Los aceros inoxidables, junto con las aleaciones a base de níquel, suelen seleccionarse para muchas aplicaciones en entornos corrosivos. Si bien la resistencia a la corrosión los convierte en una opción favorable, un comportamiento tribológico deficiente puede impedir un uso más amplio de estos materiales. El proceso Kolsterising® es un método probado para el endurecimiento superficial de estos materiales mediante la difusión de carbono. Este artículo pretende destacar las mejoras que se observan normalmente en las propiedades mecánicas, incluida la resistencia al gripado, al desgaste y a la erosión por cavitación. De forma atípica, debido a la naturaleza del proceso, estas propiedades suelen mejorar sin la habitual reducción asociada de la resistencia a la corrosión. Las mejoras de las propiedades se demostrarán utilizando datos nuevos y existentes de Europa y Norteamérica.
Si los medios líquidos o gaseosos y las partículas entran en contacto con la superficie de los materiales resistentes a la corrosión, existe el riesgo de desgaste prematuro. Además, es vital que los componentes de las válvulas que contienen presión mantengan su integridad estructural, ya que el desgaste prematuro y el gripado pueden provocar la pérdida de eficacia o fallos. Históricamente se han utilizado muchos revestimientos y procesos de tratamiento térmico para combatir estos problemas. Una tecnología más reciente es un proceso de endurecimiento superficial a baja temperatura para proteger los componentes de las válvulas en entornos difíciles.
Aceros inoxidables austeníticos
Los pros y los contras de los aceros inoxidables austeníticos son bien conocidos y los aspectos positivos, como la alta resistencia a la corrosión, la gran tenacidad y las propiedades no magnéticas, se han explotado durante muchos años. Sin embargo, los puntos débiles inherentes a su baja resistencia, escasa resistencia al desgaste y susceptibilidad a la corrosión por picaduras, tensiones y grietas han invalidado su uso en determinadas aplicaciones.
Cementación convencional
Normalmente, en la carburación o nitruración convencionales, se forman carburos o nitruros de cromo en los límites del grano debido a las altas temperaturas del proceso (>500 ºC). Esto provoca el agotamiento del cromo y la pérdida de resistencia a la corrosión (véase la figura 1).
Kolsterising®
En el proceso patentado Kolsterising® , el carbono se difunde intersticialmente en la matriz de FCC, provocando tensiones residuales de compresión (véanse las figuras 2 y 3). Debido a las bajas temperaturas, no se forman carburos de cromo en la austenita expandida, a menudo denominada fase SP. Como resultado, la dureza de la superficie aumenta considerablemente sin pérdida de resistencia a la corrosión.
Detalles del proceso
El proceso Kolsterising® nunca se ha patentado, por lo que los parámetros reales siguen siendo propiedad de Bodycote. Sin embargo, los detalles básicos son:
- La dureza superficial suele aumentar hasta 800 a 1200 HV0,05 (equivalente a 65 a 72 HRc)
- Low temperature process (< 500ºC or < 932ºF)
- Carbono difundido en la superficie en grandes cantidades (normalmente 8-10 % en peso)
- Capa de difusión de 10 a 40 μm (0,0004" a 0,00157") formada en acero inoxidable austenítico.
- Capaz de tratar piezas pequeñas a granel, así como piezas más grandes con tratamiento individual.
- No cambia de tamaño por las bajas temperaturas
Para que el proceso tenga más éxito, es necesario eliminar, o al menos minimizar, la presencia de δ-ferrita y martensita de deformación, véase la figura 4.
Programa de pruebas mecánicas
Nuevo programa
Se diseñó un programa de pruebas en colaboración con las instalaciones de Bodycoteen Skokie, IL. El material de muestra se obtuvo de una acería local y se seleccionó por su disponibilidad más que por el desarrollo óptimo de sus propiedades. Las aleaciones utilizadas en el programa fueron AISI 304, AISI 316 y la aleación dúplex SAF 2205. El material se dividió en lotes, uno para referencia (sin tratar) y otro para Kolsterising®. El sitio Kolsterising® se sometieron a un tratamiento térmico en solución al vacío antes del tratamiento.
Propiedades mecánicas y dureza
Se han realizado varias pruebas con estas muestras. Los resultados que se muestran a continuación son los de las propiedades mecánicas más significativas. La resistencia a la fatiga suele aumentar entre un 10 y un 100% (véase la figura 5).
