Tema1.TratamientosAceros

TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS
TRATAMIENTO TERMICO. Conjunto de calentamientos y
enfriamientos controlados a que puede ser sometida
una aleación sólida con el fin de modificar su estructura
micrográfica (y en consecuencia sus propiedades), sin que
cambie la composición química de la aleación.
En el caso de los aceros se basan en la serie de
transformaciones que puede experimentar la
austenita en función de las condiciones de
enfriamiento.
Se
reserva
el
nombre
de
TRATAMIENTOS
TERMOMECÁNICOS para aquellos que producen
modificaciones estructurales de la aleación por
calentamiento y, simultáneamente, conformación
mecánica de la aleación sólida antes del enfriamiento
Se denominan TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS los que
comportan además, una modificación química en la
periferia de la aleación.
TEMPLE+REVENIDO  BONIFICADO DEL ACERO
TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS
Se trata de estudiar las condiciones más favorables, de calentamiento y enfriamiento, para obtener una
determinada estructura y la forma en que influye ésta en las características físicas, químicas, mecánicas y
estructurales de los aceros, con el fin de conseguir las mejores características en la utilización.
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Con ellos se pueden alcanzar algunos de los objetivos siguientes:
Conseguir la estructura de menor dureza o mejor maquinabilidad.
Eliminar la acritud que origina el trabajo en frío.
Eliminar las tensiones de cualquier origen, que pueden ser la causa de deformaciones después del
maquinado, o producir roturas en servicio.
Eliminar las tensiones internas, originadas por deformación de la red atómica, las cuales elevan la
dureza y aumentan la fragilidad.
Conseguir una estructura más homogénea que antes de dar el tratamiento térmico.
Conseguir máxima dureza y resistencia.
Mejorar la resistencia a los agentes químicos.
Variar alguna de las características físicas.
Ocasionar modificaciones estructurales, de dimensión y de forma de los microconstituyentes, sin
modificar su naturaleza.
Producir mediante procesos químicos o químico-físicos, modificaciones en la composición química del
material en su superficie.
Conferir propiedades particulares a las capas superficiales.
ENFRIAMIENTO EN LOS TRATAMIENTOS TÉRMICOS CON AUSTENIZACIÓN PREVIA
Varios de los tratamientos térmicos y termomecánicos de los aceros
requieren primeramente lograr por calentamiento que el acero tenga
estructura austenítica (AUSTENIZACIÓN), para, desde esas altas
temperaturas, transformar luego por ENFRIAMIENTO y conseguir
aquella estructura en los constituyentes que se deseen en cada caso.
La temperatura de austenización previa al temple (temperatura de
temple) no debe ser alta con el fin de evitar sobrecalentamientos y/o
quemados.
Tal ocurre, por ejemplo,
• en varios de los tratamientos térmicos: recocido de regeneración,
normalizado, temple, recocido isotérmico, etc.
• en algunos tratamientos termoquímicos (por ejemplo cementación)
• en algunos termomecánicos (recristalización en fase gamma,
conformado de la austenita, etc.).
TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS // ENFRIAMIENTO DESDE EL ESTADO AUSTENÍTICO
El enfriamiento puede ser CONTINUO (Tratamientos con Enfriamiento Continuo: Curvas CCT) y realizarse de diversas
maneras: enfriando dentro del horno, al aire, en agua, en aceite, etc.
En otros casos el enfriamiento es ISOTÉRMICO (Tratamientos Isotérmicos o Curvas TTT); conseguido, por ejemplo,
mediante inmersión en un baño de sales fundidas o de plomo fundido.
La estructura micrográfica que presentará el acero al
término del tratamiento térmico será el resultado de la
interacción entre las curvas de enfriamiento (de la
superficie y del núcleo de la pieza) y la curva TTT.
Según sea más o menos rápido el enfriamiento (mayor o
menor velocidad de enfriamiento) desde el estado
austenítico, una misma pieza de acero puede presentar
en un determinado punto de su interior una estructura:
• martensítica,
• bainítica,
• de perlita fina
• de perlita gruesa.
TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS // ENFRIAMIENTO DESDE EL ESTADO AUSTENÍTICO
Los FACTORES que condicionan la estructura micrográfica de una pieza al término de un tratamiento térmico con
austenización previa pueden resumirse en tres:
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(i) Curva T.T.T. del acero
(ii) Severidad del medio refrigerante (su aptitud para absorber calor de la superficie de la pieza)
(iii) Tamaño de la pieza a tratar (Masa, forma y dimensiones)
(i).- Curva T.T.T
La curva T.T.T. del acero, y en concreto su posición respecto al origen de
tiempos, depende del tamaño de grano de la austenita y de la composición
química del acero. Esa curva resultará más alejada del origen de tiempos
cuanto mayor sea el tamaño de grano austenítico y cuantos más
elementos en solución sólida tenga la austenita.
Por ello se dice que el acero tiene tanta más templabilidad -mayor facilidad
para el temple- cuanto más apartada del origen de tiempos se halle su
curva TTT. Así, para un acero muy aleado su curva TTT estará muy
desplazada del origen de tiempos y podría obtenerse martensita por simple
enfriamiento al aire desde la temperatura de austenización. Los aceros que
templan por simple enfriamiento al aire se denominan "autotemplantes".
Para que los aleantes resulten eficaces en el temple han de estar
solubilizados previamente en la austenita.
Composición.-Tanto las curvas TTT, de enfriamiento isotérmico, como las modificadas, de enfriamiento continuo, dependen de la
composición química del acero, por tanto, ésta será la que nos fija los otros factores: temperatura, tiempo de permanencia
en ella y ley de enfriamiento o velocidad.
(ii).- Severidad del agente refrigerante
La severidad de un agente refrigerante puede valorarse no sólo cualitativamente (tiene más severidad el agua que el aceite y éste
más que el aire), sino también cuantitativamente. Los medios de enfriamiento más corrientes son el agua, aceite, agua salada
muy agitada, baños de sales fundidas, plomo fundido, aire en calma y a presión, etc. Las velocidades de enfriamiento más
elevadas se consiguen con salmueras agitadas
Veamos cómo enfría la superficie del acero
Mecanismo del proceso de enfriamiento. Consideremos que la pieza que se va a enfriar
tiene forma cilíndrica y que su longitud es muy superior al diámetro, con lo cual la
pérdida de calor tendrá lugar preferentemente a través de la superficie lateral del
cilindro. Además se considera que la temperatura en la pieza es uniforme en el momento
de introducirla en el medio de enfriamiento. Si éste se encuentra a una temperatura Tm,
muy inferior a la de la pieza, cuando la introducimos en él, se establece inmediatamente
en la superficie de separación de ambas un elevado gradiente de temperatura que hace
que aparezca un flujo de calor.
La velocidad de flujo de calor través de la intercara metal - refrigerante sigue la
ley de Newton:
q  A Ts  Tm 
(1)
Ts = Temperatura de la superficie de la pieza
Tm =Temperatura del medio refrigerante
A = Coeficiente de conductividad térmica de la intercara (depende de la
naturaleza de la capa de la intercara y del estado de la superficie de la pieza)
De la expresión anterior se deduce que la velocidad de evacuación de calor en la superficie de la pieza es tanto más elevada
cuanto mayor sea A y mayor el gradiente de temperatura en la intercara.
Como consecuencia de la evacuación del calor en la superficie de la pieza, se establece en el interior de
ésta otro gradiente de temperatura entre el núcleo y la superficie, que da lugar a un flujo de calor cuya
velocidad viene dada por la expresión (Ley de Fourier):
q’  k
Tn  Ts
R
 2k
Tn  Ts
(2)
D
k = Conductividad térmica del acero
D = Diámetro de la pieza
Tn = Temperatura del núcleo
Ts = Temperatura de la superficie
De la expresión anterior se deduce que la velocidad de evacuación de calor del interior de la pieza,
depende de la conductividad térmica del metal, de sus dimensiones y de la diferencia de
temperatura entre el núcleo y la periferia.
Por otra parte, el principio de conservación del calor exige que la velocidad de salida de éste por la superficie, sea igual a la
velocidad con que llega, esto es, se ha de verificar que q = q‘, [(1)=(2)], por tanto:
A Ts  Tm   2k
Tn  Ts 2k

Ts  Tn 
D
D
o bien:
A
1
Ts  Tm   Ts  Tn 
2k
D
(3)
Si D (Diámetro de la pieza) permanece constante, de la expresión anterior se deduce que cuanto mayor sea A/2k, tanto menor
será el gradiente (Ts - Tm) con relación a (Ts-Tn), o lo que es igual, si el valor de A/2k es muy elevado, la superficie de la pieza se
enfría muy rápidamente, ya que entonces (Ts - Tm) ha de ser muy pequeño.
Para que se cumpla la condición (3), se requiere que transcurra un breve intervalo de tiempo después de introducir la pieza en el
medio de enfriamiento. Una vez que se han establecido los dos gradientes de temperatura: (Ts - Tm) y (Ts-Tn), el enfriamiento
continúa y la variación de temperatura, tanto en el núcleo como en la periferia, sigue la ley de Newton.
(ii).- Severidad del agente refrigerante
Para conocer la eficacia de los diversos medios de enfriamiento, es preciso
conocer la serie de fenómenos que tienen lugar desde que se introduce la pieza
en el medio refrigerante, hasta que se alcanza la temperatura final, y la
influencia que éstos ejercen en la velocidad de enfriamiento. En general pueden
considerarse tres etapas, perfectamente definidas durante el enfriamiento.
El coeficiente A varía durante el enfriamiento de la superficie de la
pieza. Tal ocurre, por ejemplo, si el refrigerante es agua en reposo.
ETAPA A.- Cuando se introduce una pieza de acero, calentada a la temperatura de
austenización, en un liquido refrigerante cuya temperatura de ebullición es muy
inferior a la temperatura de la pieza, al ponerse en contacto, se forma
instantáneamente, en la superficie de separación de ambas, una capa de
vapor que rodea al metal y lo aísla del líquido, verificándose el enfriamiento
por radiación y conducción a través de la capa gaseosa (las burbujas de vapor
dificultan la transmisión de calor). La velocidad de enfriamiento en esta etapa
es bastante baja, debido a que el coeficiente de película (A) también lo es, y la
transmisión del calor desde el interior de la pieza al medio exterior tiene lugar
gracias al elevado gradiente de temperatura acero-liquido
El valor del coeficiente de película en esta etapa depende del calor de
vaporización del líquido, de las capacidades caloríficas del vapor y del líquido y
de la temperatura de ebullición, que en esta fase es la más importante. En el
agua este coeficiente es inferior que en el aceite.
Enfriamiento de la superficie del acero
ETAPA B.- Conforme va disminuyendo la temperatura en la
superficie de la pieza, disminuye también el espesor de la
capa de vapor que rodea a la misma y, en ciertos puntos, el
líquido en forma de gotitas llegará a ponerse en contacto
con el acero. Este contacto es sólo momentáneo, puesto que
la gota se vaporiza tan pronto como toca el acero,
desplazándose las burbujas por gravedad y convección; se
establece así una serie de contactos ininterrumpidos líquidoacero, que dan origen a una velocidad de enfriamiento
mucho más elevada que en la etapa anterior, pues a pesar de
ser menor el gradiente de temperaturas acero-liquido, el
valor del coeficiente de película (A) es mucho más elevado
que el anterior. Al desprenderse las burbujas e iniciarse
corrientes de convección en el líquido, la transmisión de calor
es rápida (A aumenta).
