Templado del acero
El templado es un proceso de tratamiento térmico en el que una pieza de trabajo enfriada se recalienta a una temperatura inferior a A1, se mantiene durante un tiempo específico y luego se enfría a temperatura ambiente. El acero templado no debe usarse directamente; debe someterse a un templado, que determina la microestructura y las propiedades del acero y es un paso crucial del tratamiento térmico.
Propósito del templado
Para lograr las propiedades mecánicas deseadas
Después del templado, la pieza de trabajo tiene alta dureza pero baja ductilidad y tenacidad. Para cumplir con diferentes requisitos de rendimiento para diversas piezas, se utiliza el templado para modificar la microestructura templada, ajustar la dureza y reducir la fragilidad, lo que da como resultado las propiedades mecánicas deseadas de la pieza de trabajo.
Para estabilizar las dimensiones de la pieza de trabajo
La martensita y la austenita retenida formada durante el enfriamiento son estructuras inestables que pueden descomponerse con el tiempo, provocando cambios dimensionales y de forma. El templado transforma la microestructura templada en una estable, asegurando que la pieza de trabajo mantenga sus dimensiones y forma durante el uso.
Para reducir o eliminar las tensiones internas derivadas del enfriamiento
El enfriamiento induce un estrés interno significativo. Si no se alivian rápidamente mediante el templado, estas tensiones pueden causar que la pieza de trabajo se deforme o incluso se agriete.
Transformaciones durante el templado del acero templado
La martensita apagada y la austenita retenida son fases metaestables que se descomponen en ferrita y carburos cuando se templan desde temperatura ambiente por debajo de A1. Las transformaciones específicas dependen de la temperatura de templado:
Descomposición de martensita (menor o igual a 200 grados)
Cuando se templa por debajo de 80 grados, no se produce ningún cambio microestructural significativo, excepto la agrupación de átomos de carbono en la martensita. Entre 80 grados y 200 grados, la martensita comienza a descomponerse, con átomos de carbono precipitando como ε-carburos (Fe2.4C), lo que reduce la sobresaturación de carbono en la martensita y disminuye la tetragonalidad. Como la temperatura de templado es baja, solo una parte del exceso de carbono precipita, dejando la martensita como una solución sólida sobresaturada de carbono en -Fe. Los carburos ε- finos se dispersan a lo largo de las interfaces de la solución sólida -sobresaturada, manteniendo una relación coherente (donde los átomos en los límites de fase son compartidos por las dos redes cristalinas). Esta microestructura, que consta de una solución sólida -menos sobresaturada y carburos ε-, se llama martensita templada. Debido a la naturaleza fina y altamente dispersa de los carburos ε-, la dureza del acero no disminuye significativamente cuando se templa por debajo de 200 grados. Sin embargo, la precipitación de carburos ε- reduce la distorsión de la red, disminuyendo la tensión de enfriamiento y aumentando ligeramente la plasticidad y tenacidad del acero.
Descomposición de austenita retenida (200 grados –300 grados)
La austenita retenida es similar a la austenita subenfriada, por lo que sus productos de transformación de templado son los mismos que los de la austenita subenfriada en condiciones de temperatura similares, formando martensita, bainita o perlita dependiendo de la temperatura.
Cuando el acero se templa entre 200 y 300 grados, la martensita continúa descomponiéndose y la austenita retenida comienza a transformarse en bainita inferior (200 a 300 grados es el rango de transformación de bainita inferior). En este rango de temperaturas, la tensión de enfriamiento disminuye aún más, pero la dureza no disminuye significativamente.
Transformación de carburos (250 grados –450 grados)
Cuando se templan por encima de 250 grados, la mayor capacidad de difusión de los átomos de carbono hace que los carburos ε- se transformen gradualmente en cementita estable. A 450 grados, todos los carburos ε- se convierten en cementita altamente dispersa. La precipitación continua de carbono reduce el contenido de carbono en la -solución sólida a su nivel de equilibrio, convirtiéndola en ferrita, aunque permanece -en forma de aguja. Esta estructura, compuesta de ferrita en forma de aguja-y cementita altamente dispersa, se llama troostita templada. La estructura de troostita templada de acero 45 se muestra en la siguiente figura. En este punto, la dureza del acero disminuye y su tenacidad y plasticidad aumentan aún más, con la tensión de enfriamiento casi eliminada.
