24 de enero de 2024.- Las propiedades mecánicas de los metales a temperatura ambiente se pueden mejorar mediante diversos procedimientos de tratamiento térmico, que se han establecido durante muchos años.
El concepto de mejorar las características mecánicas y de tracción del acero mediante la exposición a bajas temperaturas es bastante antiguo. Durante muchos años, determinadas industrias han utilizado el tratamiento en frío bajo cero para mejorar la capacidad de servicio de componentes o equipos. La eficacia de los tratamientos criogénicos los convierte en una opción muy preferida entre los ingenieros de materiales.
El tratamiento criogénico de materiales implica que el material se someta a temperaturas extremadamente bajas, lo que da como resultado una mejora significativa en el rendimiento del material. El procedimiento difiere del tratamiento en frío porque utiliza temperaturas significativamente más bajas, tiene perfiles de tiempo/temperatura separados y puede usarse para materiales distintos del acero. El tratamiento criogénico mejora significativamente la resistencia al desgaste en comparación con el tratamiento en frío con aceros endurecidos.
La comunidad científica define las temperaturas criogénicas como aquellas por debajo de -150 °C (238 °F o 123 K). El tratamiento criogénico (CT) implica exponer materiales a temperaturas que oscilan entre -190 °C y -230 °C durante un período de tiempo prolongado. La TC tiene el efecto de infiltrarse en el interior de los materiales en lugar de limitarse a la superficie, lo que la convierte en un método útil para mejorar las características mecánicas.
El desarrollo de controles de temperatura basados en microprocesadores en las décadas de 1960 y 1970, así como la investigación pionera de Randall Barron de la Universidad Tecnológica de Luisiana, facilitaron el éxito de la terapia criogénica.
La diferencia entre el tratamiento en frío y el proceso de tratamiento criogénico
El tratamiento en frío se utiliza habitualmente para piezas y componentes de alta precisión porque acelera la transición de austenita a martensita. Dependiendo del material y de los ajustes de enfriamiento, el rango de temperatura óptimo para el tratamiento en frío suele ser de -60 a -80 °C, según el artículo publicado en el Journal of Materials Processing Technology . Muchas industrias emplean este tipo de tratamiento para aumentar la dureza de su superficie y su durabilidad térmica. Una distinción notable con respecto al tratamiento en frío es que el procesamiento criogénico requiere una disminución gradual de la temperatura para aprovechar plenamente sus beneficios. La disminución de la temperatura ocurre típicamente a un ritmo que oscila entre 0,25 y 0,5 °C/min (32,5 a 32,9 °F/min).
La transformación completa de austenita a martensita, junto con la formación de carburos microscópicamente dispersos en la estructura martensítica templada, es el principal factor que contribuye a esta mejora. La mejora más significativa de las propiedades se produce cuando se realiza un tratamiento criogénico profundo entre el enfriamiento y el revenido.
Sin embargo, incluso tratar las herramientas de acero después del ciclo típico de tratamiento térmico, es decir, las herramientas terminadas, produce una mejora notable. Este último enfoque es más versátil y permite aplicar el tratamiento para diversas aplicaciones prácticas.
El Manual ASM, Volumen 4A proporciona información esencial sobre los procesos para el tratamiento del acero. Un tratamiento criogénico estándar implica un descenso lento desde la temperatura ambiente hasta alrededor de –193 °C (–315 °F), donde se mantiene durante un período adecuado. Según el tipo de herramienta de acero y la aplicación, la muestra bajo tratamiento se mantiene entre 4 horas y 48 horas. A continuación se lleva la muestra a temperatura ambiente a 2,5 °C/min (36,5 °F/min).
Efecto sobre las propiedades mecánicas del acero.
Se sabe que los tratamientos criogénicos aumentan las propiedades mecánicas del acero. Así lo confirmaron investigadores que realizaron un estudio experimental sobre acero AISI 4340 publicado en el Journal of Materials Processing Technology . El impacto del tratamiento criogénico antes de cualquier proceso de templado posterior reveló un ligero aumento en la dureza promedio de 54,5 HRC cuando el tratamiento se realizó inmediatamente después del enfriamiento. Las muestras tratadas criogénicamente exhibieron niveles de dureza ligeramente más altos en todo el rango de temperatura de templado en comparación con el tratamiento térmico convencional.
En cuanto a la absorción de energía de impacto, la tenacidad después del tratamiento criogénico profundo (DCT) se midió en 7,7 J, mientras que para el enfriamiento regular fue de 10,8 J. La ligera disminución de la tenacidad después del tratamiento criogénico podría atribuirse a un aumento en la cantidad de martensita. .
El límite de fatiga del acero demostró mejoría tras someterse a un tratamiento criogénico y posterior revenido. Esta mejora estuvo relacionada con el aumento de la dureza y resistencia del material resultante del proceso de tratamiento. Por tanto, el tratamiento criogénico condujo a una mejora significativa de las propiedades mecánicas de las herramientas de acero.
¿Cómo afectan el tipo y la composición del acero al rendimiento del tratamiento criogénico profundo?
En los últimos años, la prometedora técnica del tratamiento criogénico profundo ha dado un nuevo paso en la mejora de las propiedades de diversos materiales, especialmente los aceros. Un estudio publicado en el Journal of Material Research and Technology se centra en la influencia de un proceso de tratamiento térmico seleccionado que implica un tratamiento criogénico profundo en la microestructura y la evolución microestructural de cuatro grados de acero diferentes (acero para rodamientos 100Cr6, acero para herramientas para trabajo en frío X210Cr12, acero para herramientas para trabajo en caliente acero X38CrMoV5-3 y acero inoxidable X17CrNi16-2).
El estudio se realizó bajo diferentes condiciones de tratamiento térmico, destacando la efectividad del DCT con diversas temperaturas de austenitizado y revenido. La evolución de la microestructura se investigó secuencialmente utilizando diversas técnicas analíticas.
La transformación de la austenita retenida en otras fases del acero fue más pronunciada después de una mayor austenitización y menores temperaturas de templado. La efectividad de la DCT sobre los cambios de matriz se asoció principalmente con la homogeneización de la matriz.
En general, la aplicación de DCT incrementó la precipitación de carburos después del revenido. Estos carburos también estaban distribuidos de forma más homogénea, eran más pequeños y tenían una forma más esférica. El proceso DCT indujo la formación preferencial de carburos secundarios en tránsito M 7 C 3 y M 2,4 C, contribuyendo directamente al aumento de la formación de carburos M 23 C 6 y M 7 C 3 . La disolución de los carburos primarios aumenta ligeramente después de la DCT, lo que está relacionado con la nucleación mejorada de los carburos secundarios.
Los tratamientos criogénicos conducen a una mejora significativa de las propiedades mecánicas y de corrosión del acero, mejorando la vida útil de las herramientas de acero en entornos extremadamente hostiles y reduciendo las pérdidas financieras.
Reportacero
