Cuando una pieza de acero durante su tratamiento térmico sufre una oxidación superficial, esta experimenta pérdidas de sus propiedades mecánicas reflejada por bajos valores de dureza, produciendo mayor desgaste y una vida útil muy corta de la pieza. Una forma de prevenir esta oxidación es utilizar hornos en vacío; hornos con atmosfera neutra; hornos con atmósfera protectora o hornos con baños de sales. La utilización de atmósfera neutra utilizando gas nitrógeno es el medio mas económico de prevenir la oxidación superficial
La oxidación superficial, conocida como corrosión seca, genera una capa de óxido, cuyo proceso de formación es electroquímico, con dos semi-reacciones de oxidación y reducción, formandose iones metálicos ( aniones y cationes). La capa de oxido formada actúa como electrólito y es a a través de la cual se difunden los iones. Los bajos valores de dureza son provocados por la pérdida superficial del carbono (descarburación), que ocurre después de la oxidación superficial. La interacción del metal con la atmósfera que lo rodea, puede provocar las siguientes reacciones de oxidacion: Con el oxígeno: 2Fe +O 2 2FeO Con el vapor de agua: Fe + H 2 O FeO +H 2 Con el dióxido de carbono: Fe + CO 2 FeO + CO La oxidación ocurre por la disminución de la energia libre y la cinética de la reacción aumenta exponencialmente con la temperatura. En el proceso de descarburación, la austenita del acero cede carbono: Austenita(C) + 2H 2 Fe +CH 4 Austenita (C) + 0.5 O 2 Fe + CO
Definición de un acero herramienta Los aceros herramientas son aceros de alta calidad fabricados con una composición química controlada y procesados para ser utilizados en el proceso de trabajado y conformado de otros materiales. Los aceros para herramientas se usan para maquinar y formar otros materiales y se diseñan para tener alta dureza y gran resistencia al desgaste, bajo severas condiciones de servicio. Aplicaciones principales de los aceros herramienta Los aceros herramientas tienen aplicaciones en: cuchillas de corte, matrices para el troquelado y conformado de láminas, punzones y matrices para fabricación de pastillas, moldes para fabricación de plásticos, moldes para fundición por inyección, extrusión, forjado en caliente de metales, forjado a frio de piezas de acero, calibradores y patrones de calibración, etc. Porcentaje de carbono El porcentaje de carbono de estos aceros, varía entre un rango bastante amplio, desde valores muy bajos como 0.1%, hasta valores tan altos como 2.5% y muchos de ellos tienen elementos de aleación en su composición química, tales como el cromo, tungsteno, molibdeno, cobalto y vanadio.
La resistencia al desgaste de los aceros para herramientas aumenta con el incremento de la fracción en volumen y tipo de carburos formados. La resistencia al desgaste de un acero herramienta varia con la fracción de volumen de carburos y con la fracción volumétrica de de la martensita que se forman durante el temple del acero. La resistencia al desgaste generada por los carburos metálicos de elementos de transición tienen valores muy altos de dureza y los aceros herramientas se fabrican y se seleccionan para producir grandes fracciones en volumen, de dichos carburos. Actualmente los carburos se identifican y se cuantifican utilizando diversas técnicas experimentales como metalografía óptica, difracción de rayos x y microscopía electrónica de barrido con micro sonda electrónica incorporada o también por microscopía electrónica de transmisión.
TABLA N 1 TABLA DE DUREZA EN HRC, DE LOS ACEROS AISI O1 Y AISI D2, CALENTADOS EN ATMOSFERA INERTE Y TEMPLADOS EN ACEITE ACEROS MEDICIONES PROMEDIO x σx sx AISI O1 60/61/60/59/60 60.0 0.6324 0.7071 AISI D2 63/62/63/64/62 62.8 0.7483 0.8366 TABLA N 2 TABLA DE DUREZA EN HRC, DEL ACERO AISI D3, CALENTADOS EN ATMOSFERA INERTE Y TEMPLADO EN ACEITE ACERO/PROBETA MEDICIONES PROMEDIO x σx sx AISI D3 (3 58.8/65.8/63.8/66.8/65.8 64.2 2.87 3.20 agujeros) AISI D3 (sin agujeros) 65.8/65.8/67.4/66.7/60.8 65.3 2.32 2.60 TABLA N 3 TABLA DE DUREZA EN HRC, DE LOS ACEROS AISI O1 Y AISI D2, CALENTADOS SIN ATMOSFERA INERTE Y TEMPLADOS EN ACEITE ACEROS MEDICIONES PROMEDIO x σx sx AISI O1 55/53/54/56/52 54 1.41 1.58 AISI D2 58/58/59/59/60 58.8 0.75 0.84
CONCLUSIONES Los tratamientos térmicos de aceros herramientas para trabajo en frio, realizados en atmosfera neutra de gas nitrógeno, garantizan una mejor calidad de tratamiento térmico de las piezas y previenen la oxidación superficial y posterior descarburación. Esta forma de prevención de la oxidación por atmosfera neutra, a diferencia de los baños de sales fundidos no es dañina para la salud y no contamina el medio ambiente. El espesor de la capa descarburada medida al microscopio óptico, es de 200 micrones. La dureza de muestras con capa descarburada es menor que la dureza de muestras tratadas en atmosfera neutra. La observación visual de las muestras tratadas en atmosfera neutra, no presenta capa oxidada. RECOMENDACIONES Continuar investigando sobre las otras posibilidades de utilizar otras atmosferas de protección en los tratamientos térmicos de aceros. Utilizar sonda de oxígeno para controlar la composición de la atmosfera. Investigar las reacciones termodinámicas de la oxidación. Investigar sobre la cinética de la descarburación. Propiciar el desarrollo de investigación tecnólogica en el uso de atmósferas protectoras con empresas del país que requieran la utilización tratamientos térmicos de aceros herramientas.