El temple desempeña un papel crucial en el tratamiento térmico, ya que puede aumentar la resistencia y la dureza del acero. Si se combina el temple con el revenido a diferentes temperaturas, se pueden lograr diversas combinaciones de resistencia, plasticidad y tenacidad para diversas aplicaciones.
Descripción general del enfriamiento
El enfriamiento es un tratamiento térmico Proceso que consiste en calentar el acero a una temperatura superior al punto crítico Ac3 (para acero hipoeutectoide) o Ac1 (para acero hipereutectoide) y mantenerla durante un período específico para lograr la austenización total o parcial. Posteriormente, el material se enfría a una velocidad superior a la velocidad crítica de temple para transformar la austenita superenfriada en microestructuras martensíticas o bainíticas inferiores.
El propósito del temple es facilitar la transformación de la austenita superenfriada en martensita o bainita, obteniendo así microestructuras específicas. Cuando se combina con templado A diversas temperaturas, este tratamiento térmico mejora la resistencia, dureza, resistencia al desgaste, resistencia a la fatiga y tenacidad del acero para cumplir con los requisitos operativos de los componentes mecánicos. El temple también puede utilizarse para cumplir requisitos físicos o químicos específicos, como el ferromagnetismo o la resistencia a la corrosión en ciertos aceros.
Principios del enfriamiento
El principio fundamental del proceso de temple consiste en calentar rápidamente una pieza metálica a una temperatura específica, mantenerla para transformar su estructura interna en austenita y, a continuación, sumergirla rápidamente en un medio de temple. Este enfriamiento rápido produce fases endurecidas, como la martensita o la bainita, que mejoran la dureza, la resistencia y la resistencia al desgaste del metal.
1. Austenitización
Condición de temperatura
El acero se calienta a una temperatura superior al punto crítico, tanto para el acero hipoeutectoide como para el hipereutectoide. Dentro de este rango de temperatura, la estructura cristalina cambia; la ferrita y la cementita presentes a temperatura ambiente se transforman gradualmente en austenita. La austenita es una solución sólida intersticial de carbono en gamma-Fe con una estructura cúbica centrada en las caras, caracterizada por una alta solubilidad del carbono, baja resistencia y alta plasticidad.
Preservación del calor
El propósito de mantener la temperatura es homogeneizar la temperatura interna de la pieza de trabajo, asegurando que todo el componente esté completamente austenizado para prepararlo para el enfriamiento rápido posterior y la transformación estructural.
2. Enfriamiento y transformación microestructural
Velocidad de enfriamiento
El enfriamiento se realiza a una velocidad estrictamente superior a la velocidad crítica. Esta velocidad se define como la velocidad mínima de enfriamiento necesaria para que el acero adquiera una estructura martensítica durante el temple. Si la velocidad de enfriamiento es inferior a esta velocidad crítica, el acero puede formar perlita o bainita durante el proceso de enfriamiento, impidiendo así alcanzar la dureza y resistencia deseadas.
Proceso de transformación
Durante el enfriamiento rápido, la estructura de la austenita se vuelve inestable y experimenta un cambio de fase. La austenita sobreenfriada se transforma en fases endurecidas como la martensita o la bainita. La martensita es una solución sólida sobresaturada de carbono en alfa-Fe con una estructura tetragonal centrada en el cuerpo, caracterizada por una dureza y resistencia muy elevadas.
Mejora del rendimiento
Las estructuras martensíticas o bainíticas obtenidas mediante temple aumentan significativamente la dureza, la resistencia mecánica y la resistencia al desgaste de la pieza metálica. Por ejemplo, piezas de acero templado han aumentado drásticamente la dureza de la superficie, lo que permite una resistencia superior al desgaste y la deformación.
Medios de enfriamiento
Como lo ilustran las curvas de Transformación Tiempo-Temperatura (TTT), diferentes velocidades de temple producen resultados diferentes. Distintos metales pueden soportar distintas velocidades de temple sin agrietarse. Si bien cada metal requiere enfoques específicos, el temple depende principalmente de la velocidad de enfriamiento.
Generalmente, el método principal para controlar la velocidad de enfriamiento es la selección del medio de temple. Si bien la temperatura del medio puede modificarse teóricamente, su calor específico y punto de ebullición son factores decisivos para determinar la velocidad de enfriamiento. Los medios de temple más comunes incluyen agua, salmuera (agua salada), aceite, nitrógeno líquido y aire, cada uno con sus propias ventajas y desventajas.
Agua
El agua es uno de los medios más comunes debido a su disponibilidad y capacidad para inducir un enfriamiento rápido. No es inflamable y posee un calor específico y un calor latente de vaporización elevados. Sin embargo, la ebullición crea burbujas que reducen la conductividad térmica (efecto Leidenfrost), lo que finalmente ralentiza la velocidad de enfriamiento.
Salmuera
La salmuera es simplemente agua con sal añadida. La sal eleva el punto de ebullición del agua, lo que reduce la formación de burbujas durante la ebullición y acelera el enfriamiento. Una desventaja es que la sal puede corroer o reaccionar químicamente con ciertas aleaciones.
En cuanto a las leyendas sobre el temple de espadas en sangre: dado que la sangre contiene electrolitos disueltos (sales), su efecto es similar al de una salmuera débil. La sangre también contiene compuestos orgánicos que pueden coagularse y adherirse a la hoja, lo que podría reducir el efecto Leidenfrost. Las moléculas de carbono de la sangre también pueden reaccionar y formar carburos menores en la superficie.
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Aceite
El aceite es un agente de temple eficaz de velocidad media que ayuda a mitigar el agrietamiento. Una desventaja importante es el riesgo de incendio que presenta la superficie del aceite, lo que requiere extrema precaución durante el proceso.
Nitrógeno líquido
El nitrógeno líquido es inicialmente más lento que el temple con agua, ya que se gasifica instantáneamente (creando una capa con baja conductividad térmica) y tiene menor capacidad calorífica y calor de vaporización. Sin embargo, el nitrógeno líquido finalmente reduce considerablemente la temperatura final del material, lo cual es esencial para que ciertas aleaciones (como ciertos aceros inoxidables) precipiten la martensita.
Aire
El temple por aire se logra típicamente soplando aire frío rápidamente sobre la muestra. Es común en entornos industriales debido a su bajo costo y a la posibilidad de controlar las velocidades de enfriamiento en diferentes secciones del producto mediante el ajuste de la velocidad del aire. Si bien suele ser el medio más lento, algunas aleaciones pueden lograr una microestructura templada incluso al enfriarse en aire en calma.
Pasos de enfriamiento
La aleación se calienta a una temperatura de 30 a 50 °C por encima de su temperatura crítica. Se debe evitar la exposición prolongada a esta temperatura para prevenir el crecimiento del grano.
Para aleaciones sensibles a la oxidación, el calentamiento debe realizarse al vacío. Como alternativa, la aleación puede encapsularse en un tubo de cuarzo evacuado o relleno con un gas inerte como el argón.
La aleación requiere un enfriamiento rápido, controlado principalmente por el medio de temple. La salmuera suele ser el medio práctico más rápido, mientras que el nitrógeno líquido presenta una velocidad de enfriamiento relativamente lenta.
Si la aleación se enfría demasiado rápido, puede agrietarse; si se enfría demasiado lento, es posible que no se formen fases metaestables. La velocidad óptima de temple debe determinarse mediante una gráfica de Transformación Tiempo-Temperatura (TTT).
