El tratamiento térmico es un proceso de fabricación popular que mejora la calidad de los materiales mediante la exposición controlada a la temperatura. El endurecimiento por precipitación es uno de los procesos de tratamiento térmico más comunes y útiles, cuyo principal objetivo es aumentar el límite elástico y la tenacidad de las aleaciones metálicas.
En este artículo, analizamos en detalle el endurecimiento por precipitación. Explicamos el proceso de endurecimiento por precipitación, qué materiales comúnmente se endurecen por precipitación, así como las ventajas y desafíos.
¿Qué es el endurecimiento por precipitación?
Comencemos con la pregunta principal de esta discusión: ¿Qué es el endurecimiento por precipitación? En pocas palabras, el endurecimiento por precipitación, también llamado endurecimiento por envejecimiento o endurecimiento por partículas, es un método de tratamiento térmico que aumenta la resistencia de las aleaciones metálicas.
Funciona principalmente formando precipitados de materiales/impurezas de aleación o partículas de fase secundaria dentro de la estructura principal del material huésped. Estos precipitados provocan distorsiones en la estructura cristalina de la aleación y producen el efecto característico de aumento de la precipitación.
En resumen, el envejecimiento es extremadamente útil para mejorar las propiedades materiales de una variedad de aleaciones. Permite a los ingenieros diseñar componentes de larga duración con un presupuesto limitado y una disponibilidad de material limitada.
¿Cómo funciona el endurecimiento por precipitación?
El proceso de endurecimiento por precipitación consta esencialmente de tres pasos, cada uno de los cuales requiere un control cuidadoso.
1. Preparación
El primer paso es preparar la pieza y el sistema de endurecimiento por precipitación.
Para la pieza, los profesionales ponen un especial cuidado en que el tratamiento térmico sea lo más eficaz y económico posible. Las geometrías complejas y voluminosas suelen ser un desafío porque el calor no se distribuye uniformemente por todo el cuerpo, lo que genera problemas más adelante. Por tanto, el objetivo es mantener la geometría lo más simple posible. Sin embargo, esto no siempre es posible porque la mayoría de los componentes que endurecen por precipitación son productos terminados, como matrices o herramientas.
Además, el equipo de curado suele ser un horno que alberga la pieza durante el calentamiento y mantiene el calor al nivel requerido. En general, los hornos deben prepararse con mucha antelación para conseguir las temperaturas correctas y una distribución uniforme del calor por toda la cámara de calentamiento. Uno de los pasos preparatorios importantes durante el curado es limpiar, calentar y controlar la temperatura del horno.
2. Disolver o tratar en solución
Aquí comienza el verdadero tratamiento térmico. El objetivo de toda esta actividad, como ya se ha explicado, es hacer más tenaz la aleación, cambiando su microestructura. Esto no es posible a temperatura ambiente porque los componentes microestructurales están inmóviles y fijados en sus posiciones específicas.
Por lo tanto, primero se debe llevar el metal a un estado en el que se puedan realizar los cambios deseados en su microestructura. En este paso, los operadores calientan la aleación a alta temperatura en un horno. Normalmente la temperatura de calentamiento está justo por debajo del punto de fusión de la aleación o ligeramente por encima de su temperatura de recristalización.
A esta temperatura, los elementos de aleación y todas las demás impurezas del metal huésped se disuelven y forman una solución sólida homogénea. Por esta razón, este paso se llama tratamiento con solución. Se consigue una distribución uniforme y uniforme de los elementos de aleación en todo el volumen de la solución sólida.
Ahora esta solución está lista para la siguiente etapa del proceso de curación.
3. témpera
El siguiente paso en el proceso de endurecimiento por precipitación es el enfriamiento rápido. Al final de la fase de endurecimiento de la solución, los elementos de aleación se distribuyen uniformemente en la matriz del metal anfitrión y todas las partículas de la microestructura pueden moverse fácilmente en la matriz. La estructura es muy dúctil y flexible. Por supuesto, esto no es deseable en el caso de aleaciones duras.
Por lo tanto, en la fase de enfriamiento rápido, este estado de solución sólida se congela en su lugar. Para ello, la solución sólida extremadamente caliente se enfría rápidamente a temperatura ambiente en un medio de enfriamiento adecuado, como agua o aceite.
