El austemperado es un tratamiento térmico que se aplica a los metales ferrosos , sobre todo al acero y al hierro dúctil. En el acero produce una microestructura de bainita , mientras que en el hierro fundido produce una estructura de ferrita acicular y austenita estabilizada con alto contenido de carbono conocida como ausferrita . Se utiliza principalmente para mejorar las propiedades mecánicas o reducir/eliminar la distorsión. El austemperado se define tanto por el proceso como por la microestructura resultante. Los parámetros típicos del proceso de austemplado aplicados a un material inadecuado no darán como resultado la formación de bainita o ausferrita y, por lo tanto, el producto final no se denominará austemplado. Ambas microestructuras también se pueden producir mediante otros métodos. Por ejemplo, pueden producirse como fundición o enfriarse por aire con el contenido de aleación adecuado. Estos materiales tampoco se denominan austemplados.
El austemperado del acero fue iniciado por primera vez en la década de 1930 por Edgar C. Bain y Edmund S. Davenport, que trabajaban para la United States Steel Corporation en ese momento. La bainita debió estar presente en los aceros mucho antes de la fecha de descubrimiento reconocida, pero no fue identificada debido a las limitadas técnicas metalográficas disponibles y a las microestructuras mixtas formadas por las prácticas de tratamiento térmico de la época. Circunstancias coincidentes inspiraron a Bain a estudiar las transformaciones de fase isotérmica . La austenita y las fases de mayor temperatura del acero se comprendían cada vez más y ya se sabía que la austenita podía conservarse a temperatura ambiente. A través de sus contactos en la American Steel and Wire Company, Bain conoció las transformaciones isotérmicas que se utilizaban en la industria y comenzó a concebir nuevos experimentos [1].
La investigación adicional sobre la transformación isotérmica de los aceros fue el resultado del descubrimiento de Bain y Davenport de una nueva microestructura que consiste en un "agregado acicular de grabado oscuro". Se descubrió que esta microestructura era "más resistente para la misma dureza que la martensita templada". [2] La explotación comercial del acero bainítico no fue rápida. Las prácticas comunes de tratamiento térmico en ese momento incluían métodos de enfriamiento continuo y no eran capaces, en la práctica, de producir microestructuras completamente bainíticas. La gama de aleaciones disponibles produjo microestructuras mixtas o cantidades excesivas de martensita. La llegada de los aceros con bajo contenido de carbono que contienen boro y molibdeno en 1958 permitió producir acero totalmente bainítico mediante enfriamiento continuo. [1] [3] El uso comercial del acero bainítico surgió así como resultado del desarrollo de nuevos métodos de tratamiento térmico, entre ellos los que implican una etapa en la que la pieza se mantiene a una temperatura fija durante un período de tiempo suficiente para permitir que la transformación se conozca colectivamente como austempering.
Uno de los primeros usos del acero austemplado fue en cerrojos de rifle durante la Segunda Guerra Mundial. [4] La alta resistencia al impacto posible con altas durezas y el tamaño de sección relativamente pequeño de los componentes hicieron que el acero austemplado fuera ideal para esta aplicación. Durante las décadas siguientes, el austempering revolucionó la industria de los resortes, seguido de los clips y las abrazaderas. Estos componentes, que suelen ser piezas delgadas y formadas, no requieren aleaciones costosas y generalmente poseen mejores propiedades elásticas que sus homólogos de martensita templada. Con el tiempo, el acero austemperado llegó a la industria automotriz, donde uno de sus primeros usos fue en componentes críticos para la seguridad. La mayoría de los soportes de los asientos de los automóviles y los componentes de los cinturones de seguridad están hechos de acero templado debido a su alta resistencia y ductilidad. [4] Estas propiedades le permiten absorber más energía durante un choque sin riesgo de falla frágil. Actualmente, el acero austemplado también se utiliza en cojinetes, cuchillas de cortacésped, engranajes de transmisión, placas onduladas y púas de aireación de césped. [4] En la segunda mitad del siglo XX el proceso de austemperado comenzó a aplicarse comercialmente al hierro fundido. El hierro dúctil austemperado (ADI) se comercializó por primera vez a principios de la década de 1970 y desde entonces se ha convertido en una industria importante.
