Control del enfriamiento rápido en medios fluidos y gaseosos
Bernd Edenhofer, Marcos Garcia Jimenez
Ipsen International GmbH, Kleve/D

1. Introducción

En muchos procesos de tratamiento térmico el enfriamiento rápido representa una etapa muy significativa ya que es la que confiere a la pieza sus características.

Para llevar a cabo el enfriamiento rápido se dispone de medios muy diversos. Con independencia de cuál sea el empleado en cada caso se deben considerar 3 condiciones fundamentales a la hora de regular la intensidad del enfriamiento:

El enfriamiento rápido debe ser:

1. tan rápido como sea necesario
2. tan lento como sea posible
3. con disipación uniforme de calor
a) en toda la pieza
b) en todo el lote.

El criterio "tan rápido como sea necesario" incluye la condición de obtener una dureza suficiente. Lo que supone llevar a cabo el enfriamiento rápido, en especial en su inicio, con rapidez suficiente para que la temperatura de la superficie y el núcleo de la pieza afectada eviten justo la nariz que forman perlita y bainita en el diagrama TTT.

El criterio "tan lento como sea posible" pretende minimizar la deformación de las piezas en el enfriamiento rápido. Es razonable por tanto retrasar el enfriamiento rápido en el rango en el que se producen transformaciones estructurales, atravesando muy despacio este rango de temperaturas (figura 1)

Figura 1: Enfriamiento muy rapido al principio y retrasado en el rango de la transformacion martensitica

2. Medios para el enfriamiento rápido

¿Cuáles son las posibilidades que tiene el usuario en la práctica para influenciar el proceso de enfriamiento rápido y controlar su intensidad?

En primer lugar está la elección del medio de enfriamiento. El usuario dispone de los medios:

- agua
- soluciones acuosas de polímeros
- aceites de temple
- baño de sales
- gases,
de los cuales sólo resultan de interés para los hornos de atmósfera controlada y de vacío considerados aquí los 3 medios
- aceites de temple
- baño de sales
- gases.
Naturalmente, el comportamiento de estos medios en el enfriamiento rápido es totalmente distinto.

Figura 2: Curva esquemática del enfriamiento y de la velocidad del enfriamient rápido en aceite

Los fluidos evaporables, como los aceites minerales presentan una velocidad de enfriamiento menor (menor disipación de calor) en la fase de vapor y una velocidad de enfriamiento muy elevada en la fase de ebullición nucleada (figura 2). La transición de la fase de vapor a la de ebullición nucleada en un fluido evaporable nunca se produce con uniformidad en toda la superficie de la pieza. Como muestra claramente la figura 3, se produce una disipación de calor muy diversa en la superficie de la pieza que tiene como consecuencia diferencias de temperatura de varios cientos de grados en la superficie [1]. Este inconveniente se puede evitar seleccionando un medio que no se evapore durante el enfriamiento rápido, como el baño de sales o los gases.

Figura 3: Evolución del colapso de la fase de vapor [1]

3. Control del enfriamiento rápido en baños de aceite

El usuario tiene varias posibilidades de modificar el efecto del enfriamiento y, con ello, de modificar la velocidad del mismo e incluso de controlarlo.

En primer lugar, puede seleccionar el tipo de aceite de enfriamiento rápido. Como es sabido existen distintos tipos de aceites de enfriamiento rápido que se diferencian principalmente en su viscosidad y su resistencia térmica.
La figura 4 muestra las diferencias entre el efecto de un aceite de alto rendimiento (aceite 1) y un aceite de temple caliente (aceite 2). En un baño de aceite a 110°C la fase de vapor se prolonga y se reduce el valor máximo de velocidad de enfriamiento en la fase de embullición nucleada, desplazándose hacia temperaturas más bajas. También se reduce la velocidad de enfriamiento por debajo de los 250°C.

Figura 4: Característica del enfriamento de dos aceites y dos sales

Junto a la determinación de un tipo de aceite y de la temperatura del baño, el usuario dispone en su equipo de enfriamiento rápido de 4 parámetros más de control.

