The Heat Treat Doctor® ha vuelto para ofrecer sabios consejos a los lectores de Heat Treat Today y para responder a suspreguntas sobre el tratamiento térmico, brazing, sinterizado y otros tipos de procesamiento térmico, así como preguntassobre metalurgia, equipos y problemas relacionados con los procesos.
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This article was originally published in Heat Treat Today‘s September 2024 People of Heat Treat print edition.
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El temple es un paso fundamental en el proceso de tratamiento térmico. Y si bien el especialista en tratamiento térmico suele tener varias opciones disponibles, existe un delicado equilibrio entre lo que está disponible para nosotros y cómo podemos optimizar sus características de rendimiento para cumplir con los requisitos/especificaciones de nuestros clientes. Se deben tener en cuenta cuidadosamente el material, el diseño de la pieza (geometría), los requisitos previos y posteriores de manufactura, la carga, el cambio dimensional permitido (es decir, la distorsión) y el proceso como tal. Conozcamos más.
Medios de temple: una breve Descripción
Los medios de temple actuales ofrecen una amplia gama de capacidades que, en algunos casos, se traslapan. Sin embargo, en un nivel fundamental, la función de un medio de temple es extraer calor de la superficie de la pieza para cumplir con una velocidad crítica de enfriamiento especificada y con ello lograr la microestructura necesaria para lograr las propiedades mecánicas y físicas requeridas. En el temple de aceros, por ejemplo, se debe evitar pasar por la “nariz” de la curva de transformación-tiempo-temperatura (TTT) si el resultado final deseado es una microestructura martensítica (o bainítica). Por el contrario, la velocidad de enfriamiento para un proceso de normalización requiere enfriamiento “al aire”, un término que a menudo se malinterpreta y que abordaremos en una discusión futura.
Sin embargo, un medio de temple (Figura 1) es más que solo su velocidad de enfriamiento. Los medios de temple deben ser estables durante su vida útil, especialmente con respecto a la degradación (por ejemplo, oxidación), ser seguros, ser fáciles de arreglar y mantener, tener un alto punto de vaporización, idealmente no interactuar con la superficie de la pieza, usarse dentro de su rango de rendimiento óptimo, tener una larga vida útil, eliminarse fácilmente mediante limpieza después del temple y ser rentables.
A manera de una caracterización muy amplia, los medios de temple se pueden dividir en las siguientes categorías generales:
- Medios de temple líquidos (p. ej., a base de agua, aceites, polímeros, sales fundidas y metales fundidos)
- Medios de temple gaseosos (p. ej., aire, nitrógeno, argón, hidrógeno, vapor, dióxido de carbono, dióxido de azufre, gases reductores, atmósferas protectoras sintéticas o generadas, gases a alta presión)
- Medios de temple sólidos (p. ej., dados de prensa enfriados, placas y polvos)
- Medios de medios mixtos (p. ej., temple por aspersión, lechos fluidizados)
Selección del medio de temple óptimo
Se deben tener en cuenta varios factores al seleccionar el mejor medio de temple. A continuación, se enumeran algunos de los aspectos importantes a tener en cuenta al seleccionar el medio adecuado (Figura 2):
- Material: composición química, templabilidad, forma (p. ej., barra, placa, forja, fundición), tipo (p. ej., forjado, sinterizado) y limpieza, por nombrar algunos
- Geometría/diseño de la pieza: forma, tamaño, peso, complejidad
- Estado de laminación o tratamiento térmico previo: recocido, normalizado, preendurecido, relevado de esfuerzos
- Estado de tensión: el efecto acumulativo de las operaciones de laminación y las operaciones de fabricación del cliente antes del tratamiento térmico
- Carga: canastillas (aleación, compuesto C/C, placas de grafito, etc.)
- Parámetros del proceso: temperatura, tiempo, precalentamiento
- Selección del equipo: ¿es óptimo o simplemente adecuado para el trabajo?
- Medio(s) de temple disponibles: sus limitaciones y ventajas
Es importante hablar brevemente aquí sobre dos aspectos del proceso de selección del medio de temple. Primero, observar la diferencia entre dureza y templabilidad (que analizaremos con más detalle en el futuro). Los tratadores térmicos tienden a centrarse en la dureza (ya que podemos medirla fácilmente en nuestro taller), pero la templabilidad es una consideración crítica en la selección del medio de temple. La templabilidad es una propiedad del material independiente de la velocidad de enfriamiento y dependiente de la composición química y el tamaño del grano. Cuando se evalúa mediante pruebas de dureza, la templabilidad se define como la capacidad del material bajo un conjunto dado de condiciones de tratamiento térmico para endurecerse “en profundidad”. En otras palabras, la templabilidad se relaciona con la “profundidad de endurecimiento”, o el perfil de dureza obtenido, no con la capacidad de alcanzar un valor de dureza particular. Cuando se evalúa mediante técnicas microestructurales, la templabilidad se define (para aceros) como la capacidad del acero para transformarse parcial o completamente de austenita a un porcentaje definido de martensita.
