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Martempering y Austempering,

La Transformación Isotérmica del Acero Luisa Fernanda Castro Patiño Periodista Metal Actual

Equilibrio de las propiedades mecánicas.

Algunos industriales del sector metalmecánico desconocen el alcance y ventajas del martempering y el autempering, dos tratamientos térmicos que le proporcionan al acero características físicas especiales que se traducen en mayor calidad y rendimiento en las piezas.

El martempering y austempering son tratamientos isotérmicos que se le aplican a los aceros, con el fin de brindarles propiedades especiales como la tenacidad y resistencia al desgaste, con una reducción importante de las tensiones del temple convencional, una mínima distorsión, buena ductilidad y, prácticamente, sin ningún riesgo de agrietamiento. Su uso en la industria se remonta desde la década de los 30, cuando físicos y estudiosos metalúrgicos trataban de mejorar la calidad de los aceros y aleaciones para obtener piezas con mayores rendimientos en los procesos productivos y solucionar las limitaciones de los métodos tradicionales, especialmente las distorsiones térmicas producidas por una velocidad de enfriamiento drástica.

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En 1958, con el advenimiento de los aceros de bajo carbono que incluían microaleantes de: boro y molibdeno, permitieron la producción de aceros completamente bainíticos, además de la aplicación de nuevos tratamientos térmicos, aquellos que implicaban mantener la pieza de trabajo a una temperatura fija durante un periodo de tiempo suficiente para la formación de la bainita, técnica que se conoció colectivamente en el mundo como austempering.

En qué Consiste?

Estos tratamientos reciben el nombre de isotérmicos ya que son una variante del temple convencional, con diferencias puntuales en el medio, temperatura y tiempo de enfriamiento. Así pues, el enfriamiento, en lugar de hacerse con aceite o aire, como en un proceso de temple normal, se realiza por medio de sales para evitar enfriamientos demasiado drásticos a una temperatura media –según el contenido de carbono del acero, entre la temperatura de austenización y la del medio ambiente–, con un lapso de tiempo de horas en vez de segundos o minutos, lo que favorece la obtención estructural de martensita (martempering) o bainita (austempering), según los requerimientos de la pieza. El gran desarrollo de estos tratamientos básicamente, está dado por un mayor control en los rangos y variaciones de la temperatura.

Austempering Los inicios del austempering comienzan en 1930, gracias a las investigaciones de Edgar C. Bain and Edmund S. Davenport, reconocidos metalúrgicos de la época, quienes después de la exposición del metal a temperaturas promedio entre los 250–550 °C, hallaron una formación microestructural que se le llamó bainita, la cual le confiere al acero propiedades mecánicas, principalmente la tenacidad, a la vez buenos niveles de dureza. La explotación comercial del acero bainítico no se hizo masiva de la noche a la mañana, pues otros tratamientos térmicos practicados en aquella época por enfriamiento continuo, impidieron la creación de microestructuras completamente bainíticas; debido, entre otros factores, a la variada gama de aleaciones del acero disponibles, que producían ya sea microestructuras mixtas o con cantidades excesivas de martensita.

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La velocidad de enfriamiento depende del tipo de acero y en todos los casos del tamaño y espesor de las piezas. (Consultar tabla 1). Tabla 1. Temperaturas de Austempering y Martempering para diversos metales Temperatura Martensítica Temperatura de Austenización Aceite Sal Grados

ºC

ºF

ºC

1024

870

1600

135

1070

845

1550

175

1146

815

1500

1330

845

4063

ºF

ºC

ºF

275

….

….

350

….

….

175

350

….

….

1550

175

350

….

….

845

1550

175

350

….

….

4130

845

1550

….

….

205-260

400-500

4140

845

1550

150

300

….

….

4140

830

1525

….

….

230-275

450-525

4340-4350

815

1500

….

….

230-275

450-525

52100

855

1575

190

375

….

....

52100

845

1550

….

….

175-245

350-475

8740

830

1525

….

….

230-275

450-525

Aceros Templados

Aceros de cementación 3312

815

1500

….

….

175-190

350-375

4320

830

1525

….

….

175-190

350-375

6515

955

1750

190

375

….

….

4720

845

1550

….

….

175-190

350-375

8617-8620

925

1700

150

300

….

….

8620

855

1575

….

….

175-190

350-375

9310

815

1500

….

….

175-190

350-375

Nota-(a) El tiempo de los aceites varía de 4 a 20 minutos, dependiendo del espesor del material. (b). La temperatura Martensítica depende de la forma y la masa de la pieza a templar. Altas temperaturas en los rangos (y algunas veces arriba del rango) son utilizadas para secciones más delgadas y piezas de mayor complicación.

