El tratamiento térmico del acero permite dar a un componente exactamente las propiedades que necesita: una superficie dura y resistente al desgaste, un núcleo tenaz o una estructura blanda y libre de tensiones, fácil de mecanizar. Elegir el proceso adecuado es clave para las piezas que se deslizan sobre otros componentes o que deben soportar impactos.
Cuando las propiedades propias de un material no son suficientes, el tratamiento térmico es la solución. Pero con tantos procesos disponibles, encontrar la combinación adecuada de material y tratamiento térmico puede resultar complicado. Esta guía repasa los tratamientos térmicos más utilizados en componentes de máquinas y los puntos clave que debes tener en cuenta al diseñar piezas tratadas térmicamente.
¿Qué es el tratamiento térmico del acero?
El tratamiento térmico somete los componentes a un calentamiento y un enfriamiento controlados para modificar su estructura, bien en toda la pieza o solo en la superficie. Sobre todo en los aceros con carbono, puede cambiar de forma notable propiedades como la dureza, la resistencia al desgaste y la tenacidad.
Los tratamientos térmicos se dividen en dos grupos. Los tratamientos térmicos en masa afectan a todo el componente e incluyen el temple y revenido, el recocido y el normalizado. Los tratamientos térmicos superficiales actúan principalmente sobre la capa superficial e incluyen el temple por inducción, la cementación y la nitruración.
El resultado depende de la temperatura de calentamiento, de la velocidad de enfriamiento y del medio de enfriamiento. Un enfriamiento rápido, como en el temple, aumenta la dureza pero también la fragilidad. Un enfriamiento más lento, como en el recocido y el normalizado, afina la estructura del material y reduce sus tensiones. Los métodos de enfriamiento habituales son el temple en agua, el temple en aceite, el enfriamiento al aire y el enfriamiento en horno.
La respuesta del acero también depende de su contenido en carbono. El acero con aproximadamente un 0,8 % de carbono se denomina eutectoide; los aceros por debajo de este valor son hipoeutectoides y los que están por encima, hipereutectoides. Cada grupo tiene temperaturas de transformación distintas, que determinan la temperatura correcta del tratamiento térmico.
Los métodos de tratamiento térmico de un vistazo
| Tratamiento térmico | Tipo | Efecto principal | Uso típico |
|---|---|---|---|
| Temple y revenido | En masa | Dureza elevada con tenacidad ajustable | Piezas de desgaste, herramientas, ejes y componentes de máquina sometidos a carga |
| Recocido | En masa | Ablanda, elimina tensiones internas, mejora la maquinabilidad | Preparación del material para el mecanizado, mejora de la planitud de piezas delgadas |
| Normalizado | En masa | Afina y homogeneiza la estructura | Piezas de acero fundido, forjado o laminado |
| Temple por inducción | Superficial | Superficie dura y resistente al desgaste con núcleo tenaz | Ejes y engranajes |
| Cementación | Superficial | Enriquece la superficie con carbono para poder templar acero de bajo carbono | Piezas de acero de bajo carbono que necesitan una superficie dura y resistente al desgaste |
| Nitruración | Superficial | Superficie muy dura con deformación mínima | Piezas de precisión, piezas sometidas a cargas de fatiga y desgaste |
Tratamientos térmicos en masa
Temple y revenido
Cuando el acero se calienta por encima de su temperatura de transformación (normalmente entre 800 y 900 °C, según el contenido de carbono), su estructura se transforma en austenita. Los aceros hipoeutectoides se calientan a unos 30–50 °C por encima de la temperatura A3, y los hipereutectoides a unos 30–50 °C por encima de la temperatura A1. Superar este rango o no alcanzarlo provoca una transformación incompleta o propiedades no deseadas, por lo que es esencial controlar con precisión la temperatura.
A continuación, el acero se enfría con rapidez. Este temple genera una estructura muy dura llamada martensita. El medio de enfriamiento se elige según el material y el resultado deseado:
- Agua: enfriamiento muy rápido y económico, pero con mayor riesgo de deformación y grietas de temple
- Aceite: enfriamiento más lento pero más uniforme, menos deformación
- Soluciones acuosas y baños de sales: velocidades de enfriamiento controladas, entre las del agua y las del aceite
- Aire: enfriamiento lento, adecuado solo para aceros aleados de temple al aire
El temple aumenta la dureza, pero también vuelve frágil el acero y no apto para su uso inmediato. Por eso la pieza se somete después a un revenido: se recalienta a una temperatura más baja y se enfría lentamente. La temperatura de revenido determina el equilibrio entre dureza y tenacidad. Un revenido a baja temperatura mantiene la dureza alta; un revenido a alta temperatura reduce la dureza y aumenta la tenacidad y la ductilidad. Por ello, el temple y el revenido se realizan casi siempre juntos.
Recocido
El recocido calienta el metal y luego lo enfría lentamente, lo que produce una estructura uniforme y más blanda. Elimina tensiones internas y mejora la maquinabilidad. Según el objetivo se emplean distintas variantes (recocido completo, recocido de ablandamiento, recocido de eliminación de tensiones, recocido de homogeneización y recocido de globulización), cada una con su propio rango de temperatura. El recocido es más habitual en el acero al carbono, pero también se usa en el acero inoxidable, las aleaciones de aluminio y otros materiales.
Como el recocido elimina las tensiones residuales, puede mejorar la precisión final de piezas delgadas mecanizadas. Se puede realizar sobre el material en bruto o sobre componentes parcialmente mecanizados. Se benefician en especial materiales como el EN 1.4301 equiv. (SUS304), que tienden a deformarse por las tensiones del mecanizado; el recocido mejora, por ejemplo, su planitud. Consulta cuanto antes con tu fabricante si el recocido tiene sentido y cuándo conviene aplicarlo.
Normalizado
El normalizado homogeneiza y afina la estructura de los componentes de acero procedentes de fundición, forja o laminación, en los que pueden aparecer tensiones internas y estructuras heterogéneas. El acero se calienta por encima de su temperatura de transformación y luego se enfría al aire. El resultado es una estructura uniforme con propiedades mecánicas fiables.
Tratamientos térmicos superficiales
Temple por inducción
El temple por inducción calienta solo la superficie de un componente, a más de 800 °C, mediante corriente alterna. La pieza se coloca cerca de una bobina y la corriente de alta frecuencia inducida en la superficie la calienta con rapidez. Tras el temple, un revenido a baja temperatura restablece la tenacidad. El proceso se utiliza sobre todo para aumentar la dureza y la resistencia a la fatiga de ejes y engranajes.
Como solo se trata la superficie, la pieza gana dureza y resistencia al desgaste mientras el núcleo sigue siendo tenaz, y la deformación y los cambios dimensionales son pequeños. La superficie endurecida queda sometida a tensiones residuales de compresión, lo que mejora la resistencia a la fatiga, y su dureza es algo mayor que con el temple y revenido convencionales. Aun así, los ejes pueden doblarse ligeramente y requerir un enderezado con prensa. El temple por inducción se considera respetuoso con el medio ambiente gracias a sus cortos tiempos de calentamiento, y puedes especificar con exactitud qué zonas se templan y a qué profundidad. Entre los procesos afines de endurecimiento superficial se encuentran el temple a la llama, el temple por haz de electrones y el temple láser.
Cementación
El acero necesita carbono para endurecerse por temple. El acero al carbono con mayor contenido de carbono se templa bien, pero el de bajo carbono no. El acero de bajo carbono es económico y fácil de trabajar, pero le falta dureza: la cementación resuelve este problema enriqueciendo la superficie con carbono.
El componente se calienta junto con un agente cementante y el carbono se difunde en la superficie. Según el agente, el proceso se llama cementación en caja (carbón vegetal), cementación líquida (baño de sales) o cementación gaseosa (gas de hidrocarburos). La cementación por sí sola no endurece la pieza: solo el temple y revenido posteriores convierten la superficie rica en carbono en una capa dura y resistente al desgaste, mientras que el núcleo de bajo carbono permanece tenaz.
Nitruración
La nitruración endurece la superficie mediante la difusión de nitrógeno. Los métodos habituales son la nitruración gaseosa, la nitruración en baño salino, la nitrocarburación (también llamada nitruración blanda) y la nitruración por plasma. El proceso se realiza en una atmósfera con nitrógeno o amoníaco, por debajo de la temperatura de transformación del acero, normalmente en torno a 500–590 °C.
Como el acero no se transforma, no hace falta templar después y la deformación es mínima. La nitruración alcanza durezas superficiales de unos 1000 HV en aceros adecuados; la nitrocarburación alcanza normalmente unos 500–700 HV, según el acero, y se usa sobre todo para mejorar la resistencia al desgaste y a la fatiga. La profundidad y la dureza de la capa nitrurada dependen del proceso y del tiempo de tratamiento, que suele situarse entre 0,1 y 0,5 mm.
Gracias a la baja temperatura de tratamiento, los aceros templados y revenidos pueden nitrurarse sin perder la dureza del núcleo. Los aceros inoxidables austeníticos como el EN 1.4301 equiv. y el EN 1.4401 equiv. (SUS316) también pueden nitrurarse con procesos especiales, pero esto reduce su resistencia a la corrosión, así que sopesa con cuidado esta contrapartida.
