Use agua en el acero al carbono común de ejes, de medio carbono y sin aleación añadida, en una pieza de forma simple y espesor medio que necesita quedar dura hasta el interior. Use aceite en acero aleado (cromo, molibdeno, níquel) y en piezas con orificio, rosca, arista viva o pared delgada junto a una gruesa. El agua enfría con más fuerza: endurece más hondo, pero también agrieta y deforma más; por eso la regla es usar el baño más suave que aún deje la pieza con la dureza pedida.
¿Qué hace el baño de temple con el acero?
El baño quita el calor de la pieza rápidamente, y esa rapidez es lo que endurece el acero. Piense en el herrero que saca el hierro al rojo vivo del fuego y lo sumerge en el balde, con ese chisporroteo. El temple es ese movimiento: calentar el acero hasta el rojo vivo y enfriarlo rápido para que se endurezca.
En el horno, los átomos de hierro cambian de ordenamiento y abren espacio para que el carbono se disuelva entre ellos. Ese ordenamiento en caliente se llama austenita.
Si el acero se enfría rápido, el carbono queda atrapado entre los átomos de hierro y nace la martensita, la estructura dura que busca el temple. Si se enfría despacio, el carbono tiene tiempo de reagruparse y el acero vuelve a quedar blando. El paso a paso, con dibujo, está en la guía sobre el temple en aceite.
El líquido del tanque que quita ese calor es el medio de temple. En la industria, los cuatro más usados son el agua, la salmuera, el polímero en agua y el aceite.
Después del temple viene el revenido, un recalentamiento suave que alivia la tensión y la fragilidad que la martensita deja en la pieza.
Equivocarse de baño sale caro, porque la pieza llega al tanque después de horas de mecanizado (corte y taladrado en la máquina). La pieza que sale blanda aún puede volver al horno, con costo y riesgo de deformación. La pieza agrietada se convierte en chatarra.
Para quien necesita el número: antes del baño, el acero al carbono y el de baja aleación suelen calentarse entre 800 y 900 °C, según el acero.
¿Qué severidad tiene cada medio de temple?
La fuerza con que un medio quita calor de la pieza se llama severidad. Con el baño quieto, el orden va de la salmuera, la más severa, al agua y, por último, el aceite, el más suave; el polímero en agua queda entre el agua y el aceite, según la concentración.
La salmuera es agua con cloruro de sodio, la sal común, disuelto. El polímero en agua lleva un tipo de plástico que se disuelve en el agua y la vuelve más espesa.
Con los baños quietos, el agua quita calor con una fuerza de 3 a 4 veces mayor que la de un aceite común. La diferencia viene de las tres fases en que la pieza pierde calor; quien haya visto una gota de agua bailar sobre la plancha caliente de la cocina, sin hervir, conoce la primera.
Capa de vapor. El líquido que toca la pieza al rojo vivo se vuelve vapor y forma una manta alrededor de ella. Esa manta aísla, y el calor sale despacio.
Ebullición. La manta se rompe, el líquido toca el metal y hierve en burbujas. Cada burbuja se lleva calor, y esta es la fase más rápida.
Convección. La superficie ya está más fría que la temperatura de ebullición del líquido, las burbujas se detienen y el calor sale solo con el líquido que circula alrededor. Es una fase lenta.
La segunda variable pesa tanto como el líquido: la agitación del tanque. El baño agitado rompe la capa de vapor más temprano. En la convección, se lleva el calor más rápido, como la sopa caliente que se enfría antes cuando se la revuelve.
Por eso, un aceite con agitación violenta se acerca al agua quieta. La escala de severidad solo vale al comparar baños con la misma agitación.
Para quien necesita el número: la medida clásica de la severidad es el factor H de Grossmann, en el que el agua quieta queda cerca de 1. Sirve para comparar medios.
| Agitación del baño | Aceite (H) | Agua (H) | Salmuera (H) |
|---|---|---|---|
| Ninguna | 0,25 a 0,30 | 0,9 a 1,0 | 2,0 |
| Leve | 0,30 a 0,35 | 1,0 a 1,1 | 2,0 a 2,2 |
| Moderada | 0,35 a 0,40 | 1,2 a 1,3 | sin dato |
| Buena | cerca de 0,4 | 1,4 a 1,5 | sin dato |
| Fuerte | 0,5 a 0,8 | 1,6 a 2,0 | sin dato |
| Violenta | 0,8 a 1,1 | 4,0 | 5,0 |
Fuente: tabla de Grossmann (ASM, 1964), reproducida en Thermal Processing, mayo de 2023. El ensayo de la curva de enfriamiento, más abajo, vale más que la tabla.
Figura 1. La fuerza de cada baño según el factor H de Grossmann, quieto y con agitación violenta: el aceite con agitación violenta se acerca al agua quieta. Valores de aceite mineral sin aditivo; el polímero varía con la concentración.
Si el agua es más fuerte y endurece más, falta entender por qué también agrieta más.
¿Por qué el agua agrieta más que el aceite?
Porque, en el momento en que el acero empieza a endurecerse, el agua todavía enfría la pieza en la fase rápida y el aceite, en general, ya enfría despacio. Piense en la papa cocida puesta en agua fría: la cáscara se enfría en segundos y el interior sigue caliente durante minutos. La pieza de acero también se enfría primero en la superficie.
Dos hechos completan el cuadro. Primero, la martensita empieza a formarse a una temperatura propia de cada acero, la Ms (del inglés martensite start, inicio de la martensita), cerca de 300 °C en muchos aceros comunes.
Segundo, al volverse martensita, el acero "se hincha" un poco, porque ella ocupa algo más de espacio que la austenita.
Ahora junte las tres fases. El agua hierve a 100 °C, así que la fase rápida dura hasta que la superficie llega cerca de 100 °C, muy por debajo de la Ms. El aceite hierve a una temperatura mucho más alta, entre cerca de 230 y 480 °C según el aceite: las burbujas se detienen cuando la superficie se enfría hasta ese rango, y en general la fase lenta ya empezó cuando llega a la Ms.
Figura 2. En el agua, la ebullición llega hasta cerca de 100 °C y cubre el rango de la Ms. El aceite hierve entre cerca de 230 y 480 °C, según la formulación, y la fase rápida termina cuando la superficie se enfría hasta ese rango. Forma cualitativa: los rangos varían con la formulación, la agitación y el acero.
En el agua, eso arma una cadena de dos pasos:
La superficie se vuelve martensita con el núcleo mucho más caliente, lo que lleva a una cáscara dura alrededor de un núcleo que aún va a transformarse.
Cuando el núcleo se transforma, se hincha y empuja la superficie ya rígida, lo que lleva a tracción (esfuerzo que tiende a abrir el material) en la superficie y a la grieta en una arista viva, un orificio o un cambio de espesor.
Más carbono vuelve la martensita más frágil y aumenta ese riesgo.
En el aceite, cuando la superficie llega a la Ms, el núcleo está más cerca de la temperatura de la superficie y la tensión cae. El aceite también agrieta la pieza si es demasiado severo para ella, pero con un margen mucho mayor.
Figura 3. Superficie y núcleo de una pieza que sale de 850 °C, en agua y en aceite quietos. La barra roja es la diferencia entre los dos cuando la superficie llega a 300 °C, Ms típica de un acero de medio carbono. El tiempo no está a escala y es el mismo en los dos gráficos. Forma cualitativa.
Cómo se ve esto en su fábrica: grietas que aparecen minutos u horas después del temple, antes del revenido; ejes largos deformados; y, en el agua, puntos blandos (zonas sin dureza) en orificios y cavidades, donde la capa de vapor queda atrapada.
El agua por encima de unos 25 °C, o contaminada con aceite, jabón o suciedad, alarga la capa de vapor y hace que la dureza varíe de una pieza a otra.
Para quien necesita el número: la Ms suele estar entre unos 200 y 400 °C y baja con más carbono y más aleación. El aceite de temple hierve, según la formulación, entre cerca de 230 y 480 °C; la convección empieza cuando la superficie se enfría hasta ese rango (Herring y Balme, Gear Solutions, 2007).
