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TEMPLADO DE ACEROS (QUENCHING)
Enfriamiento rápido de un acero desde una temperatura adecuada y elevada
(Temperatura de austenitizado, T) por inmersión en agua, aceite o aire forzado.
T viene especificado según la composición química. En aceros al carbono, T varía
entre 790oC – 900oC.
Tipos de templado Descripción
1.Inmersión
2.Selectiva Calentamiento y enfriamiento de partes
seleccionadas de la pieza en un medio líquido
apropiado
3.Rociado o spray quenching Se aplican sprays120psi en zonas localizadas
4.Templado de neblina o fog
quenching
El medio refrigerante es una neblina no
presurizada
5.Interrumpido El templado se hace a distintos niveles de
temperaturas.Ej. se hace un primer templado en
baño de sales templado en agua
Curvas típicas de enfriamiento (fig.T-1)
1. Etapa A: Manta de vapor
Se forma una capa contínua de vapor.
La transferencia de calor metallíquido es pobre.
2. Etapa B
Etapa de enfriamiento por transporte de vapor.
La capa de vapor se adelgaza y se rompe, poniendo en contacto el líquido
con el metal, produciéndose vapor con la consiguiente ebullición.
En esta etapa el calor latente de evaporación mas la agitación produce una
alta extracción calórica.
La temperatura de transición de AB(TAB) aumenta cuanto mayor es la
temperatura de ebullición del líquido y cuanto menor es la tensión superficial
L/S(LS) respecto a (LG+GS).
3. Etapa C
Etapa de enfriamiento por líquido.
La transferencia calórica de ML es por conducción y por convección.
Para evitar distorsiones y grietas de templado es conveniente que TBC > Ms
(Hollomon-Jaffee) que es precísamente la ventaja de los aceites sobre el
agua(fig.T2)
Consideraciones:
En soluciones acuosas con solutos volátiles para concentraciones 5% de
cloruros de Na, Li, K, NaOH, H2SO4 la etapa A no es detectable.
Las etapas A y C se prolongan con soluciones acuosas que forman depósitos
o gels como por ejemplo las soluciones saturadas de Ba(OH)2, Ca(OH)2,
soluciones con dispersión, soluciones jabonosas, almidón. Las sales fundidas
se descomponen dando productos gaseosos que aislan termicamente.
Los baños de Pb no presentan ni etapa A ni etapa B.
Lo mismo sucede con los gases refrigerantes en cuyo caso la transferencia es
por radiación.
Tipos de aceites de templado
TipoI - Aceite minerales: derivados del petróleo
TipoII - Aceites vegetales y animales: sebo, manteca, pata de vaca, ballena,
esperma, foca, pescado, colza, coco, algodón, semillas, palma, etc.
Desventajas del tipo II
Olor, fácil descomposición u oxidación, formando sedimentos, natas y otros
depósitos. Cuando se usan con baño de sales se saponifican y forman depósitos
aislantes de jabón.
Características de un aceite para templado
No debe oxidarse ya que de otro modo conduce al espesamiento (aumento de
viscosidad)y reduce la transferencia calórica.
El poder de temple varía poco a temperaturas menores de 80oC. Por consiguiente un
aceite tibio puede mejorar por su menor viscosidad.
No deben emitir vapores a bajas temperaturas.
Alto punto de ignición.
Parámetros usados para evaluar la transferencia calórica(Hollomon-Jaffee)
Se definen los siguientes parámetros:
M : Coeficiente de película de la interfase
K : Conductividad térmica del metal
D/2: Distancia desde el centro de la pieza a la superficie del redondo
Distribución de la temperatura a través de una barra de diámetro D
Cuando existe poco gradiente de temperatura a través de la sección transversal
(figura T 3a) entonces
M <<
2D
K (4.1)
Si existe alto gradiente de temperatura a través de la sección transversal (figura T
3b) cuando
M >>
2D
K (4.2)
Severidad de temple H
H = M/(2K) (5)
Este efecto se ilustra en la fig T-4. De (4) y (5) se sigue
Alto HD (HD>>1) produce un alto T dentro de la pieza.
