Tratamiento térmico de metales: Procesos, materiales y normas
El tratamiento térmico determina las propiedades mecánicas de un componente metálico: Dureza, tenacidad, resistencia al desgaste y resistencia a la fatiga. Ya sea una rueda dentada, un cigüeñal, una estructura aeroespacial o un elemento de conexión, ninguna pieza metálica crítica para la seguridad puede funcionar sin un tratamiento térmico correctamente especificado.
Los ingenieros de diseño y los compradores técnicos que entienden las diferencias entre temple, revenido, recocido, cementación en caja y nitruración pueden evitar errores costosos. Ya sea en el diseño, en el dibujo o en la adquisición. Este resumen explica todos los procesos habituales de tratamiento térmico de metales, materiales y normas.
¿Qué es el tratamiento térmico?
Por tratamiento térmico se entienden todos los procesos térmicos para la Mejora de las propiedades mecánicas de materiales metálicos. Principio: Calentamiento a ciertas temperaturas - con frecuencia en Temperaturas más altas por encima de la temperatura de transformación-, mantenimiento y enfriamiento controlado. No se aplica material extraño, no se elimina material.
Los tratamientos térmicos se utilizan para diversos materiales. Estos van desde los metales hasta los plásticos, la madera y los materiales compuestos. Sin embargo, aquí sólo se considera el tratamiento térmico de los metales.
Los tres parámetros decisivos son la temperatura, el tiempo de mantenimiento y la velocidad de enfriamiento. Enfriamiento rápido (enfriamiento) se genera Gran dureza y resistencia debido a la formación de martensita. Refrigeración más lenta en el horno produce una estructura blanda y resistente. El templado en bajas temperaturas construye tensiones internas y proporciona la proporción deseada de Dureza y tenacidad en.
Hay que distinguirlos de los revestimientos superficiales como la galvanoplastia, el anodizado o el PVD: éstos sólo modifican la capa más externa mediante la aplicación de material. El tratamiento térmico modifica la microestructura en el propio material o en una zona definida de los bordes (cementación, nitruración).
Tratamiento térmico: visión general
- Definición: El tratamiento térmico es la modificación dirigida de la microestructura de los materiales metálicos mediante calentamiento, mantenimiento y enfriamiento controlado. No incluye la aplicación del material ni el mecanizado.
- Objetivo: Ajuste selectivo de la dureza, la resistencia, la tenacidad, la resistencia al desgaste o las tensiones residuales.
- Materiales adecuados: Acero, hierro fundido, aleaciones de aluminio y titanio, aceros inoxidables endurecidos por precipitación.
- Procesos más importantes: Temple, revenido, temple y revenido, recocido (varios tipos), cementación, nitruración, temple por inducción, recocido por disolución y envejecimiento.
- Las normas centrales son: DIN EN 10052 para los términos y DIN EN 10083 para los aceros templados y revenidos. DIN EN ISO 683 se aplica a los aceros cementados. AMS 2759 y AMS 2770 para aplicaciones aeroespaciales.
¿Para qué sirve el tratamiento térmico de los metales?
El tratamiento térmico se utiliza para ajustar específicamente una o varias de las siguientes propiedades:
- Aumentar la dureza y la resistencia al desgaste: por ejemplo, para herramientas de corte, ruedas dentadas, anillos de rodamientos de rodillos y árboles de levas.
- Ajuste definido de la resistencia y el límite elástico: por ejemplo, para tornillos de las clases de resistencia 8.8 a 12.9, bielas y cigüeñales.
- Mejorar la tenacidad y la ductilidad, por ejemplo, templando después del temple o templando componentes sometidos a esfuerzos dinámicos.
- Reducir las tensiones residuales, por ejemplo, después de soldar, forjar, fundir o conformar en frío (recocido de alivio de tensiones).
- Mejorar la maquinabilidad: por ejemplo, mediante recocido blando antes de mecanizar aceros de alta aleación.
- Homogeneizar la estructura del grano, por ejemplo, normalizando después de la forja o la fundición.
- Preparación para tratamientos posteriores: por ejemplo, recocido en solución antes de envejecer aleaciones de aluminio o titanio.
- Endurecimiento superficial para núcleos duros: por ejemplo, cementación en caja o nitruración para engranajes y ejes.
¿Qué tipos de tratamiento térmico existen?