La temperatura a la cual tiene lugar la transición de la
etapa A a la B es tanto más elevada cuanto mayor es la
temperatura de ebullición del líquido. El valor del
coeficiente de película en esta etapa depende de la
viscosidad del líquido, agitación del baño o de la pieza (según
tamaño) y, principalmente, del calor de la vaporización.
La capacidad de enfriamiento del agua en esta etapa es muy elevada.
Enfriamiento de la superficie del acero
ETAPA C.- Se llega a esta etapa cuando la superficie de la
pieza se ha enfriado tanto, que alcanza la temperatura de
ebullición del líquido refrigerante. En esta etapa existe un
contacto íntimo pieza-liquido, de forma que el calor perdido
por la pieza pasa directamente al líquido a través de la
intercara, sin llegar a producir vaporización. Ahora la
velocidad de enfriamiento es muy pequeña, pues aun
cuando el coeficiente de película (A) es muy elevado, el
gradiente de temperatura es muy bajo, ya que el
enfriamiento se realiza por conducción y convección del
líquido.
En estas condiciones el coeficiente de película depende de la
capacidad calorífica del líquido, de su grado de agitación y,
principalmente, de su conductibilidad calorífica.
En el caso considerado -tres valores distintos del
coeficiente de película A-, se toma para éste un
valor promedio, que vamos a denominar M.
Enfriamiento de la superficie del acero
TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS
Se denomina severidad, H, del agente refrigerante al cociente:
H
M
2k
k = Conductividad térmica del acero (que puede considerarse constante para todos los aceros, a excepción de los que tienen
contenidos altos en cromo).
M = Valor promedio del coeficiente de conductividad térmica de la intercara
El valor de H es mayor cuanta más capacidad de absorción de calor tenga el medio refrigerante. Así, el valor de H resulta
mayor para el agua que para el aire. El valor de H para un mismo refrigerante aumenta si se agita el medio refrigerante. Por
métodos experimentales pueden determinarse los valores H para diferentes medios refrigerantes y diversos grados de agitación
de éstos.
De un medio refrigerante, "ideal", podría decirse que tiene severidad infinita (H=) si la periferia de la pieza alcanza
instantáneamente la temperatura del medio refrigerante al ser introducida en él. Nótese que ello no implicaría que ocurra
lo mismo con las temperaturas del núcleo de la pieza: iría disminuyendo de temperatura paulatinamente a medida que
fueran fluyendo el calor desde el interior de la pieza hasta su superficie en contacto con aquel medio ideal. Prácticamente
no existe ningún medio de enfriamiento que cumpla esta condición.
Introduciendo el valor de H en la fórmula:
A
1
Ts  Tm   Ts  Tn  se obtiene:
2k
D
HD Ts  Tm   Ts  Tn 
Como la distribución de temperaturas en el interior de la pieza depende de Ts- Tn , si tenemos en cuenta la expresión anterior, se
llega a la conclusión de que esa distribución es función del producto HD. Por tanto, si HD es muy pequeño, se producirá un elevado
gradiente superficial y un pequeño gradiente interior; por el contrario, si HD es muy grande, el gradiente superficial será bajo y el
interior, muy elevado.
En resumen, la severidad de temple H es la que regula el enfriamiento superficial, mientras que el producto HD, la distribución
de temperaturas en el interior de la pieza.
Severidades de enfriamiento para diversos refrigerantes y grados de agitación
AGITACIÓN
Aire
Sin agitación
0,02
Agitación débil
Agitación moderada
Agitación media
Agitación fuerte
Agitación muy fuerte
Sales
0,25 - 0,30
0,30 - 0,35
0,35 - 0,40
0,40 - 0,50
0,50 - 0,80
0,08
Aceite
0,25 - 0,30
0,30 - 0,35
0,35 - 0,40
0,40 - 0,50
0,50 - 0,80
0,8 -1,1
Agua
0,9 - 1
1-1,1
1,2 -1,3
1,40 -1,5
1,6 - 2
4,0
Agua salada
2
2 - 2,2
5,0
(iii).- TAMAÑO DE LA PIEZA
El tamaño de la pieza de acero es otro de los factores que influyen en la estructura
micrográfica lograda al término de un tratamiento térmico por enfriamiento desde el
estado austenítico.
Supóngase un cilindro de diámetro D1 y longitud tan grande que la cesión de calor sea
solamente radial (no por las bases del cilindro). Cuando se enfría en un refrigerante de
severidad H1 (por ejemplo agua tranquila). Al enfriar se establece entre la periferia y
el eje del cilindro un gradiente de temperatura. Este varía con el tiempo, ya que el calor
a ceder -el calor almacenado en el interior del cilindro- es proporcional al volumen. En
cambio, el calor que se cede al medio refrigerante es proporcional a su superficie
lateral. El cociente Volumen/Superficie es igual a D1/4. Por tanto la relación entre el
calor almacenado y el calor que puede ceder aumenta con el diámetro.
Por eso, para un mismo refrigerante de severidad H1 (por ejemplo agua tranquila),
al comparar las curvas de enfriamiento de la periferia y del centro de dos cilindros
de acero cuyos diámetros sean D1 y D2 ( D1 <D2 ), se observa que para el redondo de
mayor diámetro, D2, tanto el núcleo como la periferia enfrían más lentamente que Enfriamiento de la superficie (Vp) y del núcleo (Vn) al
en el redondo de diámetro D1. Al cabo de un tiempo t1, no sólo la temperatura de la variar el tamaño del redondo (DI <D2) y la severidad
periferia es mayor en el redondo de diámetro, D2, sino que además su gradiente de del refrigerante.
temperatura entre periferia y núcleo resulta mayor que en el redondo de diámetro a) Redondo de diámetro D1 enfriado en agua.
D1.
b)
Redondo de diámetro D2 enfriado en agua.
Por otro lado, si se empleara un agente refrigerante de menor severidad que H1 (por c) Redondo de diámetro D1 enfriado al aire.
ejemplo aire) esos gradientes resultan menores en ambos casos.
d)
Redondo de diámetro D2 enfriado al aire.
La estructura micrográfica que presentará el acero al
término del tratamiento térmico será el resultado de
la interacción entre las curvas de enfriamiento -de la
superficie y del núcleo de la pieza (dependientes de
la severidad del agente refrigerante y del tamaño de
la pieza)- y la curva TTT (que depende solamente de
la composición químiica del acero y del tamaño de
grano de su austenita.
Según sea más o menos rápido el enfriamiento desde
el estado austenítico, una misma pieza de acero
puede presentar en determinado punto de su interior
una estructura martensítica, o de otro tipo (bainítica,
perlitica fina o de perlita gruesa).
TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS / RECOCIDO
Mediante el recocido un acero es llevado al estado austenítico homogéneo mediante un calentamiento adecuado, provocándose luego la
descomposición de la austenita mediante UN ENFRIAMIENTO MUY LENTO (que se asemeje a un enfriamiento en condiciones de
equilibrio), que puede ser realizado dentro del horno o de arena previamente calentada, con la finalidad de dar lugar a la transformación
de la estructura de manera gradual y completa y que se obtengan los constituyentes más estables. Aplicando el tratamiento de recocido
se consigue una estructura con el máximo de ferrita y perlita gruesa, compatible con la consiguiente composición del acero.
El RECOCIDO se utiliza con los siguientes fines:
(a).- Para regenerar la estructura cristalográfica afinando el grano.
(b).- Eliminar las tensiones internas producidas mediante los tratamientos termomecánicos o mecánicos en frío de forja, estampado,
laminado, distintos maquinados, etc. Eliminar los efectos del trabajo en frío (Acritud)
(c).- Para "ABLANDAR" los aceros ya que de esta manera se los proporciona con la mayor proporción de ferrita posible, constituyente este
sumamente blando, y posibilitar así o facilitar material apto para realizar tratamientos mecánicos en frío (Recocido de ablandamiento o
industrial). ELLO ES POSIBLE POR HABER LOGRADO, EN EL ENFRIAMIENTO, ESTRUCTURAS FERRITOPERLÍTICAS QUE SON MÁS BLANDAS
QUE LAS BAINÍTICAS O LAS MARTENSÍTICAS. El recocido proporciona a los aceros valores de dureza sumamente bajos.
(d).- Para mejorar las propiedades de las piezas tratadas en virtud de una mejor distribución en toda la masa de los distintos componentes
químicos o estructurales. (Recocido de homogeneización).
Así, con el recocido podemos lograr la total eliminación de la acritud y las tensiones internas en la masa metálica y el afinado de la
estructura cristalina y la total desaparición de los efectos del temple que pueda haberse realizado con anterioridad.
FACTORES QUE INFLUYEN EN EL RECOCIDO
Temperaturas de recocido .- La temperatura que se debe alcanzar en el
tratamiento de recocido, el tiempo de estabilización (homogeneización) y el
período de enfriamiento varían según el tipo de recocido que se desee hacer
(finalidad que se desee alcanzar), naturaleza del material y tamaño de las
piezas. Para lograr simplemente la disminución de tensiones bastará un
calentamiento a una temperatura aproximada a Ac1 (650-700° C). En este caso
el calentamiento debe ser tanto más prolongado cuanto menor sea la
temperatura de recocido, mientras que si deseamos restaurar totalmente el
cristal proporcionando una estructura totalmente uniforme, deberá
calentárselo durante algunas horas a una temperatura superior al Ac3.
Tiempo de calentamiento.- El tiempo de permanencia de las piezas a la
temperatura de recocido, es función del espesor, y puede fijarse en un
tiempo no inferior a una hora por cada 25 mm de espesor en la sección de su
parte más gruesa. Este tiempo es preciso empezar a contarlo desde el instante
en que toda la masa de acero ha alcanzado la temperatura deseada. Los
calentamientos en baños de sales requieren menos tiempo, debido a que en
ellos el calor se transmite con más rapidez.
Velocidad de enfriamiento.-Ha de ser lo suficientemente lenta para permitir
que todas las transformaciones de la austenita se desarrollen en la zona
superior de la reacción perlítica (Figura). Se obtiene así una estructura
formada por ferrita o cementita proeutectoides, según el tipo de acero, y
perlita laminar.
Según el fin que persigamos se pueden distinguir varios tipos de recocido, los cuales
se representan en las figuras 1 y 2. En la figura 1 se exponen esquemáticamente
los diversos tipos de recocido en sus tres etapas : calentamiento (línea oblicua
ascendente), austenización (línea paralela) y enfriamiento (línea oblicua,
descendente, que intersecta con las curvas TTT. La figura 2 es una ampliación,
más detallada, de la región correspondiente al diagrama práctico de equilibrio Fe-C.