Entonces, ¿por qué alguien todavía templa en agua?
¿Cuándo el aceite no basta para endurecer el acero?
Cuando el acero tiene poca aleación o la pieza es gruesa: en esos casos, el aceite no enfría lo bastante rápido para endurecer la pieza hasta donde ella lo necesita.
Cada acero tiene una velocidad mínima de enfriamiento para volverse martensita, la velocidad crítica. Por debajo de ella, el carbono escapa y el acero queda blando; el porqué está en la guía sobre el temple en aceite.
El carbono decide cuán dura queda la martensita.
La facilidad con que el acero endurece hasta el núcleo se llama templabilidad, y quienes la aumentan son los elementos de aleación (cromo, molibdeno, níquel): con ellos el acero endurece incluso con un enfriamiento más suave. El boro, en cantidad mínima, hace lo mismo en algunos aceros de baja aleación usados en tornillos, sin quitar el límite de la sección.
El manganeso, que todo acero al carbono ya trae, ayuda un poco, pero no basta para que el aceite endurezca una pieza de sección media.
El espesor también cuenta: la papa grande tarda mucho más que la pequeña en enfriarse por dentro. El espesor de la pieza en el punto que interesa se llama sección, y en la sección gruesa el núcleo puede no alcanzar la velocidad crítica y quedar blando.
De ahí la regla: el acero con poca aleación, o de sección gruesa, pide un baño más fuerte; el acero aleado endurece en aceite.
Los nombres de los aceros ayudan a leer esto. Números como 1045 y 4140 son designaciones de la norma SAE, la sociedad estadounidense de ingenieros de automoción. Los dos primeros dígitos indican la familia (10 es acero al carbono sin aleación añadida; 41, acero con cromo y molibdeno). Los dos últimos dan el carbono en centésimas de por ciento: el 1045 tiene cerca de 0,45%.
El acero al carbono tiene tres rangos de carbono, y cada uno pide un camino:
Bajo carbono, como el 1020: casi no endurece si se templa sin preparación y suele ganar carbono en la superficie antes, en un tratamiento en el horno llamado cementación.
Medio carbono, como el 1045 y el 1050: el caso típico del agua.
Alto carbono, por encima de unos 0,6%: forma martensita más dura y más frágil, se agrieta fácil en el agua y, en pieza delgada, suele ir al aceite; en pieza mayor, pide acero aleado.
Los aceros de alta aleación, como los de herramienta y el inoxidable martensítico, se templan en aceite, aire, gas o sal, según el acero.
Figura 4. En la misma sección, el 1045 en aceite apenas endurece la superficie, en agua endurece más hondo, y el 4140 endurece en aceite casi hasta el centro. Dibujo cualitativo.
Para quien necesita el número: la templabilidad se mide con el ensayo Jominy (ASTM A255), con una barra estándar enfriada por un chorro de agua en un extremo. Rangos usuales de carbono: bajo, hasta unos 0,3%; medio, de unos 0,3 a 0,6%; alto, por encima de unos 0,6%.
Con eso, se puede responder a la duda más común.
¿El temple del acero 1045 es en agua o en aceite?
Depende de la sección y de la forma de la pieza. El 1045 tiene poca aleación, así que el espesor decide casi todo. Como orden de magnitud, y no como límite:
Sección delgada: la de un pasador, un tornillo o una hoja, que se enfría por completo casi de una vez.
Sección media: la de un eje o un engranaje del grosor de un mango de herramienta.
Sección gruesa: la de un eje o un bloque del grosor de un brazo o más, donde el núcleo tarda en perder calor.
El límite exacto de cada acero sale de su ensayo Jominy.
En cada caso:
Pieza delgada: el aceite puede bastar, y es el camino cuando la forma no aguanta el choque, aceptando menor dureza en el núcleo.
Sección media que necesita dureza en el núcleo: agua o salmuera, porque el aceite no enfría lo bastante rápido para este acero.
