EFECTO DEL TRATAMIENTO TÉRMICO SOBRE
LA MICROESTRUCTURA Y RESISTENCIA AL
DESGASTE DE UN ACERO API
EFFECT OF HEAT TREATMENT ON THE MICROSTRUCTURE
AND WEAR RESISTANCE OF AN API 5CT STEEL
Cynthia Abigail Guerra Linares
Universidad Autónoma de Coahuila, México
Ma de Jesús Soria Aguilar
Universidad Autónoma de Coahuila, México
Josefina García Guerra
Universidad Autónoma de Coahuila, México
Antonia Martínez Luévanos
Universidad Autónoma de Coahuila, México
Francisco Raúl Carrillo Pedroza
Universidad Autónoma de Coahuila, México
pág. 5593
DOI: https://doi.org/10.37811/cl_rcm.v8i4.12774
Efecto del Tratamiento Térmico sobre la Microestructura y Resistencia al
Desgaste de un Acero API
Cynthia Abigail Guerra Linares
1
cynthia_guerra@uadec.edu.mx
https://orcid.org/0009-0001-3818-0890
Facultad de Ciencias Químicas
Universidad Autónoma de Coahuila
México
Ma de Jesús Soria Aguilar
ma.soria@uadec.edu.mx
https://orcid.org/0000-0003-3910-7772
Facultad de Metalurgia
Universidad Autónoma de Coahuila
México
Josefina García Guerra
josefinagarcia@uadec.edu.mx
https://orcid.org/0000-0001-5441-301X
Facultad de Metalurgia
Universidad Autónoma de Coahuila
México
Antonia Martínez Luévanos
aml5902@uadec.edu.mx
https://orcid.org/0000-0003-3499-1693
Facultad de Ciencias Químicas
Universidad Autónoma de Coahuila
México
Francisco Raúl Carrillo Pedroza
raul.carrillo@uadec.edu.mx
https://orcid.org/0000-0002-0413-0676
Facultad de Metalurgia
Universiduad Autónoma de Coahuila
México
RESUMEN
Se examinó el efecto del tratamiento térmico en la microestructura y la resistencia al desgaste de un
acero API 5CT, destacando su relevancia en aplicaciones industriales, particularmente en el sector
petrolero, donde la durabilidad y el rendimiento del material son críticos para la integridad de los
equipos. Se realizó tratamiento térmico de recocido intercrítico a temperaturas de 730 y 790 °C, con
tiempos de permanencia de 5, 10 y 20 minutos, posteriormente se analizó la microestructura, dureza,
microdureza y resistencia al desgaste Pin on Disk. Los resultados obtenidos identificaron un incremento
de dureza y aumento de la resistencia al desgaste del acero tratado a 790 °C, con un tiempo de
permanencia de 10 minutos, cuando se emplea agua a temperatura ambiente como medio de
enfriamiento, gracias a la formación de fases tales como martensita, presentes en aproximadamente un
50%.
Palabras clave: acero API, tratamiento, desgaste, corrosión
1
Autor principal.
Correspondencia: ma.soria@uadec.edu.mx
pág. 5594
Effect of Heat Treatment on the Microstructure and Wear Resistance
of an API 5CT Steel
ABSTRACT
The effect of heat treatment on the microstructure and wear resistance of an API 5CT steel was
examined, highlighting its relevance in industrial applications, particularly in the petroleum sector,
where the durability and performance of the material are critical for equipment integrity. Intercritical
annealing heat treatment was performed at temperatures of 730 and 790°C, with holding times of 5, 10,
and 20 minutes. Subsequently, microstructure, hardness, microhardness, and Pin on Disk wear
resistance were analyzed. The results identified an increase in hardness and wear resistance of the steel
treated at 790°C for 10 minutes, when using water at room temperature as the cooling medium,
attributed to the formation of phases such as martensite, present in approximately 50%.
