El templado es un proceso de tratamiento térmico que se utiliza para aumentar la tenacidad de las aleaciones a base de hierro . El templado se realiza generalmente 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, para luego dejarlo enfriar en aire en calma. La temperatura exacta determina la cantidad de dureza eliminada y depende tanto de la composición específica de la aleación como de las propiedades deseadas en el producto terminado. Por ejemplo, las herramientas muy duras a menudo se templan a bajas temperaturas, mientras que los resortes se templan a temperaturas mucho más altas.
El revenido es una técnica de tratamiento térmico que se aplica a las aleaciones ferrosas , como el acero o el hierro fundido , para lograr una mayor tenacidad disminuyendo la dureza de la aleación. La reducción de la dureza suele ir acompañada de un aumento de la ductilidad , disminuyendo así la fragilidad del metal. El revenido se realiza normalmente después del temple , que es el enfriamiento rápido del metal para ponerlo en su estado más duro. El revenido se logra calentando de forma controlada la pieza de trabajo templada a una temperatura inferior a su " temperatura crítica inferior". Esto también se denomina temperatura de transformación inferior o temperatura de arresto inferior (A 1 ): la temperatura a la que las fases cristalinas de la aleación, llamadas ferrita y cementita , comienzan a combinarse para formar una solución sólida monofásica denominada austenita . Se evita el calentamiento por encima de esta temperatura, para no destruir la microestructura templada muy dura, llamada martensita . [3]
El control preciso del tiempo y la temperatura durante el proceso de revenido es crucial para lograr el equilibrio deseado de propiedades físicas. Las temperaturas de revenido bajas pueden aliviar solo las tensiones internas, disminuyendo la fragilidad mientras se mantiene la mayor parte de la dureza. Las temperaturas de revenido más altas tienden a producir una mayor reducción en la dureza, sacrificando algo de fuerza de fluencia y resistencia a la tracción para un aumento en la elasticidad y plasticidad . Sin embargo, en algunos aceros de baja aleación , que contienen otros elementos como cromo y molibdeno , el revenido a bajas temperaturas puede producir un aumento en la dureza, mientras que a temperaturas más altas la dureza disminuirá. Muchos aceros con altas concentraciones de estos elementos de aleación se comportan como aleaciones de endurecimiento por precipitación , lo que produce los efectos opuestos en las condiciones que se encuentran en el temple y revenido, y se conocen como aceros maraging . [3]
En los aceros al carbono , el revenido altera el tamaño y la distribución de los carburos en la martensita, formando una microestructura llamada "martensita revenida". El revenido también se realiza en aceros normalizados y fundiciones para aumentar la ductilidad, la maquinabilidad y la resistencia al impacto. [3] El acero suele templarse de manera uniforme, lo que se denomina "revenido directo", lo que produce una dureza casi uniforme, pero a veces se calienta de manera desigual, lo que se denomina "revenido diferencial", lo que produce una variación en la dureza. [4]
El templado es una antigua técnica de tratamiento térmico. El ejemplo más antiguo conocido de martensita templada es un pico que se encontró en Galilea y que data de alrededor de 1200 a 1100 a. C. [5] El proceso se utilizó en todo el mundo antiguo, desde Asia hasta Europa y África. En la antigüedad se han intentado muchos métodos y baños de enfriamiento diferentes para el temple, desde el temple en orina, sangre o metales como mercurio o plomo, pero el proceso de templado se ha mantenido relativamente sin cambios a lo largo de los siglos. El templado se confundía a menudo con el temple y, a menudo, el término se usaba para describir ambas técnicas. En 1889, Sir William Chandler Roberts-Austen escribió: "Todavía hay tanta confusión entre las palabras "templar", "templar" y "endurecer" en los escritos incluso de autoridades eminentes, que es bueno tener en cuenta cuidadosamente estas antiguas definiciones. Emplearé la palabra templado en el mismo sentido que ablandamiento". [6]