Sección gruesa: ni el agua endurece el núcleo del 1045.
Para la sección gruesa, hay dos salidas. La primera es cambiar a un acero aleado, como el 4140, que endurece en aceite. En una sección muy gruesa, ni el 4140 llega al centro, y entra un acero con más aleación, como el 4340, con níquel, cromo y molibdeno.
La segunda vale cuando basta con la superficie dura: la pieza de 1045 puede templarse solo en la superficie por inducción, en la que un campo electromagnético calienta únicamente la capa exterior, enfriada enseguida.
¿Y si la pieza de 1045 tiene orificio, rosca o arista viva y se agrieta en el agua? Entonces entra un punto intermedio entre el agua y el aceite común, descrito en la próxima sección y probado antes en piezas de la producción. En sentido contrario, en acero aleado, cambiar el aceite por agua rara vez trae una dureza que compense el riesgo de grieta.
La dureza máxima viene del carbono; la profundidad a la que llega depende del baño, de la aleación y de la sección.
Para quien necesita el número: la dureza a cada profundidad cambia con el lote del acero y la agitación. Sale de la curva Jominy del acero comprado, cruzada con el diámetro de la pieza y el factor H del baño.
¿Dónde entran la salmuera y el polímero?
Entran cuando ni el agua pura ni el aceite común sirven. La salmuera da un enfriamiento más uniforme que el del agua. El polímero y el aceite acelerado, un aceite más rápido que el común, quedan en el punto intermedio entre el agua y el aceite.
Salmuera. La sal hace que la capa de vapor se rompa más temprano, lo que deja el enfriamiento más uniforme y reduce los puntos blandos. Su ganancia está en la parte caliente del enfriamiento, donde el agua aún forma vapor. En el rango de la Ms, enfría como el agua, así que el riesgo de grieta sigue igual.
Por otro lado, la salmuera corroe la pieza y el equipo y exige lavado inmediatamente después del temple.
Polímero en agua. Sobre la pieza caliente, el polímero forma una película alrededor de ella y frena la salida de calor. La concentración ajusta la severidad entre la del agua y la del aceite, y el baño no se incendia.
Como la severidad depende de la concentración, el polímero pide control de rutina en el tanque. El aparato usado es el refractómetro, que mide cuánto se desvía la luz al atravesar el líquido.
Aceite acelerado. Lleva aditivos, productos químicos en dosis pequeñas, que rompen la capa de vapor más temprano. Enfría rápido en la parte caliente y, en la convección, en general sigue suave como un aceite. Sirve para el acero de templabilidad difícil en pieza de forma compleja: busca endurecer casi como el agua sin agrietar como ella, el dilema de la Figura 3.
Por velocidad, los aceites de temple forman tres grupos:
Aceite convencional: el más suave, 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: el más rápido de los tres, para acero que cuesta endurecer o sección más gruesa.
El aceite es combustible, y el aceite caliente en el tanque puede incendiarse. El agua que cae en el aceite caliente se vuelve vapor de repente, hace espuma y salpica aceite. Por eso el aceite del tanque debe estar seco, y su agua se mide por el método Karl Fischer, una reacción química que cuenta el agua.
Donde el aceite no puede quedar en el lugar, el polímero ocupa su sitio, porque no es inflamable y la concentración ajusta la severidad.
Para quien necesita el número: la salmuera trabaja típicamente cerca de 10% de cloruro de sodio, y de ahí hacia arriba la capa de vapor prácticamente desaparece (MacKenzie, Thermal Processing, 15/07/2024). Los polímeros más comunes, los polialquilenglicoles (PAG), salen de la solución en la superficie caliente y forman la película.
Con los cuatro medios sobre la mesa, llega la hora de elegir.
¿Qué medio de temple usar en cada acero?
