Ablandamiento del acero: métodos, temperatura, microestructura y aplicación.

Ablandamiento del acero Engloba procesos de tratamiento térmico que reducen la dureza de un material, aumentan su plasticidad o logran una microestructura más favorable para su posterior procesamiento. El ablandamiento se utiliza principalmente antes del mecanizado, el conformado plástico y los procesos de tratamiento térmico subsiguientes, como el endurecimiento.
Este proceso es particularmente importante para aceros de alto contenido de carbono, aleados y para herramientas, cuya elevada dureza o contenido desfavorable de carburos puede dificultar el torneado, el fresado, el taladrado u otras operaciones de mecanizado. El ablandamiento también puede utilizarse en materiales endurecidos por trabajo en frío, cuando es necesario eliminar los efectos de dicho trabajo y restaurar la capacidad del material para soportar una mayor deformación.
No existe un método único y universal para ablandar el acero. Dependiendo del tipo de material, el contenido de carbono, los elementos de aleación, la estructura inicial y el efecto deseado, se utilizan diversos métodos, entre los que se incluyen el recocido completo, el recocido isotérmico, el recocido de esferoidización y el recocido de recristalización.

¿Qué es el ablandamiento del acero?

El ablandamiento aprovecha la relación entre las propiedades mecánicas del acero y su microestructura. Un calentamiento, recocido y enfriamiento adecuados permiten modificar el tamaño y la forma de los componentes estructurales, la distribución de los carburos, el grado de endurecimiento del material y el nivel de tensiones residuales.
Dependiendo del proceso utilizado, pueden ocurrir los siguientes fenómenos: transformación de austenita en ferrita y perlita, esferoidización de cementita u otros carburos, recristalización del material endurecido por deformación y reducción de la densidad de dislocaciones.
El efecto típico consiste en una reducción de la dureza del material y de su resistencia al procesamiento posterior, así como en un aumento de su ductilidad. Sin embargo, el mecanismo exacto depende del método empleado, por lo que el término «ablandamiento» no debe asociarse a un único ciclo térmico específico.

¿Por qué se ablanda el acero?

El material obtenido tras el laminado, forjado, trefilado, endurecimiento u otros procesos tecnológicos no siempre posee las propiedades necesarias para la siguiente operación de producción. Una dureza excesiva aumenta el desgaste de las herramientas y las fuerzas de corte, mientras que un endurecimiento por deformación excesivo puede limitar la capacidad de estampar, doblar o trefilar posteriormente.
Los objetivos principales del ablandamiento del acero son:

• reduciendo la dureza del material,
• Mejora de la maquinabilidad en los grados de acero adecuados,
• aumentando la plasticidad y la capacidad de ser moldeado aún más,
• eliminar o limitar los efectos del endurecimiento por deformación,
• obtener una forma favorable de cementita o carburos,
• preparación del acero para el endurecimiento y posterior tratamiento térmico,
• homogeneización de la microestructura antes de las etapas de producción posteriores.

Métodos para ablandar el acero

La elección del método de ablandamiento depende principalmente del tipo de acero y del efecto tecnológico deseado. El acero con alto contenido de carbono destinado al endurecimiento requiere un proceso diferente al de la chapa metálica con bajo contenido de carbono altamente endurecida durante el laminado en frío.

1. Recocido completo

Recocido completo Consiste en calentar el acero a una temperatura que garantice una austenización adecuada, calentar el material y luego enfriarlo muy lentamente, generalmente junto con el horno.
Para aceros hipoeutectoides, la temperatura del proceso se selecciona por encima de la temperatura crítica Ac3. La temperatura exacta, el tiempo de mantenimiento y la velocidad de enfriamiento dependen del grado del acero y de las dimensiones del componente.
El enfriamiento lento permite obtener una estructura de ferrita-perlita relativamente blanda. En comparación con normalización del acero El enfriamiento es mucho más lento, por lo que la estructura y las propiedades mecánicas resultantes son diferentes.
Uso típico: Aceros estructurales y otros grados que requieren reducción de la dureza, mejora de la plasticidad o preparación para su posterior procesamiento.