Se trata de

- la velocidad de circulación del medio
- el sentido de circulación o la dirección de incidencia del flujo
- la evolución temporal de estos parámetros
- la presión del gas sobre el baño de aceite.

En hornos con tanque de enfriamiento incluso la velocidad de circulación del aceite puede tomar 3 valores:

- cero
- velocidad lenta (la mitad de la máxima)
- velocidad alta (máxima)

y, respecto a la dirección del flujo de entrada, existen las 2 posibilidades siguientes:

- vertical desde abajo (ascendente)
- vertical desde arriba (descendente).

La mayor variabilidad se da en la evolución temporal de estos parámetros. Así, por ejemplo, la secuencia temporal:

- sumergir en baño de aceite en reposo y, si es necesario, mantener durante unos segundos
- flujo rápido durante unos minutos
- flujo lento en la fase final

es una forma de proceder muy extendida para uniformizar el efecto del enfriamiento rápido en un lote.

El cambio en la dirección del flujo dentro de un ciclo de enfriamiento rápido se emplea raramente en Europa y Estados Unidos pero es frecuente en Japón. Sólo se justifica si la inversión del sentido vertical tiene lugar con rapidez. Para ello el sistema de elevación de la mesa que se introduce en el baño de aceite debe permitir la oscilación del lote hasta una altura adecuada, para lo cual la profundidad del baño debe estar también adaptada a la altura de elevación (figura 5).

Figura 5: Horno con tanque de enfriamiento incluso sistema de oscilación de lote

Otro parámetro de la intensidad de enfriamiento cuyo efecto es menos conocido es la presión del gas sobre el baño de aceite. En hornos de atmósfera controlada, esta presión no se puede regular, pero sí en hornos de vacío. Al reducirse la presión se prolonga significativamente la fase de vapor y aumenta la velocidad de enfriamiento en la última fase del mismo.

Es posible mejorar la flexibilidad, el número de aplicaciones y las posibilidades de control de los baños de aceite como ha demostrado el desarrollo del sistema Super Quench. Al desarrollar este nuevo sistema de enfriamiento por aceite los objetivos eran cuatro:
1. Aumentar la intensidad de enfriamiento para ampliar el campo de aplicación a piezas de mayor sección y aceros de baja aleación
2. Homogeneizar el flujo de aceite en el lote para reducir la dispersión del temple, la profundidad del mismo y las deformaciones
3. Aumentar la flexibilidad de los baños de aceite, así como
4. Mejorar el control del enfriamiento

El primer objetivo se alcanzó

- aumentando las dimensiones de los rodetes del ala de circulación
- doblando la potencia de los motores del sistema de circulación de aceite
- obligando a los motores a entrar brevemente en el rango de sobrecarga (por medio de convertidores de frecuencia).

Con esto se consiguió casi triplicar la velocidad de circulación del aceite. Esto hizo aumentar significativamente la dureza superficial en piezas de acero no aleado, como muestra la figura 6 tomando como ejemplo piezzas de 60 mm de diámetro hecho del acero C60.

Figura 6: Velocidaa de circulación del aceite y dureza de piezas de 60mm diametro (C60) en baño de aceite standard y baño de SuperQuench®

El segundo objetivo de homogeneizar el flujo de aceite a través de la sección del lote se alcanzo segmentando la sección del flujo en multiple partes iguales y asociando cada segmento a un elemento de recirculación controlado independientemente (figura 7).
a)
b)

Figura 7: Segmentación de la sección de flujo en multiple partes iquales en el sistema de SuperQuench® a) esquemática b) vista

El empleo de convertidores de frecuencia permite someter los elementos de recirculación a revoluciones mucho menores, así como a velocidades superiores a 50 Hz durante un periodo breve de tiempo. Esto permite ciclos de enfriamiento de una o varias etapas adaptados al material y a la geometría de las piezas.
En la práctica se utilizan a menudo ciclos de enfriamiento de varias etapas fácilmente programables con el software Carb-o-Prof (figura 8).

Figura 8: Programación de un ciclo de temple en multiple etapas en el sistema Carb-o-Prof®

4. Enfriamiento rápido en baño de sales

Las sales fundidas no pasan por una fase de ebullición y, con ello, tampoco por una fase de vapor simplemente porque su punto de ebullición se encuentra por encima de las temperaturas de temple habituales. Al igual que en los aceites sintéticos y los gases, la absorción de calor tiene lugar aquí sólo por convección. En consecuencia, la intensidad del enfriamiento rápido en un baño de sales sólo se puede regular con la circulación forzada (o también con la adición de agua).

Los baños de sales admiten un amplio rango de temperaturas. Se emplean para el temple martensítico y la bainitización. Con estos baños se logran en prácticamente todos los casos la menor variabilidad y los menores valores de deformación (figura 9) [2].

El empleo de la bainitización está limitado por los tiempos prolongados que requiere la transformación en aceros aleados. En el pasado era un dogma inamovible que la bainitización debía de llevarse a cabo hasta el final. Las estructuras mixtas de bainita y martensita y de bainita y perlita se consideraban muy nocivas para las extraordinarias características de tenacidad de la bainita pura.

Figura 9: Alteración de ovalidad de aros despues de temple en baño de sal [2]

Sin embargo, hoy en día cabe esperar un renacimiento de la bainitización debido a que, en primer lugar, está creciendo la aceptación de los baños salinos y, en segundo lugar, nuevas investigaciones han mostrado que es posible reducir la duración de la bainitización para un enfriamiento. Las estructuras de bainita y martensita o bainita mixta obtenidas así presentan interesantes propiedades de comportamiento.
La figura 10 muestra, tomando como ejemplo 100Cr6, un ciclo de bainitización reducido con un enfriamiento posterior seguido por un revenido [3].

Figura 10: Reducción de la duración de la bainitizacion del acero 100Cr6 para temple posterior seguido por un revenido [3]

5. Enfriamiento en gas a alta presión

A los gases se puede aplicar lo mismo que a los fluidos no evaporables. Un papel importante desempeña el tipo y densidad del gas. De modo similar a las sales, los gases no presentan por naturaleza una fase de vapor. Debido a que se requiere un tiempo para alcanzar la presión de trabajo y para iniciar la circulación, la absorción del calor no tiene efecto inmediatamente, como se (figura 11). Además su valor máximo no llega a ser ni mucho menos tan alto como en la fase de ebullición de los aceites de enfriamiento. Esto limita la aplicación del enfriamiento en gas a alta presión con respecto a aceros de baja o nula aleación y espesores elevados de material, y limita a su vez la dureza que se puede alcanzar en el núcleo de aceros cementados. Y este a pesar de utilizar una presión hasta 12 o hasta 20 bar.

Figura 11: Velocidad de enfriamiento en aceite y en gases

El enfriamiento con gas no ha sido superado en cuanto a la flexibilidad y, en el caso de hornos por lotes (hornos de vacío de una cámara con enfriamiento a alta presión), tampoco en cuanto a las posibilidades de control. Con la colocación de termopares en la superficie y el núcleo de la pieza se puede controlar el enfriamiento según una rampa dada o, como en un baño de sales caliente, se puede interrumpir aquél para una temperatura determinada. La figura 12 muestra el ejemplo de un lote de 32 brochas sometido a un enfriamiento rápido con nitrógeno a 6 bares a máxima velocidad hasta una temperatura de la superficie de 500°C. Despues el enfriamiento se interrumpe hasta que la temperatura del núcleo también ha alcanzado unos 500°C. Sólo entonces prosigue el enfriamiento con nitrógeno a 2,5 bares [4].

Figura 12: Ciclo de temple de un lote de 32 brochas con temple interrumpido [4]

Esto tiene efectos muy positivos a la hora de evitar o reducir las deformaciones. Negativa en este sentido es la fuerte dependencia del sentido de flujo y de la velocidad del flujo que presenta la absorción de calor en el enfriamiento con gas. Las piezas o las superficies de piezas situadas en campos de flujo estático creados por las demás piezas se enfrían bastante más lentamente. Por este motivo, en la práctica se invierte con frecuencia la dirección de incidencia del flujo de gas para homogeneizar su efecto, de modo similar a la oscilación a que se somete un lote en baño de aceite.

