El tratamiento térmico es un proceso importante en la metalurgia, se utiliza para modificar las propiedades de materiales como metales y aleaciones para cumplir con los requisitos específicos de diversas aplicaciones. Este puede mejorar la dureza, tenacidad, resistencia, flexibilidad y resistencia a la corrosión, al someter los materiales a ciclos controlados de calentamiento y enfriamiento.

La manipulación de parámetros como la temperatura, la duración y la atmósfera durante las fases de calentamiento y enfriamiento, permite a los ingenieros y metalúrgicos adaptar con precisión la microestructura y las propiedades del material para satisfacer las demandas de aplicaciones particulares.

Es una combinación de ciencia e ingeniería que desempeña un papel fundamental en las industrias manufactureras que van desde la automotriz y la aeroespacial hasta la construcción y más. Las operaciones de un tratamiento térmico pueden implicar el control de los procesos de calentamiento y enfriamiento, a menudo en combinación, para lograr las propiedades deseadas del material.

Quenching es el término utilizado para describir el proceso de enfriamiento rápido empleado durante el tratamiento térmico. En este sistema, el material sufre cambios significativos en sus propiedades metalúrgicas, físicas y mecánicas al extraer rápidamente calor de un material, generalmente mediante inmersión en un medio de enfriamiento como agua, aceite o aire.

Es un proceso importante en el tratamiento térmico del acero, donde el objetivo es enfriar rápidamente la fase austenítica (obtenida calentando el acero a una temperatura específica) para transformarla en martensita. La martensita es una microestructura compleja que aumenta la dureza y resistencia del acero.

A continuación, la Figura 1 muestra un "diagrama de transformación de enfriamiento continuo" donde la velocidad de enfriamiento debe ser lo suficientemente rápida para evitar la transformación de productos de acero blando (como perlita y bainita). Esta velocidad de enfriamiento generalmente se logra sumergiendo el acero en un medio de enfriamiento como agua, aceite o aire, dependiendo de las propiedades deseadas y la composición del acero.

El quenching del aluminio y otros metales no ferrosos sigue un principio similar al del acero, que implica un enfriamiento rápido desde una temperatura alta hasta la temperatura ambiente para mantener una solución sólida sobresaturada. Este proceso es crucial para lograr las propiedades deseadas, particularmente para aleaciones que endurecen por envejecimiento. Esta sobresaturación es necesaria para que el endurecimiento por envejecimiento posterior o el endurecimiento por precipitación se produzca de manera efectiva.

El quenching de aluminio y metales no ferrosos se puede lograr mediante inmersión en un líquido extintor, como agua o aceite, o mediante exposición al aire a altas velocidades (enfriamiento con aire). La elección del método de enfriamiento depende de factores como la composición de la aleación, la geometría de la pieza y las propiedades deseadas.

Fundamentos del Quenching

Durante el quenching, en la práctica, la superficie de las piezas de acero se enfría más rápido que el centro. Las diferencias en las velocidades de enfriamiento entre la superficie y el centro pueden generar microestructuras no uniformes, lo que resulta en diferencias en las propiedades del material. Este fenómeno suele denominarse como gradientes térmicos.

Cuando el gradiente térmico es notable, puede ocasionar la formación de diversas microestructuras a lo largo de la sección transversal de la pieza. Por ejemplo, si la superficie se enfría lo suficientemente rápido para generar martensita mientras que el centro experimenta un enfriamiento más gradual, es probable que se forme bainita o incluso perlita debido a la velocidad de enfriamiento más lenta. Esta variación en la microestructura puede resultar en diferencias "según el quenching" en las propiedades del material, como la dureza y la resistencia, entre la superficie y el centro de la pieza

Este efecto se ilustra en el esquema de transformación de enfriamiento continuo de la Figura 2, considerando la variable del espesor de la sección. Las diferencias iniciales en la microestructura entre la superficie y el centro de la pieza pueden provocar variaciones en la respuesta del templado y las propiedades mecánicas resultantes.

Lograr la velocidad de enfriamiento adecuada durante el quenching es crucial para transformar completamente la martensita en toda la pieza, tanto en la superficie como en el centro. Esto requiere un "proceso de enfriamiento adecuado", lo que significa controlar cuidadosamente el proceso de quenching para mantener velocidades de enfriamiento uniformes en toda la pieza, permitiendo microestructuras y propiedades mecánicas consistentes.

Se deben considerar varios factores para lograr un "proceso de quenching adecuado" y las velocidades de enfriamiento deseadas para la transformación total de la martensita:

• Composición del acero – templabilidad del acero
• Selección del temple
• Grosor de la pieza seleccionada
• Agitación
• Temperatura del baño

Al controlar cuidadosamente estos factores y adaptar el proceso de quenching a los requisitos específicos de la composición del acero y la geometría de la pieza, los fabricantes pueden garantizar una transformación uniforme a martensita en toda la pieza. Por lo tanto, las prácticas de enfriamiento adecuadas son esenciales para lograr las propiedades deseadas del material y garantizar la calidad y confiabilidad del producto final.

