El austemperizado es un tratamiento térmico que se aplica a los metales ferrosos , en particular al acero y al hierro dúctil. En el acero produce una microestructura de bainita , mientras que en los hierros fundidos 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 austemperizado se define tanto por el proceso como por la microestructura resultante. Los parámetros típicos del proceso de austemperizado aplicados a un material inadecuado no darán como resultado la formación de bainita o ausferrita y, por lo tanto, el producto final no se llamará austemperizado. Ambas microestructuras también se pueden producir mediante otros métodos. Por ejemplo, se pueden producir en estado bruto de fundición o enfriados al aire con el contenido de aleación adecuado. Estos materiales tampoco se denominan austemperizados.
El austenizado del acero fue iniciado por primera vez en la década de 1930 por Edgar C. Bain y Edmund S. Davenport, quienes trabajaban para la United States Steel Corporation en ese momento. La bainita debe haber estado presente en los aceros mucho antes de su fecha reconocida de descubrimiento, pero no fue identificada debido a las limitadas técnicas metalográficas disponibles y las microestructuras mixtas formadas por las prácticas de tratamiento térmico de la época. Circunstancias coincidentes inspiraron a Bain a estudiar las transformaciones de fase isotérmicas . La austenita y las fases de temperatura más alta del acero se estaban entendiendo cada vez mejor y ya se sabía que la austenita podía mantenerse a temperatura ambiente. A través de sus contactos en la American Steel and Wire Company, Bain estaba al tanto de las transformaciones isotérmicas que se utilizaban en la industria y comenzó a concebir nuevos experimentos [1].
La investigación posterior sobre la transformación isotérmica de los aceros fue el resultado del descubrimiento por parte de Bain y Davenport de una nueva microestructura que consistía en un "agregado de grabado oscuro y acicular". 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 presentaban métodos de enfriamiento continuo y no eran capaces, en la práctica, de producir microestructuras completamente bainíticas. La gama de aleaciones disponibles producía microestructuras mixtas o cantidades excesivas de martensita. La llegada de los aceros con bajo contenido de carbono que contenían boro y molibdeno en 1958 permitió producir acero completamente bainítico mediante enfriamiento continuo. [1] [3] El uso comercial del acero bainítico surgió como resultado del desarrollo de nuevos métodos de tratamiento térmico, y aquellos que implican un paso en el que la pieza de trabajo se mantiene a una temperatura fija durante un período de tiempo suficiente para permitir la transformación se conocen colectivamente como austemperación.
Uno de los primeros usos del acero austemperado fue en los pernos de los rifles 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 austemperado fuera ideal para esta aplicación. Durante las décadas siguientes, el austemperado revolucionó la industria de los resortes, seguido por 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 contrapartes templadas de martensita. Finalmente, el acero austemperado se abrió camino en 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 del cinturón de seguridad están hechos de acero austemperado debido a su alta resistencia y ductilidad. [4] Estas propiedades le permiten absorber más energía durante un choque sin el riesgo de falla frágil. Actualmente, el acero austemperado también se utiliza en cojinetes, cuchillas de cortadora de césped, engranajes de transmisión, placas onduladas y púas de aireación del césped. [4] En la segunda mitad del siglo XX, el proceso de austemperado comenzó a aplicarse comercialmente a las fundiciones de hierro. 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 austemperizado y el temple y revenido convencionales es que implica mantener la pieza de trabajo a la temperatura de temple durante un período prolongado. Los pasos básicos son los mismos ya sea que se apliquen al hierro fundido o al acero y son los siguientes:
Para que se produzca cualquier transformación, la microestructura del metal debe ser de austenita. Los límites exactos de la región de la fase austenítica dependen de la química de la aleación que se está tratando térmicamente. Sin embargo, las temperaturas de austenización suelen estar entre 790 y 915 °C (1454 y 1679 °F). [5] La cantidad de tiempo que se pasa a esta temperatura variará según la aleación y las características específicas del proceso para una pieza endurecida por completo. Los mejores resultados se obtienen cuando la austenización es lo suficientemente larga como para producir una microestructura metálica completamente austenítica (seguirá habiendo grafito presente en las fundiciones) con un contenido de carbono constante. En los aceros, esto puede tardar solo unos minutos después de que se haya alcanzado la temperatura de austenización 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 haya alcanzado 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 calentamiento directo por llama o inducción . Numerosas patentes describen métodos y variaciones específicos.
Al igual que con el temple y revenido convencionales, 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 un producto de la química de la fase de austenita y, por lo tanto, de la aleación que se está procesando. La velocidad de enfriamiento real es un producto tanto de la severidad del temple, que está influenciada por el medio de temple, la agitación, la carga (relación de temple, etc.) y el espesor y la geometría de la pieza. Como resultado, los componentes de sección más pesados requerían una mayor templabilidad. En el austemperado, 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 por debajo del inicio de martensita para que la microestructura resultante sea una mezcla controlada de martensita y bainita.
Los dos aspectos importantes del temple son la velocidad de enfriamiento y el tiempo de retención. La práctica más común es realizar el temple en un baño de sal líquida de nitrito-nitrato y mantenerlo en el baño. Debido al rango restringido de temperatura para el procesamiento, normalmente no es posible realizar el temple en agua o salmuera, pero se utilizan aceites de alta temperatura para un rango de temperatura estrecho. Algunos procesos incluyen el temple y luego la extracción del medio de temple, para luego mantenerlo en un horno. La temperatura de temple y de retención son parámetros de procesamiento primarios que controlan la dureza final y, por lo tanto, las propiedades del material.
Después del enfriamiento y el mantenimiento no hay peligro de agrietamiento; las piezas normalmente se enfrían al 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 agrega otra etapa y, por lo tanto, un costo al proceso; no proporciona la misma modificación de propiedades y alivio de tensión en la bainita o la ausferrita que en la martensita virgen.
El austemperizado ofrece muchas ventajas de fabricación y rendimiento en comparación con las combinaciones de materiales y procesos convencionales. Se puede aplicar a numerosos materiales y cada combinación tiene sus propias ventajas, que se enumeran a continuación. Una de las ventajas que es común a todos los materiales austemperizados es una menor tasa de distorsión que para el temple y revenido. Esto se puede traducir en ahorros de costos mediante el ajuste de todo el proceso de fabricación. Los ahorros de costos más inmediatos se logran mediante el mecanizado antes del tratamiento térmico. Existen muchos ahorros de este tipo posibles en el caso específico de convertir un componente de acero templado y revenido en hierro dúctil austemperizado (ADI). El hierro dúctil es un 10% menos denso que el acero y se puede fundir cerca de la forma final, ambas características que reducen el peso de la pieza fundida. La fundición cerca de la forma final 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 transporte 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 procesos y materiales incluyen:
Con respecto a las mejoras de rendimiento, los materiales austemperizados generalmente se comparan con materiales templados y revenidos convencionalmente con una microestructura de martensita revenida.
En aceros superiores a 40 Rc estas mejoras incluyen:
En fundiciones de hierro (de 250 a 550 HBW ) estas mejoras incluyen: