Los beneficios de las temperaturas criogénicas se han industrializado gracias a los avances considerables de la investigación. Sus usos en diversas industrias son comunes, y su aplicación específica en los metales conlleva mejoras significativas sobre las características de los materiales. Si bien su uso lleva ya un par de décadas en el mercado mundial, la ausencia de tecnología accesible en México y los costos relacionados aún la mantienen confinada a sectores bastante específicos
Eréndira Reyes
La criogenia se define como el conjunto de técnicas utilizadas para enfriar un material a la temperatura de ebullición del nitrógeno molecular o a temperaturas más bajas, esto significa 77.36 grados kelvin o -195.79 grados centígrados.
Si bien detener el envejecimiento de un ser humano mediante procedimientos criogénicos no se ha logrado, dicha práctica se extiende entre las actividades productivas humanas con aplicaciones que van en aumento.
La industria textil, la alimentaria, la farmacéutica, la electrónica, la óptica, la automotriz y la metalmecánica, entre muchas otras, ya se sirven de los beneficios de esta tecnología para mejorar sus procesos y obtener productos más duraderos. No obstante, a México aún no le ha llegado su turno por completo, pues son contadas las compañías, por no decir los sectores, que la utilizan en sus labores, sobre todo debido al desconocimiento y a la ausencia de tecnología local.
La historia de tal método se remonta a la década de 1930, cuando algunos investigadores iniciaron los primeros estudios al respecto. Durante esta época era difícil acceder a la materia prima, el nitrógeno, por sus altos costos. Más de 30 años después, Edward Busch empezó a estudiar los beneficios de este tipo de proceso y logró llevar a cabo algunos experimentos para mejorar la estabilidad del acero. Las pruebas que realizó fueron exitosas, pero el método era prácticamente desconocido, por lo que no lo tomaron en serio e incluso lo acusaron de practicar magia negra. Posteriormente, en 1973, Busch conoció al doctor Randall Barron, de la Universidad de Luisiana, la mayor autoridad en el tema de la criogenia. Busch, así como diversos clientes de su compañía, Cryo-Tech, financiaron diversos estudios para perfeccionar el proceso. Al cabo de un año, los estándares del tratamiento criogénico se habían establecido. Poco tiempo tuvo que pasar para que la aplicación de la criogenia se convirtiera en un método de grandes alcances.
Aplicación
La criogenia es ampliamente utilizada en tecnologías que dependen de la superconductividad, capacidad que poseen ciertos materiales para transportar corriente eléctrica sin resistencia ni pérdida de energía en determinadas condiciones. Por ejemplo, los aparatos de resonancia magnética nuclear utilizados en medicina dependen de técnicas criogénicas para mantener la temperatura de los imanes superconductores que albergan.
Mediante el uso de técnicas más avanzadas, es posible alcanzar temperaturas aún más cercanas al cero absoluto, como las aplicadas en refrigeradores de dilución y desmagnetización adiabática. Dichas técnicas tienen su principal aplicación en el campo de la investigación, pues a temperaturas suficientemente bajas los efectos de la mecánica cuántica se hacen notar en cuerpos macroscópicos.
Equivocadamente se denomina criogenia a la criónica o criopreservación, que se refiere al conjunto de técnicas utilizadas para preservar, utilizando muy bajas temperaturas, personas legalmente muertas o animales, con miras a una posible reanimación cuando la ciencia y la tecnología futura puedan remediar toda enfermedad y revertir el daño debido al proceso de criopreservación.
El nitrógeno líquido, por su parte, principal elemento para llevar a cabo los procesos criónicos y de criopreservación, encuentra su principal aplicación como agente refrigerante de bajo costo en el campo de la criogenia; en la actualidad, algunos laboratorios de investigación lo emplean para atrapar materiales volátiles.
Frecuentemente, la refrigeración con nitrógeno líquido es el punto de partida para alcanzar temperaturas más bajas mediante helio líquido, y el uso de ambos gases se ha incrementado con la llegada de materiales cerámicos que se vuelven superconductores a la temperatura de ebullición del nitrógeno líquido.
En la industria, el nitrógeno se usa como refrigerante en muchos campos, como en el caso de la refrigeración de reactores químicos. Otra de sus aplicaciones más conocidas se encuentra en la industria alimentaria, donde se utiliza tanto para ultracongelar alimentos, como para la elaboración de platos cocinados con nitrógeno líquido.