2. Recocido isotérmico

Recocido isotérmico Utiliza una transformación controlada de la austenita a temperatura constante. Tras la austenización, el acero se enfría hasta la temperatura de transformación adecuada y se mantiene a esa temperatura hasta alcanzar la microestructura requerida.
A diferencia del recocido clásico con enfriamiento continuo y muy lento, la transformación se lleva a cabo en condiciones isotérmicas controladas. Esto permite obtener una estructura más uniforme y, en ciertos aceros, un tiempo de procesamiento más corto.
Este método se utiliza, entre otros, en algunos aceros aleados y para herramientas donde el enfriamiento lento durante el recocido tradicional resultaría muy laborioso.
Efecto: obtener una microestructura y unas propiedades controladas que permitan su posterior procesamiento mecánico o térmico.

3. Recocido de bolas – esferoidización

Recocido de bolas, también llamado esferoidizaciónEs particularmente importante para los aceros de alto contenido de carbono, para cojinetes y para herramientas. Su propósito es modificar la morfología de la cementita y otros carburos para producir partículas más redondeadas y esferoidales dispuestas en una matriz ferrítica, en lugar de una disposición laminar o reticular.
La esferoidización puede realizarse mediante diversos ciclos térmicos, incluyendo un calentamiento prolongado cerca de la temperatura Ac1 o ciclos que abarquen un rango de temperatura específico. Los parámetros dependen de la composición química y la estructura inicial de la especie en cuestión.
Modificar la forma y la distribución de los carburos puede reducir significativamente la dureza del acero con alto contenido de carbono y mejorar su maquinabilidad. Una estructura adecuadamente preparada también proporciona una condición inicial favorable antes del posterior endurecimiento.
Uso típico: Aceros para herramientas, aceros para cojinetes y otros aceros con alto contenido de carbono destinados a un posterior procesamiento mecánico y endurecimiento.

4. Recocido de recristalización

Recocido de recristalización Se utiliza principalmente para materiales endurecidos durante el conformado en frío, por ejemplo, mediante laminación, trefilado o estampado.
Durante la deformación en frío, la densidad de dislocaciones aumenta, el material se endurece y su dureza y resistencia se incrementan, mientras que la ductilidad disminuye. Una vez alcanzado un alto grado de trabajo en frío, el posterior conformado puede resultar difícil.
El recocido de recristalización crea nuevos granos, libres de los efectos del endurecimiento por deformación previo. Esto conlleva una reducción de la dureza y la resistencia debidas al endurecimiento por deformación, y la recuperación de la ductilidad.
Uso típico: Láminas, tiras, alambres y otros productos semielaborados sometidos a un trabajo en frío intensivo.

Comparación de métodos de ablandamiento del acero

Método Mecanismo básico Efecto principal Aplicación típica Recocido completo Austenitización y transformación lenta durante el enfriamiento Reducción de la dureza y estructura más blanda Aceros estructurales y productos semiacabados antes de su posterior procesamiento Recocido isotérmico Transformación de austenita a una temperatura controlada y constante Microestructura uniforme y propiedades controladas Aceros de aleación y para herramientas seleccionados Recocido de bolas/esferoidización Cambio en la morfología de cementita y carburo Reducción de la dureza y maquinabilidad mejorada Aceros de alto carbono, para cojinetes y para herramientas Recocido de recristalización Formación de nuevos granos después del endurecimiento por trabajo previo Eliminación de los efectos de endurecimiento y restauración de la ductilidad Chapas, tiras y alambres trabajados en frío

Comparación de métodos de ablandamiento del acero

¿Cómo cambia la microestructura durante el ablandamiento?

Los cambios microestructurales dependen del tipo de recocido. Por lo tanto, es imposible identificar una única estructura característica para todos los procesos de ablandamiento.
Dependiendo de la tecnología utilizada, puede ocurrir lo siguiente:

• formación de una estructura ferrítica-perlítica durante el enfriamiento lento después de la austenización,
• transformación controlada de la austenita durante el recocido isotérmico,
• esferoidización de cementita y otros carburos en aceros de alto carbono y aleados,
• recuperación y recristalización de la estructura después de un trabajo plástico en frío previo,
• reduciendo la densidad de dislocaciones y los efectos del endurecimiento por deformación.

Recocido de esferoidización: ¿por qué es importante para los aceros para herramientas?

