Tabla de colores del tratamiento térmico del acero

El acero cambia de color en una secuencia predecible al calentarse: desde rojo oscuro alrededor de 677 °C (1250 °F) hasta blanco incandescente cerca de 1371 °C (2500 °F), y a través de una gama distinta de colores de óxido de película delgada (paja, púrpura, azul) entre 193 °C y 371 °C (380 °F y 700 °F) durante el revenido. El color que se observa depende de cuál de dos efectos físicos se produce: la incandescencia a temperaturas de forja o la interferencia de la película de óxido a temperaturas de revenido más bajas.

¿Por qué el acero cambia de color al calentarse?

Los cambios de color que se observan al calentar el acero se deben a dos fenómenos físicos distintos, que dependen del rango de temperatura: incandescencia a altas temperaturas e interferencia de película delgada a temperaturas más bajas.

A temperaturas elevadas, las moléculas de acero vibran intensamente alrededor de los puntos de su red cristalina. A medida que se acumula esta energía térmica, el acero irradia energía electromagnética en forma de luz visible, un proceso conocido como incandescencia. La física de la radiación de cuerpo negro muestra que, a medida que aumenta la temperatura de un cuerpo calentado, la intensidad general de la luz emitida aumenta y su intensidad máxima se desplaza hacia longitudes de onda más cortas y de mayor energía. Dado que el ojo humano detecta primero la luz en el espectro rojo de mayor longitud de onda, el acero calentado emite inicialmente un tenue brillo rojo. A medida que aumenta la temperatura, se emiten longitudes de onda más cortas de color naranja y luego amarillo con mayor intensidad; finalmente, una vez que el acero está lo suficientemente caliente como para emitir longitudes de onda verdes y azules, la mezcla de todos los colores visibles hace que la luz parezca blanca.

A temperaturas más bajas, generalmente por debajo de 371 °C (700 °F), antes de que el acero comience a brillar, los cambios de color se deben a la oxidación superficial controlada, en lugar de la incandescencia. Cuando el acero limpio y brillante se calienta en una atmósfera oxidante, el oxígeno reacciona con el hierro de la superficie para formar una película microscópica de óxido de hierro. La luz que incide sobre esta fina capa de óxido semitransparente se refleja parcialmente en la superficie de la película y la penetra parcialmente, para luego reflejarse en el metal subyacente. Estos dos conjuntos de ondas de luz reflejadas interfieren y, según el grosor preciso de la película de óxido, ciertas longitudes de onda se cancelan mientras que otras se refuerzan. Esta interferencia produce los colores vibrantes y distintivos que se observan en el acero templado; a medida que aumentan el tiempo y la temperatura de calentamiento, la película de óxido se engrosa y los colores de interferencia cambian progresivamente a través de una gama bien definida de amarillos, marrones, púrpuras y azules.

