Una fase esencial del tratamiento térmico de los metales es el temple, que consiste en enfriar rápidamente un objeto metálico para obtener o modificar cualidades como la dureza, la resistencia o la tenacidad.

El enfriamiento rápido reduce el tiempo de exposición del metal a altas temperaturas y lo protege de los defectos. Además, el metal puede sufrir alteraciones según el método de aplicación y el medio.

El aire, el aceite, el agua y la salmuera son algunos de los agentes de enfriamiento típicos.

El aceite se utiliza mucho para el temple porque transfiere rápidamente el calor sin distorsionar significativamente el metal. Aunque los agentes de temple cáusticos a base de agua son más rápidos, la fuerza con la que actúan puede hacer que algunos materiales se rompan o distorsionen.

La diferencia entre el agua y el aceite es el principal punto que se aborda en el artículo.

¿Qué es el proceso de enfriamiento?

El temple es un proceso de enfriamiento rápido que provoca el endurecimiento de los materiales. La velocidad de temple depende del grado del material, la aplicación y la composición de los componentes de aleación. Además, también influyen varias propiedades del medio de temple.

Teóricamente, antes del templado, un metal o un material vítreo se somete a un calentamiento por encima de su temperatura estándar. Después, se somete a un enfriamiento rápido para eliminar el calor inmediatamente. Esto ayuda a modificar aquellas propiedades de la estructura cristalina de un material que se pierden durante el calentamiento.

Para que un metal o un vidrio se vuelvan más duros y rígidos, a menudo los templamos. La temperatura de templado de un objeto debe ser siempre superior a su temperatura de recristalización, pero inferior a su temperatura de fusión.

Etapas del proceso de enfriamiento

Dos personas trabajan alrededor de la piscina de fusión de acero

Normalmente, cuando una pieza caliente se acerca al líquido de temple, se producen tres etapas de enfriamiento, que definen el cambio en las características del líquido de temple y del material. Las tres etapas son:

• Etapa de vapor
• Etapa de ebullición de los núcleos
• Etapa de convección

Ahora, repasémoslos en profundidad.

Etapa de vapor

La fase de vaporización entra en juego cuando la superficie caliente del componente entra en contacto inicial con el líquido de temple, lo que da lugar a la formación de un escudo vaporoso alrededor del elemento. La conducción se produce en cierta medida durante la fase de vapor.

Sin embargo, el principal método de transporte de calor de esta etapa es la radiación a través del manto de vapor. El manto formado es relativamente estable.

La única forma de acelerar su eliminación es mediante agitación o añadiendo diferentes aditivos. Además, es preferible que esta etapa sea lo más breve posible

La razón es que contribuye significativamente a las zonas blandas que se desarrollan durante el enfriamiento, por lo que pueden aparecer microconstituyentes no deseados si se permite que continúen.

Etapa de ebullición de los núcleos

Es la segunda etapa después de la fase de vapor. Comienza cuando el fluido más cercano a la superficie del material empieza a hervir y la fase de vapor empieza a colapsar. Es la etapa más rápida de enfriamiento del componente dado.

Gracias a la transmisión de calor desde la superficie calentada y su posterior absorción en el líquido de enfriamiento, es posible alcanzar importantes tasas de extracción de calor, lo que permite que el líquido enfriado ocupe su lugar en la superficie.

Varios agentes extintores incluyen aditivos para aumentar las velocidades máximas de enfriamiento de un fluido. La ebullición termina cuando la temperatura de la superficie del componente cae por debajo del punto de ebullición del líquido.

Para los componentes propensos a la deformación, medios como aceites y sales a alta temperatura dan buenos resultados. De lo contrario, los materiales podrían volverse quebradizos y dañarse rápidamente durante las aplicaciones deseadas.

Etapa convectiva

La convección es la etapa final del proceso y se produce cuando el material alcanza una temperatura inferior al punto de ebullición del agente de enfriamiento. La etapa de convección implica la transferencia de calor a través del fluido a granel, y su punto de partida es la conducción.

Es la etapa más lenta porque la transferencia de calor tarda mucho tiempo en llegar a todas las moléculas de la masa. Para controlar la evacuación de calor por convección intervienen muchas variables, como el calor específico del agente de enfriamiento y su conductividad térmica.