La norma DIN EN 10052 diferencia los procesos de tratamiento térmico en función de la microestructura deseada y del proceso térmico. En la práctica industrial se utilizan los siguientes procesos principales:
| Procedimiento | Breve descripción | Objetivo | Materiales típicos |
| Endurecimiento | Austenización + temple | Dureza máxima (martensita) | Acero a partir de 0,3 % C, acero para herramientas |
| Templado | Recalentamiento tras el endurecimiento (100-700 °C) | Aumento de la tenacidad, reducción de la fragilidad | Todos los aceros templados |
| Enfriamiento y Templado | Temple + revenido alto (500-700 °C) | Óptima relación resistencia/resistencia | Aceros tratables térmicamente (42CrMo4 y otros) |
| Recocido normal | Calefacción por AC3, refrigeración lenta por aire | Estructura fina y uniforme | Acero tras forja / fundición |
| Recocido blando | 650-750 °C, enfriamiento muy lento | Máxima maquinabilidad | Acero de alta aleación, acero para herramientas |
| Recocido de distensión | 450-650 °C, enfriamiento en horno | Reducción de la tensión residual sin cambios estructurales | Acero, hierro fundido, acero inoxidable |
| Recocido de recristalización | aprox. 0,4 × temperatura de fusión | Anulación del endurecimiento del trabajo | Metales conformados en frío |
| Recocido en solución | según la aleación (por ejemplo, 480-560 °C para el Al) | Disolver precipitados, base para el curado | Aluminio, titanio, acero austenítico |
| Envejecimiento (curado) | Temperaturas bajas a medias tras el recocido de disolución (Al: 120-200 °C; aceros endurecidos por precipitación como el 17-4PH: 480-620 °C). | Endurecimiento por precipitación | Aleaciones de aluminio (T6 y otras), 17-4PH |
| Cementación | Carburación + endurecimiento de la capa superficial | Capa superficial dura, núcleo resistente | Aceros de cementación (16MnCr5 y otros) |
| Nitruración / nitrocarburación | Inyección de nitrógeno a 500-530 °C | Capa de borde duro, sin temple | Aceros nitrurados, aceros tratables térmicamente |
| Endurecimiento por inducción | Calentamiento local por inducción + enfriamiento | Endurecimiento selectivo de la capa superficial | Acero, especialmente en los asientos de los cojinetes / engranajes |
Ventajas e inconvenientes de los tratamientos térmicos
El tratamiento térmico tiene numerosas ventajas e inconvenientes, según la aplicación. He aquí una comparación.
| Ventajas | Desventajas |
| Aumento significativo de la dureza sin aplicación de material | Alabeo y cambios dimensionales: a menudo es necesario repasar. |
| Sin materias extrañas: Propiedades en el material base | No todas las aleaciones pueden someterse a tratamiento térmico |
| Amplia gama de procesos para diferentes perfiles de requisitos | Los parámetros del proceso deben respetarse con exactitud: riesgo de rechazos |
| Posibilidad de endurecimiento superficial - la cementación en caja y la nitruración consiguen una superficie dura con un núcleo resistente | Mayor esfuerzo para geometrías complejas y tolerancias estrechas |
| Puede integrarse fácilmente en procesos en serie (hornos continuos y discontinuos) | Sistemas de gas inerte o vacío necesarios para materiales sensibles a la oxidación |
| Parcialmente reversible: los aceros endurecidos pueden volver a su estado mecanizable mediante recocido blando. | Con tratamiento galvánico posterior: riesgo de fragilización por hidrógeno en aceros de alta resistencia (> 1000 MPa) - prescribir recocido de desabrasión. |
| Tiempos de ciclo cortos para procesos sencillos (recocido, templado) | El titanio y las aleaciones especiales requieren sistemas especializados y certificados |
Tratamiento térmico de metales: Todos los materiales de un vistazo
No todos los materiales metálicos son adecuados para todos los procesos de tratamiento térmico. El siguiente resumen muestra qué es posible y qué deben tener en cuenta los diseñadores y compradores:
1. tratamiento térmico del acero (sin aleación y con baja aleación) - ✅ Muy adecuado
La aplicación clásica. Casi todos los procesos están disponibles y probados industrialmente. La aptitud para los procesos de temple depende del contenido de carbono: a partir de 0,3 % C útil, a partir de 0,6 % C templabilidad total. Para los compradores, el acero con un número de material y una condición de tratamiento térmico es el caso más sencillo.