La diferencia más notable entre el austemperado y el templado y revenido convencional es que implica mantener la pieza de trabajo a la temperatura de templado durante un período prolongado de tiempo. Los pasos básicos son los mismos ya sea que se apliquen a hierro fundido o acero y son los siguientes:
Para que se produzca cualquier transformación, la microestructura del metal debe ser una estructura austenita. Los límites exactos de la región de la fase austenita dependen de la química de la aleación que se trata térmicamente. Sin embargo, las temperaturas de austenitización suelen estar entre 790 y 915 °C (1455 a 1680 °F). [5] La cantidad de tiempo pasado a esta temperatura variará según la aleación y las características específicas del proceso para una pieza totalmente endurecida. Los mejores resultados se logran cuando la austenitización es lo suficientemente larga como para producir una microestructura metálica completamente austenítica (todavía habrá grafito presente en los hierros fundidos) con un contenido de carbono constante. En los aceros, esto puede tardar sólo unos minutos después de que se haya alcanzado la temperatura de austenitización en toda la sección de la pieza, pero en las fundiciones lleva más tiempo. Esto se debe a que el carbono debe difundirse fuera del grafito hasta que alcance la concentración de equilibrio dictada por la temperatura y el diagrama de fases. Este paso se puede realizar en muchos tipos de hornos, en un baño de sal a alta temperatura o mediante llama directa o calentamiento por inducción . Numerosas patentes describen métodos y variaciones específicos.
Al igual que con el templado y revenido convencional, el material que se está tratando térmicamente debe enfriarse desde la temperatura de austenización lo suficientemente rápido para evitar la formación de perlita . La velocidad de enfriamiento específica que es necesaria para evitar la formación de perlita es producto de la química de la fase de austenita y, por tanto, de la aleación que se procesa. La velocidad de enfriamiento real es producto de la severidad del enfriamiento, que está influenciada por el medio de enfriamiento, la agitación, la carga (relación de enfriamiento, etc.), y el espesor y la geometría de la pieza. Como resultado, los componentes de secciones más pesadas requerían una mayor templabilidad. En el austemplado, la carga de tratamiento térmico se enfría a una temperatura que normalmente está por encima del inicio de martensita de la austenita y se mantiene. En algunos procesos patentados, las piezas se enfrían justo debajo del inicio de martensita para que la microestructura resultante sea una mezcla controlada de martensita y bainita.
Los dos aspectos importantes del enfriamiento son la velocidad de enfriamiento y el tiempo de mantenimiento. La práctica más común es enfriar en un baño de sal líquida de nitrito-nitrato y mantener en el baño. Debido al rango restringido de temperatura para el procesamiento, generalmente no es posible enfriar en agua o salmuera, pero se utilizan aceites de alta temperatura para un rango de temperatura estrecho. Algunos procesos incluyen enfriamiento y luego extracción del medio de enfriamiento y luego mantenimiento en un horno. La temperatura de enfriamiento y mantenimiento son parámetros de procesamiento primarios que controlan la dureza final y, por lo tanto, las propiedades del material.
Después de enfriar y mantener no hay peligro de agrietamiento; Las piezas generalmente se enfrían por aire o se colocan directamente en un sistema de lavado a temperatura ambiente.
No se requiere templado después del austemperado si la pieza está completamente endurecida y completamente transformada en bainita o ausferrita. [5] El templado añade otra etapa y, por tanto, coste al proceso; no proporciona la misma modificación de propiedades y alivio de tensiones en la bainita o ausferrita que en la martensita virgen.
El austempering ofrece muchas ventajas de fabricación y rendimiento sobre las combinaciones convencionales de material/proceso. Se puede aplicar a numerosos materiales y cada combinación tiene sus propias ventajas, que se enumeran a continuación. Una de las ventajas comunes a todos los materiales austemplados es una menor tasa de distorsión que la del templado y revenido. Esto se puede traducir en ahorro de costes mediante el ajuste de todo el proceso de fabricación. Los ahorros de costes más inmediatos se obtienen mediante el mecanizado antes del tratamiento térmico. Hay muchos ahorros posibles en el caso específico de convertir un componente de acero templado y revenido en hierro dúctil austemperado (ADI). El hierro dúctil es un 10% menos denso que el acero y se puede fundir cerca de su forma neta, ambas características reducen el peso de la fundición. La fundición con forma casi neta también reduce aún más el costo de mecanizado, que ya se reduce al mecanizar hierro dúctil blando en lugar de acero endurecido. Una pieza terminada más liviana reduce los costos de flete y el flujo de producción optimizado a menudo reduce el tiempo de entrega. En muchos casos también se puede mejorar la resistencia y la resistencia al desgaste. [4]
Las combinaciones de proceso/material incluyen:
Con respecto a las mejoras de rendimiento, los materiales austemplados generalmente se comparan con materiales templados y revenidos convencionalmente con una microestructura de martensita templada.
En aceros superiores a 40 Rc estas mejoras incluyen:
En fundiciones (de 250-550 HBW ) estas mejoras incluyen: