El templado es un tratamiento térmico que se aplica a los metales ferrosos , sobre todo al acero y al hierro dúctil. En el acero produce una microestructura de bainita mientras que en los hierros fundidos produce una estructura de ferrita acicular y austenita estabilizada con alto contenido de carbono conocida como ausferrita.. Se utiliza principalmente para mejorar las propiedades mecánicas o reducir / eliminar la distorsión. El templado se define tanto por el proceso como por la microestructura resultante. Los parámetros típicos del proceso de templado aplicados a un material inadecuado no darán como resultado la formación de bainita o ausferrita y, por tanto, el producto final no se denominará templado. Ambas microestructuras también se pueden producir mediante otros métodos. Por ejemplo, pueden producirse como fundidos o enfriados por aire con el contenido de aleación adecuado. Estos materiales tampoco se denominan austemperados.
Historia
El templado del acero fue iniciado por primera vez en la década de 1930 por Edgar C. Bain y Edmund S. Davenport, que trabajaban para la United States Steel Corporation en ese momento. La bainita debe haber estado presente en los aceros mucho antes de su fecha de descubrimiento reconocida, pero no fue identificada debido a las limitadas técnicas metalográficas disponibles y las microestructuras mixtas formadas por las prácticas de tratamiento térmico de la época. Circunstancias coincidentes inspiraron a Bain a estudiar las transformaciones de fase isotérmica. La austenita y las fases de alta temperatura del acero se estaban entendiendo cada vez más y ya se sabía que la austenita se podía retener a temperatura ambiente. A través de sus contactos en la American Steel and Wire Company, Bain estaba al tanto de las transformaciones isotérmicas que se estaban utilizando en la industria y comenzó a concebir nuevos experimentos [1]
La investigación adicional sobre la transformación isotérmica de los aceros fue el resultado del descubrimiento de Bain y Davenport de una nueva microestructura que consiste en un "agregado de grabado oscuro acicular". Se encontró que esta microestructura era "más resistente para la misma dureza que la martensita templada". [2] La explotación comercial del acero bainítico no fue rápida. Las prácticas comunes de tratamiento térmico en ese momento presentaban métodos de enfriamiento continuo y no eran capaces, en la práctica, de producir microestructuras completamente bainíticas. La gama de aleaciones disponibles produjo microestructuras mixtas o cantidades excesivas de martensita. El advenimiento de los aceros con bajo contenido de carbono que contienen boro y molibdeno en 1958 permitió la producción de acero completamente bainítico mediante enfriamiento continuo. [1] [3] El uso comercial de acero bainítico surgió así como resultado del desarrollo de nuevos métodos de tratamiento térmico, con aquellos que implican un paso en el que la pieza de trabajo se mantiene a una temperatura fija durante un período de tiempo suficiente para permitir que la transformación se conozca colectivamente como austempering.
Uno de los primeros usos del acero austemperado fue en los pernos de los rifles durante la Segunda Guerra Mundial. [4] La alta resistencia al impacto posible con durezas elevadas y el tamaño de sección relativamente pequeño de los componentes hicieron que el acero austemperado fuera ideal para esta aplicación. Durante las décadas siguientes, el austempering revolucionó la industria de los muelles, seguido de los clips y abrazaderas. Estos componentes, que suelen ser piezas conformadas delgadas, no requieren aleaciones caras y generalmente poseen mejores propiedades elásticas que sus contrapartes de martensita templada. Finalmente, el acero austemperado se abrió camino en la industria automotriz, donde uno de sus primeros usos fue en componentes críticos para la seguridad. La mayoría de los soportes de los asientos para el automóvil y los componentes del cinturón de seguridad están hechos de acero austemperado debido a su alta resistencia y ductilidad. [4] Estas propiedades le permiten absorber más energía durante un choque sin el riesgo de fallas frágiles. Actualmente, el acero austemperado también se utiliza en cojinetes, cuchillas de segadoras, engranajes de transmisión, placas onduladas y dientes de aireación de césped. [4] En la segunda mitad del siglo XX, el proceso de templado comenzó a aplicarse comercialmente a los hierros fundidos. El hierro dúctil austemperado (ADI) se comercializó por primera vez a principios de la década de 1970 y desde entonces se ha convertido en una industria importante.
Proceso
La diferencia más notable entre el templado austero y el templado y revenido convencionales es que implica mantener la pieza de trabajo a la temperatura de templado durante un período de tiempo prolongado. Los pasos básicos son los mismos ya sea que se apliquen a hierro fundido o acero y son los siguientes:
Austenitización
Para que tenga lugar cualquier transformación, la microestructura del metal debe ser una estructura de austenita. Los límites exactos de la región de la fase de austenita dependen de la química de la aleación que se está tratando térmicamente. Sin embargo, las temperaturas de austenización están típicamente entre 790 y 915 ° C (1455 a 1680 ° F). [5] La cantidad de tiempo que se pasa a esta temperatura variará con la aleación y las especificaciones del proceso para una pieza endurecida. Los mejores resultados se obtienen cuando la austenización es lo suficientemente larga para producir una microestructura metálica completamente austenítica (todavía habrá grafito presente en los hierros fundidos) con un contenido de carbono constante. En los aceros, esto puede llevar solo unos minutos después de que se haya alcanzado la temperatura de austenización en toda la sección de la pieza, pero en los hierros fundidos lleva más tiempo. Esto se debe a que el carbono debe difundirse fuera del grafito hasta que alcance la concentración de equilibrio dictada por la temperatura y el diagrama de fases. Este paso se puede realizar en muchos tipos de hornos, en un baño de sal a alta temperatura o mediante llama directa o calentamiento por inducción. Numerosas patentes describen métodos y variaciones específicos.
