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8/17/2019 Metalotecnia - Tratamientos Térmicos. Generalidades
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Tratamientos térmicos Fecha:03/12/01 Página 1 de 21
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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
T e m p e r a t u r a ( ° C )
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 (
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0 60 120 180 2400
200
400
600
800
1000
321
T e m p e r a t u r a ( ° C )
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.
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0 1 2 3 4 5 6
0
40 0
80 0
1200
T e m p e r a t u r a ( ° C )
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