Bajo HD (HD<<1) produce un bajo T dentro de la pieza.
Templabilidad (Hardenability)
(Grossman M.A., Bain E.C. Principios de tratamientos térmicos from p.77 on)
Según ASM: Es la propiedad de un acero que determina la profundidad y
distribución de su dureza. Depende de la composición y geometría del material así
como de las condiciones de enfriamiento.
Si se hiciese el templado de una barra redonda de diámetro D, luego se fracturase y
se analizase su aspecto físico y su dureza transversalmente, se obtiene lo que se
muestra en la fig T-5.
Según Grossman el punto de inflexión i de la fig T-5b corresponde al radio ru en
donde el 50% de se ha transformado en martensita. Esto es desde la superficie (en
donde r=D/2) la cantidad de martensita va disminuyendo hasta que en r=ru cae
abruptamente al 50%.
La explicación a estos resultados se encuentra en las curvas de enfriamiento que se
obtienen a través de la sección de la barra.
Se toma una barra de D=1” y desde una temperatura de austenitizado T se tiempla
una temperatura Tq que es la temperatura del baño de temple y se analiza las
velocidades de enfriamiento en distintos puntos de la sección transversal de la
muestra (fig T-6a); obteniéndose las correspondientes curvas de enfriamiento (fig T-
6b).
Sea T = 800oC y Tq = 20oC
Entonces la temperatura media de templado TM es
TM = (T + Tq)/2 = 410oC
Se traza la isoterma TM = 410oC que intersecta a las curvas de enfriamiento a
distintos tiempos ti(figT6b).
Se construye los gráficos:
ti vs r(distancia radial)(Fig.T7a)
HRC vs ti(Fig.T7b)
Para nuestro caso (figura T7b) con una temperatura media de templado de 410oC, a
los 5 sg. se alcanza a transformar el 50% de austenita en martensita. Según la fig
T7a este tiempo ocurre a una distancia ru.
La fig.T7b es una manera estandarizada de representar la templabilidad; aun así
estas curvas resultan difíciles de comparar entre materiales diferentes.
La abrupta caida de la dureza(figura T7b) se explica en parte por la cinética de la
transformación perlítica que es lenta tanto a bajas como a altas temperaturas(fig T-8)
y porque la perlita formada a altas temperaturas es gruesa.
Puntualizando las causas del punto de inflexión:
Formación parcial de la martensira (50%)
Transición de perlita gruesa en perlita fina
Presencia de bainita.
Análisis de la templabilidad por el método Grossman
Se tiemplan barras redondas de diámetro variable D y longitud de varias veces D(no
se indica el largo pero debe elegirse de manera que el largo no afecte la velocidad
de enfriamiento transversal). En cada probeta se mide la dureza transversalmente.
Se grafica HRC versus D(fig T-9a).
De la fig T-9a. se toman los valores de dureza medidos en los centros de cada barra
templada y se grafican contra el diámetro de las correspondientes barras(fig T-9b).
En la fig T-9a se presenta un punto de inflexión de la curva que ocurre para D =
1.05”. Este valor corresponde al diámetro en cuyo centro se ha formado el 50% de
martensita.
Diámetro crítico Dc
Se define como el diámetro de una barra de acero que templado en un medio de un
H dado y constante, produce en su centro una transformación o formación de 50%
de martensita. No se alude al 50 restante.
El criterio de templabilidad basada en una estructura 50% martensítica es la mas
ampliamente utilizada (M.A.Grossmann, M.Asimov and S.P.Urban: Hardenability, its
relation to quenching and some quantitative data.Amer.Soc.Metals preprint 26,1938)
por las siguientes razones:
Es fácilmente medible por fractura o ataque químico
Desde que representa el punto en el que la dureza cambia mas rápidamente con
la velocidad de enfriamiento, este punto puede determinarse empíricamente
como el punto de inflexión de la curva Dureza v.s. Distancia de penetración de
dureza.
Además para el caso de aceros al C y aceros de baja templabilidad, la diferencia
de templabilidad expresada en términos de una microestructura 50% martensítica
y una completamente martensítica no es muy grande. Sin embargo si existe
diferencia significativa en el caso de aceros de alta templabilidad(Metals
Technology, Publ.The AIMME,Sept.1945, p.1). En las fig. 2-7 de la referencia se
ilustra esta situación
Efecto de la severidad de temple
Dos probetas idénticas pero templadas en medios con diferentes H producen
diferentes profundidades de temple colocar figura T.10
Debe tenerse presente que cuando D aumenta, también lo hace Du (fig.T11)
Si D’> D entonces al templarse ambos redondos en un mismo H resulta que D’u >Du
Veamos la variación de Du en el caso de redondos templados en agua (Fig.T12)
En el punto A tenemos que D=1.8” y Du/D=0, de donde se sigue que Du=0, esto
quiere decir que Du=1.8”.
Si tomáramos un redondo de diámetro 2.0” y lo templáramos en agua, según la
fig.T12 para dicho diámetro le corresponde Du/D = 0.3, por consiguiente:
Du = 0.3xD = 0.3x2 = 0.6”
Entonces para el agua la variación de Du con D es:
D(“) Du /D Du (“)
1.8
2.0
0
0.3
0
0.6
Según Grossman Du crece más rápidamente con D cuando H es menos severo
(fig.T12) puesto que la pendiente es mayor a menor H.
Determinación del valor de H
Para la determinación de H se han elaborado las curvas como las de la fig.T13. Por
ejemplo si quisiéramos determinar el valor de H para el agua, de la fig.T12 se dibuja
la curva del agua sobre un papel transparente,tal como se indica en la fig-T14, la
que luego se superpone a la fig.T13, siempre usando la misma escala para la
abscisa y deslizándola hasta hacerla coincidir con alguna curva de la fig.T13.
Supongamos que esta coincidencia se da con la curva C(fig.T14a). En esta curva
para HD = 2.6 Du/D = 0. Pero en Du/D = 0 según la fig.T12 corresponde a un D=1.8”
Luego:
según fig.T12) según figT.13
H x 1.8” = 2.6
H = 1.44
que es la severidad del agua usada
Determinación de H cuando se conoce la dureza
Se tiene una barra que templada en un medio de un H dado da un Dc = 1” con 52
HRC y que para la misma dureza una barra de 1.5” templada en el mismo medio da
Du/D 0 0.66.
De los datos
D(pulg) HRC Du/D Du Severidad
1.0 52 0 0 H
1.5 52 0.66 0.66x1.5 H
Sobre el gráfico Du/D – D, se ubican los puntos M(Du/D=0, D=1”) y N(Du/D=0.66,
D=1.5”), todo ello sobre un papel transparente que se superpone luego a la fig.T13
hasta encontrar una curva que los contenga, tal como la curva C que se muestra en
la fig.T16. En esta curva C el punto M corresponde al punto M’de abcisa HD=5 y
ordenada Du/D=0 y el punto N tiene como abcisa al punto N’ con HD=7.5 y ordenada
Du/D=0.66. Entonces
El pto M llevado a la fig T13 corresponde a M’. En el:
H x D = 5 donde según los datos D=1”; es decir
H x 1 = 5 H = 5
Diámetro crítico ideal DI
Es el diámetro crítico de una barra templada en un medio hipotético con H = . Tal
medio hipotético posee una extracción calórica que permite que el material templado
alcance en su superficie de manera instantánea la temperatura del medio templante.
La curva de enfriamiento coincide con la ordenada.
DI es un valor hipotético que tiene la particularidad que permite comparar y
determinar la templabilidad de un material en distintos medios. La relación entre Dc y
DI se da en la figT18A y en su ampliación en la fig.T18B.
Ej. Supóngase que un mismo acero templado en aceite (H=0.40) da Dc =
32mm(1.26”) y templado en agua (H=1.49) da Dc=46.5mm (1.83”). Veamos sus
correspondientes DI.
Trabajando con la escala de la fig.T18B trazamos la abcisa DC=32mm(1.26”)hasta
cortar a la curva H=0.40, lo que da DI=67.5mm(2.66”). Trazamos ahora la abcisa
para DC=46.5mm (1.83”)hasta cortar a la curva H=1.49 lo que ocurre en
DI=67.5mm(2.66”). En conseccuencia el mismo material con templados en diferentes
H conducen a un mismo DI.
Cálculo de la templabilidad medido en DI en base a la composición química y el
tamaño de grano austenítico
Mediante tablas (Tablas 4 y 5) se determina el Dc correspondiente al % de C y al
tamaño de grano austenítico y luego se va reajustando con factores para cada
aleante.
Ejemplo: determinar el Dc de un acero de las sgtes características.
%C %Mn %Si %Ni %Cr %Mo T.G.
0.40 0.80 0.25 0.50 0.50 0.25 7
De la tabla 4, para %C=0.40 y T.G.=7 se tiene:
Mn=0.80% fMn = 3.667
Si=0.25% fSi = 1.175
Ni=0.50% fNi = 1.182
Cr=0.50% fCr = 2.080
Mo=0.25% fMo = 1.75
Dc = 0.213x3.667x1.175x1.182x2.080x1.75
Dc = 3.95”
fxfxfxfxfxDD MoCrNiSiMncoc
Estimación de la curva jominy
Con el valor calculado Dc = 3.95” y HRC = 56 podemos estimar la curva jominy
utilizando los factores de la tabla 5. Para facilidad del uso de la tabla 5 usaremos Dc
4.00. Entonces
1/16” 1/4” 1/2” 3/4” 1” 1 1/4” 1 1/2” 1 3/4” 2”
56 56/1.02 56/1.195 56/1.385 56/1.575 56/1.71 56/1.80 56/1.875 56/1.92
56 54.90 46.36 40.43 35.55 32.75 31.11 29.87 29.17
Ensayos de templabilidad
Ref:Ferrous Physical Metallurgy; Teichert-Fisher
Método Shepherd P-F(Penetración-Fractura)
Método de la curva U(Grossman)
Método Jominy–Boegehald
Método de Shepherd o R-F
Este método consiste en fracturar una pieza endurecida o templada y observar a ojo
desnudo la profundidad del endurecimiento por el aspecto de la fractura. La
martensita por su dureza presenta una superficie de fractura frágil de aspecto
diferente a la fractura dúctil que de la perlita.
Cuando la transformación es parcial se observa un anillo externo de fractura frágil y
un núcleo de fractura dúctil, siendo visible por lo tanto la zona de transición, esto es
la zona de rápida formación perlítica, lo cual define el Du(50% de martensita).
Es un método semicuantitativo rápido pero con la limitación que no es aplicable en
aceros que no dan contrastes o transiciones marcadas.
2. Método de la curva U
Se toman aceros de distintos D(Ej.20 - 250mm)y L varias veces D. Se austenitizan y
se tiemplan. Se secciona a (1/2)L y se mide la dureza transversalmente a intervalos
regulares 1/16 pulgadas. El Dc se obtiene como ya se explicó en el método
Grossman. La desventaja de este método es que es muy laborioso.
Método Jominy o de la punta templada (End-quench method)
Ver normas ASTM, SAE, AISI. Insertar figura.
La mayor dureza se obtiene en la punta donde ha ocurrido la mayor velocidad de
enfriamiento. La dureza va cayendo a lo largo de la probeta y conforme se va
alejando uno de la punta templada, hasta llegarse al extremo opuesto en donde la
dureza corresponde al estado normalizado.
