La austenización es un proceso crítico en el tratamiento térmico de los aceros, ya que determina la microestructura y, por lo tanto, las propiedades mecánicas finales de la pieza. Sin embargo, la eficiencia de este proceso no solo depende de la temperatura y el tiempo de sostenimiento, sino también de la geometría y dimensiones de la pieza tratada.
Un diseño inadecuado o la falta de planificación en el calentamiento pueden provocar problemas como una transformación austenítica incompleta, deformaciones, tensiones residuales e incluso fallas en servicio. En este artículo, continuación de Austenización Insuficiente en el Tratamiento Térmico: Causas, Efectos y Cómo Evitarla, exploraremos cómo la geometría y el tamaño de las piezas afectan la austenización y qué estrategias pueden implementarse para optimizar el proceso.
Los ingenieros metalúrgicos tienen la responsabilidad de conocer la condición de la pieza previo al tratamiento térmico. Es decir, deben interpretar y comprender los planos de ingeniería con el fin de diseñar un ciclo térmico adecuado que garantice una transformación homogénea y controlada.
- Problemas derivados de la geometría y dimensiones de la pieza
1.1. Calentamiento rápido y heterogeneidad térmica
En piezas con variaciones en el espesor de sus secciones, las áreas más delgadas alcanzan la temperatura de austenización antes que las más gruesas, generando gradientes térmicos que pueden inducir tensiones internas y afectar la transformación austenítica.
Por ejemplo, en un engranaje, cuya fabricación puede incluir procesos previos como forja, trabajo en frío y maquinado, es común la presencia de tensiones residuales. Por ello, la tasa de calentamiento durante la austenización debe ser controlada para evitar distorsiones o grietas.
Desde una perspectiva operativa, un calentamiento lento implica mayor consumo energético y tiempos de ocupación del horno, lo que puede afectar la eficiencia del proceso. Adicionalmente, introducir una pieza a temperatura ambiente (~25°C) en un horno precalentado a 800-900°C puede causar deformaciones o agrietamiento. Para mitigar este riesgo, se recomienda el uso de hornos de precalentamiento a temperaturas inferiores a A1 (~720°C).
Revisa nuestro artículo “Temperaturas Críticas en el Tratamiento Térmico de los Aceros“
1.2. Microestructura heterogénea
Si el calentamiento no es uniforme, la microestructura resultante puede presentar diferencias significativas en el tamaño de grano y la distribución de fases, lo que impacta negativamente la tenacidad y resistencia mecánica en ciertas regiones de la pieza.
Este fenómeno no se limita a piezas con variaciones geométricas, sino también a componentes de gran tamaño, donde la diferencia de temperatura entre la superficie y el núcleo genera una transformación austenítica heterogénea.
Imagen 1. Ejemplo de pieza de grande con variación en sus dimensiones y geometría
1.3. Deformaciones y tensiones residuales
Dado que distintas partes de la pieza se expanden a diferentes tasas debido a las variaciones de temperatura, se generan tensiones internas que pueden provocar distorsiones dimensionales o incluso fracturas.
Imagen 2 y 3. Muestra la variación de temperatura en una misma pieza debido a sus dimensiones
2. Soluciones y estrategias para una austenización eficiente en piezas grandes y diferencias en sus geometrías
2.1. Diseño de rampas de calentamiento (Calentamiento lento y homogéneo)
El calentamiento debe realizarse de manera controlada para minimizar gradientes térmicos. Esto se logra mediante rampas de calentamiento que favorecen una distribución más uniforme del calor en la pieza.
El calentamiento debe ser lo suficientemente lento para permitir la difusión homogénea del carbono dentro de la matriz austenítica antes de alcanzar la temperatura objetivo.
- Un calentamiento acelerado puede generar diferencias significativas en la solubilidad del carbono entre los distintos granos de austenita, lo que dará lugar a una microestructura heterogénea y, posteriormente, a propiedades mecánicas inconsistentes en la pieza tratada térmicamente.
