En artículos previos se ha detallado como calcular las temperaturas criticas de transformación Ac1 y Ac3, así como la importancia de estas el proceso de austenización. Posteriormente, en el artículo sobre austenización insuficiente se describieron las causas y consecuencias de lo lograr una microestructura austenítica adecuada durante el tratamiento térmico. Finalmente, en el artículo sobre el impacto de la geometría se explicó como el tamaño y forma de las piezas afectan el calentamiento. Con toda esta información, podemos concluir que una de las variables más importantes es el calentamiento controlado de la pieza, lo que permite que las transformaciones de fase ocurran de forma lo más homogénea posible, evitando distorsiones por cambios volumétricos y la generación de tensiones residuales.

Una vez identificada esta área de oportunidad, es momento de abordar una solución práctica: el diseño de rampas de calentamiento.

Este articulo está enfocado en como diseñar una rampa de calentamiento para un acero 4140, sin embargo, puede utilizarse como guía general para el cálculo en cualquier tipo de acero, siempre que se sustituyan los valores correspondientes al grado de material trabajado. Por otra parte, existen ciertas limitaciones que deben tomarse en cuenta y que se detallan al final de este artículo.

¿Qué es una rampa de calentamiento y por qué es necesaria?

Podemos definir una rampa de calentamiento o calentamiento controlado como un perfil de temperatura vs. tiempo que describe como se incrementa la temperatura de una pieza durante el tratamiento térmico. El objetivo principal es controlar la velocidad de calentamiento para minimizar gradientes térmicos evitar tensiones internas y asegurar una transformación de fase uniforme.

El diseño de una rampa de calentamiento adecuada es esencial para garantizar una transformación austenítica homogénea en aceros como el 4140, especialmente en piezas de gran tamaño o geometrías complejas.

Justificación teórica de una rampa de calentamiento

El objetivo es que la pieza alcance una temperatura uniforme en todas sus secciones al mismo tiempo. Tomaremos como ejemplo una barra con variaciones geométricas como la que se muestra en la figura 1

Figura 1. Flecha de acero 4140 con variaciones en su geometría

Datos sobre la pieza

• Grado de acero: 4140
• Composición química:  0.4C, 0.35Si,0.75Mn, 0.8Cr, 0.2Mo, Bal Fe.
• Geometría:
•  Longitud total: 5 mts
• Sección gruesa: 30 inch. Diámetro x 3 m de longitud
• Sección delgada: 10 inch. diámetro x 1 m de longitud

Condiciones térmicas

• Ti: 50°C (Temperatura inicial de la pieza)
• Ts: 900 °C (temperatura configurada del horno)
• Temperatura Objetivo: 875 (temperatura que esperamos que la pieza tenga una microestructura austenítica homogénea)
• Objetivo: Determinar el tiempo para que el centro de cada sección alcance la temperatura de875°C.

Cálculo de la difusividad térmica en el acero 4140

Para determinar las condiciones térmicas de la pieza, es necesario calcular sus propiedades térmicas en función de la composición química. Estas propiedades varían con la temperatura y la composición del material. Por ello, el uso de herramientas como Thermo-Calc permite predecir estas propiedades de manera rápida y precisa para cada composición.

La difusividad térmica (α) se define como:

Los valores pueden encontrarse en la literatura, sin embargo para este ejemplo se calcularon en Thermo-Calc Software:

Conversión de capacidad calorífica molar a específica:

Ecuación para calcular la difusividad térmica:

Resultados de difusividad térmica usando Thermo-Calc software:

Estos valores será utilizado para resolver la ecuación de transferencia de calor en estado transitorio.