6. Perspectivas para el control del enfriamiento rápido

El objetivo del enfriamiento rápido debe de ser que los baños fluidos sean en el futuro tan flexibles y controlables como son los sistemas de enfriamiento con gas a alta presión.
La medición o el cálculo de la temperatura de la superficie y el núcleo de las piezas permite adaptar el enfriamiento a las piezas aplicando los gradientes de temperatura de enfriamiento mínimos suficientes para evitar la formación de perlita, ferrita, carburos o bainita en la sección de la pieza considerada y para frenar después el enfriamiento, justo al comienzo y en el transcurso de la transformación martensítica, tanto como sea posible (figura 13).

Figura 13: Ciclo de enfriamiento otimizado con temperaturas de núcleo y superficie medido y calculado

Hasta ahora no es posible este modo de proceder en el caso de los baños de aceite. Esto se debe a que en la práctica industrial no es posible instalar los termopares del lote en hornos de atmósfera controlada y a que tampoco existen sensores que permitan calcular la temperatura de las piezas durante el enfriamiento.
Para el control del enfriamiento rápido en baño de aceite es necesario un sensor con un termopar cercano a la superficie que se introduzca con cada lote y sea capaz de recoger la rápida disipación de calor, en especial en la fase de ebullición. Con programas de cálculo adecuados se puede determinar y controlar la evolución del enfriamiento en la pieza.
Es importante que la transición de la fase de vapor a la fase de ebullición se produzca de manera uniforme en todo el lote o que incluso desaparezca totalmente la fase de vapor. En la práctica esto sólo es posible manteniendo unas condiciones muy particulares del proceso o con aceites de temple especiales, como son los sintéticos.

7. Conclusiones

Todo lo expuesto indica que el control del rápido proceso de enfriamiento brusco es un tema de gran complejidad. Este control ha fracasado hasta ahora por la falta de sensores adecuados, en especial para los medios fluidos de enfriamiento.
Para controlar de forma óptima el enfriamiento rápido en baños de aceites minerales es necesario llevar a cabo el enfriamiento en varias etapas. Actualmente los valores de los parámetros de cada una de las etapas tienen aun un fundamento empírico. En el futuro es previsible que se puedan determinar numéricamente por medio de modelos matemáticos y de las densidades medidas del flujo térmico.
En el caso de los gases, los parámetros del enfriamiento en varias etapas se determinan de modo sencillo con las medidas tomadas por termopares del lote o con el sensor de flujo Ipsen-Liscic. A pesar de sus buenas posibilidades de control y de su flexibilidad, y debido a su limitada intensidad de enfriamiento y su fuerte dependencia de la velocidad del flujo (que no es homogénea en lotes de estructura compacta), el enfriamiento rápido con gas sólo puede tener un empleo limitado si se trata de piezas en serie.
Los baños de sales presentan características de enfriamiento óptimas y, por tanto, se pueden controlar fácilmente incluso sin sensores. Debido a su elevada capacidad de almacenamiento de calor, la disipación de calor que produce es mucho menos dependiente de la velocidad de flujo que en el caso de los gases. Las sales fluidas enfrían así de modo mucho más uniforme. A pesar de ciertas problemas que presenta su manipulación, esto hace esperar para ellas buenas perspectivas de futuro.

8. Bibliografía

[1] H. M. Tensi: Elementos de temple para enfriamiento de
inmersión (Aleman).
HTM 50 (1995) 4, 254

[2] J. Volkmuth et al.: Efecto de los condiciones de enfriamiento por las
alteraciónes de la forma y las medidas en el temple de piezas (Aleman).
HTM 48 (1993) 1, 5

[3] H. Vetters: Bainite ­ an underestimated steel microstructure
with new perspectives?
INNOVATION 2006. Ipsen International Customer
Meeting, Duesseldorf, May 4th, 2006

[4] J.W. Bouwman: Experiencias con el temple en gasos de alta
presión en hornos de vacío y su desarrollo
(Aleman).
HTM 39 (1984) 3, 134 -138