Bajo atmósfera controlada en la fabricación de numerosos productos

El tratamiento térmico de los aceros inoxidables

G. Cimiano y R. Escriche - Bautermic15/04/2002
El tratamiento térmico de los aceros inoxidables tiene dos misiones básicas que cumplir: obtener la dureza de utilización y alcanzar la máxima resistencia a la oxidación. En vista que ambas características son de primordial importancia, especialmente en la superficie de piezas acabadas, debe efectuarse el tratamiento térmico de tal forma que no se produzcan variaciones en la composición química de la superficie.
Cualquier empobrecimiento en cromo o descarburación produce una disminución de las características esperadas en las piezas, así mismo, debe efectuarse de tal manera que no se produzcan deformaciones con el fin de evitar trabajos de corrección posteriores.
A continuación se describe la tecnología empleada en la ejecución de estos tratamientos para que se obtengan de manera ejemplar las características técnicas y económicas exigidas.

Medios para tratamientos térmicos

El tratamiento térmico en atmósferas oxidantes como el aire, prácticamente ya no se utiliza, ya que se forma, en especial en los aceros inoxidables, una capa de cascarilla fuertemente adherida que debe eliminarse con un decapado posterior.
Además se produce, en esta clase de atmósfera, una descarburación que obliga a rectificar las piezas, no solamente para alcanzar las características superficiales necesarias, si no para eliminar la capa descarburada .
Una gran parte de piezas acabadas, fabricadas con aceros inoxidables, como por ejemplo cuchillos, instrumentos quirúrgicos y dentales, partes de cojinetes de bolas, cilindros y agujas se calientan frecuentemente en baños de sales para su temple. Debido a las temperaturas necesarias de 1.000 ºC y superiores, únicamente se pueden usar sales de cloruro de bario.
Está demostrado que éstos baños evitan la descarburación pero producen una perdida de cromo en la superficie de las piezas, lo cual provoca una disminución de la resistencia a la corrosión.
No es posible evitar esta pérdida de cromo por más cuidados que se tenga con los baños. En consecuencia hay que mecanizar las piezas una vez tratadas como mínimo 0,008 mm. para alcanzar nuevamente la resistencia óptima a la corrosión. Esta operación puede ser muy cotosa en el caso de piezas de formas complicadas.
Los baños de sales a base de cloruro de bario tienen además el inconveniente de que estas sales son difíciles de diluir en agua. En consecuencia el lavado puede presentar serios problemas en el caso de piezas con taladros, roscas o de formas irregulares, además se añade el problema de la eliminación del agua del lavado y de las sales.
Los gases de protección, como por ejemplo el amoniaco (NH3) disociado, hidrógeno (H2) puro y el Formigas, son actualmente los medios más económicos para los tratamientos térmicos a la vez que respetuosos con la atmósfera.
Se exige únicamente que dichos gases sean secos, es decir, con un punto de rocío de – 40 ºC.
En este tipo de atmósfera no se produce ninguna reducción del contenido en cromo y en consecuencia se mantiene la total resistencia a la corrosión. Además estos gases no reaccionan con el carbono, con lo que se evita todo tipo de descarburación, obteniendo la máxima dureza superficial.
Según las experiencias prácticas, los valores de dureza obtenidos con atmósfera de gas, son netamente superiores a los obtenidos en baño de sales.
En el amoniaco (NH3) disociado el contenido de hidrógeno es del 75% y 25% de nitrógeno, debido a que el hidrógeno es un gas fuertemente reductor no existe la posibilidad de oxidación de las piezas en el interior del horno, saliendo del mismo completamente blancas.
Existían temores de que el contenido de nitrógeno 25 %, pudiera tener un efecto nitrurante, lo cual no se ha confirmado en la práctica.

Temple

El acero recocido tiene una estructura de ferrita y carburos. Con el temple se pretende transformar la estructura en austenítica y diluir los carburos. Solamente alcanzando una transformación completa y diluyendo la máxima cantidad posible de carburos, se puede obtener la máxima resistencia a la corrosión y la máxima dureza.
Las temperaturas de temple de los diferentes aceros inoxidables oscilan entre 980 y 1.050 ºC.
En la mayoría de los casos se ha demostrado que se alcanzan resultados superiores trabajando con temperaturas de temple entre 1.040 y 1.080 ºC., alcanzando mayor uniformidad en la estructura y una solubilidad más rápida de los carburos sin posibilidad de formación de una estructura de grano grueso con todos sus inconvenientes.
El tiempo de mantenimiento a temperatura de temple, depende del espesor de la sección a templar. No se debe determinar el tiempo de permanencia según el espesor más delgado, en el caso de piezas con diferentes espesores, aunque en éste espesor mínimo pueda estar la parte más funcional de la pieza.
La duración del tiempo de mantenimiento debe determinarse de forma que se alcance una transformación completa de la estructura y una disolución amplia de los carburos incluso en las zonas de mayor espesor, si en éstas partes se desea alcanzar la máxima resistencia a la corrosión.