En este método el efecto de los aleantes es fácilmente observable. Esto se ilustra en
la figura en donde todos los aceros tienen el mismo contenido de C=0.50%. La
dureza es la misma en todas las probetas mas no así su tiemple.
Insertar figura.
La cantidad de martensita formada en función de la distancia jominy se representa
en la fig.No1 de Metals Technology, Publ.The AIMME,Sept.1945, p.1. la composición
de los aceros se indica en la tabla 1 de Ibidem. La dureza en función de la cantidad
de martensita formada así como del contenido de C puede verse en las fig15-20 de
Ibidem.
Según Jominy “la dureza y las propiedades físicas de un acero templado en
condiciones normales es siempre función del proceso de enfriamiento e
independiente de la forma de la pieza y del medio de templado”. Esto permite
obtener en una barra una relación entre la dureza medida transversalmente y la
dureza medida longitudinalmente.
Bajo la hipótesis que si dos piezas de aceros son enfriadas a la misma velocidad,
sus estructuras y por consiguiente sus durezas son iguales; se han establecido
curvas de enfriamiento equivalentes entre la distancia Jominy y cuatro posiciones
radiales en barras redondas templadas en condiciones similares.(see ASM vol 1,
fig3, p.190)
Esto quiere decir que una barra de 50 mm de diámetro tendrá una dureza: (ver fig)
En la superficie equivalente a una distancia jominy x=(7/16)”
A (1/4)R equivalente a una distancia jominy x=(8.5/16)”
En el centro equivalente a una distancia jominy x=(10.5/16)”
Inversamente en el mismo geáfico si tomáramos una distancia jominy de digamos x
= 2x(1/16)” e intersectamos esta abcisa con las curvas C, (3/4)R, (1/2)R y S
obtendríamos los diámetros 15.24mm(0.6”), 20.32mm(0.8”), 31.75mm(1.25”)y
88.9mm(3.5”). Esto es, la velocidad de enfriamiento y por tanto su estructura y
dureza es la misma en los siguientes puntos:
Diámetro de la
probeta
Puntos equivalentes en
dureza y estructura
15.24mm (0.6”) Centro = 0.(D/2)
20.32mm (0.8”) (1/2).(D/2)
31.75mm (1.25”) (3/4).(D/2)
88.9 mm (3.5”) Superficie = (D/2)
Curvas similares se han representado también para distintas profundidades de
temple al 50% de martensita.
Si R es el radio de la barra templada y r el radio correspondiente al 50% de
martensita, entonces para distintas relaciones r/R = a se han construído curvas 2R
vs distancia jominy como se indica en la figura(hoja 35). Para el gráfico con r/R=a, si
se tomase una barra de D=2” que ha sido templada en un medio con H=0.35, su
dureza en la sección transversal a una distancia del centro r=a*(2”/2) es igual que la
dureza para una distancia jominy de(7/16)”. Para determinar el valor de la dureza se
entra a la curva jominy con x = (7/16)” y se obtiene la dureza para dicho acero.
Relación entre Dc y la distancia Jominy (Grossman)
Para cada tipo de acero se ha podido definir curvas que relacionan Dc con la
distancia Jominy a distintos H
Ej. Se tiene un acero de 0.62%C templado en agua quieta(H=1.00)y queremos
determinar su Dc con HRC=53
Para profundidades de temple distintos a Dc también se han representado curvas
similares
Tamaño de grano austenítico
En el caso de aceros perlíticos o martensíticos el procedimiento consiste en buscar
un enfriamiento adecuado desde la temperatura austenítica de modo que la ferrita
(aceros hipoeutectoides) o la cementita(aceros hipereu-tectoides) precipita a lo largo
de los bordes de grano austenítico formando un retículo, o también templando de
modo de tener una estructura completamente martensítica de modo que este último
caso mediante un reactivo especial se descubre las diferentes orientaciones que
tiene la martensita en los diferentes granos originales. Una vez delineados los
bordes de grano éstos se pueden medir por:
Metalografía cuantitativa(Jeffries, Heyn)
Por comparación con patrones ASTM (fotos, oculares)
expresándose las mediciones en las unidades indicadas en la tabla adjunta.
TABLA No
Comparación de sistemas para medir tamaño de grano
No ASTM Granos/pulg2 en
imágen 100X
Granos/mm2 Granos/mm3
-3 0.06 1 0.7
-2 0.12 2 5
-1 0.25 4 5.6
0 0.5 8 16
1 1 16 45
2 2 32 128
3 4 64 360
4 8 128 1020
5 16 256 2900
6 32 512 8200
7 64 1024 23000
8 128 2048 65000
9 256 4096 185000
10 512 8200 520000
Tamaño de grano austenítico-Propiedades
Propiedad
Tamaño de grano
austenítico grueso
<5
Tamaño de grano
austenítico fino
5
Templabilidad(Retarda la
cinética de las curvas S)
Endurecimiento mas
profundo
Endurecimiento menos
profundo
Tenacidad a la misma
HRC
Menos tenaz Mas tenaz
Fisuramiento de templado Mas frecuente Generalmente ausente
Fisuramiento de
rectificado
Mas susceptible Menos susceptible
Distorsión por templado Mayor Menor
tensiones residuales Mayor Menor
retenida Mas Menos
Aceros recocidos-Aceros normalizados
Maquinabilidad(Des-
baste)
Superior Inferior
Maquinabilidad(Aca-
bado)
Inferior Superior
Trabajabilidad Superior Inferior
Elementos que controlan el crecimiento del tamaño austenítico
Al, Ti, Zr y V
En el caso del Al se presume la formación de alúmina (Al2O3) fina que
aparentemente precipita en los bordes de grano de que bloquean su crecimiento.
V, Ti, Zr forman carburos de defícil solubilización en impidiendo su crecimiento.
FACTORES QUE AFECTAN LA TEMPLABILIDAD
1. Factores que disminuyen (Básicamente porque aumenta la velocidad de
nucleación de la transformación)
1.1 Refinamiento del grano austenítico
1.2 Inclusiones o precipitados no disueltos
2. Factores que aumentan (Retardan el proceso de nucleación)
2.1 Elementos que se solubilizan en la austenita (exceptuando el Co)
2.2 Tamaño grueso de la austenita
2.3 Homogeneidad de la austenita
El factor con influencia más notoria es el 2.1
Los aleantes tienen un marcado efecto sobre la velocidad de nucleación y
crecimiento de la ferrita.
El Mo en los aceros (0.5%-2%Mo) retarda la formación de la ferrita por lo que se le
aprovecha para aumentar la templabilidad.
El B (Leslie) tiene el efecto retardador de formación de la ferrita más espectacular
puesto que con algunas decenas de ppm se retarda la nucleación y el crecimiento
de manera que en el curso del enfriamiento el tiempo de transformación de a
750oC puede llevarse de 1 seg. a 103 seg., lo que permite obtener bainita dentro de
una gran gama de velocidad de enfriamiento.
Como peculiaridades del B podemos señalar:
Aumenta la templabilidad en los aceros hipoeutectoides
No afecta la templabilidad de los aceros eutectoides
Disminuye la templabilidad de los aceros hipereutectoides.
Conforme disminuye el tamaño de grano de la austenita, el efecto de la
templabilidad del B aumenta.
Cuanto mas alta es la temperatura de austenitizado, menor es la templabilidad del B.
El B alcanza su máximo efecto para contenidos entre 0.003%-0.005%.
La adición de B no desciende Ms.
Para que sea efectivo el B éste debe estar solubilizado.
Todos los aleantes normalmente usados en el acero con excepción del Co
aumentan la templabilidad en proporción que depende de la naturaleza del aleante
en el siguiente orden ascendente: Ni, Si, Mn, Cr, Mo, V, B.
Los aleantes carburizantes(Cr, Mo, V) requieren de las temperaturas mas elevadas
de austenitización para solubilizar sus correspondientes precipitados
