El tratamiento térmico del hierro fundido presenta similitudes y diferencias con el del acero. El tratamiento térmico del hierro fundido no puede mejorar la morfología ni la distribución del grafito en la microestructura original. En el caso del hierro fundido gris, el efecto de concentración de tensiones provocado por el grafito laminar es el factor principal que determina sus propiedades; por ello, el efecto de refuerzo del tratamiento térmico sobre el hierro fundido gris resulta mucho menos significativo que en el acero y en el hierro fundido nodular. Por consiguiente, los procesos de tratamiento térmico del hierro fundido gris incluyen principalmente el recocido y el normalizado, entre otros.
En el caso del hierro fundido nodular, dado que el grafito adopta una forma esférica, el efecto de escisión sobre la matriz se reduce considerablemente. La estructura de la matriz puede desempeñar plenamente su función mediante el tratamiento térmico, lo que permite mejorar de manera significativa las propiedades mecánicas del material. Por ello, al igual que el acero, el hierro fundido dúctil dispone de procesos como el recocido, el normalizado, el temple y el revenido, así como el temple a varias temperaturas, el temple por inducción y tratamientos térmicos superficiales químicos.
Proceso de tratamiento térmico del hierro fundido:
1. Recocido para aliviar tensiones
Debido a la no uniformidad del espesor de las paredes de las piezas fundidas, durante el calentamiento, el enfriamiento y las transformaciones de fase se generan tensiones efectivas y tensiones estructurales. Además, en piezas de gran tamaño es fácil que persistan tensiones internas tras el mecanizado; todas estas tensiones internas deben eliminarse. La temperatura general de recocido para aliviar tensiones suele situarse entre 500 y 550 °C, con un tiempo de mantenimiento de 2 a 8 horas, seguido de un enfriamiento en horno (para hierro gris) o por aire (para hierro fundido nodular). Este proceso permite eliminar entre el 90 % y el 95 % de las tensiones internas de la pieza fundida, aunque la microestructura del hierro fundido permanece inalterada. Si la temperatura supera los 550 °C o el tiempo de mantenimiento es excesivo, se produce en cambio una grafitización, lo que disminuye la resistencia y la dureza de la pieza.
2. Recocido de grafitización a alta temperatura para eliminar la fundición blanca
Al enfriar la pieza fundida, es frecuente que aparezca una zona blanca en la capa superficial y en las secciones finas. Esta microestructura blanca es dura y frágil, presenta pobre maquinabilidad y tiende a descascararse con facilidad. Por ello, es necesario aplicar un recocido (o normalizado) para eliminar dicha estructura blanca. Proceso de recocido: calentar a 550–950 °C durante 2–5 horas, luego enfriar en horno hasta 500–550 °C y finalizar el enfriamiento al aire. Durante el período de aislamiento a alta temperatura, la cementita libre y la cementita eutéctica se descomponen en grafito y austenita, mientras que la cementita secundaria y la cementita eutectoide también se descomponen durante el enfriamiento posterior, dando lugar a la grafitización. Debido a esta descomposición de la cementita, la dureza disminuye, mejorando así la maquinabilidad.
3. Normalización del hierro dúctil
El propósito de la normalización del hierro fundido dúctil es obtener una estructura de matriz perlítica, refinando los granos y uniformizando la microestructura, con el fin de mejorar las propiedades mecánicas de las piezas fundidas. En ocasiones, la normalización también constituye una preparación estructural previa al temple superficial del hierro fundido dúctil. La normalización puede dividirse en normalización a alta temperatura y normalización a baja temperatura. La temperatura de normalización a alta temperatura generalmente no supera los 950–980 °C, mientras que la normalización a baja temperatura suele realizarse en el rango de temperatura eutectoide, entre 820 y 860 °C. Tras la normalización, por lo general se requiere un tratamiento adicional para eliminar las tensiones internas generadas durante dicho proceso.
4. Temple y revenido del hierro dúctil
Para mejorar las propiedades mecánicas del hierro dúctil, generalmente las piezas fundidas se calientan a 30–50 °C por encima de Afc1 (Afc1 representa la temperatura final de formación de austenita durante el calentamiento) y, tras mantenerse a esta temperatura, se templarán en aceite para obtener una estructura de martensita. Con el fin de reducir adecuadamente las tensiones residuales tras el temple, es habitual realizar un revenido después del temple. La microestructura resultante del revenido a baja temperatura consiste en martensita revenida, bainita y grafito esferoidal; esta estructura presenta buena resistencia al desgaste y se emplea en piezas que requieren alta resistencia al desgaste y elevada resistencia mecánica. La temperatura de revenido a media temperatura oscila entre 350 y 500 °C; tras este tratamiento, la microestructura obtenida es troostita revenida junto con grafito esferoidal, siendo adecuada para piezas gruesas que demandan buena resistencia al desgaste, cierta estabilidad y elasticidad. En cuanto al revenido a alta temperatura, se sitúa entre 500 y 600 °C; tras este proceso, la microestructura resultante es sorbita revenida con grafito esferoidal, que ofrece excelentes propiedades combinadas de tenacidad y resistencia, por lo que se utiliza ampliamente en la producción.
5. Templado isotérmico del hierro dúctil
El hierro dúctil puede alcanzar una alta resistencia, buena plasticidad y tenacidad tras el temple isotérmico. La selección de la temperatura de calentamiento para el temple isotérmico considera principalmente lograr que la microestructura inicial sea completamente austenítica, sin presencia de ferrita residual, y evitar también el crecimiento del grano de la austenita. Por lo general, la temperatura de calentamiento se sitúa entre 30 y 50 °C por encima de Afc1, con el fin de asegurar la obtención de una estructura bainítica inferior con propiedades mecánicas equilibradas. Tras el temple isotérmico del hierro fundido nodular de aluminio‑magnesio‑tierras raras, se obtienen valores de σb = 1200–1400 MPa, αk = 3–3,6 J/cm² y HRC = 47–51. Sin embargo, conviene señalar que tras el temple isotérmico debe añadirse un proceso de revenido.
6. Endurecimiento superficial
Con el fin de aumentar la dureza superficial, la resistencia al desgaste y la resistencia a la fatiga de determinadas piezas fundidas, puede aplicarse el temple superficial. Tanto las piezas fundidas de hierro gris como las de hierro dúctil pueden someterse a temple superficial. Por lo general, se emplean técnicas como el temple superficial por inducción de alta (o media) frecuencia y el temple superficial por contacto eléctrico.
7. Tratamiento térmico químico
Para piezas fundidas que requieran resistencia al desgaste superficial, resistencia a la oxidación y resistencia a la corrosión, puede adoptarse un proceso de tratamiento térmico químico similar al utilizado en el acero, tales como la cloración suave gaseosa, la cloración, la boruración, la sulfuración, etc.