Ejemplo

Los cuchillos de tipo monobloque, tienen una hoja de aprox 1,5 mm. de espesor en el dorso, mientras que el mango puede tener un espesor de 8-10 mm.. Si se determinara el tiempo de permanencia en función del espesor de la hoja, que sería de acuerdo con la temperatura de aprox. 3-5 minutos, no se conseguiría una completa homogeneización de la estructura del mango con la consiguiente disminución de la dureza en ésta parte. Esto puede ser aceptable, pero a la vez se reduce considerablemente la resistencia a la corrosión debido a la estructura no homogénea.
Después del calentamiento y mantenimiento a temperatura sigue el enfriamiento, en este caso como en la construcción de herramientas es valedera la regla básica.

Rápido, pero no brusco

Especialmente en el campo comprendido entre los 700 y 450 ºC. la velocidad de enfriamiento tiene una importancia muy considerable, ya que en éste campo pueden separarse muy fácilmente carburos de la austenita sobresaturada. Estas separaciones no son deseables puesto que los carburos son uniones entre los metales y el carbono, el cual determina la dureza final alcanzable. Esto solamente es valedero para la parte proporcional de carbono que se diluye en la austenita y no puede separarse de nuevo durante el enfriamiento.
Si el enfriamiento se efectúa muy lentamente, se produce una separación previa de carburos, lo cual empobrece en carbono el material base, en consecuencia resultaría difícil alcanzar la dureza que se obtendría mediante un enfriamiento más rápido que impidiese la separación de los carburos.
En muchas especificaciones de tratamientos térmicos se recomienda el temple en aceite, el cual es un sistema muy brusco que permite conseguir valores altos de dureza, en cambio y basándonos en experiencias prácticas, sabemos que las secciones delgadas, como pueden ser, cuchillos, calibres, muelles, etc. Sufren grandes deformaciones al enfriarse en éste medio.
Con secciones hasta 2 mm. de espesor es suficiente dejar enfriar el material en una cámara bajo gas de protección, la cual estará conectada directamente al horno. Este método es el más suave que se puede conseguir y puede utilizarse sin temores y con éxito para agujas quirúrgicas, hojas de cuchillos y muelles.Para cuchillos monobloque, cuchillos de fornitura, machetes y otras piezas de espesores superiores, éste sistema es demasiado lento, por lo cual debemos utilizar un sistema que permita trabajar a una velocidad de enfriamiento superior, con el fin de obtener durezas elevadas y evitar las deformaciones. Una instalación de éste tipo se describirá mas adelante.
Como se ha indicado anteriormente, las piezas tratadas bajo amoniaco disociado, Hidrógeno o Formigas adquieren una superficie absolutamente blanca y en consecuencia no es necesario prever ninguna limpieza, pudiendo revenirse inmediatamente después del temple.
Como en el caso de todos los aceros, la temperatura de revenido de los aceros inoxidables se ajusta a la dureza final deseada. La dureza disminuye con temperaturas y tiempos ascendentes.
Los aceros inoxidables, debido a sus elevados contenidos de aleados resultan más estables para el revenido que los aceros al carbono, aceros de construcción o de herramientas poco aleados, esto quiere decir, que para alcanzar una dureza determinada hay que elegir una temperatura de revenido algo más alta que para los aceros no aleados.
Para muchos tipos de piezas, como por ejemplo cuchillos y piezas de rodamientos, es suficiente una temperatura de revenido entre 160 y 220 ºC., con un tiempo de 1 hora aproximadamente. Con ésta temperatura y tiempo de revenido no se produce una coloración en la superficie. Con temperaturas más elevadas se producen los colores del revenido, que no son siempre deseables, en éstos casos se recomienda efectuar el revenido bajo atmósfera protectora a base de Nitrógeno, para evitar el Oxígeno y con ello la coloración de la superficie.
En los casos que no se pretenda una dureza elevada pero sí un aumento de la resistencia y elevada tenacidad debe efectuarse el revenido con temperaturas generalmente superiores a los 450 ºC. Con temperatura y tiempo de revenido inadecuados puede producirse una mayor debilidad contra la corrosión.
Una vez terminado el revenido se dejan enfriar las piezas en atmósfera calma obteniéndose unas superficies totalmente blancas, pudiendo utilizarse o montarse inmediatamente, en caso de no requerir operaciones posteriores, como por ejemplo pulidos o piezas de máxima precisión.

