Visión general de los procesos de tratamiento térmico: De los metales a los moldes de plástico

Los distintos materiales desempeñan diferentes funciones en el sector de la ingeniería y, por tanto, requieren procesos de propiedades para satisfacer las necesidades necesarias. Los ingenieros aplican distintas técnicas para adquirir las propiedades necesarias durante el proceso de fabricación. Uno de los procesos ampliamente aplicables es el tratamiento térmico.

La función del tratamiento térmico en la fabricación de ingeniería es cambiar las propiedades mecánicas y químicas de la pieza antes de introducirla en el proceso de transformación o montaje de la pieza. Mediante este proceso, el componente resultante se vuelve más útil y servible y es seguro para su uso en el taller.

En ingeniería de fabricación y ciencia de los materiales, el tratamiento térmico consiste en calentar un material a una temperatura determinada, mantenerlo a esa temperatura durante cierto tiempo y, a continuación, enfriarlo siguiendo un patrón determinado. Cambia la microestructura de los materiales, consiguiendo propiedades mecánicas como resistencia al desgaste, tenacidad y dureza.

El tratamiento térmico no sólo se aplica a los metales, sino que también es necesario para fabricar moldes para troqueles o plásticos. Por ejemplo, garantiza que los moldes utilizados en fundición a presión son dimensionalmente estables, resistentes a la deformación y al agrietamiento.

Las industrias manufacturera, aeroespacial, de la construcción y del automóvil son algunos de los sectores que utilizan constantemente el tratamiento térmico para mejorar sus productos. Suelen tratar térmicamente los metales mediante técnicas de recocido, temple y revenido.

Procesos de tratamiento térmico de metales

Los tres procesos de tratamiento térmico de los metales son el recocido, el temple y el revenido.

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El recocido es un proceso de tratamiento térmico aplicable cuyo objetivo es devolver a un componente su estado físico. La ductilidad es muy importante en la fabricación de distintos componentes de ingeniería, como las chapas metálicas, que garantizan un laminado más fácil en láminas más finas. Sin embargo, a veces, estos metales se endurecen. En algunos casos, durante el mecanizado y el trabajo en frío de los ejes metálicos o durante la fundición, los materiales acumulan tensiones internas, lo que puede provocar su fragilidad. La función del recocido es reducir los niveles de dureza y aliviar las posibles tensiones en dichos materiales.

Durante el recocido, los técnicos elevan la temperatura del metal justo por encima de la temperatura de recristalización. Sin embargo, la temperatura de recocido debe ser inferior a la temperatura de fusión de los materiales. Las altas temperaturas proporcionan energía suficiente para la migración de átomos dentro de la microestructura metálica.

La alta energía también conduce a la formación de más granos. El proceso da lugar a la rectificación de dislocaciones. Además, el proceso alivia las tensiones internas del metal. Al enfriarse, el metal recupera su ductilidad para facilitar su mecanización.

Etapas del proceso de recocido

1. Calefacción: El calentamiento del metal se produce a temperaturas de recristalización, que varían en función del tipo de metal. Por ejemplo, la temperatura de recristalización del acero es de 500-700 °C.⁰C. Este calentamiento conduce a una temperatura uniforme en los materiales, lo que provoca la reordenación de la microestructura.

2. Tiempo de remojo/retención: Una vez que el metal alcanza la temperatura de recristalización, los técnicos lo mantienen a esa temperatura durante un tiempo, denominado tiempo de remojo. En este tiempo se produce la recristalización, que da lugar a nuevos granos en la microestructura del metal. En consecuencia, el proceso conduce al ablandamiento del metal. La composición y el grosor del material determinan el tiempo de remojo. La duración puede ser desde unos minutos hasta varias horas.

3. Refrigeración: El periodo de enfriamiento del metal en remojo. Los técnicos se aseguran de que el enfriamiento sea lento en el entorno controlado, ya sea en el aire o en el horno. Mediante un enfriamiento lento, los técnicos evitan la formación de tensiones y fases indeseables en la microestructura del metal. Un enfriamiento rápido del material puede endurecer el metal.

Metales comunes

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A diferencia del recocido, cuyo objetivo es eliminar la dureza del metal, el temple busca conseguir dureza y resistencia del metal. En el temple, los técnicos calientan el metal a una temperatura determinada y lo enfrían rápidamente a temperatura ambiente o inferior. El rápido proceso de enfriamiento provoca un reajuste estructural y atómico en la estructura del metal. Esta transformación es martensítica, y el material resultante es duro.

