La elección del tratamiento térmico adecuado constituye una de las decisiones más críticas en el diseño y la fabricación de componentes metálicos de altas prestaciones. En sectores como la automoción, la aeronáutica, la energía o la ingeniería de precisión, la optimización de las propiedades mecánicas y metalúrgicas depende en gran medida de la correcta adecuación entre la aleación seleccionada, su tratamiento térmico y la aplicación final.
El tratamiento térmico es un proceso específico en cada caso: cada aleación responde de manera diferente a los parámetros térmicos, atmosféricos y cinéticos. Determinar el ciclo apropiado requiere un conocimiento profundo de la termodinámica de fases, la cinética de difusión, la composición química y las condiciones de servicio que la pieza enfrentará durante su vida útil.
Este artículo analiza los criterios técnicos fundamentales para seleccionar el tratamiento térmico más adecuado según el tipo de aleación metálica, con especial énfasis en aceros, superaleaciones y aleaciones avanzadas, y considerando los requerimientos de su aplicación final.
Principios metalúrgicos del tratamiento térmico
El tratamiento térmico modifica de manera controlada la microestructura interna del metal, ajustando el equilibrio entre fases, el tamaño de grano, la distribución de precipitados y las tensiones residuales. Los objetivos principales son:
- Mejorar la resistencia mecánica (tracción, fluencia, fatiga).
- Optimizar la dureza y la resistencia al desgaste.
- Aumentar la estabilidad dimensional.
- Mejorar la maquinabilidad o las propiedades superficiales.
- Homogeneizar o aliviar tensiones internas tras procesos de conformado o mecanizado.
Los tres pilares metalúrgicos son:
- Transformaciones de fase: cambios de estructura cristalina (austenita ↔ martensita ↔ bainita ↔ ferrita ↔ perlita) inducidos por temperatura y tiempo.
- Difusión y segregación: migración de átomos y formación de precipitados (carburos, nitruros, fases γ’, γ’’).
- Relajación de tensiones: eliminación de tensiones internas por recuperación o recristalización.
El control preciso de los parámetros térmicos y atmosféricos permite obtener microestructuras adaptadas a la función que debe cumplir la pieza.
Clasificación de aleaciones metálicas y su comportamiento térmico
Las aleaciones metálicas se clasifican en función de su base metálica (Fe, Ni, Ti, Al, Co, Cu) y de los mecanismos metalúrgicos que dominan su comportamiento durante el calentamiento y enfriamiento.
- Aceros al carbono y aleados: altamente templables; responden por transformación martensítica o bainítica.
- Aceros inoxidables: equilibran propiedades mecánicas con resistencia a la corrosión; sensibles a la precipitación de carburos de cromo.
- Superaleaciones base níquel o cobalto: endurecibles por precipitación; alta estabilidad microestructural.
- Aleaciones ligeras de titanio y aluminio: endurecimiento por precipitación o control de proporción de fases α/β.
- Aleaciones especiales (cobre, magnesio, zirconio): tratamientos orientados al recristalizado o endurecimiento por solución sólida.
El conocimiento de los diagramas de equilibrio (Fe–C, Fe–Cr–Ni, Ni–Al, Ti–Al–V, Al–Mg–Cu–Zn) y de las curvas TTT/CCT (Time–Temperature–Transformation / Continuous Cooling Transformation) es esencial para prever el resultado metalúrgico del ciclo térmico aplicado.
Criterios de selección del tratamiento según tipo de aleación
La selección del tratamiento térmico debe equilibrar prestaciones mecánicas, estabilidad microestructural, resistencia a corrosión/oxidación y coste del proceso.
A continuación, destacamos algunos criterios técnicos, microestructurales y operativos para cada familia de aleaciones.
Aceros al carbono y aleados
Los aceros son los materiales más versátiles y los que presentan mayor sensibilidad a los tratamientos térmicos. Su comportamiento depende principalmente del contenido en carbono y de los elementos de aleación (Cr, Mo, Ni, Mn, V, W).
- a) Aceros al carbono (0,1–1,0% C)
- Recocido (650–750 °C): se usa para ablandar el material, eliminar tensiones y refinar el grano. Ideal para aceros de bajo carbono (<0,25%C).
- Normalizado (850–900 °C): homogeneiza la estructura perlítica y mejora la resistencia sin excesiva fragilidad.
- Temple + revenido: en aceros medio y alto carbono, produce martensita y, posteriormente, ajusta tenacidad y dureza.
Ejemplo típico: acero C45 (AISI 1045) templado a 830 °C, enfriado en aceite y revenido a 550 °C → dureza ~220 HB, buena resistencia a fatiga.
- b) Aceros aleados (Cr, Mo, Ni, V, W)
Los elementos de aleación aumentan la templabilidad y la resistencia al revenido.
- Aceros Cr-Mo (42CrMo4, AISI 4140): temple a 850 °C, revenido doble a 540 °C → dureza 50–55 HRC.
- Aceros al níquel (Ni–Cr–Mo): gran tenacidad; empleados en piezas sometidas a impacto (ejes, cigüeñales).
