TRATAMIENTOS TÉRMICOS SEGÚN EL TIPO DE ACERO
Para Aceros al bajo Carbono
También llamados “Aceros dulces” debido a su bajo contenido de Carbono y gran ductilidad. Se utilizan en piezas que no tengan que ser necesariamente tenaces/fuertes como por ejemplo cuerdas para pianos, clavos pequeños para bricolaje sencillo, clips de papelería, monedas (ejemplo: 1, 2 y 5 céntimos de Euro), etc.
Su contenido en Carbono es muy bajo y oscila entre el 0.02 y el 0.15%, en masa. Debido a su pobre contenido de Carbono no pueden ser tratados térmicamente y se usan en aplicaciones que no demanden ni dureza ni tenacidad, sino todo lo contrario: son muy blandos. Literalmente hablando, son los “Aceros” que más cerca están del Hierro puro. Ejemplos de estos Aceros son el AISI 1010 y el AISI 1015.
Nota: “Dulce” no es un adjetivo con uso literal, en éste contexto, quiere decir que es blando, suave, no que tenga sabor amielado.
Para Aceros al bajo-medio Carbono
A partir del 0.15% el Acero puede tratarse térmicamente pero sólo en su capa más externa. Este tratamiento térmico es muy curioso, en inglés recibe el nombre de Case Hardening o lo que es lo mismo, endurecimiento de la “cáscara” o “concha” si entendemos la pieza como un organismo. Otra forma de decirlo es que es la “corteza” del material. Mediante el adecuado tratamiento térmico, el Carbono se concentra en la superficie, abandonando el núcleo y formando una doble-fase micro-estructural que de hecho, es muy útil. Es particularmente famosa por las katanas: los maestros japoneses empleaban dos tipos de Acero en la misma arma usando varias capas distintas que batían una encima de la otra a modo de “sándwich”. Aunque no es exactamente lo mismo, la idea es igual: retener un núcleo más blando, flexible y maleable al tiempo que se le acompaña de una “corteza” dura y rígida. Las katanas eran muy superiores a las espadas europeas debido a su mezcla de dureza externa y flexibilidad interna.
Para Aceros al medio Carbono
Mi tipo favorito de Acero por una sencilla razón: es el más fuerte (tenaz). Dado que la tenacidad (o fuerza) de un material se encuentra en un punto intermedio entre la rigidez/dureza y la maleabilidad/suavidad, los Aceros con un contenido de Carbono entre un 0.45% y un 0.5% en masa son los más adecuados para la fabricación de martillos, cinceles, bolas de demolición, etc... básicamente todo lo que esté pensado para golpear. Son muy útiles porque resisten mejor que ningún otro tipo de Acero los impactos físicos por lo que se usan en aplicaciones que requieran una tenacidad especial. Ejemplos de estos Aceros son el AISI 1045 y el AISI 1050, y en casos más específicos, el AISI S2. Su contenido en Carbono es lo suficientemente alto como para ser tratados térmicamente, en este caso se busca un endurecimiento de la aleación final.
Para Aceros al medio-alto Carbono
Comenzamos con las familias de Aceros en las que el tratamiento térmico es más importante ya que se consiguen durezas y módulos de elasticidad (rigidez) muy superiores a los que cabría de esperar en una aleación con un contenido en Carbono superior al 0.5% en masa. A partir de este porcentaje, el Acero comienza a perder ductilidad y a ganar en rigidez y dureza. La maleabilidad también se ve afectada, aunque puede ser deformado en caliente. Se utilizan -normalmente- en aplicaciones que requieran de una gran estabilidad dimensional, resistencia al estrés mecánico, durabilidad, etc. Un ejemplo famoso son las vías de trenes. Son muy rígidas por lo que no son deformables ante el peso que sostienen... piénselo bien, ¿se ha puesto a pensar siquiera una vez en su vida cómo es posible que una línea de Acero tan delgada pueda sostener sobre ella semejantes moles de carga? Hablamos de casi cien (o más) toneladas en un tren de carga típico. Al mismo tiempo, las vías deben ser lo suficientemente duras (resistencia a la abrasión) para tener una vida útil lo más larga posible. Si, por ejemplo, usásemos un Acero dulce como el AISI 1010 del que ya le he hablado anteriormente, las vías se deformarían ya que serían demasiado flexibles/endebles y tarde o temprano irían cediendo milímetro a milímetro, deformándose hasta tal punto de suponer un grave riesgo de cara a la seguridad ferroviaria. Es por esto que el conocimiento de los tipos de Acero es tan importante.