En segundo lugar, se debe tener en cuenta tanto el valor medio como el instantáneo del coeficiente de transferencia de calor alfa (α) del medio de temple. Aunque la “potencia” máxima de temple se puede describir mediante el coeficiente de transferencia de calor instantáneo, el coeficiente de transferencia de calor promedio (Tabla 1) proporciona una mejor comparación relativa de los diversos medios de temple, ya que representa el valor del coeficiente de transferencia de calor en todo el rango de enfriamiento (desde el inicio hasta el final del temple). Es importante recordar que la capacidad de gestionar (no controlar) la distorsión es un delicado acto de equilibrio entre la extracción uniforme del calor y la transformación adecuada.
Un ejemplo común: selección de aceite de temple
Los factores importantes a tener en cuenta al seleccionar un aceite de temple, que son válidos en una forma ligeramente modificada para la mayoría de los medios líquidos, son: el tipo de medio (es decir, características del temple, datos de la curva de enfriamiento, nuevo y a lo largo del tiempo); velocidad de temple (consulte a Tabla 2); temperatura de uso; volumen efectivo del tanque de enfriamiento [es decir, la regla de un galón por libra de acero (8,4 L/kg)]; y los requisitos del cliente.
Los factores de diseño del tanque de temple también juegan un papel importante e involucran lo siguiente:
- Volumen de aceite en el tanque de temple
- Número de recirculadores o bombas
- Ubicación de los recirculadores
- Tipo de recirculadores (velocidad fija ovariable)
- Disposición de los deflectores internos del tanque (tubos de aspiración, álabes de flujo direccional, etc.)
- Diseño del elevador de temple (es decir, restricciones de flujo)
- Dirección del flujo del temple (hacia arriba o hacia abajo a través de la carga)
- Tamaño de la propela (diámetro, espacio libre en el tubo de aspiración)
- Máximo incremento dela temperatura (diseño) delaceite después del temple
- Altura del aceite sobre la carga
- Intercambiador de calor: tipo, tamaño, tasa de extracción de calor (BTU instantáneos/minuto)
- Tiempo de recuperación del aceite hasta el set point
Por último, se deben tener en cuenta factores como: la masa de la pieza; la geometría de la pieza (por ejemplo, secciones delgadas y gruesas, esquinas y barrenos afilados, perfil de los dientes del engrane, perfil de la rosca, etc.); espaciamiento de la pieza en la carga; velocidad de flujo efectiva a través del área de temple (vacía y con carga); estado de tensión de operaciones anteriores (de manufactura); operaciones de tratamiento térmico posteriores a realizar (si las hay); carga, incluidas las charolas, las canastillas y el herramental (material y diseño); y el material (composición química y templabilidad).
Reflexiones finales
El temple, considerado por muchos como un tema complejo y multifacético, es un asunto que los especialistas en tratamiento térmico deben supervisar y controlar constantemente. En futuras entregas, analizaremos muchos de los aspectos individuales del temple. Lo importante aquí es reconocer que, si se realiza correctamente, el temple (en cualquier forma) optimizará un tratamiento térmico determinado y ayudará a producir las piezas de la más alta calidad que exigen las industrias a las que prestamos nuestros servicios.
Referencias
Daniel Herring, Atmosphere Heat Treatment, Volume II: Atmospheres | Quenching | Testing (BNP Media Group, 2015).
Bozidar Liscic et al., Quenching Theory and Technology, Second Edition (CRC Press, Taylor Francis Group, 2010).
Daniel Herring, “A Review of Gas Quenching from the Perspective of the Heat Transfer Coefficient,” Industrial Heating, February 2006.
Sobre el autor
“The Heat Treat Doctor”
The HERRING GROUP, Inc.
Dan Herring ha trabajado en la industria durante más de 50 años y ha adquirido una vasta experiencia en campos que incluyen ciencia de materiales, ingeniería, metalurgia, investigación de nuevos productos y muchas otras áreas. Dan es
autor de seis libros y más de 700 artículos técnicos.
Para más información: Comuníquese con Dan en dherring@heat-treat-doctor.com.
For more information about Dan’s books: see his page at the Heat Treat Store.
