PARTE 3

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Tratamientos térmicos en aceros (parte 3)
Consideraciones sobre el calentamiento antes de templar
Primero debemos plantear algunas consideraciones acerca de la elección de la temperatura a la que debe calentarse la pieza antes de realizar un endurecimiento por temple.
Para aceros dulces, esta temperatura debe ubicarse unos 30/50ºC por encima de la temperatura de austenización (línea crítica superior del lado hipoeutectoide). De este modo, todos los granos de ferrita primaria y de perlita, se volverán a transformar en martensita. Según el porcentaje de carbono que contenga el acero, la temperatura de austenización variará, en estos casos, entre 723ºC (para un 0,8% de carbono), y 910ºC (para 0% de carbono).
Para aceros rápidos, se recomienda una temperatura de temple en el intervalo definido entre la línea crítica inferior y la línea crítica superior. Aunque la cementita secundaria no logra disolverse completamente en los granos de austenita, llegarán a esferoidizarse en pequeños nódulos dejando una matriz de austenita con 0,8% de carbono que logrará templarse transformándose en agujas de martensita fina de gran calidad. Si, por el contrario, austenizàramos completamente el acero rápido, aumentando la temperatura por encima de la línea crítica superior del lado hipereutectoide, la austenita formada, lograría disolver todo el carbono, pero la temperatura sería tan alta, que los granos de martensita logrados durante el enfriamiento serían gruesos, (más cierta cantidad de austenita retenida), lo que implica una menor calidad de la estructura endurecida.
Por otro lado, para cualquier tipo de acero, resulta importante sostener, antes del enfriamiento, un periodo de homogeneización de la temperatura (1hora por pulgada de espesor o de diámetro de la pieza en cuestión). En los aceros dulces, esto permitirá difundir los átomos de carbono desde los granos que se austenizan con 0,8% (provenientes de la perlita), hacia los granos que se austenizan con 0,025% (provenientes de la ferrita primaria). De no uniformar el contenido de carbono en todos los granos, el endurecimiento obtenido sería heterogéneo. En los aceros rápidos, lograremos esferoidizar la cementita secundaria que aún se encuentre presente en la estructura.
Eliminación del calor durante el enfriamiento
El proceso de enfriamiento que permite la obtención de la martensita, se logra sumergiendo la pieza en un medio de temple, en general, en estado líquido.
Por lo tanto, las características del enfriamiento, estará condicionada por distintos fenómenos térmicos que fijan tres etapas bien definidas:
1º etapa: Enfriamiento mediante barrera de vapor
La elevada temperatura de la pieza, al momento de la inmersión, vaporiza instantáneamente el medio de temple, y una delgada y estable película de vapor, se adhiere a su superficie. En esta etapa, el calor será eliminado por radiación, y por conducción en medio gaseoso. Como esta última es reducida, la velocidad de enfriamiento en esta etapa será reducida.
2º etapa: Enfriamiento mediante transporte de vapor
A medida que baja la temperatura de la pieza, la capa de vapor adherida a la superficie se vuelve inestable, separándose y permitiendo que nueva sustancia líquida del medio de temple tome contacto con la superficie. Este proceso provocará la ebullición del medio de temple, con una velocidad de enfriamiento muy alta, respecto a la primera etapa, hasta que, la temperatura de la pieza alcance la temperatura de vaporización del medio de temple.
3º etapa: Enfriamiento por medio líquido
Una vez que la temperatura de la pieza alcanza la temperatura de vaporización del medio de temple, la ebullición ya no podrá ocurrir, y el enfriamiento continuará por conducción y convección en medio líquido. Como la velocidad de enfriamiento definida por conducción, depende de la diferencia de temperatura entre la fuente fría (medio de temple) y la fuente caliente (pieza), esta etapa se irá haciendo más lenta a medida que baje la temperatura de la pieza.
En función al efecto necesario para garantizar la transformación del 100% de martensita, debe decirse que, la velocidad de enfriamiento en los primeros instantes debería ser lo más grande posible, para sortear la nariz del diagrama TTT, y evitar la transformación a estructuras estables. Luego, esa velocidad debería ser más lenta para ingresar al intervalo térmico de transformación a martensita con una temperatura más uniforme en la pieza, evitando la formación de fisuras por tensiones residuales.
Esto nos indica que, la primera etapa es nociva, y debería ser lo más corta posible. Por otra parte, la tercera etapa debería estar en coincidencia con el intervalo térmico Ms – Mf, para evitar fisuras.
Medios de temple utilizados
Los medios de temple reales no cumplen necesariamente con los requerimientos antes enunciados, y su elección debe realizarse teniendo en cuenta las características del enfriamiento que son propias de cada medio.
