica esto no es así

porque las modificaciones estructurales producidas por los tratamientos térmicos van

acompañadas de otros efectos químicos y mecánicos que pueden deteriorar de forma

irreversible el material.

Los efectos químicos a los que se acaba de hacer referencia surgen como consecuencia

de la interacción entre la atmósfera del horno en que se realiza el tratamiento y la pieza a

tratar. Las atmósferas de los hornos pueden contener monóxido y dióxido de carbono,

hidrógeno, vapor de agua y metano además de nitrógeno y oxígeno. Las proporciones de estos

gases determinan el carácter de la atmósfera y las modificaciones que pueden provocar en la

composición química superficial de la pieza. Entre los efectos de las interacciones atmósfera-

pieza que, habitualmente, no son buscados intencionadamente se pueden incluir la oxidación o

la descarburación en piezas de acero tratadas.

A los efectos de tipo químico que se han descrito se superponen otros de tipo mecánico.

Durante la aplicación de los tratamientos térmicos siempre se desarrollan tensiones en el seno

de las piezas a tratar como consecuencia de la diferencia de temperaturas y, por tanto, de la

expansión térmica entre distintos puntos de las mismas. Además, si la aleación a tratar

experimenta transformaciones de fase durante el tratamiento, aparecen tensiones cuando

estos cambios no se producen de forma simultánea en toda la pieza. Sea cual sea el origen de

los esfuerzos mecánicos, su aparición puede provocar la deformación, el agrietamiento oincluso la rotura de la pieza que se está tratando con la consiguiente inutilización de la misma.


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Más preocupante incluso que lo anterior puede resultar la formación de microgrietas cuyo

desarrollo pueda provocar su fallo en servicio bajo la acción de tensiones inferiores a la de

cálculo o el rechazo de la pieza en operaciones de procesado posteriores.

4. EL CALENTAM IENTO EN LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS

Según se acaba de discutir cualquier tratamiento térmico comienza con un calentamiento.

Como esta etapa es común a todos los tratamientos y no presenta ninguna característica

específica salvo el valor de la temperatura que se desea alcanzar, se va a describir con cierto

detalle esta fase inicial antes de pasar a describir los diferentes tratamientos de los aceros.

4.1 Hornos para tratamientos térmicos

Las instalaciones que se emplean para el calentamiento de las piezas a tratar se pueden

clasificar atendiendo a diferentes criterios entre los que se pueden incluir el modo de

funcionamiento, el tipo de energía empleado para el calentamiento o las características de la

atmósfera.

Cuando se aplica el primer criterio, los hornos se pueden clasificar en hornos continuos y

hornos de funcionamiento intermitente.

Los hornos de funcionamiento intermitente son muy versátiles admitiendo gran variedad de

ciclos térmicos con temperaturas máximas de trabajo que no suelen pasar de los 1300°C y con

la posibilidad de emplear atmósferas controladas. Como contrapartida, estos hornos requieren

un trabajo importante de manipulación de piezas de modo que su utilización está normalmente

justificada tanto por su flexibilidad como por la necesidad de trabajar con productividades

reducidas cuando se miden en términos de masa de material tratado por unidad de tiempo de

utilización de horno (este criterio justifica el empleo de hornos de este tipo con gran capacidad

en tratamientos prolongados).

Los hornos de mufla son los más sencillos entre los hornos de funcionamiento intermitente.

Estos hornos están formados por la caja o envolvente metálica, el aislamiento térmico que

rodea la cámara en cuyo interior se disponen las piezas y el sistema de calentamiento y

control. En muchas ocasiones, el movimiento de piezas en los hornos de mufla se realiza a

mano lo que limita el tamaño de las piezas a tratar (figura 4.1). Cuando es necesario tratar

piezas que son grandes o de manipulación difícil es necesario recurrir a hornos intermitentes

con dispositivos que facilitan el desplazamiento relativo de la carga y el horno como los hornos


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con máquina de cargar , de solera móvil o de carro (figura 4.2), los de ascensor , los de pozo o

los de campana (figura 4.3).

Figura 4.1. Horno eléctrico de mufla: en la pared lateral se pueden ver las resistencias de calentamiento.

Figura 4.2. Horno de solera móvil


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Figura 4.3. Hornos de campana eléctrico y de gas para recocido de hilo de cobre

Una alternativa al concepto de horno de cámara son los hornos de sales . Estos hornos de

constan básicamente de un depósito que contiene un baño de sales fundidas a la temperatura

de trabajo (figura 4.4). Como el calentamiento se consigue por inmersión de las piezas en las

sales líquidas, la transmisión de calor es muy eficiente de modo que el equilibrio térmico se

consigue rápidamente. Además, como no hay contacto entre la atmósfera y la pieza caliente se

evitan problemas de oxidación y, cuando se considera adecuado, es posible modificar la

composición de la periferia de la pieza a voluntad ajustando la composición del baño. En

ciertos casos se pueden emplear metales fundidos en lugar de sales. La utilización de este tipode hornos tiene como inconveniente los problemas asociados a la manipulación de las sales.

Figura 4.4. Batería de hornos de sales con electrodos sumergidos

Un procedimiento de calentamiento discontinuo de utilización creciente en la industria son

los hornos de lecho fluidizado. En estos hornos, las piezas a tratar se sumergen en un lecho de


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alúmina en polvo que se mantiene fluido por el paso de la corriente de los gases de

combustión. Las velocidades de calentamiento que se consiguen con estos hornos son

intermedias entre las de los hornos de sales y metales fundidos y los hornos de radiación. Las

principales ventajas de estos hornos son que, por un lado, es posible controlar la composición

de la atmósfera y que, por otro lado, el aprovechamiento energético de los gases de

combustión es máximo ya que la atmósfera se genera en el mismo lecho.

El método de tratamiento discontinuo que permite obtener los mejores resultados es el

empleo de hornos de vacío (figura 4.5). Estas instalaciones, que pueden trabajar con un vacío

de 10-4

mbar y admiten temperaturas que llegan hasta los 1600°C, son las menos eficientes

desde el punto de vista energético y las que requieren las mayores inversiones. Por estas

razones, sólo se utilizan cuando los sobrecostes están justificados por las exigencias en losresultados del tratamiento de piezas de especial responsabilidad.

Figura 4.5. Hornos de vacío

Los hornos continuos constan de los mismos elementos básicos que los hornos de

funcionamiento intermitente (una o varias cámaras aisladas, sistemas de calentamiento y

control) junto con un sistema que permite el desplazamiento ininterrumpido de las piezas. Estos

hornos, que se prestan a una automatización relativamente sencilla, resultan especialmente

adecuados cuando se han de tratar grandes volúmenes de piezas en condiciones idénticas ya

que garantizan la obtención de resultados uniformes en la fabricación de series medias o

grandes. Los hornos de funcionamiento continuo se pueden clasificar atendiendo al sistema de

movimiento de las cargas en hornos de solera rotatoria y hornos de cámara recta. Dentro de

este último grupo caben distintas posibilidades para el sistema de movimiento de las cargas

como son, por ejemplo, la utilización de rodillos, cintas de malla, bandas continuas, cadenas


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transportadoras , máquinas empujadoras, vigas galopantes, solera vibratoria o así como

diferentes combinaciones entre los posibles sistemas de desplazamiento (figura 4.6).

Figura 4.6. Horno continuo para tratamiento de perfiles de aluminio y horno de cinta para recocido en

atmósfera controlada de plata en planchas laminadas

Cuando los hornos de tratamiento se clasifican atendiendo al método de calentamiento se

pueden considerar dos grandes grupos: los hornos de llama y los eléctricos.

En el primer grupo se incluyen los hornos de gas , tanto propano, natural como

manufacturado, y los de fuel , hornos que tienen como ventaja fundamental el bajo coste de la

energía si bien su control y ajuste resulta más complejo que el de los hornos eléctricos, su

funcionamiento requiere una intervención humana más importante y su instalación exige contar

con equipos de ventilación adecuados. Los hornos de llama con sistema de calentamiento

directo no son admisibles en ciertos casos como consecuencia de las interacciones entre los

gases de combustión y la superficie de las piezas a tratar. Para salvar este inconveniente se

deben emplear tubos radiantes, sistema que permite un calentamiento indirecto y la utilizaciónde atmósferas controladas. En estos casos, los quemadores se encuentran en el interior de

tubos fabricados con una aleación refractaria o con materiales cerámicos basados en el

carburo de silicio a lo largo de los cuales circulan los gases de combustión. Estos gases se

pueden utilizar para precalentar el aire de combustión antes de ser emitidos a la atmósfera con

lo que se consigue un alto aprovechamiento energético.