Colores de calor de forjado y endurecimiento

Niveles de temperatura para distintos colores de calor

Fuente: Bethlehem Steel Corp., 1936

Lectura del color del calor durante el forjado y la austenización

Durante siglos, los herreros se basaron en el brillo visual del acero caliente para medir la temperatura durante el forjado y la austenización, el proceso de calentar el acero hasta que su estructura se transforma completamente en austenita antes del temple. En el rango de rojo opaco a rojo tenue, aproximadamente de 400 °C a 700 °C (752 °F a 1292 °F), el acero muestra los primeros signos de incandescencia visible; un rojo tenue es visible en una habitación oscura alrededor de los 400 °C (750 °F), mientras que un rojo opaco distintivo aparece más cerca de los 500 °C a 790 °C (1100 °F a 1292 °F). A medida que el color cambia a rojo brillante o rojo cereza, alrededor de los 704 °C a 800 °C (1300 °F a 1472 °F), el acero entra en el rango crítico de endurecimiento para los aceros para herramientas de carbono simple, que normalmente requieren un temple de aproximadamente 770 °C a 890 °C (1350 °F a 1550 °F). El color naranja y naranja brillante, aproximadamente entre 788 °C y 900 °C (1450 °F y 1652 °F), marca el rango de endurecimiento estándar para muchos aceros aleados para herramientas, que requieren temperaturas más altas para disolver completamente los elementos de aleación en la matriz de austenita. Por encima de los 900 °C (1740 °F), el acero brilla de amarillo limón a amarillo claro, y este rango es donde normalmente comienza el forjado pesado para aceros para herramientas de trabajo en caliente y aceros de alta velocidad. En el extremo opuesto, blanco o blanco brillante, aproximadamente entre 1100 °C y 1400 °C (2012 °F y 2552 °F), es donde los aceros de alta velocidad generalmente se austenizan, normalmente entre 1200 °C y 1250 °C (2250 °F y 2400 °F), para disolver los carburos de aleación altamente estables antes del temple.

Para distribuidores y compradores que buscan productos D2, H13 o A2 En grandes cantidades, esta gama de colores importa menos para evaluar su propio horno que para comprender por qué las temperaturas de austenización en la fábrica difieren tanto entre los distintos grados. La diferencia entre el acero al carbono común y el acero rápido al rojo vivo no es una simple nota técnica; es la razón por la que dos aceros para herramientas que parecen similares en un certificado pueden requerir equipos de tratamiento térmico y controles completamente diferentes por parte del cliente.

Por qué la percepción del color varía según el tipo de acero.

Un técnico en tratamiento térmico no puede asumir que un color determinado representa la misma temperatura en todos los grados de acero, y varios factores metalúrgicos explican por qué. La luz emitida por el acero caliente nunca es radiación de cuerpo negro perfecta. Su intensidad se ve modificada por la emisividad espectral del material, la relación entre la radiación emitida por la superficie del acero y la de un radiador de cavidad ideal a la misma temperatura, y la emisividad es altamente sensible a las películas superficiales y la oxidación. Las diferentes composiciones químicas del acero también se oxidan a velocidades muy diferentes a altas temperaturas. Los aceros altamente aleados, como los aceros inoxidables con alto contenido de cromo, resisten la oxidación y no se descascarillan ni forman películas como lo hacen los aceros al carbono simples; esta diferencia en la formación de películas de óxido afecta directamente el brillo y el tono percibidos a una temperatura real dada, razón por la cual una carta de colores estándar para acero al carbono no se puede interpretar de la misma manera que para un acero inoxidable o de alta aleación. Ciertos grados de acero también tienen límites térmicos estrictos ligados a su composición química. Los aceros tradicionales para crisoles, por ejemplo, pueden contener una fase eutéctica ternaria de austenita, cementita y fosfuro de hierro conocida como steadita, que se funde a tan solo unos 966 °C (1770 °F). Los herreros que trabajaban con estos aceros debían interpretar el brillo rojo con mucha precaución, ya que dejar que el acero alcanzara un color naranja amarillento brillante podía fundir la steadita dentro del lingote y provocar fragilidad en caliente, una extrema fragilidad a alta temperatura que hace que el lingote se rompa bajo el martillo.

Por este motivo, Aobo Steel suministra acero para herramientas recocido con certificados de prueba de fábrica, en lugar de pedir a los clientes que se guíen por el aspecto visual en operaciones críticas. La composición química varía lo suficiente entre los distintos grados, e incluso entre lotes del mismo grado, como para que el color por sí solo no pueda sustituir un proceso documentado.

Colores de temple y lo que indican

Niveles de temperatura para distintos colores de temple

Fuente: Bethlehem Steel Corp., 1936

Color de temple que coincide con la dureza y la tenacidad.