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1. Composición del Acero – Templabilidad del Acero

Aumentar el contenido de aleación en el acero puede mejorar su templabilidad, que se refiere a la capacidad del acero para formar martensita durante el quenching. El aumento de la templabilidad reduce la velocidad de enfriamiento crítica requerida para la transformación de martensita, lo que permite un enfriamiento más rápido del centro de las piezas y logra una transformación completa de las piezas con una dureza y propiedades mecánicas más uniformes.

Los costos están asociados con el uso de un mayor contenido de aleación en el acero. Los elementos de aleación pueden aumentar significativamente el costo de producción de acero debido al mayor costo de las materias primas y a los procesos de fabricación involucrados que son más complejos.

Por lo tanto, es esencial realizar un análisis de costo-beneficio para determinar el equilibrio óptimo entre el rendimiento del material y los costos de producción. El efecto de templabilidad de agregar aleaciones a la composición del acero se ilustra en la Figura 3.

2. Selección del Temple

La selección del temple juega un papel crucial y sus propiedades térmicas impactan significativamente en la velocidad, severidad y tasa de enfriamiento. Las propiedades térmicas - conductividad térmica, densidad y viscosidad - influyen en gran medida en la eficiencia de la transferencia de calor de la pieza calentada al medio de temple y en la rapidez con que se enfría la pieza (tasas de enfriamiento).

La combinación de estas propiedades térmicas y factores como la capacidad calorífica específica y el punto de ebullición determina la severidad general del temple y las velocidades de enfriamiento alcanzadas durante el proceso. Los fabricantes consideran cuidadosamente estas propiedades al momento de seleccionar los medios de temple para garantizar que se logren las velocidades de enfriamiento y las transformaciones metalúrgicas deseadas, minimizando al mismo tiempo el riesgo de deformaciones, grietas u otros defectos en las piezas templadas.

Los medios de temple pueden variar ampliamente en sus velocidades de enfriamiento, y la selección del adecuado depende de la velocidad deseada y del material que se procesa. Los medios de temple más utilizados son el agua, principalmente para obtener las velocidades de enfriamiento más rápidas. Se obtienen velocidades de enfriamiento menos drásticas con medios de temple a base de agua y polímeros, así como con el proceso de quenching en aceite. El quenching al aire o con otros gases se utiliza para lograr velocidades de enfriamiento significativamente más lentas.

La figura 4 ilustra las velocidades típicas de enfriamiento logradas con los medios de temple más utilizados.

Por ejemplo, la tabla 1 muestra los valores típicos de varios medios de temple y las condiciones de quenching empleadas. También podemos observar las diferencias entre los medios de temple habituales y los coeficientes de transferencia de calor obtenidos según la velocidad de enfriamiento de cada medio.

Al utilizar medios de temple de mayor velocidad o ajustar la concentración de las soluciones de quenching, los fabricantes pueden aumentar las velocidades de enfriamiento en toda la pieza, logrando propiedades más uniformes desde la superficie hasta el centro. Este enfoque es particularmente beneficioso para lograr la transformación completa a martensita u otras microestructuras deseadas en piezas de acero, lo que da como resultado propiedades mecánicas consistentes en toda la pieza.

Por ejemplo, como se ilustra en la Figura 5, la transición de un aceite de quenching estándar a un aceite de alta velocidad puede aumentar significativamente las velocidades de enfriamiento durante el quenching.

En el caso de utilizar medios de temple a base de agua y polímeros, las velocidades de enfriamiento se pueden aumentar reduciendo la concentración de la solución de polímeros, lo que conduce a un enfriamiento más rápido y uniforme.

Otro gráfico interesante como guía para la selección es la banda de sensibilidad. El concepto esquemático se ilustra en la figura 6.

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3. Grosor de la Sección de la Pieza

El grosor de la sección de las piezas templadas influye significativamente en las velocidades de enfriamiento que se alcanzan en diferentes zonas de la pieza. Las secciones más gruesas tienden a enfriarse más lentamente en el centro que las secciones delgadas y la superficie debido al efecto aislante del material circundante. Por lo tanto, se debe considerar cuidadosamente un diseño adecuado de la geometría de la pieza para garantizar velocidades de enfriamiento uniformes y evitar la formación de microestructuras indeseables o variaciones en las propiedades mecánicas.

La geometría y el diseño de la pieza juegan un papel fundamental en el éxito del "proceso de quenching adecuado", ya que influyen en las velocidades de enfriamiento, las transformaciones microestructurales y la aparición de defectos como deformaciones y grietas. Al considerar cuidadosamente estos factores e implementar estrategias de diseño apropiadas, los fabricantes pueden optimizar el proceso de quenching para lograr las propiedades deseadas del material, garantizando al mismo tiempo la estabilidad dimensional y la integridad de la pieza.