Keywords: API steel, treatment, wear, corrosion
Artículo recibido 10 julio 2024
Aceptado para publicación: 15 agosto 2024
pág. 5595
INTRODUCCIÓN
El acero desempeña un papel crucial en la industria petrolera debido a su capacidad para resistir
condiciones extremas de presión, temperatura y desgaste. Entre los diferentes tipos de acero utilizados
en la industria petrolera, el acero API (American Petroleum Institute) destaca por su amplia aplicación
en la fabricación de tuberías, equipos de perforación, estructuras submarinas y otros componentes
críticos para la extracción, transporte y procesamiento de petróleo y gas (Cuenca, S. et al., 2024)
(Shaanxi World Iron & Steel Co., 2018). El tratamiento térmico es una técnica fundamental en la
manipulación de propiedades mecánicas y metalúrgicas del acero, permitiendo mejorar su resistencia,
dureza y otras características que influyen directamente en su desempeño en condiciones operativas
adversas (Queirós, G. 2020). Por ello, se sometió el acero API 5CT a temperaturas intercríticas entre el
rango de 709 y 810 °C, durante tiempo suficiente para permitir la formacion de una mezcla de ferrita y
austenita (Srinivas, R. et al., 2022), luego al enfriar rápidamente en agua la austenita se transforma en
martensita debido a la alta velocidad de enfriamiento que no permite la difución de átomos de carbono
(Abedini et al., 2019). En el contexto de la industria petrolera, donde la fiabilidad y seguridad de las
infraestructuras son primordiales, el impacto del tratamiento térmico en el comportamiento del acero
API adquiere una relevancia significativa (Alvarez, E. 2023).
La comprensión detallada de cómo diferentes parámetros de tratamiento térmico afectan las propiedades
del acero API permite una optimización más precisa de los procesos de fabricación y tratamiento, lo
que puede llevar a la aplicación efectiva de tratamientos térmicos a temperaturas intercríticas que
aumentan la resistencia, tenacidad y dureza del acero API, lo que resulta en una mayor capacidad para
resistir condiciones operativas adversas, como en este caso desgaste por adhesion. Esto puede conducir
a una reducción en los costos de mantenimiento y reemplazo de equipos, así como a una mejora en la
proteccion del medio ambiente al reducir la probabilidad de accidentes y derrames como tambien
seguridad operativa en un entorno exigente como el de la industria petrolera.
METODOLOGÍA EXPERIMENTAL
El material de estudio en este trabajo fue acero grado API, suministrado por la empresa Altos Hornos
de México S. A., en forma de placa rectangular, el cual se cortó en probetas cubicas de 1 cm de lado
para facilitar el manejo. Posteriormente se sometieron las pruebas a tratamiento térmico de recocido
pág. 5596
intercrítico a temperaturas de 730 y 790 °C, dentro de las lineas A
1
y A
3
del diagrama CCT
(transformación por enfriamiento continuo) del acero API, mostrado en la Figura 1.; seguido de un
enfriamiento en agua a temperatura ambiente acorde al diseño de experimentos estilo Taguchi de arreglo
ortogonal L, mostrado en la Tabla I.
Figura 1. Diagrama CCT del acero API.
Fuente: Cortesía de la empresa AHMSA.
Tabla I. Diseño de experimentos Taguchi.
Prueba
Temperatura
tiempo
(°C)
(min.)
1
730
5
2
730
10
3
730
20
4
790
5
5
790
10
6
790
20
Nota. Medio de enfriamiento, agua a temperatura ambiente.
Metalografía: Se empleó una máquina pulidora rotativa y se utilizaron distintos tipos de papel abrasivo
de carburo de silicio con granulometrías entre 80 y 2000 micrómetros para el desbaste de las muestras.
El pulido se llevó a cabo utilizando paños de lana y alúmina con un tamaño de partícula de 0.3
micrómetros, mientras que para el ataque químico se empleó una solución de Nital al 2%.
Posteriormente, la microestructura resultante fue observada utilizando un microscopio óptico estándar.
pág. 5597
Cuantificación de fases: Se realizó con ayuda del software libre de acceso ImageJ, utilizando 50
imágenes superficiales de cada probeta a 500X de aumento, obteniendo la cuantificación mediante la
coloración de los diferentes niveles.
Pruebas de dureza: Se efectuaron diez mediciones en la superficie pulida de las muestras de acero
API, tratadas térmicamente, así como en una muestra de referencia, utilizando un durómetro con escala
Rockwell B (HRB), empleando un identador de bola y una carga de 100 kg (Guzmán, D. et al., 2022).
