El error más frecuente durante el forjado de una herramienta es utilizar una temperatura excesivamente alta o prolongar demasiado el calentamiento. Y esto se vuelve más común cuanto mayor es la proporción de carbono en nuestro acero. Cuanto más carbono, antes se quema el acero, y nuestra ventana de trabajo se reduce drásticamente. Tenemos menos tiempo para forjar la herramienta.

El problema con el acero sobrecalentado es que puede no mostrar signos visibles de daño en su superficie, pero aún así, puede haber experimentado cambios significativos en su estructura interna y propiedades mecánicas. Este es un problema que no se evidencia hasta que la herramienta se rompe, momento en el que se puede observar el tamaño de grano del acero. Y si se puede ver a simple vista, ya es una mala señal.

Es fundamental respetar la ventana de forja de cada tipo de acero. Si calentamos por encima de la temperatura de forja recomendada, corremos el riesgo de sobrecalentar o incluso quemar el acero, lo que resulta en la pérdida de propiedades mecánicas irrecuperables.

El acero dulce, con un bajo porcentaje de carbono, no es tan propenso a sufrir cambios en su estructura, pero el acero de herramientas es mucho más vulnerable a perder propiedades mecánicas e incluso a deteriorarse por completo. Es por eso que es crucial tener un control preciso sobre la temperatura durante el proceso de forjado y no exceder los límites recomendados para cada tipo de acero.

TEMPERATURA EXCESIVA:

Si excedemos significativamente la temperatura de forja del acero, el tamaño de grano aumenta y perdemos propiedades mecánicas esenciales, como la resistencia mecánica y la tenacidad. Este fenómeno se conoce como sobrecalentamiento del acero.

Por otro lado, cuando calentamos el acero hasta el amarillo pálido donde se producen chispas como las de una bengala, una parte del carbono y del hierro puede quemarse en presencia de oxígeno en la superficie, y en especial en las aristas. Los productos de esta combustión del hierro, que son sólidos, quedan atrapados en los límites de grano. Este estado se conoce como acero quemado. La cohesión de los granos en la estructura cristalina se debilita, y desafortunadamente, no hay forma de regenerar este acero.

CALENTAMIENTO PROLONGADO:

El calentamiento prolongado del acero puede tener consecuencias similares al sobrecalentamiento, ya que conduce a un crecimiento excesivo del tamaño de grano. Este fenómeno resulta en una estructura cristalina menos refinada, lo que afecta negativamente las propiedades mecánicas del material, como su resistencia y tenacidad.

Acero sobrecalentado a diferentes temperaturas.

Sin embargo, a diferencia del acero quemado, el acero sobrecalentado o con un calentamiento prolongado aún puede ser tratado para restaurar su microestructura y, en consecuencia, mejorar sus propiedades. Los procesos de normalizado y recocido son técnicas comunes utilizadas para este propósito, pero la elección entre uno u otro dependerá del porcentaje de carbono presente en el acero. En algunos casos, realizamos los dos, e incluso varias veces.

Para evitar los problemas de quemado o sobrecalentamiento, es fundamental controlar el tiempo y la temperatura durante el calentamiento del acero. Además, es esencial seguir las recomendaciones específicas para cada tipo de acero en cuanto a temperaturas de forja. El conocimiento y el manejo adecuado de estos aspectos garantizan la integridad y la calidad de tus herramientas.

La templabilidad y la penetración del temple no son exactamente lo mismo, aunque están muy relacionadas. La templabilidad se refiere a la capacidad de un acero para transformarse en martensita durante el tratamiento térmico, especialmente durante el temple. La penetración del temple, por otro lado, es la profundidad a la cual el temple afecta la estructura del acero.

¿Cuánto penetra el temple en el acero?

Si templamos una barra de acero al carbono de 10 mm, el temple llegará al núcleo de la pieza. Podríamos medir la misma dureza de 60-65 HRC en la superficie y en el núcleo. Las características mecánicas (dureza, tenacidad y resistencia mecánica) son iguales en el interior y el exterior de nuestra pieza.

Si aumentamos el diámetro de la pieza a templar, el temple no penetra hasta el núcleo. Las propiedades mecánicas no serían las mismas, quedando el núcleo con durezas de 30-45 HRC. El núcleo no se enfría a la misma velocidad.