En los aceros para herramientas y otros aceros con alto contenido de carbono, la dureza por sí sola no es el único parámetro que determina la idoneidad para el mecanizado. La forma, el tamaño y la distribución de los carburos también son cruciales.
Una estructura con carburos casi esféricos distribuidos adecuadamente facilita el mecanizado y proporciona una condición inicial idónea para la posterior austenización y endurecimiento. Por lo tanto, los aceros para herramientas suelen suministrarse en estado recocido blando.
La dureza real tras el recocido debe determinarse para cada grado de acero específico. No se debe adoptar un único rango de HB o HV para todos los aceros para herramientas.

Ablandamiento del acero y maquinabilidad

Una de las razones más importantes para aplicar un tratamiento de ablandamiento es preparar el material para operaciones de torneado, fresado, taladrado, brochado u otras operaciones de mecanizado. Reducir la dureza excesiva puede disminuir la tensión en el filo de corte y el desgaste de la herramienta.
Sin embargo, la relación entre dureza y maquinabilidad no es lineal. El material con menor dureza no siempre es el más fácil de mecanizar. Los aceros muy blandos y dúctiles pueden presentar problemas de formación de virutas, acumulación de material en el filo y un acabado superficial deficiente.
Por lo tanto, se selecciona el proceso adecuado no solo para lograr la menor dureza posible, sino sobre todo para obtener una microestructura apropiada para el material específico y la tecnología de producción posterior.

Ablandamiento y contenido de carbono en el acero

El contenido de carbono influye significativamente en la elección del método de ablandamiento. En aceros con bajo contenido de carbono, eliminar los efectos del endurecimiento por trabajo en frío puede ser especialmente importante. En aceros con contenido medio de carbono, la elección del proceso depende, entre otros factores, del tratamiento mecánico y térmico posterior.
En los aceros con alto contenido de carbono, la morfología de la cementita y otros carburos está adquiriendo cada vez mayor importancia. Por lo tanto, los procesos que conducen a la esferoidización de los carburos se utilizan con frecuencia en aceros para herramientas, cojinetes y resortes.

Ablandamiento de los aceros al carbono

En el caso de los aceros al carbono, la elección del tratamiento depende del contenido de carbono y del estado final deseado. Por ejemplo, el acero C45 puede requerir un tratamiento diferente al de los aceros para muelles o herramientas con alto contenido de carbono.
En aceros con mayor contenido de carbono, se puede utilizar un recocido de esferoidización antes del mecanizado y el posterior endurecimiento. La obtención de la forma de cementita adecuada facilita el procesamiento posterior y prepara la estructura para el siguiente ciclo térmico.

Ablandamiento de los aceros aleados

Los elementos de aleación pueden influir significativamente en las temperaturas de transformación, la templabilidad, el tipo de carburos formados y la velocidad de los procesos de difusión. Por lo tanto, los parámetros adecuados para el acero al carbono simple no deben aplicarse automáticamente a los aceros al cromo, al cromo-molibdeno, al níquel o a los aceros de alta aleación.
En los aceros aleados, controlar la temperatura, el tiempo y la velocidad de enfriamiento es particularmente importante. En el caso de los aceros para herramientas, los parámetros de recocido blando suelen determinarse individualmente para cada grado.

Ablandamiento de los aceros inoxidables

En lo que respecta a los aceros inoxidables, el término "ablandamiento" requiere mayor precaución. Los aceros austeníticos, ferríticos, martensíticos y dúplex tienen microestructuras diferentes y requieren tratamientos térmicos distintos.
Por ejemplo, los aceros inoxidables austeníticos pueden endurecerse significativamente durante el trabajo en frío. Para recuperar su ductilidad, se requiere un tratamiento térmico cuidadosamente seleccionado y adecuado para cada grado específico. Por lo tanto, no se debe utilizar un único rango de temperatura universal para el ablandamiento del acero inoxidable.

El efecto del tiempo y la temperatura en el ablandamiento del acero

La temperatura y el tiempo están estrechamente relacionados. Una temperatura demasiado baja puede no producir los cambios microestructurales necesarios, mientras que una temperatura demasiado alta o un calentamiento excesivamente prolongado pueden causar un crecimiento indeseado del grano u otros cambios estructurales.
Los parámetros del proceso deben incluir:

• grado y composición química del acero,
• temperaturas críticas del material,
• estructura de salida,
• grado de fortalecimiento previo,
• dimensiones y geometría del elemento,
• tipo de horno y método de calentamiento,
• microestructura final esperada,
• tipo de tratamiento mecánico o térmico adicional.

