Aplicación de tratamiento térmico en sujetadores de acero inoxidable

Los sujetadores de acero inoxidable, incluidos pernos, tuercas, tornillos y arandelas, se usan ampliamente en las industrias aeroespacial, automotriz, de ingeniería marina, petroquímica, de procesamiento de alimentos y de construcción debido a su excelente resistencia a la corrosión, propiedades mecánicas y durabilidad. Sin embargo, el acero inoxidable fundido o formado a menudo no cumple con los estrictos requisitos de rendimiento de entornos de trabajo complejos, como alta resistencia, resistencia al desgaste, estabilidad dimensional y resistencia a la soldadura en frío (excoriación). El tratamiento térmico, como tecnología de procesamiento crucial, puede regular la microestructura de los sujetadores de acero inoxidable sin cambiar significativamente su forma, optimizando así sus propiedades mecánicas y su vida útil. Este artículo detalla los procesos comunes de tratamiento térmico para sujetadores de acero inoxidable, sus principios de aplicación, adaptaciones específicas de materiales y prácticas de aplicación industrial.

1. Descripción general del tratamiento térmico para sujetadores de acero inoxidable

El objetivo principal del tratamiento térmico para sujetadores de acero inoxidable es ajustar la estructura cristalina interna, eliminar las tensiones internas generadas durante el conformado (como el mecanizado en frío y el mecanizado) y equilibrar la relación entre resistencia, dureza, ductilidad, tenacidad y resistencia a la corrosión. A diferencia de los sujetadores de acero al carbono, el acero inoxidable contiene elementos de aleación como cromo (Cr), níquel (Ni), molibdeno (Mo) y titanio (Ti), que forman una película de óxido pasiva en la superficie para resistir la corrosión. Por lo tanto, el tratamiento térmico de elementos de fijación de acero inoxidable no sólo debe mejorar las propiedades mecánicas sino también evitar dañar esta película pasiva o reducir la resistencia a la corrosión.

La selección de procesos de tratamiento térmico depende del tipo de acero inoxidable (austenítico, martensítico, ferrítico, dúplex), los requisitos de rendimiento de los sujetadores y sus escenarios de aplicación. Los procesos comunes incluyen tratamiento en solución, recocido, temple y revenido, endurecimiento por precipitación, endurecimiento de superficies y alivio de tensiones, cada uno con características y ámbitos de aplicación distintos.

2. Procesos comunes de tratamiento térmico y sus aplicaciones

2.1 Tratamiento de solución (recocido de solución)

El tratamiento con solución es el proceso de tratamiento térmico más básico y más utilizado para sujetadores de acero inoxidable austenítico (como los grados 304, 316, 321) y sujetadores de acero inoxidable dúplex. El proceso implica calentar los sujetadores a una temperatura por encima del límite de solubilidad de los carburos (normalmente 1000-1200 °C para el acero inoxidable austenítico), mantenerlos a esta temperatura durante un período determinado para asegurar la disolución completa de los carburos (como los carburos de cromo) en la matriz de austenita y luego enfriarlos rápidamente (enfriarlos) en agua o aire para obtener una microestructura austenítica uniforme.

La función clave del tratamiento de solución es eliminar la precipitación intergranular de carburos, lo que previene la corrosión intergranular, un modo de falla común de los sujetadores de acero inoxidable en ambientes corrosivos como las industrias de procesamiento químico y marino. Además, el tratamiento con solución mejora la ductilidad y la tenacidad de los sujetadores, facilitando los procesos de conformado posteriores (como el laminado de roscas) y garantizando la estabilidad dimensional durante el servicio. Por ejemplo, los sujetadores de acero inoxidable 316L utilizados en equipos marinos deben someterse a un tratamiento de solución para mejorar su resistencia a la corrosión por cloruro y mantener la integridad estructural en ambientes húmedos y salados.

2.2 Recocido

El recocido es un proceso de tratamiento térmico que tiene como objetivo ablandar los sujetadores de acero inoxidable, aliviar las tensiones internas, mejorar la maquinabilidad y homogeneizar la microestructura. El proceso varía ligeramente según el tipo de acero inoxidable: para el acero inoxidable austenítico, el recocido suele combinarse con un tratamiento en solución (recocido en solución); para el acero inoxidable ferrítico, el recocido se realiza a 700–900 °C seguido de un enfriamiento lento para eliminar tensiones residuales y mejorar la ductilidad; Para el acero inoxidable martensítico, el recocido se utiliza para ablandar el material después del temple, reduciendo la fragilidad y facilitando el mecanizado.

En la producción de elementos de fijación de acero inoxidable, el recocido a menudo se aplica antes del mecanizado de roscas o estampación en frío. Por ejemplo, antes de estampar en frío pernos de acero inoxidable martensítico 17-4 PH, el recocido a 800-850°C puede ablandar el material, reducir la resistencia durante el conformado en frío y evitar el agrietamiento de los sujetadores o el desgaste excesivo de los moldes, reduciendo así los costos de producción. Además, el recocido para aliviar tensiones (un tipo de recocido) se utiliza para tratar los sujetadores después de soldarlos o mecanizarlos, calentándolos a 600–800 °C y enfriándolos lentamente para evitar la deformación o el agrietamiento causados ​​por tensiones residuales durante el servicio.