Asimismo, la temperatura que logra alcanzar es posible aplicarla en plásticos, telas o metales, pues su uso en procesos industriales incrementa la capacidad de los materiales, reduce costos e implica impactos mínimos sobre el medioambiente. Igualmente, se emplea en el reciclado de neumáticos, ya que supone una tecnología más eficaz y favorable al conseguir un elevado grado de separación de los componentes, característica que hace el reciclaje más eficaz.
El procedimiento
La tecnología desarrollada y los estudios que se han realizado alrededor del tema son variados, así como la experimentación en materiales que en la actualidad exploran otras industrias. Previamente, el nitrógeno se usaba de forma un tanto burda, debido a que lo único que se hacía era meter los metales en nitrógeno; esto provocaba choques térmicos, que, lejos de ayudar, disminuían la calidad.
Según el doctor Alejandro Morales, catedrático e investigador de la Universidad Autónoma del Estado de Hidalgo y miembro fundador de la licenciatura en Ingeniería en Tecnología del frío, este fenómeno sólo producía fracturas internas de elevado gradiente de temperatura. El secreto del proceso es tener paciencia en la aplicación del gas”, afirma en entrevista para Mundo HVACR.
En primer lugar, explica el experto, es necesario considerar que el nitrógeno se aplica en seco, ya que permea muchos materiales, lo que significa que tiene facilidad para entrar en los pequeños espacios libres que dejan las partículas de los materiales. Al momento de pasar nuevamente a temperatura ambiente, se expande, esto crea una especie de burbuja que fractura el metal y lo debilita; por ello, su aplicación debe contar con ciertas condiciones de control.
Por otro lado, la inyección de nitrógeno líquido en los equipos optimizados para esta tarea únicamente evita los choques térmicos e intercambia la energía para, posteriormente, procesar el nitrógeno en vapor; dependiendo del volumen del metal, se controla la temperatura y el tiempo de aplicación.
Otro aspecto por considerar al aplicar el proceso es la regulación del flujo volumétrico del nitrógeno, a fin de controlar la temperatura. A grandes rasgos, el proceso inicia con la materia prima a temperatura ambiente, la cual se somete a una inyección de nitrógeno líquido que se evapora y baja la temperatura gradualmente, pues no puede hacerlo de forma inmediata; de lo contrario, produciría un choque térmico, lo cual hay que evitar. Los equipos que se encargan del procedimiento empiezan a bajar la temperatura, primero, a -10 grados, luego a -15 y así sucesivamente. Este proceso va despejando el vapor de agua, el oxígeno y los elementos que no deben participar en el enfriamiento final, por lo que se obtiene, en esencia, un ambiente controlado.
Un factor más es la cantidad de humedad relativa presente en el ambiente. Normalmente, al aplicar de forma paulatina el nitrógeno no es necesario eliminar la humedad relativa existente, ya que el mismo material la elimina; sin embargo, si no se cuenta con un equipo optimizado, sí es necesario contar con un ambiente libre de humedad.
En cuanto al límite que puede alcanzar el tratamiento, éste se determina por el punto de ebullición del nitrógeno (-178 °C). Si sólo se inyecta líquido de nitrógeno, la temperatura límite que alcanzaría sería 196 °C. Según el ingeniero Morales, “el frío máximo aplicado en forma de vapor que se puede alcanzar es de 188 °C”.
La industria metalmecánica
Básicamente, todos los artefactos con los que se interactúa en la vida cotidiana han sido sometidos a procesos estructurales: doblado, troquelado, maquilado, fundición, entre otros, y no sólo en la industria metalmecánica, también en plásticos, textiles u otro tipo de materias primas. En consecuencia, la estructura superficial e interna ha hecho que la tecnología investigue e innove con el objetivo de fortalecer y brindar las características que tenían antes de ser procesados.
Las propiedades son variadas y, en el caso del acero, la aleación más usada y estudiada, contiene materiales como cromo, carbono, titanio y silicio. Debido a cuestiones económicas, es necesario que el tratamiento de frío sea rápido, por lo que surgen problemas en el mismo metal.