2. tratamiento térmico de la fundición - ✅ Muy adecuado
El hierro fundido se comporta químicamente de forma similar al acero y puede someterse a procesos de distensión, normalización y, en casos especiales, endurecimiento por inducción o por llama. La estructura más rugosa de la fundición requiere un pretratamiento cuidadoso y un calentamiento lento. Los residuos de agentes desmoldeantes del proceso de fundición deben eliminarse antes del tratamiento térmico.
3. tratamiento térmico del aluminio - ✅ Muy adecuado (endurecimiento)
Las aleaciones de aluminio endurecibles (6061, 7075, 2024, etc.) pueden aumentar significativamente su resistencia mediante recocido por disolución y envejecimiento. Las aleaciones no endurecibles (5052, 3003) sólo pueden tratarse mediante recocido de recristalización. Las piezas fundidas a presión suelen reaccionar de forma problemática al tratamiento T6 (formación de ampollas). Nota: El tratamiento térmico y el anodizado / anodizado deben planificarse en la secuencia correcta.
4. tratamiento térmico del acero inoxidable (por ejemplo, 17-4PH, 17-7PH) - ⚠️ Mixto
Los aceros inoxidables martensíticos y de endurecimiento por precipitación, como el 1.4542 (17-4PH) o el 1.4568 (17-7PH), pueden ajustarse específicamente. La resistencia y la tenacidad pueden personalizarse mediante recocido por disolución y envejecimiento. La condición objetivo (H900 a H1150 en 17-4PH) debe especificarse en el dibujo de acuerdo con AMS 5643.
Los aceros inoxidables austeníticos no tienen estructura de transformación y no pueden verse influidos por el temple y el revenido. Son posibles los siguientes: Recocido de disolución (para disolver los carburos de cromo después de la soldadura, para evitar la sensibilización) y recocido de distensión. No es posible aumentar la dureza. Alternativas: PVD, nitrocarburación, conformación en frío.
5. tratamiento térmico del titanio - ⚠️ Condicionalmente adecuado, gas de protección obligatorio
La resistencia del Ti-6Al-4V y otras aleaciones alfa-beta puede ajustarse mediante recocido en solución y envejecimiento (STA). Crítico: El titanio reacciona inmediatamente con el oxígeno y el nitrógeno a temperaturas elevadas.
Se forma una capa quebradiza de contaminación alfa („caja alfa“), que no es visible pero es crítica para la seguridad. La atmósfera de gas inerte o el vacío son obligatorios. Adquirir únicamente a empresas certificadas por NADCAP. Norma de referencia: AMS 4928, DIN EN 2002.
6. tratamiento térmico del cobre y sus aleaciones - ⚠️ Restringido
El cobre y el latón se liberan de tensiones mediante recocido de recristalización y se liberan del endurecimiento por deformación. No es posible aumentar la resistencia mediante endurecimiento - excepción: el cobre berilio (CuBe2) puede endurecerse por precipitación y alcanza resistencias superiores a 1300 MPa. Los procesos de endurecimiento clásicos para el acero no pueden utilizarse para los materiales de cobre.
7. tratamiento térmico del zinc fundido a presión - ❌ No apto.
La fundición a presión de zinc no contiene hierro: no es posible la formación de martensita ni de capas de difusión. Alternativas de endurecimiento o protección: procesos galvánicos, cromado, recubrimiento en polvo.
8. tratamiento térmico de plásticos - ❌ No comparable
Los tratamientos térmicos de los plásticos (revenido, envejecimiento para la reducción de monómeros residuales) no son físicamente comparables a los tratamientos térmicos metálicos. No se produce ninguna transformación estructural. Los procesos son específicos de cada material y no están regulados por normas metalúrgicas.
Normas y especificaciones pertinentes para el tratamiento térmico
Las siguientes normas se aplican a las ofertas y los dibujos para el tratamiento térmico:
- DIN EN 10052 - Términos utilizados en el tratamiento térmico de materiales ferrosos (norma terminológica central - define todos los términos del proceso de forma vinculante)
- DIN EN ISO 683-1/-2/-3 - Aceros templados y revenidos y aceros de cementación: composición química, propiedades mecánicas y condiciones técnicas de suministro
- DIN EN 10083-1/-2/-3 - Aceros templados y revenidos: composición química, propiedades mecánicas y condiciones técnicas de suministro
- DIN EN ISO 2639 - Determinación y ensayo de la profundidad de cementación CHD
- DIN EN ISO 18203 - Determinación de la profundidad de la capa de nitruración y de la profundidad de la dureza de nitruración NHD
- DIN EN 515 - Aleaciones de aluminio: Etiquetado de los estados de tratamiento térmico (T4, T6, T73, etc.)
