Efecto del tratamiento criogénico en aceros de cementación. Alternativas de proceso para la optimización de sus propiedades.

En el ámbito del tratamiento de materiales, se considera que la frontera entre las temperaturas criogénicas y las que no lo son es 120K (-153°C). Una consecuencia de esto es que los tratamientos subcero convencionales, que generalmente se realizan a temperaturas en el entorno de -80°C, no pueden considerarse como tratamientos criogénicos.

La imposibilidad práctica de alcanzar temperaturas criogénicas hasta finales del siglo XIX, ha hecho que la aparición de los tratamientos criogénicos en la industria sea relativamente reciente. El desarrollo de los mismos se ha basado sobre todo en resultados empíricos, ya que la investigación básica de las transformaciones producidas en los materiales al ser expuestos a temperaturas criogénicas ha ido, en general, por detrás de la aplicación. La consecuencia es que aún no han sido completamente identificados los mecanismos metalúrgicos que justifican los buenos resultados proporcionados por estos tratamientos en muchas aplicaciones.
 

Uno de los factores que ha condicionado el desarrollo del conocimiento en este ámbito (y también los resultados) es que, en general, los tratamientos criogénicos han sido considerados como operaciones añadidas, independientes de los tratamientos térmicos convencionales. Probablemente esto es así porque, a menudo, estos procesos se aplican a herramientas o componentes ya terminados, sin prestar atención a las operaciones a las que han sido sometidos previamente. Este enfoque no permite tener control sobre los resultados, ya que estos dependerán de la historia del material antes de haber sido tratado criogénicamente y, obviamente, los tratamientos térmicos previos son determinantes

 

En este sentido, la consideración de los tratamientos criogénicos como operaciones independientes es, indudablemente, un error. Lo correcto es contemplarlos no ya como un complemento, sino como una parte integrante del proceso global de tratamiento térmico. Solo de este modo se podrá aprovechar todo su potencial, estableciendo cuál es la ruta de proceso más adecuada para cada caso en función de los materiales considerados y de las aplicaciones en la que se vayan a emplear.
 

Vamos a tratar de ilustrarlo con un ejemplo. Consideremos un acero de cementación como el 18NiCrMo5, frecuentemente utilizado en aplicaciones en las que se requiere un elevado límite elástico y una gran resistencia al desgaste (ejes, engranajes, levas, etc.). El tratamiento térmico de este acero consta de una primera etapa de cementación en la que se aumenta la concentración de carbono en la superficie. Esto permite que en el posterior temple, que se completa con un revenido a no más de 200°C, se consiga una elevada dureza superficial a la vez que se conserva un núcleo más blando y tenaz.

Si se quisiera tratar criogénicamente un componente fabricado con este acero, se podrían plantear, de modo genérico, dos posibles estrategias. Una consistiría en aplicar el proceso al componente terminado, es decir, templado y revenido. La otra, en realizar el tratamiento criogénico entre el temple y el revenido.

En los últimos años se han publicado varios estudios acerca del efecto de los tratamientos criogénicos en este material, pero los resultados obtenidos parecen confusos y, en algunos casos, contradictorios. En realidad, esto se debe a que en casi todas las investigaciones solo se ha considerado una de las dos opciones anteriores y los resultados obtenidos con cada una de ellas son diferentes.

Comparados con el tratamiento térmico convencional, los estudios basados en la utilización de la primera de las rutas mencionadas (tratamiento criogénico tras el temple y el revenido) dan como resultado que el material incrementa ligeramente la dureza, aumenta la carga de rotura, mejora la resistencia al desgaste, empeora la resistencia al impacto y consigue una mayor resistencia a la fatiga que, por otra parte, viene acompañada por una notable e interesante disminución en la dispersión de los resultados.

Los resultados de los estudios realizados sobre acero cementado 18NiCrMo5 tratado criogénicamente entre el temple y el revenido son algo diferentes. En este caso el tratamiento criogénico incrementa la dureza (como consecuencia de una menor cantidad de austenita residual) y la resistencia al desgaste, mejora la estabilidad dimensional y, en este caso, aumenta la tenacidad. Sin embargo, la resistencia a la fatiga empeora de forma significativa.
 

Todas estas consideraciones se refieren a la capa cementada, ya que no se han observado efectos significativos en el núcleo, independientemente de la ruta de tratamiento empleada.

Es evidente que el balance general puede considerarse positivo en ambos casos, pero la elección de la ruta de proceso más adecuada debería hacerse teniendo en cuenta el componente en cuestión, la aplicación a la que va destinado y, consecuentemente, el modo de fallo más determinante para su funcionamiento. Si el material va a estar sometido a impactos, parece que el tratamiento criogénico entre el temple y el revenido es más adecuado. Sin embargo, si la fatiga es un factor determinante, sería mejor aplicar el tratamiento tras el revenido. Por otra parte, si el componente va a trabajar principalmente a desgaste cualquiera de las dos opciones planteadas podría ser, en principio, válida. En cualquier caso, parece indudable el interés que tiene el uso de tratamientos criogénicos para aumentar las prestaciones de este tipo de aceros.

Recientes estudios realizados en IK4-Azterlan con otros grados de acero han corroborado la notable influencia de la ruta de proceso utilizada puede tener en los resultados obtenidos con estos tratamientos. De hecho, para determinados materiales y aplicaciones, los tratamientos criogénicos podrían incluso conducir a un replanteamiento de los esquemas convencionales de tratamiento térmico, de modo que se consigan mejores resultados mediante la aplicación de procesos más eficientes.

Todo esto puede llegar a complicarse enormemente puesto que, para cada material, podrían considerarse innumerables combinaciones de factores tales como las temperaturas, los tiempos, el número de ciclos criogénicos, los revenidos, etc. Esto justifica que, antes de someter a un material a tratamiento criogénico, merezca la pena pararse a pensar en los requerimientos de la aplicación en cuestión y en qué posibles alternativas de proceso podrían emplearse para tratar de satisfacerlos. Afortunadamente, a menudo bastan unas pruebas de campo sencillas para saber si la decisión ha sido acertada pero, a veces, será necesario plantear un estudio más completo y detallado para poder sacar más partido de las enormes posibilidades que ofrece esta novedosa tecnología.