En metalurgia , se pueden encontrar muchos términos que tienen significados muy específicos dentro del campo, pero que pueden parecer bastante vagos cuando se los ve desde afuera. Términos como "dureza", "resistencia al impacto", "tenacidad" y "resistencia" pueden tener muchas connotaciones diferentes, lo que a veces hace que sea difícil discernir el significado específico. Algunos de los términos que se encuentran y sus definiciones específicas son:
Muy pocos metales reaccionan al tratamiento térmico de la misma manera, o en la misma medida, que el acero al carbono , y el comportamiento del acero al carbono en el tratamiento térmico puede variar radicalmente dependiendo de los elementos de aleación. El acero se puede ablandar hasta un estado muy maleable mediante recocido , o se puede endurecer hasta un estado tan duro y quebradizo como el vidrio mediante temple . Sin embargo, en su estado endurecido, el acero suele ser demasiado frágil y carece de la tenacidad a la fractura para ser útil para la mayoría de las aplicaciones. El templado es un método utilizado para disminuir la dureza, aumentando así la ductilidad del acero templado, para impartir cierta elasticidad y maleabilidad al metal. Esto permite que el metal se doble antes de romperse. Dependiendo de la cantidad de temple que se imparta al acero, puede doblarse elásticamente (el acero vuelve a su forma original una vez que se retira la carga) o puede doblarse plásticamente (el acero no vuelve a su forma original, lo que resulta en una deformación permanente), antes de fracturarse . El templado se utiliza para equilibrar con precisión las propiedades mecánicas del metal, como la resistencia al corte , el límite elástico , la dureza , la ductilidad y la resistencia a la tracción , para lograr cualquier combinación de propiedades, lo que hace que el acero sea útil para una amplia variedad de aplicaciones. Las herramientas como los martillos y las llaves requieren una buena resistencia a la abrasión, al impacto y a la deformación. Los resortes no requieren tanta resistencia al desgaste, pero deben deformarse elásticamente sin romperse. Las piezas de automóviles tienden a ser un poco menos fuertes, pero necesitan deformarse plásticamente antes de romperse.
Excepto en casos raros en los que se necesita una dureza máxima o resistencia al desgaste, como el acero no templado que se usa para limas , el acero templado casi siempre se templa hasta cierto punto. Sin embargo, a veces el acero se recoce mediante un proceso llamado normalización , que deja el acero solo parcialmente ablandado. El templado se utiliza a veces en aceros normalizados para ablandarlo aún más, lo que aumenta la maleabilidad y la maquinabilidad para facilitar el trabajo del metal . El templado también se puede utilizar en acero soldado , para aliviar algunas de las tensiones y el exceso de dureza creados en la zona afectada por el calor alrededor de la soldadura. [3]
El templado se realiza con mayor frecuencia en acero que se ha calentado por encima de su temperatura crítica superior (A3 ) y luego se enfría rápidamente, en un proceso llamado temple , utilizando métodos como sumergir el acero caliente en agua, aceite o aire forzado. El acero templado, que se coloca en o muy cerca de su estado más duro posible, se templa luego para disminuir gradualmente la dureza hasta un punto más adecuado para la aplicación deseada. La dureza del acero templado depende tanto de la velocidad de enfriamiento como de la composición de la aleación. El acero con un alto contenido de carbono alcanzará un estado mucho más duro que el acero con un bajo contenido de carbono. Del mismo modo, templar acero con alto contenido de carbono a una cierta temperatura producirá acero que es considerablemente más duro que el acero con bajo contenido de carbono que se templa a la misma temperatura. La cantidad de tiempo que se mantiene a la temperatura de templado también tiene un efecto. El templado a una temperatura ligeramente elevada durante un tiempo más corto puede producir el mismo efecto que el templado a una temperatura más baja durante un tiempo más largo. Los tiempos de templado varían según el contenido de carbono, el tamaño y la aplicación deseada del acero, pero normalmente oscilan entre unos minutos y unas horas.
El templado del acero templado a temperaturas muy bajas, entre 66 y 148 °C (151 y 298 °F), normalmente no tendrá mucho efecto más allá de un ligero alivio de algunas de las tensiones internas y una disminución de la fragilidad. El templado a temperaturas más altas, de 148 a 205 °C (298 a 401 °F), producirá una ligera reducción de la dureza, pero aliviará principalmente gran parte de las tensiones internas. En algunos aceros con bajo contenido de aleación, el templado en el rango de 260 y 340 °C (500 y 644 °F) provoca una disminución de la ductilidad y un aumento de la fragilidad, y se conoce como el rango de "fragilización por martensita templada" (TME). Excepto en el caso de la herrería, este rango generalmente se evita. El acero que requiere más resistencia que tenacidad, como las herramientas, generalmente no se templa por encima de los 205 °C (401 °F). En cambio, una variación en la dureza se produce generalmente variando únicamente el tiempo de revenido. Cuando se desea una mayor tenacidad a expensas de la resistencia, se utilizan temperaturas de revenido más altas, de 370 a 540 °C (698 a 1004 °F). El revenido a temperaturas aún más altas, entre 540 y 600 °C (1004 y 1112 °F), producirá una excelente tenacidad, pero con una reducción importante de la resistencia y la dureza. A 600 °C (1112 °F), el acero puede experimentar otra etapa de fragilización, llamada "fragilización por revenido" (TE), que ocurre si el acero se mantiene dentro del rango de temperatura de fragilización por revenido durante demasiado tiempo. Cuando se calienta por encima de esta temperatura, el acero normalmente no se mantendrá durante ningún período de tiempo y se enfriará rápidamente para evitar la fragilización por revenido. [3]
El acero que se ha calentado por encima de su temperatura crítica superior y luego se ha enfriado al aire en reposo se denomina acero normalizado. El acero normalizado consta de granos de perlita , martensita y, a veces, bainita , mezclados entre sí dentro de la microestructura. Esto produce un acero que es mucho más fuerte que el acero completamente recocido y mucho más resistente que el acero templado y enfriado. Sin embargo, a veces se necesita más tenacidad con una reducción de la resistencia. El templado proporciona una forma de disminuir cuidadosamente la dureza del acero, aumentando así la tenacidad a un punto más deseable. El acero fundido a menudo se normaliza en lugar de recocido, para disminuir la cantidad de distorsión que puede ocurrir. El templado puede reducir aún más la dureza, aumentando la ductilidad a un punto más parecido al acero recocido. [8] El templado se utiliza a menudo en aceros al carbono, produciendo prácticamente los mismos resultados. El proceso, llamado "normalizar y templar", se utiliza con frecuencia en aceros como el acero al carbono 1045 o la mayoría de los demás aceros que contienen entre un 0,35 y un 0,55 % de carbono. Estos aceros suelen templarse después de la normalización para aumentar la tenacidad y aliviar las tensiones internas. Esto puede hacer que el metal sea más adecuado para su uso previsto y más fácil de mecanizar . [9]
El acero que ha sido soldado con arco , con gas o de cualquier otra manera que no sea con forja se ve afectado en un área localizada por el calor del proceso de soldadura. Esta área localizada, llamada zona afectada por el calor (ZAT), consta de acero que varía considerablemente en dureza, desde acero normalizado hasta acero casi tan duro como el acero templado cerca del borde de esta zona afectada por el calor. La contracción térmica del calentamiento, la solidificación y el enfriamiento desiguales crea tensiones internas en el metal, tanto dentro como alrededor de la soldadura. El templado se utiliza a veces en lugar del alivio de tensiones (calentamiento y enfriamiento uniformes de todo el objeto justo por debajo de la temperatura A1 ) para reducir las tensiones internas y disminuir la fragilidad alrededor de la soldadura. El templado localizado se utiliza a menudo en soldaduras cuando la construcción es demasiado grande, intrincada o demasiado incómoda para calentar todo el objeto de manera uniforme. Las temperaturas de templado para este propósito generalmente rondan los 205 °C (401 °F) y los 343 °C (649 °F). [10]
Las barras de refuerzo modernas con una resistencia de 500 MPa se pueden fabricar a partir de un costoso acero microaleado o mediante un proceso de temple y autorevenido (QST). Después de que la barra sale de la pasada de laminado final, donde se le aplica la forma final, se rocía con agua, lo que templa la superficie exterior de la barra. La velocidad de la barra y la cantidad de agua se controlan cuidadosamente para dejar el núcleo de la barra sin templar. A continuación, el núcleo caliente templa la parte exterior ya templada, lo que deja una barra con una alta resistencia, pero también con un cierto grado de ductilidad.
El templado era un proceso que utilizaban y desarrollaban originalmente los herreros (forjadores de hierro). Lo más probable es que el proceso lo desarrollaran los hititas de Anatolia (la actual Turquía) en el siglo XII o XI a. C. Sin conocimientos de metalurgia, el templado se ideó originalmente mediante un método de ensayo y error.
Como hasta la época moderna existían pocos métodos para medir con precisión la temperatura, la temperatura se juzgaba habitualmente observando los colores de templado del metal. El templado a menudo consistía en calentar sobre una fragua de carbón o al fuego, por lo que mantener la pieza a la temperatura exacta durante el tiempo correcto no era posible. El templado se realizaba habitualmente sobrecalentando el metal de forma lenta y uniforme, a juzgar por el color, y luego enfriándolo inmediatamente, ya sea al aire libre o sumergiéndolo en agua. Esto producía un efecto muy similar al del calentamiento a la temperatura adecuada durante el tiempo adecuado y evitaba la fragilización mediante el templado en un corto período de tiempo. Sin embargo, aunque existen guías de colores de templado, este método de templado suele requerir una buena cantidad de práctica para perfeccionarlo, porque el resultado final depende de muchos factores, incluida la composición del acero, la velocidad a la que se calentó, el tipo de fuente de calor ( oxidante o carburante ), la velocidad de enfriamiento, las películas de aceite o las impurezas en la superficie y muchas otras circunstancias que varían de un herrero a otro o incluso de un trabajo a otro. El espesor del acero también influye. En el caso de los artículos más gruesos, resulta más fácil calentar solo la superficie a la temperatura adecuada antes de que el calor pueda penetrar. Sin embargo, es posible que los artículos muy gruesos no puedan endurecerse completamente durante el enfriamiento. [11]
Si el acero ha sido recién molido, lijado o pulido, formará una capa de óxido en su superficie cuando se caliente. A medida que aumenta la temperatura del acero, también aumentará el espesor del óxido de hierro . Aunque el óxido de hierro normalmente no es transparente, estas capas delgadas permiten que la luz pase a través de ellas, reflejándose tanto en la superficie superior como en la inferior de la capa. Esto provoca un fenómeno llamado interferencia de película delgada , que produce colores en la superficie. A medida que el espesor de esta capa aumenta con la temperatura, hace que los colores cambien de un amarillo muy claro a marrón, a morado y luego a azul. Estos colores aparecen a temperaturas muy precisas y proporcionan al herrero un indicador muy preciso para medir la temperatura. Los distintos colores, sus temperaturas correspondientes y algunos de sus usos son:
En el caso del acero al carbono, más allá del color gris azulado, el óxido de hierro pierde su transparencia y la temperatura ya no se puede juzgar de esta manera, aunque otras aleaciones como el acero inoxidable pueden producir una gama mucho más amplia que incluye dorados, verde azulado y magentas. La capa también aumentará de espesor con el paso del tiempo, que es otra razón por la que se utiliza el sobrecalentamiento y el enfriamiento inmediato. El acero en un horno de templado, mantenido a 205 °C (401 °F) durante mucho tiempo, comenzará a volverse marrón, morado o azul, aunque la temperatura no exceda la necesaria para producir un color pajizo claro. Las fuentes de calor oxidantes o carburantes también pueden afectar el resultado final. La capa de óxido de hierro, a diferencia del óxido , también protege al acero de la corrosión a través de la pasivación . [12]
El templado diferencial es un método que consiste en aplicar distintas cantidades de temple a distintas partes del acero. Este método se utiliza a menudo en la forja de cuchillos y espadas para proporcionar un filo muy duro y suavizar el lomo o centro de la hoja. Esto aumenta la dureza y, al mismo tiempo, mantiene un filo muy duro, afilado y resistente a los impactos, lo que ayuda a evitar roturas. Esta técnica se encontraba con más frecuencia en Europa, a diferencia de las técnicas de endurecimiento diferencial más comunes en Asia, como en la forja de espadas japonesa .
El templado diferencial consiste en aplicar calor sólo a una parte de la hoja, normalmente el lomo o el centro de las hojas de doble filo. En el caso de las hojas de un solo filo, el calor, a menudo en forma de llama o barra al rojo vivo, se aplica sólo al lomo de la hoja. A continuación, se observa atentamente la hoja mientras se forman los colores del templado y se desplazan lentamente hacia el borde. A continuación, se retira el calor antes de que el color pajizo claro llegue al borde. Los colores seguirán moviéndose hacia el borde durante un breve tiempo después de que se retire el calor, por lo que el herrero suele retirar el calor un poco antes, de modo que el amarillo pálido sólo llegue al borde y no avance más. Se utiliza un método similar para las hojas de doble filo, pero la fuente de calor se aplica al centro de la hoja, lo que permite que los colores se desplacen hacia cada borde. [13]
Los métodos de temple interrumpido se conocen a menudo como revenido, aunque los procesos son muy diferentes del revenido tradicional. Estos métodos consisten en templar a una temperatura específica que está por encima de la temperatura de inicio de la martensita (M s ) y luego mantener esa temperatura durante períodos prolongados. Dependiendo de la temperatura y la cantidad de tiempo, esto permite que se forme bainita pura o detiene la formación de martensita hasta que gran parte de las tensiones internas se relajan. Estos métodos se conocen como austemperado y martemperado. [14]
El austemperizado es una técnica que se utiliza para formar bainita pura, una microestructura de transición que se encuentra entre la perlita y la martensita. En el normalizado, tanto la bainita superior como la inferior suelen encontrarse mezcladas con perlita. Para evitar la formación de perlita o martensita, el acero se enfría en un baño de metales fundidos o sales. Esto enfría rápidamente el acero más allá del punto en el que se puede formar la perlita y hasta el rango de formación de bainita. Luego, el acero se mantiene a la temperatura de formación de bainita, más allá del punto en el que la temperatura alcanza un equilibrio, hasta que la bainita se forma por completo. Luego, el acero se retira del baño y se deja enfriar al aire, sin que se forme ni perlita ni martensita.
Dependiendo de la temperatura de mantenimiento, el austemperado puede producir bainita superior o inferior. La bainita superior es una estructura laminada que se forma a temperaturas normalmente superiores a 350 °C (662 °F) y es una microestructura mucho más resistente. La bainita inferior es una estructura en forma de aguja, que se produce a temperaturas inferiores a 350 °C, y es más fuerte pero mucho más frágil. [15] En cualquier caso, el austemperado produce mayor resistencia y tenacidad para una dureza dada, que está determinada principalmente por la composición en lugar de la velocidad de enfriamiento, y tensiones internas reducidas que podrían provocar roturas. Esto produce acero con una resistencia al impacto superior. Los punzones y cinceles modernos suelen estar austemperados. Debido a que el austemperado no produce martensita, el acero no requiere un templado adicional. [14]
El templado martemperado es similar al austemperado, en el sentido de que el acero se enfría en un baño de metal fundido o sales para enfriarlo rápidamente más allá del rango de formación de perlita. Sin embargo, en el templado martemperado, el objetivo es crear martensita en lugar de bainita. El acero se enfría a una temperatura mucho más baja que la utilizada para el templado austemperado; justo por encima de la temperatura inicial de la martensita. Luego, el metal se mantiene a esta temperatura hasta que la temperatura del acero alcanza un equilibrio. Luego, el acero se retira del baño antes de que pueda formarse bainita y luego se deja enfriar al aire, convirtiéndolo en martensita. La interrupción del enfriamiento permite que gran parte de las tensiones internas se relajen antes de que se forme la martensita, lo que disminuye la fragilidad del acero. Sin embargo, el acero templado martemperado generalmente necesitará someterse a un templado adicional para ajustar la dureza y la tenacidad, excepto en casos raros en los que se necesita la dureza máxima pero no la fragilidad que la acompaña. Las limas modernas a menudo se templan martemperadas. [14]
