Pregunte a un metalúrgico:¿Qué es el acero templado?

La importancia del templado para el acero funcional.

Las aleaciones de metal están hechas de una combinación precisa de elementos, como los ingredientes de una receta. La forma en que estos elementos se unen bajo el calor cambia las propiedades de la aleación, al igual que las diferentes técnicas de cocción cambian el sabor de los alimentos.

El acero templado cambia las propiedades mecánicas del metal para hacerlo más fuerte y resistente. Esto lo convierte en un buen material para herramientas, resortes, acero estructural e incluso espadas.

Echemos un vistazo a los conceptos básicos del acero templado... y cómo el acero templado es más flexible y flexible que el acero sin templado.

Metalurgia 101

La metalurgia es tanto la ciencia (como se aplica a la producción de metales) como la tecnología de los metales. Se relaciona con la composición química de los metales y sus atributos físicos y mecánicos.

Estos son algunos términos comunes que escuchará relacionados con la metalurgia y el acero templado:

• Fuerza :qué tan bien resistirá el acero la deformación permanente o el desgarro
• Resistencia :qué tan bien resistirá el acero la fractura (a menudo, a medida que aumenta la resistencia, también lo hará la tenacidad)
• Dureza :qué tan bien se rayará o se abollará el metal
• Resistencia al impacto :qué tan bien resistirá el acero la carga de choque con una deformación mínima (a menudo también conocida como tenacidad de alta resistencia)
• Resistencia al desgaste :qué tan bien resistirá el acero la erosión, la ablación, el desconchado y el excoriado (a menudo también denominado dureza)
• Integridad estructural :qué tan bien resistirá el acero una carga sin fracturarse

El acero es un material popular para la construcción. Los dos elementos necesarios del acero son el hierro y el carbono, y las aleaciones también suelen contener pequeñas cantidades de otros metales. El acero contiene menos del 2,14 % de carbono:las aleaciones con mayor contenido de carbono suelen ser una forma de hierro fundido. Las aleaciones a menudo pueden contener manganeso y trazas de silicona, fósforo, azufre y oxígeno. El acero es tan duradero y fuerte que se puede utilizar durante décadas o más, luego se puede reciclar una y otra vez sin perder sus propiedades. Gran parte de la producción de acero nuevo incluye cantidades de acero reciclado.

Microestructuras de acero

Antes de que podamos aprender cómo cambiar las propiedades del acero, primero debemos entender su microestructura. El calentamiento y enfriamiento precisos del acero cambiarán su microestructura:

Ferrita:estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo (BCC)

Esto es hierro puro a temperatura ambiente. También puede describir acero con muy bajo contenido de carbono.

Imagina un cubo con una molécula en cada esquina y otra en el centro del cubo. Las moléculas están sueltas y contienen menos moléculas dentro de cada cubo. A temperatura ambiente solo se puede añadir un 0,006 % de carbono a la estructura.

Austenita - Estructura cristalina cúbica centrada en las caras (FCC)

Esta forma ocurre cuando las aleaciones a base de hierro se calientan entre 1500F y 1800F.

Imagina el cubo con una molécula en cada esquina y una molécula en el centro de cada lado del cubo. Estas moléculas están más compactas que la ferrita y pueden contener hasta un 2 % de carbono.

Cementita

Cuando el acero al carbono se calienta hasta el rango de austenita, luego se enfría sin ninguna aleación presente, se transforma nuevamente en forma de ferrita. La cementita se forma cuando el contenido de carbono es superior al 0,006 % y los átomos de carbono se combinan con el hierro para formar carburo de hierro (Fe3C). Nunca obtendrá una pieza de metal que sea cementita pura, porque parte del material permanecerá en forma de ferrita.

Perlita

Capas alternas de ferrita y cementita formarán una nueva estructura llamada perlita. Esto sucede cuando el acero se enfría lentamente, formando una mezcla eutéctica (aquella en la que dos materiales fundidos cristalizan simultáneamente). Está formando ferrita y cementita al mismo tiempo, en un patrón alterno.

Martensita - estructura cristalina tetragonal centrada en el cuerpo (BCT)

Esta microestructura de acero se forma al enfriar el acero muy rápidamente, lo que obliga a los átomos de carbono a quedar atrapados en la red de hierro. El resultado es una estructura de hierro y acero muy dura, parecida a una aguja.

Estas microestructuras son importantes para entender las propiedades mecánicas del acero. El contenido de carbono, las concentraciones de aleación y los métodos de acabado contribuyen a la microestructura del acero. Una vez que sepa esto, puede aprender a manipular sus propiedades a través de tratamientos térmicos precisos como el acero templado.

Resumen de tratamientos térmicos

El tratamiento térmico de los metales alterará sus propiedades físicas. Puede aumentar su resistencia, ductilidad, tenacidad, dureza y resistencia a la corrosión.

Hay 3 tratamientos térmicos comunes:

• Recocido :El metal se calienta para ablandarlo y luego se enfría lentamente. La congelación lenta de las microestructuras produce granos de metal grandes y redondos. Esto libera el metal de la tensión interna y hace que sea más probable que solo se abolle o se doble cuando se golpea.
• Enfriamiento :En este proceso, el metal se enfría rápidamente (a menudo en un baño de agua o aceite). Esto congela las moléculas rápidamente. Muchos granos pequeños e irregulares se crean en la superficie por la repentina reducción de la temperatura. Los bordes dentados de los granos se entrelazan, lo que hace que sea menos probable que el metal se doble cuando se golpea:la superficie es más dura.
• Templado :Para reducir cualquier exceso de dureza creado a través de la producción o el enfriamiento, el metal se puede templar calentándolo a una temperatura específica durante un tiempo específico según las propiedades que está tratando de cambiar.