- Aceros al vanadio o wolframio: diseñados para herramientas; requieren temple al vacío y revenido múltiple (hasta 3 ciclos).
Consideraciones clave:
- Controlar velocidad de enfriamiento para evitar grietas o distorsión.
- Evitar descarburación superficial mediante atmósferas neutras o vacío.
- Emplear hornos de convección forzada para homogeneidad térmica.
Aceros inoxidables
Los inoxidables presentan una complejidad adicional debido a su contenido en cromo (>10,5%) y otros elementos (Ni, Mo, Ti, Nb). Su tratamiento térmico busca equilibrar propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión sin inducir sensibilización.
- a) Aceros austeníticos (serie 300, 18-8, etc.)
- Tratamiento de solubilización: 1.050–1.100 °C seguido de enfriamiento rápido (agua o aire). Disuelve carburos y restaura la ductilidad.
- Alivio de tensiones: 450–600 °C cuando se requiere estabilidad dimensional sin perder resistencia a la corrosión.
- Evitar zona crítica (600–800 °C): donde precipitan carburos de Cr y se produce sensibilización.
Ejemplo: AISI 304 recocido a 1.050 °C, enfriamiento rápido → estructura austenítica homogénea y resistencia a corrosión intergranular.
- b) Aceros martensíticos (AISI 410, 420, 440C)
- Temple: 950–1.050 °C, enfriamiento en aceite o aire.
- Revenido: 200–350 °C para maximizar dureza (hasta 60 HRC) o 500–600 °C para mejorar tenacidad.
- Aplicaciones: válvulas, cuchillas, turbinas, moldes plásticos.
- c) Aceros dúplex (22Cr–5Ni–3Mo, 25Cr–7Ni–4Mo)
- Solubilización: 1.000–1.100 °C con enfriamiento rápido → equilibrio entre ferrita y austenita (50/50).
- Evitar envejecimiento prolongado >475 °C (precipitación de fase σ y fragilización).
- Recomendado para entornos corrosivos (agua de mar, industria química).
- d) Aceros endurecibles por precipitación (17-4PH, 15-5PH)
- Solubilización: 1.040 °C / enfriamiento rápido.
- Envejecimiento: 480–620 °C (condiciones H900, H1025, etc.).
- Control preciso del tiempo para obtener precipitación de Cu y Ni₃Al.
Alta resistencia (UTS > 1.200 MPa) y excelente resistencia a corrosión
Superaleaciones base níquel y cobalto
Las superaleaciones, como Inconel®, Rene®, Hastelloy® o Haynes®, están diseñadas para operar a temperaturas superiores al 70% de su punto de fusión. Se caracterizan por su resistencia a fluencia, fatiga térmica y oxidación.
Su comportamiento depende del endurecimiento por precipitación de las fases γ’ (Ni₃(Al,Ti)) y γ’’ (Ni₃Nb), o del refuerzo por carburos estables (MC, M₂₃C₆).
- a) Ciclos típicos de tratamiento térmico:
- Solubilización: 1.050–1.200 °C (según aleación) → disolución de fases secundarias.
- Enfriamiento rápido (aire o vacío): retiene la solución sólida supersaturada.
- Envejecimiento simple o doble: 700–800 °C durante 4–16 h → precipitación controlada de γ’ y γ’’.
Ejemplo: Inconel 718 → 980 °C/1h + enfriamiento + 720 °C/8h + 620 °C/8h → resistencia >1.200 MPa a 650 °C.
- b) Consideraciones técnicas:
- Los tratamientos deben realizarse en hornos de vacío o atmósfera inerte (N2,Ar) para evitar oxidación y pérdida de elementos de aleación.
- El control de enfriamiento influye directamente en el tamaño de precipitados.
- El sobrecalentamiento puede inducir crecimiento de grano y pérdida de propiedades de fluencia.
- El envejecimiento múltiple o escalonado mejora la resistencia térmica a largo plazo.
- c) Aplicaciones típicas:
- Álabes de turbina, discos de compresor, cámaras de combustión, piezas de motores de aviación.
Aleaciones ligeras: aluminio y titanio
Estas aleaciones combinan baja densidad y elevada resistencia específica. Sus tratamientos térmicos se centran en el endurecimiento por precipitación y el control de fases α/β.
- a) Aleaciones de aluminio
Existen diversas series tratables térmicamente (2XXX, 6XXX, 7XXX).
- Solubilización: 450–550 °C (disolución de precipitados intermetálicos).
- Temple rápido (agua, polímero): para retener una solución sólida supersaturada.
- Envejecimiento natural (T4) o artificial (T6): 100–180 °C, 5–24 h.
Ejemplo: Al 7075-T6 → solubilización a 475 °C, temple en agua + envejecido a 120 °C/24h → resistencia a tracción 540 MPa.
Puntos críticos:
- Evitar sobreenvejecimiento (precipitados gruesos y pérdida de resistencia).
- Controlar deformación durante temple para minimizar alabeos.
- En componentes aeronáuticos, se prefieren hornos de convección y control exacto de temperatura ±3 °C.