El templado implica un proceso de tres pasos en el que la martensita inestable se descompone en ferrita y carburos inestables, y finalmente en cementita estable, formando varias etapas de una microestructura llamada martensita templada. La martensita generalmente consta de listones (tiras) o placas, que a veces parecen aciculares (con forma de aguja) o lenticulares (con forma de lente). Dependiendo del contenido de carbono, también contiene una cierta cantidad de "austenita retenida". La austenita retenida son cristales que no pueden transformarse en martensita, incluso después de templarlos por debajo de la temperatura de acabado de la martensita (M f ). Un aumento en los agentes de aleación o el contenido de carbono provoca un aumento en la austenita retenida. La austenita tiene una energía de falla de apilamiento mucho mayor que la martensita o la perlita, lo que reduce la resistencia al desgaste y aumenta las posibilidades de agarrotamiento , aunque parte o la mayor parte de la austenita retenida se puede transformar en martensita mediante tratamientos en frío y criogénicos antes del templado.
La martensita se forma durante una transformación sin difusión , en la que la transformación se produce debido a las tensiones de corte creadas en las redes cristalinas en lugar de por los cambios químicos que ocurren durante la precipitación. Las tensiones de corte crean muchos defectos, o " dislocaciones ", entre los cristales, lo que proporciona áreas menos estresantes para que los átomos de carbono se reubiquen. Al calentarse, los átomos de carbono migran primero a estos defectos y luego comienzan a formar carburos inestables. Esto reduce la cantidad total de martensita al convertir parte de ella en ferrita. Un calentamiento adicional reduce la martensita aún más, transformando los carburos inestables en cementita estable.
La primera etapa del revenido ocurre entre temperatura ambiente y 200 °C (392 °F). En la primera etapa, el carbono precipita en ε-carbono (Fe 2,4 C). En la segunda etapa, que ocurre entre 150 °C (302 °F) y 300 °C (572 °F), la austenita retenida se transforma en una forma de bainita inferior que contiene ε-carbono en lugar de cementita (arcaicamente conocida como "troostita"). [16] [17] La tercera etapa ocurre a 200 °C (392 °F) y más. En la tercera etapa, el ε-carbono precipita en cementita y el contenido de carbono en la martensita disminuye. Si se templa a temperaturas más altas, entre 650 °C (1202 °F) y 700 °C (1292 °F), o durante períodos más prolongados, la martensita puede volverse completamente ferrítica y la cementita puede volverse más gruesa o más esférica. En el acero esferoidizado, la red de cementita se rompe y retrocede en varillas o glóbulos de forma esférica, y el acero se vuelve más blando que el acero recocido; casi tan blando como el hierro puro, lo que lo hace muy fácil de moldear o mecanizar . [18]
La fragilización se produce durante el revenido cuando, a través de un rango de temperatura específico, el acero experimenta un aumento de dureza y una reducción de ductilidad, en oposición a la disminución normal de dureza que ocurre en ambos lados de este rango. El primer tipo se denomina fragilización martensítica revenida (TME) o fragilización en un solo paso. El segundo se denomina fragilización por revenido (TE) o fragilización en dos pasos.
