Logro de Alto Rendimiento y Fiabilidad en Rodamientos de Precisión de Alta Velocidad: Tratamiento Superficial Avanzado y Dimensional

El endurecimiento superficial y la estabilización dimensional son procesos críticos en la fabricación de rodamientos de precisión de alta velocidad, que se utilizan ampliamente en la industria aeroespacial, la robótica, los dispositivos médicos y las máquinas herramienta. Estos procesos mejoran la resistencia de los rodamientos al desgaste, la fatiga y la deformación a altas velocidades de rotación (por ejemplo, valores *d*m*n* superiores a 1,0×10⁶ mm·r/min) y en condiciones de funcionamiento extremas. Al combinar tratamientos térmicos avanzados, recubrimientos superficiales y técnicas de refuerzo mecánico, los fabricantes logran una vida útil prolongada, una fricción reducida y una precisión mantenida en aplicaciones exigentes. Este artículo examina las metodologías, los mecanismos subyacentes y las implementaciones industriales de estos procesos, basándose en investigaciones revisadas por pares y normas de la industria.

1. Técnicas de endurecimiento superficial

El endurecimiento superficial mejora la dureza y la resistencia al desgaste de los componentes de los rodamientos, al tiempo que conserva un núcleo resistente y resistente a la fractura. Los métodos clave incluyen:

1.1. Tratamientos termoquímicos

Cementación y carbonitruración: Estos procesos difunden carbono o carbono-nitrógeno en las superficies de acero con bajo contenido de carbono a altas temperaturas (por ejemplo, 850–950°C), formando una capa endurecida (0,5–2 mm de profundidad) con tensiones residuales de compresión. Las aplicaciones incluyen rodamientos de cajas de cambios sometidos a cargas de choque.

Llevado a cabo en el rango de tensión de Hertz (carga unitaria) de 50-600 MPa,  comparar el comportamiento tribológico del mismo acero 1HGT con bajo contenido de carbono y baja aleación después de dos tratamientos termoquímicos diferentes, nitruración y cementación.

Nitruración: Mediante el uso de amoníaco o plasma, la nitruración crea una capa dura y resistente al desgaste (por ejemplo, capa de 10 μm de FeS mediante sulfuración iónica a baja temperatura) sin transformaciones de fase, minimizando la distorsión. Esto es adecuado para anillos de rodamientos de paredes delgadas.

1.2. Recubrimientos y deposición superficiales

Recubrimientos de carbono tipo diamante (DLC): Los recubrimientos DLC (por ejemplo, W-aC:H) exhiben una alta dureza (1.200+ HV), baja fricción (comparable al PTFE) y propiedades autolubricantes. Reducen el desgaste en contactos rodantes-deslizantes mixtos y proporcionan lubricación de emergencia durante la falta transitoria de aceite. SKF emplea rodamientos recubiertos con DLC en compresores y sistemas automotrices para prolongar la vida útil bajo lubricación límite.

Deposición física de vapor (PVD): Los recubrimientos cerámicos como TiN o CrN depositados mediante PVD mejoran la resistencia a la fatiga por contacto. Por ejemplo, los recubrimientos de TiC/a-C:H en las bolas de los rodamientos reducen el par y mitigan los daños inducidos por los residuos.

1.3. Tratamientos mecánicos superficiales

Modificación superficial nanocristalina ultrasónica (UNSM): Esta técnica utiliza impactos de frecuencia ultrasónica para inducir una deformación plástica severa, refinando los granos superficiales a escalas nanocristalinas. Los estudios informan un aumento del 70,1% en la vida útil a la fatiga de los rodamientos de agujas después de UNSM debido a una mayor dureza superficial (de 58 a 62 HRC), una rugosidad reducida (Ra 0,550 μm a 0,149 μm) y la introducción de tensiones residuales de compresión.

Endurecimiento por láser: El calentamiento localizado con láseres crea microestructuras martensíticas finas en las pistas de rodadura, minimizando la distorsión térmica.

2. Procesos de estabilización dimensional

La estabilización dimensional mitiga los cambios geométricos causados por la relajación de la tensión residual, las fluctuaciones de temperatura o las transformaciones de fase. Los métodos incluyen:

2.1. Tratamientos térmicos

Recocido de estabilización: Los rodamientos se calientan a 200–300°C durante varias horas para aliviar las tensiones de mecanizado. Para aplicaciones de alta temperatura (por ejemplo, aeroespacial), el recocido cíclico entre −70°C y 150°C simula las condiciones de funcionamiento para anticipar los cambios dimensionales.

Tratamiento subcero: El enfriamiento de los componentes a −80°C transforma la austenita retenida en martensita, reduciendo la inestabilidad dimensional a largo plazo. Esto es fundamental para los rodamientos cerámicos de nitruro de silicio utilizados en husillos de alta velocidad.

2.2. Selección y diseño de materiales

Aceros para rodamientos: Aleaciones como M50 o Cronidur® 30 ofrecen una alta resistencia al revenido y estabilidad dimensional al calor. El acero SHX de NSK permite valores *d*m*n* de hasta 3 millones al combinar la estabilidad térmica con la resistencia al desgaste.

Rodamientos cerámicos híbridos: Las bolas de nitruro de silicio (Si₃N₄) exhiben una menor densidad, una expansión térmica reducida y una mayor rigidez que el acero, minimizando las fuerzas centrífugas y el crecimiento térmico a altas velocidades.

3. Mejoras de rendimiento y efectos sinérgicos

La combinación del endurecimiento superficial y la estabilización produce beneficios multiplicativos:

Vida útil a la fatiga: UNSM con recubrimientos DLC aumenta la vida útil a la fatiga en más del 70% en los rodamientos de rodillos.

Reducción de la fricción y el calor: Las superficies DLC pulidas reducen el par de arrastre, mientras que las micro-muescas generadas por UNSM mejoran la retención del lubricante.

Resistencia a la corrosión y a la erosión eléctrica: Los recubrimientos aislantes (por ejemplo, a base de alúmina o polímeros) evitan el paso de corriente en los motores de vehículos eléctricos.

4. Aplicaciones industriales y estudios de casos

Aeroespacial y robótica: Los rodamientos híbridos con anillos recubiertos con DLC y bolas de Si₃N₄ soportan *d*m*n* > 2,2 millones en motores de turbina.

Máquinas herramienta: La serie ROBUSTDYNA™ de NSK utiliza un tratamiento térmico optimizado y bolas cerámicas más grandes para lograr un 30% más de resistencia a los golpes y un 15% más de capacidad de carga.

Dispositivos médicos: Los rodamientos de acero inoxidable estabilizados mediante tratamiento criogénico mantienen la precisión en los robots quirúrgicos.

5. Tendencias emergentes

Recubrimientos inteligentes: Los sensores integrados en los recubrimientos controlan el estado de los rodamientos en tiempo real.

Procesos ecológicos: La carburación electrolítica por plasma a baja temperatura reduce el consumo de energía en un 40% en comparación con los métodos convencionales.

Modelado a múltiples escalas: El análisis de elementos finitos predice la distribución de la tensión residual después de UNSM o la deposición de recubrimientos.