Use el medio más suave que aún endurezca la pieza hasta donde el proyecto pide. Cuanta menos aleación tiene el acero, más severo debe ser el medio; cuanto más compleja la forma, mayor el riesgo de ese medio severo.
| Si la pieza es | Use | Por qué |
|---|---|---|
| Acero de medio carbono (1045, 1050) de forma simple (eje, pasador, bloque) y sección media, con dureza en el núcleo | Agua o salmuera, entre 15 y 25 °C, con agitación | Con poca aleación, solo un medio severo lleva la dureza hacia dentro; la forma simple aguanta la tensión |
| Acero al carbono en pieza delgada, incluido el de alto carbono | Aceite, verificando la dureza en un lote de prueba | La pieza delgada endurece en aceite; el alto carbono se agrieta fácil en el agua |
| Acero al carbono de forma compleja (orificio, rosca, arista viva) que se agrieta o deforma en el agua, o acero de templabilidad difícil | Aceite acelerado, o polímero con la concentración elegida por el ensayo del laboratorio | El aceite acelerado es rápido en la parte caliente y suave en el rango de la Ms; el polímero queda entre el agua y el aceite, según la concentración. Los dos se agrietan y deforman menos que el agua |
| Acero aleado (cromo, molibdeno, níquel), incluso en pieza de precisión | Aceite convencional, o de velocidad media cuando la sección es media; acelerado solo cuando la sección más gruesa no endurece en los otros dos | La aleación endurece con enfriamiento suave; enfriar más rápido de lo necesario solo suma tensión |
| Pieza forjada (conformada con la pieza caliente, por martillo o prensa) que va directo al baño, pieza calentada por inducción, o tanque donde el aceite es riesgo de incendio | Polímero en agua, con la concentración elegida por el ensayo del laboratorio | No se incendia, y la concentración ajusta la severidad |
El polímero es suave en comparación con el agua, pero suele enfriar más rápido que el aceite en la fase lenta, cuando la superficie pasa por el rango de la Ms. Por eso, el acero aleado sensible a grietas se queda en el aceite convencional.
La pieza que se deforma o se agrieta mucho, con pared delgada y gruesa juntas, puede pedir martempering (temple escalonado): un baño de aceite caliente en el que superficie y núcleo igualan la temperatura antes de seguir enfriándose. Está indicado para acero con aleación suficiente para endurecer en ese baño más lento. El Equipo Técnico evalúa ese caso.
El acero de bajo carbono queda fuera de la tabla, porque gana carbono en la superficie, en la cementación, antes del temple. Después de eso, la pieza cementada suele ir al aceite, muchas veces acelerado; el Equipo Técnico Kelpen Oil evalúa el caso.
Figura 5. Árbol de decisión del medio de temple: primero el riesgo de incendio, después la aleación, el carbono, la sección y la forma de la pieza.
Nosotros, 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 que tienen base de hierro, como el acero). También formulamos un fluido de temple de polímero en agua, no inflamable.
Los productos de temple están en aceites para tratamiento térmico. Para velocidad media, martempering o duda sobre qué producto usar, hable con el Equipo Técnico Kelpen Oil, que lo indica según el acero, la sección y la forma de la pieza.
¿Y quien ya templa en agua y quiere dejarla?
¿Se puede cambiar el agua por aceite o polímero sin perder dureza?
A veces sí. El cambio funciona cuando el acero tiene templabilidad para endurecer en un medio más suave; en acero al carbono de sección media, el aceite común puede dejar el núcleo blando.
La medida que decide es la curva de enfriamiento: el registro de la temperatura de una pieza de prueba estándar en el baño a lo largo del tiempo. Esa pieza de prueba se llama sonda, y el ensayo está explicado en la guía sobre el temple en aceite.
Dos números de la curva deciden el cambio. La velocidad máxima de enfriamiento muestra si el fluido candidato aún endurece el acero. La velocidad a 300 °C, la parte fría de la Figura 3, muestra el riesgo de grieta y deformación.
El camino seguro tiene tres pasos:
Comparar la curva del fluido candidato con la del baño actual.
Templar un lote de prueba con piezas de la propia producción.
Verificar la dureza en la superficie y en el núcleo y buscar grietas antes de cambiar la producción, porque la pieza real se enfría de forma distinta a la sonda.
