Use el aceite que enfría la pieza a la velocidad que pide su acero: lo bastante rápido para endurecerla, pero sin ser tan brusco que la pieza se deforme o se agriete. El acero que endurece con facilidad pide aceite de temple convencional; el que cuesta endurecer, o la pieza gruesa, pide uno más rápido, de velocidad media o acelerado. Donde preocupa el fuego en el tanque, entra un fluido de polímero en agua, y un ensayo de cómo el fluido enfría una pieza de prueba confirma la elección.
¿Para qué sirve el temple en el acero?
Sirve para endurecer el acero. Es el momento en que la pieza sale del horno al rojo vivo y chisporrotea al entrar en el tanque: en segundos, el acero que se dejaba mecanizar queda lo bastante duro para convertirse en engranaje o eje.
En el horno, los átomos de hierro cambian de acomodo y abren espacio para que el carbono se disuelva entre ellos, como el agua caliente que acepta más azúcar que la fría. Ese acomodo se llama austenita, y el calentamiento hasta ella, austenización.
De ahí en adelante, todo depende de la velocidad de enfriamiento:
Despacio, el carbono tiene tiempo de juntarse en pequeñas capas dentro del propio acero, sin salir de la pieza, y el acero vuelve a ser blando.
Rápido, el carbono queda atrapado entre los átomos de hierro, el acomodo se estira en una dirección y nace la martensita, la estructura dura que el temple busca.
Figura 1. Despacio, el carbono se agrupa y el acero queda blando; rápido, queda atrapado y nace la martensita. Dibujo cualitativo.
La velocidad del baño pesa porque el temple viene al final de la fabricación. La pieza que llega al tanque ya pasó por el torno y por el fluido de corte para mecanizado. Un error de mecanizado todavía se corrige, pero un temple equivocado muchas veces no tiene vuelta: la pieza agrietada se convierte en chatarra.
Para quien necesita el número: la austenización va, típicamente, de 800 a 900 °C en los aceros al carbono (sin aleación) y en los de baja aleación (con poco elemento añadido). El enfriamiento lento forma las estructuras blandas llamadas ferrita y perlita.
Pero ¿qué tan rápido es "rápido"?
¿Por qué cada acero pide una velocidad distinta?
Porque cada acero tiene una velocidad mínima de enfriamiento para convertirse en martensita, la velocidad crítica.
La rapidez cuenta sobre todo en un rango de temperatura a mitad de camino: si la pieza tarda en pasarlo, parte del acero se convierte en la estructura blanda del enfriamiento lento, y la dureza queda por debajo de la pedida. En este artículo, llamamos a ese rango "el rango en que el acero se ablanda".
El carbono decide qué tan dura queda la martensita, y los elementos de aleación (cromo, manganeso, molibdeno, níquel y, en dosis mínima, boro) dejan que el acero endurezca con un enfriamiento más tranquilo. El acero que recibe esos elementos a propósito, por encima del contenido común, es el acero aleado.
El espesor también cuenta. En la papa cocida puesta en agua fría, la cáscara se enfría en segundos y el centro sigue caliente por minutos. En la pieza gruesa, el núcleo puede no alcanzar la velocidad crítica, y la dureza cae poco a poco de la superficie hacia el centro.
El espesor en el punto que interesa se llama sección. La facilidad del acero para endurecer hasta el núcleo se llama templabilidad.
Figura 2. Mismo acero, mismo baño: la barra delgada endurece hasta el centro; en la gruesa, la dureza cae de la superficie al núcleo. Dibujo cualitativo.
El resultado es una regla simple: el acero con poca aleación, o la pieza gruesa, pide un baño que saque el calor más rápido.
Para quien necesita el número: el rango en que el acero se ablanda queda alrededor de 700 a 500 °C, según el acero. El SAE 1045, acero sin aleación de medio carbono común en ejes, endurece bien en aceite convencional solo en pieza delgada.
Entonces, ¿basta con enfriar lo más rápido posible?
¿Por qué enfriar demasiado rápido agrieta la pieza?
Porque la superficie y el núcleo de la pieza se transforman en momentos distintos, y el baño fuerte aleja esos momentos. Dos hechos explican el resto.
Primero, la martensita empieza a formarse a una temperatura propia de cada acero, la Ms (del inglés martensite start, inicio de la martensita).
Segundo, la martensita ocupa un poco más de espacio que la austenita: el acero "se hincha" levemente al endurecer, mientras el resto de la pieza se contrae al enfriarse.
