Tratamiento con más frío que calor

"Este artículo es parte de una serie de textos aportados por estudiantes de ingeniería mecánica del Instituto Tecnológico de Celaya, que publicaremos a lo largo de los próximos meses. Nos da mucho gusto compartir el entusiasmo con el que escriben y nos acercan a sus intereses en la ingeniería."

Autores: Marco Antonio Juan Diego Patiño, Luis Alberto Ortega Rodríguez, Carlos Ernesto Mata Almanza

El acero es una aleación de hierro y carbono; la  cantidad del segundo varía entre 0,03% y 1,075% en peso de su composición, dependiendo del grado. Puede utilizarse para aplicaciones como trabajos en frío,  utilizados en procesos de corte u operaciones que dan forma a un producto que no será expuesto a altas temperaturas. La correcta selección de un acero en específico se basa principalmente en encontrar la óptima relación entre la resistencia a impactos, la resistencia al desgaste, y la dureza ofrecida por el material. A pesar de que en los últimos años la calidad de los grados tradicionales de acero existentes se ha mejorado mucho, las exigencias del mercado no se han satisfecho por completo. Uno de los retos importantes es la optimización de la relación temperatura-tiempo de los tratamientos térmicos. Los tratamientos térmicos son procesos aplicados al acero para modificar sus propiedades físicas, químicas y mecánicas por medio de la exposición a temperaturas extremas por periodos prolongados de tiempo, así como cambios repentinos de estas temperaturas. Por ejemplo, el uso de temperaturas bajas es un método que podría ser utilizado en aceros para lograr un mayor desempeño de las herramientas construidas con él, debido a que no solo produce cambios en la superficie del material, sino también en la microestructura interna, aumentando el rendimiento de las herramientas.

El tratamiento criogénico es un proceso térmico en el que el material es sometido de manera constante y por periodos prolongados a temperaturas inferiores a -153°C (Figura 1). Después de cierto tiempo, éste se vuelve a calentar hasta alcanzar la temperatura ambiente. El objetivo de este proceso es transformar las propiedades iniciales del material, tales como dureza, resistencia al desgaste y resistencia a impactos, para mejorar sus aplicaciones mecánicas.

Figura 1. En esta imagen se muestra cómo el acero es sometido a nitrógeno liquido para llevar el material a la temperatura de -196°C para después subir a temperatura ambiente y cumplir de esta manera con el proceso criogénico. La imagen ha sido reproducida del sitio web de Duralitte, una compañía dedicada a la fabricación de componentes industriales:  http://www.duralitte.com/tratamiento-criogenico.html

Figura 1. En esta imagen se muestra cómo el acero es sometido a nitrógeno liquido para llevar el material a la temperatura de -196°C para después subir a temperatura ambiente y cumplir de esta manera con el proceso criogénico. La imagen ha sido reproducida del sitio web de Duralitte, una compañía dedicada a la fabricación de componentes industriales: http://www.duralitte.com/tratamiento-criogenico.html

Existen varios sistemas y criterios para realizar este tipo de tratamiento, pero normalmente la exposición a una temperatura de –80º C se considera adecuada ya que a esa temperatura el material se encuentra lo suficientemente frío para compactar sus partículas, eliminar poros que presentan los materiales en su estructura, y disminuir las tensiones residuales. Posteriormente, el acero se lleva   hasta un rango de temperatura de entre 250 y 350°C de manera súbita, y es cuando el material adquiere distintas cualidades.

El tratamiento criogénico afecta a todo el material, ya que no es una alteración superficial. En general, produce mejoras en parámetros tales como la resistencia al desgaste y la corrosión, la vida a fatiga (cantidad de ciclos de esfuerzo y deformación que puede soportar un material antes de que se produzca un fallo), la tenacidad y la conductividad, entre otros. Además estos materiales son perfectamente compatibles con la mayor parte de los tratamientos superficiales y recubrimientos anti-desgaste (nitruración, PVD, etc.) de uso habitual en la industria en ámbitos como el metalmecánico, la automoción, la industria aeroespacial, la minería, las obras públicas, la industria de la madera, el sector eléctrico y especialmente en la industria automotriz. En esencia, el tratamiento criogénico es una manera sencilla y sobre todo económica, de mejorar las aplicaciones de los materiales.

Está técnica permite ofrecer un producto de mejor calidad que puede superar las necesidades del cliente. Además, se alarga la  vida útil del material, lo cual se traduce en ahorros en compra y modificaciones de herramientas, y menos paros de producción. En cuestiones de diseño, el tratamiento con cambios de temperatura permite cumplir con tolerancias, es decir, facilita que las medidas geométricas de las piezas estén dentro de un rango de aceptación mínima, y que estas medidas no sean perdidas durante el trabajo de la pieza, como, por ejemplo, deformación causada por impacto. El tratamiento criogénico de materiales ha demostrado su notable potencial para alterar las características de una gran variedad de estos, tales como aceros de todo tipo (aceros de herramientas, HSS, inoxidables, pulvimetalúrgicos, etc.), fundición, metal duro, aleaciones de cobre, aleaciones de aluminio, otros metales (titanio, níquel, tungsteno…) e, incluso, composites y algunos polímeros. Las aplicaciones son innumerables y pueden encontrarse en prácticamente cualquier ámbito industrial. Un ejemplo interesante puede ser encontrado en el mundo de la competición automovilística, donde la durabilidad de los materiales es una preocupación constante y cuestiones como el rozamiento, el desgaste, la fatiga o la estabilidad dimensional, son críticos en elementos como engranajes, transmisiones, cigüeñales, bielas, pistones, bloques, discos de freno, o muelles ya que si alguno de los elementos antes mencionados sufre una fractura en competencia, ocurrirían hechos catastróficos. Finalmente, una ventaja adicional del tratamiento criogénico es que este es un proceso amigable con el medio ambiente, ya que durante su realización no se genera ningún tipo de residuo.

Esperamos que este texto haya ayudado a comprender y conocer un poco más sobre tratamientos térmicos, especialmente criogénicos, y por qué es importante aplicarlos a algunos materiales industriales. Te invitamos a buscar otros tipos de tratamientos que se pueden aplicar al acero o aleaciones en general, y en qué tipo de aplicaciones proporcionan ventajas por sobre los materiales no tratados.

Biografía

J. Martínez Sánchez; Tratamiento térmico criogénico. Accesado por última ocasión el 24 de abril, 2019. Disponible en: https://www.academia.edu/20733124/Tratamiento_t%C3%A9rmico_criog%C3%A9nico
Luis Miguel Llanes Pitarch, Efecto del Tratamiento Criogénico en las Propiedades Mecánicas de los Aceros de Herramienta de Trabajo en Frío, Abril 2004
* La imagen de la viñeta es de libre acceso gracias a Pete Linforth, y fue tomada de Pixabay

Acerca de los autores

Marco Antonio Juan Diego Patiño: Es estudiante de la carrera de ingeniería mecánica en el Tecnológico de Celaya, le gusta el futbol y escuchar música, y disfruta de las materias que conlleva su carrera.

Luis Alberto Ortega Rodríguez: Es estudiante de licenciatura en ingeniería mecánica con un alto interés por el estudio de los materiales y su aprovechamiento, así como las diferentes áreas donde la mecánica tiene excelente aplicación.

Carlos Ernesto Mata Almanza: Es estudiante de licenciatura de la carrera de ingeniería mecánica y le gusta realizar diferentes actividades como pasatiempo, las cuales son correr, jugar fútbol y resolver problemas reales de la carrera de mecánica.

Editores: Emiliano Cantón, Ximena Bonilla