Pruebas de microdureza (HV): En las muestras pulidas hasta acabado espejo se realizaron diez
indentaciones en las probetas modificadas por tratamiento térmico, para obtener la dureza en escala
Vickers (HV), utilizando un identador de punta diamante y una carga de 100 gf (gramos fuerza).
Pruebas de desgaste Pin on Disk: Se llevaron a cabo siguiendo la norma ASTM G99, con las
condiciones de 10 N de carga, 250 m de distancia y velocidad de 5 m/s, y como contraparte se utilizó
una bola de alúmina con frecuencia de 1 HZ. En este caso, la superficie de la muestra debe estar
previamente pulida para eliminar irregularidades, suciedad o contaminantes ( Quispe, D. et al., 2020).
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Efecto del tratamiento térmico en la morfología y formación de fases.
Se realizo un análisis microestructural de las probetas modificadas por tratamiento térmico. Las Figuras
2 y 3 muestran microestructuras del acero API tratado a 730 y 790 °C, se observan zonas claras
correspondiente a la fase ferrita, y zonas oscuras que corresponden a la fase martensita con cantidades
minimas de perlita, bainita o austenita retenida (Ennis, B. et al., 2018). Este tipo de microestructura
resulta por una austenizacion completa al superar la línea A
1
(709 °C), y posteriormente, a medida que
la temperatura aumenta, la ferrita comienza a nuclear en los límites de grano de la austenita, y durante
el enfriamiento, la autenita presente se convierte en martensita, resultando en la disminución de la
cantidad de austenita retenida, mientras que la ferrita formada a la temperatura del tratamiento,
permanece en la microestructura ( Pinzon, J. 2023).
En cuanto a su estructura, se aprecia que, a menor tiempo de permanencia a la temperatura de
tratamiento térmico, se observan granos equiaxiales, de acuerdo con Monkova, 2019, es común cuando
el acero es sometido a un tratamiento térmico de recocido a temperaturas intercríticas desde los 720
hasta los 900 °C (Monkova, K. et al., 2019). Cuando el acero es tratado a mayor temperatura y tiempo,
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se observa la formación de martensita dentro del grano de austenita en forma de listones paralelos
reagrupados, donde, la cantidad de austenita retenida depende en gran parte del contenido de carbono
del acero, sin embargo las fracciones de volumen tanto de ferrita como de martensita dependen
exclusivamente del tiempo de exposición (10 y 20 min) (Xiao, X. et al., 2018).
Figura 2. Microestructuras del acero API tratado térmicamente a 730 °C, a) 5, b)10 y c) 20 minutos.
Figura 3. Microestructuras del acero API tratado térmicamente a 790 °C, a) 5, b) 10 y c) 20 minutos.
La Figura 4 muestra los resultados de DRX del acero base y tratado térmicamente, realizando una
comparación de los patrones de difracción observados y las posiciones de los picos característicos,
correspondientes a las fases resultantes, se observa que el acero base presenta mayor intensidad en los
picos que el acero tratado a 790 °C, debido al tratamiento térmico a elevada temperatura que permite la
formación de austenita la cual es más susceptible a transformarse en martensita durante el enfriamiento
(Solana, Y. et al., 2022).
En general, las posiciones de los picos de difracción para ferrita y martensita, pueden variar
dependiendo de la composición específica del acero y las condiciones experimentales. La fase
martensita suele encontrarse en ángulos característicos como 2θ = 44.5° pico (110): por otro lado, los
picos de difracción para la ferrita suelen estar en posiciones diferentes, 2θ = 65.0° pico (200) y 2θ =
82.0° pico (211). Esto se muestra en la Figura 5, que corresponde a la representación del ajuste obtenido
pág. 5599
para el acero API 5CT tratado a 790 °C, por medio del software, de acceso libre, X Pert High Score
Plus, el cual compara el patrón de difracción del material estudiado con la base de datos del programa,
por lo que resulta un patrón selecto de acero al carbono 044-1292, mostrando en la parte inferior de la
gráfica la carta cristalográfica de martensita/ ferrita (selected pattern).
Figura 4. Perfiles de difracción del acero base y tratado térmicamente a 790 °C.