Los ingenieros pueden lograr el temple mediante agua, aceite, aire y fluidos especializados. El método a utilizar depende de los resultados del metal sometido a temple.

Etapas del proceso de enfriamiento del metal

1. Preparación del metal: Basándose en las propiedades del material, los técnicos seleccionan el tipo de metal para el temple. A continuación, se limpia el metal para eliminar la suciedad o los residuos, que pueden interferir en el proceso de temple.

2. Calentamiento del metal: El metal se calienta a temperaturas críticas en un horno de tratamiento térmico. A temperaturas críticas, los metales se vuelven no magnéticos. El calentamiento es uniforme para garantizar que la dureza resultante sea uniforme.

3. Selección del medio de enfriamiento: Existe una amplia gama de medios de temple. La selección de determinados medios depende de los materiales y de la finalidad de los productos resultantes. Por ejemplo, los técnicos seleccionan el agua como medio de temple si el material es acero al carbono.

4. Enfriamiento de metales: Bajar con cuidado el metal caliente al medio de enfriamiento. Los técnicos utilizan cubas de temple para lograr uniformidad, y la inmersión total del metal conduce a un enfriamiento uniforme. 

5. Control de la tasa de enfriamiento: La velocidad de enfriamiento afecta significativamente a las propiedades del producto final. Utilice velocidades de enfriamiento más rápidas para conseguir una mayor dureza, mientras que las velocidades de enfriamiento más lentas dan lugar a materiales más blandos.

Selección de medios de refrigeración

Los distintos medios de enfriamiento tienen diferentes aplicaciones en el proceso de enfriamiento. Por ejemplo, el uso de agua puede dar lugar a una velocidad de enfriamiento muy rápida. Con su alta capacidad de enfriamiento, el agua alcanza la dureza en el menor tiempo posible. En la mayoría de los casos, los ingenieros utilizan el temple con agua para formar acero martensítico. Sin embargo, las altas velocidades de enfriamiento a veces pueden deformar y agrietar el acero. Las aplicaciones del temple al agua incluyen los aceros al carbono y aleados que requieren una gran dureza para las herramientas de corte.

El temple en aceite es aplicable para velocidades de enfriamiento moderadas. Los metales se enfrían moderadamente despacio cuando se templan en aceite para evitar el alabeo y el agrietamiento. Los ingenieros utilizan el temple aceite para lograr un equilibrio entre dureza y tenacidad. Sin embargo, el temple aceite es arriesgado porque es inflamable. Además, los aceites son difíciles de manejar. El producto resultante puede carecer de la máxima dureza.

El enfriamiento al aire es esencial para una velocidad de enfriamiento lenta. La velocidad de enfriamiento gradual es vital para las aleaciones que pueden deformarse y agrietarse con un enfriamiento más rápido. Sin embargo, el temple al aire puede no conducir a la máxima dureza.

ATEMPERAR

El revenido suele seguir al temple para reducir la fragilidad del metal y restaurar su ductilidad. Durante el revenido, los técnicos recalientan el metal del proceso de temple hasta ciertos niveles y lo mantienen por debajo del punto crítico (normalmente 150-700C) durante algún tiempo. A continuación, se enfría al aire hasta alcanzar la temperatura ambiente.

Pasos

1. Calefacción: Calentar el metal a una temperatura de revenido, que se encuentra entre la temperatura ambiente y las temperaturas críticas. Controle la velocidad de calentamiento. Un calentamiento demasiado rápido puede provocar grietas. Cada metal tiene una temperatura de revenido diferente. El calentamiento ayuda a liberar la tensión del proceso de enfriamiento manteniendo la dureza.

2. Tiempo de espera: Mantener el metal a la temperatura de revenido. El tiempo de mantenimiento oscila entre 30 minutos y horas, dependiendo del uso del producto resultante y del grosor de los materiales. Este tiempo de mantenimiento produce un ablandamiento que reduce los niveles de fragilidad y mantiene la dureza de los materiales.

3. Refrigeración: Una vez transcurrido el tiempo de mantenimiento, enfríe el metal con aire. El aire garantiza una velocidad de enfriamiento lenta, lo que ayuda a evitar la formación de nuevas tensiones.

Métodos de tratamiento térmico para moldes de plástico y fundición a presión

La durabilidad y el rendimiento de los moldes de fundición dependen de la selección de los materiales. Los ingenieros de moldes son responsables de seleccionar los materiales teniendo en cuenta las funciones y la estructura. Para cumplir las funciones y la estructura adecuadas, los materiales de los moldes de fundición se someten a tratamiento térmico y refuerzo superficial para garantizar su durabilidad y calidad.

El tratamiento térmico de los moldes de fundición a presión implica cuatro pasos clave.

Precalentamiento y postcalentamiento

Este paso es esencial en el tratamiento térmico, ya que ayuda al molde a resistir los choques térmicos. Durante las operaciones, los moldes de fundición a presión experimentan choques térmicos por cambios rápidos que pueden provocar grietas y deformaciones. Durante el precalentamiento, los ingenieros de moldes calientan los moldes a temperaturas de funcionamiento antes de que comience el moldeo. Este proceso evita fallos prematuros. El precalentamiento también prolonga la vida útil del molde y garantiza la estabilidad dimensional durante las operaciones de moldeo.

Tras el proceso de moldeo, los ingenieros de moldes se someten a un poscalentamiento en condiciones de refrigeración controladas. El proceso reduce la formación de tensiones internas que pueden provocar alabeos.

Aliviar el estrés

Este proceso es fundamental en los moldes de fundición a presión. Es similar al recocido en metales, pero en este caso se produce a temperaturas relativamente más bajas. Además, en los moldes de fundición a presión, el alivio de tensiones tiene como objetivo relajar la tensión acumulada en lugar de ablandar los materiales del molde.

Nitruración para la dureza del molde

Este proceso ayuda a endurecer la superficie del acero del molde sin afectar a la superficie interna de los materiales del molde. La nitruración mejora la resistencia al desgaste y aumenta la vida útil del molde.

La nitruración consiste en calentar el molde en un entorno rico en nitrógeno. En este proceso, el nitrógeno se difunde a la superficie del acero para crear una superficie de nitruro duro.

El objetivo del proceso es similar al temple. Sin embargo, las temperaturas de nitruración son de 500-550C, relativamente más bajas que la temperatura de temple. Mientras que el temple requiere un tiempo lento, la nitruración requiere un tiempo relativamente más largo, varias horas.

Sin embargo, la capa de nitruro resultante es excelente y no requiere tratamiento posterior.

Tratamiento térmico al vacío

Este proceso se realiza al vacío para evitar la oxidación y la contaminación de la superficie del molde. La oxidación puede provocar un mal acabado superficial y debilitar el molde. El tratamiento térmico al vacío es similar a otros tratamientos térmicos de metales, incluido el recocido. La diferencia es que se produce en el vacío. Es caro pero útil en moldes de precisión de los sectores de dispositivos médicos y aeroespacial.

Comparación entre el tratamiento térmico de metales y el tratamiento térmico de moldes

Conclusión

La función del tratamiento térmico en la fabricación de ingeniería es cambiar las propiedades mecánicas y químicas de la pieza antes de introducirla en el proceso de transformación o montaje de la pieza. Mediante este proceso, el componente resultante se vuelve más útil y servible y es seguro para su uso en el taller. Los tres procesos de tratamiento térmico de los metales son el recocido, el temple y el revenido.

A diferencia del recocido, cuyo objetivo es eliminar la dureza del metal, el temple busca conseguir la dureza y resistencia del metal. Los distintos medios de temple tienen diferentes aplicaciones en el proceso de temple. Por ejemplo, el uso de agua puede dar lugar a una velocidad de enfriamiento muy rápida. El temple con aceite es aplicable para velocidades de enfriamiento moderadas. Los metales se enfrían moderadamente despacio cuando se templan con aceite para evitar alabeos y grietas. El temple suele seguir al enfriamiento rápido para reducir la fragilidad del metal y restaurar su ductilidad.

El tratamiento térmico de los moldes de fundición a presión implica cuatro pasos clave: precalentamiento y postcalentamiento, alivio de tensiones, nitruración para la dureza del molde y tratamiento térmico al vacío. Durante el precalentamiento, los ingenieros de moldes calientan los moldes a temperaturas operativas antes de que comience el moldeo. Tras el proceso de moldeo, los ingenieros de moldes llevan a cabo el postcalentamiento en condiciones de enfriamiento controladas. Este proceso reduce la formación de tensiones internas que pueden provocar alabeos.

Este proceso ayuda a endurecer la superficie del acero del molde sin afectar a la superficie interna de los materiales del molde. El tratamiento térmico al vacío es similar a otros tratamientos térmicos de metales, incluido el recocido. La diferencia es que se produce en el vacío. Es caro, pero útil en moldes de precisión de los sectores de dispositivos médicos y aeroespacial.