Después del enfriamiento rápido, todas las partículas de la microestructura se fijan en sus respectivas posiciones. Esto mantiene la uniformidad de la solución sólida pero pierde la ductilidad de la solución de alta temperatura. En este estado congelado, el movimiento de la microestructura está extremadamente restringido porque las partículas están fijas en su lugar.
4. Precipitación
El último paso en el tratamiento térmico por precipitación es la precipitación o envejecimiento. Después del enfriamiento, los operadores recalientan la aleación a una temperatura más baja y la mantienen allí durante un período de tiempo más largo. De ahí viene el nombre de “envejecimiento”, ya que lleva tiempo.
La temperatura de envejecimiento depende del metal de aleación, pero generalmente está en el rango entre 150°C y 550°C. El período de envejecimiento suele ser de unas pocas horas.
Durante el envejecimiento, los elementos de aleación se mezclan en la solución sólida y forman pequeños grupos finamente dispersos dentro de la matriz. Estos aglomerados, o precipitados como los llamamos aquí, provocan el endurecimiento de las partículas, actúan como barreras al movimiento de las dislocaciones en la matriz reticular y previenen la deformación plástica. Esto aumenta la dureza y resistencia del material.
Es muy importante controlar la temperatura y la duración del envejecimiento en esta etapa. Tiene un impacto directo en el tamaño, distribución y composición de los precipitados, lo que a su vez afecta la calidad de la aleación endurecida por precipitación.
Una vez que se ha logrado la precipitación deseada, la aleación se lleva lentamente de nuevo a temperatura ambiente y luego está lista para su uso.
¿Qué materiales se someten comúnmente al proceso de endurecimiento por precipitación?
El tratamiento térmico por precipitación se utiliza para una variedad de aleaciones metálicas. Los más comunes son el aluminio que endurece por envejecimiento (2024, 6061 y 7075), el acero inoxidable que endurece por precipitación (17-4 PH, 15-5 PH), las aleaciones de titanio y las aleaciones de magnesio.
El endurecimiento no se limita a los metales convencionales sino que también se extiende a las superaleaciones. Las superaleaciones a base de níquel como Inconel 718, Waspaloy y René 41 también son compatibles con el tratamiento térmico por precipitación.
En general, la gama de aleaciones endurecibles es muy diversa y ofrece a los ingenieros mucha flexibilidad en su trabajo. Por ejemplo, el acero inoxidable endurecible por envejecimiento aumenta el límite elástico del material y ofrece una combinación única de propiedades del material, como alta resistencia, resistencia a la corrosión y buena apariencia.
Ventajas del endurecimiento por precipitación
Los materiales endurecidos por precipitación se caracterizan por numerosas propiedades favorables que los hacen superiores a sus variantes no tratadas. Esta sección resume los principales beneficios del endurecimiento por partículas.
La mayor fortaleza
La mayor ventaja del endurecimiento por precipitación es el aumento del límite elástico. Como se mencionó anteriormente, esto se debe a que el endurecimiento de las partículas previene los movimientos de desplazamiento y proporciona plasticidad adicional a la aleación.
Para poner las cosas en perspectiva, el aluminio 6061 es un candidato popular para endurecer el aluminio. La dureza de endurecimiento T6 aumenta el límite elástico de esta aleación de 124 MPa a 276 MPa, más del doble del valor original. Esto resalta la importancia del endurecimiento por precipitación para mejorar la resistencia de un material.
tenacidad
Otra propiedad positiva que se puede mejorar mediante la curación es la tenacidad. Libera tensiones internas en el material y asegura una microestructura más uniforme. Esto aumenta la resistencia a cargas de choque y fracturas relacionadas con tensiones y contribuye a la integridad estructural de las estructuras técnicas.
Considere nuevamente el aluminio 6061. Su resistencia a la tracción aumenta de 117 MPa a 310 MPa con el tratamiento térmico T6, lo que ilustra el efecto del endurecimiento por precipitación.
tenacidad
La dureza es otra propiedad importante que se mejora durante el proceso de curado. Como antes, esto es producto de una mayor resistencia al desplazamiento dentro de la matriz de aleación.
Tomemos como ejemplo el proceso de fundición a presión. Los moldes deben ser fuertes, duros y muy duraderos para soportar miles de ciclos de producción. Para lograrlo, los fabricantes utilizan moldes de acero o aluminio endurecidos por precipitación, que tienen una vida útil más larga y un mayor valor para la producción en masa.