Instalaciones.

El tipo de instalación más adecuada para el tratamiento térmico de los aceros inoxidables, depende de las piezas a tratar, la producción horaria y las secciones de las mismas.
Para piezas de pequeñas dimensiones en series cortas que no presenten problemas de deformación, puede utilizarse un horno basculante, el cual se compone de una mufla de acero refractario calentada exteriormente, en la que se introducirá el gas de protección por la parte posterior y cerca de la puerta. Las piezas se cargan en un pequeño recipiente, dentro de la mufla, la cual estará enjuagada constantemente por el gas de protección.
El temple se efectuará en aceite, después de haber alcanzado la temperatura y el tiempo de mantenimiento. Esto se efectúa simplemente por basculación del horno desde la posición horizontal a posición vertical, abriéndose automáticamente la puerta de la mufla. En posición basculada, el gas de protección quema en la abertura de carga, formando una cortina protectora, a través de la cual caen las piezas al baño de aceite, sin entrar en contacto con el aire. Con ayuda de un cesto de tela metálica de evacuan las piezas del baño una vez enfriadas. Según la clase de aceite se obtienen piezas limpias sin oxidación con un color acerado o ligeramente amarillentas, totalmente exentas de descarburación y con plena dureza.
Para piezas pequeñas que requieran un enfriamiento menos brusco, con el fin de evitar deformaciones, se construyen otros tipos de hornos especiales adaptados a las necesidades específicas de cada caso.
Para producciones mayores y grandes series es recomendable por su rentabilidad la instalación continua que ha demostrado su eficacia a lo largo de los años en el temple de cuchillos y otras piezas de acero inoxidable, la cual se adapta a la producción deseada por medio de las zonas de calentamiento y de enfriamiento adecuadas.
La instalación convencional posee una zona de carga ampliamente dimensionada, sobre la cual se depositarán las piezas a tratar sobre la cinta transportadora, bien manual o automáticamente, a continuación se encuentran las zonas de calefacción y enfriamiento necesarias para obtener la producción deseada, seguidas de una zona de descarga.
En el caso de necesitar un enfriamiento más rápido, se puede instalar un dispositivo de enfriamiento acelerado, en el cual se enfrían las piezas por medio de una fuerte corriente de gas de protección que provoca un enfriamiento intenso y uniforme. Este dispositivo está dimensionado de tal forma que se interrumpe el enfriamiento rápido cuando las piezas han alcanzado una temperatura de aprox. 450 ºC. Este enfriamiento sirve para evitar la separación prematura e inconveniente de los carburos, el resto del proceso de enfriamiento se realiza en atmósfera calma, no recirculante.
Debido a que el enfriamiento rápido se interrumpe aprox. 200 ºC. por encima de la temperatura de transformación, el enfriamiento posterior se realiza sin tensiones, obteniendo deformaciones mínimas, muy uniformes y admisibles.
En el "Gráfico 3" se muestran las curvas de temple para cuchillos con diferentes tipos de enfriamiento.
La curva superior se refiere a instalaciones con enfriamiento convencional, la del medio a una instalación con dispositivo de enfriamiento rápido. Ambas curvas están tomadas en el centro de las piezas y la curva inferior muestra la temperatura en la superficie de las mismas con el dispositivo de enfriamiento rápido.
En la práctica se ha demostrado que los valores de dureza, en relación con el contenido de carbono, son superiores debido a la velocidad del enfriamiento

A destacar...

En la técnica e instalaciones adecuadas para el temple de piezas diversas de acero inoxidable, se deben destacar los siguientes puntos:
  1. El temple no solamente se efectúa para alcanzar las durezas necesarias ya que otro factor primordial es la resistencia a la corrosión, ambos factores determinan la calidad de la pieza acabada.
  2. Después del temple hay que efectuar el revenido adecuado para alcanzar los máximos valores de dureza y resistencia a la corrosión, para obtener el máximo provecho de las cualidades del acero.
  3. Con las instalaciones adecuadas se pueden tratar piezas acabadas y pulidas, facilitando de éste modo las operaciones previas que se efectúen en el acero aun no templado, con el consiguiente ahorro en tiempo y materiales auxiliares.
  4. Las instalaciones modernas permiten obtener un producto de alta calidad, factor decisivo tanto en el mercado nacional como para la exportación.
  5. En las instalaciones descritas se consigue un gran ahorro de energía, debido a su aislamiento a base de fibras cerámicas y refractarios ligeros, evitando el calentamiento de grandes masas y reduciendo las perdidas de calor, obteniendo una temperatura exterior del horno muy baja a la vez que se consiguen tiempos reducidos de puesta a punto, factores muy importantes para obtener un coste competitivo.

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