El laboratorio propio de Kelpen Oil en Arujá (SP) mide la curva de enfriamiento del aceite según la ASTM D6200 y la del polímero según la ASTM D6482, en el equipo IVF Smart Quench. Para otras empresas, es un servicio de pago, incluso con fluido de otro fabricante.
| Medio | Qué medir | Qué revela | Norma o control |
|---|---|---|---|
| Aceite | Curva de enfriamiento | Velocidad máxima, temperatura en que ocurre y velocidad a 300 °C: si el aceite candidato endurece sin agrietar | ASTM D6200 |
| Polímero | Curva de enfriamiento con agitación y concentración | La misma lectura en la concentración y la agitación de uso | ASTM D6482; concentración por refractómetro |
| Agua y salmuera | Temperatura del baño, sal en la salmuera y limpieza | Baño caliente o sucio de aceite, jabón o suciedad alarga la capa de vapor y da punto blando | Control de proceso |
Los demás ensayos están en la guía de ensayos, normas y equipos del laboratorio.
Para quien necesita el número: la ASTM D6200 equivale a la ISO 9950 y usa una sonda de aleación de níquel de 12,5 mm de diámetro. El ensayo registra la velocidad máxima, la temperatura en que ocurre, la velocidad a 300 °C y los tiempos hasta 600, 400 y 200 °C.
Preguntas frecuentes
¿Cuál es la temperatura ideal del agua para el temple? Entre 15 y 25 °C, con agitación y agua limpia; más caliente o sucia, la dureza varía de una pieza a otra.
¿Por qué la pieza templada en agua se agrieta horas después? Porque la martensita deja la pieza bajo tensión, y esa tensión puede abrir la grieta con el tiempo si la pieza no se reviene pronto. Reviéngala en cuanto se enfríe hasta cerca de la temperatura ambiente, ni antes ni mucho después. Antes de eso, parte del acero aún no se volvió martensita, y esta se forma después, frágil, sin haber sido aliviada.
¿El temple en agua deja el acero más duro que en aceite? En acero al carbono de sección media, muchas veces sí, porque el aceite puede dejarlo blando. El techo viene del carbono: en pieza delgada o acero aleado que ya endurece en aceite, el agua agrega poca dureza y mucho riesgo de grieta.
¿Puedo templar en aceite quemado o aceite de motor? En producción, no se recomienda: la severidad de ese aceite es desconocida. Los aditivos del aceite de motor (detergentes y otros) cambian la forma de enfriar de un lote a otro, así que el resultado no se repite. El aceite usado también puede tener agua y combustible, y el combustible baja la temperatura a la que el vapor del aceite se inflama, lo que aumenta el riesgo de incendio en el tanque.
Glosario
Medio de temple: líquido del tanque que quita el calor de la pieza (agua, salmuera, polímero en agua o aceite).
Severidad: fuerza con que el medio quita calor de la pieza; el número clásico es el factor H de Grossmann, con el agua quieta cerca de 1.
Martensita: estructura dura que nace cuando el acero se enfría rápido y el carbono queda atrapado entre los átomos de hierro.
Ms: temperatura a la que la martensita empieza a formarse; varía con el carbono y la aleación.
Templabilidad: facilidad del acero para endurecer hasta el núcleo de la pieza.
Sección: espesor de la pieza en el punto que interesa; cuanto más gruesa, más despacio se enfría el núcleo.
Salmuera: agua con cloruro de sodio disuelto, el medio de temple más severo entre los líquidos fríos.
Hable con el Equipo Técnico
El Equipo Técnico Kelpen Oil evalúa el acero, la sección y la forma de la pieza, la dureza pedida en la superficie y en el núcleo, el volumen y la agitación del tanque y la exigencia de seguridad del lugar, y confirma el medio y el producto adecuados. Si el baño ya está en uso, el laboratorio de Arujá (SP) realiza el análisis del aceite en uso, con la curva de enfriamiento, como servicio de pago. Antes de cambiar de baño, anote el acero, la mayor sección de la pieza y la dureza que pide el plano: son los tres datos que deciden.