Los medios de temple más utilizados en industria son:
· Solución acuosa de sal en agua al 10% (salmuera)
· Agua
· Sales fundidas o líquidas.
· Aceite soluble (Gulfsuper – quench)
· Aceite
· Aire
El cuadro anterior, nos permite realizar algunas comparaciones entre la respuesta de cada uno de estos medios.
La salmuera es el medio de enfriamiento más severo. Se caracteriza por tener una etapa de barrera de vapor muy pequeña y una etapa de ebullición que desarrolla velocidades de enfriamiento elevadas, sin embargo, la etapa de conducción por medio líquido inicia a temperaturas muy bajas, promoviendo la formación de fisuras en piezas de gran tamaño.
El agua, presenta condiciones similares a la salmuera en cuanto a la segunda y tercera etapa de enfriamiento, aunque la etapa de barrera de vapor es un poco más larga.
Los aceites y emulsiones presentan una etapa de barrera de vapor mucho más larga que las anteriores, pero muestran una etapa de conducción por medio líquido producida a temperaturas más altas, compatibles con el intervalo de transformación a martensita.
Las sales fundidas poseen la característica de mantenerse en estado líquido a temperaturas bastante elevadas, por lo que son recomendables para la realización de tratamientos con enfriamiento isotérmico.
Finalmente, el enfriamiento en aire, por ser este un medio gaseoso, desarrolla una etapa de barrera de vapor que persiste hasta el enfriamiento total de la pieza, presentando una velocidad de enfriamiento muy tenue durante todo el proceso.
A los efectos de lograr introducir ciertas modificaciones en las características de estas curvas de enfriamiento, es importante reconocer dos factores principales:
· Temperatura del medio de temple: cuanto más frío se encuentre el medio de temple, mayor será la velocidad de enfriamiento, por reducción de la etapa de barrera de vapor, sobre todo en salmuera y agua (en los aceites puede pasar lo contrario si la disminución de viscosidad es importante). Esto hace que sea importante mantener la temperatura del medio, a través de un dispositivo que garantice el sostenimiento de su temperatura durante el enfriamiento de la pieza (circulación por un intercambiador de calor)
· Agitación mecánica de la pieza: la aplicación de un mecanismo de agitación de la pieza, cuando se sumerge en el medio de temple, impulsa también una reducción del tiempo de estabilidad de la barrera de vapor, aumentando, por lo tanto, la velocidad de enfriamiento.
Condición superficial
Durante el proceso de calentamiento de la pieza hasta la temperatura de austenización, y en particular, durante el periodo de homogeneización, es importante cuidar que la superficie de la pieza no pierda carbono (fenómeno de descarburación) por estar en contacto con una atmósfera oxidante, además que dichos óxidos aparecen en forma de escamas, que retardan el posterior enfriamiento. Los métodos utilizados para evitar o controlar este fenómeno son:
· Cobreado de la pieza por baño electrolítico antes del temple.
· Aplicación de una atmósfera de protección neutra (hidrógeno, amoniaco disociado, gases de combustión incompletade metano o propano)
· Inmersión en un recipiente con sales líquidas neutras.
· Introducir la pieza en un recipiente con virutas de fundición de hierro (que causará el efecto de un ánodo de sacrificio, oxidándose antes que la pieza)
Relación superficie – masa vs velocidad de enfriamiento
Dado que el mecanismo de enfriamiento se desarrolla a partir del contacto entre la superficie de la pieza y el medio de temple, y que, la cantidad de calor a eliminar es proporcional a la masa total de la pieza, aquella que posea una superficie de contacto grande para una masa dada, se enfriará más rápidamente que otra de igual masa, cuya superficie de contacto con el medio, sea menor. En otras palabras, existe una ley creciente entre la velocidad de enfriamiento y la relación superficie – masa.
En la figura se comparan dos barras cilíndricas. La primera de ½” de diámetro, y la segunda, de 2” de diámetro. Obsérvese que el incremento del diámetro provocará una reducción de la relación superficie – masa, como demostraremos a continuación, justificando la disminución de la velocidad de enfriamiento que se observa.
Veamos:
Siendo:
m: masa de la pieza
ρ: densidad del material con el que está construida
Vol: volumen de la pieza
Pero: 
Siendo:
r: radio de la pieza cilíndrica
L: longitud de la pieza
Reemplazando tenemos:
Por otro lado, la superficie exterior, despreciando la superficie de las caras extremas es:
Por lo tanto, la relación queda:
Vemos que la relación superficie – masa, en este caso, resulta inversamente proporcional al radio de la pieza, por lo tanto, cuanto menor sea el diámetro, mayor será la relación superficie – masa, y mayor, la velocidad de enfriamiento.
Este fenómeno permite inferir que a medida que aumentamos el diámetro de la barra, se reducirá la velocidad de enfriamiento, al punto de que se produzcan transformaciones a estructuras estables, lo que significa una reducción de dureza final de la pieza.