La diferencia de temperatura entre el quenchant y el material puede afectar al proceso de convección. Normalmente, la mayor parte de la distorsión se produce en este punto.

Las tres fases de enfriamiento anteriores tienen lugar en orden en un lugar determinado. No obstante, en función de la geometría de la pieza y de la agitación, diferentes zonas iniciarán las distintas fases en distintos momentos.

Las tres fases del proceso de enfriamiento

Medios de enfriamiento

El enfriamiento se produce a través de cualquier medio, y a continuación se enumeran 4 medios diferentes. Cada uno tiene pros y contras, dependiendo de sus propiedades, elementos de contacto, tiempo, leyes de transferencia de calor y relaciones.

1. Aire: Utilización de una temperatura ambiente regular para enfriar el material calentado
2. Salmuera: Una solución de sal y agua es el medio de refrigeración más rápido a la hora de enfriar.
3. Petróleo: Una alternativa fiable y más rápida al aire.
4. Agua: Más rápido que el aire o el aceite para enfriar líquidos.

Aunque la bibliografía contiene abundante información sobre los medios mencionados, vamos a explorar los dos principales, el aceite y el agua.

Enfriamiento por agua

El agua tiene la propiedad de enfriar el material más rápidamente que el aceite y el aire, por lo que el enfriamiento mediante agua es un proceso rápido.

• El procedimiento de enfriamiento con salmuera tiene una reacción mucho más dura al enfriarse que cualquier otro, por lo que el método más eficaz es utilizar agua.
• Antes de este proceso, el agua tiene que estar a temperatura ambiente o a la temperatura deseada. Después, cuando el material calentado se introduce en el agua de refrigeración, cambia de fase según las etapas.
• Los resultados son más rápidos en el enfriamiento rápido con agua. Otra ventaja es que es un método de enfriamiento rápido, por lo que es el menos costoso tanto en dinero como en tiempo. Sin embargo, por supuesto, el resultado rápido también conlleva importantes inconvenientes.
• Esta velocidad rápida o instantánea tiene el inconveniente de que los productos finales son rígidos, quebradizos y fácilmente rompibles. El material templado puede etiquetarse como de buena o mala calidad.
• El enfriamiento con agua es una opción viable en el caso del temple del acero. La razón es que el acero tiene una forma única de enfriarse que puede conseguirse mediante el agua. El acero carbonizado se calienta por encima de su temperatura de recristalización.
• Al enfriar inmediatamente el acero, el enfriamiento rápido con agua evita que el acero se funda en esta fase cuando, de lo contrario, se fundiría si no se detuviera. Por lo tanto, el enfriamiento rápido con agua es más adecuado para el acero que los demás medios.

Temple en aceite

Una de las técnicas de temple más populares en el sector del temple de metales es el temple en aceite. El método óptimo para endurecer aleaciones metálicas les confiere la dureza y potencia necesarias sin que se vuelvan rígidas y quebradizas durante el proceso.

El temple en aceite tiene varias ventajas, pero la principal es que se calienta más lentamente que otros medios de temple y se enfría durante más tiempo, lo que da al material calentado mayor estabilidad y tiempo de endurecimiento.

Además, esto garantiza que el material templado no será excesivamente quebradizo y se mantendrá perfectamente. Por lo tanto, es preferible a los métodos de agua, aire o salmuera porque reduce la posibilidad de que el cuerpo del metal templado se deforme o se agriete.

El enfriamiento rápido

Diferencia entre enfriamiento con agua y enfriamiento con aceite

El agua y el aceite son dos tipos de medios distintos. Ambos se distinguen en algunos aspectos y se comportan de forma diferente en el enfriamiento. La tabla siguiente resume una visión general de las disparidades entre ambos medios.

Enfriamiento con agua frente a enfriamiento con aceite

Conclusión

• Los grados, las aplicaciones y la composición de los componentes de aleación del acero influyen en la velocidad de enfriamiento.
• La velocidad a la que se enfría una sustancia también depende de las características del agente de enfriamiento. En este artículo se han destacado los medios oleosos y acuosos. Ambos son únicos según las distintas aplicaciones.
• El aceite es bueno para el temple porque transmite rápidamente el calor sin alterar el metal. Aunque los agentes de temple cáusticos a base de agua son más rápidos, la potencia con la que actúan tiene el potencial de fracturar o deformar algunos materiales.