¿Qué Tipos De Acero Pueden Endurecerse?

Cualquier tipo de acero que contenga una gran cantidad de carbono es capaz de alterarse. Esto también se conoce como estar templado. Si el elemento no contiene suficiente carbono, la estructura cristalina no puede ser alterada, y ninguna cantidad de calentamiento alterará la composición del material.

El acero es uno de los metales más esenciales y emblemáticos del planeta. De la combinación de hierro y carbono surge una aleación robusta, versátil y muy utilizada. Desde edificios, infraestructuras, depósitos de agua, automóviles, maquinaria, electrodomésticos hasta simples utensilios como tenedores y cucharas, sus aplicaciones parecen no tener límites. Esto se debe a las numerosas propiedades deseables que tiene el acero. Una de estas propiedades es la dureza, la capacidad de un material para resistir la deformación inducida por la indentación, el impacto o la abrasión. Sin embargo, la dureza natural del acero no siempre es suficiente para determinadas aplicaciones de ingeniería, como las estructuras portantes y las piezas de motor. Por eso se han desarrollado métodos para aumentar la dureza junto con otras propiedades del acero de forma significativa. Estos métodos se conocen como endurecimiento del acero.

El endurecimiento del acero suele llevarse a cabo en productos acabados y no en materias primas. En el mecanizado CNC, el endurecimiento del acero es un proceso posterior al mecanizado que se lleva a cabo en las piezas mecanizadas. Se hace así por varias razones. En primer lugar, no es económico endurecer un bloque entero de acero, ya que un gran porcentaje del mismo se eliminará en el proceso de mecanizado. Además, el acero templado es mucho más difícil de mecanizar, ya que la dureza de la pieza dificulta la penetración de la herramienta.

Estructuras internas del acero y su dureza

No todos los aceros que vemos tienen la misma composición. Precisamente, hay diferentes composiciones de acero para diversos fines. La diferencia entre los aceros se reduce a sus estructuras internas. A medida que aumentaba la necesidad de contar con metales más resistentes para soportar cargas, se hizo necesario endurecer el acero. El acero en su forma más básica tiene relativamente poca resistencia y dureza. Sin embargo, una modificación de sus estructuras internas, produce resultados impresionantes en su resistencia y dureza. El endurecimiento del acero consiste sencillamente en procesos diseñados para favorecer la formación de una estructura interna concreta en lugar de otra. Las estructuras internas del acero incluyen

Martensita

Es la forma más dura de la estructura cristalina interna del acero. El rápido enfriamiento del hierro austenítico forma martensita. Debido a su rápida velocidad de enfriamiento, el carbono queda atrapado en una solución sólida que provoca el endurecimiento de la pieza. Es extremadamente dura y frágil. La martensita tiene una microestructura acicular en forma de aguja que aparece como placas o plaquetas lenticulares que dividen y subdividen los granos de la fase madre, siempre tocándose pero nunca cruzándose. Esta estructura se da en un gran número de sistemas de aleación, incluyendo Fe-C, Fe-Ni-C.

Austenita

La austenita es la siguiente estructura interna del acero más dura después de la martensita. Se refiere a las aleaciones de hierro en las que el hierro es gamma. Suele aparecer por debajo de 1500ºC y por encima de 723ºC.

Perlita

La perlita es diferente de la martensita, ya que la estructura de la perlita se forma por enfriamiento lento. Se trata de una disposición laminar de ferrita y cementita. A 723ºC el hierro gamma se transforma de su estructura FCC a hierro alfa, forzando el carburo de hierro (cementita) fuera de la solución.

Métodos de endurecimiento del acero

Existen varios métodos para llevar a cabo el endurecimiento del acero. Estos métodos pueden ser térmicos, mecánicos, químicos o una combinación de dos o más de ellos. Los procesos de endurecimiento térmico son los métodos más comunes de endurecimiento del acero. Suelen implicar tres etapas principales, que son calentar el acero, mantenerlo a una temperatura determinada y enfriarlo. La primera etapa suele consistir en calentar el metal a una temperatura muy alta para inducir cambios estructurales en su interior. Esto también facilita el trabajo en el metal, como cambiar su forma. Los distintos métodos de endurecimiento del acero son

Trabajo en frío

El trabajo en frío suele alterar las propiedades del acero o de los metales. Este método de endurecimiento del acero consiste simplemente en la deformación de un metal a una temperatura inferior a su punto de fusión. Propiedades como el límite elástico, la resistencia a la tracción y la dureza aumentan, mientras que la plasticidad y la capacidad de deformación del material disminuyen. El endurecimiento por deformación, que resulta de la acumulación y el enredo de dislocaciones durante la deformación plástica, es un modo esencial de reforzar los elementos. Aunque alrededor del 90% de la energía durante el trabajo en frío se disipa en forma de calor, el resto se almacena en la red cristalina, aumentando así su energía interna.

