Los resultados de dureza inferiores a las especificaciones no siempre se deben a errores en el tratamiento térmico. En esta entrega de Technical Tuesday, Ana Laura Hernández Sustaita, fundadora de Consultoría Carnegie, analiza cómo se desarrolla la descarburización, cómo afecta a la dureza y a las propiedades superficiales, y los métodos prácticos que los técnicos de tratamiento térmico pueden utilizar para evaluarla, controlarla y prevenirla mediante análisis metalúrgicos y una estricta disciplina en el proceso.
Este artículo informativo se publicó por primera vez en Heat Treat Today’s July 2026 Annual Super Brands Issue print edition.
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Introducción: cuando los resultados no coinciden con la teoría
En operaciones de tratamiento térmico, los resultados de dureza fuera de especificación suelen atribuirse a desviaciones en los parámetros del proceso, errores operativos o variaciones en la composición química del material. Sin embargo, existen casos donde la causa raíz está relacionada con fenómenos metalúrgicos que afectan directamente la superficie del material.
Un caso representativo involucró una carga de diez piezas forjadas de más de 5 toneladas cada una, fabricadas en acero AISI 4340. El proceso térmico aplicado era conocido y previamente validado: normalizado, temple seguido de revenido en un rango de 600-610°C (1112–1130°F), con el objetivo de cumplir con las propiedades mecánicas requeridas por el cliente. Tras finalizar el tratamiento térmico, el equipo de inspección reportó valores de dureza de las piezas aproximadamente 20-30 HB por debajo de la especificación. Este resultado fue inesperado, considerando que el acero 4340, debido a su contenido de elementos aleantes, mantiene valores elevados de dureza incluso a temperaturas relativamente altas de revenido. Se solicitó una reevaluación de dureza, incrementando la profundidad de preparación de la superficie hasta 5 mm. Sin embargo, los valores de dureza únicamente aumentaron ligeramente (~5 HB), sin alcanzar los niveles requeridos.
Ante la presión por los tiempos de entrega, se decidió reprocesar las piezas. Se aplicó nuevamente el ciclo completo de tratamiento térmico, ajustando la temperatura de revenido a 580°C (1076°F), lo cual, desde el punto de vista metalúrgico, debería incrementar la dureza. No obstante, los resultados permanecieron prácticamente sin cambios. Se procedió a verificar la composición química mediante PMI, confirmando que el material correspondía efectivamente a un acero 4340. Adicionalmente, la pieza de evaluación “Qualification Test Cupon” (QTC) indicaba valores de dureza elevados, consistentes con el comportamiento esperado del material.
Ante la inconsistencia entre resultados experimentales, fundamentos metalúrgicos y la previa experiencia personal, se decidió profundizar en el análisis del historial del proceso y correlacionar las variables de cada uno de los procesos. Y aquí es donde se encuentra la clave de un buen análisis de fallas, el detallar el historial de la pieza con la que se está trabajando.
Se identificó que, previo al tratamiento térmico, las piezas habían permanecido dentro de un horno en un rango de 800-900°C (1472–1652°F) durante aproximadamente tres días, debido al retraso que el equipo de mantenimiento tenía en la máquina de rolado, debido a esto y a una falta de comunicación entre los operadores de turno, la pieza continuaba en espera en el horno de calentamiento a “baja temperaturas” para concluir su último paso. Aunque no fue a temperaturas de rolado, esta exposición prolongada en una atmósfera no controlada promovió la descarburización del material.
Para validar esta hipótesis, se realizó un corte longitudinal en una de las piezas y se llevaron a cabo mediciones de dureza en el núcleo. Los resultados confirmaron que el material presentaba valores significativamente mayores en el interior, evidenciando una capa superficial descarburada. Este caso demuestra la importancia de: Analizar integralmente la historia del material y del proceso antes de concluir con una no conformidad.
¿Qué es la descarburización?
El acero es una solución sólida basada en hierro y carbono, donde las propiedades mecánicas dependen directamente del contenido de carbono y los elementos aleantes presentes. La descarburización es un fenómeno metalúrgico que consiste en la pérdida de carbono desde la superficie del acero cuando este es expuesto a altas temperaturas en atmósferas con potencial oxidante o bajo potencial de carbono (Figura 1). Este fenómeno ocurre comúnmente durante: forja, laminación en caliente, normalizado, recocido y tratamientos térmicos en hornos convencionales sin control de atmósfera.