Para Aceros al alto Carbono
Aquí ya vamos directamente a la crème de la crème, como me gusta decir a mí. Son los Aceros más duros y rígidos de todos. Su resistencia a la deformación es excelente, y su capacidad de carga (resistencia a la compresión), inigualable. El contenido en Carbono es lo suficientemente alto (>0.85% en masa) como para generar la fase Martensita, que se usa en aplicaciones que demanden una gran dureza, siendo la cuchillería su aplicación más famosa, con diferencia. Son Aceros poco flexibles y dúctiles, fuertes pero poco maleables, esto se traduce en una respuesta de tipo “frágil” en el momento de la rotura. Se tratan térmicamente de múltiples maneras, de acuerdo a las posibilidades del fabricante o a las propiedades que se busquen generar, por lo que también son los grados de Acero más difíciles de estudiar y/o comprender. Para ponerle un ejemplo breve, existen al menos cinco tipos de tratamiento térmico (no necesariamente de templado) que se pueden aplicar a éstos Aceros. Normalmente, si la cantidad oscila entre un 0.8 y un 0.9% en masa, el Acero es tratado térmicamente para aumentar su rigidez en el caso de los Aceros con leves dosis de elementos como el Níquel, que aumentan la tenacidad. En un Acero al Carbono típico sin presencias notables de Manganeso y en ausencia de Níquel, el tratamiento térmico puede de hecho intentar conseguir “ablandar” un poco la aleación, típicamente rígida, para poder ser maquinada con mayor facilidad. Dado que son los Aceros más difíciles de trabajar, el proceso de endurecimiento sólo se lleva a cabo al final (cuando la pieza ya está fabricada), mientras que si por lo contrario, buscamos mejorar su flexibilidad sin perder dureza, entonces el tratamiento, aún siendo en caliente, lo que hace es ablandar la estructura general de la pieza. Estos procedimientos son necesarios en Aceros con un contenido de Carbono especialmente alto, del rango 0.9% o superior. A partir del 1% de Carbono en masa, el Acero es extremadamente duro (más aún si ha sido templado) pero también demasiado rígido, por lo que se somete a varios tratamientos que busquen el equilibrio perfecto entre flexibilidad y dureza.
Aceros con alto contenido de Carbono (Ultraduros)
En principio, los Aceros se pueden clasificar en 3 grupos: dulces (o bajos), medios y altos. Dado que la palabra “altísimo” no me gusta ya que pudiera llevar a confusiones, me referiré a ellos como “ultraduros”. En realidad, forman parte de los Aceros al Alto Carbono, como lo son todos aquellos donde el Carbono supera el 0,85% en masa, pero dado que la mayoría tienen usos especiales, como la fabricación de cuchillos, espadas y armas modernas (más allá de que no tengan usos útiles en la actualidad) me es menester y gusto al mismo tiempo hablar un poco acerca de ellas.
El grado AISI 1095 es con diferencia el más famoso de ésta clase, y presenta una composición típica, semejante a la de los Aceros al Carbono con pequeñas cantidades de Magnaneso y Silicio (aproximadamente 0,45 y 0,35% respectivamente con trazas de Azufre y Fósforo), la cantidad de Carbono pasa de un 0,85% a una cantidad que oscila entre el 0,95 y el 1,1% de Carbono. Estos Aceros son muy duros, y trabajarlos al martillo una tarea reservada para los herreros más fuertes. Se mantienen rígidos incluso al rojo, y aunque en piezas gruesas no suele haber peligro, cuando se quiere formar una hoja muy fina el elevado contenido de Carbono, sumado a un error en el cálculo de cuándo comenzar a martillar pueden resultar, si se aplica la fuerza suficiente, en la fractura de la pieza durante el martilleado o luego del enfriamiento. No obstante, si la pieza se produce de manera correcta, el Acero de contenido muy alto en Carbono presenta una dureza incomparable entre los de la familia de Aceros simples “al Carbono” en ausencia de terceros metales, salvo el Manganeso que siempre está presente.
No es de extrañar, por tanto, la presencia de elementos como el Cromo y el Vanadio (principalmente el primero) en contenidos cercanos y rara vez superiores al 1% para el Cromo y 0,40% para el Vanadio en Aceros ultra-duros para la fabricación de piezas de corte duraderas. Son los Aceros más populares para rodamientos y cuchillería por su elevada resistencia al desgaste.
Otros tratamientos
Envejecimiento del Acero (Age Hardening)
Como su nombre sugiere, consiste en someter a la aleación a una temperatura moderadamente alta durante mucho tiempo. Esto permite la reagrupación de los átomos de Carbono de tal manera que se consigue un producto de mayor tenacidad. Se lleva a cabo en Aceros al alto Carbono.
Enfriado en agua (Martensita)
Para la promoción de Martensita en un Acero al alto Carbono (>0,7%) se enfría bruscamente la pieza al rojo candente sumergiéndola en agua. Esto hace que los átomos no tengan tiempo suficiente a reaccionar y formar Ferrita, por lo que forman la fase Martensita, que es la más dura del Acero.
