Entendiendo la templabilidad del acero: profundidad de endurecimiento y efectos del tratamiento térmico

Muchos tipos de acero tienen una respuesta beneficiosa a un método de tratamiento térmico conocido como temple. Uno de los criterios más importantes en el proceso de selección de un material de pieza es la templabilidad. La templabilidad describe qué tan profundo puede endurecerse un metal al templar desde alta temperatura, y también puede referirse como la profundidad de endurecimiento.

Acero a Escala Microscópica:

El primer nivel de clasificación de aceros a nivel microscópico es su estructura cristalina, la forma en que los átomos están dispuestos en el espacio. Las configuraciones Cúbico Centrado en el Cuerpo (BCC) y Cúbico Centrado en las Caras (FCC) son ejemplos de estructuras cristalinas metálicas. Ejemplos de estructuras cristalinas BCC y FCC pueden verse abajo en la Figura 1. Tenga en cuenta que las imágenes en la Figura 1 pretenden mostrar la posición atómica y que la distancia entre los átomos está exagerada.

El siguiente nivel de clasificación es una fase. Una fase es una porción uniforme de un material que tiene las mismas propiedades físicas y químicas. El acero tiene 3 fases diferentes:

1. Austenita: Hierro cúbico centrado en las caras; también aleaciones de hierro y acero que tienen estructura cristalina FCC.
2. Ferrita: Hierro cúbico centrado en el cuerpo y aleaciones de acero que tienen estructura cristalina BCC.
3. Cementita: Carburo de hierro (Fe₃C)

El nivel final de clasificación discutido en este artículo es la microestructura. Las tres fases vistas arriba pueden combinarse para formar diferentes microestructuras de acero. Ejemplos de estas microestructuras y sus propiedades mecánicas generales se muestran abajo:

• Martensita: la microestructura más dura y fuerte, pero la más frágil
• Perlita: Dura, fuerte y dúctil pero no particularmente tenaz
• Bainita: tiene combinación deseable resistencia-ductilidad, más dura que perlita pero no tan dura como martensita

Endurecimiento a Escala Microscópica:

La templabilidad del acero es una función del contenido de carbono del material, otros elementos de aleación, y el tamaño de grano de la austenita. La austenita es una fase gamma de hierro y a altas temperaturas su estructura atómica sufre una transición de una configuración BCC a una FCC.

Alta templabilidad se refiere a la capacidad de la aleación para producir un alto porcentaje de martensita a lo largo del cuerpo del material al templar. Los aceros endurecidos se crean templando rápidamente el material desde una alta temperatura. Esto implica una transición rápida de un estado de 100% austenita a un alto porcentaje de martensita. Si el acero tiene más de 0,15% de carbono, la martensita se convierte en una forma cúbica centrada en el cuerpo altamente tensionada y supersaturada con carbono. El carbono efectivamente cierra la mayoría de los planos de deslizamiento dentro de la microestructura, creando un material muy duro y frágil. Si la tasa de temple no es lo suficientemente rápida, el carbono difundirá fuera de la fase austenítica. El acero entonces se convierte en perlita, bainita, o si se mantiene caliente el tiempo suficiente, ferrita. Ninguna de las microestructuras recién mencionadas tiene la misma resistencia que la martensita después del revenido y generalmente se ven como desfavorables para la mayoría de aplicaciones.

El tratamiento térmico exitoso de un acero depende de tres factores:

1. El tamaño y forma de la probeta
2. La composición del acero
3. El método de temple

1. El tamaño y forma de la probeta

Durante el proceso de temple, el calor debe transferirse a la superficie de la probeta antes de poder disiparse en el medio de temple. Consecuentemente, la tasa a la que el interior de la probeta se enfría depende de su relación superficie-volumen. Cuanto mayor la relación, más rápido se enfriará la probeta y por tanto más profundo el efecto de endurecimiento. Por ejemplo, una barra cilíndrica de 3 pulgadas con 1 pulgada de diámetro tendrá una templabilidad mayor que una barra de 3 pulgadas con 1,5 pulgadas de diámetro. Debido a este efecto, las piezas con más esquinas y bordes son más susceptibles al endurecimiento por temple que formas regulares y redondeadas. La Figura 2 es un diagrama de transformación tiempo-temperatura (TTT) de muestra de las curvas de enfriamiento de una barra de 95 mm templada en aceite. La superficie se transformará en 100% martensita mientras que el núcleo contendrá algo de bainita y por tanto tendrá una dureza menor.