Desde el punto de vista termodinámico, la descarburización ocurre cuando el potencial químico del carbono en el acero es mayor que el del ambiente circundante, lo que impulsa la difusión del carbono hacia la superficie. En presencia de gases oxidantes, el carbono reacciona formando especies gaseosas:
También puede reaccionar con vapor de agua o dióxido de carbono, lo que acelera el proceso. Como consecuencia: se genera un gradiente de carbono (superficie vs núcleo), se altera la microestructura, se degradan propiedades mecánicas, especialmente en la superficie.
Oxidación y su relación con la descarburización
La descarburización está estrechamente relacionada con los procesos de oxidación. La oxidación ocurre cuando el oxígeno reacciona con el metal formando óxidos en la superficie. Este proceso depende del equilibrio termodinámico entre las presiones parciales de los gases presentes, lo cual puede analizarse mediante diagramas como el de Ellingham-Richardson.
El incremento de la temperatura acelera tanto la oxidación como la descarburización, por lo que el uso de hornos con atmósfera controlada es fundamental para prevenir estos fenómenos.
Cinética del proceso: difusión del carbono
La descarburización es un proceso gobernado por difusión. Cuando el acero se encuentra a altas temperaturas los átomos adquieren mayor movilidad y el carbono difunde desde regiones de alta concentración (interior) hacia regiones de menor concentración (superficie). Este proceso se intensifica cuando el material se encuentra completamente en fase austenítica (por encima de Ac3), donde la difusividad del carbono es significativamente mayor.
La profundidad de la capa descarburada depende de: temperatura, tiempo de exposición, composición del acero y condiciones de la atmósfera del horno. Este fenómeno es crítico, ya que la reducción del contenido de carbono en la superficie afecta directamente la resistencia al desgaste y fatiga del material.
Métodos para la determinación de la capa descarburada y óxidos
Predicción de óxidos mediante herramientas computacionales
El uso de herramientas como Thermo-Calc software, permite predecir las fases estables en función de la temperatura y la presión parcial del oxígeno. Estos diagramas permiten identificar que óxidos se formarán en la superficie, evaluar si los óxidos actúan como barrera o facilitan la salida del carbono y optimizar las condiciones del proceso térmico.
Por ejemplo, en aceros como H11, los diagramas de estabilidad de fases permiten visualizar cómo varían los óxidos formados en función de la temperatura y la actividad de oxígeno (Figura 2). Comprender estas relaciones es clave para prevenir la descarburización, diseñar atmósferas controladas y evitar resultados no deseados en propiedades mecánicas.
Determinación de la profundidad de capa descarburada
La norma ASTM E1077 establece diferentes métodos para evaluar la profundidad de la capa descarburada, incluyendo: métodos microscópicos, microdureza y análisis químico. Estos métodos permiten determinar si una pieza cumple con las especificaciones y definir la preparación adecuada para medición de dureza. A continuación, se muestra un ejemplo del uso de los métodos. El objetivo de este análisis fue determinar la profundidad de esta capa para generar instrucciones internas para la preparación adecuada mediante del pulido de las piezas para la medición correcta de dureza.
Metodología experimental
Se seleccionó un QTC de acero AISI 4340 en condición forja, sometido a un ciclo de normalizado, temple y revenido. Las muestras se obtuvieron de un corte transversal para realizar el análisis de dureza, microscopía óptica y análisis químico de carbono (LECO, Figura 3).
Resultados
Perfil de dureza
Se realizaron mediciones a intervalos de 1 mm desde la superficie hacia el interior. Los resultados mostraron: 0–3mm valores bajos de dureza (~30 HRC), a 5 mm: incremento hasta 35–36 HRC, manteniéndose constante (Figura 4). Esto indica que la zona superficial no representa las propiedades reales del material.
Uno de los retos en este método es la precisión de las huellas de dureza, se puede observar como la muestra Figura 4b, se usó un marcador fino para determinar las zonas a medir, sin embargo, hoy en día el uso de equipos sofisticados nos permite realizar una programación automática de las zonas a evaluar (Figura 5).