Agregación y crecimiento de cementita y recristalización de ferrita (450 grados –700 grados)
Por encima de los 450 grados, la cementita altamente dispersa se esferoidiza gradualmente en partículas finas y, a medida que aumenta la temperatura, estas partículas crecen. Simultáneamente, la ferrita comienza a recristalizarse entre 500 y 600 grados, transformándose de formas parecidas a listones o agujas-a granos poligonales.
Esta estructura, formada por cementita granular distribuida sobre una matriz poligonal de ferrita, se denomina sorbita templada. La estructura de sorbita templada de acero 45 se muestra en la siguiente figura. Si la temperatura aumenta aún más a 650 grados –A1, la cementita granular se vuelve más gruesa, formando una microestructura de ferrita poligonal y cementita granular más grande, conocida como perlita templada.
La transformación del acero templado durante el revenido se produce en diferentes rangos de temperatura. Incluso a la misma temperatura de templado, pueden ocurrir múltiples tipos de transformaciones. Las propiedades del acero templado dependen de estos cambios microestructurales que, a su vez, influyen en su comportamiento mecánico. Generalmente, a medida que aumenta la temperatura de revenido, la resistencia y la dureza disminuyen mientras que la ductilidad y la tenacidad mejoran, y estos cambios se vuelven más pronunciados a temperaturas más altas.
Tipos y aplicaciones de templado
El factor principal que determina la microestructura y las propiedades del acero es la temperatura de templado. El templado se clasifica en tres tipos según la temperatura y la microestructura resultante:
Templado a baja-temperatura (150 grados –250 grados)
El templado a baja-temperatura produce martensita templada. El objetivo es conservar la alta dureza y resistencia al desgaste del acero templado al tiempo que se reduce la tensión interna y la fragilidad y se mejora la ductilidad y la tenacidad. Este método se utiliza principalmente para aceros de alto-carbono y aleados en herramientas de corte, herramientas de medición, troqueles de estampado en frío, rodamientos, piezas cementadas y piezas-templadas superficialmente. La dureza después del templado suele estar entre 58 y 64 HRC.
Templado-temperatura media (350 grados –500 grados)
Este método produce troostita templada. Su propósito es lograr un alto límite elástico, límite elástico y una tenacidad significativa. El templado-a temperatura media se utiliza principalmente para diversos componentes elásticos y matrices de trabajo-en caliente. La dureza después del templado oscila generalmente entre 35 y 50 HRC.
Templado a alta temperatura-(500 grados –650 grados)
Este método produce sorbita templada. El objetivo es lograr un equilibrio entre resistencia, dureza, ductilidad y tenacidad. Cuando se combinan el enfriamiento y el revenido a alta-temperatura, el proceso se denomina comúnmente "enfriamiento y revenido". Se utiliza ampliamente para componentes estructurales críticos en la producción de automóviles, tractores y máquinas herramienta (como bielas, espárragos, engranajes y ejes de transmisión). La dureza después del templado oscila generalmente entre 200 y 330 HBW.
Aunque los valores de dureza del acero después de la normalización y el templado-templado son bastante similares, los componentes estructurales críticos en la producción generalmente se someten a un templado-templado en lugar de normalización. Esto se debe a que la microestructura de la sorbita templada tiene cementita granular, mientras que la sorbita obtenida por normalización tiene cementita laminar. Por lo tanto, el acero templado y revenido no sólo exhibe una mayor resistencia sino que también tiene mejor ductilidad y tenacidad en comparación con el estado normalizado.
El enfriamiento y revenido pueden servir como proceso de tratamiento térmico final o como tratamiento preliminar antes del endurecimiento de la superficie y el tratamiento térmico químico. Dado que la dureza del acero templado no es alta, permite un fácil mecanizado y bajos valores de rugosidad superficial.
Además de estos tres métodos de templado comunes, algunos aceros de alta-aleación se someten a un templado por ablandamiento a alta-temperatura de 20 a 40 grados por debajo de A1 para obtener perlita templada como alternativa al recocido esferoidal.
Para garantizar una transformación microestructural completa durante el templado, la pieza de trabajo debe mantenerse a la temperatura de templado durante un tiempo suficiente, generalmente entre 1 y 3 horas, dependiendo del material, la temperatura, el espesor, la carga y el método de calentamiento. El método de enfriamiento después del templado tiene poco efecto sobre el rendimiento del acero al carbono, pero para evitar inducir nuevas tensiones, las piezas de trabajo generalmente se enfrían lentamente en aire después del templado.
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