La superficie siempre se enfría antes que el núcleo. El baño fuerte aumenta esa diferencia, y de ahí viene la grieta:
Cuanto más fuerte el baño en el rango de la Ms, mayor la diferencia de temperatura entre la superficie y el núcleo.
Con esa diferencia, la superficie pasa la Ms y se convierte en martensita mucho antes que el núcleo.
Cuando el núcleo por fin se transforma, se hincha y empuja la superficie, que ya está dura y quebradiza.
Ese esfuerzo interno se llama tensión. Si supera lo que el acero aguanta, la pieza se deforma (se tuerce) o se agrieta, a veces horas después del baño. La grieta puede aparecer solo en el rectificado, el acabado por desgaste con muela.
Por eso la regla es usar el baño más suave que todavía da la dureza pedida, a la profundidad pedida. El engranaje, por ejemplo, pide una superficie muy dura y un núcleo resistente, pero no tan duro como la superficie.
El acero, la forma de la pieza y el horno también pesan en la grieta; aquí el foco es el baño, la parte que el aceite controla.
Para quien necesita el número: la Ms queda en general entre unos 200 y 400 °C y baja con más carbono y más aleación. En los aceros de medio carbono, la fórmula empírica de Andrews (1965, válida hasta cerca de 0,6% de carbono) da alrededor de 300 a 350 °C. Los de alto carbono quedan por debajo de 300 °C.
El baño ideal sería rápido en el rango en que el acero se ablanda y lento en el rango de la Ms. Quien controla eso es el fluido de temple.
¿Qué papel tiene el aceite en el temple?
El aceite es uno de los medios de temple, el fluido que saca el calor de la pieza. La fuerza con que un medio saca calor se llama severidad.
De los líquidos fríos, con el baño quieto, el más severo es la salmuera (agua con sal); después vienen el agua, el polímero disuelto en agua y el aceite. (Polímero, aquí, es un tipo de plástico que se disuelve en el agua y la vuelve más espesa.) Según la concentración, el polímero queda más suave, cerca del aceite, o más severo, cerca del agua.
Medios más suaves, como la sal fundida, el aire y el gas, sirven sobre todo a aceros de alta aleación y a procesos especiales, como el martempering en sal. Aquí aparecen solo de pasada.
El agua y la salmuera endurecen bien el acero al carbono (el acero sin aleación), con más riesgo de grietas. De los cuatro líquidos fríos, el aceite es el más gradual, lo habitual para acero aleado y pieza de precisión.
Para quien necesita el número: en el factor H de Grossmann, medida clásica de severidad, la salmuera queda cerca de 2, el agua cerca de 1 y el aceite quieto de 0,25 a 0,30.
Si el agua y el aceite entran fríos en el tanque, ¿por qué el aceite es más suave?
¿Cómo funciona el temple en aceite y por qué es más suave que el agua?
La pieza pierde calor en tres fases, cada una con su velocidad. Quien alguna vez vio una gota de agua saltar sobre una plancha caliente conoce la primera.
Capa de vapor. La gota "baila" porque la parte de abajo se vuelve vapor y la sostiene. En el tanque, el aceite que toca el metal al rojo también se vuelve vapor y forma una manta que aísla la pieza: el enfriamiento es lento.
Ebullición. La manta se rompe, el aceite toca el metal y hierve en burbujas, como el agua en la olla. Cada burbuja se lleva calor, y esta es la fase más rápida.
Convección. Cuando la superficie queda más fría que la temperatura a la que el aceite hierve, las burbujas paran, y el calor sale solo con el aceite que circula alrededor. Es la fase más lenta.
Figura 3. La pieza se enfría despacio en el vapor, rápido en la ebullición y despacio en la convección, cuando cruza la Ms. Dibujo cualitativo.
Buena parte de la dureza se decide a la salida del vapor: tiene que romperse antes de que la pieza entre en el rango en que el acero se ablanda. Si todavía cubre la pieza en ese rango, la dureza cae; si cubre solo un tramo, aparece un punto blando.
El punto fuerte del aceite es hervir a una temperatura mucho más alta que el agua. Por eso, en general, las burbujas paran y la fase lenta empieza antes de que la superficie llegue a la Ms. De ahí en adelante, el calor sale despacio, y el núcleo tiene tiempo de alcanzar la superficie.
Cuando la superficie cruza la Ms, la diferencia de temperatura hasta el núcleo es menor que en el agua, y la tensión también. En el agua, la fase de burbujas, la más rápida, solo termina cuando la superficie de la pieza llega cerca de 100 °C, mucho después de cruzar la Ms.