El proceso de troquelado es de los más comunes. En él, básicamente, se le da forma al metal, pues se hacen piezas con alta presión para después cortarlas y definir sus formas. El doblado normalmente es aplicado para hacer resortes o perfiles. En este caso, lo que se deforma más es la estructura de la parte externa, mientras que el interior se mantiene, según la dimensión, sin grandes modificaciones.
Soldar es otro proceso de la cadena productiva y consiste en someter el material a mucho calor a fin de otorgarle alguna forma y volver su temperatura a la del medioambiente. Muchos aceros pueden tener una gran tenacidad, pero al momento de ser soldados se modifica la estructura local, de manera que si se somete un metal a esfuerzos, la parte donde se debilitará es aquella en la que se soldó o modificó la estructura.
El ingeniero Morales explica que “si se enfría una barra de metal que acaba de pasar por un proceso de fundición, la parte externa se sentirá fría, pero en el centro estará a 700 °C o más. A la larga, esta situación generará problemas, por eso la necesidad de optar por someter el metal a un proceso de criogenia”.
La utilización de tratamientos térmicos permite lograr las más diversas características del acero y sus aleaciones, así como de otros muchos metales; en consecuencia, dichos tratamientos cobran una importancia primordial en las distintas fases de fabricación de la industria moderna.
Los procesos son numerosos y variados, ya que están determinados por las distintas aleaciones en los que se aplican, sus reacciones y las exigencias técnicas que existen; por ello, el conocimiento requerido también debe ser especializado. En general, lo que el mercado requiere es endurecer o ablandar los materiales, pero la gradación necesaria es la que definirá la aplicación. Entre éstas, existen algunas bastante comunes:
Temple. Consiste en calentar el acero a una temperatura por encima de su punto de transformación, lo que provoca una reacción en la que el material queda con una estructura cristalina (austenítica), para después someterlo a un enfriamiento rápido con una velocidad superior a la crítica. La finalidad es tener mayor dureza en el acero
Cementación. Técnica que consiste en elevar la temperatura del acero hasta 900 grados centígrados, lo que permite que se difumine carbono sobre la superficie. Luego de lograr esta filtración en función al tiempo, se aplica un enfriado rápido, lo que también confiere más dureza al metal
Además de éstos, existen otros, como la nitruración, el revenido, la carbonitruración, el normalizado y el recocido isotérmico, en los que, en general, se eleva la temperatura y se enfría de manera inmediata. Estas técnicas son empleadas en el acero, aunque también en cobre o aluminio, en los que las temperaturas varían considerablemente debido a que la estructura y dimensión de cada material reacciona de distinta forma. Mientras el aluminio se puede hacer maleable a 530 grados centígrados, existen tipos de cobre que resisten mayores temperaturas y continúan duros a esta temperatura.
Someter un material a este tipo de tratamientos busca la obtención de un producto de calidad, porque de esta forma se remueven muchos (o todos) los defectos que pudiera portar. En este sentido, la ingeniera Elizabeth Chavira, especialista del Instituto de Investigaciones en Materiales (INM) de la Universidad Nacional Autónoma de México, explica que los procesos térmicos funcionan efectivamente cuando se logran remover todos los efectos que se hicieron en cada uno de los procesos para adquirir el producto final; por ejemplo, una llave de coche. “Esta eliminación es notable a lo largo de los años, pues el desgaste del metal y su resistencia es evidente”, indica la especialista.
Para mostrar lo que sucede con los metales cuando no se someten a un tratamiento térmico (criogenia, temple, entre otros), el ingeniero Morales ejemplifica los defectos. “Es como si se doblara una hoja de papel y posteriormente se hiciera una bolita, cuando ésta vuelve a tomar su forma y aplicas alguna fuerza con la que choca, lo más seguro es que se rompa por la parte donde mayor cambio estructural tuvo, como es la parte doblada”, afirma. A tales fenómenos se les llama esfuerzos, y la idea de este tipo de tecnología es removerlos. Como se ha mencionado, las metodologías son variadas; incluso en la aplicación criogénica hay diversidad.