Figura 1
En general podemos considerar los siguientes
tipos de recocido:
(a).- Recocido de homogeneización
(b).- Recocido de ablandamiento o industrial
(c).- Recocido de recristalización
(d).- Recocido isotérmico
(e).- Doble recocido
Figura 2
Recocido de homogeneización.
Al solidificar una aleación de composición CI el primer sólido
es rico en el componente A (MAYOR PUNTO DE FUSIÓN) y el
último es más rico en B. Esto da una heterogeneidad en el
interior del grano. Con el recocido de homogeneización se
T
pretende homogeneizar la composición, calentando casi
hasta la temperatura solidus (con esto también
homogeneizamos las propiedades).
CADA CRISTAL TIENE UNA PORCION
CENTRAL DE ALTO PUNTO DE
FUSION , QUE VA SIENDO RODEADA
POR CAPAS DE UN PUNTO DE
FUSION CADA VEZ MÁS BAJO
Se usa en aceros de alto contenido de C o en piezas obtenidas por colado (aceros
brutos de colada) con el objeto de eliminar las grandes diferencias estructurales que se
producen en los aceros sobrecalentados u obtenidos por este método (solidificación
del lingote). El calentamiento en el recocido de regeneración (Homogeneización), es el
de mayor temperatura realizándose a 20-50° C por encima del AC3, con el objeto de
obtener una austenización completa y homogénea , tratando de favorecer al máximo la
difusión; solamente queda limitada por el peligro de quemar el acero, ya que el
sobrecalentamiento que pueda originarse, se eliminará posteriormente durante el
trabajo de laminación en caliente.. La temperatura deberá ser tanto mayor cuanto
menor sea el tenor de C que posea el acero.
Como en todos los tratamientos térmicos, en este, el enfriamiento es la etapa fundamental
del proceso, por lo cual deberán extremarse en esta parte del tratamiento los controles
correspondientes. Si se desea obtener una estructura fina de ferrita y eutectoide, para un
acero hipoeutectoide, el enfriamiento debe realizarse dentro de los límites prefijados, con
una velocidad mayor tendente a evitar el crecimiento del grano cristalino; la velocidad de
enfriamiento debe ser tanto mayor cuanto menor sea su contenido de C.
CI
B
A
TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS / RECOCIDOS SUPERCRÍTICOS
Hay dos tratamientos:
- RECOCIDO DE REGENERACIÓN (O DE AUSTENIZACIÓN COMPLETA)
- RECOCIDO DE AUSTENIZACIÓN INCOMPLETA
Se denominan recocidos supercríticos porque requieren la austenización
previa del acero al menos por encima de la temperatura crítica Ae
Tienen por finalidad ablandar el acero para poder mecanizarlo o
conformarlo en frío. Ello es posible por haber logrado, en el enfriamiento,
una estructura ferrito-perlítica que es más blanda que la bainítica o la
martensítica.
RECOCIDOS SUPERCRÍTICOS RECOCIDO DE REGENERACIÓN O DE AUSTENIZACIÓN COMPLETA
Para efectuar un recocido de regeneración se calienta el acero hasta una temperatura T
superior a su A3c, (T > A3c) y se mantiene a esa temperatura hasta lograr la estructura
austenítica en todos los puntos de la masa de acero. Desde esa temperatura el enfriamiento
debe ser suficientemente lento (figura) con el fin de lograr los constituyentes de equilibrio del
diagrama Fe-Fe3C. El enfriamiento debe ser más lento que en el normalizado.
Conviene enfriar rápidamente entre A3r y Ae, con el fin de disminuir el tiempo total del tratamiento. Ese rápido enfriamiento conlleva que se obtienen granos de ferrita proeutectoide
finos y, por tanto, no se obtiene el máximo ablandamiento.
Después, desde una temperatura ligeramente superior a Ae, debe enfriarse muy lentamente
para obtener perlita laminar gruesa. Una vez lograda totalmente la estructura ferrito-perlítica
la velocidad de enfriamiento ya es indiferente. Suele hacerse al aire.
Recocido de regeneración
La carga de rotura de un acero con un contenido C1 (%) de carbono, así enfriado, en primera aproximación es igual a:
Rm(MPa)=300 + 650C1 y su Dureza Brinell aproximada resulta ser: HB =3.03(30+65C1)=100 + 220C1.
Por razones técnicas el recocido de regeneración sólo se emplea en aceros hipoeutectoides cuando se desea obtener perlita
laminar; por ejemplo, para un posterior fresado. Por razones económicas se prefieren otros recocidos; por ejemplo, el recocido
de austenización incompleta o, incluso, el recocido subcrítico.
El recocido de regeneración no se emplea en aceros hipereutectoides porque comporta riesgos de sobrecalentamiento y/o
quemado.
RECOCIDOS SUPERCRÍTICOS RECOCIDO DE AUSTENIZACIÓN INCOMPLETA
Para efectuar un recocido de austenización incompleta se calienta la pieza de acero hasta una
temperatura T1 comprendida entre Ae y A3c. [T1(Ae ,A3c)]. Se mantiene a esa temperatura un
tiempo menor que el preciso para lograr plenamente las fases de equilibrio, que son ferrita y
austenita. A esa temperatura habrá cementita además de ferrita y austenita. Esa cementita
proviene de la perlita que tenía previamente el acero (o de bainita o martensita) y no se
descompuso plenamente en hierro y átomos de carbono durante el calentamiento a T1.
A continuación se enfría lentamente la pieza de acero desde esa temperatura T1. Al término
de la transformación se obtiene una estructura de ferrita y de un agregado que recibe el
nombre de globulita. Su morfología está constituida por glóbulos de CFe3 dispersos en una
matriz de ferrita.
Recocido de austenización incompleta.
La estructura del acero después de este recocido de austenización incompleta
resulta más blanda que la obtenida en el recocido de regeneración y, por tanto,
más ventajosa para poder efectuar luego operaciones de conformado en frío
del acero o de torneado.
En definitiva, para ablandar un acero, resulta casi siempre ventajoso el recocido
de austenización incompleta respecto al recocido de regeneración. Además,
éste recocido, al requerir temperaturas de austenización inferiores a A3,
consume más energía. Por otra parte el recocido de austenización imcompleta
no presenta riesgos de sobrecalentamiento y puede emplearse también en
aceros hipereutectoides.
RECOCIDOS SUPERCRÍTICOS.
El recocido de austenización incompleta suele denominarse, también, RECOCIDO GLOBULAR por la forma no laminar que
adopta el eutectoide (la perlita). Se puede efectuar de varias maneras, como puede verse en la figura 1.
Una alternancia en las temperaturas antes del enfriamiento favorece la morfología globular y, por tanto, el ablandamiento del
acero. Esa alternancia, al facilitar la nucleación heterogénea de cementita, logra transformar más rápidamente la austenita
eutectoide en globulita.
En lo que antecede se ha supuesto que el enfriamiento, tanto en el recocido de regeneración como en el recocido de austenización
incompleta, se efectúa de modo continuo; por ejemplo programando el descenso de temperatura del horno.
Figura 1.- Ciclos para estructuras de cementita globular
RECOCIDO ISOTÉRMICO
Varias son las razones que pueden aconsejar el empleo del RECOCIDO ISOTÉRMICO para un determinado acero, tanto si el
calentamiento ha sido de austenización completa como de austenización incompleta.
1.- Puede fijarse esa temperatura constante y la transformación de la austenita será uniforme en cualquier punto de la pieza. Ello
permite controlar el espaciado entre láminas, So, de la perlita, y la regularidad de esa perlita tanto en las zonas masivas como
en las de menor sección de la pieza.
2.- Puede elegirse una temperatura de las sales fundidas de forma que toda la austenita se transforme plenamente en perlita
diluida (sin aparición de ferrita proeutectoide), y ello permite, además, enmascarar la estructura bandeada característica de los
aceros forjados.
El recocido isotérmico se hace particularmente necesario cuando el acero tiene gran templabilidad; como ocurre con muchos
aceros autotemplantes empleados para herramientas. En esos casos el lento enfriamiento continuo entre Ae y Ae-50 ºC,
necesario para posibilitar la transformación de la austenita en perlita, puede durar días, pues de lo contrario las estructuras
finales serían bainíticas o martensíticas. En cambio, con enfriamiento isotérmico, la transformación isotérmica de la
austenita en perlita puede realizarse brevemente: habida cuenta de la gran capacidad de absorción de calor de las sales
fundidas si se compara con la del aire caliente.
Eso mismo justifica que, para aceros de gran templabilidad, después de conformar una pieza en estado gamma se aconseje
su inmediata inmersión en sales fundidas cuya temperatura sea inferior y próxima a Ae. Si, en cambio, esa pieza se dejara
enfriar al aire después de la forja se obtendría una estructura dura, de bainita o martensita, inadecuada para aquellas
operaciones complementarias. Con ese enfriamiento isotérmico después de forja se ahorra energía al lograr directamente
una estructura perlítica, blanda, apta para las operaciones de mecanizado y taladros que la pieza requiera a continuación.
Recuérdese que la resistencia mecánica, Rm, de la perlita es inversamente proporcional a la raíz cuadrada del espaciado
interlaminar So.
RECOCIDOS ISOTERMICO.
Desde las temperaturas de austenización total o parcial, el acero es enfriado
por inmersión en un baño de sales fundidas cuya temperatura sea constante.
Esa temperatura debe ser inferior (y próxima) a la temperatura Ae. Se le
mantiene en dicho baño hasta lograr la total transformación de la austenita
en perlita, luego de lo cual se le enfría al aire. En este caso el tratamiento se
denomina recocido isotérmico (Figura 2)
Varias son las razones que pueden aconsejar el empleo del recocido
isotérmico para un determinado acero, tanto si el calentamiento ha sido de
austenización completa como de austenización incompleta. Por una parte
puede fijarse esa temperatura constante y la transformación de la austenita
será uniforme en cualquier punto de la pieza. Ello permite controlar el
espaciado entre láminas, S0, de la perlita y la regularidad de esa perlita tanto
en las zonas masivas como en las de menor sección de la pieza.
Figura 2.- Recocido isotérmico.
Vp - Curva de enfriamiento de la periferia de la pieza.
Vn - Curva de enfriamiento del núcleo de la pieza.
Por otra parte puede elegirse una temperatura de las sales fundidas tal que toda la austenita se transforme plenamente en
perlita diluida (sin aparición de ferrita proeutectoide) y ello permite, además, enmascarar la estructura bandeada característica
de los aceros forjados.
Con este tratamiento se obtienen los mismos resultados que con el recocido industrial, consiguiéndose en algunos casos
una mejor maquinabilidad y siempre un substancial ahorro de tiempo en la operación.
RECOCIDOS ISOTERMICO.
El recocido isotérmico se hace particularmente necesario cuando el acero tiene gran templabilidad, como ocurre con muchos
aceros autotemplantes empleados para herramientas. En efecto, cuanto más fácil resulta de templar un acero en un medio
poco severo tanto más difícil resulta de ablandar. En esos casos, por ejemplo, el lento enfriamiento continuo —entre Ae y 50 ºC
menos— necesario para posibilitar la transformación de la austenita en perlita, puede durar decenas de horas; pues de lo
contrario las estructuras finales serían bainiticas o martensiticas.