Los hornos eléctricos más empleados para el tratamiento térmico de los metales son los

hornos de resistencias. Estos hornos son de calentamiento indirecto ya que el calor se

transmite fundamentalmente por radiación desde una resistencia por la que circula una

corriente eléctrica. Al trabajar de este modo la temperatura de servicio de las resistencias


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deben ser muy superiores a las de tratamiento térmico lo que obliga a emplear aleaciones

refractarias. La elección de las aleaciones para resistencias depende de su temperatura de

trabajo utilizándose aleaciones de base Ni-Cr por debajo de los 1200°C, aleaciones Fe-Cr-Al

hasta los 1400°C y resistencias especiales fabricadas por técnicas de pulvimetalurgia en

molibdeno, tántalo o wolframio que permiten trabajar a temperaturas de 1600, 2400 y 2700°C,

respectivamente. También es posible la utilización de materiales no metálicos como el carburo

de silicio, el bisiliciuro de molibdeno o el grafito. Cuando la atmósfera del horno resulta

perjudicial para la vida de las resistencias, se pueden emplear tubos radiantes que las protejan.

Los hornos de resistencias son menos contaminantes que los de llama, su funcionamiento es

más silencioso, el control del proceso es más preciso pero los costes de inversión y operación

son más elevados. Entre los sistemas de calentamiento que se utilizan en los talleres de

tratamiento y que emplean energía eléctrica hay que incluir también los equipos de inducciónempleados para tratamientos superficiales (figura 4.7) y los hornos de sales con electrodos

sumergidos (figura 4.4).

Figura 4.7. Horno de inducción para calentamiento de redondos de acero. La imagen de la izquierda

muestra el sistema de extracción y la de la derecha la bobina.

Cuando los hornos se clasifican en función de la naturaleza de su atmósfera se pueden

distinguir tres tipos básicos: hornos sin control de la atmósfera, hornos de atmósfera controlada

y hornos de vacío. Las atmósferas de los hornos juegan un papel doble ya que, por un lado,


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evitan que se produzcan reacciones indeseables y, por otro lado, permiten realización de otras

reacciones que pueden ser de interés en ciertos casos como, por ejemplo, en los tratamientos

termoquímicos. Las atmósferas de los hornos están formadas por nitrógeno, oxígeno,

hidrógeno, óxidos de carbono (CO y CO2), vapor de agua y, en ciertos casos, por otros gases

como, por ejemplo, metano. Las atmósferas controladas pueden ser de carácter oxidante,

reductor o neutro. Además, en el caso de las aleaciones férreas, conviene tener presente su

comportamiento carburante o descarburante. En la figura 4.8 se ha representado el diagrama

de equilibrio para las reacciones entre mezclas de óxidos de carbono y la austenita saturada

que ilustra como la composición de la atmósfera determina su carácter. La línea continua

corresponde al equilibrio 2 CO Í CO2 + [C] donde [C] representa el carbono disuelto en la

austenita mientras que la discontinua corresponde al equilibrio Fe + CO2 Í FeO + CO. Por

encima de la línea continua, la austenita se descarbura mientras que por debajo el acero se

enriquece en carbono. A la derecha de la línea discontinua, la segunda reacción está

desplazada en el sentido de la reducción del CO2 y la oxidación del acero con la consecuente

formación de cascarilla mientras que a su derecha se produce la reducción del acero. En

consecuencia, las atmósferas cuyo punto representativo está contenido en la zona 1, son

carburantes y reductoras, las de la zona 2, descarburantes y reductoras mientras que las de la

zona 3 son oxidantes y descarburantes.

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0600

700

800

900

1000

32

1

T e m p e r a t u r a ( ° C )

CO2/CO

Figura 4.8. Diagrama de equilibrio para las reacciones entre la austenita saturada y los óxidos de carbono

Antes de continuar con la descripción de las atmósferas de los hornos, conviene precisar

que las reacciones indeseables entre la atmósfera y la superficie de las piezas que se van a

tratar se pueden evitar cuando se trabaja con hornos sin control de la atmósfera. Esto se

consigue impidiendo su contacto bien por aplicación de pastas protectoras o bien disponiendo

las piezas en un lecho adecuado como puede ser carbón vegetal o virutas de fundición.