2. La composición del acero

Es importante recordar que diferentes aleaciones de acero contienen diferentes composiciones elementales. La proporción de estos elementos relativa a la cantidad de hierro dentro del acero produce una amplia variedad de propiedades mecánicas. Aumentar el contenido de carbono hace el acero más duro y fuerte pero menos dúctil. El elemento de aleación predominante de los aceros inoxidables es el cromo, que da al metal su fuerte resistencia a la corrosión. Desde que los humanos han estado manipulando la composición del acero por más de un milenio, el número de combinaciones es infinito.

Debido a que hay tantas combinaciones que producen tantas propiedades mecánicas diferentes, se usan pruebas estandarizadas para ayudar a categorizar diferentes tipos de acero. Una prueba común para templabilidad es la Prueba Jominy, mostrada en la Figura 3 abajo. Durante esta prueba, un bloque estándar de material se calienta hasta que es 100% austenita. El bloque se mueve rápidamente a un aparato donde se temple en agua. La superficie, o el área en contacto con el agua, se enfría inmediatamente y la tasa de enfriamiento cae como función de la distancia desde la superficie. Luego se rectifica un plano a lo largo de la longitud de la muestra. La dureza en varios puntos se mide a lo largo de este plano. Estos datos se grafican en una carta de templabilidad con dureza como eje-y y distancia como eje-x.

Las curvas de templabilidad se construyen a partir de los resultados de las pruebas Jominy. Ejemplos de algunas curvas de aleaciones de acero se muestran en la Figura 4. Con una tasa de enfriamiento decreciente (caída más pronunciada de dureza en distancia corta), se permite más tiempo para la difusión de carbono y la formación de una mayor proporción de perlita más blanda. Esto significa menos martensita y una templabilidad menor. Un material que retiene valores de dureza más altos a distancias relativamente largas se considera altamente templable. Además, cuanto mayor la diferencia de dureza entre los dos extremos, menor la templabilidad. Es típico de las curvas de templabilidad que a medida que aumenta la distancia desde el extremo templado, la tasa de enfriamiento disminuye. El acero 1040 inicialmente tiene la misma dureza que tanto 4140 como 4340 pero se enfría extremadamente rápido a lo largo de la muestra. Los aceros 4140 y 4340 se enfrían a una tasa más gradual y por tanto tienen mayor templabilidad. 4340 tiene una tasa de enfriamiento menos extrema relativa a 4140 y así tiene la mayor templabilidad del trío.

Las curvas de templabilidad dependen del contenido de carbono. Un mayor porcentaje de carbono presente en el acero aumentará su dureza. Debe notarse que las tres aleaciones en la Figura 4 contienen la misma cantidad de carbono (0,40% C). El carbono no es el único elemento de aleación que puede afectar la templabilidad. La disparidad en comportamiento de templabilidad entre estos tres aceros puede explicarse en términos de sus elementos de aleación. La Tabla 1 abajo muestra una comparación del contenido de aleación en cada uno de los aceros. 1040 es un acero al carbono simple y por tanto tiene la templabilidad más baja ya que no hay otros elementos además del hierro para bloquear los átomos de carbono de escapar de la matriz. El níquel añadido a 4340 permite una cantidad ligeramente mayor de martensita formarse comparado con 4140, dándole la mayor templabilidad de estas tres aleaciones. La mayoría de elementos de aleación metálicos ralentizan la formación de perlita, ferrita y bainita, por tanto aumentan la templabilidad del acero.