En cambio, con enfriamiento isotérmico, la transformación isotérmica de la austenita en perlita puede realizarse en menos
tiempo: habida cuenta de la gran capacidad de absorción de calor de las sales fundidas si se compara con la del aire.
Eso mismo justifica que, para aceros de gran templabilidad, después de conformar una pieza en estado gamma se aconseje su
inmediata inmersión en sales fundidas cuya temperatura sea inferior y próxima a Ae.
En cambio, si esa pieza se dejara enfriar al aire desde el estado gamma de forja se obtendría una estructura dura, de bainita o
martensita, inadecuada para aquellas operaciones complementarias. Con ese enfriamiento isotérmico después de forja se
ahorra energía al lograr directamente una estructura perlitica, blanda, apta para las operaciones de mecanizado y taladros que
la pieza requiera a continuación. La resistencia mecánica, Rm, de la perlita es inversamente proporcional a la raíz cuadrada del
espaciado interlaminar S0.
TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS / TRATAMIENTOS SUBCRÍTICOS
Se conocen con el nombre de tratamientos térmicos subcríticos aquellos cuyo calentamiento nunca alcanza temperaturas que
puedan producir la transformación alotrópica:
Fe(α)  Fe(γ).
El recocido subcrítico y el revenido (revenido de la martensita) son dos ejemplos
de estos tratamientos.
También se incluyen en este epígrafe, subcrítico, los denominados recocidos o
revenidos contra tensiones; que, como su nombre indica, tienen por finalidad
aliviar las tensiones internas del acero por calentamiento a unos 150 °C sin que
varíen sus constituyentes micrográficos.
El recocido de recristalización de aceros ferríticos agrios - por recocido continuo, o
en hornos de campana -, es otro tratamiento subcrítico.
RECOCIDOS SUBCRÍTICOS
Recocido de ablandamiento o industrial.
El recocido subcrítico es otra modalidad de tratamiento empleado para ABLANDAR AL ACERO
Se realiza calentando la pieza de acero hasta una temperatura próxima e inferior a Ae (aproximadamente 700° C) y
permaneciendo un tiempo a esa temperatura. La velocidad de enfriamiento tras el recocido subcrítico puede ser cualquiera ya
que no hay transformaciones alotrópicas.
La estructura que se logra al término de esa permanencia a temperatura constante es de
cementita globular repartida en una matriz de ferrita. La obtención de esa estructura ablanda el
acero cualquiera que sea su estructura inicial; tanto si la estructura previa fuera de martensita,
como si se tratara de bainita o de perlita (Revenido de la bainita y de la perlita).
El ablandamiento que se logra, luego de permanecer a la temperatura subcrítica del
tratamiento, es suficiente para el fin que se persigue en la mayor parte de los aceros utilizados
para maquinaria: el mecanizado. No se llega a valores de dureza tan bajos como en el caso del
recocido de regeneración.
Recocido subcrítico
RECOCIDOS SUBCRÍTICOS
El ritmo de ablandamiento, en función del tiempo de permanencia a la temperatura fijada, es rápido al principio y decrece asintóticamente. Al
cabo de un cierto tiempo, por más que se prolongue el tratamiento, llega a ser casi nulo el ablandamiento que se consigue.
Este tipo de recocido suele denominarse también "recocido globular", habida cuenta de la forma adoptada por la cementita. Con todo parece más
propio reservar ese nombre, y así suele hacerse, para los recocidos de austenización incompleta.
Para algunos aceros aleados, autotemplantes y de herramientas, suele resultar insuficiente el ablandamiento logrado por recocido subcrítico y se
requieren recocidos de austenización completa o incompleta.
Con las limitaciones indicadas en el párrafo anterior el recocido subcrítico presenta varias ventajas respecto a los recocidos supercríticos.
•
Ahorra energía al no precisar temperaturas que superen Ae
•
No presenta los riesgos de deformación y/o agrietamiento de la pieza por transformaciones alotrópicas, que no existen en este tratamiento.
Las variaciones dimensionales debidas a la transformación alotrópica α  γ durante el calentamiento son inherentes a cualquier tratamiento que
requiera austenización y hacen necesario que el calentamiento hasta alcanzar la temperatura de austenización sea lento. Tanto más lento cuanto
mayor sea el tamaño de las piezas. Esos riesgos de tensiones, deformaciones y grietas durante el calentamiento hasta austenización son
comunes a los recocidos de regeneración y de austenización completa, al temple, al normalizado, a la forja en estado gamma, etc.
Si se desea obtener perlita globular, más blanda que la perlita laminar
deberá realizarse el recocido de globulación que consiste en llevar
repetidas veces al metal por encima y por debajo del AC1, con lo que se
logra que la cementita precipite, formándose glóbulos de la misma en
la matriz de ferrita. La operación se realiza de acuerdo al diagrama.
TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS / RECOCIDO
Recocido de recristalizacion. Se realiza sobre aceros que
hayan sufrido anteriormente tratamientos mecánicos de
deformación en frío, como ser estampado, forja, laminado o
trefilado y tiene como objeto el regenerar en el metal su
estructura cristalina original y eliminar las tensiones internas
que puedan producir fragilidad a fin de hacerlo más apto
para resistir los esfuerzos a que se vea sometido.
Las temperaturas y tiempos de enfriamiento se escogen
según el acero a tratar y el grado de acritud del mismo. En
general a 650-700 °C con enfriamiento por aire, los granos
de ferrita deformados por el tratamiento mecánico,
recuperan su estado poliédrico de cristalización con lo cual
vuelven a poseer su anterior ductilidad.
Doble recocido. Esta operación consiste en la ejecución de
un recocido de regeneración seguido de un recocido de
ablandamiento, realizado cuando el acero se halla todavía
caliente. Permite obtener grados de dureza sumamente
bajos.
Esferoidita
Si un acero con microestructura perlítica se calienta hasta una
temperatura inferior a la eutectoide durante un período de
tiempo largo, por ejemplo a 700°C entre 18 y 24 h, se forma
una nueva microestructura denominada esferoidita,
cementita globular o esferoidal (Figura ).
Las partículas de Fe3C aparecen como esferas incrustadas en
una matriz continua de fase α, en lugar de las láminas
alternadas de ferrita y cementita de la perlita o de las
partículas alargadas de Fe3C en una matriz ferrítica como es el
caso de la bainita.
Esta transformación tiene lugar mediante difusión del
carbono sin cambiar la composición o las cantidades relativas
de fases ferrita y cementita. La fuerza impulsora de esta
transformación radica en la disminución del límite de fase αFe3C.
La cinética de la formación de la esferoidita no está incluida
en los diagramas de transformación isotérmica.
Fotomicrografía de un acero con microestructura de esferoidíta. Las
partículas pequeñas son de cementita; la fase continua es ferrita α (x1000).
TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS/NORMALIZADO
Consiste en llevar el acero por encima del Ac3, con el objeto de conseguir su austenización completa, homogeneizarlo en ese
estado y enfriarlo, con mayor velocidad que en el recocido, por lo general al aire libre. El calentamiento se realiza a una
temperatura algo mayor que el recocido completo (temperatura de austenización 40-60 ºC por encima de Ac3) y la mayor velocidad
de enfriamiento permite obtener estructuras perlíticas laminares muy finas.
Uno de los peligros del recocido consiste en que, en razón de su enfriamiento lento, pueden reproducirse las estructuras gruesas
originales. Esto no ocurre en el normalizado pues su mayor velocidad de enfriamiento lo impide. La mayor temperatura a que se
realiza el proceso, acorta el período de homogeneización, por lo que, reduciéndose el total del tiempo de operación (se tarda
menos para austenizar plenamente la estructura cuanto más alta es la temperatura de austenización). Pero no se deben
sobrepasar las temperaturas recomendadas a fin de evitar los riesgos de sobrecalentarniento y quemado. Es procedimiento más
económico, y muy apto para el tratamiento de piezas coladas, por cuya causa se ha difundido muy ampliamente.
En síntesis, el normalizado es apto para:
(a).- Eliminar tensiones producidas por operaciones anteriores.
(b).- Preparar el acero para operaciones de mecanizado merced a la
estructura blanda obtenida.
(c).- Proporcionar mejores propiedades mecánicas en razón de su
estructura perlítica fina.
En aceros hipoeutectoides, la temperatura a que deberá llevarse la pieza
será de 40-60 °C mayor que su AC3. En aceros hipereutectoides, mayor que
su Acm
Realizando esta misma operación en algunos aceros aleados (Cr, Ni, Cr-Ni,
Mn, etc.), denominados autotemplantes (enfriamiento al aire quieto), se
obtiene una estructura martensítica sumamente dura.
TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS/NORMALIZADO
Si un acero hipoeutectoide no es autotemplante (es decir si no se produce martensita por simple
enfriamiento al aire desde el estado austenítico, no lo son los aceros al carbono ni los aceros de baja
aleación-) el enfriamiento al aire desde el estado austenítico suele producir estructuras de ferrita y
perlita laminar en la periferia y en el núcleo de la pieza normalizada (Figura).
Si la pieza normalizada es de gran tamaño, la estructura perlítica en el núcleo de la pieza resultará más
gruesa que en su periferia; porque el enfriamiento periférico ha sido más rápido. Por tanto la carga de
rotura de una probeta extraída del centro de esa pieza de grandes dimensiones resultará menor que la
de otra probeta extraída de una zona cercana a la superficie.
Con el tratamiento de normalizado se intenta obtener una estructura ferritoperlítica"normal" del acero, Normalizado por enfriamiento al aire.
con tamaños de grano ferrítico iguales o apenas inferiores al valor 7 ASTM.
Vp - Curva de enfriamiento de la periferia.
Vn - Curva de enfriamiento del núcleo.
Este tratamiento suele tener por finalidad corregir la estructura de Widmanstátten derivada de un
tamaño austenítico grande. Y, en general, afinar el grano austenítico de los aceros en estado bruto de
moldeo (o bruto de laminación), o sobrecalentados durante una austenización.
Otras veces el normalizado se utiliza como alternativa del temple+revenido. En ese caso se pretende
simplemente lograr una estructura de perlita laminar —diluida y fina— distribuida en una matriz de
ferrita proeutectoide de grano fino. Con esa estructura micrográfica la carga de rotura Rm del acero
(ref VIII.1.6) y su tenacidad pueden resultar suficientes para muchos de los requerimientos en
servicio; sin necesidad de templar y revenir el acero. Así, gran parte de los aceros empleados en
ferrocarriles —raíles, ruedas, etc— se utilizan en estado normalizado.
TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS/NORMALIZADO
La refrigeración al aire desde el estado gamma resulta más rápida que el enfriamiento de equilibrio correspondiente al
diagrama Fe-Fe3C. Suele considerarse de equilibrio el enfriamiento que tendría lugar, desde el estado gamma del acero,
muy lentamente, en el interior de un horno a puerta cerrada, como habitualmente se hace en el recocido de regeneración.