Ecuación de transferencia de calor en estado transitorio:

Despejando el tiempo:

Valores a utilizar en la ecuación:

• Ts= 900 C (Temperatura del horno)
• Ti= 50 °C (Temperatura de incial de la pieza)
• T objetivo=  875°C (temperatura de austenización)
• L= Radio de cada sección (se asume que la conducción va ocurriendo desde la superficie hacia el centro)

Sección 1:

Para la sección gruesa (30 inch= 0.762m de diámetro, L= 0.381m)

Sección 2:

Para la sección delgada (10 inch= 0.254 m de diámetro, L= 0.127 m)

Con estos resultados se observa que la pieza alcanza los 875 °C en tiempos distintos. Por ello, es necesario diseñar una rampa de calentamiento que minimice gradientes térmicos, evite el sobrecalentamiento en secciones delgadas y prevenga defectos microestructurales.

Diseño de la rampa de calentamiento

Con la finalidad de llegar a las temperaturas de transformación de forma homogénea, se dividirá en 3 pasos el calentamiento:

1. Precalentamiento sin control (25 a 400°C)

Se asume un horno industrial sin control por debajo de 350 °C, por lo que este tramo ocurre sin regulación.

2. Calentamiento controlado de los 400°C a 680°C

El primer objetivo es que la pieza alcance una temperatura previa a la temperatura de inicio de austenización, es decir Ac1. Esto con la finalidad de dar oportunidad a la sección gruesa de llegar a la misma temperatura. Por lo que la temperatura objetivo es de 680°C, sugiriendo una velocidad de calentamiento de 5°C/min

Figura 2. Temperaturas críticas de transformación para el acero 4140

Una vez alcanzado este tiempo y temperatura, dejaremos la pieza en el horno por un tiempo de 30 a 1 hora, esto con la finalidad de asegurar que toda la pieza alcance la temperatura de 680°C y evitar el sobrecalentamiento.

3. Homogeneización durante la austenización ( 680-875°C):

Velocidad de calentamiento: 2°C/min

Duración:

Aquí la velocidad de calentamiento es más lenta, esto debido a que en este rango de temperatura ocurren los cambios microestructurales y se busca evitar en mayor cantidad las tensiones y deformaciones.

Tiempo total de precalentamiento: 153 minutos, aprox 2.5 hra

Limitaciones y consideraciones:

La ecuación utilizada asume una difusividad térmica constante. No obstante, esta propiedad varía con la temperatura. Para mayor precisión, especialmente cuando las propiedades térmicas dependen significativamente de la temperatura, se recomienda el uso de simulaciones numéricas (por ejemplo, simulaciones thermodinamicas y métodos de elementos finitos).

Conclusión

Las rampas de calentamiento permiten realizar un calentamiento controlado en piezas de grandes dimensiones o geometrías complejas. El uso de herramientas termodinámicas y datos materiales confiables permite diseñar perfiles térmicos adecuados que minimicen distorsiones, eviten sobrecalentamientos y optimicen tiempos y costos del proceso térmico.

Referencias:

• Incropera, F. P., DeWitt, D. P., Bergman, T. L., & Lavine, A. S. (2011). Fundamentals of Heat and Mass Transfer, 7th Edition. Wiley.
• Holman, J.P. (2010). Heat Transfer, 10th Edition. McGraw-Hill.
• Çengel, Y. A. (2007). Heat and Mass Transfer: Fundamentals and Applications. McGraw-Hill.
• Heisler Charts (Gráficos de Heisler): derivaciones empíricas para soluciones de geometrías communes
• ASM Handbook, Volume 4: Heat Treating, ASM International.
• Totten, G.E., Howes, M.A.H., & Inoue, T. (2002). Handbook of Residual Stress and Deformation of Steel. ASM International.
• Davis, J.R. (Editor). (1995). Tool Materials. ASM International.
• Callister, W.D. (2007). Materials Science and Engineering: An Introduction, Wiley.
• Thermo-Calc Software Documentation – DICTRA and TCFE Steels Database (para simulación de rampas térmicas y evolución de fases)

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Escrito por: M.C. Ana Laura Hernández Sustaita