- La velocidad de calentamiento afecta la nucleación y el crecimiento de la austenita, así como la distribución de elementos de aleación en la matriz.
- En aceros de alta aleación, la difusión del carbono es más lenta, lo que requiere tiempos de sostenimiento adecuados para garantizar la homogeneización química.
- La falta de homogeneización en la austenita influye directamente en la transformación martensítica posterior, generando variaciones en la dureza y tenacidad del material.
La necesidad de un calentamiento controlado y gradual está respaldada por estudios en cinética de la transformación de fases en aceros (Bhadeshia, 2001; Callister, 2011), que demuestran que las rampas de calentamiento adecuadas permiten una mejor distribución de carbono y elementos de aleación.
En el siguiente artículo se explicará como diseñar rampas de calentamiento en función de las dimensiones de las piezas con el uso de ecuaciones teóricas y herramientas computacionales.
2.2 Diseño de Ingeniería para minimizar Gradientes Térmicos
Es fundamental la colaboración entre ingenieros metalúrgicos e ingenieros de diseño para garantizar que las piezas sean concebidas con características geométricas que minimicen los riesgos de fallo durante el tratamiento térmico.Los ingenieros metalúrgicos pueden asesorar en la selección de radios de transición, espesores uniformes y distribución balanceada de masas para reducir distorsiones y optimizar los tiempos de sostenimiento térmico. Mediante el uso de software CAD y simulaciones FEM, es posible predecir la respuesta térmica de la pieza y optimizar su diseño para garantizar una transformación homogénea y minimizar defectos asociados al tratamiento térmico.
Imagen 5. Análisis de gradiente de temperatura usando Solid-Works software
2.3 Acomodo de las Piezas en el horno
El posicionamiento de las piezas dentro del horno influye directamente en la uniformidad del calentamiento. Los ingenieros metalúrgicos deben coordinar con el personal operativo para establecer instrucciones precisas sobre la disposición de las piezas, evitando:
- Contacto entre piezas que pueda generar zonas de sombra térmica.
- Apilamiento excesivo que dificulte la transferencia de calor.
- Necesidad de soportes o fixtures especializados para evitar deformaciones en piezas de geometrías complejas.
La evaluación del acomodo debe considerar las regiones que se calentarán y enfriarán primero, minimizando zonas que puedan quedar por debajo de la temperatura de austenización. El handbook “Residual stress and deformation of steel”, muestra algunas sugerencias sobre como colocar soportes en ciertas geometrías para evitar distorsión
Imagen 6. Influencia del soporte y acomodo de piezas en la distorsión de un componente
2.4 Monitoreo de temperatura con termopares
El uso de termopares en puntos estratégicos de la pieza permite validar la uniformibiliad térmica y ajustar los parámetros de calentamiento y enfriamiento de la geometría.
Conclusión
La influencia de la geometría y dimensiones en el tratamiento térmico de los aceros es un factor determinante en la calidad final de los componentes tratados. La aplicación de estrategias como rampas de calentamiento controladas, diseño optimizado de la pieza y selección adecuada del medio de enfriamiento permite minimizar distorsiones, heterogeneidad microestructural y defectos mecánicos.
La implementación de metodologías avanzadas de monitoreo térmico y simulación computacional de tratamientos térmicos (como FEM y CFD) permite optimizar los parámetros de proceso y mejorar la predictibilidad de los resultados. Para aplicaciones críticas, es recomendable combinar estudios experimentales con modelos numéricos para evaluar la respuesta térmica y microestructural de piezas con geometrías complejas, asegurando una optimización integral del tratamiento térmico
Referencias:
Heat treatment OF gears: A practical Guide for Engineers. A.K. Rakhit P17-19 Chapter 3- Heat Treatment of Gears,
Callister, W.D. (2018). Materials Science and Engineering: An Introduction. Wiley.
Totten, G.E. (2006). Steel Heat Treatment: Metallurgy and Technologies. CRC Press.
Autora: M.C. Ana Laura Hernández Sustaita
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