- b) Aleaciones de titanio (Ti-6Al-4V y similares)
El titanio combina fases α (hexagonal compacta) y β (cúbica centrada). Los tratamientos térmicos permiten modificar su proporción y morfología.
- Recocido: 700–800 °C → homogeneización y alivio de tensiones.
- Tratamiento α+β: 900–950 °C → mejora de resistencia y ductilidad.
- Envejecimiento: 480–600 °C tras enfriamiento → precipitación de α secundaria, aumento de resistencia.
Consideraciones técnicas:
- Los tratamientos deben realizarse en vacío o atmósferas inertes para evitar contaminación por O, N, H.
- El tiempo a temperatura debe ser mínimo para prevenir crecimiento de grano.
- El enfriamiento controlado determina la morfología de α: acicular (martensítica) o globular (ductil).
Aplicaciones: componentes aeroespaciales, biomédicos, implantes, elementos de transmisión de alta fiabilidad.
Aleaciones especiales
Otras aleaciones de alta tecnología (Cu-Be, Zr, Mg, Co-Cr) también requieren tratamientos específicos.
- Cobre–berilio: solución sólida a 760–800 °C + envejecimiento a 300–350 °C → endurecimiento por precipitación (BeCu₂).
- Magnesio: recocido de alivio (250–350 °C), evita deformaciones residuales.
- Aleaciones Co–Cr–Mo: templado y envejecido para control de carburos, alta resistencia al desgaste.
- Aleaciones especialesOtras aleaciones de alta tecnología (Cu-Be, Zr, Mg, Co-Cr) también requieren tratamientos específicos.
- Cobre–berilio: solución sólida a 760–800 °C + envejecimiento a 300–350 °C → endurecimiento por precipitación (BeCu₂).
- Magnesio: recocido de alivio (250–350 °C), evita deformaciones residuales.
- Aleaciones Co–Cr–Mo: templado y envejecido para control de carburos, alta resistencia al desgaste.
Factores ligados a la aplicación final
Ejemplos prácticos de selección
Ejemplo 1: Engranaje de acero 42CrMo4 (AISI 4140)
- Requisito: alta resistencia al desgaste y tenacidad.
- Tratamiento: temple al aceite desde 850 °C + doble revenido a 550 °C.
- Resultado: martensita revenida con dureza 50–55 HRC y buena resistencia a fatiga.
Ejemplo 2: Turbina de superaleación Inconel 718
- Requisito: resistencia a fluencia y oxidación a 700 °C.
- Tratamiento: solubilización a 980 °C, temple al aire + doble envejecimiento (720 °C/8h + 620 °C/8h).
- Resultado: precipitación controlada de γ’ y γ’’ con excelente estabilidad térmica.
Ejemplo 43 Titanio Ti-6Al-4V para implante biomédico
- Requisito: alta biocompatibilidad y resistencia a fatiga.
- Tratamiento: recocido en vacío a 700 °C para homogeneizar fases α+β.
Resultado: excelente ductilidad y comportamiento frente a tensiones alternas.
Control del proceso y aseguramiento de calidad
La eficacia de un tratamiento térmico depende tanto del diseño del ciclo como del control del proceso. Las variables críticas incluyen:
- Temperatura real y uniformidad térmica: control mediante termopares calibrados y sistemas PID.
- Atmósfera y presión: en tratamientos en vacío o controlados, se monitorizan las fugas y pureza del gas.
- Velocidad de enfriamiento: afecta directamente a la formación de martensita o precipitados.
- Ensayos metalográficos y dureza: verificación de microestructuras, curvas de templabilidad y perfiles de dureza.
- Trazabilidad y repetibilidad: fundamental en entornos certificados (ISO 9001, NADCAP).
El uso de hornos de última generación con control digital, enfriamiento a presión y sistemas de registro garantiza reproducibilidad y cumplimiento de especificaciones
Conclusiones
La elección del tratamiento térmico adecuado para una aleación metálica concreta es una decisión estratégica que combina metalurgia, ingeniería de proceso y conocimiento de aplicación. No existen tratamientos universales: cada combinación de aleación y función final requiere un diseño térmico a medida.
Los aceros, superaleaciones y aleaciones avanzadas ofrecen una enorme versatilidad, pero también exigen precisión en el control térmico y atmosférico. Factores como la composición química, la geometría de la pieza, las cargas de servicio y la compatibilidad con recubrimientos o mecanizados posteriores determinan el éxito del proceso.
En la práctica industrial, los tratamientos térmicos en vacío y las tecnologías de atmósferas controladas han permitido alcanzar niveles de calidad y repetibilidad impensables hace unas décadas. Integrados en sistemas de control digital y trazabilidad total, constituyen la base de la metalurgia de precisión actual, donde cada grado, cada minuto y cada parámetro de enfriamiento se traducen directamente en prestaciones y fiabilidad.
Como empresa de servicios, en TTT Group ofrecemos a nuestros clientes una gestión integral de sus necesidades en el tratamiento de piezas, aportando la solución óptima en la elección y combinación de soluciones técnicas para sus productos.
