Cómo influye el tratamiento térmico en los perfiles de dureza de las bolas de acero laminadas en caliente

El tratamiento térmico determina hasta qué profundidad se endurece una bola de acero laminada en caliente, cómo varía su dureza hacia el centro y cuánto esfuerzo residual queda después del enfriamiento. Por ello, dos bolas con la misma dureza superficial pueden comportarse de forma diferente ante impactos y abrasión repetidos. Una puede conservar una dureza útil a medida que se desgasta; otra puede dejar al descubierto un interior más blando o desarrollar grietas que acorten su vida útil.

Para una evaluación técnica, un perfil de dureza satisfactorio combina resistencia al desgaste en toda la sección de trabajo con suficiente resistencia a la formación de grietas en las condiciones previstas del molino. Puede ser deseable un perfil casi uniforme, pero la uniformidad de la dureza por sí sola no demuestra tenacidad. También puede ser aceptable una disminución gradual hacia el centro. La evaluación depende del diámetro de la bola, la composición química del acero, la microestructura y la severidad de los impactos.

El temple determina la profundidad de endurecimiento

El laminado en caliente da forma a la bola y deja un historial térmico que afecta al tratamiento térmico posterior. Según la ruta de producción, las bolas pueden someterse a un enfriamiento controlado aprovechando el calor residual del laminado o pasar por una etapa independiente de recalentamiento. En ambos casos, la distribución de temperatura y el estado de la austenita antes del temple influyen en la estructura final.

La austenización debe preparar el acero para la transformación prevista sin provocar un crecimiento excesivo del grano. Un calentamiento insuficiente o desigual puede dejar condiciones iniciales inconsistentes en distintas zonas de la sección. Una temperatura o un tiempo de mantenimiento excesivos pueden engrosar los granos de austenita previa y reducir potencialmente la tenacidad, aunque la dureza final parezca satisfactoria.

Durante el temple, la superficie pierde calor más rápido que el centro. Cuando el enfriamiento es lo bastante rápido para la composición del acero, la austenita se transforma en martensita y produce una dureza elevada. Cuando el enfriamiento es más lento, puede formarse bainita o perlita, según el comportamiento de transformación. El perfil de dureza resultante refleja estas diferencias, aunque las mediciones de dureza por sí solas no permiten identificar de forma fiable todos los constituyentes.

La templabilidad del acero determina hasta dónde se extiende la respuesta de endurecimiento en la bola. La templabilidad no es lo mismo que la dureza máxima alcanzable: el carbono influye considerablemente en la dureza martensítica, mientras que el manganeso, el cromo y otros elementos de aleación pueden influir en la velocidad de enfriamiento necesaria para obtener una estructura endurecida. Los nombres de los grados no bastan para compararlos cuando no están claros los límites de composición química asociados. Quienes realizan la evaluación necesitan conocer la composición real y su relación con el diámetro de bola seleccionado.

El diámetro es importante porque, en condiciones por lo demás comparables, el centro de una bola más grande se enfría más lentamente. En una gama de productos como 20–150 mm, no puede suponerse automáticamente que un ciclo de tratamiento térmico que produce un perfil satisfactorio en bolas pequeñas sea adecuado para los tamaños más grandes. Aumentar la severidad del temple puede mejorar la profundidad de endurecimiento, pero también puede incrementar los gradientes térmicos, la deformación y el riesgo de agrietamiento.

El estado, la temperatura y la circulación del medio de temple, así como la carga y el tiempo de transferencia, influyen en el enfriamiento. Un entorno de enfriamiento desigual puede crear diferencias alrededor de la circunferencia, además de entre la superficie y el centro. Por tanto, una sola medición radial puede pasar por alto una zona localmente blanda o un gradiente inusualmente pronunciado en otra parte de la bola.

El revenido ajusta conjuntamente la dureza y los esfuerzos

La martensita recién templada puede ofrecer una dureza elevada, pero mantener esfuerzos internos considerables y una tenacidad limitada. El revenido modifica ese estado mediante cambios microestructurales y la reducción de esfuerzos. En general, a medida que aumentan su temperatura y duración, la dureza disminuye, aunque la respuesta depende de la composición y de la estructura inicial.

El objetivo es lograr un equilibrio útil entre la resistencia al desgaste y la resistencia a los daños por impacto. Una bola que cumple un requisito de dureza superficial elevada, pero que no se ha revenido adecuadamente, puede seguir siendo vulnerable al agrietamiento. Un revenido excesivo puede reducir la dureza lo suficiente como para aumentar el desgaste. Ninguna de estas condiciones puede evaluarse con seguridad a partir de una sola lectura superficial.

El revenido tampoco puede compensar todos los problemas de temple. Si el centro contiene una proporción considerable de productos de transformación más blandos debido a un enfriamiento insuficiente, el revenido no convertirá esa zona en martensita endurecida. Las medidas correctivas deben abordar la composición química, la austenización, las condiciones de enfriamiento o una combinación de estos factores. Esta distinción es importante al investigar una caída pronunciada de la dureza entre la superficie y el núcleo.