Los tratamientos en caliente, aplicados desde la década de 1930, buscan homogeneizar las propiedades del centro y de los extremos para que éstos queden iguales, lo que hace el tratamiento térmico propiamente. Algunas técnicas térmicas han sido ampliamente estudiadas y ya existen registros de sus aplicaciones y resultados. Como ejemplo, en el caso ultrasónico se aplican chorros de arena con golpeteos calientes, que pueden alcanzar presiones de hasta 250 megapascales, y en el que los resultados ofrecen una textura bastante notable en los metales. El proceso es popular en latas, toberas y turbinas.
Tratamientos criogénicos
Después del retiro de Randall Barron en 2012, Cryo-Tech, la empresa pionera en dichos tratamientos, se fusionó con algunas instituciones para dirigir sus esfuerzos a la innovación en equipos criogénicos. En el sector nacional no se cuenta aún con una empresa que fabrique este tipo de equipos, aunque el ingeniero Morales resalta: “En la Escuela Superior de Apán (ESAp) contamos con un equipo de esta marca y
la empresa INFRA nos apoya con su mantenimiento. Al cuestionar al personal sobre esta oferta comercial nos dijo que ya existe el servicio, aunque, en lo personal, no tengo certeza del tipo de procedimiento que lleva a cabo”, indica el investigador.
La doctora Chavira, del INM, también resalta la importancia de tener este tipo de equipos en el sector de la refrigeración nacional: “Son tecnologías en las que se debe tener investigación y experimentación; sin embargo, los resultados y beneficios que se han visto hacen que valga la pena la inversión. La tecnología, a pesar de no ser nacional, ya cuenta con difusión y convenios, con los que se busca crear servicios eficientes y reproducibles, pues la oportunidad de negocio que existe es amplia”.
La aplicación de criogenia también cuenta con variantes o subprocesos, los cuales no se diferencian mucho en su aplicación, pero sí en los resultados:
Tempering. Es un proceso en el que se somete un metal a altas temperaturas para después colocarlo en agua fría o con hielo, lo que genera un choque térmico benéfico, pues se hace inmediatamente. Dependiendo de la temperatura desde la cual se haga descender el metal caliente, su color cambiará, así como sus propiedades. Este proceso inició de forma enteramente empírica y se usa de caliente a frío y viceversa
Hardening. En ocasiones se utiliza como sinónimo de tempering, pero se trata de un procedimiento distinto. En español se conoce como endurecimiento, y hay cinco tipos principales, en los que los rangos de temperatura varían. El proceso consiste en someter a templado en ciertos rangos de temperatura para después descender de forma abrupta este calor; debe hacerse en ambientes controlados a fin de evitar que se oxide, aceite, salmuera, se produzca vapor de boro o nitrógeno
Martempering. Es un tratamiento térmico que implica elevar el acero hasta su punto de austenización (temperatura en la que se forma austenita, aleación que disuelve todo el carbono libre en el metal) para después enfriarlo a una velocidad suficientemente rápida que evite la formación de ferrita, perlita o vainita. Este método provoca que las tensiones y presiones generadas en el acero se puedan controlar
En términos generales, la criogenia implica el endurecimiento de las piezas, que convertirá la estructura del metal en una superficie más fuerte, lo cual ocurre debido a que transforma sus propiedades a una fase de martensita (modificación alotrópica de gran dureza, similar a la ferrita, pero con carbono en solución sólida). La ingeniera Chavira explica que éste el nombre que recibe la fase cristalina BCC en aleaciones ferrosas, que se genera a partir de una transformación de fases sin difusión a una velocidad muy cercana a la velocidad del sonido en el material. “Por extensión, se denomina martensitas a todas las fases que se producen a raíz de una transformación sin difusión de materiales metálicos y recibe su nombre en honor al metalúrgico alemán Adolf Martens”.
Por su parte, el ingeniero Morales afirma: “Desde un punto de vista idealizado, sería deseable que todo el acero estuviera en fase martensita, porque es la más dura; aunque para propósitos de maquinabilidad no es práctica, pues se gastarían todas las elementales, por eso es que se producen aceros que se pueden maquinar muy fácilmente y con procedimientos térmicos en caliente se les cambian sus propiedades”.
A este respecto, si un acero eleva su temperatura hasta 800 grados centígrados empezarán a obtenerse otros aceros, por ello se les aplican tratamientos con agua, aire o frío forzado. En la actualidad, los descensos con gases licuados ayudan a que las caídas de temperatura sean mayores; en consecuencia, el tipo de defecto es mayor. Puede haber mil grados de diferencia en un solo minuto; de esta manera, el material pasa de una fase a otra en pocos segundos.