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Para formar las atmósferas controladas es necesario contar con instalaciones auxiliares

que se conocen como generadores. En los generadores exotérmicos se quema propano o gas

natural. Tras enfriar los gases de combustión se secan o se hacen pasar por un coabsorbedor

que elimina el CO2 y los secan de forma simultánea. Según el caso, se obtienen mezclas de

CO2, CO, H2 y N2 o de CO, H2 y N2. Una composición típica del gas que se obtiene con el

primer proceso es %CO = 12, %CO2 = 6 y %H2 = 10. El gas rico (%CO = 12, %H2 = 10) y el

gas pobre (%CO = 3, %H2 = 2) son productos que se pueden obtener por medio del segundo

de los procesos citados. En los generadores endotérmicos se produce la disociación de

propano o gas natural en presencia de aire y un catalizador de níquel dentro de un recipiente

que se calienta desde el exterior hasta unos 1000°C, obteniéndose mezclas ricas en nitrógeno

con CO2, CO y H2 (a título de ejemplo, la composición que se obtiene para una relaciónpropano-aire de 7,6 a 1 y una temperatura de trabajo de 1050°C es %CO2 = 0,25, %CO = 23,

%H2 = 30,5). Como mecanismo adicional de control de la atmósfera, es posible introducir

hidrocarburos gaseosos junto con el gas procedente de los generadores en el interior del horno

de tratamiento o instilar líquidos orgánicos como, por ejemplo, metanol, etanol o isopropanol.

Los disociadores de amoníaco permiten obtener mezclas de hidrógeno y nitrógeno en

proporción 3 a 1 que resultan adecuadas para ciertos tratamientos superficiales. Por último, en

ciertos casos, las atmósferas controladas se forman por introducción en el horno de mezclas

sintéticas obtenidas a partir de gases industriales.

Como es fácil comprender, la elección de un horno de tratamiento es un problema complejo

ya que el abanico de opciones es muy amplio. La selección vendrá determinada en cada caso

particular por razones relacionadas tanto con la cantidad de metal a tratar, la diversidad de

tratamientos a utilizar como con factores locales asociados a la disponibilidad y a los costes de

las diferentes fuentes de energía.

4.2 Velocidad de calentamiento

Una velocidad de calentamiento elevada puede resultar interesante desde el punto de vista

de la productividad pero este modo de proceder puede ser causa de múltiples problemas. Esto

es así porque cuanto más rápido sea el calentamiento, más importantes son las diferencias de

temperatura entre distintos puntos de la pieza a tratar y, en consecuencia, mayores resultan las

tensiones de origen térmico con el consiguiente aumento en el riesgo de deformación o rotura

de las piezas. Además, en el caso de que el tratamiento requiera superar alguna temperatura

crítica, las tensiones asociadas al cambio de fase no simultáneo en toda la pieza crecen si la

velocidad de calentamiento aumenta.


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La figura 4-9 muestra la magnitud de estas diferencias en el calentamiento hasta 850°C de

una pieza grande. Obsérvese como la diferencia de temperatura entre la periferia y el núcleo

de la pieza, separados unos 25 cm, crece inicialmente hasta alcanzar valores superiores a los

100°C muy poco tiempo después de haber encendido el horno. En estas condiciones, la

periferia no puede expandirse libremente y queda sometida a esfuerzos de compresión y el

núcleo a esfuerzos de tracción. Cuando la periferia de la pieza alcanza la temperatura crítica

Ac1, que en este caso es de 730°C, comienza la formación de austenita a partir de la perlita

presente en esta zona con la consiguiente disminución de volumen. Al cabo de unas 7 horas, la

descomposición de la perlita en la periferia ha finalizado mientras que en el núcleo no ha

comenzado de modo que esta zona relativamente rígida impide la libre contracción de la

periferia. En el momento que se considera, que es especialmente peligroso, la periferia de la

pieza, que es relativamente plástica por la presencia de la austenita, queda sometida aesfuerzos de tracción mientras que el núcleo, que es relativamente rígido por la presencia de la

perlita, está sometido a esfuerzos de compresión.