Figura 5. Representación del ajuste obtenido para el acero API 5CT tratado a 790 °C.
Fuente: Elaborado con Software de acceso libre X´Pert HighScore Plus.
pág. 5600
Efecto de la temperatura y del tiempo en la dureza y en la fase formada: Análisis estadístico.
Con ayuda del software ImageJ, se realizo un análisis comparativo de cuantificacion de las fases de
ferrita y otras fases presentes (martensita con cantidades mínimas de perlita, bainita o austenita
retenida), de las muestras tratadas a diferentes temperaturas y tiempos, enfriadas en agua, los resultados
se muestran en la Tabla II. En general, se observa un incremento proporcional de las fases resultantes
con la temperatura y el tiempo de permanencia del tratamiento que seguido de un enfriamiento rapido
en agua, permite alcanzar hasta un 50% de fases restantes (martensita con cantidades mínimas de perlita,
bainita o austenita retenida), las cuales proporcionan dureza al acero, debido a la presencia de
estructuras cristalinas distorsionadas y que a su vez, obstruyen el movimiento de dislocaciones, lo que
aumenta la resistencia del material y su capacidad para resistir la deformación plástica (Schincariol, V.
(2022)).
Sánchez, B. 2018, determinó la fracción de volumen de martensita mediante cuantificación de fases con
ayuda del software Image Pro Plus del acero doble fase obtenido por tratamiento térmico entre las
temperaturas de 789 a 860°C, y obtuvo una fracción de volumen de martensita-bainita de 54.20 %, con
un intervalo de confianza de 50.79 %. Lo que resulta en porcentajes similares dentro del rango de
temperaturas intercríticas (709- 810 °C) mostradas en el diagrama CCT de la Figura 1.
Tabla II. Resultados del porcentaje de fases obtenidas.
Prueba
T ("C)
t(min)
Medio de
enfriamiento
Martensita con cantidades
mínimas de perlita, bainita
o austenita retenida (%)
Ferrita (%)
1
730
5
Agua
37.04
62.96
2
730
10
Agua
37.75
62.25
3
730
20
Agua
41.33
58.67
4
790
5
Agua
33.71
66.29
5
790
10
Agua
45.87
54.13
6
790
20
Agua
50.61
49.39
La Figura 6, 7 y 8 muestran las gráficas de efectos principales de dureza y microdureza del acero tratado,
se observa que el acero API 5CT sometido a un tratamiento térmico de recocido intercrítico a 790 °C
durante 20 minutos y enfriado en agua, permite la obtención de aceros con microestructura ferrita-
martensita, con valores de dureza de 36.5 Rockwell B y microdureza de 305.27 Vickers en la fase
martensita, la cual se encuentra presente hasta en un 50.61 con cantidades mínimas de bainita, perlita y
pág. 5601
austenita retenida, lo que proporciona mayor dureza al material. En comparacion, el acero tratado a 730
°C, durante 20 minutos y enfriado en agua, obtuvó 14.33 % de martensita, una dureza de 17.7 Rockwell
B y microdureza de la fase martensita de 233.73 Vickers, por lo que, se obtiene mayor dureza al realizar
el tratamiento a mayor tiempo de permanencia. Cualquiera que sea la carga y el volumen de fracción
de martensita, la dureza de la martensita es mayor que la de la ferrita, sin embargo, la dureza de la
martensita depende del contenido de carbono (Krauss, G. 1999). El incremento en el tiempo de
exposición favorece la formación de granos de mayor tamaño, lo cual se refleja en la tendencia de la
gráfica, asi como tambien en microestructuras de doble fase, por lo que la dureza de la fase martensita
está influenciada por la ferrita circundante, lo que lleva a una disminución de la medición (Vasquez, A.
2018).
Figura 6. Gráfica de efectos principales de dureza HRB.
Figura 7.Gráfica de efectos principales HRV- Fases resultantes
pág. 5602
Figura 8. Grafica de efectos principales HRV- Ferrita.
Efecto del tratamiento térmico en la resistencia al desgaste
La Figura 7 muestra las imágenes de las huellas de desgaste del acero base y tratado termicamente a
730 y 790 °C a 5, 10 y 20 minutos, empleando una carga de 10 N, en condiciones de desgaste en seco.
