¿Qué es el Acero Templado? Perspectivas Expertas sobre el Endurecimiento del Acero para Herramientas y Estructuras

Cómo el templado es importante para el acero funcional.

Las aleaciones metálicas están hechas de una combinación precisa de elementos, como ingredientes en una receta. La forma en que estos elementos se unen bajo calor cambia las propiedades de la aleación, igual que 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 hace un buen material para herramientas, resortes, acero estructural, e incluso espadas.

Veamos los fundamentos del acero templado… y cómo el acero con temple es más flexible y cedente que el acero sin temple.

Metalurgia 101

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

Aquí hay algunos términos comunes que escuchará sobre metalurgia y templado de acero:

• Resistencia: qué tan bien el acero resistirá deformación permanente o rotura
• Tenacidad: qué tan bien el acero resistirá la fractura (a menudo, a medida que la resistencia aumenta, la tenacidad también)
• Dureza: qué tan bien el metal resistirá rayado o indentación
• Resistencia al Impacto: qué tan bien el acero resistirá carga de choque con deformación mínima (a menudo también conocido como tener alta tenacidad-resistencia)
• Resistencia al Desgaste: qué tan bien el acero soportará erosión, ablación, descamación y agallamiento (a menudo también referido como su dureza)
• Integridad Estructural: qué tan bien el acero soportará una carga sin fracturarse

El acero es un material popular para construcción. Los dos elementos requeridos del acero son hierro y carbono, y las aleaciones a menudo también contienen pequeñas cantidades de otros metales. El acero contiene menos del 2,14 % de carbono: aleaciones con mayor carbono son usualmente una forma de hierro fundido. Las aleaciones a menudo pueden contener manganeso y cantidades traza de silicio, fósforo, azufre y oxígeno. El acero es tan duradero y fuerte que puede usarse por décadas o más, luego puede reciclarse una y otra vez sin perder sus propiedades. Gran parte de la nueva producción de acero incluye cantidades de acero reciclado.

Microestructuras del acero

Antes de poder aprender cómo cambiar las propiedades del acero, primero debemos entender su microestructura. El calentamiento y enfriamiento preciso del acero cambiará su microestructura:

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

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

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

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

Esta forma ocurre cuando las aleaciones basadas en hierro se calientan entre 815 °C y 982 °C (1500 °F y 1800 °F).

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

Cementita

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

Perlita

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

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

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

Estas microestructuras son importantes para entender las propiedades mecánicas del acero. Contenido de carbono, concentraciones de aleación y métodos de acabado todos contribuyen a la microestructura del acero. Una vez que sabe esto, puede aprender cómo manipular sus propiedades mediante tratamientos térmicos precisos como el templado del acero.

Visión general de tratamientos térmicos

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

Hay 3 tratamientos térmicos comunes:

• Recocido (Annealing): El metal se calienta para ablandarlo, luego se enfría lentamente. La congelación lenta de las microestructuras hace granos grandes y redondos de metal. Esto libra al metal de tensión interna y lo hace más propenso a solo abollarse o doblarse cuando es golpeado.
• Temple (Quenching): En este proceso, el metal se enfría rápidamente (a menudo en baño de agua o aceite). Esto congela las moléculas rápidamente. Muchos granos pequeños y dentados de metal comienzan a congelarse a la vez, con mucho desplazamiento en cada grano y entre ellos. Compare esto con un enfriamiento muy lento, donde los granos se enfrían lentamente con el tiempo en flores circulares más grandes. Los granos de metal enfriados lentamente pueden moverse past cada uno cuando el metal es golpeado, abollando el metal pero no rompiéndolo. La congelación por choque da a la estructura molecular menos espacio para moverse al ser golpeado, haciéndolo más duro, menos propenso a abollarse. La red molecular en estas estructuras se llama martensita, y es la estructura molecular choqueada y dentada de la martensita la que da a los metales templeados su dureza característica.
• Templado (Tempering): Para reducir cualquier dureza excesiva creada mediante producción o temple, el metal puede templarse calentándolo a una temperatura específica por un tiempo específico dependiendo de las propiedades que intenta cambiar.

¿Por qué templar acero?

