Nociones de Metalografía. Tratamientos térmico y termoquímicos.

Introducción.

Para el diseño y fabricación de los elementos que componen las máquinas en la industria es de vital importancia conocer la estructura interna, características (tenacidad, resistencia, flexibilidad, etc) de cualquier metal o aleación.

La metalografía es la ciencia que estudia las características micro-estructurales o constructivas de un metal o aleación relacionándolas con las propiedades físicas, químicas y mecánicas.    

Metales y no metales. Enlaces.

Los elementos que tienen tendencia a captar electrones, se denominan "no metales" denominándose también negativos, porque pueden adquirir electrones (cargas negativas).

En cambio, los elementos que tienen tendencia a ceder electrones se denominan "metales" denominándose positivos, porque fácilmente pueden ceder electrones.

La manera en la que se unen los átomos entre sí, se denomina enlace, dependiendo de la resistencia y dureza del cuerpo, existen los siguientes tipos de enlace:

• Enlace iónico: es aquel enlace en el que un elemento cede un electrón y otro elemento lo capta, de tal forma que al quedar un átomo positivo y otro negativo, se produce una atracción entre ambos debido a las fuerzas eléctricas. Ejemplo de enlace iónico el cloruro de sodio (ClNa).
• Enlace covalente: tiene lugar cuando se unen químicamente elementos no metálicos. En este caso no hay transferencia completa de electrones de uno a otro, sino una compatición de estos entre átomos. Ejemplo de enlace covalente sería las moléculas diatómicas (oxigeno "O2", cloro "Cl2", dihidrógeno "H2"). 
• Enlace metálico: Para lo que nos atañe, es el enlace más importante. Es un enlace en que los electrones de valencia no están limitados a pares de átomos, sino que se extiende a todos los átomos constitutivos del metal, o lo que es lo mismo, los electrones son comunes a todos los átomos, formando lo que se conoce como nube electrónica. Esta distribución de los electrones de valencia, susceptibles de moverse, permite una explicación de alunas propiedades de los metales, como es la conductividad eléctrica, térmica, su brillo, etc.    

Estado cristalino.

En algunos cuerpos el paso de estado líquido a sólido se hace de forma brusca o de forma lenta en unas determinadas condiciones de temperatura y presión, de forma que aparece el llamado estado cristalino.

El estado cristalino es aquel en que los átomos, iones, moléculas o conjunto de moléculas, se unen ocupando posiciones geométricas en el espacio. Cada sustancia tiene su posición geométrica diferente, llamada cristal o red cristalina.

Las redes cristalinas que se conocen son catorce y son:

Los metales aunque exteriormente no tengan una forma geométrica definida, poseen una distribución altamente organizada de sus átomos, a lo que deben gran parte de sus características. En los metales se pueden distinguir tres niveles de ordenación:

• Cristalina: Disposición de los átomos en redes cristalinas. Solo es posible estudiarla por difracción de rayos X.
• Granular o micrográfica: Tamaño de los granos entre 0,02 a 0,2 mm. Son observables con microscopio metalográfico.
• Macrográfica: Constituida por la dirección de las fibras del metal. Observable a simple vista o con lupa. 

Cuando una sustancia puede presentar dos o más formas cristalinas, se dice que es una sustancia polimorfa. Si esta polimorfia es referida a un elemento químico simple, entonces recibe el nombre de alotropía.

Cristalización de metales y aleaciones.

La cristalización de los metales y sus aleaciones se realiza mediante el proceso de la solidificación. En los metales puros la solidificación se hace a una temperatura constante, representado por la curva "abcd".

El tramos "ab" representa el enfriamiento del metal en estado liquido, en el punto "b" comienza la solidificación que termina en el punto "c", de tal forma que de "b" a "c" la temperatura (Tº) se mantiene constante (este tramo se denomina rellano de solidificación), y depende del gradiente térmico entre el metal y el medio de enfriamiento empleado. Por último el tramo "cd" representa el enfriamiento del metal dentro ya del estado sólido.

Sin embargo, la verdadera curva de solidificación es la representada en el segundo caso. Se produce un fenómeno denominado subfusión o sobrefusión que mantiene la masa líquida por debajo de la temperatura del punto de fusión (Ts). La curva anterior (Solidificación de un metal puro) es la curva ideal, que se correspondería con unas condiciones de equilibrio absoluto.

El proceso de solidificación se origina con la formación de núcleos en la masa liquida y su posterior crecimiento. Este proceso de cristalización se encuentra regulado por dos factores llamados: velocidad de nucleación "Vn" (cantidad de cristales que se forman en un determinado tiempo) y por velocidad de crecimiento"Vc" (aumento de longitud por unidad de tiempo).

Disolvente y soluto.

Dos o más elementos son solubles cuando pueden formar parte del mismo edificio cristalino en estado sólido. Se denomina disolvente al elemento que entra en mayor proporción y soluto al elemento que entra en menor proporción. En el caso de que los elementos solubles no tengan la misma red cristalina, se consideran como disolvente el que conserva su red, aunque esté en menor proporción.  

Constituyentes de las aleaciones Hierro-Carbono.

Cualquier aleación que se observe por el microscopio, puede observarse en ella que no es totalmente homogénea, sino que está formada por distintos constituyentes, o sea, distintas composiciones de los elementos que forman la aleación.

En las aleaciones hierro-carbono se pueden encontrar hasta 11 constituyentes, aunque las más importante son:

• Ferrita: Es hierro alfa puro, con una solubilidad máxima de carbono del 0,02% a 720º. Es el más blando y dúctil de todos y magnética. Dota a la aleación de resistencia a la tracción de 28 kgf/mm2, con un alargamiento del 35% y dureza HB90. Es el constituyente más blando.
• Cementita: Es carburo de hierro (CFe) con un contenido de carbono del 6,67% siendo el constituyente más duro y frágil de los aceros.
• Perlita: Compuesto de ferrita y cementita (86,5 y 13,5% respectivamente), más duro que la ferrita, de estructura laminar. Dota al acero una dureza HB 200/250; una resistencia a la tracción de 55-70 Kgf/mm2 y un alargamiento variable entre el 20-28%.
• Austentita: es el constituyente más denso y formado por una solución de carbono en hierro gamma, con una máxima solubilidad de carbono de 1,76% a 1130º.
• Martensita: Después de la cementita es el constituyente más duro, y es una solución solida de carbono en hierro alfa. La máxima solubilidad del carbono en ésta es del 0,89%.    

Teoría de los tratamientos térmicos.

En los apartados anteriores se han dado una serie de nociones de metalografía, (la cristalización, el proceso de solidificación de los metales y las aleaciones, etc). Se ha tratado de establecer una pequeña base teórica para entender los tratamientos térmicos de los metales, cuyo objetivo es el de obtener una determinada estructura interna cuyas propiedades permitan alcanzar algunos de los siguiente objetivos.

• Lograr una estructura de menor dureza y mayor maquinabilidad. 
• Eliminar tensiones internas para evitar deformaciones después del mecanizado.
• Eliminar la acritud ocasionada por el trabajo en frío. 
• Conseguir una estructura más homogénea. 
• Obtener máxima dureza y resistencia. 
• Variar algunas de la propiedades físicas que tiene el materia. 
• Etc.

Clasificación de los tratamientos del acero.

Tratamientos térmicos. 

Generalmente los tratamientos térmicos son operaciones de calentamiento y enfriamiento de los metales, con lo cuál se consigue principalmente cambios en su estructura cristalina, micrográfica y no variar la composición química.

Todos los tratamientos térmicos están compuestos de tres fases, siendo estas fases generalmente:

• Calentar el material hasta una determinada temperatura. 
• Mantener la temperatura durante un determinado tiempo. 
• Enfría el metal de una forma determinada.

Temple.

El proceso de templado consiste en calentar el materia y posteriormente enfriar de forma muy rápida el material. De esta forma se impide la transformación normal de los constituyentes aumentando la dureza y resistencia mecánica del materia.

La temperatura de elevación de la pieza a templar depende fundamentalmente del tanto por ciento de carbono del acero. En cambio la mayoría de los metales se calientan a una temperatura entre 815ºC a 900ºC.

En cuanto al enfriamiento, hay muchos tipos de sustancias donde enfriar. Algunos de los más comunes son: aire, sales fundidas, aceite, agua salada o salmuera y agua.

Recocido.

En objeto principal del recocido es ablandar el material para poder trabajarlo mejor. Existen diversas clases de recocido, estos se diferencia entre sí por la temperatura a la que se tiene que calentar el material y las condiciones y velocidad del enfriamiento.

• Recocido de regeneración: Con este tratamiento se trata de eliminar la dureza anormal del material producida por un enfriamiento rápido de éste, sobre todo en piezas coladas, forjadas y construidas por partes soldadas. 
• Recocido de homogeneización: Tiene como objeto eliminar la heterogeneidad química de la masa del metal o aleación producida por una solidificación defectuosa.
• Recocido contra acritud: Es empleado en materiales que han sufrido fuertes transformaciones en frío (laminado, estirado, etc), al quedar este duro y poco deformable, con tendencia a agrietarse en otras transformaciones.
• Recocido de estabilización: Con este tratamiento se consigue destruir las tensiones internas debidas a la mecanización o moldeos complicados.

Revenido.

Es un tratamiento complementario al temple, que consiste en calentar la pieza templada a una temperatura inferior a la temperatura crítica (entre 400ºC a 600ºC) y enfriarlo después, normalmente al aire, aunque a veces se emplee aceite o agua.

Normalizado.

Tiene por objeto dejar un material en estado normal, es decir, ausencia de tensiones internas y con una distribución uniforme del carbono. Se suele emplea como tratamiento previo al temple y al revenido.

Tratamientos termoquímicos.

Es frecuente que en los órganos de las máquinas se deben de disponer de piezas de gran resistencia al golpeo superficial, así como una gran aptitud para resistir cargas dinámicas. La resistencia al golpeo se consigue con un material de elevada dureza, mientras que la resistencia a las cargas dinámicas se consigue con un material de gran tenacidad.

La propiedades de dureza y tenacidad son propiedades contrapuestas, por lo que la presentación de ambas en un mismo material es imposible, a no ser que se trate de materiales de composición química heterogéneas. En cambio, en materiales homogéneos se puede conseguir que estén presentes ambas propiedades gracias a los tratamientos termoquímicos, entre los que se encuentran los siguientes.

Cementación.

Consiste en aumentar la cantidad de carbono de la capa exterior de una pieza de acero. Es un tratamiento empleado en piezas de bajo contenido de carbono.

Cianuración.

Este tratamiento termoquímico, por un lado enriquece la capa superficial del material con carbono y por otro lado absorbe nitrógeno, con lo cual se obtiene una capa superficial rica en carbono y muy dura. Se puede decir que es una mezcla de cenetacion y nitruración.

Nitruración.

Es un tratamiento de endurecimiento superficial aplicado a ciertos aceros y fundiciones, en base a la formación de nitruros formando los compuesto Fe4N y Fe2N.

Carbonitruración.

Se puede considerar un caso particular de la cementación gaseosa, ya que el proceso es idéntico, con la única diferencia de que la atmósfera gaseosa que existe en el horno que trata de adherir carbono y nitrogeno.

Sulfinización.

Con este tratamiento se consigue mejorar la resistencia al desgaste, favorecer la lubricación y evitar el agarrotamiento.