Tabla 1: Contenido de aleación de aceros 4340, 4140 y 1040

Tipo de Acero:	Níquel (% en peso):	Molibdeno (% en peso):	Cromo (% en peso):
4340	1,85%	0,25%	0,80%
4140	0,00%	0,20%	1,00%
1040	0,00%	0,00%	0,00%

Puede haber variación en templabilidad dentro de un grupo de material. Durante la producción industrial de acero, siempre hay ligeras variaciones inevitables en la composición elemental y tamaño de grano promedio de un lote a otro. La mayoría de las veces la templabilidad de un material se representa por curvas máxima y mínima establecidas como límites.

La templabilidad también aumenta con el aumento del tamaño de grano austenítico. Un grano es un cristal individual en un metal policristalino. Piense en una vidriera (como la vista abajo), el vidrio coloreado serían los granos mientras que el material de soldadura manteniéndolo todo junto serían los bordes de grano. Austenita, ferrita y cementita son todos diferentes tipos de granos que componen las diferentes microestructuras del acero. Es en los bordes de grano donde la perlita y bainita se formarán. Esto es perjudicial para el proceso de endurecimiento ya que la martensita es la microestructura deseada, los otros tipos interfieren con su crecimiento. La martensita se forma del enfriamiento rápido de granos de austenita y su proceso de transformación aún no se entiende bien. Con el aumento del tamaño de grano, hay más granos de austenita y menos bordes de grano. Por tanto, hay menos oportunidades para microestructuras como perlita y bainita formarse y más oportunidades para que la martensita se forme.

3. El método de temple

Como se indicó previamente, el tipo de temple afecta la tasa de enfriamiento. Usar aceite, agua, polímeros acuosos para temple, o aire rendirá una dureza diferente a través del interior de la pieza. Esto también desplaza las curvas de templabilidad. El agua produce el temple más severo seguido por aceite y luego aire. Los polímeros acuosos para temple proporcionan tasas de enfriamiento entre las de agua y aceite y pueden adaptarse a aplicaciones específicas cambiando la concentración y temperatura del polímero. El grado de agitación también afecta la tasa de remoción de calor. Cuanto más rápido el medio de temple se mueve a través de la probeta, mayor la efectividad del temple. Los temples en aceite se usan generalmente cuando un temple en agua puede ser demasiado severo para un tipo de acero ya que puede agrietarse o deformarse al tratamiento.

Mecanizado de Aceros Endurecidos

El tipo de cortador que debe elegirse para procesar herramientas elegidas para mecanizar una pieza después del endurecimiento depende de unas cuantas variables diferentes. Sin contar los requisitos geométricos específicos de la aplicación, dos de las variables más importantes son la dureza del material y su templabilidad. Algunas aplicaciones de alto estrés requieren un mínimo de 80% de martensita producida a lo largo del interior de la pieza. Usualmente, piezas moderadamente estresadas solo requieren alrededor de 50% de martensita a lo largo de la pieza. Al mecanizar un metal templado con muy baja templabilidad, una herramienta de carburo sólido recubierta estándar puede funcionar sin problema. Esto es porque la porción más dura de la pieza está limitada a su superficie. Al mecanizar un acero con alta templabilidad se recomienda que use un cortador con geometría especializada para esa aplicación específica. Alta templabilidad resultará en una pieza dura a lo largo de todo su volumen. Harvey Tool tiene una serie de diferentes cortadores para acero endurecido a lo largo del catálogo, incluyendo brocas, fresas de mango, cortadores de chaveta y grabadores.

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Acero Endurecido, Resumido

La templabilidad es una medida de la profundidad a la que una aleación ferrosa puede endurecerse por la formación de martensita a lo largo de todo su volumen, superficie a núcleo. Es una propiedad importante del material que debe considerar al elegir un acero así como herramientas de corte para una aplicación particular. El endurecimiento de cualquier acero depende del tamaño y forma de la pieza, la composición molecular del acero, y el tipo de método de temple usado.