Efecto de la velocidad de enfriamiento

La velocidad de enfriamiento es uno de los parámetros que determina la estructura final del acero. El recocido completo clásico utiliza un enfriamiento lento para permitir las transformaciones que dan lugar a una estructura más blanda.
En el recocido isotérmico, el material austenitizado se lleva a una temperatura específica en la que se produce una transformación controlada. En cambio, en el recocido de recristalización, el método de enfriamiento tiene una importancia diferente, ya que el objetivo principal del proceso es eliminar los efectos del endurecimiento por deformación previo, no transformar la austenita.
Por este motivo, no se debe utilizar un único valor de velocidad de enfriamiento como adecuado para todos los procesos de ablandamiento.

Atmósfera durante el recocido suave

Durante el recocido, no solo la temperatura y el tiempo son importantes, sino también la atmósfera del horno. Las altas temperaturas pueden provocar oxidación superficial, formación de cascarilla y, bajo ciertas condiciones, cambios en la composición química de la capa superficial.
Según los requisitos tecnológicos, se utilizan hornos que operan en atmósfera de aire, atmósferas protectoras o vacío. Las atmósferas protectoras o el vacío pueden ser especialmente importantes para componentes de precisión y aceros aleados, donde se requiere una reducción de la oxidación y una alta calidad superficial.

Aplicación del ablandamiento del acero en la industria

Producción de herramientas

Los aceros para herramientas suelen someterse a un tratamiento mecánico antes del endurecimiento final. El recocido blando, en particular la esferoidización, produce una estructura que facilita el fresado, el torneado, el taladrado y otras operaciones realizadas antes del tratamiento térmico final.

Producción de rodamientos

En los aceros para rodamientos con alto contenido de carbono, es importante lograr la forma y distribución adecuadas de los carburos antes del endurecimiento. Por lo tanto, el recocido de esferoidización es un paso crucial en la preparación del material.

Producción de láminas, tiras y alambres

Los materiales sometidos a laminación en frío o trefilado se endurecen gradualmente. El recocido de recristalización restaura la ductilidad adecuada y permite que continúe el proceso de conformado.

Industria de maquinaria

El ablandamiento puede utilizarse en la preparación de productos semiacabados para ejes, engranajes, componentes de transmisión, moldes y otras piezas que requieren un mecanizado intensivo antes del tratamiento térmico final.

Recocido para suavizar y aliviar tensiones

El ablandamiento no debe equipararse con recocido para aliviar tensionesEl objetivo principal del alivio de tensiones es reducir las tensiones residuales minimizando al mismo tiempo el cambio en la microestructura básica del material.
Durante el proceso de ablandamiento, el objetivo principal es modificar la dureza, la plasticidad o la microestructura de manera que se faciliten las operaciones tecnológicas posteriores.

Suavizado y normalización

Acero normalizado Este proceso implica la austenización y el posterior enfriamiento al aire. En muchos aceros al carbono, esto da como resultado una estructura más fina y una mayor dureza y resistencia que el recocido lento.
Si el objetivo principal es lograr que el acero para herramientas con alto contenido de carbono sea lo más fácil de mecanizar posible, el recocido de esferoidización puede ser el proceso más adecuado. Sin embargo, si se requiere refinamiento del grano y homogeneidad estructural después del forjado o laminado, la normalización puede ser el proceso apropiado.

Ablandamiento y endurecimiento

Suavizado y endurecimiento del acero Persiguen objetivos fundamentalmente diferentes. El endurecimiento produce una estructura de alta dureza, mientras que el ablandamiento se utiliza para reducir la dureza u obtener una estructura favorable para su posterior procesamiento.
Sin embargo, estos procesos a menudo ocurren en una única secuencia tecnológica. El acero para herramientas puede primero ser recocido blando, luego procesado mecánicamente y solo entonces endurecido y perdonado.