El fenómeno se puede explicar del siguiente modo: la austenita es el constituyente más denso de los aceros, formado por una solución sólida por inserción de carbono en hierro gamma, que es estable a la temperatura ambiente, pero existen mezclas con cromo y níquel que deben manejarse. La modificación que se dará bajo estos procesos será la eliminación y transformación de las moléculas de carbón y se dará de distinta formas y grados.
Cuando se aplica criogenia en este tipo de metales, el carbón es expulsado de la estructura y se producen granos de carbono que proporcionarán mayor dureza a la martensita. Al hacer el proceso a bajas temperaturas, será posible obtener un material más resistente a la corrosión, al desgaste y a esfuerzos de fatiga al transformarse la estructura del material. “El nivel de dureza que se obtiene estará siempre en función de la profundidad del acero, lo cual significa que entre más se introduce este tratamiento en el interior del metal, su nivel de dureza cae. Los aceros usualmente son muy fuertes por fuera, por dentro muy maleables, por eso se someten a este tipo de tratamientos”, afirma el doctor Morales.
Ambos especialistas recalcan que los tratamientos de calor normalmente se someten a tratamientos de frío para homogeneizar la materia prima, lo que ha cambiado a lo largo del tiempo ha sido la cantidad, el método y las materias primas con los que se aplican.
El doctor Morales relata que, “antes, lo más accesible era el CO2, por ser lo más barato, y se usó erróneamente el término de criogenia cuando se aplicaba con éste; sin embargo, el concepto se refiere a temperaturas inferiores a 153 °C, es decir, muy por debajo de lo que ellos referían en el pasado”.
La técnica es muy utilizada en la manufactura de los discos de automóviles, barras de estabilidad, baleros, herramientas de corte, cierras, esmeriles o productos que suelen someterse a grandes esfuerzos, una vez en operación; aunque también es importante decir que en la actualidad ya se exploran otras opciones en su aplicación.
Ventajas del método
El tratamiento criogénico tiene su materia prima en el nitrógeno, gracias a que es el elemento ideal para alcanzar la temperatura necesaria. Cuando se somete un metal a esta técnica, suelen ser tratamientos muy lentos, del orden de 75 horas, para evitar que se produzcan choques térmicos.
Los aceros tienen la propiedad de endurecerse a temperatura ambiente, a lo cual se le llama envejecimiento. Este proceso se ve acelerado como parte del tratamiento criogénico. Por ejemplo, en lugar de que el envejecimiento de aceros sea a seis meses, se puede reducir a dos horas; aunque a simple vista no existan cambios estructurales, si se analiza microscópicamente, se podrá observar que existen cambios estructurales y químicos.
“Se exploran muchas posibilidades dentro del mismo tratamiento. La industria ha desarrollado varias pruebas en las que se evalúan las piezas con tratamiento criogénico y las piezas que no se someten a él, afirma el ingeniero Morales.
Por su parte, la doctora Elizabeth Chavira señala que “equipos como buriles, ruecas, líneas de suspensión, entre otros, mantienen en la actualidad estrictos estándares de calidad, lo cual es más sencillo de lograr mediante técnicas criogénicas. Además, la criogenia incrementa la tenacidad sin hacerse frágil, característica propia y exclusiva que no tienen otros tratamientos. Otra de las afecciones se da en el volumen y dura toda la vida en la herramienta; esto traerá un efecto macroscópico en el que aumenta la resistencia al desgaste.
El investigador de la ESAp puntualiza que “en metales como aluminio, bronce y latón es menos usada; sin embargo, cuando se ha evaluado también se ha visto que otorga mayor resistencia al desgaste, hay más estabilidad dimensional, refinación de los efectos puntuales, mejorías en conductividad eléctrica y acústica, por lo que ya se utiliza en la fabricación de instrumentos musicales o para cables de transmisión, gracias a que hay un dos o tres por ciento más de resistencia eléctrica que permite transportar más corriente”.