Estabilidad dimensional
La mejora de la resistencia y la tenacidad también va acompañada de una mejora de la estabilidad dimensional de la aleación. El material se vuelve ligeramente más resistente a la deformación térmica y plástica, lo que resulta en una mayor capacidad para mantener su forma bajo tensión mecánica y térmica.
Desde un punto de vista técnico, esta es una característica muy deseable. Después del curado, las piezas no se deforman fácilmente y mantienen su forma durante procesos de producción intensivos como el mecanizado y pulido de metales.
Rentabilidad
El tratamiento térmico por precipitación también da como resultado menores costos de producción. La mejora de las propiedades mecánicas a menudo supera el coste adicional del tratamiento térmico porque no requiere inversión en una aleación costosa con las mismas propiedades.
Por ejemplo, las propiedades del acero inoxidable endurecido por precipitación pueden ser comparables a las de materiales de alta resistencia, lo que ahorra el coste de comprar costosas aleaciones de titanio.
Retos y consejos para el tratamiento del endurecimiento excretor
El endurecimiento por precipitación presenta algunos desafíos. El éxito depende de requisitos de control de precisión y mecanismos complejos. Las siguientes secciones destacan algunos de los desafíos clave y consejos de curación.
Desafíos del endurecimiento por precipitación
Aquí hay tres desafíos principales en el proceso de precipitación.
Homogeneidad de las precipitaciones
Lograr un tamaño y una distribución uniformes de la precipitación es fundamental para un curado exitoso, pero puede resultar un desafío. Problemas como estos ocurren cuando el calor se aplica de manera desigual al material o cuando el enfriamiento no es lo suficientemente eficiente como para congelar todas las partes del volumen del material de manera uniforme. Esto resulta especialmente complicado en el caso de piezas grandes y complejas.
envejecimiento excesivo
El envejecimiento excesivo es un problema común en el tratamiento térmico por precipitación. Ocurre cuando el material envejece a temperaturas muy altas o durante mucho tiempo, provocando que los precipitados se vuelvan espesos. El resultado es una reducción de la fuerza.
Tensiones internas
Un efecto secundario negativo del enfriamiento rápido durante el enfriamiento y la posterior expansión térmica durante el envejecimiento es la creación de tensiones internas en el material. Esto puede provocar deformaciones dimensionales, grietas y propiedades irregulares. Los ingenieros pueden combatir esto minimizando los gradientes térmicos durante los ciclos de calentamiento y enfriamiento y aplicando tratamientos para aliviar el estrés, como la compresión en frío.
Consejos para el endurecimiento por precipitación
Para asegurarse de que el tratamiento contra las consecuencias se desarrolle sin problemas, puede seguir los consejos a continuación.
Optimizar los parámetros del tratamiento térmico.
Numerosos parámetros como la temperatura, el tiempo y las tasas de calentamiento/enfriamiento determinan el éxito del proceso de endurecimiento por precipitación. Comprender cómo estos parámetros afectan el resultado y optimizar su selección en consecuencia lo ayudará a lograr resultados óptimos.
Por ejemplo, si utiliza un medio de enfriamiento deficiente durante el enfriamiento, la velocidad de enfriamiento puede disminuir, lo que provoca que se formen precipitados mayores de lo necesario dentro de la matriz de aleación, lo que afecta negativamente su dureza y tenacidad. Sin embargo, este nivel de competencia requiere algo de experimentación y experiencia, por lo que es necesario utilizar métodos de prueba adecuados y dedicar algo de tiempo al aprendizaje.
Control preciso de la temperatura
Mantener la temperatura correcta durante el endurecimiento por precipitación es crucial para un proceso de tratamiento térmico exitoso. Por ejemplo, los valores orientativos generales para las temperaturas de solución y envejecimiento del aluminio 6061 son 529 °C y 160 °C, respectivamente. Para maximizar la eficiencia del tratamiento térmico, los operadores deben permanecer dentro de un rango estrecho de estos objetivos de temperatura.
Inspeccion de calidad
Monitorear el desempeño del proceso a través de pruebas de calidad es una excelente manera de obtener retroalimentación sobre el desempeño de su sistema de tratamiento térmico. Las pruebas que utilizan los ingenieros para las pruebas de calidad durante el proceso incluyen pruebas no destructivas y pruebas de dureza para medir la propensión a fallas y las propiedades del material.
