Guía de tratamiento térmico del acero 52100

AISI 52100 Es un acero hipereutectoide con alto contenido de carbono y bajo contenido de cromo, que contiene aproximadamente 1,01 TP3T de carbono y 1,51 TP3T de cromo. Se utiliza ampliamente a nivel internacional para cojinetes totalmente endurecidos y aplicaciones de alto desgaste.

Las propiedades del acero 52100 se derivan tanto de su composición como de un tratamiento térmico de endurecimiento adecuado. Mientras que el tratamiento térmico convencional del acero para herramientas busca minimizar la austenita retenida para prevenir la deformación y el agrietamiento, el tratamiento térmico del acero 52100 retiene intencionalmente una parte de ella. Cuando el 52100 se utiliza en cojinetes, genera fatiga por contacto rodante de alta frecuencia. La austenita residual está diseñada específicamente para soportar esta condición de funcionamiento. Las investigaciones indican que los cojinetes de 52100 con un contenido de austenita residual (AR) de 5% a 15% suelen presentar una vida útil a la fatiga por rodadura mayor que los cojinetes sin contenido de AR.

Tras recibir nuestro acero 52100 recocido, nuestros clientes deben realizar sus propios tratamientos térmicos, incluyendo el recocido de alivio de tensiones y el endurecimiento. El proceso de endurecimiento sigue los procedimientos estándar para aceros de herramienta, que comprenden el precalentamiento, la austenización, el temple y el revenido. Este documento se centra en estos pasos.

Tratamiento térmico para aliviar el estrés

Para garantizar la estabilidad dimensional durante la posterior etapa de endurecimiento del acero 52100, es fundamental realizar operaciones de alivio de tensiones, especialmente después de un mecanizado o conformado intenso. Las tensiones residuales de mecanizado en la pieza se alivian durante el tratamiento térmico, lo que provoca cambios dimensionales significativos.

Procedimiento operativo: Calentar a una temperatura de entre 650 °C y 700 °C (entre 1200 °F y 1300 °F). Mantener a esta temperatura durante el tiempo suficiente para eliminar por completo las tensiones internas. Posteriormente, enfriar lentamente la pieza en el horno hasta aproximadamente 500 °C, seguido de un enfriamiento final al aire hasta alcanzar la temperatura ambiente.

Precalentamiento

El precalentamiento del acero AISI 52100 previene el choque térmico y garantiza una distribución uniforme de la temperatura entre la superficie y el núcleo de la pieza. Este acero de alto contenido en carbono tiene una conductividad térmica relativamente baja. Un calentamiento rápido puede generar diferencias de temperatura significativas entre el interior y el exterior, aumentando el riesgo de agrietamiento en el material 52100. El rango de temperatura de precalentamiento es de 650 °C a 705 °C (1200 °F a 1300 °F).

Austenitización

El objetivo de la austenización es disolver la cantidad adecuada de carbono y cromo en la fase austenítica para garantizar una alta dureza tras el temple. Simultáneamente, se preservan los carburos no disueltos, finamente dispersos y distribuidos, para mejorar la resistencia al desgaste del material. 

La temperatura de austenización recomendada para el acero 52100 suele ser de 815 °C a 845 °C (1500 °F a 1555 °F). El tiempo de mantenimiento debe ser de 10 a 30 minutos, según las dimensiones de la sección transversal de la pieza. Es fundamental evitar el sobrecalentamiento o un tiempo de mantenimiento excesivo, ya que estas prácticas generan un exceso de austenita retenida y reducen significativamente la tenacidad del material debido al crecimiento del grano.

Enfriamiento

El temple está diseñado para transformar rápidamente la estructura austenítica en martensita. El acero AISI 52100 se puede templar en aceite; el temple en agua está prohibido, ya que la intensa temperatura de enfriamiento que produce el temple en agua es altamente propensa a inducir fisuras por tensión. El baño de aceite debe mantenerse entre 40 °C y 60 °C (100 °F y 140 °F). Este rango de temperatura garantiza un enfriamiento estable y minimiza la deformación causada por el choque térmico. 

La agitación mecánica durante el temple es esencial para asegurar un enfriamiento uniforme y evitar puntos blandos localizados. Cuando se templa correctamente, el acero 52100 suele alcanzar una dureza de 63 a 65 HRC.

Templado

Cuando la pieza de acero 52100 se enfría durante el temple hasta alcanzar una temperatura residual (entre 50 °C y 70 °C), debe trasladarse inmediatamente al horno de revenido. El revenido elimina las tensiones de temple, reduciendo la fragilidad del acero 52100 y previniendo el agrietamiento espontáneo. Para aplicaciones en cojinetes, las temperaturas de revenido estándar oscilan entre 180 °C y 250 °C para mantener una dureza superior a 60 HRC.

Problemas comunes y soluciones en el tratamiento térmico del acero 52100

1. Descarburación

La descarburación se produce principalmente cuando las piezas reaccionan con el oxígeno a altas temperaturas, lo que provoca la pérdida de carbono superficial y la formación de una capa blanda. Para prevenir eficazmente la descarburación, se recomienda utilizar atmósferas protectoras, baños de sales o hornos de vacío para el calentamiento durante el proceso de endurecimiento 52100. Es fundamental mantener una atmósfera estrictamente neutra o ligeramente reductora dentro del horno para evitar reacciones de oxidación.

2. Grietas de enfriamiento

Las grietas por temple en la aleación 52100 suelen originarse por velocidades de enfriamiento excesivas o choque térmico, y ocurren con mayor frecuencia durante el temple en agua o al calentar por encima de la temperatura recomendada. Para solucionar este problema, utilice aceite a 40-60 °C como medio de temple. Asimismo, minimizar las diferencias de temperatura entre el interior y el exterior de la pieza mediante un precalentamiento adecuado, junto con un control estricto de la temperatura de austenización dentro del rango recomendado, puede reducir significativamente el riesgo de agrietamiento.

3. Distorsión dimensional

Las principales causas de deformación dimensional en la pieza de trabajo 52100 incluyen velocidades de enfriamiento desiguales y la liberación de tensiones residuales de mecanizado durante el calentamiento. Para solucionar este problema, se recomienda incorporar un tratamiento de alivio de tensiones después del mecanizado en bruto, realizado a 650 °C-700 °C. Además, el uso de un método de temple escalonado permite lograr una distribución uniforme de la temperatura en toda la pieza de trabajo antes del inicio de la transformación martensítica, controlando así eficazmente la deformación.

4. Austenita retenida

El sobrecalentamiento durante la austenización del acero 52100 reduce la temperatura de inicio de la transformación martensítica (Ms), lo que genera un exceso de austenita retenida tras el temple. Esta estructura es más blanda, lo que provoca inestabilidad dimensional en la pieza. La solución consiste en respetar estrictamente el rango de temperatura de austenización de 815-845 °C. Para requisitos especiales, se puede realizar un tratamiento criogénico profundo inmediato (p. ej., de -70 °C a -100 °C) tras el temple para favorecer la transformación completa de la austenita retenida en martensita.

Preguntas frecuentes