Introducción al tratamiento térmico de acero para herramientas

Materiales y recubrimientos
Introducción al tratamiento
térmico de
acero para
herramientas
os aceros para herramientas se entregan normalmente en
estado blando, alrededor de 200 a 250 Brinell (cerca de
20HRC) para facilitar el maquinado. En esta condición, la
mayoría del contenido de la aleación está en forma de carburos
dispersos a través de una matriz suave. Estos aceros deben ser
tratados térmicamente para obtener sus propiedades
características. El tratamiento térmico altera la distribución de
la aleación transformando la matriz suave en una matriz dura,
capaz de soportar presión, abrasión e impactos inherentes al
conformado metálico. Cada proceso del ciclo de tratamiento
térmico realiza una función específica. Aunque representa
menos del diez por ciento del costo de la herramienta, el
tratamiento térmico puede ser el factor más importante para
determinar el desempeño de la herramienta.
L
Precalentamiento
El precalentamiento, o calentamiento lento, de los aceros
para herramientas proporciona dos beneficios importantes.
Primero, la mayoría de los aceros para herramientas son
sensibles al choque térmico, un incremento rápido de
temperatura de 815 a 1,100° C puede causar que los aceros
para herramientas se quiebren. Segundo, los aceros para
herramientas experimentan un cambio en su densidad o
volumen cuando pasan de la microestructura blanda a la
estructura austenítica de alta temperatura. Un cambio
volumétrico no uniforme puede causar distorsión innecesaria
de la herramienta, de manera que la herramienta debe
precalentarse justo por debajo de la temperatura crítica de
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transformación y luego mantenerse ahí el tiempo suficiente
para permitir que todo el material alcance una temperatura
uniforme incluyendo su interior. Una vez que todo el material
presenta la misma temperatura, un calentamiento adicional a
la temperatura de austenización permite que el material se
transforme de manera más uniforme causando menos
distorsión.
Austenización
El contenido útil de aleación de la mayoría de los aceros
para herramientas se encuentra en forma de partículas de
carburo en el acero blando. Este contenido de aleación está por
lo menos parcialmente disperso en la matriz a la temperatura
de endurecimiento o austenización. Altas temperaturas
permiten que se disperse más aleación, permitiendo una
dureza y resistencia a la compresión ligeramente superiores. A
menores temperaturas se dispersa menos aleación en la matriz
y la matriz es por lo tanto más dúctil, o menos frágil, aunque
en consecuencia puede no desarrollar mucha dureza. El
tiempo de exposición depende de la temperatura, la dispersión
de la aleación ocurre más rápido a mayores temperaturas, con
tiempos de inmersión reducidos de manera correspondiente.
Para la mejor combinación de propiedades, use la menor
temperatura de endurecimiento que pueda producir la dureza
adecuada para la aplicación.
Temple
Después de la conversión a austenita, el acero debe enfriarse
rápidamente para que se endurezca hasta formar la martensita
que producirá la resistencia del material. En general, los aceros
de baja aleación deben ser templados en aceite para que
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puedan enfriarse lo suficientemente rápido. El temple súbito
puede enfriar algunas porciones de la herramienta
significativamente más rápido que otras, causando distorsión o
grietas. Una mayor cantidad de aleación permite que el acero
desarrolle totalmente sus propiedades de dureza con una
velocidad menor de temple. Los aceros templados con aire se
enfrían de manera más uniforme, de manera que la distorsión
y el riesgo de grietas son menores que los templados en aceite.
En aceros para herramientas de alta aleación que endurecen
a más de 1,100° C la velocidad de temple de 980° C a menos de
650° C es crítica para obtener un tratamiento térmico óptimo
y la dureza del material.
No importa como se templen los aceros para herramientas,
la estructura resultante, martensita, es extremadamente frágil y
se encuentra bajo esfuerzos altos. Si se pone a trabajar el acero
en estas condiciones, la mayoría de los aceros para
herramientas se fracturarán y algunos aceros para
herramientas presentarán grietas espontáneamente a
temperatura ambiente aún sin tocarlos. Por esta razón, los
aceros para herramientas después de ser templados a una
temperatura tibia al tacto (52° C a 65° C) deben de ser
revenidos.
Revenido
El revenido del acero relaja la frágil martensita que se forma
durante el temple. La mayoría de los aceros tiene un rango de
temperaturas para el revenido aceptable. En general, use la
temperatura más alta de revenido que proporcione la dureza
de la herramienta necesaria. La velocidad de calentamiento
para conseguir la temperatura de revenido y el enfriamiento
no es crítica pero evite cambios drásticos de temperatura.
Permita que el material se enfríe completamente hasta la
temperatura ambiente o menor (10° C a 24° C) entre cada
ciclo de revenido. La mayoría de los aceros deben permanecer
en la temperatura de revenido por un mínimo de 2 a 4 horas
por cada ciclo. Como regla general: sostenga la temperatura de
revenido una hora por cada 25 mm de espesor del material
pero nunca menos de dos horas independientemente del
tamaño.
Cambio de tamaño
El tratamiento térmico produce expansiones inevitables en
el acero para herramientas debido a los cambios en su
microestructura. La mayoría de los aceros crecen entre
0.005 mm y 0.02 mm por cada centímetro de dimensión
original durante el tratamiento térmico.
En algunos casos, algo de la estructura de alta temperatura,
austenita, puede permanecer a temperatura ambiente. En otras
palabras, durante el temple normal la estructura no se
transforma completamente en martensita. Esta condición de
retención de austenita es acompañada de contracción
inesperada y de menor habilidad de sostener un imán. Para
corregir esta condición, someta las herramientas a bajas
temperaturas como en tratamientos criogénicos o de
refrigeración para promover la transformación completa a
martensita.
MF
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