Consejos de diseño para piezas tratadas térmicamente
El tratamiento térmico es muy eficaz para endurecer superficies y mejorar la resistencia al desgaste y a los impactos. Ten en cuenta estos puntos al diseñar piezas que se van a tratar térmicamente:
- Prevé la deformación. El calentamiento y el enfriamiento provocan deformaciones y cambios dimensionales, así que deja sobrematerial en las superficies funcionales de precisión para el acabado posterior al tratamiento térmico.
- Define el acabado pronto. Por encima de unos 60 HRC, las piezas endurecidas son difíciles de mecanizar con fresas, así que decide de antemano dónde hace falta sobrematerial y cómo se van a acabar esas zonas.
- Diseña pensando en el rectificado. Las superficies planas y cilíndricas son fáciles de rectificar; en formas escalonadas, añade ranuras de alivio (gargantas de salida de muela) para que la muela no toque la superficie contigua.
- Reduce al mínimo las zonas de acabado. Las formas complejas pueden requerir rectificadoras especiales, lo que aumenta el coste: cuantas menos superficies haya que acabar, más barata será la pieza.
- Elige la nitruración si la deformación es crítica. Su baja temperatura de tratamiento mantiene los cambios dimensionales al mínimo.
- Considera los recubrimientos como alternativa. Si solo necesitas dureza superficial, el cromado duro o el niquelado químico pueden bastar.
Piezas tratadas térmicamente con meviy
meviy fabrica piezas a medida diseñadas individualmente a partir de tus propios datos CAD 3D, no piezas estándar ni de catálogo. En las piezas fabricadas por fresado CNC puedes pedir el temple integral y definir la dureza objetivo directamente al configurar la pieza:
| Material | Dureza estándar | Rango de dureza a elegir |
|---|---|---|
| EN 1.2379 equiv. | HRC 58–63 | HRC 50–63 |
| EN 1.7220 equiv. | HRC 50–55 | HRC 30–55 |
| EN 1.1206 equiv. | HRC 35–45 | HRC 30–50 |
- Piezas fresadas de hasta 300 × 150 × 60 mm con temple integral, con el rango de dureza que especifiques
- Tratamiento térmico de determinados aceros en piezas fabricadas por torneado CNC
- Nitruración y nitruración en baño salino como tratamientos superficiales para lograr resistencia al desgaste con poca deformación
- Cromado duro y niquelado químico como alternativas para la dureza superficial
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El material, el tratamiento térmico y el tratamiento superficial se eligen directamente en meviy, de modo que puedes comparar las opciones para tus piezas de mecanizado CNC antes de hacer el pedido.
Preguntas frecuentes sobre el tratamiento térmico del acero
¿Cuál es la diferencia entre temple y revenido?
El temple enfría con rapidez el acero calentado y lo vuelve muy duro, pero frágil. El revenido recalienta el acero templado a una temperatura más baja y reduce la fragilidad. Ambos pasos se realizan juntos para lograr el equilibrio adecuado entre dureza y tenacidad.
¿Cuál es la diferencia entre recocido y normalizado?
Los dos calientan el acero, pero lo enfrían de forma distinta. El recocido enfría muy lentamente, normalmente dentro del horno, para ablandar el material y eliminar tensiones, de modo que sea más fácil de mecanizar. El normalizado enfría al aire en calma y sirve para afinar y homogeneizar la estructura tras la fundición, la forja o la laminación.
¿Qué tratamiento térmico provoca menos deformación?
La nitruración, porque se realiza por debajo de la temperatura de transformación del acero y no requiere temple. El temple por inducción también provoca relativamente poca deformación, ya que solo se calienta la superficie.
¿Cuál es la diferencia entre nitruración y cementación?
La cementación aporta carbono a la superficie del acero de bajo carbono a alta temperatura y requiere un temple posterior, que puede causar deformaciones. La nitruración aporta nitrógeno a una temperatura más baja, no necesita temple y mantiene la deformación al mínimo, pero en general produce una capa endurecida de menor espesor.
Cómo elegir el tratamiento térmico adecuado
Los tratamientos térmicos en masa, como el temple y revenido, el recocido y el normalizado, cambian las propiedades de toda la pieza, mientras que los tratamientos superficiales, como el temple por inducción, la cementación y la nitruración, crean una superficie dura con un núcleo tenaz. Elige el proceso de tratamiento térmico del acero según la dureza requerida, la deformación admisible y el trabajo de acabado necesario, y obtendrás piezas que funcionan de forma fiable en tus equipos.