¿Por qué templar el acero?

El acero se templa para darle las propiedades materiales adecuadas para su aplicación. Estos pueden ser:

• Reducción de la dureza y aumento de la tenacidad (un material resistente resiste el astillado por impacto, mientras que un material duro resiste las hendiduras y se fracturará antes de doblarse)
• Aumento de la ductilidad (permitiéndole cambiar de forma sin romperse)
• Mayor resistencia al desgaste
• Mayor maquinabilidad si el acero necesita trabajarse más

Proceso de acero templado

Antes de templar el acero, a menudo primero templará el acero para endurecerlo. Luego, la temperatura de templado determina la cantidad de dureza que elimina del metal. Cuanto más alta es la temperatura, más dureza se elimina. Por ejemplo, las herramientas duras se templan a temperaturas más bajas, mientras que los resortes flexibles se templan a temperaturas más altas.

El acero a menudo se calienta en un horno de gas, resistencia eléctrica o inducción con vacío o gas inerte para evitar la oxidación. Una vez que el acero se calienta a la temperatura especificada, mantiene la temperatura durante un período de tiempo determinado según el tipo de acero y las propiedades mecánicas que desea lograr.

No necesita un termómetro o una pistola de temperatura para saber cuándo se calienta a la temperatura adecuada. El acero templado cambia a un color transparente dependiendo de la temperatura de templado. Este color está formado por una capa de óxido que se forma en la superficie. Las temperaturas más altas crean capas más gruesas de óxido de hierro, al igual que los períodos de tiempo más largos que se pasan en esa zona de temperatura. Esta capa ayuda a prevenir la corrosión del acero.

La imagen de arriba muestra los diferentes colores que produce el acero templado en el metal:

• Empezando a la izquierda está Acero normalizado . Este es acero que se ha calentado por encima de su temperatura crítica superior y se ha enfriado en aire estancado.
• El segundo desde la izquierda es Acero templado . Eso es acero que se enfrió rápidamente.
• Los siguientes ocho muestran los colores del acero templado en función de su temperatura:130F (176C) a 730F (388C)

Ejemplos de acero templado (por temperatura/color):

Amarillo Débil	176C / 349F	Grabadores, navajas, raspadores
Amarillo claro	205C / 401F	Perforadoras de roca, escariadores, sierras para corte de metal
Paja oscura	226C / 439F	Scribers, hojas de cepilladoras
Marrón	260C / 500F	Cintas, troqueles, brocas, martillos, cortafríos
Púrpura	282C / 540F	Herramientas quirúrgicas, punzones, herramientas para tallar piedra
Azul oscuro	310C / 590F	Destornilladores, llaves
Azul claro	337C / 639F	Muelles, tornillos para cortar madera
Gris Azul	371C/700F	Acero estructural

¿Cuál es la diferencia entre el acero templado y el templado?

El acero templado y el acero endurecido le dan a la misma aleación diferentes capacidades.

El acero endurecido lo hace más rígido y menos propenso a rayarse o abollarse. Sin embargo, esta superficie más dura es más frágil. No se mellará si recibe un golpe, pero si la fuerza del impacto es demasiado fuerte, se fracturará o astillará. Con el templado se pierde algo de dureza para aumentar la tenacidad. La dureza es la capacidad de resistir la fractura o el astillado, pero el intercambio es que es más probable que se raye o melle.

A menudo, primero endurecerá el acero y luego lo templará para alcanzar una relación específica de dureza a tenacidad.

Tratamientos térmicos de espadas y cuchillos

El templado es una parte importante de la fabricación de cuchillas. Algunas de las mejores espadas se crean a través de un proceso llamado templado diferencial. Con un temperamento diferencial, un herrero puede crear una hoja de filo muy duro con un núcleo más suave y elástico en el centro de la hoja. Esto aumenta la dureza de la hoja y evita que se rompa.

En Japón, las katanas a menudo se endurecían o templaban de manera diferencial mediante el uso de aplicaciones de arcilla para ayudar a controlar la tasa de cambio durante el temple y el revenido. Diferentes espesores de arcilla podrían ayudar a controlar la tasa de cambio.

En otros procesos de templado diferencial, el calor solo se aplica a una parte de la hoja (a menudo, el lomo). Los fabricantes de espadas observaban cómo cambiaba el color de la hoja a medida que se irradiaba hacia el borde afilado. Una vez que casi alcanza el color pajizo claro en el borde, eliminan el calor.

Tratamientos térmicos y acero templado en aplicaciones “modernas”

El acero templado no es solo para cuchillos y espadas. Tiene aplicaciones del mundo real en la producción moderna. Las herramientas a menudo se templan para que sean muy, muy duras:el enfriamiento es parte del proceso de acero para herramientas para crear un borde de trabajo duro que resiste la abrasión y las hendiduras. Las herramientas de precisión a menudo necesitan mantener este borde duro para mantenerse dentro de la tolerancia de trabajo. Sin embargo, el templado puede ser necesario posteriormente para la integridad de la herramienta en general, para que sea menos frágil. Los resortes, el acero estructural y otras piezas de metal que requieren propiedades específicas del material también pueden someterse a un tratamiento térmico, ya sea creando un templado uniforme o diferencial según las necesidades del material de la aplicación.

El metal, como un cristal con una microestructura maleable, ofrece al científico de materiales muchas formas de abordar la solución de un problema con una inteligente combinación de selección de aleación y tratamiento térmico.