En la gráfica puede observarse que, mientras las barras de ½” y 1” logran la transformación a 100% de martensita, alcanzarán la dureza máxima, mientras que el resto de las barras tendrán crecientes cantidades de perlita y ferrita primaria, con una merma de dureza progresiva.
Velocidad de enfriamiento en un punto interior de la pieza
En las mismas figuras expuestas en el tema anterior, se ha graficado para cada barra, tres curvas de enfriamiento, una para el centro de la pieza, una para la superficie, y otra para una posición intermedia.
Como puede verse, en in punto interior de la pieza, la velocidad de enfriamiento tiende a ser menor, dado que, primero es necesario generar un flujo de calor dentro de la pieza, para luego eliminarlo hacia el medio de temple.
Esta consideración nos hace pensar que la velocidad de enfriamiento va cambiando, desde un valor máximo para la superficie, a un valor mínimo, para el centro de la pieza.
Cada punto interior, desde la superficie hacia el centro registrará una velocidad de enfriamiento cada vez más bajo, pudiendo generar distintas estructuras
A B C D F G H I J
B
A
G
I
J
H
F
E
D
C
Templabilidad
Llamaremos templabilidad a la capacidad que tiene un determinado acero de lograr un temple total (100% de martensita) con una velocidad de enfriamiento más lenta. Nótese que este concepto no refiere a la dureza final obtenida, (propiedad que depende del porcentaje de carbono), sino de la posibilidad de lograr una transformación total a martensita con un enfriamiento relativamente lento.
La templabilidad puede apreciarse en el diagrama TTT, como aquel acero que presenta un diagrama muy corrido a la derecha. De este modo, curvas de enfriamiento más “aplanadas” (con una velocidad de enfriamiento menor) lograrán pasar a la izquierda de la nariz del diagrama, logrando transformar un 100% de martensita.
La importancia de esta propiedad radica en que, de acuerdo a lo dicho en los apartados anteriores, una pieza de gran diámetro, necesitará de elevadas velocidades de enfriamiento para lograr un temple total, y aún, en el caso de obtenerlas, el riesgo de fisuración aumentaría notablemente. Esta situación, ameritaría de un acero con mayor templabilidad.
Para medir la templabilidad de un acero, se lo somete a un ensayo conocido como ensayo de Jominy.Para ello se construye una probeta cilíndrica de 4 pulgadas de largo por 2 pulgadas de diámetro, con un labio superior, necesario para el montaje de la misma en el equipo.
De este modo, la probeta se calienta hasta alcanzar la temperatura de austenización, y en ese estado, se coloca en un soporte del equipo y se expone a un chorro de agua ascendente a 24ºC que golpea sobre el extremo inferior de la misma.
Este modo de enfriar la probeta provocará velocidades de enfriamiento cada vez más lentas, a medida que nos alejamos del “extremo templado” (cara que recibe el contacto directo con el agua)
Una vez que se ha enfriado completamente, se practica un esmerilado plano de dirección de su generatriz, y sobre él, se mide la dureza en forma consecutiva con separación de 1/16” entre una lectura y otra.
Con los valores de dureza obtenidos, se traza una gráfica en un par de ejes “distancia al extremo templado” – dureza, que, en adelante, nombraremos como “Curva de Jominy”
En virtud a la templabilidad del acero, esta curva presenta un tramo horizontal para los puntos más cercanos al extremo templado, que marca máxima dureza, e indica que las velocidades de enfriamiento desarrolladas fueron lo suficientemente rápidas como para generar 100% de martensita.
A continuación, seguirá una curva descendente que se vuelve asintótica a la dureza natural del material.
Esta zona indica la sucesión de puntos que, ante velocidades de enfriamiento gradualmente decrecientes, comienzan a transformar cierta cantidad de material en estructuras estables, con la consecuente reducción de dureza.
Debemos comprender que el parámetro del ensayo definido como “distancia al extremo templado” guarda una relación directa con la velocidad de enfriamiento. Esta característica, es la que convierte este parámetro de fácil medición, en un sustituto de otro imposible de medir, como es la velocidad de enfriamiento en un punto interior de la pieza.
Actividades:
1. ¿Por qué, un acero rápido no se austeniza completamente para realizar un tratamiento de temple?
2. Determine la relación superficie – masa de una placa cuadrada de lado “L”, y espesor “e” y justifique cómo varía la velocidad de enfriamiento con el aumento de espesor de la placa.
3. Dibuje en una sola gráfica, cómo deberían ser las curvas de Jominy de un acero SAE 1040 (al carbono, con 0,4%C), y de un acero SAE4140 (cromo – molibdeno, con 0,4% de carbono). Justifique su planteo.