La fragilización en un solo paso ocurre generalmente en el acero al carbono a temperaturas entre 230 °C (446 °F) y 290 °C (554 °F), y se la conocía históricamente como "fragilización de 500 grados [Fahrenheit]". Esta fragilización ocurre debido a la precipitación de agujas o placas de Widmanstätten , hechas de cementita, en los límites entre listones de la martensita. Las impurezas como el fósforo o los agentes de aleación como el manganeso pueden aumentar la fragilización o alterar la temperatura a la que ocurre. Este tipo de fragilización es permanente y solo se puede aliviar calentando por encima de la temperatura crítica superior y luego enfriando nuevamente. Sin embargo, estas microestructuras generalmente requieren una hora o más para formarse, por lo que generalmente no son un problema en el método de templado del herrero.
La fragilización en dos etapas ocurre típicamente al envejecer el metal dentro de un rango crítico de temperatura, o al enfriarlo lentamente a través de ese rango. Para el acero al carbono, esto suele estar entre 370 °C (698 °F) y 560 °C (1040 °F), aunque impurezas como el fósforo y el azufre aumentan el efecto dramáticamente. Esto ocurre generalmente porque las impurezas pueden migrar a los límites de grano, creando puntos débiles en la estructura. La fragilización a menudo se puede evitar enfriando rápidamente el metal después del templado. La fragilización en dos etapas, sin embargo, es reversible. La fragilización se puede eliminar calentando el acero por encima de los 600 °C (1112 °F) y luego enfriándolo rápidamente. [19]
Muchos elementos se alean con frecuencia con el acero. El objetivo principal de la aleación de la mayoría de los elementos con el acero es aumentar su templabilidad y disminuir el ablandamiento por efecto de la temperatura. A los aceros para herramientas, por ejemplo, se les pueden añadir elementos como cromo o vanadio para aumentar tanto la tenacidad como la resistencia, lo que es necesario para cosas como llaves y destornilladores . Por otro lado, las brocas y las limas rotativas necesitan conservar su dureza a altas temperaturas. La adición de cobalto o molibdeno puede hacer que el acero conserve su dureza, incluso a temperaturas al rojo vivo, formando aceros de alta velocidad. A menudo, se añaden pequeñas cantidades de muchos elementos diferentes al acero para darle las propiedades deseadas, en lugar de solo agregar uno o dos.
La mayoría de los elementos de aleación (solutos) tienen el beneficio de no solo aumentar la dureza, sino también reducir tanto la temperatura inicial de la martensita como la temperatura a la que la austenita se transforma en ferrita y cementita. Durante el temple, esto permite una velocidad de enfriamiento más lenta, lo que permite que los elementos con secciones transversales más gruesas se endurezcan a mayores profundidades de lo que es posible en el acero al carbono simple, lo que produce una mayor uniformidad en la resistencia.
Los métodos de templado para aceros aleados pueden variar considerablemente, dependiendo del tipo y la cantidad de elementos añadidos. En general, elementos como el manganeso , el níquel , el silicio y el aluminio permanecerán disueltos en la ferrita durante el templado mientras que el carbono precipita. Cuando se templan, estos solutos normalmente producirán un aumento de dureza con respecto al acero al carbono simple del mismo contenido de carbono. Cuando se templan aceros aleados endurecidos, que contienen cantidades moderadas de estos elementos, la aleación normalmente se ablandará de forma algo proporcional al acero al carbono.
Sin embargo, durante el templado, elementos como el cromo, el vanadio y el molibdeno precipitan con el carbono. Si el acero contiene concentraciones bastante bajas de estos elementos, el ablandamiento del acero se puede retardar hasta que se alcancen temperaturas mucho más altas, en comparación con las necesarias para templar el acero al carbono. Esto permite que el acero mantenga su dureza en aplicaciones de alta temperatura o alta fricción. Sin embargo, esto también requiere temperaturas muy altas durante el templado, para lograr una reducción en la dureza. Si el acero contiene grandes cantidades de estos elementos, el templado puede producir un aumento en la dureza hasta que se alcanza una temperatura específica, punto en el que la dureza comenzará a disminuir. [20] [21] Por ejemplo, los aceros al molibdeno normalmente alcanzarán su dureza más alta alrededor de 315 °C (599 °F), mientras que los aceros al vanadio se endurecerán completamente cuando se templen a alrededor de 371 °C (700 °F). Cuando se añaden cantidades muy grandes de solutos, los aceros aleados pueden comportarse como aleaciones de endurecimiento por precipitación, que no se ablandan en absoluto durante el templado. [22]
El hierro fundido se presenta en muchos tipos, dependiendo del contenido de carbono. Sin embargo, generalmente se dividen en hierro fundido gris y blanco, dependiendo de la forma que adopten los carburos. En el hierro fundido gris, el carbono se encuentra principalmente en forma de grafito , pero en el hierro fundido blanco, el carbono suele estar en forma de cementita . El hierro fundido gris se compone principalmente de la microestructura denominada perlita , mezclada con grafito y, a veces, ferrita. El hierro fundido gris se suele utilizar como fundición, y sus propiedades están determinadas por su composición.