Por tanto, si se comparan los resultados de un normalizado con los de un recocido de regeneración en un mismo acero
hipoeutectoide de contenido en carbono C1 %, el acero normalizado presentará : mayor proporción de perlita; menor
diámetro de grano de la ferrita proeutectoide; menor separación S0 entre láminas de cementita; y más proporción de ferrita en el interior de la perlita. En conclusión, el límite elástico, la carga de rotura, la dureza y, casi siempre, la tenacidad del
acero normalizado resultarán mayores que la del acero recocido.
Generalmente, en casi todos los materiales, cuando aumenta la dureza disminuye la tenacidad. Pero en el caso de un acero
normalizado no necesariamente resultará menor su tenacidad que la de ese mismo acero en estado recocido y por tanto
más blando: adviértase que tras normalizado las láminas de la cementita perlítica resultarán más delgadas que en el
recocido. Esas láminas delgadas pueden por tanto resultar menos frágiles que las gruesas al admitir una cierta deformación
plástica en servicio; y si llegan a quebrarse durante la deformación mecánica, las microgrietas generadas pueden quedar
detenidas en el interior de la ferrita que acolcha la lámina de cementita quebrada. Con lo que, según resulte el grado de
dilución de la perlita, también la tenacidad puede resultar mejorada por un normalizado.
TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS / TEMPLE
Templar una pieza de acero es lograr que su estructura sea plenamente
martensítica. Para ello es necesario austenizar la pieza y enfriarla a velocidad
superior a un cierto valor crítico Vc, con el fin de evitar las curvas de
formación de la perlita y de la bainita.
Con este tratamiento se trata de conseguir alguno de los fines siguientes:
•
Mejorar las características mecánicas de resistencia a la tracción,
límite elástico y dureza, a expensas de disminuir las de alargamiento,
estricción y resiliencia. El temple confiere a los aceros muy poca
resiliencia y una gran fragilidad
•
Modificar las propiedades físicas en la siguiente forma:
- Aumentar el magnetismo remanente
- Aumentar la resistencia eléctrica
•
Modificar las propiedades químicas (en general los aceros templados
resisten mejor la acción de ciertos ácidos, que los recocidos).
En algunos casos -por ejemplo cuando se desea lograr un filo duro en herramientas tales como cuchillos, cizallas, etc.- la finalidad del temple es
endurecer el acero.
Pero habitualmente se persigue otro objetivo: conseguir que por revenido de
la martensita obtenida en el temple se obtenga una fina estructura de
cementita dispersa en una matriz de ferrita. De ese modo mejoran
simultáneamente la resistencia Rm, del acero y su tenacidad. El tratamiento
conjunto de temple y revenido suele denominarse bonificado del acero
A esta temperatura deberá
mantenerse al acero durante un
cierto tiempo con el objeto de
obtener una estructura
austenítica homogénea.
FACTORES QUE INFLUYEN EN EL TEMPLE
Temperatura de temple.-Las temperaturas de austenización, previas al temple, más convenientes
para el tratamiento de temple se representan en la figura.
La temperatura de austenización previa al temple, que suele denominarse temperatura de temple
no debe ser excesivamente alta: a fin de evitar sobrecalentamientos (que originarían una martensita
grosera, poco tenaz) y/o "quemados". En cambio, una austenización incompleta de estos aceros
produciría, al templar, una mezcla de ferrita (blanda) y martensita y, por tanto, menor resistencia
que si la estructura fuera plenamente martensítica. Como temperatura de temple para los aceros
hipoeutectoides suele tomarse:
T= A3c+ (40°- 60°C)
Acm
Ac3
En cambio, los aceros hipereutectoides deben austenizarse sólo parcialmente; al templar no se obtendrá 100% de martensita sino
una dispersión de cementita proeutectoide en una matriz de martensita (la cementita es también un constituyente duro). Se
parte de una estructura formada por austenita eutectoide y cementita. La razón de templar así los aceros hipereutectoides —la
austenización completa exigiría superar la temperatura Acm— es evitar el sobrecalentamiento y/o quemado del acero. Los aceros
hipereutectoides resultan muy propensos al sobrecalentamiento por la proximidad de Acm, a la línea del solidus del diagrama FeFe3C; adviértase que, por ejemplo, para un acero de 2 %C la austenización completa exigiría alcanzar temperaturas próximas a la
de fusión ( un acero binario de 2.11 %C empezaría a fundir al alcanzarse 1148 °C).
Además, la puesta en solución de los carburos metálicos requiere permanencias muy prolongadas a la temperatura de
austenización, lo cual da origen a un crecimiento muy elevado del grano austenítico, con las desventajas que ocasiona.
La temperatura de austenización (por encima de su punto crítico A3) previa al temple (temperatura de temple), no debe ser
excesivamente alta, a fin de evitar sobrecalentamientos (que originarían una martensita grosera, poco tenaz) y/o "quemados“.
A igualdad de los demás factores, todo aumento de la temperatura inicial, se traduce en una mayor velocidad de enfriamiento.
TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS / FACTORES QUE INFLUYEN EN EL TEMPLE
La velocidad de enfriamiento ha de ser lo suficientemente rápida para impedir que se produzca cualquier transformación de la
austenita antes de alcanzar la temperatura Ms de transformación martensítica. Existe una velocidad mínima de enfriamiento
denominada VELOCIDAD CRÍTICA DE TEMPLE que conduce al estado totalmente martensítico. Esta velocidad nos la define la curva
de enfriamiento T = f (t), tangente a la nariz perlítica o al mentón bainítico de la curva TTT, tomándose siempre la más desplazada
hacia la izquierda.
La VELOCIDAD CRITICA DE TEMPLE será tanto mayor cuanto menor es la proporción de C en los aceros comunes y menor es la
proporción de elementos de adición en los aceros aleados (Las curvas TTT están más próximas al origen de tiempos).
La velocidad crítica de temple está influenciada por:
(a).- Tanto por ciento de C del acero
(b).-Tanto por ciento de los elementos de adición en los aceros aleados
(c).- Tamaño de grano. Los aceros de grano más grueso se templan con
velocidades de enfriamiento más bajas
TEMPLABILIDAD
Templabilidad de un acero es su facilidad para ser templado.
No es lo mismo templabilidad y penetración del temple. Se designa como penetración del temple la
distancia, a partir de la periferia, en que la pieza presenta estructura plenamente martensítica. La
penetración del temple viene determinada por la intersección de las curvas de enfriamiento de los
distintos puntos de la pieza -función del tamaño de la pieza y de la severidad de temple- y la curva TTT
del acero. La penetración de temple puede aumentarse, por ejemplo, utilizando un agente
refrigerante más severo.
Templabilidad, en cambio, es algo intrínseco al acero, e independiente del tamaño de la pieza y de la
severidad de enfriamiento empleada. La templabilidad viene definida por la curva TTT.
Puede decirse que un acero es tanto más "templable" cuanto más alejada del origen de tiempos se
encuentra su curva TTT.
Por tanto, la templabilidad depende exclusivamente de la composición química del acero -curvas TTT más alejadas del origen de tiempos cuanto
más aleado (porque los elementos disueltos en la austenita retrasan las transformaciones perlíticas y bainíticas)-, y del tamaño de grano
austenítico (mayor cuanto más alta sea la temperatura de temple). A veces para aumentar la templabilidad de un acero poco templable se
procura aumentar el tamaño de grano austenítico (d , templando desde temperaturas muy altas; o aumentando el tiempo de permanencia a la
temperatura de austenización T. Pero esa práctica no es recomendable: porque la martensita formada en el temple a partir de un grano
austenítico de gran tamaño resulta poco tenaz incluso después de un revenido.
Aumentado el tamaño de grano austenitico (d), disminuye la densidad de juntas de grano [Tarda más en formarse en dichas juntas de
grano la ferrita (núcleo reactor de las transformaciones bainiticas) y la cementita (núcleo reactor de la transformación perlitica)], luego las
curvas de transformación perlitica y bainitica se desplazan a la derecha, aumentando, por tanto, la templabilidad. Por su parte, el efecto de
elevar la temperatura de austenización (T), es similar al de aumentar el tamaño de grano austenitico (d), pero teniendo la precaución de
no sobrecalentar ni quemar el acero.
Para determinar la templabilidad de un acero, no es imprescindible determinar su curva TTT. Existen otros ensayos como el
Jominy o el diámetro crítico ideal que determinan la templabilidad de un acero.
Diámetros críticos real e ideal
Si consideramos una serie de piezas de forma cilíndrica, cuya longitud es muy grande con respecto a sus diámetros progresivamente crecientes,
al enfriarlas desde una misma temperatura de austenización, en un medio de severidad de temple H, se observa que sólo aquellas cuyo
diámetro es inferior a un cierto valor De quedan completamente templadas, mientras que las restantes lo están solo parcialmente. A este
diámetro máximo por debajo del cual toda la estructura es martensítica, se denomina DIÁMETRO CRÍTICO.
La templabilidad de un acero puede también conocerse mediante la determinación de su
DIÁMETRO CRÍTICO REAL, cuando se emplea un mismo medio refrigerante. La comparación
entre los diámetros críticos reales de diversos aceros templados en ese medio refrigerante
permite comparar sus templabilidades.
La figura ilustra el resultado de templar, en un mismo refrigerante —de severidad H1—,
varios redondos de dos aceros: un acero al carbono y un acero de media aleación Cr-Ni-Mo,
cuyas curvas TTT se indican en esa misma figura.
Dado que el refrigerante empleado es el mismo, los resultados del temple —y por tanto sus
diferencias en cuanto a templabilidad— dependerán exclusivamente de las curvas TTT de
uno y otro acero si los redondos utilizados en el temple tienen el mismo diámetro en ambos
casos.
Para un redondo de pequeño diámetro templan tanto la periferia como el núcleo de uno y
otro acero. Pero para un diámetro mayor el primer acero logra obtener martensita en la
periferia pero no en el núcleo; en cambio, para ese mismo diámetro, el segundo acero
presenta martensita tanto en periferia como en el núcleo del redondo. Por tanto aunque no
es lo mismo templabilidad que penetración de temple puede asegurarse que el segundo
acero tiene mayor templabilidad que el primero.
Las dimensiones de la pieza juegan un papel fundamental, de tal forma que, en las de
bastante sección, a medida que se penetra hacia el núcleo, la velocidad de
enfriamiento va disminuyendo. Esto puede ser el origen de que en una misma
sección se formen distintos constituyentes estructurales durante el temple.
Para igual severidad H1 la penetración del temple depende de la curva TTT.
(a) acero al carbono, (b) acero de media aleación
Al templar un acero en un determinado medio refrigerante -de
severidad H1-, se denomina diámetro crítico real del acero, Dcr, para
severidad H1, al mayor redondo de ese acero que templado en ese
medio refrigerante presenta en su centro una estructura del 99 % de
martensita. El diámetro critico real de cada acero, para ese medio
refrigerante H1, puede determinarse midiendo la penetración de
temple en la sección transversal de redondos de tamaño creciente,
como se esquematiza en la figura 1.