Las formas complejas o características intrincadas pueden atrapar el templeante o inhibir la transferencia de calor, lo que conduce a velocidades de enfriamiento no uniformes y posibles deformaciones o grietas. También podemos observar en la figura 6 el impacto de las secciones gruesas y delgadas en la selección del templeante y la severidad de la agitación.

4. Agitación 

El efecto de la agitación juega un papel fundamental en el "proceso de quenching adecuado". La agitación es crítica para lograr un quenching uniforme y controlar las velocidades de enfriamiento durante el proceso. Esta asegura una mezcla adecuada del templeante, lo que conduce a una distribución uniforme de la temperatura dentro del tanque de quenching y mejora la transferencia de calor entre el templeante y las piezas templadas. Esto impacta significativamente en las velocidades de enfriamiento que experimentan las piezas y la microestructura y propiedades mecánicas resultantes.

En la tabla 1, también podemos observar el impacto del valor del coeficiente de transferencia de calor en el cambio de la velocidad del templeante.

Además, la figura 7 ilustra el impacto en las velocidades de enfriamiento según el nivel de agitación o velocidad del templeante. A medida que aumenta la intensidad de la agitación, la etapa de capa de vapor disminuye y la velocidad de enfriamiento aumenta. El nivel de agitación tiene poco impacto al final del quenching durante la etapa de convección.

Una agitación adecuada es esencial para lograr un quenching uniforme y controlar las velocidades de enfriamiento durante el tratamiento térmico. La agitación contribuye a lograr propiedades uniformes del material y estabilidad dimensional en las piezas templadas al garantizar una distribución uniforme de la temperatura y mejorar la eficiencia de la transferencia de calor.

5. Temperatura del Baño 

La temperatura del baño es otro factor crucial para el "proceso de quenching adecuado", ya que afecta directamente al coeficiente de transferencia de calor (CTC) y las velocidades de enfriamiento que experimentan las piezas templadas. La relación entre la temperatura del baño de quenching y el coeficiente de transferencia de calor es inversamente proporcional: a medida que disminuye la temperatura del templeante, aumenta el coeficiente de transferencia de calor y viceversa.

El impacto de la temperatura variable se muestra en la figura 8, donde la velocidad de enfriamiento aumenta con temperaturas de baño más bajas y disminuye con temperaturas de baño más altas. El agua es uno de los templeantes disponibles con mayor severidad, especialmente cuando está fría.

Ajustando la temperatura del baño de quenching, los fabricantes pueden adaptar las velocidades de enfriamiento para lograr las propiedades deseadas del material, minimizando al mismo tiempo el riesgo de deformaciones, grietas u otros defectos.

Quenching del Aluminio

La velocidad de temple es menos crítica para las piezas de aluminio que para las piezas de acero. Sin embargo, el "tiempo de retardo de temple" es esencial en los procesos de quenching del aluminio. El tiempo de retardo de temple es el tiempo transcurrido entre la extracción de la pieza de aluminio del horno de solución y su inmersión en el medio de temple.

Para garantizar resultados óptimos de quenching y lograr las propiedades mecánicas deseadas en las piezas de aluminio, los fabricantes deben controlar cuidadosamente el tiempo de retardo de temple y adaptar el proceso de quenching a los requisitos específicos de la aleación y el producto. Esto puede implicar la optimización de los tiempos de traslado del horno al temple, la selección del medio de temple y los parámetros del proceso para minimizar la sensibilidad al temple y lograr resultados consistentes y confiables. Para algunos productos de aluminio, el tiempo de retardo de temple puede necesitar ser tan corto como 7.5 segundos, mientras que para otros, puede ser aceptable tener un retardo ligeramente más largo de hasta 30 segundos.

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Conclusión

Al comprender y controlar exhaustivamente factores como la composición del acero, la selección del templeante, el grosor de la sección de la pieza, la agitación y la temperatura del baño, los fabricantes pueden optimizar el proceso de quenching. Esto conduce a una transformación uniforme a martensita y, por lo tanto, a la obtención de las propiedades deseadas del material.

Incluso para metales no ferrosos como el aluminio, las consideraciones son igualmente importantes, aunque con un enfoque más centrado en el tiempo de retardo de temple. Por lo tanto, las prácticas de temple adecuadas siguen siendo inmensamente cruciales para garantizar la calidad y fiabilidad del producto final.

Este artículo proporcionó un análisis profundo de los procesos de quenching, con la esperanza de ofrecer una perspectiva esclarecedora sobre la importancia del tratamiento térmico en la metalurgia.

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Referencias:

• GE Totten, GE Bates, NA Clinton handbook of quenchants and quenching technology, ASM International 1993.
• ASM heat treater’s guide 2nd edition. Practices and procedures for irons and steels 1995
• Houghton on Quenching.