Acondicionamiento de Carburos en Aceros de Alto Carbono

Templado y revenidoEl diseño estructural de una hoja de cuchillo es una solución de compromiso entre buena dureza y adecuada tenacidad.El procedimiento habitual para obtenerla es el de templado y revenido. Se calienta la hoja hasta obtener una estructura totalmente austenítica, con la totalidad del carbono en solución y se la enfría a la velocidad necesaria para evitar la formación de estructuras no martensíticas. El carbono tiene baja solubilidad en martensita (o ferrita) y queda atrapado en los intersticios de la red cristalina del hierro, distorsionándola. La dureza de la martensita es función directa del contenido de carbono.Durante el revenido el carbono se mueve y agrupa formando partículas de carburo de hierro (cementita, Fe3C). La dureza disminuye, y la tenacidad aumenta, a medida que se reduce la distorsión cristalina, se eliminan defectos cristalinos y crece el tamaño de grano y de los carburos. A igualdad de tiempo, el efecto es mayor cuánto más alta es la temperatura de tratamiento.

CarburosEn los aceros de medio carbono (aprox. 0,60 % C) usados habitualmente, como 1070, 9260, 5160, etc, se obtiene, luego de un enfriamiento relativamente lento (normalizado), una estructura consistente de láminas alternadas de ferrita y cementita (perlita o eutectoide). En aceros de mayor contenido de carbono (hipereutectoides) como 1095, 52100, etc, se obtiene, además de perlita, una cierta distribución de carburos (cementita) cuya cantidad depende del contenido de carbono y cuya forma depende del ciclo térmico utilizado.En aceros de alto carbono es posible obtener, con el tratamiento apropiado, una estructura consistente de una matriz de martensita revenida con una distribución de partículas de cementita. Considerando la alta dureza de la cementita es, entonces, posible obtener una distribución de partículas duras en una matriz de alta tenacidad. Combinación que podría ser una buena opción para una hoja de cuchillo al combinar buena resistencia a la deformación y a la fractura, dada por la matriz de martensita revenida, con una buena retención del filo, dada por las partículas de cementita.El proceso comprende una primera etapa de acondicionamiento de la estructura para obtener una distribución de carburos del tamaño deseado, una etapa de templado donde deberán retenerse los carburos sin disolver y un revenido de la matriz.

EsferoidizadoHay varias formas de obtener una distribución de carburos, de forma y tamaño determinados, en un acero de alto carbono. Una de ellas es a partir de la estructura que se obtiene enfriando la austenita, obtenida a altas temperaturas, a velocidades menores a las requeridas para templar a martensita. Esta estructura consiste en granos de perlita con carburos masivos alojados en los límites de grano. La estructura será fina si el enfriamiento es relativamente rápido (normalizado, enfriamiento en aire) y más gruesa con enfriamientos más lentos (recocido, enfriamiento en horno).Sometiendo esta estructura a un recocido sub-crítico, a temperaturas apenas por debajo de la de comienzo de la transformación a austenita, se obtendrá una fragmentación de los carburos y de las placas de carburo de la perlita. Este comportamiento responde a la tendencia a adoptar formas aproximadamente esféricas que, por tener la menor relación entre superficie y volumen, son las de mínima energía. Tiempos prolongados de tratamiento darán cantidades cada vez menores de partículas cada vez más grandes y de forma más esfèrica. El proceso de esferoidizado requiere tiempos de tratamiento relativamente largos, varias horas.

Esferoidizado aceleradoUna manera de acelerar el esferoidizado es el ciclado de temperatura por arriba y por debajo de la temperatura de transformación. La formación de núcleos de austenita, a temperatura alta, aumenta la fragmentación de las placas y partículas de carburos.Alternativamente una deformación, relativamente alta, a temperatura sub-crítica, provoca la recristalización de los carburos y una esferoidización prácticamente instantánea. La uniformidad de la esferoidización dependerá de la uniformidad de la deformación.Los carburos obtenidos a partir de estructuras perlítico-cementíticas (recocidas o normalizadas) son de tamaño mediano a grande.

BonificadoDistribuciones de carburos de tamaño pequeño y uniforme pueden obtenerse mediante el proceso de bonificado, que consiste en un revenido, a temperaturas relativamente altas, de estructuras martensíticas o bainíticas obtenidas por templado de austenita. Conforme se aumenta la temperatura, y el tiempo, de tratamiento se obtendrán cantidades menores de carburos de tamaño creciente.

Austenitizado incompletoEs evidente que, a través de un apropiado tratamiento de acondicionamiento, es posible obtener distribuciones de carburos que van desde gran cantidad de carburos pequeños a una cantidad limitada de carburos grandes. Durante el calentamiento de austenitizado, previo al templado, es posible controlar la cantidad de carburos disueltos a través de la temperatura de austenitizado, teniendo en cuenta que el intervalo entre la temperatura de comienzo de formación de austenita (A1) y la de austenitización completa (Acm) es, en un acero con 1% de carbono, de alrededor de 100ºC. La cantidad de carburos remanentes, sin disolver, en la austenita disminuirá con el aumento de la temperatura. Estos carburos permanecerán, en una matriz martensítica, cuando se proceda al templado.Las características de la austenita que se forma también se modifican al aumentar la temperatura de austenitizado. La primer austenita que se forma, apenas por encima de A1, tendrá el contenido de carbono de la perlita eutectoide, alrededor de 0,7% C. Este contenido de carbono irá creciendo, con el aumento de temperatura, a medida que se disuelven los carburos, y alcanzará el contenido nominal de carbono al superar Acm. En consecuencia, también variarán las características de la martensita que se forma al templar. Para bajas temperaturas de austenitizado se obtendrán muchos carburos en una matriz de martensita relativamente blanda. Para temperaturas altas, se obtendrán, progresivamente, menos carburos en una matriz de martensita de dureza creciente.

Carburos aleadosEn el caso de aceros que contengan aleantes formadores de carburos (Mn, Cr, Mo, V, etc) también variará el contenido de los mismos en la austenita a medida que aumenta la temperatura y se verá afectada la templabilidad. Que aumentará conforme se aumente la temperatura de austenitizado.Los carburos aleados son más difíciles de disolver que la cementita. En consecuencia, deberá prestarse atención a los tiempos y temperaturas durante el austenitizado previo a los tratamientos de acondicionamiento de los carburos a fin de asegurar una completa solubilización.Una red de partículas finas limita el crecimiento de grano de una fase. La red de carburos puede usarse, durante el austenitizado incompleto, también como una herramienta para limitar el crecimiento del grano austenítico previo al templado final.

ConclusionesEn conclusión: A través de un adecuado tratamiento térmico, es posible, en un acero de alto carbono, obtener una distribución de carburos que, luego de templado y revenido, presente una red de carburos de alta dureza en una matriz martensítica resistente y tenaz. Las combinaciones estructurales, y las propiedades consiguientes, pueden adecuarse convenientemente a los requerimientos de servicio.

amhjulio 2009