Análisis químico (LECO)
El análisis mostró un incremento en el porcentaje de carbono a partir de aproximadamente 5 mm de profundidad, confirmando la existencia de una capa descarburada (Figura 6).
Microscopía óptica
Este análisis permitió observar cambios microestructurales entre la superficie y el núcleo, asociados a la pérdida de carbono (Figura 7).
Aplicación práctica: control en planta
Con base en los resultados, se establecieron instrucciones de trabajo para asegurar mediciones confiables de dureza (Tabla A).
Implementación operativa
Es fundamental involucrar al personal operativo en la comprensión de estos fenómenos, explicando por qué es crítico el pulido adecuado, cómo impacta en la medición de dureza y cómo esto evitará retrabajos. Así mismo, se debe considerar si las dimensiones de las piezas permiten dicha preparación. En caso contrario es necesario comunicar al cliente posibles desviaciones o limitaciones en la medición.
Se recomienda llevar a cabo este análisis para los diferentes grados de aceros, temperaturas y tiempos de procesamiento, que ayude a estimar el efecto sobre la profundidad de capa descarburizada y con esto implementar acciones preventivas al equipo operativo sobre evitar un sobrecalentamiento o someter las piezas a periodos prolongados de tiempo en un horno.
Conclusión
Es altamente recomendable que las empresas dedicadas al tratamiento térmico lleven a cabo este tipo de estudios metalúrgicos, ya que estos permiten comprender con mayor profundidad el comportamiento real de sus procesos. Como se mencionó previamente, la profundidad de la capa descarburada está influenciada por múltiples variables, las cuales pueden impactar de manera distinta en cada empresa, dependiendo de factores como el tipo de acero, el tipo de horno utilizado, los tiempos de tratamiento entre otros.
A partir de los resultados obtenidos, es posible establecer lineamientos claros para los operadores, específicamente en relación con la profundidad a la que deben preparar o pulir las muestras, con el objetivo de asegurar que los valores de dureza reportados al cliente sean representativos y correctos. Así mismo estos análisis pueden desarrollarse para distintos grados de acero, permitiendo la generación de fichas o instrucciones de trabajo específicas para cada caso donde se indique de manera precisa la profundidad de pulido requerida en función del material y las condiciones de proceso.
La descarburización es un fenómeno crítico en procesos de tratamiento térmico que puede llevar a interpretaciones incorrectas de los resultados de dureza. El análisis integral que combine: Fundamentos metalúrgicos, normativas estándar, herramientas computacionales, historial del proceso, permite: evitar rechazos innecesarios, mejorar el control del proceso y asegurar la calidad del producto final.
Referencias
Balaško, T., Vončina, M., Burja, J., Šetina Batič, B., & Medved, J. 2021. High-Temperature Oxidation Behaviour of AISI H11 Tool Steel. Metals, 11(5), 758. https://doi.org/10.3390/met11050758.
Herring, Daniel H. 2014. Atmosphere Heat Treatment: Atmospheres, Quenching, Testing. Vol. 2. Troy, MI: BNP Media.
Juan Hou, Fen-Fen Han, Xiang-Xi Ye, Bin Leng, Min Liu, Yan-Ling Lu, Xing-Tai Zhou. 2019. Effect of Surface Decarburization on Corrosion Behavior of GH3535 Alloy in Molten Fluoride Salts[J]. Acta Metallurgica Sinica (English Letters). 32(3): 401-412. https://doi.org/10.1007/s40195-018-0814-5.
Krauss, George. 2015. Steels: Processing, Structure, and Performance. 2nd ed. Materials Park, OH: ASM International.
Acerca de la autora:
Fundadora
Consultoría Carnegie
Ana Laura Hernández Sustaita cuenta con Maestría en Ciencia e Ingeniería de los Materiales, Es fundadora de Consultoría Carnegie, una firma de consultoría y capacitación técnica especializada en el tratamiento térmico de aceros en México. Asimismo, se desempeña como Ingeniera de Soporte Técnico en Thermo-Calc Software, brindando asistencia a clientes en México, Canada y Estados Unidos de América. Ana promueve activamente la educación metalúrgica en Latinoamérica y fomenta la integración de herramientas computacionales en la práctica industrial del tratamiento térmico.
Para más información: Contacte con Ana Hernández en anahdz@consultoriacarnegie.com.
