En ciencia de materiales , el enfriamiento rápido es el enfriamiento rápido de una pieza de trabajo en agua, gas, aceite, polímero, aire u otros fluidos para obtener ciertas propiedades del material . El enfriamiento, un tipo de tratamiento térmico , evita que se produzcan procesos no deseados a baja temperatura, como transformaciones de fase . Lo hace reduciendo la ventana de tiempo durante la cual estas reacciones no deseadas son termodinámicamente favorables y cinéticamente accesibles; por ejemplo, el enfriamiento puede reducir el tamaño del grano de cristal de materiales metálicos y plásticos, aumentando su dureza.
En metalurgia , el temple se utiliza más comúnmente para endurecer el acero induciendo una transformación de martensita , donde el acero debe enfriarse rápidamente hasta su punto eutectoide , la temperatura a la que la austenita se vuelve inestable. El enfriamiento rápido previene la formación de estructura de cementita , en lugar de ello, disuelve a la fuerza los átomos de carbono en la red de ferrita. [1] En el acero aleado con metales como el níquel y el manganeso , la temperatura eutectoide se vuelve mucho más baja, pero las barreras cinéticas para la transformación de fases siguen siendo las mismas. Esto permite que el enfriamiento comience a una temperatura más baja, lo que facilita mucho el proceso. Al acero rápido también se le ha añadido tungsteno , que sirve para levantar barreras cinéticas, lo que, entre otros efectos, confiere propiedades al material (dureza y resistencia a la abrasión) como si la pieza de trabajo se hubiera enfriado más rápidamente de lo que realmente lo ha hecho. Incluso enfriar estas aleaciones lentamente en el aire tiene la mayoría de los efectos deseados del enfriamiento; El acero de alta velocidad se debilita mucho menos debido al ciclo de calor debido al corte a alta velocidad. [2]
Un enfriamiento extremadamente rápido puede impedir la formación de todas las estructuras cristalinas, dando como resultado un metal amorfo o "vidrio metálico".
El endurecimiento por enfriamiento es un proceso mecánico en el que se refuerzan y endurecen aleaciones de acero y hierro fundido. Estos metales se componen de metales ferrosos y aleaciones. Esto se hace calentando el material a una temperatura determinada, dependiendo del material. Esto produce un material más duro ya sea mediante endurecimiento superficial o endurecimiento total que varía según la velocidad a la que se enfría el material. Luego, el material a menudo se templa para reducir la fragilidad que puede aumentar debido al proceso de endurecimiento. Los elementos que pueden templarse incluyen engranajes, ejes y bloques de desgaste.
Antes del endurecimiento, los aceros fundidos y el hierro tienen una estructura de grano perlítico uniforme y laminar (o en capas). Se trata de una mezcla de ferrita y cementita que se forma cuando se fabrica y enfría acero o hierro fundido a baja velocidad. La perlita no es un material ideal para muchas aplicaciones comunes de aleaciones de acero, ya que es bastante blanda. Al calentar la perlita más allá de su temperatura de transición eutectoide de 727 °C y luego enfriarla rápidamente, parte de la estructura cristalina del material se puede transformar en una estructura mucho más dura conocida como martensita. Los aceros con esta estructura martensítica se suelen utilizar en aplicaciones en las que la pieza debe ser muy resistente a la deformación, como en el filo de las cuchillas. Esto es muy eficiente.
El proceso de enfriamiento es una progresión que comienza con el calentamiento de la muestra. La mayoría de los materiales se calientan entre 815 y 900 °C (1500 a 1650 °F), prestando especial atención a mantener uniformes las temperaturas en toda la pieza de trabajo. Minimizar el calentamiento desigual y el sobrecalentamiento es clave para impartir las propiedades deseadas al material.
El segundo paso en el proceso de enfriamiento es el remojo. Las piezas de trabajo se pueden remojar en aire (horno de aire), en un baño líquido o al vacío. El tiempo recomendado en baños de sal o plomo es de hasta 6 minutos. Los tiempos de remojo pueden variar un poco más en el vacío. Al igual que en el paso de calentamiento, es importante que la temperatura en toda la muestra permanezca lo más uniforme posible durante el remojo.
Una vez que la pieza de trabajo ha terminado de remojarse, pasa al paso de enfriamiento. Durante este paso, la pieza se sumerge en algún tipo de fluido de enfriamiento; Diferentes fluidos de enfriamiento pueden tener un efecto significativo en las características finales de una pieza templada. El agua es uno de los medios de enfriamiento más eficientes donde se desea la máxima dureza, pero existe una pequeña posibilidad de que cause distorsión y pequeñas grietas. Cuando se puede sacrificar la dureza, se suelen utilizar aceites minerales. Estos fluidos a base de aceite a menudo se oxidan y forman lodos durante el enfriamiento, lo que en consecuencia reduce la eficiencia del proceso. La velocidad de enfriamiento del aceite es mucho menor que la del agua. Se pueden obtener velocidades intermedias entre agua y aceite con un extintor formulado específicamente, una sustancia con solubilidad inversa que, por lo tanto, se deposita sobre el objeto para disminuir la velocidad de enfriamiento.