Fuente: Metals Handbook volumen 4 Heat Freatment.

En el austempering las piezas se calientan a una temperatura de austenizacion de 900ºC.

El principal objetivo del austempering es obtener un aumento de la ductilidad y la resistencia al impacto junto a valores de dureza altos. Para los procesos de endurecimiento de los materiales ferrosos hay dos temperaturas importantes: primero se calienta el acero para sostenerlo a la temperatura dentro del rango de austenización (sobre los 900 °C), y se sostiene hasta que toda su masa alcance la temperatura. Segundo: se templa en un baño de sales a una temperatura constante entre 270°C y 400°C, el tiempo requerido para la transformación de bainita y finalmente se enfría hasta la temperatura ambiente.

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En comparación con el temple convencional, el enfriamiento del metal en el austempering se hace a una velocidad más lenta, la cual está determinada o depende de la temperatura del medio o sal en el cual el operario enfría el metal; es decir, es necesario enfriar lentamente el acero para lograr la fase molecular del austempering, en este caso el líquido deberá estar por encima de la temperatura de transformación martensítica (200ºC); más o menos a unos 300ºC. En el austempering el acero debe permanecer en enfriamiento de 10 y 12 horas aproximadamente, aunque el tiempo de sostenimiento es proporcional a la masa de la pieza; en todo caso, el operario debe guiarse por los resultados de ensayos in situ, es decir, después de que realice una prueba con el material previamente, para así determinar con exactitud este tiempo. Es importante anotar que cuando el acero se enfría rápidamente queda demasiado estresado, como consecuencia del movimiento brusco de los átomos en estado sólido (transformación que se da durante el choque térmico), lo que ocasiona tensiones al interior del acero. Sin embargo, en el austempering la diferencia de temperaturas es menor comparada con el temple, por lo tanto el nivel de esfuerzos residuales y las deformaciones son más bajas lo que se traduce en un menor grado de tensión en el material.

Aplicaciones

y del tipo de trabajo que se quiera adelantar; piezas como el rotomartillo, por ejemplo, necesitan mayor resistencia al impacto (austempering) que al desgaste, dado que es una herramienta que en su funcionamiento produce un choque continuo.

Una de las aplicaciones más comunes donde los expertos recomiendan emplear el austempering es la fabricación de resortes, palas, flejes y, en algunos casos, en piñones, ya que brinda tenacidad y capacidad de soportar impactos, además, al lograr otorgarles a los materiales excelentes propiedades de resortabilidad.

Según Johnny Obando, Ingeniero Químico, y quien tiene una amplia experiencia en la asesoría de materiales y procesos de fabricación, en el proceso de austempering también se puede utilizar piezas como las puntillas, dado que, además de proporcionarles la dureza adecuada, parar clavarse en la pared o cualquier otro material, también le confiere resortabilidad, a fin de que el golpe fuerte con el martillo no provoque su ruptura inmediata. Así mismo, los cigüeñales para los carros, son otro tipo de elementos que necesitarían austempering, dado que estas herramientas trabajan bajo condiciones de impacto muy fuertes, por lo que requieren de una alta tenacidad.

El objetivo del austempering es pues lograr la combinación en las piezas de la tenacidad y la resortabilidad. Por ello, se emplea en los casos particulares en los que se requiere estas propiedades. Si se practica austempering a todo tipo de piñones es posible obtener piezas con buen grado de tenacidad, pero con dientes que pueden llegar a sufrir un desgaste prematuro. Así pues, la decisión correcta de utilizar austempering o un por ejemplo un cementado convencional, depende da las necesidades de la pieza

Sus Ventajas En el austempering se distinguen básicamente tres importantes ventajas: • Durabilidad de las piezas cuando estas están sometidas a altos impactos. • Deformaciones material.

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Los resortes son piezas en las que frecuentemente se utilizan procesos isotérmicos de austempering.

mínimas

en

el

• No requiere un calentamiento posterior de revenido, es decir la pieza ya adquiere las características mecánicas de ductibilidad, resortabilidad, resistencia al impacto y tenacidad, sin la utilización de procesos posteriores. • Menor grado de tensiones.

Los expertos recomiendan el austempering, sobre todo en aceros con un mejor contenido de carbono entre 0.5 y 0.9 por ciento, internacionalmente se manejan los aceros ANSI 4140, 5160, 3340. En Colombia por disponibilidad de materiales, se tienen 1050, 1060, 1070, 1080, 5150, entre otros.