Endurecimiento por aleación sólida

El endurecimiento por solución es la adición de un elemento de aleación al metal base para crear una solución sólida. Tras la solidificación, el metal se endurece debido a la presencia de los átomos de la aleación en la red cristalina del metal base. La diferencia de tamaño entre los átomos del soluto y del disolvente afecta a la eficacia de la solución sólida. Si el átomo del soluto es mayor que el del disolvente, se producen campos de deformación por compresión. En cambio, si el átomo del disolvente es mayor que los átomos del soluto, se producen campos de deformación por tracción. Los átomos de soluto que distorsionan la red en una estructura tetragonal provocan un rápido endurecimiento. Un ejemplo evidente es el efecto de la cementita en el acero.

Temple y revenido

En el temple, también denominado transformación martensítica, el acero se calienta por encima de la temperatura crítica hasta alcanzar el rango de la austenita, se mantiene a esta temperatura y luego se enfría rápidamente o, más a menudo, se enfría en agua, aceite o sal fundida. Para los aceros hipoeutectoides, la temperatura de calentamiento es de 30-50ºC por encima del límite de la línea de solubilidad de la austenita. Para los aceros hipereutectoides, la temperatura está por encima de la temperatura eutectoide. El enfriamiento provoca la transformación martensítica, que endurece considerablemente el acero. Sin embargo, el acero endurecido es muy frágil. Por lo tanto, es necesario realizar un revenido para aliviar las tensiones internas y reducir la fragilidad. La dureza máxima se obtiene cuando la velocidad de enfriamiento en el temple es lo suficientemente rápida como para asegurar la transformación completa de la martensita

Endurecimiento superficial (en caja)

Como su nombre indica, la cementación crea una superficie dura, necesaria para resistir el desgaste en aplicaciones como cigüeñales, cojinetes y similares. Este método de endurecimiento del acero, generalmente implica uno de los tres enfoques:

Endurecimiento por inducción y por llama

Se trata de un tratamiento térmico diferencial de la superficie. La superficie se calienta rápidamente para evitar que el centro del material se vea afectado. A continuación, el material se somete a un enfriamiento mucho más rápido. De este modo, se desarrolla un alto nivel de martensita en la superficie.

Endurecimiento por difusión (nitruración)

Se trata de una alteración de la composición de la zona superficial. Las partículas finas se dispersan permitiendo que los gases seleccionados reaccionen y se difundan en el acero. En este proceso, el acero se trata térmicamente para obtener una estructura martensítica templada. A continuación, se expone a una atmósfera de amoníaco a unos 550ºC durante 12-36 horas. Pequeños elementos de aleación, como el Al o el Crenhance, favorecen la formación de una fina dispersión de nitruros, que aumentan notablemente la dureza superficial y la resistencia al desgaste. Esta composición de nitruros es muy superior a la martensita en cuanto a dureza.

Carburización

Consiste en exponer el acero a una atmósfera carbonosa a alta temperatura. La atmósfera carbonosa puede generarse a partir de carbón de alta calidad o de gas natural disociado. Los átomos de carbono se difunden en la subsuperficie del metal, lo que da lugar a una caja de alto contenido en carbono que, tras el enfriamiento posterior, crea una superficie martensítica dura y resistente al desgaste.

Pruebas de dureza del acero

La dureza no tiene una unidad de medida concreta. Más bien, se describe mediante números de índice. Existen varias pruebas de dureza y el índice utilizado para describir la dureza de un material depende de la prueba utilizada. Algunas pruebas de dureza comunes son

Prueba de dureza Brinell

En esta prueba, se aplica una bola de acero de diámetro conocido como carga sobre la superficie del material. A continuación se calcula el número de dureza Brinell (BHN) mediante la fórmula de la tabla siguiente. Se mide el diámetro de la impresión resultante; junto con el diámetro de la bola de acero, se calcula el BHN.

Prueba de dureza Vickers

En el ensayo de dureza Vickers, la carga es una pirámide de diamantes de base cuadrada. Esta carga se aplica sobre la superficie del material durante unos 30 segundos. Se calcula el área de la impresión piramidal y se utiliza para calcular la dureza del metal.

Prueba de microdureza Knoop

Esta prueba de dureza es específica para láminas finas o materiales muy frágiles. Una punta de diamante piramidal crea una hendidura muy pequeña en el material. A continuación, la hendidura realizada se estudia con un microscopio y se utiliza para calcular la dureza del material.

Prueba de dureza Rockwell

La dureza Rockwell se desarrolló para medir la diferencia de dureza del acero antes y después del tratamiento térmico. El penetrador puede ser una bola de acero o un penetrador esférico de diamante. La dureza se mide determinando la profundidad de penetración en el material. Normalmente se aplican dos cargas. Una carga menor para causar una impresión inicial y una carga mayor para causar la penetración principal.