Esto lo podemos comprobar entallando con una piedra de esmeril o amoladora una probeta templada de bastante espesor y romperla por choque. La sujetamos en el tornillo de banco y le damos un golpe. En la fractura, observaríamos dos capas: una periférica, más dura, de grano más fino con más de 60 HRC, y otra central, más blanda, con aspecto más rugoso, de dureza inferior a 50 HRC.

Esto se debe a que los aceros tienen una velocidad crítica de temple. Esta es la velocidad mínima con la que tengo que enfriar para conseguir templar el acero. En el exterior es más fácil enfriar a la velocidad crítica; en el núcleo, depende del espesor de la pieza, ya que no se enfría a la misma velocidad el exterior que el núcleo, pudiendo quedar sin templar. O lo que es lo mismo, para poder templar hasta el núcleo, tengo que enfriar más rápido (a una velocidad mucho mayor), con un medio de enfriamiento más agresivo o incluso con una agitación más violenta.

Un acero con alta templabilidad puede endurecerse fácilmente con un enfriamiento moderado, mientras que un acero con baja templabilidad necesita un enfriamiento más rápido para lograr el mismo nivel de dureza.

¿Qué aumenta la templabilidad del acero?

La composición:

En la Revolución Industrial, el tamaño de las máquinas se iba escalando. La industria requería piezas más grandes, pero tras el tratamiento térmico, las propiedades mecánicas no eran homogéneas. Hasta la fecha, los muelles y resortes eran de aceros al carbono, que era el acero que existía. Para realizar un muelle de la suspensión de una locomotora, se dieron cuenta de que después de templar, el muelle no mantenía sus características mecánicas como la tenacidad y resistencia mecánica, al no estar templado el núcleo. Entonces fue cuando se empezó a añadir elementos de aleación que aumentaran la templabilidad del acero, consiguiendo templar hasta el núcleo las piezas que así lo requerían.

Elementos como el cromo, el manganeso, el molibdeno, el níquel e incluso el carbono, aumentan la penetración del temple.

Enfriando en el mismo medio un acero al carbono y un acero aleado, el temple penetra más en el acero aleado. Esto me permite templar en un medio menos agresivo, ya sea aceite o incluso aire, y conseguir templar en la superficie. En aceros de alta aleación, incluso al aire, podríamos templar hasta el interior.

Realmente, el efecto de los elementos de aleación es desplazar la curva de la “S” hacia la izquierda o hacia la derecha, aumentando o disminuyendo la velocidad crítica de temple, respectivamente.

La falta de templabilidad del acero al carbono, que puede parecer tener inconvenientes, es en algunos casos ventajosa. Esa falta de dureza en el núcleo va unida a una tenacidad mayor. El uso de estos aceros es, en muchos casos, recomendable en herramientas, aprovechando su dureza en el exterior y su tenacidad en el interior.

 La templabilidad no solo depende de los elementos de aleación, también de su porcentaje. 

El carbono aumenta la templabilidad y cuanto más carbono, más despacio puedo enfriar.

El tamaño de grano:

El tamaño de grano fino va acompañado de menos penetración de temple y los aceros de grano grueso suelen ser de gran penetración, lo que podría resultar en grietas durante el proceso de templado.

Si has forjado una herramienta, y al romperla ves el tamaño de grano a simple vista, no es una buena señal. 

El grano crece con la temperatura, y a partir de 900ºC crece a mayor velocidad. Cuando soldamos a la calda un acero laminado caldeado o acero de Damasco, el tamaño de grano tambien crece mucho. 

Una herramienta con grano fino acero de grano fino tendrá mejores propiedades mecánicas, que una con grano grueso.

Mejoraremos su tenacidad, un factor muy importante para la calidad y el comportamiento del acero. Si sibrecalentamos el acero en la fragua, el tamaño de grano aumenta, perdiendo propiedades mecánicas.

Un acero con grano fino tendrá más tenacidad que uno de grano grueso para la misma dureza. Además, las deformaciones en el temple de un acero de grano fino son mucho menores que en un acero de grano grueso, disminuyendo así la probabilidad de grietas. En el acero de grano grueso obtenemos tensiones residuales más altas después del temple que en los de grano fino.

Los aceros con grano grueso tienen mayor TEMPLABILIDAD que los aceros de grano fino. Por lo tanto, obtendremos más profundidad de temple, con un mayor riesgo de grietas al templar.

