Tratamiento de endurecimiento a baja temperatura de acero inoxidable utilizado para superficies de automóviles

Hora de publicación: 06 / 22 2021 Autor: Editor del sitio Visita: 11531

Aunque el acero inoxidable austenítico ha sido ampliamente utilizado debido a su excelente resistencia a la corrosión, sus propiedades tribológicas son malas, especialmente su baja resistencia a la abrasión o al desgaste adhesivo, y tiene tendencia al desgaste por fricción, lo que dificulta la necesidad de resistencia a la corrosión y aplicación en el campo de resistencia al desgaste. La línea de procesamiento de acero inoxidable (S3P) de Baldick en Alemania proporciona una solución para aumentar las propiedades mecánicas del material sin cambiar la resistencia a la corrosión. El proceso de difusión térmica química forma una fase S rica en carbono o rica en nitrógeno al tiempo que evita la precipitación de carburos o nitruros. Las aplicaciones típicas incluyen alimentos, bebidas, medicamentos, suministros médicos y equipos de procesos químicos. Sin embargo, este artículo presentará principalmente la aplicación del acero inoxidable en la industria automotriz.

El acero inoxidable se ha utilizado durante mucho tiempo como piezas estructurales o decorativas de automóviles. Un ejemplo típico es la cubierta frontal de acero inoxidable austenítico y las inserciones de acero inoxidable del Rolls-Royce Phantom. Entre los aceros inoxidables, el acero inoxidable ferrítico se usa principalmente en automóviles, porque el acero inoxidable ferrítico puede hacer que el sistema de escape funcione en un ambiente corrosivo y de alta temperatura. Partes como colectores de escape, tubos y silenciadores están fabricados en acero inoxidable AISI 409. Los aceros inoxidables más caros, como los aceros inoxidables dúplex, se han utilizado ampliamente en automóviles. Las piezas funcionales fabricadas con aceros inoxidables dúplex combinan resistencia mecánica y una resistencia a la corrosión extremadamente alta. La industria automotriz se enfrenta a estrictos requisitos de seguridad y eficiencia, lo que constituye una excelente oportunidad para la aplicación de materiales de acero inoxidable.

La nueva frontera de la resistencia a la fricción mecánica

Veamos un ejemplo específico. Una empresa de ingeniería automotriz produce cojinetes deslizantes. Después de aplicar el procesamiento de línea S3P, se mejora el rendimiento de los rodamientos deslizantes producidos, lo que demuestra cómo S3P mejora perfectamente las propiedades mecánicas del acero inoxidable. Para los cojinetes deslizantes de las válvulas solenoides, cuando se utiliza acero inoxidable sin templar, el cojinete falla después de 240,000 operaciones, mientras que cuando se usa material de revestimiento de carbono tipo diamante (DLC), falla después de 74 millones de operaciones. Cuando se utiliza acero inoxidable con endurecimiento a baja temperatura de la superficie, la vida útil del rodamiento supera con creces cualquier récord anterior, y el rodamiento aún puede funcionar después de 560 millones de operaciones. Aunque el DLC tiene propiedades de deslizamiento muy altas, su dureza superficial supera con creces la de la fase S, pero el tratamiento S3P puede mejorar en gran medida el rendimiento integral de las piezas de acero inoxidable, como la resistencia a la corrosión, dureza, tenacidad y resistencia a la fatiga.

Áreas de aplicación más detalladas

La ventaja clave de la capa de difusión de 10-40 μm formada bajo la condición de endurecimiento de la superficie a baja temperatura es eliminar cualquier posible riesgo de delaminación, lo que también es beneficioso en términos de resistencia al choque de presión y al choque térmico. Aunque la dureza de la fase S rica en carbono en el acero inoxidable supera los 1000HV0.05, aún mantiene la plasticidad durante el proceso de carga rápida del horno. Estas características hacen que se utilice en muchos lugares de la industria del automóvil de alta tecnología y alto rendimiento. Las áreas de aplicación actuales incluyen motores de combustión interna, transmisión de potencia, sistemas de transmisión y escape. S3P puede endurecer incluso las piezas más pequeñas, lo que conduce a una optimización de costes. Los ejemplos que se dan a continuación ilustran que estos aceros inoxidables endurecidos pueden cubrir más áreas y reducir los costos generales.

Elimina rayones en las conexiones eléctricas

Las partes mecánicas móviles instaladas en los accesorios de los motores de combustión interna sufren una corrosión relativamente alta. La sal en la carretera o conducir cerca de la costa aumenta el riesgo de daños por corrosión en diferentes partes mecánicas. La alta temperatura en el compartimiento del motor aumenta aún más el efecto de corrosión. Al considerar el uso de biocombustibles corrosivos dentro del motor, las partes mecánicas también están sujetas a otras formas de corrosión.

Para los conectores de alimentación, la resistencia a los arañazos es particularmente importante. En comparación con las superficies no tratadas, las superficies cementadas a baja temperatura tienen ventajas obvias. Los resultados de las pruebas de acero inoxidable AISI 316L de acuerdo con la norma ASTM G98 muestran que, en comparación con la superficie sin tratar, el valor de tensión del umbral de rayado aumenta considerablemente después del tratamiento. El acero inoxidable sin tratar se rayó a 45.5 MPa, mientras que la superficie carburada no se rayó a 842.5 MPa. Este valor excede el límite elástico del material, por lo que se produce una deformación plástica.