Para quien necesita el número: el aceite de temple hierve, en general, entre unos 230 y 480 °C, según la formulación, y la Ms queda entre unos 200 y 400 °C. Como los rangos se superponen, la ventaja vale para muchos aceros, no para todos.
Más adelante, el ensayo de la curva de enfriamiento muestra cuánto calor un aceite todavía saca en el rango de la Ms.
¿Y todo aceite de temple hace esto de la misma manera?
¿Cuál es el mejor aceite para templar acero?
El mejor es el que entrega la velocidad que el acero y la sección de la pieza piden. Por la velocidad, los aceites de temple forman tres grupos:
Aceite convencional (o normal): el más lento, para acero que endurece con facilidad.
Aceite de velocidad media: el punto intermedio, para acero de templabilidad intermedia o pieza de sección media.
Aceite acelerado (o rápido): lleva aditivos, productos químicos en dosis pequeña, que rompen la capa de vapor más temprano.
Figura 4. El aceite acelerado rompe el vapor más temprano y pasa más rápido por el rango en que el acero se ablanda. Dibujo cualitativo.
Además de estos tres grupos, el aceite de martempering trabaja caliente, cerca de la Ms del acero o un poco por debajo de ella: la pieza espera en el baño hasta que superficie y núcleo queden a la misma temperatura y solo entonces se enfría al aire. Por eso se deforma menos.
Después de cualquier temple, la pieza sigue al revenido, el recalentamiento a una temperatura bien por debajo de la austenización, que alivia la tensión y la fragilidad de la martensita.
Además del aceite, la tabla siguiente incluye el polímero en agua. Para elegir entre aceite y agua según el acero, lea temple en agua o aceite.
| Si en su fábrica… | Use | Por qué |
|---|---|---|
| El acero endurece con facilidad, o la pieza es delgada | Aceite convencional | Menos riesgo de grietas y deformación |
| El acero tiene templabilidad intermedia | Aceite de velocidad media | Más rápido que el convencional |
| El acero tiene baja templabilidad, o la sección es demasiado gruesa para el convencional | Aceite acelerado | Rompe el vapor más temprano y endurece más profundo |
| La pieza se deforma mucho, o tiene secciones muy distintas (pared delgada y gruesa en la misma pieza) | Martempering en aceite caliente (o en sal fundida) | Superficie y núcleo igualan la temperatura en el baño y se transforman casi juntos |
| El tanque debe ser no inflamable, o la severidad debe quedar entre la del agua y la del aceite | Polímero en agua | No se incendia; la concentración ajusta la severidad |
La agitación del tanque siempre aumenta la severidad; por eso, agite de la misma manera en toda carga, para que el resultado no cambie.
En Kelpen Oil formulamos aceites de temple en dos líneas: la línea Micro Temp, con opciones para aceros de difícil templabilidad, y la línea Austenity, con opciones de temple convencional y acelerado para metales ferrosos (los a base de hierro, como el acero). Formulamos también un fluido de temple de polímero en agua, no inflamable.
Para velocidad media y martempering, hable con el Equipo Técnico de Kelpen Oil. Los productos de temple están en aceites para tratamiento térmico, y el Equipo Técnico indica el aceite según el acero y la sección de la pieza.
La temperatura del baño también pesa. En el agua y en el polímero, el baño más caliente alarga la capa de vapor. En el aceite, hasta cierto punto, vuelve el líquido menos viscoso (escurre con más facilidad) y acelera el enfriamiento; por encima de ese punto, la capa de vapor también se vuelve más estable y el aceite vuelve a ser más lento.
Para quien necesita el número: en el martempering clásico, en sal fundida, el baño queda justo por encima de la Ms. En aceite, queda típicamente entre 100 y 200 °C, muchas veces por debajo de la Ms del acero (martempering modificado, que enfría más rápido). Los aceites comerciales de martempering trabajan de unos 60 a 230 °C.
Falta saber si un aceite es rápido de verdad, y no solo en la etiqueta.
¿Qué es la curva de enfriamiento?
Es el dibujo de cómo se enfría una pieza de prueba en el aceite. Imagine un termómetro dentro de ella anotando la temperatura a cada instante, desde el horno hasta el final del baño: uniendo los puntos, usted obtiene la curva de enfriamiento.
La pieza de prueba se llama sonda. Está hecha de una aleación de níquel que no cambia de estructura al enfriarse, así que la curva muestra solo el aceite, sin la transformación de un acero en el medio.
El ensayo da dos curvas: temperatura contra tiempo y velocidad contra temperatura. La segunda, la velocidad de enfriamiento a cada temperatura, muestra las tres fases en el aceite ensayado: cuándo se rompe el vapor, qué tan rápida es la ebullición y qué tan suave es la convección.