2.3 Enfriamiento y revenido

El templado y revenido se aplican principalmente a sujetadores de acero inoxidable martensítico (como los grados 410, 420) y algunos sujetadores de acero inoxidable endurecidos por precipitación que requieren alta resistencia y dureza, como los sujetadores utilizados en piezas mecánicas de alta tensión y componentes aeroespaciales. El proceso consta de dos etapas: temple y revenido.

El enfriamiento implica calentar los sujetadores a la temperatura de austenitización (850-1050 °C para acero inoxidable martensítico), mantenerlos durante un cierto período y luego enfriarlos rápidamente en aceite o agua para transformar la matriz de austenita en martensita, aumentando así significativamente la dureza y resistencia de los sujetadores. Sin embargo, los elementos de fijación de acero inoxidable martensítico templado son muy frágiles y contienen importantes tensiones residuales, por lo que el templado debe realizarse inmediatamente después del templado.

El templado implica recalentar los sujetadores templados a una temperatura más baja (150–650 °C), mantenerlos durante un período determinado y luego enfriarlos a temperatura ambiente. Este proceso reduce la fragilidad, alivia las tensiones residuales y ajusta el equilibrio entre dureza, resistencia y tenacidad de los sujetadores. Por ejemplo, los pernos de acero inoxidable 410 utilizados en componentes de motores de automóviles se someten a enfriamiento y revenido para lograr una dureza de HRC 35–45, lo que garantiza que puedan soportar cargas elevadas y vibraciones repetidas sin deformación ni fractura.

2.4 Endurecimiento por precipitación

El endurecimiento por precipitación (también conocido como endurecimiento por envejecimiento) es un proceso de tratamiento térmico especializado para sujetadores de acero inoxidable endurecidos por precipitación, como los grados 17-4 PH, 17-7 PH, que se utilizan ampliamente en las industrias aeroespacial, petroquímica y de generación de energía debido a su alta resistencia y buena resistencia a la corrosión. El proceso consta de tres etapas: tratamiento de la solución, enfriamiento (para obtener una solución sólida sobresaturada) y envejecimiento (precipitación de las fases de fortalecimiento).

Primero, los sujetadores se someten a un tratamiento de solución a 1020–1060 °C para disolver elementos de aleación (como cobre, niobio) en la matriz de austenita, luego se enfrían rápidamente a temperatura ambiente para obtener una martensita sobresaturada o una solución sólida de austenita. Posteriormente, se realiza un tratamiento de envejecimiento a 480–620 °C, durante el cual se precipitan fases de refuerzo finas y uniformes (como precipitados ricos en cobre) de la solución sólida sobresaturada, lo que mejora significativamente la resistencia y dureza de los sujetadores sin sacrificar la resistencia a la corrosión. Por ejemplo, los sujetadores de acero inoxidable 17-4 PH después del endurecimiento por precipitación pueden alcanzar una resistencia a la tracción de hasta 1170 MPa y una dureza de Rockwell C38, lo que los hace adecuados para componentes de aeronaves y equipos petroquímicos de alta presión.

2.5 Endurecimiento de superficies

Los sujetadores de acero inoxidable a menudo sufren irritaciones (soldadura en frío) durante el montaje y desmontaje, especialmente en escenarios de contacto metal con metal con pares de apriete elevados. El irritamiento es causado principalmente por una baja dureza de la superficie, una rugosidad excesiva de la superficie o la falta de lubricación, y puede provocar que los sujetadores se atasquen, lo que hace que su extracción sea extremadamente difícil sin dañar los componentes. El endurecimiento de la superficie es una solución eficaz a este problema, ya que endurece solo la capa superficial (de unas pocas a decenas de micras) de los sujetadores, mejorando la resistencia al desgaste y la abrasión mientras se mantiene la resistencia a la corrosión y la tenacidad del material base.

Los procesos comunes de endurecimiento de superficies para sujetadores de acero inoxidable incluyen nitruración, carburación y procesos patentados basados ​​en difusión como Kolsterising® y Super Expanite®. Kolsterising®, un proceso de difusión a baja temperatura, aumenta significativamente la dureza de la superficie de los sujetadores (normalmente por encima de 1000 HV) sin cambiar sus dimensiones o acabado de la superficie, lo que lo hace adecuado para sujetadores de acero inoxidable austenítico y dúplex utilizados en equipos de precisión. Super Expanite® resuelve las deficiencias de los procesos tradicionales de endurecimiento de superficies (como la reducción de la resistencia a la corrosión y la poca profundidad de endurecimiento) endureciendo tanto la capa más externa como el material subyacente, mejorando aún más la resistencia a la corrosión y al desgaste. Estos procesos de endurecimiento de superficies se utilizan ampliamente en sujetadores para equipos médicos, maquinaria de precisión y procesamiento químico, donde la resistencia al desgaste y a la corrosión son fundamentales.