↑ Dcr  ↑ Templabilidad
Adviértase que el diámetro crítico real de un determinado acero
resultará tanto mayor cuanto más severo sea el medio de temple
utilizado. Así en la figura 2 se indican, para ese acero, sus diámetros
críticos reales para diversas severidades crecientes. Experimentalmente
se advierte que la curva llega a resultar asintótica a un cierto valor para
severidad infinita del agente refrigerante.
Figura 2.- Diámetros críticos
reales de un cierto acero para
diversas severidades de temple
Figura 1.- Determinación del diámetro crítico real de un
acero para severidad H1.
D: diámetro del redondo d: profundidad de temple
Ahora bien, es lógico pensar que el valor del diámetro crítico real sea función de la severidad de temple H; por tanto variará al variar ésta. Se
hace, pues, necesario fijar unas condiciones tipo de enfriamiento, que según Grossmann, corresponden a un TEMPLE IDEAL. Tal temple sería
realizado en unas condiciones en que la superficie del acero se enfría instantáneamente, al medio capaz de conseguirlo, le correspondería una
severidad H =  . Según esto, el DIÁMETRO CRÍTICO IDEAL de un acero se puede definir como el mayor diámetro de una barra cilíndrica que,
enfriada en un medio de severidad de temple infinito, presenta en su núcleo una estructura totalmente martensítica.
Se denomina diámetro crítico ideal de un acero -Dci - al diámetro crítico real para severidad infinita.
Es decir al mayor redondo de ese acero, que templado en un medio refrigerante de severidad infinita
presenta en su centro una estructura de 99% de martensita. Se denomina "diámetro crítico ideal"
porque supone que el agente refrigerante tiene una capacidad de absorción de calor -"ideal"-, tal que
la periferia del redondo adquiere instantáneamente la temperatura del medio refrigerante. Es decir
que el coeficiente de película superficial M es infinito (aunque el interior del redondo no adquirirá
instantáneamente la temperatura del medio).
Si se determinan los diámetros críticos ideales de diversos aceros -la severidad de temple es fija,
infinita, en todos los casos- tendrá mayor templabilidad aquel cuyo diámetro crítico ideal sea mayor.
Pero, puesto que el diámetro crítico ideal del acero resulta ya independiente del agente refrigerante
real en que vaya a ser templado, DCI es una medida objetiva de la templabilidad de cada acero: cuanto
más alejada del origen de tiempos esté la curva TTT de un acero mayor resultará también su diámetro
crítico ideal. Parece razonable admitir que —sin necesidad de determinarlo experimentalmente—
pueda calcularse el diámetro crítico ideal de un acero si se conoce su curva TTT; o lo que sería igual,
ser calculado en función de la composición química del acero y de su tamaño de grano austenítico.
Habida cuenta que el Jominy es también un ensayo de templabilidad, cabe suponer que habrá cierta
correlación entre los resultados del ensayo Jominy de un acero y su diámetro crítico ideal.
Efectivamente, conocida en la curva Jominy experimental de un acero su distancia J99, puede
determinarse el diámetro crítico ideal de ese acero con ayuda de la figura (resultado igualmente de
trabajos experimentales).
Equivalencias entre diámetro crítico
ideal de un acero y su distancia Jominy
con 99.9% de martensita
Conocer el diámetro crítico ideal de un acero resulta de gran utilidad para predecir los resultados del temple de ese acero en cualquier medio refrigerante H1 . En
función del diámetro crítico ideal de un acero y de la severidad del agente en que va a ser templado, puede determinarse su diámetro crítico real: con ayuda del
gráfico de Grossmann (Figuras a y b).
En ingeniería de materiales el primer paso para la selección del acero más conveniente para obtener estructura de martensita en cualquier punto de una
determinada pieza, al ser enfriada ésta en un refrigerante H1, consiste en calcular previamente su redondo equivalente. Es decir, hallar el diámetro de un cilindro
—de gran longitud— cuyo núcleo enfríe a la misma velocidad que el punto de más lento enfriamiento de la pieza.
Una vez determinado para H1 el redondo equivalente de la pieza, se seleccionará un acero tal que su diámetro crítico real para temple con severidad H1 sea igual al
del redondo equivalente. De ese modo puede asegurarse que en el eje del redondo se obtendrá martensita; y por tanto, también en el punto de más lento
enfriamiento de la pieza (con mayor motivo resultará martensítica la estructura en cualquier otro punto de la pieza). En definitiva, la pieza de ese acero, enfriada
en el medio refrigerante de severidad H1 resultará plenamente templada.
Sin embargo, en muchos casos resulta suficiente elegir un acero cuyo diámetro crítico real al 50% para temple en H1 coincida con el diámetro del redondo
equivalente. Es decir, un acero que al ser templado en ese medio obtenga 50 % de martensita en el centro de un cilindro de diámetro DCr5O.
Gráficos de
Grossmann, Asimow
y Urban. Diámetros
críticos en función
del diámetro crítico
ideal y de la
severidad de temple,
y viceversa.
Susceptibilidad al agrietamiento por temple
Parece oportuno referirse aquí a los riesgos de agrietamiento de las piezas de acero
durante el enfriamiento para temple. Riesgos que se presentan sobre todo cuando el
medio refrigerante es muy severo y el acero es de media o de alta aleación (cuyas
temperaturas Ms resultan inferiores a los 300 ºC).
Cuando el refrigerante tiene mucha severidad de enfriamiento, por ejemplo agua
agitada, y el diámetro del redondo equivalente de la pieza es grande, hay una notable
diferencia entre la temperatura de la periferia y la del núcleo durante el enfriamiento.
Esa diferencia aumenta a medida que transcurre el tiempo. Por eso, suponiendo que el
enfriamiento permita salvar la curva perlítica y la baínitica —tanto en la periferia como
en el núcleo de la pieza—, las transformaciones de austenita en martensita no son
simultáneas en periferia y núcleo. Cuando en la periferia se forma martensita —y
aumenta el volumen de esa zona— el núcleo, en cambio, sigue siendo austenítico.
En ese caso las tensiones a que se ve sometido el núcleo de la pieza como resultado de
la dilatación de la periferia se absorben a modo de deformación plástica del núcleo.
Pero cuando llega el momento de la transformación de austenita a martensita en el núcleo, las zonas externas —ya
martensiticas— están a temperaturas más bajas y tienen poca plasticidad. Así cuando el núcleo se transforma en martensita,
también con aumento de volumen, las zonas periféricas, martensíticas y poco plásticas, ejercen una acción a modo de "zuncho"
sobre el núcleo. La dilatación del núcleo puede llegar a producir, por rotura de ese zunchado periférico, la aparición de grietas (a
lo largo de las generatrices del redondo si se trata de una pieza cilíndrica).
Susceptibilidad al agrietamiento por temple
Cuanto menor sea la temperatura Ms del acero menor será la plasticidad de la
martensita periférica al llegar el momento en que el núcleo se transforme en
martensita y aumente de volumen. Esa escasa plasticidad de la periferia martensitica
favorecerá la posibilidad de que se formen grietas en ese momento.
Por eso suele decirse que los aceros cuanto más aleados y, por consiguiente, con
menor temperatura Ms, resultan más susceptibies al agrietamiento en medios
refrigerantes severos que los aceros poco aleados.
Los aceros muy aleados tienen ese riesgo cuando los temples son severos. Pero si se
emplea un refrigerante poco severo, tal como el aire (aceros autotemplantes), porque
la gran templabilidad del acero lo permita, el gradiente de temperatura entre periferia
y núcleo de la pieza durante el enfriamiento resulta pequeño.
En ese caso la transformación de austenita en martensita resulta casi simultánea en la
periferia y en el núcleo. No se producirá el efecto de "zunchado" ni los consiguientes
riesgos de agrietamiento. Incluso apenas aparecen deformaciones plásticas por
diferencias de temperatura entre las zonas de diferente masividad de la pieza (aceros
indeformables en el temple). Bien es verdad que el temple en medios refrigerantes de
poca severidad, al ser más lento el enfriamiento tanto en la periferia como en el
núcleo, conlleva mayor cantidad de austenita residual
Temple superficial
Consiste en la obtención de capas periféricas duras mediante un simple temple superficial del acero. Para ello se austeniza —
mediante soplete oxiacetilénico o mediante calentamiento por corrientes de inducción de alta frecuencia— solamente la
periferia de la pieza. Desde la periferia hacia el centro de la pieza se advertirán tres zonas de temperatura: zona externa (>A3),
zona intermedia (A1<<A3) y una zona central no afectada por el calentamiento (<A1).
EI tiempo necesario para la austenización depende de la profundidad que se desee: para espesores de 1 a 2 mm suelen ser
suficientes un par de minutos. Conviene que la capa templada, y también la extensión de la zona intermedia (A1<<A3), sean más
bien pequeñas y para eso interesa un elevado gradiente de temperaturas.
La refrigeración periférica por aspersión, o inmersión en agua, o en aceite, transformará en martensita la zona periférica pero no
se modifica la estructura del núcleo de la pieza, La inalterabilidad de esa zona crea un estado de compresión en la periferia, lo
que resulta ventajoso para comportamiento a desgaste y a fatiga, y contribuye a que la periferia sea más dura que en el temple
habitual. Después del temple debe darse un revenido contra tensiones a temperatura del orden de 150-180 ºC (no más pues
destruiría el favorable estado de compresión periférica).
Para temple superficial —habida cuenta que no requiere especial templabilidad del acero— se emplean aceros no aleados; lo
cual resulta ventajoso no sólo por su menor precio sino porque da lugar a menos cantidad de austenita residual en el temple. El
temple superficial no suele emplearse en aceros con más de 0.6 %C debido al riesgo de desconchamiento de la capa dura.
Conviene que la estructura de partida —antes de efectuar el temple superficial— sea de perlita laminar. Ello permite una
austenización más rápida que cuando la estructura de la cementita es globular (menor relación Superficie/Volumen). Con
estructuras globulares sería preciso aumentar la temperatura para una pronta redisolución de la cementita; y ello comporta un
aumento del grano austenítico y una aminoración de tenacidad de la martensita. Por eso suele recomendarse, antes de efectuar
el temple superficial, realizar previamente un normalizado de la pieza.
TRATAMIENTOS ISOTÉRMICOS DE LOS ACEROS
Aunque se denominan habitualmente tratamientos isotérmicos resultaría
más propio decir que son tratamientos con enfriamiento isotérmico.
Todos ellos —incluido el recocido isotérmico— tienen en común que las
piezas de acero son calentadas hasta temperaturas de austenización y,
desde ahí, son enfriadas isotérmicamente por inmersión en sales
fundidas, plomo fundido, u otro medio refrigerante líquido que permita
mantener constante la temperatura durante la transformación de la
austenita.
Recocido isotérmico.
Vp - Curva de enfriamiento de la periferia de la pieza.
Vn - Curva de enfriamiento del núcleo de la pieza.
TRATAMIENTOS ISOTÉRMICOS DE LOS ACEROS / PATENTING
El patenting es un tratamiento isotérmico que suele darse, como operación final, a los
alambres de acero de 0.7-0.9 % C, que requieren alta resistencia mecánica a tracción
por ir destinados a hormigón pretensado.
