Fundamentalmente, la capacidad de un acero para endurecerse mediante tratamiento térmico está determinada por su contenido de carbono. Los aceros con carbono insuficiente, o aquellos cuyas estructuras cristalinas están estabilizadas por otros elementos de aleación, no se pueden endurecer significativamente mediante el proceso común de temple y revenido. Las principales categorías de aceros no endurecibles son los aceros de bajo carbono, los aceros inoxidables austeníticos y los aceros inoxidables ferríticos.
La capacidad de un acero para endurecerse no es una propiedad inherente de todos los aceros; es un resultado directo de tener suficiente carbono para formar una microestructura dura y frágil llamada martensita tras un enfriamiento rápido. Sin suficiente carbono, esta transformación es imposible.
El Principio: Por qué el carbono rige la templabilidad
Para entender por qué algunos aceros no se pueden tratar térmicamente, primero debemos comprender cómo funciona el endurecimiento. No es el calor en sí lo que endurece el acero, sino la transformación estructural que posibilita.
El papel de la formación de martensita
El proceso de endurecimiento convencional implica calentar el acero hasta que su estructura cristalina cambie a una fase llamada austenita. En este estado, los átomos de carbono se disuelven en la red del hierro.
Si el acero se enfría rápidamente (se templa), los átomos de carbono quedan atrapados. Esto obliga a la red de hierro a adoptar una nueva estructura muy tensa y muy dura conocida como martensita.
El umbral mínimo de carbono
Esta transformación a martensita simplemente no puede ocurrir sin una cantidad crítica de carbono. Por lo general, un acero debe tener al menos un 0,30% de carbono para mostrar un endurecimiento significativo.
Los aceros por debajo de este umbral no tienen suficiente carbono disuelto para crear la tensión interna necesaria para formar una cantidad sustancial de martensita.
Categorías de aceros no endurecibles
Basándonos en este principio, podemos identificar varias clases principales de acero que no son adecuadas para el endurecimiento convencional.
Aceros de bajo carbono (dulces)
Esta es la categoría más común. Los aceros de bajo carbono, a menudo llamados aceros dulces, se definen por su bajo contenido de carbono, generalmente inferior al 0,30%.
Ejemplos como el acero estructural A36, el 1018 y el acero 1020 son valorados por su ductilidad, soldabilidad y bajo costo, pero carecen del carbono necesario para el endurecimiento completo. Templarlos tiene un efecto insignificante en su dureza.
Aceros inoxidables austeníticos
Este grupo, que incluye los muy comunes grados 304 y 316, tiene una razón diferente para no ser endurecible. Su composición química, alta en níquel y cromo, hace que su estructura cristalina sea austenítica a todas las temperaturas, desde criogénicas hasta el punto de fusión.
Dado que nunca abandonan la fase austenita, la transformación a martensita no puede desencadenarse por el temple. Estos aceros no son magnéticos y se endurecen mediante medios mecánicos (endurecimiento por trabajo), no por tratamiento térmico.
Aceros inoxidables ferríticos
Al igual que los grados austeníticos, los aceros inoxidables ferríticos como el grado 430 tienen una estructura cristalina estable. La suya se llama ferrita, que es la misma fase en la que se encuentra el hierro puro a temperatura ambiente.
Estos aceros tienen un contenido de carbono muy bajo y no experimentan la transformación de fase necesaria al calentarse, lo que los hace no endurecibles mediante tratamiento térmico.
Comprensión de los matices y excepciones
La afirmación de que "no se pueden tratar térmicamente" conlleva advertencias importantes. Si bien estos aceros no se pueden endurecer completamente mediante temple, otros procesos térmicos pueden modificar sus propiedades.
Endurecimiento superficial: Cambiar la superficie, no el núcleo
Incluso un acero de bajo carbono puede recibir una superficie dura y resistente al desgaste. Procesos como la cementación (carburización) o la nitruración son tratamientos termoquímicos que difunden átomos de carbono o nitrógeno en la superficie del acero.
Esto crea una "capa" delgada, rica en carbono (o nitrógeno) en la pieza. Esta capa se puede templar para formar martensita, lo que da como resultado un exterior duro mientras que el núcleo dúctil y bajo en carbono permanece blando y resistente.
Endurecimiento por trabajo: Una alternativa mecánica
Como se mencionó con los aceros inoxidables austeníticos, el endurecimiento por trabajo (o endurecimiento por deformación) es un método principal para aumentar la dureza y la resistencia de las aleaciones no endurecibles.
Doblar, laminar o estirar el metal a baja temperatura introduce dislocaciones en la estructura cristalina, haciéndola más resistente a una mayor deformación. Así es como una lámina de acero inoxidable blanda se convierte en un resorte fuerte o un fregadero de cocina duradero.
Endurecimiento por precipitación: Un proceso térmico diferente
Algunos aceros inoxidables especiales, como el 17-4 PH, se endurecen mediante un mecanismo completamente diferente. Este es un tratamiento térmico de dos pasos. Primero, un tratamiento de solución disuelve los elementos de aleación y luego un tratamiento de "envejecimiento" a menor temperatura provoca que precipiten partículas microscópicas duras dentro de la matriz metálica.
Si bien esta es una forma de tratamiento térmico, es distinta de la transformación martensítica a la que la gente se refiere habitualmente al hablar del endurecimiento de los aceros al carbono y aleados.
Tomar la decisión correcta para su objetivo
Seleccionar el material correcto requiere comprender estas distinciones y hacer coincidir las propiedades del acero con las demandas de su aplicación.
- Si su enfoque principal es la maquinabilidad y la soldabilidad a bajo costo: El acero de bajo carbono es la opción predeterminada, pero entienda que no mantendrá un filo ni resistirá el desgaste sin un tratamiento superficial secundario.
- Si su enfoque principal es la resistencia a la corrosión y la conformabilidad: El acero inoxidable austenítico es ideal, pero sepa que su dureza final se determina por el trabajo mecánico, no por el endurecimiento térmico.
- Si su enfoque principal es la alta resistencia y la resistencia al desgaste: Debe seleccionar un acero de carbono medio a alto o un acero para herramientas diseñado específicamente para el endurecimiento mediante temple y revenido.
Comprender la relación entre el carbono, la estructura cristalina y el tratamiento térmico le permite seleccionar el material preciso que exige su aplicación.
Tabla de resumen:
| Categoría de acero | Ejemplos | Razón principal de la no templabilidad |
|---|---|---|
| Aceros de bajo carbono (dulces) | A36, 1018, 1020 | Contenido de carbono inferior a ~0,30%, insuficiente para la formación de martensita |
| Aceros inoxidables austeníticos | 304, 316 | Estructura cristalina austenítica estable a todas las temperaturas |
| Aceros inoxidables ferríticos | 430 | Estructura cristalina ferrítica estable, contenido de carbono muy bajo |
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