0 5 10 150

200

400

600

800

1000

Núcleo

Periferia

Horno


Tiempo (horas)

Figura 4-9. Curva de calentamiento de un redondo de acero al carbono con un diámetro de 500 mm en un

horno que se encuentra inicialmente a temperatura ambiente.

Es obvio que para minimizar los efectos perniciosos asociados a las tensiones debidas a

las diferencias de temperatura entre distintos puntos de la pieza a tratar que se desarrollan en

el calentamiento, hay que procurar la distribución de temperaturas sea lo más homogénea

posible en todo momento. Se suele admitir que la velocidad de calentamiento es adecuada si la

diferencia de temperaturas entre puntos separados por una pulgada (2,54 cm) es siempre

inferior a 20°C. Si este criterio se aplica al caso de la figura 4-9 se puede comprobar que la

diferencia de temperaturas entre periferia y núcleo alcanza su valor máximo de 180°C al cabo

de 3,5 horas. Como el gradiente de temperatura promedio es en ese momento de

18°C/pulgada, el proceso de calentamiento del ejemplo resulta aceptable.


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Al contrario de lo que sucede para el ejemplo que se está considerado, en la mayoría de

las ocasiones no se conoce como varía durante el calentamiento la distribución de

temperaturas en el interior de la pieza que se está tratando de modo que el criterio que se ha

indicado en el párrafo previo resulta inaplicable. La experiencia demuestra que la pauta anterior

es equivalente a que la duración en horas del calentamiento correcto de un redondo desde

temperatura ambiente hasta 850°C resulta de multiplicar el diámetro en pulgadas del mismo

por un número comprendido entre 0,5 y 1. Cuando este método se aplica al redondo de la

figura 4-9 que tiene un diámetro de 20 pulgadas, se concluye que el tiempo de calentamiento

debe estar entre 10 y 20 horas. Evidentemente, la duración del calentamiento debe

aproximarse al mayor de los valores que resultan de aplicar este procedimiento siempre que

sea posible.

El método para determinar la duración del calentamiento que se acaba de describir es

directamente aplicable a redondos. Si la geometría de la pieza a tratar no es cilíndrica, ésta se

puede sustituir por un redondo con la misma relación volumen/superficie a efectos de cálculo

de la duración del calentamiento, aproximación que funciona tanto mejor cuanto menores son

las diferencias entre las distintas secciones de la pieza.

Nótese que el tamaño de la pieza es una variable fundamental a la hora de considerar la

importancia del efecto que se discute ya que, a igualdad de condiciones de calentamiento,

cuanto mayor sea la pieza, más elevados resultan los gradientes de temperatura que se

desarrollan. Por esta razón, no es recomendable introducir piezas grandes frías en hornos que

se encuentran a temperaturas elevadas.

Otra característica que juega un papel importante es el tipo de acero a tratar ya que las

diferencias entre las propiedades térmicas de los distintos grados de aceros son significativas.

Así, según se puede comprobar en la figura 4.10, la conductividad térmica de los aceros no

aleados cae suavemente al aumentar su contenido en carbono. Además, la misma figura

muestra que existen diferencias importantes entre la conductividad térmica de los aceros al

carbono a temperatura ambiente, que es del orden de los 1000 W/m.K, y la de los aceros

fuertemente aleados como, por ejemplo, la de un acero inoxidable austenítico del tipo

X6CrNi19-10 (%C < 0,08; %Cr = 18,00-20,00; %Ni = 8,00-10,50) que es de unos 20 W/m.K..

Esto quiere decir que las diferencias de temperatura entre distintos puntos de una pieza de

acero inoxidable austenítico son mayores que las que se observan en una pieza de acero al

carbono calentada en idénticas condiciones. Además, las tensiones que se desarrollan como

consecuencia de la aparición de un determinado gradiente de temperatura en un acero

inoxidable austenítico son mayores que las que aparecen en un acero al carbono. Para justificar la afirmación anterior basta con tener presente que el coeficiente de expansión térmica


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para los aceros al carbono es de 12.10-6

K-1

mientras que para aceros inoxidables austeníticos

puede tomar valores de 20.10-6

K-1

. Todas estas razones hacen que el calentamiento de los

aceros de alta aleación en general deba ser más lento que el de los aceros no aleados.