Interpretación del perfil a medida que se desgasta la bola

La molienda elimina progresivamente el material exterior y deja expuestas capas más profundas. Una superficie dura sobre un interior notablemente más blando puede dar una impresión inicial favorable, pero ofrecer menos resistencia al desgaste posteriormente durante el servicio. Por ello, conviene prestar atención a la posición y la pendiente de la disminución de dureza, además del valor mínimo.

Una depresión superficial poco profunda seguida de una dureza subsuperficial más elevada sugiere un problema distinto de una disminución constante hacia el centro. La descarburación superficial es una posible explicación: la pérdida de carbono durante el calentamiento puede dejar una capa exterior que se endurece con menor eficacia. Las cascarillas, la curvatura y una preparación inadecuada también pueden distorsionar las mediciones superficiales, por lo que debe determinarse la causa antes de modificar el ciclo de tratamiento térmico.

Una disminución pronunciada en la zona de medio radio o en el núcleo puede indicar una profundidad de endurecimiento limitada. Un perfil relativamente plano y elevado puede indicar un endurecimiento extenso, pero aun así requiere pruebas complementarias sobre el revenido y la integridad estructural. Una curva de dureza uniforme no descarta grietas de temple, esfuerzos residuales desfavorables ni defectos metalúrgicos.

Las condiciones de servicio determinan la importancia que debe darse a estos resultados. Las aplicaciones con impactos elevados exigen prestar más atención a la resistencia a la fractura y al desconchado. Cuando predomina el desgaste abrasivo y los impactos son menos severos, puede ser más importante conservar la dureza en toda la sección. Las características del mineral, el tamaño de la bola, las condiciones de funcionamiento del molino y el entorno de molienda pueden modificar este equilibrio; ningún perfil garantiza el menor consumo de medios de molienda en todas las aplicaciones.

Qué debe incluir un informe de dureza útil

Un informe de bolas de acero laminadas en caliente y tratadas térmicamente debe describir las posiciones de medición y el método de preparación con suficiente claridad para que otro laboratorio pueda reproducir la evaluación. Expresiones como «dureza superficial» y «dureza del núcleo» sin ubicaciones definidas dejan demasiado margen para comparaciones inconsistentes.

• Identificación de las muestras: colada de acero, lote de producción, diámetro nominal y lote de tratamiento térmico, con muestras representativas de los tamaños pertinentes.
• Ubicaciones de medición: distancia por debajo de la superficie original, posiciones radiales intermedias y centro; es preferible registrar tanto la profundidad como la posición radial normalizada.
• Método de ensayo: escala de dureza, fuerza de ensayo cuando corresponda, preparación de la superficie y cualquier tratamiento de la curvatura o conversión de escala.
• Variación: lecturas individuales en varias bolas y, cuando corresponda, en varias direcciones a través de una sección.

El ensayo Rockwell puede servir para la evaluación rutinaria de la dureza si la geometría y el espesor de la probeta, la preparación y la separación entre indentaciones cumplen los requisitos del método. El ensayo Vickers puede ayudar a detectar cambios locales cerca de la superficie o entre regiones microestructurales. Los resultados obtenidos en distintas escalas deben conservar sus valores originales; las conversiones introducen incertidumbre y no deben ocultar una decisión de aceptación en el límite.

ASTM E18 o ISO 6508 pueden servir de referencia para los ensayos Rockwell, mientras que ASTM E384 o ISO 6507 pueden ser pertinentes para las mediciones Vickers, según el procedimiento y la fuerza elegidos. Son normas de medición. Citarlas no establece un gradiente de dureza aceptable para una aplicación de molienda específica. También deben acordarse los límites de aceptación, la frecuencia de muestreo y el tratamiento de los valores atípicos.

El seccionamiento debe evitar daños térmicos que alteren la estructura que se va a medir. A continuación, el examen metalográfico debe comprobar si las fases observadas, la descarburación y cualquier grieta explican el patrón de dureza. Los resultados de impacto también requieren una geometría de probeta y un método definidos; los valores obtenidos mediante distintos procedimientos no pueden considerarse medidas intercambiables de la durabilidad de una bola completa.

Al comparar categorías de productos, también debe prestarse la misma atención a la ruta de fabricación. Una categoría comobolas de fundición puede ser pertinente en una evaluación más amplia de medios de molienda, pero sus valores de dureza deben compararse con su propia composición química y microestructura. Los medios fundidos pueden presentar poblaciones de carburos y comportamientos de fractura distintos de los de las bolas de acero laminadas en caliente, por lo que unos valores HRC superficiales coincidentes no demuestran un rendimiento equivalente.

Una selección técnicamente defendible comienza con un perfil de dureza específico para cada diámetro, comprueba que la microestructura lo explique y relaciona ambos con las condiciones de impacto y abrasión del molino. Si una opción ofrece una dureza superficial mayor, la siguiente evidencia útil es comprobar si esa dureza se extiende por el material que se consumirá y si la bola puede soportar los impactos necesarios para llegar a él.