Zonas de Tratamiento Térmico del Acero

El tratamiento térmico del acero implica someterlo a ciclos controlados de calentamiento y enfriamiento para modificar sus propiedades mecánicas y microestructura. Las principales zonas involucradas son:

1. Zona de Sobrecalentamiento

Esta zona, cercana a la fusión (temperaturas mayores a 1100°C), produce un aumento significativo del tamaño de grano, alcanzando la temperatura de sobrecalentamiento (100% de granos gruesos). Las transformaciones físico-químicas dependen de la temperatura, el tiempo de permanencia y la velocidad de enfriamiento. Las altas temperaturas y velocidades de enfriamiento favorecen la formación de estructuras Widmanstatten. Incluso, se puede superar la velocidad crítica de temple en aleaciones con alto contenido de carbono, lo que implicaría la transformación martensítica.

2. Zona de Recocido

Comprende temperaturas entre 900-1100°C. Las velocidades de enfriamiento son más lentas. Al estar por encima de la temperatura de austenización y con velocidades de enfriamiento lentas, se produce un tratamiento térmico de recocido de regeneración, que afina la estructura del metal base y disminuye el tamaño de grano.

3. Zona de Transformación A1-A3

Este intervalo de temperaturas se encuentra entre A1 y A3. Las velocidades de enfriamiento son más lentas, produciendo un recocido de globalización, debido a que no se ha dado suficiente tiempo de permanencia ni una velocidad de enfriamiento suficientemente lenta.

Etapas del Revenido

El revenido es un tratamiento térmico que sigue al temple, reduciendo la dureza y fragilidad del acero, y aumentando su tenacidad. Las etapas son:

1. Primera etapa: A temperaturas inferiores a 250°C, de la martensita sobresaturada en carbono precipita un carburo de hierro (Carburo Épsilon), transformándose en martensita α (red cúbica por la pérdida de carbono, sigue siendo acicular y contiene sobre 0.25% de C).
2. Segunda etapa: Si el acero contiene austenita retenida, esta se transforma (entre los 200-300°C) en un agregado de ferrita y carburos.
3. Tercera etapa: El carburo épsilon se transforma (entre los 200-350°C) en Fe3C (Cementita). Esta cementita precipita en los contornos e interior de las agujas de Mα. Al elevarse la temperatura, la cementita del interior se redisuelve en la Mα, mientras que la red de los contornos se completa y engrosa. A temperaturas superiores a los 350°C, se destruye la red y la cementita se globuliza. El acero ahora está formado por una matriz ferrítica en la que se encuentran embebidos los glóbulos de cementita. A temperaturas más altas (650°C), la cementita coalesce y los glóbulos engrosan. El agregado de ferrita y carburos (de la segunda etapa) se transforma también en ferrita y cementita globulizada.
4. Cuarta etapa: Aplicable a aceros de alta aleación. En aceros aleados con elementos carburígenos (Cr, Mo, V, W, Ti…) precipitan carburos a temperaturas entre 500-600°C, dando lugar a un aumento de dureza (dureza secundaria). Su precipitación requiere unos contenidos mínimos de carbono y elementos carburígenos en el acero.

Como consecuencia del revenido (si se ha realizado a alta temperatura), el acero está formado por ferrita y cementita o carburos, lo que suele conocerse como martensita revenida. La transformación de la microestructura conduce a una pérdida de resistencia y dureza del acero y a un incremento de las propiedades plásticas (alargamiento y resiliencia), tanto más acusado cuanto mayor sea la temperatura del revenido.

Mecanismos de Desgaste

El desgaste es la pérdida de material de una superficie debido a la interacción con otra superficie. Se debe tener en cuenta:

1. Tipo de movimiento relativo.
2. Elementos de interacción.
3. Mecanismo de desgaste dominante.

Desgaste por Fatiga Superficial

Implica variaciones periódicas de tensiones, ligadas al deslizamiento y rodadura. En rodadura pura, la tensión máxima se produce a una distancia de la superficie (recomendable recubrir con dos capas, una dúctil primero y otra dura para que la grieta se sitúe en el material dúctil). En rodadura con deslizamiento, la tensión máxima se produce en la superficie. No existe límite a fatiga por debajo del cual la vida del componente es infinita. Es necesario una buena lubricación, un buen acabado superficial o introducir en la superficie tensiones residuales de compresión.

