El tratamiento térmico es un proceso térmico controlado que consiste en ciclos de calentamiento, mantenimiento y enfriamiento para modificar la microestructura y las propiedades mecánicas de los materiales metálicos. En los componentes de pulvimetalurgia (PM), el tratamiento térmico se aplica para mejorar la dureza, la resistencia a la tracción y la resistencia al desgaste mediante el refinamiento de la estructura del grano y la promoción de las transformaciones de fase.
Contenido
Beneficios del tratamiento térmico para piezas de pulvimetalurgia
Mayor dureza superficial y resistencia al desgaste
Cuando se aplican tratamientos térmicos específicos a la piezas de pulvimetalurgiaMejoran la dureza superficial y la resistencia al desgaste de los componentes. Por ejemplo, al carburar los componentes metálicos en una atmósfera rica en carbono, se incorpora carbono a su microestructura.
Tras el temple, la estructura de enriquecimiento de carbono se transforma en martensita dura. Tras este tratamiento térmico, la dureza superficial del componente sinterizado se sitúa entre HRC 58 y 65, lo que lo hace tenaz y resistente a atmósferas abrasivas.
Mayor resistencia y vida útil a la fatiga
La resistencia a la tracción y la vida útil por fatiga se pueden mejorar mediante un tratamiento térmico controlado en piezas de metalurgia de polvos, como temple seguido de revenido.
El tratamiento térmico puede mejorar significativamente la resistencia a la tracción y a la fatiga de los aceros pulvimetalúrgicos. Un estudio sobre el tratamiento térmico de PM en acero para herramientas de trabajo en frío reveló que añadir un paso de -80 °C bajo cero entre el temple y el revenido de la distribución de carburo refinado aumentó la resistencia a la tracción en aproximadamente un 10 % y la resistencia a la fatiga por entalla en aproximadamente un 25 %. Estos resultados resaltan la importancia del tratamiento térmico avanzado para mejorar estas propiedades críticas de las piezas de PM sometidas a cargas cíclicas.
Ajuste de la tenacidad
Se aplican algunos tratamientos térmicos a los componentes metálicos para endurecer su superficie y mantener el núcleo interno blando, como el temple por inducción. El núcleo tenaz aumenta su vida útil al hacerlos resistentes al desgaste, a la vez que les permite soportar cargas elevadas sin agrietarse. Entre sus aplicaciones típicas se incluyen engranajes de bombas de aceite y piñones de distribución.
Relajante para el estrés
El recocido a baja temperatura se utiliza comúnmente para aliviar las tensiones residuales en componentes de pulvimetalurgia, que pueden formarse durante la compactación, la sinterización o el mecanizado. Este tratamiento estabiliza la microestructura, minimiza el riesgo de distorsión y mejora la precisión dimensional.
Métodos de tratamiento térmico para piezas de pulvimetalurgia
Temple
El temple es un tratamiento en el que los componentes de metal en polvo se calientan a una temperatura de austenización (a menudo de 800 a 950 °C para aceros) y luego se enfrían rápidamente con un medio de temple como aceite, agua o gas. El enfriamiento repentino suprime la formación de fases más blandas, como la perlita o la bainita, transformando la austenita en martensita y, por lo tanto, aumentando la dureza, la resistencia mecánica y la resistencia al desgaste del material.
Como resultado, la resistencia y la resistencia al desgaste de los componentes aumentan. Si bien el proceso mejora la resistencia y la dureza de la pieza metálica, el enfriamiento rápido genera tensión, lo que aumenta la fragilidad o reduce la tenacidad. Por ello, el temple se realiza después del revenido para restaurar la tenacidad. El temple se aplica a engranajes, herramientas de corte y herramientas de maquinaria, donde la dureza y la resistencia al desgaste son fundamentales.
Temperamento
El revenido se realiza principalmente en componentes sometidos a temple, donde la dureza y la resistencia aumentan, pero la tenacidad disminuye, lo que aumenta la fragilidad del componente. El revenido mantiene un equilibrio entre tenacidad y ductilidad.
En el revenido, los componentes se calientan primero por debajo de su temperatura crítica durante un tiempo determinado. La temperatura de revenido depende de la composición de elementos como...
- Los aceros para herramientas se templan a unos 200-300 °C.
- Aceros para muelles a 300-400°C y
- Aceros estructurales a 450-650°C
Tras un período de reposo específico, estos componentes se enfrían a una velocidad controlada según las propiedades mecánicas requeridas. Este proceso aumenta la ductilidad y la flexibilidad, a la vez que reduce la fragilidad, garantizando así que la pieza pueda soportar impactos y cargas cíclicas sin fallas.
Recocido
El recocido es un proceso de tratamiento térmico aplicado a componentes de pulvimetalurgia para mejorar la maquinabilidad y aliviar las tensiones generadas durante la compactación y la sinterización. A diferencia del temple, que aumenta la dureza, el recocido produce una microestructura más blanda y dúctil.
En el caso de los aceros pulvimetalúrgicos, los parámetros de recocido, como el rango de temperatura, el tiempo de mantenimiento y el método de enfriamiento, varían según el tipo de material. Por ejemplo, en el caso de aceros de baja aleación, cuando se requiere recocido, este se realiza habitualmente a una temperatura de 830–870 °C, seguido de un enfriamiento en horno a aproximadamente 450 °C a una velocidad de 10–15 °C por hora, antes del enfriamiento al aire. Este enfriamiento gradual transforma la microestructura, reduciendo la dureza y mejorando la estabilidad dimensional y la ductilidad.
El recocido se utiliza comúnmente para bujes, manguitos de cojinetes y componentes estructurales donde la estabilidad y la tenacidad se priorizan por sobre la dureza máxima.
Endurecimiento por induccion
El endurecimiento por inducción es un método de tratamiento térmico superficial en el que los componentes de pulvimetalurgia se calientan rápidamente mediante inducción electromagnética, típicamente entre 800 y 950 °C para aceros. El proceso utiliza una corriente alterna de alta frecuencia que pasa a través de una bobina de cobre.
Esta corriente genera corrientes parásitas en la superficie del componente y la calienta a una temperatura superior a la de austenitización. Tras alcanzar la temperatura deseada, el componente se templa inmediatamente, transformando la capa calentada en una capa martensítica dura, manteniendo el núcleo tenaz y dúctil.
Endurecimiento de la caja
El endurecimiento superficial incluye diferentes procesos de calentamiento que endurecen los componentes metálicos desde la superficie manteniendo su núcleo dúctil y tenaz.
Carburación
En la carburación, los componentes metálicos se someten a una atmósfera rica en carbono en un horno a 850 °C y 950 °C. La fuente de carbono suele ser metano o monóxido de carbono, que se difunde en la capa superficial del componente. Esto modifica la microestructura superficial y, tras el temple, produce una capa martensítica dura que aumenta considerablemente la resistencia al desgaste y la dureza superficial.
Nitruración
En la nitruración, los componentes se introducen en un entorno rico en nitrógeno, ya sea mediante un horno con amoníaco o en una unidad de nitruración por plasma. En este caso, la temperatura de los hornos se mantiene inferior a la de la carburación, entre 500 °C y 600 °C, lo que da lugar a la formación de nitruros. Como resultado, el nitrógeno se combina con elementos de aleación para formar nitruros duros, mejorando la dureza superficial, la resistencia a la fatiga y la resistencia a la corrosión. La nitruración se realiza habitualmente en componentes sometidos a altas tensiones, como cigüeñales y árboles de levas.
Carbonitruración
La carbonitruración es también un proceso de endurecimiento superficial en el que los componentes se someten simultáneamente a una atmósfera que contiene carbono y nitrógeno. Los gases de hidrocarburos proporcionan la fuente de carbono, mientras que el amoníaco aporta nitrógeno. La temperatura del horno se mantiene por debajo de la temperatura de transformación del material; por ejemplo, en el caso del acero, se mantiene entre 820 y 900 °C.
Esto da lugar a la formación de componentes duros, como el nitruro de hierro y el carburo, responsables del aumento de la dureza superficial, la resistencia al desgaste y la fatiga. Tras la carbonitruración, los componentes suelen someterse a un temple para fijar la microestructura endurecida, seguido de un revenido para reducir la fragilidad y lograr el equilibrio deseado entre dureza y tenacidad.
Endurecimiento por sinterización
El endurecimiento por sinterización es el tratamiento térmico de componentes de metal en polvo, donde estos se sinterizan y endurecen mediante el mismo proceso. En este proceso, los componentes se calientan primero a una temperatura elevada para su sinterización y luego se someten a un enfriamiento acelerado.
Este enfriamiento acelerado convierte la microestructura directamente en martensita o en una mezcla martensítico-bainítica, eliminando la necesidad de un enfriamiento por separado. Como resultado, este proceso reduce el tiempo de producción, los costos de manipulación y minimiza la distorsión. Este tratamiento térmico se aplica a engranajes, ruedas dentadas y componentes estructurales que requieren alta resistencia al desgaste y resistencia directamente después de la sinterización.
Tratamiento de envejecimiento
El tratamiento de envejecimiento es un proceso de tratamiento térmico, también conocido como endurecimiento por precipitación, en el que las partículas metálicas finas precipitan dentro de la microestructura del material. Estos precipitados finamente dispersos actúan como barreras al movimiento de dislocación, mejorando significativamente la dureza y la resistencia. Este proceso permite que el material resista la deformación a altas temperaturas, lo que lo hace térmicamente estable.
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