Figura 5. La velocidad de enfriamiento de la sonda a cada temperatura: baja en el vapor, máxima en la ebullición, baja otra vez en la convección. Dibujo cualitativo.
Al leer la curva, un vapor que se rompe temprano y una ebullición rápida endurecen más. La velocidad a 300 °C, que el ensayo registra, muestra el riesgo de grietas, porque queda en el rango de la Ms.
Su pieza tiene otra sección, otra forma, otra agitación y otra carga en la canasta. Por eso, la curva sirve para comparar aceites entre sí y el mismo aceite a lo largo del tiempo. "Aceite rápido" sin curva es promesa: la curva es lo que debe entrar en la especificación de compra.
Para quien necesita el número: el ensayo de aceite es la ASTM D6200, equivalente a la ISO 9950, con sonda de Inconel 600 de 12,5 mm de diámetro por 60 mm, sensor de temperatura (termopar) en el centro y aceite quieto.
El ensayo registra la velocidad máxima y la temperatura a la que ocurre, la velocidad a 300 °C y los tiempos hasta 600, 400 y 200 °C.
Una clasificación habitual en la literatura técnica (revista Gear Solutions, serie Oil Quenchants: Understanding the Chemistry, parte I) separa los aceites por la velocidad máxima: normal por debajo de cerca de 60 °C/s, medio de 60 a 90 °C/s y rápido por encima de 90 °C/s.
Para polímero, vale la ASTM D6482, con agitación del baño (método Tensi), porque el polímero cambia mucho con ella.
Y la curva de un aceite no se queda igual para siempre.
¿Cómo saber si el aceite de temple sigue en buen estado?
Comparando la curva de una muestra del tanque con la del aceite nuevo, o con la de la época en que se aprobó el proceso. En servicio, el aceite envejece:
reacciona con el oxígeno del aire, más rápido con el calor: es la oxidación;
sus moléculas se rompen con el calor: es el craqueo térmico;
forma lodo, una masa que no se disuelve, se junta en el fondo del tanque y deja barniz en la pieza;
recibe agua y hollín.
La desviación puede ir hacia los dos lados. El aceite se vuelve más lento cuando el aditivo acelerador se gasta o cuando la oxidación lo espesa, y más rápido cuando los productos de la oxidación rompen el vapor más temprano. A simple vista, los dos casos parecen iguales; la curva los separa.
Cómo se ve esto en su fábrica: dureza baja o puntos blandos, grietas y deformación que obligan a enderezar la pieza o a dejar más sobremedida (el material extra que el rectificado retira después).
El agua es el peor contaminante, porque actúa en los dos sentidos. Primero, alarga la capa de vapor, lo que da punto blando. Después, la ebullición se vuelve más violenta y se extiende hasta más cerca de la Ms, donde el enfriamiento rápido agrieta y deforma la pieza.
El agua también puede hacer que el aceite haga espuma y se desborde (vea la pregunta sobre fuego).
Figura 6. Con agua, el vapor dura más (punto blando) y el pico de velocidad queda más alto y a una temperatura más baja (grieta). Dibujo cualitativo.
En el polímero, se acompaña también la concentración, con el refractómetro, aparato que mide cuánto se desvía la luz al atravesar el líquido. La lectura multiplicada por el factor de corrección que informa el fabricante del polímero da la concentración.
La pieza número 10.000 solo templa como la número 1 si alguien está midiendo.
Para quien necesita el número: con agua, la velocidad máxima sube y la temperatura a la que ocurre baja. La guía ASTM D6710 no fija límites. Como referencia, cita menos de 0,1% de agua (1.000 ppm, partes por millón), valor que la literatura técnica da como el máximo que el aceite de temple suele disolver.
Por encima de eso, sobra agua libre en el tanque. En acero de baja templabilidad, incluso por debajo de 0,05% (500 ppm) el agua ya puede dar punto blando, así que la meta es lo más cerca de cero posible.
Queda el lado práctico: quién hace esa medición, y cómo.
¿Cómo mide Kelpen Oil la curva de enfriamiento?
El laboratorio propio de Kelpen Oil en Arujá (SP) traza la curva de los aceites de temple según la ASTM D6200 y la de los polímeros según la ASTM D6482, en el equipo IVF Smart Quench.