Recubrimiento alternativo

Debido a la Directiva sobre el fin de la vida útil de los vehículos de la Unión Europea o la restricción de sustancias peligrosas (RoHS), la industria automotriz europea ha comenzado a reemplazar los recubrimientos de cromo duro. Los requisitos de piezas resistentes a la corrosión y al desgaste han llevado al desarrollo de esta sustitución en dos direcciones. Uno es utilizar otros tipos de recubrimientos, como el niquelado no electrolítico, y el otro es refinar el material de la matriz mediante un proceso de difusión. Desde la perspectiva del desgaste, el recubrimiento es más ventajoso que el proceso de difusión del acero inoxidable. El espesor de la capa endurecida del revestimiento puede ser más grueso, pero el proceso S3P puede mejorar la resistencia a la corrosión sin el riesgo de un revestimiento incompleto.

No requerir mecanizado después del procesamiento es una ventaja del proceso S3P, lo que reduce el costo general y se da cuenta de la posibilidad de procesar geometrías complejas, bordes afilados y estructuras internas, lo que generalmente es imposible para los recubrimientos. De hecho, debido a las características del proceso de difusión, es posible tratar grandes cantidades de materiales con endurecimiento superficial S3P a baja temperatura. Durante la instalación rápida del horno, la zona endurecida se deforma sin grietas ni delaminación. Esta tolerancia a fallas es una gran ventaja en comparación con los recubrimientos u otros procesos basados en difusión. Incluso las piezas más pequeñas pueden endurecerse uniformemente, lo que es otra ventaja de este proceso, que es imposible con otras tecnologías. El endurecimiento de la superficie de los orificios con un diámetro de 60 μm es la capacidad única de este proceso. Especialmente cuando se somete a un alto ciclo de fatiga por flexión, el cromo duro y otros recubrimientos presentan un alto riesgo de falla. Aunque los estudios afirman que el recubrimiento tiene una alta resistencia mecánica y puede mejorar la resistencia a la fatiga, cuando se excede el nivel de tensión específico que es propenso a la iniciación y propagación de grietas, la zona de transición de la capa blanda al recubrimiento duro es el punto débil. Esto puede provocar la deslaminación del revestimiento o la propagación de grietas en la capa blanda, lo que afecta la vida útil a la fatiga.

Cojinetes lisos sin otras juntas

Otra área de aplicación del acero inoxidable de endurecimiento superficial son los cojinetes deslizantes que no requieren otros sellos, que se pueden utilizar en sistemas de inyección de alta presión o bombas farmacéuticas. Los accionamientos lineales también se benefician de esta tecnología. Debido a la tasa de desgaste extremadamente baja del contacto metal-metal y la eliminación de rayones al mismo tiempo, se puede realizar un diseño estructural simple sin sello de polímero, como se muestra en la Figura 3.

Rendimiento de fatiga de resorte mejorado

Debido a la presencia de la fase S rica en carbono, el acero inoxidable tiene un límite de fatiga más alto, el ciclo de vida del resorte se puede extender y la posibilidad de falla se reduce. Dependiendo del tamaño del resorte, la constante del resorte también puede cambiar. Cuanto menor sea el tamaño del resorte, mayor será el efecto del tratamiento de endurecimiento de la superficie en el rendimiento del resorte. El estudio de la fase S rica en carbono en una película de acero inoxidable AISI 304 encontró que la resistencia a la tracción se puede aumentar de 600 MPa sin tratamiento a más de 1500 MPa.

Repetible y de bajo costo

El tratamiento de endurecimiento de la superficie a baja temperatura permite que el acero inoxidable mejore sus propiedades mecánicas mientras mantiene una buena resistencia a la corrosión. Las mejores propiedades de desgaste, abrasión, fatiga y cavitación hacen que la superficie del acero inoxidable tratado a baja temperatura sea ampliamente utilizada en la industria automotriz. Para cumplir con los requisitos de piezas confiables y automóviles más eficientes, el acero inoxidable endurecido en la superficie es un material clave. Los ejemplos específicos mencionados anteriormente, como los conectores de alimentación con mayor rendimiento de fricción, los accesorios de combustible de acero inoxidable que no se bloquean, los resortes con mayor rendimiento a la fatiga y las piezas utilizadas para válvulas de alta presión, explican completamente que el tratamiento de endurecimiento de la superficie a baja temperatura puede mejorar varias propiedades del acero inoxidable. Además, es importante que este proceso logre resultados uniformes y repetibles. Una avería o mal funcionamiento de un automóvil mientras se conduce es un accidente importante para un fabricante de automóviles de marca, y esto se puede resolver mediante la tecnología de endurecimiento de la superficie a baja temperatura. Además de mejorar el rendimiento del proceso de las piezas endurecidas, la economía también es importante. El tratamiento de endurecimiento de superficie a baja temperatura S3P también puede procesar una gran cantidad de piezas de pequeño tamaño a la vez para cumplir con este objetivo.

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