Temple
Al igual que con el temple y revenido convencionales, el material que se está tratando térmicamente debe enfriarse desde la temperatura de austenización lo suficientemente rápido para evitar la formación de perlita . La velocidad de enfriamiento específica que es necesaria para evitar la formación de perlita es un producto de la química de la fase de austenita y, por lo tanto, de la aleación que se procesa. La velocidad de enfriamiento real es un producto de la severidad del enfriamiento, que está influenciada por el medio de enfriamiento, la agitación, la carga (relación de enfriamiento, etc.) y el espesor y la geometría de la pieza. Como resultado, los componentes de sección más pesada requerían una mayor templabilidad. Al templar la austenita, la carga de tratamiento térmico se enfría a una temperatura que normalmente está por encima del inicio de martensita de la austenita y se mantiene. En algunos procesos patentados, las piezas se enfrían justo debajo del inicio de la martensita para que la microestructura resultante sea una mezcla controlada de martensita y bainita.
Los dos aspectos importantes del enfriamiento son la velocidad de enfriamiento y el tiempo de mantenimiento. La práctica más común es enfriar en un baño de sal líquida de nitrito-nitrato y mantenerlo en el baño. Debido al rango de temperatura restringido para el procesamiento, generalmente no es posible enfriar en agua o salmuera, pero se utilizan aceites de alta temperatura para un rango de temperatura estrecho. Algunos procesos cuentan con enfriamiento y luego remoción del medio de enfriamiento, luego se mantiene en un horno. El enfriamiento rápido y la temperatura de mantenimiento son parámetros de procesamiento primarios que controlan la dureza final y, por lo tanto, las propiedades del material.
Enfriamiento
Después de templar y mantener no hay peligro de agrietamiento; Por lo general, las piezas se enfrían con aire o se colocan directamente en un sistema de lavado a temperatura ambiente.
Templado
No se requiere templado después del austemper si la pieza está completamente templada y completamente transformada en bainita o ausferrita. [5] El templado agrega otra etapa y, por lo tanto, costos al proceso; no proporciona la misma modificación de propiedades y alivio de tensión en bainita o ausferrita que en martensita virgen.
Ventajas
Austempering ofrece muchas ventajas de fabricación y rendimiento sobre las combinaciones convencionales de material / proceso. Se puede aplicar a numerosos materiales y cada combinación tiene sus propias ventajas, que se enumeran a continuación. Una de las ventajas que es común a todos los materiales austemperados es una menor tasa de distorsión que para el temple y revenido. Esto se puede traducir en ahorros de costes mediante el ajuste de todo el proceso de fabricación. Los ahorros de costes más inmediatos se obtienen mediante el mecanizado antes del tratamiento térmico. Hay muchos de estos ahorros posibles en el caso específico de convertir un componente de acero templado y revenido en hierro dúctil austemperado (ADI). El hierro dúctil es un 10% menos denso que el acero y se puede fundir cerca de la forma neta, características ambas que reducen el peso de la fundición. La fundición de forma casi neta también reduce aún más el costo de mecanizado, que ya se reduce al mecanizar hierro dúctil blando en lugar de acero endurecido. Una pieza acabada más ligera reduce los gastos de transporte y el flujo de producción optimizado a menudo reduce el tiempo de entrega. En muchos casos, también se puede mejorar la resistencia y la resistencia al desgaste. [4]
Las combinaciones de proceso / material incluyen:
- Acero austemperado
- Acero carbostemperado
- Acero marbain
- Hierro dúctil austemperado (ADI)
- Hierro dúctil austemperado localmente (LADI)
- Hierro gris austemperado (AGI)
- Hierro dúctil austemperado carbhídrico (CADI)
- Acero intercríticamente austero
- Hierro dúctil austemperado intercríticamente
Con respecto a las mejoras de rendimiento, los materiales austemperados se comparan típicamente con los materiales templados y revenido convencionalmente con una microestructura de martensita templada.
En aceros por encima de 40 Rc, estas mejoras incluyen:
- Mayor ductilidad, resistencia al impacto y resistencia al desgaste para una dureza determinada,
- Una respuesta dimensional repetible y de baja distorsión,
- Mayor resistencia a la fatiga,
- Resistencia al hidrógeno y fragilización ambiental.
En hierros fundidos (de 250 a 550 HBW ), estas mejoras incluyen:
- Mayor ductilidad y resistencia al impacto para una dureza determinada,
- Una respuesta dimensional repetible y de baja distorsión,
- Mayor resistencia a la fatiga,
- Mayor resistencia al desgaste para una dureza determinada.
Referencias
- ^ a b Bhadeshia, HKDH, "Bainita en aceros: transformaciones, microestructura y propiedades" segunda edición, Comunicaciones de la OIM, Londres, Inglaterra, 2001
- ^ Bain, Edgar C., "Funciones de los elementos de aleación en el acero" Sociedad estadounidense de metales, Cleveland, Ohio, 1939
- ^ Irvine, KJ y Pickering, FB JISI 188, 1958.
- ^ a b c d http://www.appliedprocess.com
- ^ a b "Guía del tratador de calor: prácticas y procedimientos para hierros y aceros" ASM International, Materials Park, Ohio, segunda edición, 1995