Usamos el ensayo en el control de nuestros lotes y hacemos el análisis para otras empresas, incluso con aceite de otro fabricante, como servicio de pago. La curva dice si el aceite cambió; los otros ensayos del laboratorio de lubricantes dicen por qué:
| Qué medimos | Qué revela | Norma |
|---|---|---|
| Curva de enfriamiento del aceite | Si el aceite todavía templa como el día de la aprobación | ASTM D6200, en el IVF Smart Quench |
| Curva de enfriamiento del polímero, con agitación | La misma lectura para el polímero en agua | ASTM D6482, en el IVF Smart Quench |
| Agua en el aceite (método Karl Fischer, una reacción química que cuenta el agua) | Contenido de agua, en ppm: cambia la curva y trae riesgo de espuma y fuego | Karl Fischer coulométrico |
| Índice de acidez (TAN, del inglés Total Acid Number) | Cuánto ácido la oxidación ya formó en el aceite | NBR 14448 |
| Viscosidad cinemática a 40 °C (resistencia del aceite a escurrir) | Si el aceite se adelgazó (craqueo térmico o mezcla con aceite más fino) o se espesó por la oxidación | ASTM D7042, en el viscosímetro SVM 4001 |
| Punto de inflamación (la menor temperatura a la que el vapor del aceite da un destello al tocar una llama, sin mantener el fuego) | Margen contra fuego en el tanque; la caída indica contaminación o craqueo térmico | NBR 11341 |
Con esos resultados en la mano, hágale a su tanque dos preguntas. ¿Este aceite entrega la severidad que la pieza pide? ¿Y todavía se comporta como el día en que se aprobó el proceso?
Preguntas frecuentes
¿Cuál es la diferencia entre temple y revenido? El temple endurece el acero. El revenido viene justo después: recalienta la pieza bien por debajo de la austenización para aliviar la tensión y la fragilidad de la martensita, cambiando un poco de dureza por tenacidad (resistencia a romperse con el impacto).
¿Cuál es la temperatura de temple del acero? En los aceros al carbono y de baja aleación, la austenización queda típicamente entre 800 y 900 °C, según la aleación. Los aceros para herramientas de alta aleación y los inoxidables martensíticos (los que endurecen en el temple) usan temperaturas más altas; el valor exacto viene de la especificación del acero.
¿Cómo se quita el temple del acero? Por recocido: la pieza se recalienta hasta la austenización y se enfría despacio, en general dentro del propio horno, lo que devuelve la estructura blanda y mecanizable.
¿El aceite de temple se incendia? Puede, porque el aceite es combustible. El fuego suele venir del agua en el aceite (se vuelve vapor de golpe, y el aceite hace espuma y se desborda). También puede venir de una carga atascada a medias fuera del baño (el metal al rojo queda en la superficie del aceite) o de poco aceite para el tamaño de la carga. La norma NFPA 86 pide que el tanque se dimensione para que el aceite trabaje, con la carga máxima, al menos 28 °C (50 °F) por debajo del punto de inflamación.
¿El aceite de temple necesita análisis periódico? Sí. La curva cambia con la oxidación y la contaminación, y solo el ensayo ASTM D6200 en una muestra del tanque muestra si el aceite todavía templa como el día de la aprobación.
Glosario
Austenización: calentamiento del acero hasta la austenita, acomodo en que el carbono se disuelve en el hierro.
Martensita: estructura dura que nace cuando el acero se enfría rápido y el carbono queda atrapado entre los átomos de hierro.
Templabilidad: facilidad del acero para endurecer hasta el núcleo de la pieza.
Ms: temperatura a la que la martensita empieza a formarse; varía con el carbono y la aleación.
Severidad: fuerza con que el medio de temple (agua, polímero, aceite) saca calor de la pieza.
Capa de vapor: manta de vapor que envuelve la pieza al comienzo del baño y aísla la superficie.
Curva de enfriamiento: registro de la temperatura de una sonda estandarizada en el baño a lo largo del tiempo.
Martempering: temple en baño caliente (aceite o sal), cerca de la Ms o un poco por debajo de ella, en el que superficie y núcleo igualan la temperatura antes de que la pieza se enfríe al aire.
Hable con el Equipo Técnico
El Equipo Técnico de Kelpen Oil evalúa el tipo de acero, la geometría y la sección de la pieza, la temperatura del proceso, la dureza pedida y el volumen del tanque, y confirma el producto adecuado (aceite o polímero de temple), con la curva de enfriamiento medida en el laboratorio propio. Si el proceso ya funciona con otro producto, el laboratorio de Arujá (SP) hace el análisis del aceite en uso con muestra del tanque, como servicio de pago. Guarde este artículo o envíelo a quien responde por el tratamiento térmico en su empresa.