Enfriado en aceite (Martensita)
Similar a la anterior pero de mayor calidad. Se sumerge la pieza en aceite mineral no-combustible de tal forma que los átomos de Hierro queden dislocados en forma de Martensita.
Bajo el microscopio. Micro-estructuras del Acero templado y explicación
Los Aceros son aleaciones complejas porque a diferencia de como sucede con las aleaciones fáciles de fabricar como las de Estaño, Cobre, etc, presentan varias micro-estructuras en la misma matriz metálica, lo cual significa que dentro de una pieza individual de Acero, pongamos por ejemplo un tabique o un martillo de demolición, hay más de una “estructura”. Las llamadas “estructuras” (en este caso micro-estructuras) son tan sólo combinaciones de las fases ya mencionadas del Acero, a saber: Austenita, Cementita, Grafito, Ferrita y Martensita. Su no-presencia o promoción dentro de la matriz depende, como ya he dicho, de las propiedades que busque el fabricante. Expondré a continuación los dos casos más famosos de microestructuras que nos encontramos en un Acero templado típico:
Esferoidita
Recibe su nombre debido a la forma que adoptan sus gránulos. Son “esferas” microscópias compustas de Cementita (Carburo de Hierro - Fe3C) sin disolver. Se genera al calentar el Acero a 700 Cº durante aproximadamente 30 horas. El proceso es automático y no requiere de un enfriamiento especial, simplemente se deja reposar hasta que se enfríe de forma natural. Lo que ocurre durante las 30 horas de exposición a semejante temperatura es que dentro de la matriz metálica comienzan a formarse “esferas” (de ahí el nombre) de Carburo de Hierro – Cementita. Es posible conseguirlas a menor temperatura, pero el tiempo de exposición al calor es mayor. Es decir que, por ejemplo, si calentamos la aleación a 500 Cº deberemos esperar 40 o 50 horas en lugar de 30. No existe una relación homogénea entre la temperatura y el tiempo de templado.
Perlita
Modelo “sándwich” multicapa sucesiva de Ferrita (Hierro puro) y Cementita (Carburo de Hierro) que se genera en algunos Aceros ya sea de forma deliberada o como sub-producto de otro tratamiento térmico. Recibe su nombre debido a su apariencia “laminar” (plancha sobre plancha) bajo un microscopio. Es fácil de distinguir incluso a simple vista en algunos Aceros legendarios como el de Damasco.
Papel del Carbono en los Aceros
Siempre que releo este capítulo pienso que debería haber colocado este epígrafe más arriba, pero lo he reservado al final de los distintos tratamientos térmicos ya que pretendía hacerle entrar en contacto con las distintas denominaciones (nombres) que reciben tanto los distintos tratamientos principales como sus respectivas estructuras.
Empezaré diciendo que el Carbono es un elemento que altera profundamente las características del Hierro (metal) dependiendo no solamente de la cantidad sino también de su distribución dentro de la matriz. Cuando digo -distribución- me refiero a que a veces el Acero puede haber disuelto el Carbono de forma homogénea, esto significa que ha habido una mezcla Hierro – Carbono uniforme a lo largo de la pieza, ya sea una barra, el eje de un coche, una tuerca, etc.
El Carbono actúa de una forma muy básica de entender: aumenta la rigidez y la dureza del Hierro, inicialmente maleable y dúctil, haciéndolo más robusto conforme aumenta su contenido en masa. No obstante, si el contenido es demasiado alto, la rigidez pasará a ser fragilidad, y entonces el Acero tendrá poca utilidad: será duro pero al mismo tiempo, frágil. Es por esto que la cantidad de Carbono debe ser controlada para obtener el -equilibrio- ideal entre dureza y tenacidad. Dado que las propiedades de los distintos tipos de Acero se ven afectadas dependiendo del tipo de aplicaciones que se busquen satisfacer, el contenido de Carbono oscila normalmente entre un 0.1% hasta un 1.10% en los Aceros al Carbono sin terceros elementos como el Cromo, el Molibdeno o el Vanadio, que afectan directamente a las propiedades mecánicas de la aleación. Es por esto que cuando hablamos de “Aceros” normalmente nos referimos a Aceros al Carbono. La familia se rige por la clasificación AISI no solamente en las Américas sino también en Europa y parte de Asia. Es bastante sencilla de entender: El código AISI indica la cantidad de Carbono disuelta en el Acero. Si es un Acero de grado AISI 1010 esto significa que el contenido en Carbono es 0.1% o lo que es lo mismo 1/1000. Si es AISI 1085 el contenido será de 0.85% y así sucesivamente. A partir del 1% la familia cambia entre otras cosas, porque el Acero al Carbono “plano” (sin otros elementos terciarios) es demasiado frágil, incluso después del tratamiento térmico, como para ser utilizado.
El Carbono rebaja el punto de fusión del Acero (a más Carbono, menor punto de fusión) y dismunye su ya pobrísima resistencia a la corrosión.