El revenido es un tratamiento térmico subcrítico realizado después del endurecimiento por temple para reducir la fragilidad, aliviar las tensiones internas y restaurar la tenacidad. Cuando el acero se revende al aire, el color del óxido que se desarrolla en una superficie pulida ha servido durante mucho tiempo como una guía visual de la temperatura alcanzada y, en consecuencia, del equilibrio resultante entre dureza y tenacidad. Un color amarillo pajizo o amarillo pálido, alrededor de 430 °F (220 °C), indica una película de óxido muy delgada y corresponde al acero que conserva cerca de su dureza máxima alcanzable, típicamente de 60 a 64 HRC, con baja tenacidad; este es el temple comúnmente combinado con limas, cortadores de papel y herramientas de corte de acero que necesitan una resistencia extrema al desgaste y un filo afilado. Un color pajizo oscuro u dorado, aproximadamente de 460 °F a 490 °F (238 °C a 254 °C), indica una capa de óxido ligeramente más gruesa, con una dureza ligeramente reducida y una tenacidad mejorada; Este rango se suele combinar con punzones, matrices, cuchillas de corte y cinceles que necesitan soportar impactos moderados sin astillarse. El púrpura o marrón púrpura, alrededor de 520 °F a 540 °F (271 °C a 282 °C), refleja una película de óxido más gruesa, con una dureza que disminuye aún más mientras que la ductilidad y la tenacidad aumentan; este equilibrio se usa a menudo para herramientas de carpintería, hachas, instrumentos quirúrgicos y herramientas de prensado. El azul o azul oscuro, aproximadamente 560 °F a 600 °F (293 °C a 316 °C), indica una capa de óxido gruesa y densa y una dureza significativamente reducida a cambio de la máxima elasticidad y resistencia al impacto, razón por la cual este color está estrechamente asociado con destornilladores, sierras para madera y resortes, a menudo descrito como temple de resorte.

Para los compradores que buscan que el color del temple coincida con un grado específico de acero Aobo, consulten el rango de dureza de trabajo que figura en la guía de grados correspondiente, ya que el mismo color de temple puede corresponder a una dureza notablemente diferente según el contenido de aleación.

Advertencia crítica: Fragilidad azul y fragilización de la martensita templada.

Si bien el color azul indica la máxima tenacidad para los resortes de acero al carbono, calentar aceros al carbono simples y algunos aceros aleados dentro de este rango de temperatura azul, típicamente de 230 °C a 370 °C (450 °F a 700 °F), puede desencadenar la fragilidad azul, una forma acelerada de fragilización por envejecimiento de la tensión en la que los átomos de carbono se segregan y fijan las dislocaciones, lo que provoca una caída repentina e inesperada en la ductilidad y la tenacidad al impacto de entalla. Los aceros aleados de alta resistencia templados en este mismo rango también son altamente susceptibles a la fragilización de la martensita templada, una forma severa de fragilización en una sola etapa. Por esta razón, las piezas estructurales de alta resistencia y las herramientas críticas se templan estrictamente muy por debajo o muy por encima de este rango de temperatura azul, nunca dentro de él.

Errores comunes al juzgar el color del temple a simple vista

El revenido por color es una técnica tradicional, pero el juicio visual es propenso a errores graves cuando se pasan por alto algunos factores críticos. El color del óxido solo se forma correctamente en acero pulido hasta obtener un metal brillante y completamente desnudo, y cualquier aceite residual, humedad, óxido, cascarilla o incluso una huella dactilar impide un contacto uniforme con el oxígeno, produciendo una coloración distorsionada, irregular o totalmente incorrecta. El crecimiento de la película de óxido también es una reacción controlada por difusión que depende tanto de la temperatura como del tiempo, por lo que un color determinado nunca representa una sola temperatura, sino una exposición térmica; una tabla de colores estándar muestra que se forma un púrpura intenso después de mantener el acero a 450 °F durante una hora completa, pero el calentamiento rápido con soplete mantenido durante solo ocho minutos necesita una temperatura mucho más alta, alrededor de 640 °F, para desarrollar ese mismo púrpura, razón por la cual el revenido rápido con soplete por color a menudo resulta en un revenido insuficiente o excesivo. Las tablas de temperatura de color también están calibradas estrictamente para aceros al carbono simples, y aplicarlas a grados altamente aleados o inoxidables causa problemas reales, ya que estos aceros resisten la oxidación mucho más fuertemente; Si un operario calienta una aleación o acero inoxidable hasta que adquiere un color amarillo pajizo, la temperatura real del metal será significativamente superior a la indicada en la tabla de temperaturas para acero al carbono, lo que provoca un sobrecalentamiento y un ablandamiento excesivo de la herramienta. Por último, el color del óxido superficial es un fenómeno puramente superficial, y debido a la baja conductividad térmica del acero, las secciones más gruesas se ven afectadas por un marcado efecto de masa, donde el interior se calienta mucho más lentamente que el exterior. Si una sección gruesa se calienta rápidamente hasta que la superficie se vuelve azul, el núcleo de la herramienta puede permanecer frío y sin templar, dejando el interior en un estado de alta tensión, frágil y propenso a agrietarse.

Limitaciones del juicio de temperatura basado en el color

Confiar en el color es simple y no requiere equipo, pero sus limitaciones son lo suficientemente serias como para que no sea adecuado para el tratamiento térmico industrial moderno de alta precisión. La percepción de un metal brillante o un color de óxido superficial depende en gran medida de la iluminación ambiental; un tenue brillo rojo fácilmente visible en una habitación oscura a unos 750 °F es completamente invisible a plena luz del día, donde se necesita una temperatura superior a 1000 °F para que se pueda detectar cualquier brillo, y los herreros que no controlan la iluminación del taller suelen juzgar mal las temperaturas por varios cientos de grados. La estimación visual también es inherentemente subjetiva y varía de persona a persona según la experiencia, la edad y la agudeza visual; incluso el juicio de un operador experimentado puede cambiar con la fatiga ocular o cambios sutiles en la luz. El juicio también es ciego a los daños ocultos en la subsuperficie; Durante el rectificado, por ejemplo, las velocidades de avance excesivas pueden generar calor por fricción localizado que supera la temperatura de revenido, lo que se manifiesta clásicamente como colores azules en la superficie. Sin embargo, un ligero acabado superficial puede eliminar esa capa descolorida, mientras que el daño estructural subyacente, que puede incluir un revenido excesivo o una reaustenización localizada seguida de un enfriamiento rápido en martensita frágil sin revenir, permanece completamente invisible a simple vista. El color tampoco proporciona información sobre el tiempo de mantenimiento; para lograr las propiedades mecánicas deseadas, es necesario mantener el acero a la temperatura el tiempo suficiente para que la microestructura se transforme por completo, y el calentamiento basado en el color, especialmente con un soplete, no ofrece control sobre ese tiempo de mantenimiento, dejando a menudo el núcleo de la pieza estructuralmente subtratado incluso cuando la superficie muestra el color correcto.

Precisamente por eso, las modernas instalaciones de tratamiento térmico han sustituido en gran medida el criterio basado en el color por termopares calibrados, lápices indicadores de temperatura y pirómetros infrarrojos, y por eso Aobo Steel respalda cada envío con certificados de prueba de fábrica y datos documentados sobre composición química y dureza, en lugar de basarse únicamente en la inspección visual.

Recursos relacionados con el tratamiento térmico

Para conocer los parámetros del tratamiento térmico por grado específico, incluyendo la temperatura de austenización, el método de temple y la dureza de trabajo, consulte la Centro Técnico de Tratamiento Térmico de Aceros para Herramientas. Allí encontrará guías específicas para cada grado de acero, que abarcan los aceros para herramientas D2, A2, O1, H13 y otros aceros comunes, cada una con el rango de procesamiento y los factores de riesgo relevantes para esa aleación.

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