- AMS 2750 - Pirometría: Calibración de temperatura y clases de hornos para plantas de tratamiento térmico (aeroespacial, requisito obligatorio además de NADCAP)
- AMS 2759 (serie) - Tratamiento térmico del acero en la industria aeroespacial (EE.UU., SAE)
- AMS 2770 - Tratamiento térmico de aleaciones de aluminio (aeroespacial)
- AMS 4928 - Aleación de titanio Ti-6Al-4V, tratada térmicamente
- AMS 5643 - 17-4PH Acero inoxidable, estados H900-H1150
- NADCAP - Acreditación de procesos especiales, incluido el tratamiento térmico (obligatorio en la industria aeroespacial)
- Estándares de fábrica OEM - Por ejemplo, las normas GS de BMW o las normas TL de VW: contractualmente vinculantes para los proveedores de la industria del automóvil.
Lista de comprobación para compradores: Requisitos para los barnizadores por contrato
- Certificación según DIN EN ISO 9001 - o específica del sector: IATF 16949 (automoción), AS9100 / NADCAP (aeroespacial)
- Cualificación documentada del horno y control de la temperatura - en la industria aeroespacial según AMS 2750, generalmente según los requisitos del cliente o NADCAP.
- Parámetros de proceso trazables: Protocolo de lotes, registro de temperaturas, curva de enfriamiento
- Equipos de ensayo propios para medir la dureza (HRC, HV, HB) y comprobar la profundidad del revestimiento (micrografía, perfil de profundidad de dureza Vickers).
- Demostración de la experiencia en el proceso mediante piezas de referencia o documentación del proceso para el proceso específicamente requerido.
- Sistemas de protección por gas o vacío para materiales sensibles a la oxidación (titanio, aleaciones especiales, aceros de alta aleación).
- Tratamiento documentado de la distorsión: proceso de enderezado, comprobación dimensional tras el tratamiento térmico, ¿es posible el rectificado?
- Referencias de la industria de destino o de geometrías de componentes comparables
- Información clara sobre capacidad, dimensiones máximas de los componentes, plazo de entrega y cantidades mínimas
Ejemplos de tratamiento térmico en la industria
| Industria | Componentes típicos | Objetivo principal del tratamiento térmico |
| Automoción | Cigüeñales, bielas, árboles de transmisión, árboles de levas, ruedas dentadas, ejes de engranaje, muelles, tornillos | Resistencia al desgaste, resistencia a la fatiga, clases de resistencia definidas |
| Construcción de maquinaria | Ejes, árboles, ruedas dentadas, husillos, pistones hidráulicos, guías | Solidez, resistencia al desgaste, estabilidad dimensional |
| Fabricación de herramientas | Herramientas de corte, herramientas de punzonado, moldes de prensado, herramientas de conformado | Dureza máxima, dureza en caliente, vida útil de la herramienta |
| Aeroespacial | Componentes estructurales de acero, chasis, componentes de Ti (Ti-6Al-4V), componentes estructurales de aluminio | Alta resistencia con un peso mínimo |
| Tecnología de defensa | Cañones, portacerraduras, acero blindado, componentes del sistema | Dureza continua, tenacidad, protección balística |
| Tecnología energética | Ejes de turbina, recipientes a presión, tuberías, fijaciones | Resistencia a la fluencia, resistencia a la compresión, alivio de la tensión residual tras la soldadura |
| Vehículos ferroviarios | Ejes, ruedas, discos de freno, acoplamientos, bastidores de bogies | Resistencia a la fatiga, resistencia al desgaste, homogeneidad estructural |
| Conectores y electrónica | Piezas de contacto, elementos de conexión | Reducción de la tensión residual, estabilidad dimensional |
| Impresión 3D (metal) | Componentes SLM/DMLS (Ti, Inconel, maraging) | Reducción de la tensión residual, densidad, homogeneización estructural |
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