Los beneficios más importantes del ablandamiento del acero

• reduciendo la dureza excesiva,
• mejorar la maquinabilidad en grados apropiados,
• aumentando la plasticidad del material,
• restauración de la plasticidad después del trabajo en frío,
• obtener la morfología de carburo adecuada,
• preparación de aceros para herramientas y aceros con alto contenido de carbono para endurecimiento,
• la posibilidad de llevar a cabo etapas posteriores de conformado y procesamiento mecánico.

Limitaciones del proceso

• Los parámetros deben seleccionarse para un grado de acero específico,
• Una temperatura demasiado alta puede provocar un crecimiento desfavorable del grano.
• Un enfriamiento incorrecto puede dar como resultado una microestructura incorrecta,
• Los procesos de esferoidización pueden requerir largos tiempos de calentamiento,
• No todos los métodos de ablandamiento son adecuados para todos los tipos de acero,
• En el caso de los aceros de alta aleación, deben tenerse en cuenta el tipo y la estabilidad de los carburos presentes, así como las transformaciones específicas de cada grado.

El ablandamiento del acero no es un proceso único con parámetros universales, sino más bien un conjunto de tratamientos térmicos seleccionados en función de la composición química, la microestructura inicial y el uso previsto del material. El recocido completo, el recocido isotérmico, el recocido esferoidizante y el recocido recristalizante emplean diferentes mecanismos, pero su objetivo común es lograr un estado del material más favorable para las operaciones tecnológicas posteriores.

Para aceros de alto contenido de carbono y aceros para herramientas, el recocido esferoidizante es particularmente importante, ya que permite un cambio en la morfología de los carburos y prepara el material para el mecanizado y el posterior endurecimiento. En materiales reforzados por trabajo en frío, la recristalización es crucial, ya que elimina los efectos del endurecimiento por deformación y restaura la ductilidad.
La temperatura, el tiempo de remojo y el método de enfriamiento deben especificarse siempre para cada grado de acero. Esto permite lograr la microestructura requerida sin un crecimiento de grano descontrolado, transformaciones indeseables ni deterioro de las propiedades del material.

Métodos de tratamiento térmico y termoquímico del acero

El ablandamiento es solo uno de los procesos utilizados para modificar la microestructura y las propiedades del acero. Según el efecto deseado, también se emplean procesos como la normalización, el alivio de tensiones, el endurecimiento, el revenido y procesos termoquímicos como la carburación y la nitruración.

Métodos de tratamiento térmico del acero

• Acero normalizado – refinamiento del grano y unificación de la microestructura.
• Wyżarzanie odprężające – reducción de tensiones residuales.
• Ablandamiento del acero – reduciendo la dureza y mejorando la susceptibilidad a un procesamiento posterior.
• Recocido completo – austenización y enfriamiento lento.
• Recocido isotérmico – transformación realizada manteniendo la temperatura adecuadamente seleccionada.
• Recocido de bolas – esferoidización – cambio en la morfología de la cementita u otros carburos.
• Recocido de recristalización – Eliminación de los efectos de la compresión y restauración de la plasticidad.
• Recocido homogeneizador – reducir la segregación y homogeneizar la composición del material.
• Endurecimiento y tratamiento térmico – modelar la microestructura y las propiedades mediante el endurecimiento y el revenido.
• Acero templado – Modificación controlada de las propiedades del acero después del endurecimiento.
• Endurecimiento por inducción – Calentamiento por inducción superficial y enfriamiento rápido.
• Endurecimiento a la llama – endurecimiento superficial tras calentamiento localizado con llama.
• Sobresaturación – obtención de una solución sólida sobresaturada mediante un ciclo térmico adecuado.
• Envejecimiento – Separación de fases controlada que conduce al fortalecimiento del material.

Métodos de tratamiento termoquímico del acero

• Nitruración del acero – Enriquecimiento por difusión de la capa superficial con nitrógeno.
• Acero carburizado – Enriquecimiento por difusión de la superficie con carbono.
• Carbonitruración – Enriquecimiento simultáneo de la capa superficial con carbono y nitrógeno.
• Nitrocarburación / nitrocarburación – Enriquecimiento de la capa principalmente con nitrógeno y carbono.
• Perforación – saturación por difusión de la superficie con boro.
• Cromado por difusión – Enriquecimiento por difusión de la capa con cromo.
• aluminización por difusión – Enriquecimiento por difusión de la capa en aluminio.