La dureza de la superficie es primordial para aumentar la resistencia al desgaste y al gripado. Existen tres tratamientos Kolsterising® "normales": 33 micras, 22 micras y dúplex. 33" y "22" se refieren a la profundidad nominal de la caja en micras. Para las aleaciones dúplex es necesario un tratamiento especial, ya que existe el riesgo de fragilización a altas temperaturas de tratamiento.
La dureza superficial debe medirse por micro-Vickers o Knoop, utilizando una carga máxima de 50gf. Véase la medición del perfil de dureza en la figura 6 para diferentes tratamientos en una muestra normalizada de 316L recocida en disolución.
Resistencia a la abrasión
La falta de resistencia a la corrosión por frotamiento ha sido un grave defecto de los aceros inoxidables austeníticos y ha sido ampliamente descrita. Se utilizó un ensayo Faville para evaluar la resistencia al gripado de cada muestra. En este ensayo, se hace girar un eje a 330 rpm mientras se sujeta en un par de mordazas con una fuerza de cierre de 707 N. Las siguientes fotografías muestran el eje y las mordazas después del ensayo en tres condiciones: sin tratar (figura 7), nitruración convencional (figura 8) y nitruración convencional (figura 9).
convencional (figura 8) y Kolsterising® (figura 9).
Resistencia al desgaste
Ensayo de desgaste bola-disco. Se presionó una bola de óxido de aluminio, Ø 5 mm, contra la superficie cilíndrica de un disco giratorio con una fuerza de 20 N. Mientras estaba bajo presión, el disco giró a una velocidad de aproximadamente 50 mm/s. La rotación duró algo más de 2,5 horas, dando como resultado una huella de desgaste continua de 500 m en el disco. La rotación duró algo más de 2,5 horas, con lo que se obtuvo una huella de desgaste continua de 500 m a través del disco. Esta prueba se realizó en material 316L sin tratar y 316L con Kolsterising® aplicado. Una vez finalizada la prueba, las muestras se midieron táctilmente con un perfilómetro. En la figura 10 se muestran los perfiles superficiales de las dos muestras. Se indica un elevado volumen de desgaste en la muestra sin tratar, mientras que la muestra con Kolsterising® muestra sólo un cierto incrustamiento en la superficie.
Resumen y conclusiones
Para entornos corrosivos, los aceros inoxidables austeníticos y dúplex suelen ser la primera opción de diseñadores y usuarios. Sin embargo, debido a las débiles propiedades tribológicas específicas del material y, especialmente, a su baja resistencia al desgaste, plantean un reto particular.
Para mejorar el rendimiento mecánico manteniendo la ductilidad del material base, pueden aplicarse revestimientos o recubrimientos duros. Este método de mejora del desgaste puede ser arriesgado debido a posibles desprendimientos, problemas de corrosión bajo el revestimiento o grandes esfuerzos de repaso que aumentan sus costes totales.
La solución óptima para obtener una superficie dura pero dúctil, sin necesidad de modificaciones, es el endurecimiento superficial Kolsterising® . Debido a la alta ductilidad asociada a tensiones de compresión muy elevadas, el impacto del desgaste y el gripado puede reducirse considerablemente en muchas aplicaciones y materiales de acero inoxidable. Esto es vital cuando se trata de componentes que contienen presión, como cuerpos y asientos de válvulas, así como otros componentes de válvulas como elementos de fijación.
Al examinar los datos de los ensayos mecánicos nuevos y existentes, queda claro que ciertas propiedades mecánicas clave de los aceros inoxidables austeníticos y de las aleaciones basadas en níquel pueden mejorarse mediante el uso del proceso Kolsterising® .
- La dureza superficial se incrementa sustancialmente, en el rango de hasta 800 a 1.200 HV0,05 (equivalente a 65 a 72HRc)
- Se mantienen las propiedades de resistencia a la corrosión, si no se mejoran (sin formación de carburo).
- La resistencia al gripado aumenta considerablemente
- Aumentan las propiedades antidesgaste
- Se reducen los impactos de la erosión por cavitación
- Las propiedades de fatiga muestran una gran mejora
También cabe destacar que, debido a la baja temperatura de tratamiento, los componentes no presentan cambios de dimensiones ni de color, y el endurecimiento es uniforme en los bordes afilados y en el interior de orificios, agujeros ciegos y huecos de tan sólo unas micras.
Este artículo se publicó por primera vez en Valve World Americas - Septiembre 2021