El hierro fundido blanco se compone principalmente de una microestructura llamada ledeburita mezclada con perlita. La ledeburita es muy dura, lo que hace que el hierro fundido sea muy frágil. Si el hierro fundido blanco tiene una composición hipoeutéctica , generalmente se templa para producir hierro fundido maleable o dúctil. Se utilizan dos métodos de templado, llamados "templado blanco" y "templado negro". El propósito de ambos métodos de templado es hacer que la cementita dentro de la ledeburita se descomponga, aumentando la ductilidad. [23]
El hierro fundido maleable (poroso) se fabrica mediante templado blanco. El templado blanco se utiliza para quemar el exceso de carbono, calentándolo durante períodos prolongados en un entorno oxidante. El hierro fundido generalmente se mantendrá a temperaturas de hasta 1000 °C (1830 °F) durante 60 horas. El calentamiento es seguido por un lento ritmo de enfriamiento de alrededor de 10 °C (18 °F) por hora. El proceso completo puede durar 160 horas o más. Esto hace que la cementita se descomponga de la ledeburita y luego el carbono se queme a través de la superficie del metal, lo que aumenta la maleabilidad del hierro fundido. [23]
El hierro fundido dúctil (no poroso) (a menudo llamado "hierro negro") se produce mediante templado negro. A diferencia del templado blanco, el templado negro se realiza en un entorno de gas inerte , de modo que el carbono en descomposición no se queme. En cambio, el carbono en descomposición se convierte en un tipo de grafito llamado "grafito templado" o "grafito escamoso", lo que aumenta la maleabilidad del metal. El templado se realiza generalmente a temperaturas de hasta 950 °C (1740 °F) durante hasta 20 horas. El templado es seguido por un enfriamiento lento hasta la temperatura crítica más baja, durante un período que puede durar de 50 a más de 100 horas. [23]
Las aleaciones de endurecimiento por precipitación comenzaron a utilizarse a principios del siglo XX. La mayoría de las aleaciones tratables térmicamente entran en la categoría de aleaciones de endurecimiento por precipitación, incluidas las aleaciones de aluminio , magnesio , titanio y níquel . Varios aceros de alta aleación también son aleaciones de endurecimiento por precipitación. Estas aleaciones se vuelven más blandas de lo normal cuando se enfrían y luego se endurecen con el tiempo. Por este motivo, el endurecimiento por precipitación a menudo se denomina "envejecimiento".
Aunque la mayoría de las aleaciones endurecidas por precipitación se endurecen a temperatura ambiente, algunas solo se endurecen a temperaturas elevadas y, en otras, el proceso se puede acelerar mediante el envejecimiento a temperaturas elevadas. El envejecimiento a temperaturas superiores a la temperatura ambiente se denomina "envejecimiento artificial". Aunque el método es similar al revenido, el término "revenido" no suele utilizarse para describir el envejecimiento artificial, porque los procesos físicos (es decir, la precipitación de fases intermetálicas de una aleación sobresaturada ), los resultados deseados (es decir, el fortalecimiento en lugar del ablandamiento) y la cantidad de tiempo que se mantiene a una determinada temperatura son muy diferentes del revenido que se utiliza en el acero al carbono.