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El Martempering El martempering, por su parte, se popularizó a partir del año 1943, como un proceso de producción metalúrgica destinado a controlar las características de la martensita; un estado cristalino de las moléculas de hierro inducido mediante la manipulación térmica en el acero y aleaciones, que lo hacen excepcionalmente duro.

Como resultado, las hojas de la sierra alcanzaron una dureza de 67 Rockwell C con apenas algunas deformaciones. En este caso las cuchillas se caracterizaron también por ser más tenaces que las sierras templadas convencionalmente. Además, una muy amplia serie de ensayos de corte, confirmó un rendimiento mayor (20 por ciento) en comparación con las hojas endurecidas con temple convencional.

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La primera aplicación del tratamiento de martempering fue en hojas de sierra para metales, fabricadas de acero de alto carbono y bajo volframio (C-W). Dicho proceso consistía en el calentamiento del metal en un baño de sales a una temperatura de 793 ºC, con dos minutos a temperatura de austenización –la cual depende de la composición química del acero, por lo regular es de 900ºC– para luego volver a ser enfriado en baños de sales, pero esta vez a una temperatura de 293ºC, con un tiempo de tres minutos de permanencia, antes de secar al aire ambiente.

El martempering se utiliza en aceros de alto porcetaje de carbono.

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¿En Qué Consiste? Al igual que en el austempering, en este tratamiento térmico luego que el metal o la pieza es llevada a altas temperaturas de austenización, también se enfría en un medio por encima de la temperatura de transformación martensítica (200°C a 220°C) la diferencia consiste en que en vez de dejarlo por espacio de 10 a 12 horas en ellíquido, la pieza de metal debe durar 1 o 2 horas máximo. El resultado de este proceso es una microestructura llamada martensita y que le confiere al acero excelente resistencia al desgaste. Posteriormente, el material, contrario al austempering, debe someterse a un proceso de revenido, con el fin de otorgarle a la pieza una mayor dureza, de lo contrario queda demasiado frágil, lo que afecta no sólo su buen funcionamiento, sino que además conlleva a rupturas prematuras. Vale anotar que la martensita se obtiene principalmente con enfriamientos de mayores velocidades, es decir que el medio en que se enfría se encuentra a temperaturas de hasta 80ºC, –por debajo de la temperatura de transformación martensitica–, sin embargo en el martempering este componente se obtiene a una temperatura de transformación más elevada o igual que en el austempering, con el fin de evitar deformaciones del material. Según el ingeniero Carlos Robledo, Jefe de Tratamientos Térmicos de Bohler Colombia, empresa de origen austriaca dedicada a la comercialización de aceros y que presta el servicio de tratamiento térmicos de metales, las deformaciones en el material se dan cuando se trabaja una pieza caliente y se enfría a temperaturas muy bajas, la pieza se tuerce, pues el líquido comienza a extraerle calor al material, lo que ocasiona que este sufra un cambio de estructura interna y por ende una alta deformación. Es por esta razón que se utiliza el martempering, un proceso de

enfriamiento que ayuda a disipar las temperaturas altas del metal, en un medio de enfriamiento adecuado, donde el choque térmico es menor que el temple convencional, a fin que la pieza o metal conserve sus propiedades mecánicas y obtenga así una buena resistencia al desgaste y en general buenas propiedades mecánicas.

Aplicaciones • Para la fabricación de engranajes del mecanismo diferencial de automóviles, dado que para este tipo de piezas se utilizaba el proceso clásico de cementación con temple en aceite, dichas piezas, fabricadas en acero cromo-molibdeno, eran enfriadas en aceite, utilizando además un procedimiento especial para evitar deformaciones en el material, sin embargo, en un 75 por ciento de estos componentes aparecían variaciones de 0.2 mm y 0.6 mm que hacían necesario un enderezado costoso y que en su gran mayoría los inutilizaba por agrietamiento.

El enfriamiento del martempering en sales, en lugar de aceite, permite que las deformaciones sean las mínimas posibles reduciendo así el enderezado y excesos para el rectificado, además de obtener durezas elevadas. • El martempering también se utiliza en la fabricación de troqueles con geometrías complejas con grandes longitudes o espesores muy delgados, en las que el uso este tratamiento reduce al máximo las deformaciones. • El martempering también se utiliza en aceros de alto porcentaje de carbono, altas aleaciones, aceros de medio carbono y aceros de baja aleación, que son usados para la fabricación de cuchillas, espadas, navajas, punzones y demás herramientas.

Vale anotar que estos tratamientos no se pueden aplicar en aceros inoxidables, porque cuando se someten a cualquiera de estos dos procesos, se altera la resistencia de la corrosión al material, es decir, pierde su característica principal.