“Los equipos que vienen del extranjero se rigen por las normas establecidas en sus países de origen. Una de las grandes diferencias es que las que se importan pasan por un proceso de criogenia, mientras que las hechas en la industria nacional no”: Elizabeth Chavira
La aplicación en México
El tratamiento de criogenia puede resultar muy caro. Aproximadamente, un litro de nitrógeno oscila entre 28 y 30 pesos, además del costo de flete. Si se considera que por cada tonelada de acero se necesitan aproximadamente 800 litros de nitrógeno, la inversión requerida se vuelve considerable, lo que ha impedido la expansión de su popularidad en territorio nacional.
En EUA y Europa es muy usado (sobre todo debido a que el precio es hasta cinco veces menor), mientras que en México existen muchas empresas proveedoras para las marcas automotrices que se sirven del proceso. A este respecto, el ingeniero Morales comenta: “Las piezas originales normalmente vienen del extranjero, pero las refacciones ya se producen aquí; si se compara la refacción original con la hecha en la industria nacional, hay mucha diferencia. Esto se puede corroborar si se estudian las hojas de datos de las empresas nacionales, pues, en comparación con las extranjeras, los estándares de calidad son distintos”, comenta.
Por su parte, la especialista en materiales de la UNAM destaca que “los equipos que vienen del extranjero se rigen por las normas establecidas en sus países de origen. Una de las grandes diferencias es que las que se importan pasan por un proceso de criogenia, mientras que las hechas en la industria nacional no”.
En general, la industria de la refrigeración y de manufactura de productos metalmecánicos no ha explorado mucho este campo. A pesar de ello, difundir su aplicación significaría ventajas considerables en términos ambientales, porque, finalmente, el nitrógeno es muy accesible, al representar el 79 por ciento del aire que se respira y al estar disponible en abundancia, ya también existen equipos que lo transforman y lo utilizan.
En México, se han llevado a cabo investigaciones criogénicas sobre diversos metales, como el aluminio, el acero o el cobre, las cuales han arrojado buenos resultados; no obstante, sí se presentan diferencias en cuanto al comportamiento que tienen los metales a bajas temperaturas, debido a que algunos son maleables y dúctiles a temperatura ambiente y cuando se congelan se hacen tenaces, o viceversa.
Según el ingeniero Morales, la industria de la refrigeración puede tener gran participación y ya se trabaja en este sentido: “Uno de los objetivos que se ha planteado la ESAp es estudiar más la técnica y difundirla; esto, porque la industria de la refrigeración ya tiene su propio nicho y no ha tratado de explorar otras áreas. No se sabe si es por miedo o por desconocimiento, pero la industria nacional ya no está lejos de conseguir este tipo de tecnología. En la actualidad, ya se fabrican equipos que llegan a -20 grados centígrados, así que dar el siguiente paso está muy cerca”, afirma el investigador.
Al cuestionar a los especialistas acerca de la capacitación que se requiere, coinciden en que este dependerá del procedimiento, pues a nivel operativo lo puede manejar un técnico que tenga los conocimientos y precauciones en cuanto al manejo del nitrógeno líquido; en cambio, si lo que se desea es experimentar o hacer investigación sobre el tema, entonces, por obvias razones, se requerirá de una mayor capacitación.
Cabe destacar que otra de las bondades con las que cuenta este tipo de tratamiento es que no deja ningún tipo de residuos, gracias a que el nitrógeno que se utiliza se evapora a temperatura ambiente.
El panorama, entonces, resulta vasto, pero depende mucho de los sectores que justifiquen su uso, ya que su costo puede ser una limitante; no obstante, en grandes volúmenes, este aspecto puede verse revertido. Igualmente, con base en los estudios que se han realizado, la aplicación está por completo justificada, pues una broca de carburo bajo este tipo de proceso podrá triplicar su vida útil; si se piensa en las posibilidades que puede brindar en motores, amortiguadores o muchos otros equipos, los costos de investigación e inversión están más que justificados.
Actualmente, existen equipos diseñados para optimizar el proceso, y aunque puede decirse que el proceso es sencillo, al momento de intentarlo se ve su complejidad, debido a que conseguir las condiciones adecuadas en el control de humedad, proporción de frío y tiempo exige gran precaución. Las normas existentes en el mundo son patentes y se aplican en el protocolo industrial.
La generación e incentivo de nuevas tecnologías en la industria de la refrigeración pueden presentar varias oportunidades en equipamiento, esto propiciará mayor competitividad en el sector nacional.
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