Se observa en estas micrografías, que ocurre una pérdida de la estructura superficial al estar la superficie
del acero API en contacto mecánico constante con la esfera de alúmina que fue el material de
contraparte. Se puede apreciar una superficie rayada, con formación de surcos debidos a la abrasion, no
lográndose observar grietas alrededor de la superficie, lo que indica que no se sobrepasa el límite
elástico del material durante el deslizamiento sobre el acero doble fase. Dicho comportamiento es una
combinación compleja en donde cada fase participa de manera individual de acuerdo con sus
propiedades microscópicas. Al parecer, no se observan grietas continuas alrededor de la superficie, sin
embargo, claramente se observa que la pérdida de material sigue el mecanismo de delaminación, lo que
conlleva a obtener partículas de desecho en forma de escamas, lo que implica la nucleación de grietas
y su propagación a la superficie ( Tsukatani, I. et al., 1991).
Figura 9. Huellas de desgaste, a) acero base, b) 730 y c) 790 °C durante 20 minutos enfriado en agua.
pág. 5603
El análisis del estado de la superficie de las muestras de acero con y sin tratamiento térmico a 730 y
790 °C durante 20 minutos se llevó a cabo mediante la evaluación del coeficiente de fricción, la Figura
10 muestra la gráfica correspondiente, donde se observa el periodo inicial constante, asegurando su
comportamiento a lo largo de la evaluación con valores máximos de 0.80 (μ) después de haber
estabilizado y homogenizando la superficie. El valor de 0.70 se mantiene hasta por distancias de
deslizamiento de 250 m. Las variaciones abruptas que se presentan (0.6-0.7) son un indicativo de
pérdida de material por fractura frágil antes de alcanzar los 250 m. Este efecto es más representativo en
los gráficos correspondientes a la carga de 10 N aplicada tanto en las muestras del acero base (menor
dureza) como en las probetas de las muestras tratadas térmicamente (mayor dureza).
Figura 10. Gráfica de coeficiente de fricción, a) acero base, b) 730 y c) 790 °C.
La Figura 11 muestra el volumen de la masa pérdida en la superficie del acero base y la probeta de acero
tratada térmicamente con mayor dureza, demostrando que se obtiene menor pérdida de masa cuando se
aplica el tratamiento térmico a temperatura más cercana a la línea A
3
en comparación con los valores
de referencia que corresponden al acero base en condiciones iniciales o a temperatura cercana a la línea
A
1
, lo cual coincide con los valores reportados en la gráfica del COF, Figura 10. Este comportamiento
obedece a la tendencia propuesta por Archard, en donde menciona que, a mayor dureza, existe menor
pérdida de material y, por lo tanto, menor coeficiente de desgaste. En este caso, la disminución de
pérdida de masa se atribuyó a la distribución intergranular de precipitados en toda la microestructura
(Romero, J., & Cabello, S. 2020).
pág. 5604
Figura 11. Volumen de Desgaste.
Figura 12. Tasa de desgaste.
CONCLUSIONES
Se correlacionaron las propiedades mecánicas (dureza HRB y HV) con el tiempo de retención en
temperatura de tratamiento de recocido intercrítico y la fracción de martensita. Se confirmó que la
dureza depende de la fracción de martensita y del tiempo de tratamiento térmico. La dureza aumenta
proporcionalmente con la temperatura y también con el tiempo de mantenimiento. Por ejemplo, las
probetas enfriadas en agua a temperatura ambiente alcanzan una dureza de 36.5 Rockwell B, debido a
un enfriamiento rápido que induce la formación de martensita al 50.61%, con una microdureza de
305.27 Vickers. La dureza es crucial para controlar la fricción y la resistencia al desgaste. Según las
pruebas de desgaste en seco Pin on Disk, el material tratado a 790 °C durante 20 minutos y enfriado en
agua muestra una reducción de 0.14 mm³ en volumen de desgaste y una tasa de desgaste de 0.00158
mg/m, en comparación con el material base tratado a 730 °C. Esto se atribuye a las fases presentes en
pág. 5605
el acero API 5CT modificado, apoyando la teoría de Archard sobre desgaste, que indica que, a mayor
dureza, menor tasa de desgaste.
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