En el artículo anterior “Temperaturas críticas en el tratamiento térmico de los aceros” se definieron los conceptos de A1, A3 y la relevancia que tienen conocer estas temperaturas para un tratamiento térmico eficiente. Como continuación, en este artículo se abordará el concepto de “austenización insuficiente”, explorando sus causas, efectos y formas de prevenirla.
Importancia del Proceso de Austenización
El objetivo principal del tratamiento térmico es obtener una microestructura homogénea que permita al material cumplir con las propiedades requeridas para su aplicación final, como resistencia a la tensión, impacto y límite de cedencia. Uno de los primeros procesos clave es el austenizado, que busca transformar la estructura cristalina en una configuración de red cúbica centrada en las caras (FCC) al calentar el acero entre 30°C y 50°C por encima de la temperatura A3. Este paso es fundamental tras procesos de solidificación, forja o laminado.
¿Qué es la Austenización Ineficiente?
La formación de austenita implica un cambio estructural y composicional influenciado por la microestructura inicial y la composición química del acero. La austenita en equilibrio puede predecirse mediante el diagrama Fe-C, el cálculo de temperaturas críticas y el uso de software de simulación termodinámica como Thermo-Calc.
Cuando los parámetros de austenización no son adecuados, la transformación no se completa, resultando en una microestructura con fases indeseadas que afectan negativamente las propiedades mecánicas del acero.
Causas de la Austenización Insuficiente:
- Temperatura de austenización inadecuada: Si la temperatura es demasiado baja, la transformación no se completa.
- Tiempo de mantenimiento insuficiente: Un tiempo de proceso demasiado corto impide la difusión homogénea del carbono.
- Distribución térmica no uniforme en el horno: Genera regiones con distintos grados de transformación.
- Composición química del acero: influye en la cinética de transformación y en las temperaturas críticas.
- Geometría y dimensiones de la pieza: Afecta en la penetración y distribución del calor.
- Velocidades de calentamiento rápidas: pueden impedir la homogeniozaicon de la estructura.
Efectos de una Austenización Insuficiente
- Microestructura heterogénea:
La composición heterogénea de la austenita puede reflejarse a través de una variación en la temperatura martensítica inicial, durante el proceso de temple. La presencia de regiones con bajo porcentaje de carbono conduce a la formación de martensita a temperaturas más altas, que en una austenita homogénea. En la figura #7 se muestra la influencia del tiempo y la temperatura en la cinética de transformación, con la formación y homogenización de la austenita completándose a temperaturas mucho más bajas, bajo condiciones de calentamiento más lentas.
La presencia de la austenita heterogénea/ austenización insuficiente, es más relevante a altas velocidades de calentamiento y tiempos de mantenimiento cortos durante el proceso de austenización, como puede ocurrir durante el proceso de endurecimiento por inducción.
Diagrama de austenización-tiempo-temperatura para un acero Ck45. Referencia: ASM Handbook Volume 4A, Steel Treating Fundamentals and processes.
2. Mayor riesgo de deformaciones y fallas prematuras en servicio:
Anteriormente se mencionó que el proceso de austenización implica un cambio en la estructura cristalina del material. Si este cambio no es homogéneo a lo largo de la pieza, se presentarán diferentes fases, resultando en un arreglo cristalográfico variado y, por ende, un cambio volumétrico. Por otra parte, calentar una pieza muy rápidamente provoca que el calor no se distribuya ni penetre de manera uniforme, causando transformaciones heterogéneas y, por lo tanto, tensiones debido a los cambios volumétricos en la estructura cristalina.
3. Reducción en la dureza y resistencia mecánica:
Una austenización incompleta deja restos de ferrita o carburos no disueltos en la microestructura, que impide la transformación completa a martensita durante el temple, reduciendo la dureza final. Además, una menor cantidad de carbono en solución afecta negativamente la resistencia mecánica.
4. Aumento de la fragilidad y menor tenacidad
Una microestructura heterogénea (ferrita y perlita con martensita parcial y austenita retenida) disminuye la resistencia mecánica. Esto se traduce en menor capacidad para soportar cargas sin fracturarse.
Por ejemplo
Si un acero 4140 es calentado a solo 750°C en lugar de 850°C, la ferrita no se disolverá completamente. Como resultado después del temple, se obtendrá una microestructura con martensita blanda y ferrita, en lugar de una martensita homogénea dura, reduciendo su dureza y resistencia.
Diagrama de un eje para un acero 4140, (Fe, 0.4C, 0.8Mn, 0.2Si, 0.8Cr, 0.2Mo, 0.02Ni)
Como prevenir la austenización ineficiente
- Control preciso de temperatura y tiempo del horno:
Para garantizar un control adecuado durante el mantenimiento, es fundamental utilizar termopares calibrados y ubicarlos estratégicamente dentro del horno para asegurar mediciones precisas. La calibración periódica previene errores en la lectura de temperatura, lo que contribuye a la calidad del proceso. Además, es indispensable contar con la asesoría de un experto para determinar la vida útil recomendada de los termopares. Mantener una trazabilidad adecuada y realizar los reemplazos en tiempo y forma asegurará un funcionamiento óptimo del sistema.
Por otra parte, el uso de ventiladores internos en hornos de convecciones nos ayudara a mantener una uniformidad térmica dentro del horno, evitando zonas frías o calientes.
Otra forma de poder controlar la temperatura del proceso es el uso de registradores de temperatura/graficador de temperatura, estos son recomendables usarlos con termopares de contacto en piezas que tienen geometrías con secciones que varían, así como en piezas solidas con mucha masa. Estos dispositivos están conectados a termopares de contacto en las piezas que registran la temperatura en tiempo real y verificar que no existan fluctuaciones.
- Uso de simulaciones y análisis térmicos para optimizar los parámetros del proceso:
Cada grado de acero tiene una temperatura óptima de austenización determinada por su composición química. Aunque lo ideal sería tratar cada material a su temperatura específica, en la producción industrial esto no es eficiente, ya que implicaría procesar cada pieza de manera individual, lo que ralentizaría la línea de producción y aumentaría el consumo de recursos como tiempo y gas.
El uso de herramientas termodinámicas, como el software Thermo-Calc, permite calcular las posibles variaciones en la composición química en función de uno o más elementos. Esto facilita la selección de una temperatura óptima que garantice que, para cada posible composición, las temperaturas de transformación sean las adecuadas, optimizando así el proceso de tratamiento térmico.
Histograma de la variación de las temperaturas A3, para un acero 4140, con una variación en rango de 0.78 a 0.82 %Cr.
Conclusión
La austenización insuficiente es un problema crítico en el tratamiento térmico de los aceros, ya que impacta directamente la microestructura y las propiedades mecánicas del material. Un control adecuado de la temperatura, el tiempo y la distribución térmica en el horno es esencial para evitar fallas prematuras y asegurar un rendimiento óptimo del acero en servicio.
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Referencias:
Fallas en los tratamientos térmicos para aceros herramienta- Colegio Nacional de educación profesional técnica, Guillermo Nuñez Gonzalez.
Principes of Heat Treatment of Steels- AMS International.
Metallurgical Fundamentals of Heat Treatment- George Krauss.
ASM International. (1991). Metals Handbook, Heat Treating, Vol. 4
Totten, G. E. (2007). Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies, CRC Press.
Callister, W. D. (2019). Materials Science and Engineering: An Introduction, Wiley.