Endurecimiento por precipitación vs. recocido y templado
El tratamiento térmico es un concepto muy versátil que incluye diferentes tipos de procesos. El endurecimiento por precipitación, el recocido y el temple son probablemente los más comunes. Por supuesto, existe cierta confusión entre estos procesos, ya que los tres implican someter las aleaciones a temperatura durante períodos de tiempo específicos.
Endurecimiento por precipitación vs. recocido
El recocido es principalmente un proceso de alivio de tensiones que mejora la ductilidad y maquinabilidad del material. Esto contrasta con el endurecimiento, cuyo objetivo principal es hacer que el material sea más fuerte y duro.
Sin embargo, el inicio de ambos procesos es similar. El horno aumenta la temperatura de la aleación hasta un punto cercano a la temperatura de recristalización. Después de eso, sin embargo, los pasos de ambos procesos son diferentes.
Durante el endurecimiento por precipitación, la solución sólida caliente se enfría (apaga) rápidamente en el siguiente paso. Por otro lado, durante el recocido, la aleación calentada se enfría mucho más lentamente y de manera más controlada en un medio de enfriamiento menos agresivo como el aire en calma.
Endurecimiento por precipitación vs. templado
El enfriamiento se ha mencionado anteriormente en esta discusión ya que también es un subproceso del proceso de endurecimiento por precipitación.
El enfriamiento implica calentar el material a una temperatura alta y luego enfriarlo muy rápidamente a temperatura ambiente, congelando su microestructura en su estado actual. Esto conduce a la dureza y fragilidad del material.
Esto es fundamentalmente diferente del endurecimiento por precipitación. El endurecimiento implica calentar el material, templarlo y luego calentarlo nuevamente para formar precipitados de endurecimiento. Por tanto, implica más pasos que un simple proceso de templado.
Aplicaciones del proceso de endurecimiento por precipitación
El endurecimiento por precipitación tiene numerosas aplicaciones en una amplia variedad de industrias. Algunas de las aplicaciones más importantes se destacan a continuación.
- Aeroespacial : las aleaciones endurecidas por precipitación se utilizan ampliamente en la fabricación de componentes estructurales de aeronaves, como trenes de aterrizaje, componentes de motores, sujetadores, etc. Por ejemplo, se sabe que Al-6061 T6 es adecuado para uso espacial debido a sus aplicaciones aeroespaciales.
- Industria automotriz : los componentes automotrices, como piezas de motor, componentes de suspensión y piezas de chasis, se someten a un proceso de curado para mayor resistencia y durabilidad.
- Médico : muchos fabricantes de implantes e instrumentos quirúrgicos prefieren las aleaciones endurecidas por precipitación debido a su dureza y durabilidad.
- Fabricación de herramientas : Las herramientas de corte para mecanizado generalmente se fabrican a partir de aleaciones de precipitación debido a su mayor resistencia y resistencia al desgaste.
Concluyendo
El endurecimiento por precipitación es sin duda uno de los procesos de tratamiento térmico más útiles en la fabricación. Ofrece resultados increíbles en forma de mayor resistencia, dureza y estabilidad dimensional.
Preguntas frecuentes
¿Qué influencia tiene la elección de la temperatura y el tiempo de endurecimiento en las propiedades de las aleaciones endurecidas por precipitación?
La temperatura y la duración del curado son fundamentales para lograr los resultados deseados. Temperaturas más altas o tiempos de exposición más prolongados pueden producir precipitaciones más intensas y, por tanto, reducir los efectos positivos del curado.
¿Cuáles son los mayores desafíos para lograr una formación uniforme de precipitado en una pieza de forma compleja?
Con geometrías de piezas complejas, lograr propiedades uniformes es un desafío. Estrategias como los dispositivos de tratamiento térmico y enfriamiento controlado pueden hacer el trabajo.
¿Qué influencia tiene el medio de enfriamiento sobre las propiedades de una aleación endurecida por precipitación?
La elección del medio de enfriamiento (agua, aceite, solución de polímero, etc.) puede afectar la velocidad de enfriamiento durante el enfriamiento y la microestructura resultante del material. Diferentes velocidades de enfriamiento pueden provocar variaciones en la dureza, la resistencia y las tensiones residuales, lo que puede afectar negativamente a la calidad de la pieza.