Para lograr esas características, el alambre después de ser austenizado se introduce en un
baño de plomo fundido (o en sales), a temperatura correspondiente a la zona baja
perlítica de la curva TTT del acero. Ello tiene por finalidad transformar la austenita en
perlita muy fina; con separación entre láminas de cementita, S0, de 0.1 a 0.2 μm. Con ello
se logran cargas de rotura Rm del orden de 1600 MPa y alargamientos AT de 5 a 10 %.
En ocasiones el patenting se utiliza como tratamiento intermedio -contra acrituddurante el trefilado del alambre; para, además de lograr finalmente aquellos altos
valores de Rm —o mayores—, facilitar la operación del trefilado.
En efecto, para trefilar conviene partir de una estructura fina de cementita, lograda
también previamente por patenting. Pero a medida que se trefila (deformación en frío),
y se reduce la sección del alambre, la ferrita va adquiriendo una acritud que dificulta
progresivamenente la operación y llega a hacerla inviable. Un nuevo "patenting", al
eliminar la ferrita agria, permite continuar la reducción en frío de la sección.
Patenting
Las cargas de rotura que pueden llegar a obtenerse, en aceros binarios eutectoides, mediante una adecuada combinación de
perlita fina y deformación en trío por trefilado de ésta, consiguen hacer de la perlita fina el material estructural más resistente
a tracción que se conoce actualmente: se llegan a alcanzar 6000 MPa de carga de rotura
TRATAMIENTOS ISOTÉRMICOS DE LOS ACEROS / AUSTEMPERING
El "austempering" tiene por finalidad obtener en la pieza una estructura 100 % bainítica. Es un tratamiento que no requiere
después un revenido. La estructura bainítica presenta la ventaja de resultar más tenaz, para igual dureza, que la lograda por
temple y revenido bajo del acero.
El "austernpering" tiene la ventaja complementaria de ser un tratamiento térmico sin las tensiones, deformaciones, y grietas que
presenta el temple en refrigerantes severos. En el "austempering" la transformación de austenita en bainita tiene lugar con
aumento de volumen, pero al mismo tiempo e igual temperatura en todos los puntos de la pieza.
El "austempering" no puede darse a cualquier acero. Se precisa que tenga una templabilidad
suficiente para que, tanto la periferia como el núcleo de la pieza, alcancen en el baño de sales
fundidas la temperatura isotérmica antes de que se inicie la transformación de austenita en
bainita. De no ser así podría obtenerse bainita en la periferia y perlita en las zonas más internas
de la pieza. De todos modos no conviene que el acero tenga gran templabilidad: para que la
duración del tratamiento no sea excesiva.
Se busca la bainita inferior pero puede interesar la superior en función de las necesidades
mecánicas
El "austempering" suele aplicarse a piezas de pequeño diámetro, por ejemplo de 10 mm; porque
en el enfriamiento resulta más facil igualar las temperaturas, de la periferia y del núcleo de la
pieza, antes de que se inicien las transformaciones de la austenita. Para piezas de mayor
diámetro se requieren aceros con más templabilidad y/o enfriamientos enérgicos para evitar las
transformaciones perlíticas y permitir la bainitización de la austenita.
Austempering
Obviamente un acero de muy baja templabilidad, cuya curva TTT fuera tal que su zona perlítica
resultara prácticamente tangente el eje de ordenadas, no podría ser austemperizado.
El austempering es un tratamiento que suele darse a algunos aceros al carbono -entre 0.5 a 1.20 % C-, o de baja aleación, destinados
a herramientas. También se emplea en algunas fundiciones esferoidales: fundiciones A.D.I ("austempered ductile iron"). (grises –
cigüeñales)
TRATAMIENTOS ISOTÉRMICOS DE LOS ACEROS / MARTEMPERING
Como introducción a este tratamiento parece oportuno hacer unas
consideraciones previas, relativas a los riesgos de agrietamiento de las piezas
durante el temple de aceros cuando el medio refrigerante es muy severo y el
acero es de media o de alta aleación (temperatura MS siempre inferior a los
300 ºC).
Cuando el refrigerante tiene mucha severidad de enfriamiento, por
ejemplo el agua, y el diámetro del redondo equivalente de la pieza es
grande, hay una notable diferencia entre la temperatura de la periferia (p)
y la del núcleo (n) durante el enfriamiento. Y esa diferencia es mayor a
medida que transcurre el tiempo. Por eso, suponiendo que el
enfriamiento permita salvar la curva perlítica y la baínitica tanto en la
periferia como en el núcleo de la pieza, las transformaciones de
austenita en martensita no son simultáneas en la periferia y en el núcleo.
Cuando en la periferia se forma martensita - y aumenta el volumen
(V>0) de esa zona- el núcleo, en cambio, sigue siendo austenítico; las
tensiones a que se ve sometido el núcleo de la pieza como resultado de la
dilatación de la periferia se absorben a modo de deformación plástica del
núcleo. Pero cuando llega el momento de la transformación de austenita a
martensita en el núcleo, las zonas externas —ya martensíticas— están a
temperaturas más bajas y tienen poca plasticidad. Cuando el núcleo se
transforma en martensita, también con aumento de volumen, las zonas
periféricas, (martensíticas y poco plásticas), ejercen una acción a modo
de "zuncho" sobre el núcleo. La dilatación del núcleo puede llegar a
producir, por rotura de ese zunchado periférico, la aparición de grietas a
lo largo de las generatrices del redondo.
Enfriamiento de la superficie (Vp) y
del núcleo (Vn) al variar el tamaño
del redondo (DI <D2) y la severidad
del refrigerante.
a)
Redondo de diámetro D1
enfriado en agua.
b)
Redondo de diámetro D2
enfriado en agua.
c)
Redondo de diámetro D1
enfriado al aire.
d)
Redondo de diámetro D2
enfriado al aire.
Martempering
TRATAMIENTOS ISOTÉRMICOS DE LOS ACEROS/ MARTEMPERING
Cuanto menor sea la temperatura Ms del acero menor será la plasticidad de la martensita periférica al llegar el momento en que el
núcleo se transforme en martensita y aumente de volumen. Esa escasa plasticidad de la martensita periférica favorecerá la
posibilidad de que se formen grietas en ese momento. Por eso suele decirse que los aceros cuanto más aleados, y por consiguiente con menor temperatura Ms (Transformación martensitica), son más susceptibles al agrietamiento en medios
refrigerantes severos que los aceros menos aleados.
↓ Ms  ↑ susceptibilidad al agrietamiento en medios refrigerantes severos
Los aceros muy aleados tienen ese riesgo cuando los temples son severos. Pero si se emplea un refrigerante menos severo —
porque la mayor templabilidad del acero lo permite—, tal como el aire (aceros autotemplantes), el gradiente de temperatura
entre periferia y núcleo de la pieza durante el enfriamiento resulta pequeño. En ese caso la transformación de austenita en
martensita puede ser simultánea en la periferia y en el núcleo. No se producirá el efecto de "zunchado" ni los consiguientes
riesgos de agrietamiento. Incluso apenas aparecen deformaciones plásticas por diferencias de temperatura entre las zonas de
diferente masividad de la pieza (aceros indeformables en el temple). Bien es verdad que el temple en medios refrigerantes de
poca severidad, al ser más lento el enfriamiento tanto en la periferia como en el núcleo, conlleva mayor cantidad de austenita
residual
TRATAMIENTOS ISOTÉRMICOS DE LOS ACEROS/ MARTEMPERING
El "austempering", por ejemplo, tiene la ventaja complementaria de ser un tratamiento térmico sin las tensiones,
deformaciones, y grietas que presenta el temple en refrigerantes severos. En el "austempering" la transformación de
austenita en bainita tiene lugar con aumento de volumen, pero al mismo tiempo e igual temperatura en todos los puntos
de la pieza.
El martempering es un tratamiento destinado a obtener martensita en aceros de media templabilidad sin riegos de
tensiones, deformaciones, ni grietas en la pieza. No se utiliza en aceros de mucha templabilidad, (autotemplantes),
porque bastaría el enfriamiento al aire para lograr aquellos objetivos.
Para poder dar martempering a una pieza es preciso conocer con precisión la temperatura Ms del acero, y que su
templabilidad, es decir su curva TTT, permita lo que sigue. Después de austenizar la pieza debe poderse enfriar en sales
a una temperatura T1, sólo pocos grados superior a MS, sin que la austenita haya podido transformarse. A esa
temperatura uniforme T1 no debe haber más constituyente que la austenita; tanto en la periferia como en el núcleo de
la pieza.
Desde esa temperatura T1 —sin dejar transcurrir excesivo tiempo, pues de lo contrario empezarían las transformaciones
propias de un austempering— la pieza se deja enfriar al aire. Y, puesto que en este enfriamiento desde T1 apenas diferirán
las temperaturas entre la periferia y el núcleo de la pieza, se minimizan los riesgos de tensiones deformaciones y grietas: ya
que toda la pieza se transforma en martensita practicamente al mismo tiempo.
Habitualmente el martempering se da a piezas de pequeño tamaño. La templabilidad del acero debe ser similar a la que
permitiría lograr martensita, tanto en periferia como en el núcleo de la pieza, por enfriamiento en aceite desde la
temperatura de austenización. Si bien, de efectuar ese temple en aceite habría el riesgo de agrietamientos, deformaciones, o
de tensiones en la pieza (por el gradiente de temperaturas entre la periferia y el núcleo).
TRATAMIENTOS ISOTÉRMICOS DE LOS ACEROS/ MARTEMPERING
Las consideraciones anteriores explican también una práctica industrial —empleada a veces para piezas de acero de poca
templabilidad— con la que se intenta lograr resultados análogos a los del martempering: el temple a dos baños. Este es un
"sucedáneo del martempering" para conseguir efectos similares a éste, pero de un modo más económico.
Luego de haber calentado la pieza hasta su plena austenización se sumerge aquella rápidamente en un medio refrigerante severo (por ejemplo, agua agitada) para evitar
transformaciones de la austenita en la zona perlítica de la curva TTT. Para ello puede ser
suficiente remover simplemente la pieza en el interior del agua. A continuación -se
supone que en la pieza sigan siendo austeníticas las estructuras de periferia y núcleo-, se
introduce inmediatamente la pieza en un baño de aceite (a veces puede ser suficiente el
enfriamiento al aire). El gradiente de temperaturas entre periferia y núcleo de la pieza,
así enfriada en el aceite, es pequeño; y la transformación de la austenita en martensita
puede luego ser simultánea en toda la pieza y por tanto con poco riesgo de deformación
o agrietamiento. Este modo de enfriar justifica la denominación de temple en dos baños.
Como es lógico, si la pieza es grande, y el primer enfriamiento tiene lugar en un refrigerante severo, ello puede bastar para que la austenita periférica no se transforme pero, en
cambio, puede ocurrir que la austenita del interior de la pieza se haya transformado ya en
perlita. En ese caso no se lograría el resultado apetecido al emplear ese segundo
enfriamiento en aceite. Y otro tanto puede ocurrir si se deja transcurrir tiempo entre la
salida del horno de austenización y el primer baño de refrigerante; o entre la inmersión en
el primer baño y el segundo.