COMO CONSEGUIR UN GRANO FINO EN TUS HERRAMIENTAS:

Un acero comercial de calidad tiene un grano fino. Si lo forjas dentro de su ventana de trabajo, será mas fino todavía. Si lo sobrecalientas en la fragua, aumenta el tamaño de grano. Si lo quemas, pierdes material y propiedades que son irrecuperables.

Forjar los aceros dentro de su ventana de trabajo de forja es muy importante. En la sección de Nomenclador de Aceros, encontrarás las temperaturas de forja de los aceros con los que trabajo. Cuando forjamos afinamos el grano.

Cuando hacemos acero laminado caldado o acero de Damasco, sobrecalentamos mucho el acero. Unos ciclos de Normalizado y una buena reducción de volumen hará que tus herramientas tengan un grano fino. No solo el Normalizado afina el grano, forjar tus herramientas también.

Echa un ojo al post del Normalizado en la sección de Tratamientos Térmicos.

Como apunte, a nivel comercial, hay una diferencia muy señalada entre el grano de los aceros que durante el proceso de fabricación han sido desoxidados con silicio, y los aceros que han sido desoxidados con aluminio. Los aceros desoxidados con silicio, en general, tienen un grano grueso, mientras que los fabricados con aluminio presentan un grano fino.

¿Has experimentado ese resonante “clinnkkk” que aún persiste en tu cabeza?

 Te muestro los factores que influyen en la aparición de grietas en tus herramientas durante el templado, ya sean cuchillos, martillos, espadas, cortafríos o cualquier otra que requiera un temple y revenido para mejorar sus propiedades mecánicas.

Pero antes, es importante ver que tensiones se producen durante el templado de una herramienta.

TENSIONES QUE SE PRODUCEN EL PROCESO DE TEMPLADO:

TENSIONES TÉRMICAS:

Son producidas por la mayor o menor rapidez con que se enfrían las capas externas e internas del material.

En el enfriamiento rápido, la superficie se contrae, pero digamos que el núcleo no lo hace, aunque todavía conserva cierta plasticidad al estar caliente. Se generan tensiones de tracción en la superficie y de compresión en el núcleo. Estas tensiones son temporales, ya que cuando la superficie se enfría sin cambiar de volumen, el núcleo continúa enfriándose y, al reducir su volumen, disminuyen las tensiones internas. Esto provoca un cambio en las tensiones del núcleo: intenta reducir su volumen, pero el exterior ya rígido no lo permite, lo que genera tensiones de tracción en el interior. Después del enfriamiento final, quedan tensiones remanentes de compresión en la superficie, aunque estas no son las más peligrosas.

TENSIONES ESTRUCTURALES:

Se producen como consecuencia de los cambios de volumen que sufre en la transformación martensítica. La martensita ocupa más volumen que los componentes del acero no templado, por lo que durante el temple, debido a la temperatura Ms, la martensita se forma primero en la superficie, que alcanza esta temperatura antes que el núcleo. Como dicha transformación conlleva un aumento de volumen, se generan tensiones de compresión en la superficie y de tracción en las capas internas. A medida que el proceso continúa, el signo de las tensiones en la superficie y en el núcleo cambia, resultando en tensiones residuales de tracción en la superficie y de compresión en el núcleo.

Las tensiones más peligrosas son las de tracción en la superficie, ya que pueden provocar fisuras. Es necesario reducir las tensiones estructurales, las cuales serán mayores cuanto más alta sea la temperatura de temple y la velocidad de enfriamiento entre Ms (comienzo de la transformación de martensita) y Mf (temperatura final de transformación de la martensita).

FACTORES QUE INFLUYEN EN LAS TENSIONES DURANTE EL TEMPLADO

El origen de unas grietas cuando hemos templado un martillo o un cuchillo, es difícil de  determinar, pero creemos que es interesante comentar las causas que pueden contribuir a su formación y señalar algunos medios que se pueden emplear para evitarlas.

Los principales factores que hay que considerar en la fabricación y tratamiento de las herramientas de forma complicada son:

1.- La composición del acero.

2.- La geometría de la pieza y su acabado superficial.

3.- La temperatura y medio de calentamiento.

4.- El medio o método de enfriamiento. (Aire, agua o aceite)

5.- La agitación en el medio fluido (Ninguna, moderada o violenta)

6.- La buena o mala calidad del acero.

7.- Sobrecalentamientos o quemado del acero durante el proceso de forja.

8.- Forjado en frío, a una temperatura inferior a la ventana de forja del acero.