Tipos de acero que pueden endurecerse

El Instituto Americano del Hierro y el Acero (AISI) clasifica el acero en cuatro grupos principales:

Aceros al carbono

Aceros aleados

Aceros inoxidables

Aceros para herramientas

Los elementos básicos del acero son el hierro y el carbono. Sin embargo, las cantidades variables de carbono y otros elementos de aleación determinan las propiedades de cada grado. El contenido de carbono de cualquier acero determina su templabilidad, así como su máxima dureza alcanzable. Esto es especialmente cierto en el caso del temple, ya que el carbono favorece la formación de martensita.

Acero al carbono (UNS G10050-G15900, DIN 1.0xx)

Los aceros al carbono son aleaciones de hierro que contienen hasta un 2% de carbono. A menudo contienen trazas de elementos de aleación que mejoran ciertas propiedades. En función de la cantidad real de carbono que contienen, los aceros al carbono pueden clasificarse en aceros de bajo carbono, aceros de medio carbono y aceros de alto carbono.

Acero de bajo carbono

También conocido como acero dulce, contiene entre 0,08 y 0,35% de carbono. Debido a su bajo contenido en carbono, los aceros con bajo contenido en carbono no se endurecen por enfriamiento. Sin embargo, pueden endurecerse por cementación.

Aceros de medio carbono

Estos aceros contienen entre un 0,35% y un 0,5% de carbono. Son más resistentes que los aceros de bajo carbono, pero son más difíciles de trabajar. Los aceros de medio carbono se endurecen fácilmente mediante el enfriamiento. Cuando se alean con trazas de manganeso, su templabilidad aumenta. Los aceros de medio carbono también se cementan para aplicaciones en las que la resistencia al desgaste es crítica, como en los cigüeñales.

Aceros de alto carbono

Los aceros de alto carbono contienen más del 0,5% de carbono. Este tipo de aceros son muy endurecibles debido al alto contenido de carbono. Suelen endurecerse mediante el temple. Sin embargo, esto los hace bastante frágiles, por lo que es necesario el revenido.

Aceros aleados (UNS G13300-G98500, DIN 1.2xxx)

Además del contenido de carbono, la composición química es otro factor que afecta a la templabilidad de los aceros. Los aceros aleados contienen cantidades variables de cobre, níquel, manganeso, boro y vanadio. Estos aceros son muy endurecibles mediante el temple. Esto se debe a que los elementos de aleación retrasan la descomposición de la austenita, formando así martensita fácilmente en los aceros aleados. El endurecimiento por solución sólida es también una forma eficaz y común de endurecer los aceros aleados.

Aceros inoxidables (UNS S00001-S99999, DIN 1.4xxx)

Los aceros inoxidables son aceros que contienen entre un 10 y un 20% de cromo como principal elemento de aleación. Son muy resistentes a la corrosión y la erosión. En función de su estructura y composición, los aceros inoxidables pueden clasificarse como

Austeníticos

Los aceros austeníticos suelen contener hierro, 18% de cromo, 8% de níquel y menos de 0,8% de carbono. Son el tipo de acero inoxidable más utilizado. Los aceros austeníticos no son magnéticos ni tratables en caliente. Sin embargo, se endurecen fácilmente mediante el trabajo en frío.

Ferríticos

Estos aceros suelen contener menos de un 0,1% de carbono, entre un 12 y un 17% de cromo y trazas de níquel. Los aceros ferríticos son magnéticos pero no pueden endurecerse mediante tratamiento térmico. El trabajo en frío es un método eficaz para endurecerlos.

Martensítico

Debido a sus estructuras internas, los aceros martensíticos son bastante duros. Estos aceros contienen hasta un 1,2% de carbono, además de un 12-17% de cromo. Debido a su contenido relativamente alto de carbono, los aceros martensíticos se endurecen fácilmente mediante tratamiento térmico.

Dúplex

Los aceros dúplex tienen microestructuras tanto ferríticas como austeníticas. Estos aceros se endurecen mediante tratamiento térmico o endurecimiento superficial.

Endurecimiento por precipitación

Los aceros de endurecimiento por precipitación son aceros inoxidables que contienen cromo, níquel y otros elementos de aleación como cobre, aluminio y titanio. Estos elementos de aleación permiten que el acero inoxidable se endurezca mediante un tratamiento térmico de disolución y envejecimiento. Pueden ser austeníticos o martensíticos.

Aceros para herramientas ( UNS T00001-T99999; DIN 1.23xx, 1.27xx, 1.25xx)

Como su nombre indica, los aceros para herramientas se emplean habitualmente en la fabricación de herramientas, como las de corte y perforación. Suelen contener tungsteno, cobalto, vanadio y molibdeno. Estas herramientas pueden endurecerse mediante el trabajo en frío y también mediante tratamientos térmicos como el temple.

Tipos de acero y su método de endurecimiento más adecuado