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Tanto en el martempering como en el austempering, se utilizan sales nitrito-nitrato como medio de enfriamiento por ofrecer mejores propiedades mecánicas al material.

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Ventajas Algunas de sus ventajas son: • Reduce la susceptibilidad a la formación de fisuras durante el tratamiento. • Disminuye la deformación y aumenta la resistencia al impacto, si se compara con otros medios de temple más severos. Limitaciones: Espesor y la composición del acero. • Se logran durezas elevadas y por lo tanto resistencia al desgaste. • Menor deformación en el material, comparado con el temple directo. • Tenacidad media con respecto al temple en otros medios.

Según Robledo, el proceso del martempering es muy útil para todo tipo de acero que requiera endurecerse y al ser un tratamiento térmico que produce menores deformaciones en el material, resulta más apropiado que practicar el temple directo.

La Industria Aunque el austempering es un proceso económico en comparación con el martempering, dado que no requiere más procesos de revenido, en la industria colombiana no es muy aplicado, principalmente, porque es un tratamiento que necesita disponer de tiempos largos de enfriamiento y, por lo regular, el industrial requiere las piezas con prontitud.

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“En la mayoría de los casos y para cierto tipo de aplicaciones donde el

Martempering Obtención de estructura Martensita

Se calienta hasta austenización completa y se Se calienta el acero hasta austenización completa. realiza un enfriamiento en baño de sales sobre la Luego se enfría en un baño de sales a 250 y 400°C. temperatura crítica superior entre 200 y 550°C. Dependiendo de la aleación, no debe alcanzar El enfriamiento es al aire luego de lograr la estructemperatura ambiente y debe ingresar inmediatatura Bainita. mente el revenido.

austempering es muy útil, los clientes prefieren, dada la inmediatez con que necesitan las piezas, aplicar tratamientos de martempering y revenido, para acercarse un poco a las propiedades mecánicas del austempering”, afirma el ingeniero Jhonny Obando. Agrega además que, al reemplazar el austempering por el martempering, se obtienen piezas con una bainita mínima es decir con características mecánicas inferiores, las cuales deben ser reemplazadas con mayor frecuencia, pues no tienen la capacidad de ser flexibles. Por su parte, el ingeniero Robledo asegura que el tratamiento de austempering no es muy utilizado porque el cliente siempre solicita que la pieza tenga dureza sin preocuparse por conocer lo que hay dentro del acero, sus propiedades mecánicas que no necesariamente están relacionados con esta propiedad. “El conceptode dureza es muy mal empleado en el país”, señala Robledo. Por último, a pesar que en Colombia no existen normas nacionales que exijan la aplicación de tratamientos de austempering para cierto tipo de piezas, si existen empresas que están

En los tratamientos isotérmicos, se utilizan hornos de control automático a fin de mantener una temperatura constante.

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Austempering Obtención de estructura Bainita

normalizadas o se rigen por normas internacionales que realizan el proceso, especialmente aquellas que están vinculadas a la cadena automotriz para la fabricación de estos productos que les confieren una mayor calidad y rendimiento. En todo caso, los industriales que aún no tienen en cuenta estos procesos en la fabricación de sus productos, deberían estudiar las posibilidades que brindan los tratamientos isotérmicos, ya que de la calidad de las herramientas, depende el buen desempeño en el proceso productivo, lo cual muy seguramente no sólo le significará a la empresa un reconocimiento en la industria, sino una mayor rentabilidad en los productos que comercializa en el mercado. Fuentes • Johnny Obando. Ingeniero Químico. [email protected] • Carlos Robledo. Jefe Tratamientos bohler Colombia [email protected]. • Bernardo Rivera. Ingeniero. [email protected] • cienciaymateriales.blogspot.com-http:// www.asminternational.org/

Citas 1) Para más información sobre los tratamientos térmicos convencionales consulte el artículo: “La Ciencia de la Transformación: Los Tratamientos Térmicos”. Publicado en la edición 04 de Metal Actual, mayo – julio de 2007, páginas 50 a la 56. 2) Para más información sobre los métodos criogénicos consulte el artículo: “Subcero y Criogénico: El Frío, Secreto de los Fórmula Uno”. Publicado en la edición 21 de Metal Actual, agosto – octubre de 2011, páginas 52 a la 56. 3) SAE es el acrónimo en inglés de Society of Automotive Engineers (Sociedad de Ingenieros Automotores). En 1912 la SAE promovió una reunión de productores y consumidores de aceros donde se estableció la nomenclatura y composición de los aceros.

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