MARTEMPERING
TRATAMIENTOS TÉRMOQUIMICOS DE LOS ACEROS
Junto a propiedades masivas de las aleaciones se requieren a veces
PROPIEDADES SUPERFICIALES que pueden diferir ampliamente de
aquellas.
• Necesidad de una protección frente a la corrosión
• Revestimientos vítreos, metálicos o no
• Piezas de gran dureza periférica, para poder resistir al desgaste,
pero con requerimientos de tenacidad en su interior
En muchos casos la necesidad de diferentes propiedades en la periferia y en el núcleo, se resuelve mediante recubrimientos
superficiales logrados por técnicas varias: de solidificación rápida, difusión, plaqueados metálicos, recubrimientos poliméricos,
pasivados, pinturas, etc.
Los TRATAMIENTOS TERMOQUÍMICOS tienen por finalidad enriquecer periféricamente en Carbono y/o Nitrógeno a las piezas.
Parece conveniente esa referencia si se considera que todos los países, al precisar en normas nacionales los diversos tipos de acero
—bonificables, inoxidables, para herramientas, etc.,— incluyen siempre las familias de aceros para cementar y aceros para
nitrurar.
Tanto la cementación como la nitruración —como la carbonitruración, que de alguna manera es una combinación de ambos— son
tratamientos que suponen modificar periféricamente la composición de la pieza de acero con vistas a mejorar su resistencia al
desgaste.
TRATAMIENTOS TÉRMOQUIMICOS DE LOS ACEROS /CEMENTACIÓN
La cementación tiene por objetivo enriquecer perifericamente en carbono a la pieza; hasta contenidos cercanos al eutectoide. Para lograrlo se
precisa un medio carburante —sólido, líquido, o gaseoso— que pueda aportar Carbono activo a la periferia para su difusión hacia el interior de la
pieza.
Como es lógico, el tratamiento debe efectuarse a temperaturas superiores a A3c. De otro modo no se conseguiría ese enriquecimiento en carbono si
las temperaturas son inferiores a las del estado austenítico. La solubilidad del carbono en el hierro alfa, en solución sólida de inserción octaédrica,
no supera el 0.0218 % de carbono a temperaturas inferiores a la eutectoide. Tras permanencia a esas temperaturas se consiguen capas
cementadas cuya profundidad varía, según los requerimientos, entre menos de 0.5mm y 1.5 mm. Un temple después de la cementación permite
obtener una periferia de martensita dura y un núcleo de la pieza tenaz, ya que los aceros aptos para cementar tienen bajo porcentaje de
carbono (<0.20 %).
Para cada material la variación de D en función de T sigue una ley similar a la de Arrhenius:
D  D0e

 Q
RT

La energía de activación para la autodifusión en estado sólido de una especie metálica dada, viene
relacionada con su temperatura de fusión, TE en K, por una expresión del tipo: Q=18RTE. (La energía de
activación, Q, para la difusión del carbono en la austenita es aproximadamente 142 kJ/mol. El valor
aproximado de D0 es 2.0x10-5 m2/s y el valor de R es igual a 8.314 J/ mol.K)
Los valores de D permiten determinar el flujo J, neto estacionario, de los átomos, a través
de un plano geométrico:
J  D
dC
dx
(Pr imera ley de Fick )
tal que, entre dos planos paralelos separados entre sí una distancia dx, el valor dC es la diferencia en la concentración de átomos entre un plano y
otro. La primera ley de Fick es válida si la diferencia de concentración de átomos entre ambos planos no varía con el tiempo.
TRATAMIENTOS TÉRMOQUIMICOS DE LOS ACEROS /CEMENTACIÓN
Sin embargo el estado estacionario no es lo habitual. Para los estados no estacionarios —en que dC varía con el tiempo, aunque D no— debe
aplicarse la segunda Ley de Fick:
dC x
d 2C x
D
dt
dx 2
cuya resolución es compleja. Aplicada —por ejemplo— a la difusión de carbono gaseoso, desde una atmósfera carburante, a través de la superficie de
un acero sólido de composición uniforme de Carbono C0, sería:
Cs  C x
 x 
 erf 

Cs  C0
 2 Dt 
Erf = Función matemática error
Cs = Concentración de carbono en la superficie sólida del
acero, al cabo del tiempo t
Cx =Concentración de carbono en el acero a la distancia x
de la superficie al cabo del tiempo t
D0 = Coeficiente de difusión del carbono en el acero a la
temperatura T en que se realiza la cementación.
TRATAMIENTOS TÉRMOQUIMICOS DE LOS ACEROS / NITRURACIÓN
La nitruración tiene por objeto obtener una capa periférica dura sin necesidad de templar posteriormente la pieza de acero. Suele
darse a piezas ya templadas y revenidas. Consiste en la aportación de nitrógeno, en estado atómico naciente, obtenido
generalmente por disociación térmica de NH3.
Con la nitruración se logra formar una delgada capa periférica muy dura, de espesor inferior a 0.5 mm. Su dureza es debida a la
distorsión que producen en la ferrita los nitruros submicroscópicos formados por reacción del nitrógeno con algunos elementos
disueltos en la austenita (Al, Cr, V o Mo). Se trata de un verdadero endurecimiento por precipitación o endurecimiento estructural.
La temperatura de este tratamiento termoquímico es siempre inferior a 590 ºC para evitar se forme nitroaustenita. Esta, en el
enfriamiento al aire que sigue a la nitruración, produciría un eutectoide, la braunita, que resulta inconveniente, entre otras
razones, por su gran fragilidad.
TRATAMIENTOS TÉRMOQUIMICOS DE LOS ACEROS / CARBONITRURACIÓN
Otro tratamiento termoquímico habitual para lograr superficies duras, la carbonitruración, consiste en aportar
simultáneamente carbono y nitrógeno (activos) a la periferia de la pieza. El tratamiento va seguido de un temple en
aceite para obtener dureza por transformación martensítica de esa capa periférica. El temple puede realizarse
también por simple enfriamiento al aire, habida cuenta de la gran templabilidad que confiere el nitrógeno —además
del carbono— solubilizado en la austenita; aunque así, con ese enfriamiento poco severo, quedaría gran proporción de
austenita residual blanda.
Las capas obtenidas por carbonitruración —de 0.08 a 0.8 mm— son más delgadas que las logradas por cementación o
por nitruración
Las temperaturas para carbonitrurar no suelen exceder los 875 ºC. ya que no es preciso alcanzar las temperaturas A3
del acero base para lograr que la periferia sea plenamente austenítica. Incluso a 650 ºC, por ejemplo, podría realizarse
una carbonitruración. En efecto, la aportación de N disminuye notablemente la temperatura A3 de la capa periférica
enriquecida por solución sólida de ese elemento. Por permanencia prolongada a esa temperatura de 650 ºC, se
consigue una pequeña capa periférica del acero, sea austenítica. Esa austenita sí puede ya recibir Carbono en
solución sólida. El resto del acero, evidentemente, no austeniza a 650 ºC. Por ello el enfriamiento desde esa
temperatura solamente produciría martensita en la capa carbonitrurada a 650 ºC; permaneciendo intransformado
alotrópicamente el resto del acero durante todo el tratamiento. Este tipo de carbonitruración "a bajas temperaturas", a
600 ºC-700 ºC, se denomina "carbonitruración ligera sin temple del núcleo".
TRATAMIENTOS TÉRMOQUIMICOS DE LOS ACEROS / HIPERTEMPLE Y MADURACIÓN
Los aceros con menos de 0.0218 %C tienen estructura ferrítica a la temperatura ambiente; pero presentan además cementita terciaria vermicular-, precipitada a partir del carbono disuelto en la ferrita: por reacción con átomos de hierro, durante el enfriamiento, a temperatura
inferior a la temperatura p de saturación en carbono de la ferrita.
Esa temperatura p, crítica para cada acero —más alta cuanto mayor
sea su %C y siempre menor de Ae (727°C)—, queda definida por la línea
de precipitación de la cementita en el diagrama de equilibrio Fe-C (por
ejemplo, el carbono solubilizado en la ferrita a 25°C es solamente 50
partes por millón).
La precipitación de cementita terciaria, a temperaturas inferiores a p ,
se produce por un mecanismo de nucleación y crecimiento: la cinética
de precipitación se expresa, para cada acero de bajo contenido de
carbono, mediante su correspondiente curva "C".
Si un acero de %C<0.0218, con cementita precipitada en la matriz
ferrítica, es calentado desde el ambiente hasta temperatura superior a
p la cementita llega a descomponerse en carbono y hierro: y los
átomos de este carbono vuelven a entrar en solución sólida en la
ferrita. Luego, si una vez redisueltos los carburos, se enfría rápidamente
el acero desde esa temperatura, a velocidad tal que no llegue a cortar a
la curva "C", se obtendrá a temperatura ambiente una estructura
plenamente ferrítica (con ferrita sobresaturada de carbono).
TRATAMIENTOS TÉRMOQUIMICOS DE LOS ACEROS / HIPERTEMPLE Y MADURACIÓN
Ese tratamiento térmico —calentamiento por encima de p para redisolver los carburos y enfriamiento rápido desde esa temperatura— recibe
el nombre de hipertemple. Puede aplicarse a cualquier aleación —férrea o no—, de matriz monofásica, susceptible de que sus precipitados se
redisuelvan por encima de una cierta temperatura p: para obtener luego —si el enfriamiento desde p es el adecuado— una solución sólida
sobresaturada a temperatura ambiente. Se denomina "hipertemple" para distinguirlo del término "temple" (reservado exclusivamente para el
tratamiento térmico que proporciona martensita en los aceros).
Por lo que respecta a aceros el hipertemple se emplea no sólo con los de %C<0.0218 sino en otros muchos casos. Por ejemplo, en aceros
inoxidables ferríticos o austeníticos: a fin de redisolver sus carburos por encima de su correspondiente temperatura crítica p, y poder
obtener, mediante un enfriamiento adecuado, acero exento de carburos a temperatura ambiente; y, por tanto, con mejor comportamiento
durante un cierto tiempo frente a la corrosión localizada.
Claro está que una solución sólida sobresaturada no es estable termodinámicamente y, por tanto, una prolongada permanencia a temperatura
ambiente volvería a producir los precipitados por pérdida de solubilidad de esa solución sólida sobresturada. Si bien en esa precipitación a
temperatura ambiente, el tamaño del precipitado —precipitan siempre por el mecanismo de nucleación y crecimiento— será muy pequeño;
ya que el diámetro de los núcleos depende de la temperatura de precipitación (menor tamaño cuanto mayor sea la diferencia de
temperaturas entre p y la temperatura de precipitación).
La posibilidad de obtener solución sólida sobresaturada mediante el hipertemple y poder gobernar el tamaño de los precipitados por permanencia isotérmica a una temperatura menor que p se utiliza frecuentemente en la industria para mejorar las características mecánicas tanto
en aleaciones no férreas como férreas.
El calentamiento con permanencia isotérmica después de hipertemple suele denominarse maduración artificial.