100 200 300 400 5000

20

40

60

80

100

λ

( W / m . °

C )

Temperatura (°C)

Figura 4.10. Variación con la temperatura de la conductividad térmica, λ, de un hierro electrolítico (


19/21



0 60 120 180 2400

200

400

600

800

1000

321


Tiempo (min)

0 5 10 15 20 25 300

200

400

600

800

1000

321

T e m

p e r a t u r a ( ° C )

Tiempo (min)

Figura 4.11. Curvas tiempo-temperatura para el calentamiento de barras de acero al carbono de 25x100

mm (1), de 50x175 mm (2) y de 100x200 mm (3) que se introdujeron en un horno de mufla (figura

superior) y en un horno de sales (figura inferior) a 1000°C

Además de la heterogeneidad de la distribución de temperaturas, los cambios de fase que

no son simultáneos en distintos puntos de la pieza dan lugar a la aparición de tensiones. Como

norma general, si se respetan los tiempos de calentamiento calculados según el método

anterior, no debería de haber problemas relacionados con estas tensiones. En cualquier caso,

cuando se trabaja con aceros de alta aleación, sus efectos se pueden minimizar trabajando con

dos hornos según se muestra en la figura 4-12. En el primero de los hornos, que actúa como

horno de precalentamiento, se alcanza una temperatura homogénea inferior a la crítica y,

posteriormente, se pasa la pieza al segundo que se encuentra a la temperatura de tratamiento.


20/21



0 1 2 3 4 5 6

0

40 0

80 0

1200


Tiempo (horas)

Figura 4-12. Curva de calentamiento para el temple de un cilindro de 103 mm de diámetro fabricado en un

acero indeformable del tipo D2 (%C = 1,4-1,6; %Mn = 0,20-0,40; %Si = 0,10-0,40; %Cr = 11,50-12,50;

%Mo = 0,70-0,90; %V = 0,20-1). Los valores marcados se han medido en el centro del redondo.

La discusión anterior demuestra que la etapa de calentamiento en los tratamientos térmicos

es compleja de modo que la determinación precisa de las condiciones en las que se debe

calentar una pieza sólo puede realizarse de forma empírica.


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EJERCICIOS

1. Según la información del catálogo de un fabricante, un horno de mufla para laboratorio con

una cámara de 2 l de capacidad permite llegar desde temperatura ambiente hasta 1200°C

en una hora. Estime la potencia del horno suponiendo que el nivel de ocupación de la

cámara no pasa del 50% y que el rendimiento es de 0,5.

DATOS:

Densidad = 5 g/cm3, calor específico = 6,5 cal/mol.K, peso atómico = 60 g/mol

2. Una plancha metálica con un espesor de 30 mm que se encuentra a temperatura ambiente

se introduce en un horno de sales de 1000°C. Si el metal no sufre cambios de fase y seadmite en primera aproximación que sus propiedades no cambian significativamente con la

temperatura, la variación de esta magnitud, que se puede determinar por los métodos que

se estudian en la asignatura “Termotecnia”, viene dada por las curvas de la figura.

Las tensiones de origen térmico que se desarrollan en cada punto resultan proporcionales

a la diferencia entre su temperatura y la media de la placa siendo la constante de

proporcionalidad E.λ/(1- ν) donde E es el módulo de Young, λ es el coeficiente deexpansión térmica y ν el módulo de Poisson.

• ¿En qué zonas de la pieza es mayor el riesgo de deformación o agrietamiento?.

• ¿Cuál es el momento más peligroso?.

• Estime el gradiente de temperaturas al cabo de 0,5 y de 5 s.

• ¿Qué valores pueden llegar a alcanzar las tensiones que se desarrollan?.

• ¿Cómo varían los resultados anteriores con el espesor de la placa?.

DATOS:

E = 210 GPa, λ = 12.10-6

K-1

, ν = 0,3, k = 50 W/(m.K), ρ = 5000 kg/m3, cp = 0,5 kJ/(kg.K)

0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,50, 0

0, 2

0, 4

0, 6

0, 8

1, 0

Fo = 0,3

Fo = 0,1

Fo = 0,03

Fo = 0.01

( T S - T ) / ( T

S - T 0

)

x/ L

metalotecnia - tratamientos térmicos. generalidades

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