Tratamientos criogénicos: una tecnología con excelentes resultados en la estabilidad dimensional de utillajes y componentes

Los tratamientos criogénicos van ganando presencia en la industria como herramienta orientada a la mejora de las prestaciones de los materiales, especialmente cuando se busca aumentar la durabilidad y la resistencia al desgaste.

La elección del tratamiento térmico adecuado y su correcta ejecución son fundamentales para conseguir las máximas prestaciones de un acero. El temple es el tratamiento utilizado cuando se buscan durezas y resistencias elevadas y, por ello, es un proceso muy común en la industria. Básicamente consiste en el calentamiento del material, hasta conseguir una estructura completamente austenítica, seguido por un enfriamiento rápido hasta la temperatura ambiente. Esto provoca la transformación de la austenita en martensita, la fase del acero más dura y resistente. No obstante, lo habitual es que no se consiga una estructura completamente martensítica, quedando un porcentaje de austenita residual. Esto se debe, entre otras causas, a que algunos aceros necesitan enfriarse bastante por debajo de la temperatura ambiente para que la transformación se complete.

Obviamente, esto da lugar a una pérdida de características mecánicas, pero también puede ser origen de una situación no deseada cuando el material está en servicio. Por causa del tiempo y de las solicitaciones, la austenita residual tiende, de forma espontánea, a transformarse en martensita. Dado que la martensita tiene un volumen ligeramente mayor que la austenita, la transformación introduce nuevas tensiones y puede alterar las dimensiones del componente. Este efecto es muy conocido por los fabricantes de elementos de gran precisión como los calibres. Por ello, emplean tratamientos subcero tras el temple con el fin de reducir al máximo el porcentaje residual de austenita.

Esto también debería ser tenido en cuenta por quien diseña componentes o utillajes cuya exigencia, desde el punto de vista dimensional, sea elevada. No hacerlo podría arruinar todo el trabajo previo y, por ello, un tratamiento criogénico aplicado a tiempo puede suponer un ahorro muy importante de dinero.

Alumino

Los tratamientos criogénicos son una herramienta eficaz para reducir las tensiones residuales de los materiales, en especial, cuando se aplican de forma repetida o en combinación con fases de calentamiento. Las tensiones residuales se pueden manifestar en servicio pero, muy a menudo, aparecen durante los procesos de mecanizado. Al eliminar material, se altera el equilibrio tensional de la pieza y pueden generarse deformaciones. Especialmente significativo es el caso de las aleaciones de aluminio. Mecanizar con precisión geometrías complejas o paredes delgadas puede ser una tarea realmente complicada en este tipo de materiales.

El aluminio es un material propenso al creep y a las tensiones residuales. Una vez elegida la aleación adecuada, el uso de tratamientos criogénicos ayuda a reducir estos problemas y, por ello, se aplican constantemente en la industria aeroespacial y en la fabricación de componentes para telescopios. Los ciclos a temperaturas criogénicas, frecuentemente combinados con fases de calentamiento, forman parte del proceso de fabricación de cualquier estructura que requiera de gran precisión y estabilidad dimensional y que, a menudo, también funcionará a temperaturas criogénicas cuando esté en servicio.

Por ejemplo, los componentes estructurales aeroespaciales suelen ser piezas ligeras y de paredes finas que, habitualmente, se fabrican a partir de un bloque sólido de aluminio. Durante el proceso de mecanizado se van liberando tensiones y, por este motivo, la pieza debe ser tratada para poder alcanzar los requisitos dimensionales exigidos. Con frecuencia, el tratamiento debe repetirse, una o más veces, a medida que avanza el proceso de mecanizado, especialmente durante las fases de acabado.

Preparación para el proceso de distensionado con temperaturas criogénicas de la estructura semi-mecanizada de un satélite de observación terrestre (fabricada en aluminio).

Además de facilitar el proceso de fabricación de este tipo de componentes, el material tratado mejora algunas características mecánicas como la dureza o la resistencia a la corrosión bajo tensión, y resulta mucho más estable a las variaciones de temperatura.

Los tratamientos criogénicos se han convertido en una parte esencial del proceso de fabricación de cualquier componente estructural de aluminio que requiera precisión dimensional. No obstante, en la práctica se echa en falta un procedimiento estandarizado para su aplicación. Sin duda, este es un campo de investigación con un evidente interés de cara al futuro.