El acero se templa para darle las propiedades materiales correctas para su aplicación. Estas pueden ser:

• Reducir dureza mientras se aumenta tenacidad (un material tenaz resiste astillado por impacto, donde un material duro resiste indentación y fracturará antes de doblarse)
• Aumentar ductilidad (permitiéndole cambiar forma sin romperse)
• Aumentar resistencia al desgaste
• Aumentar maquinabilidad si el acero necesita trabajarse más

Proceso de acero templado

Antes de templar acero, a menudo se templa el acero primero, para endurecerlo. Luego la temperatura de templado determina cuánta dureza remueve del metal. Cuanto mayor la temperatura, más dureza se remueve. Por ejemplo, herramientas duras se templan a temperaturas más bajas, mientras que 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 prevenir oxidación. Una vez que el acero se calienta a la temperatura especificada, mantiene la temperatura por un tiempo establecido dependiendo del tipo de acero y las propiedades mecánicas que quiere lograr.

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

La imagen superior muestra los diferentes colores que el templado del acero produce en el metal:

• Empezando a la izquierda está el Acero Normalizado. Este es acero que ha sido calentado por encima de su temperatura crítica superior y enfriado en aire estático.
• Segundo desde la izquierda es Acero Templeado. Ese es acero que se enfrió rápidamente.
• Los siguientes ocho muestran los colores del acero templado basado en su temperatura - 80 °C (176 °F) a 200 °C (392 °F) [Nota: la tabla original tiene 130F a 730F, pero la imagen muestra 176C a 388C. Mantendré la tabla original con conversión correcta.]

Ejemplos de acero templado (por temperatura/color):

Color	Temperatura (°C / °F)	Aplicaciones típicas
Amarillo Pálido	80 °C / 176 °F	Grabadores, navajas, raspadores
Amarillo Claro	96 °C / 205 °F	Brocas de roca, escariadores, sierras de corte de metal
Paja Oscura	108 °C / 226 °F	Punzones, cuchillas de cepillo
Marrón	127 °C / 260 °F	Cintas, matrices, brocas, martillos, cinceles en frío
Púrpura	139 °C / 282 °F	Herramientas quirúrgicas, punzones, herramientas para tallar piedra
Azul Oscuro	154 °C / 310 °F	Destornilladores, llaves
Azul Claro	169 °C / 337 °F	Resortes, tornillos para cortar madera
Azul Grisáceo	188 °C / 371 °F	Acero estructural

¿Cuál es la diferencia entre templar acero y endurecer?

Templar acero y endurecer acero dan a la misma aleación diferentes capacidades.

Endurecer acero lo hace más rígido, y menos propenso a rayarse o indentarse. Sin embargo, esta superficie más dura es más frágil. No se indentará si es golpeado, pero si la fuerza de impacto es demasiado fuerte, se fracturará o astillará. Con el templado se pierde algo de dureza para aumentar tenacidad. La tenacidad es la capacidad de resistir fractura o astillado, pero el intercambio es que es más propenso a rayarse o indentarse.

A menudo endurecerá el acero primero, luego templará el acero después para alcanzar una proporción específica de dureza a tenacidad.

Tratamientos térmicos y acero templado en espadas y cuchillos

El templado es una parte importante de la fabricación de cuchillas. Algunas de las mejores espadas se crean mediante un proceso llamado templado diferencial. Con un templado diferencial, un herrero puede crear una hoja con filo muy duro con un núcleo más blando y elástico en el centro de la hoja. Esto aumenta la tenacidad de la hoja y previene rotura.

En Japón, las katanas a menudo se endurecían o templaban diferencialmente usando aplicaciones de arcilla para ayudar a controlar la tasa de cambio durante temple y templado. Diferentes espesores de arcilla podían ayudar a controlar la tasa de cambio.

En otros procesos de templado diferencial, el calor solo se aplica a una porción de la hoja (a menudo el lomo). Los fabricantes de espadas observaban el color de la hoja cambiar mientras se irradia al filo. Una vez que casi alcanza el color paja claro en el filo, retiran el calor.

Tratamientos térmicos y acero templado en aplicaciones "modernas"

El acero templado no es solo para cuchillos y espadas. Tiene aplicaciones reales en producción moderna. Las herramientas a menudo se templan para ser muy, muy duras: el temple es parte del proceso de acero para herramientas para crear un filo de trabajo duro que soporta abrasión e indentación. Las herramientas de precisión a menudo necesitan mantener este filo duro para mantenerse dentro de tolerancia de trabajo. Sin embargo, el templado puede ser necesario después para la integridad de la herramienta en general, para hacerla menos frágil. Resortes, acero estructural, y otras piezas metálicas que requieren propiedades materiales específicas también pueden someterse a tratamiento térmico, creando un templado consistente o diferencial dependiendo de las necesidades materiales de la aplicación.

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