Desgaste por Abrasión

Se produce cuando dos superficies están en contacto con movimiento relativo, siendo una superficie más dura que la otra. La mayoría de los procesos de desgaste son por abrasión. El desgaste depende de la dureza del abrasivo y del material. Para reducir el desgaste, la dureza del material tiene que ser 1.3 veces la del abrasivo.

Desgaste Adhesivo

El contacto entre dos superficies está limitado a sus rugosidades, por lo que las áreas reales de contacto son muy pequeñas. Al aplicarles una carga, el área de contacto aumenta hasta producirse el área suficiente para aguantar la carga. Al aplicar un desplazamiento relativo, provoca microsoldaduras en estas áreas y su posterior rotura y una nueva formación de microsoldaduras. Hay que tener en cuenta la afinidad de los metales a unirse.

Desgaste Triboquímico

Se produce por corrosión más cualquier desgaste anterior. Se produce un desgaste mayor, ya que el movimiento relativo elimina los productos de la corrosión. La superficie libre vuelve a reaccionar con el medio, haciendo el proceso cíclico.

Factores que Influyen en la Resiliencia

La resiliencia es la capacidad de un material para absorber energía durante la deformación elástica y liberarla cuando se descarga. Los factores que la afectan son:

Composición Química

• Carbono: Disminuye la energía absorbida en la zona dúctil y sube la temperatura de transición.
• Azufre: Menor porcentaje de azufre, mayor energía absorbida en la zona dúctil.
• Fósforo: Disminuye la energía absorbida y aumenta la temperatura de transición 7° por cada centésima. Potencia la fragilidad del revenido.
• Silicio: Entre 0.15-0.30% baja la temperatura de transición y eleva la energía absorbida.
• Nitrógeno: Desciende la energía absorbida y aumenta la temperatura de transición. En aceros desoxidados, forma nitruros con el Al, estabilizando el grano fino y mejorando los valores de resiliencia.
• Manganeso: Baja la temperatura de transición, reduce el espacio entre láminas de perlita. El exceso de Mn puede fragilizar por revenido y, en el enfriamiento de un normalizado, puede causar bainita superior en vez de perlita fina.
• Aluminio: Hasta valores de 0.075% aumenta la resiliencia, a partir de ahí la disminuye. Afinador de grano, desoxidante y forma nitruros.
• Níquel: Mejora la resiliencia a bajas temperaturas. Más efectivo cuanto menor es el contenido en carbono.
• Cromo: Eleva la temperatura de transición. Se utiliza para mejorar la resistencia a la corrosión y para aumentar la templabilidad.
• Molibdeno: Similar al cromo. Reduce la susceptibilidad de la fragilización por revenido, no la elimina, sino que la retrasa.
• Boro: Aumenta la tenacidad sin reducir resistencia en aceros bajos en carbono. Solo aplicable en aceros bonificables, sino produce el efecto contrario.
• Cobre: Aumenta la tenacidad a baja temperatura. Con tratamientos de endurecimiento por precipitación es perjudicial para la resiliencia.
• Vanadio, niobio y titanio: Empleados en tratamientos termomecánicos controlados, mejoran la tenacidad por afino de grano.
• Zirconio, calcio y tierras raras: Controlan la morfología de las inclusiones haciéndolas esféricas, haciendo que aumente la resiliencia en la zona dúctil y minimizan la anisotropía en valores de resiliencia.
• Antimonio, arsénico y estaño: Reducen notablemente la tenacidad y contribuyen a la fragilización del revenido en aceros Cr-Ni.

Proceso de Fabricación

1. Desoxidación: Mayores impurezas, peor resiliencia. Mejores resultados con aceros doblemente calmados con Al-Si.
2. Temperatura de laminación: Para obtener las mejores propiedades de resiliencia y temperatura de transición, laminar a temperaturas próximas al límite inferior de la temperatura de austenización.
3. Anisotropía de la resiliencia: Probetas en la dirección de laminación obtienen mejores propiedades que en las perpendiculares a la dirección.
4. Espesor: Mayor espesor, menor tenacidad.
5. Microestructura: Martensita revenida y bainita superior son los que mejor comportamiento producen. La presencia de austenita residual inhibe la propagación rápida de la grieta, por lo que mejoran sustancialmente la tenacidad (aceros maraging). Revenidos a temperatura alta bajan la temperatura de transición y aumentan la energía absorbida.
6. Tamaño de grano: Mayor tamaño de grano, menor resistencia, resiliencia y ductilidad.