El enfriamiento también se puede lograr utilizando gases inertes, como nitrógeno y gases nobles. El nitrógeno se utiliza habitualmente a una presión superior a la atmosférica, hasta 20 bar absolutos. También se utiliza helio porque su capacidad térmica es mayor que la del nitrógeno. Alternativamente, se puede utilizar argón; sin embargo, su densidad requiere mucha más energía para moverse y su capacidad térmica es menor que la de las alternativas. Para minimizar la distorsión en la pieza de trabajo, las piezas cilíndricas largas se templan verticalmente; las piezas de trabajo planas se templan en el borde; y las secciones gruesas deben entrar primero al baño. Para evitar burbujas de vapor se agita el baño.
A menudo, después del enfriamiento, una aleación de hierro o acero será excesivamente dura y quebradiza debido a un exceso de martensita. En estos casos, se realiza otra técnica de tratamiento térmico conocida como templado sobre el material templado para aumentar la tenacidad de las aleaciones a base de hierro . El templado generalmente se realiza después del endurecimiento , para reducir parte del exceso de dureza , y se realiza calentando el metal a una temperatura por debajo del punto crítico durante un cierto período de tiempo y luego dejándolo enfriar en aire tranquilo.
El calor se elimina en tres etapas particulares:
Etapa A: Se forman burbujas de vapor sobre el metal y comienza a enfriarse.
Durante esta etapa, debido al efecto Leidenfrost , el objeto queda completamente rodeado de vapor que lo aísla del resto del líquido.
Etapa B: enfriamiento por transporte de vapor
Una vez que la temperatura haya bajado lo suficiente, la capa de vapor se desestabilizará y el líquido podrá entrar en contacto completamente con el objeto y el calor se eliminará mucho más rápidamente.
Etapa C: refrigeración líquida
Esta etapa ocurre cuando la temperatura del objeto está por debajo del punto de ebullición del líquido.
Hay evidencia del uso de procesos de enfriamiento por parte de los herreros que se remonta a mediados de la Edad del Hierro , pero existe poca información detallada relacionada con el desarrollo de estas técnicas y los procedimientos empleados por los primeros herreros. [3] Aunque los primeros herreros debieron darse cuenta rápidamente de que los procesos de enfriamiento podían afectar la resistencia y fragilidad del hierro, y se puede afirmar que el tratamiento térmico del acero era conocido en el Viejo Mundo desde finales del segundo milenio a.C., [4] Es difícil identificar arqueológicamente usos deliberados del enfriamiento. Además, parece que, al menos en Europa, "el temple y el revenido por separado no parecen haberse vuelto comunes hasta el siglo XV"; Es útil distinguir entre "templado total" del acero, donde el enfriamiento es tan rápido que sólo se forma martensita, y "templado flojo", donde el enfriamiento es más lento o interrumpido, lo que también permite que se forme perlita y da como resultado un acero menos frágil. producto. [5]
Los primeros ejemplos de acero templado pueden provenir de la antigua Mesopotamia, con un ejemplo relativamente seguro de un cincel templado del siglo IV a. C. de Al Mina en Turquía. [6] El libro 9, líneas 389-94 de la Odisea de Homero se cita ampliamente como una de las primeras, posiblemente la primera, referencia escrita a la extinción: [3] [7]
como cuando un hombre que trabaja como herrero hunde en agua fría una gran hacha o una azuela que grita y la trata para calmar el temperamento, ya que así se fortalece el acero, aun así los ojos del Cíclope chisporroteaban sobre el haz de la aceituna.
Sin embargo, no está fuera de duda que el pasaje describe un endurecimiento deliberado, en lugar de un simple enfriamiento. [8] Asimismo, existe la posibilidad de que el Mahabharata se refiera al enfriamiento con aceite de las puntas de flecha de hierro, pero la evidencia es problemática. [9]
Plinio el Viejo abordó el tema de los apagadores, distinguiendo el agua de diferentes ríos. [10] Los capítulos 18-21 del De diversis artis del siglo XII de Theophilus Presbyter mencionan el enfriamiento, recomendando, entre otras cosas, que "las herramientas también reciban un temple más duro en la orina de un niño pelirrojo que en agua corriente". . [3] Uno de los primeros debates más completos sobre el enfriamiento es el primer libro impreso occidental sobre metalurgia, Von Stahel und Eysen , publicado en 1532, que es característico de los tratados técnicos de finales de la Edad Media.
El estudio científico moderno del enfriamiento comenzó a ganar impulso a partir del siglo XVII, y un paso importante fue la discusión basada en observaciones de Giambattista della Porta en su Magia Naturalis de 1558 . [11]
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