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Servicios para cuchillas y guillotinas
Una serie de notas técnicas para satisfacer su curiosidad.
Aceros especiales
LA fabricación de piezas, equipos y estructuras se hace con herramientas. Se
necesitan guillotinas para cizallar; dados para forjar; brocas para perforar;
moldes para conformar; martillos y cinceles para golpear. Hay un acero para cada
uso.
A un contemporáneo y colaborador de Bessemer en Inglaterra, de nombre Robert
Mushet, se le suele atribuir la paternidad de los aceros especiales para
fabricar herramientas. Esto, obviamente, es injusto, porque la búsqueda de
mejores herramientas ha sido tarea de la humanidad por siglos. Tres décadas
antes de los desarrollos de Mushet, el ingeniero ruso Pavel Anosof había
publicado, en dos tomos, su redescubrimiento del arte legendario de la
producción del acero de Damasco y propuso su aplicación para fabricar una gran
variedad de herramientas. Sin embargo, lo cierto es que Mushet tuvo mejor suerte
porque las ideas de Anosof nunca se aplicaron.
Robert Mushet fue lo que hoy en día se conoce como un diseñador de aleaciones.
En realidad, los diseñadores de aleaciones son metalurgistas con "intuición
educada" o colmillo largo. Se la pasan con uno o más problemas en mente,
generando nuevas aleaciones a base de prueba y error. Eso de la "intuición
educada" les sirve para proponer los elementos de aleación que van a considerar
ante un problema dado y los intervalos de composiciones donde se van a mover.
Habiendo tantos elementos en la naturaleza y siendo infinitas las combinaciones
posibles, los diseñadores de aleaciones dependen (exactamente en ese orden,
dirían los maliciosos) de su suerte, de su "intuición educada" y de su capacidad
para producir y caracterizar el máximo número de combinaciones posibles.
Robert Mushet se basaba en el sistema hierro-carbono y experimentaba con
adiciones de aleantes. Su primer gran éxito fue la sugerencia de adicionar
manganeso durante la aceración en los convertidores de arrabio en acero de
Bessemer. En el plano comercial, esto representó uno de los mayores impulsos al
desarrollo tecnológico de Bessemer: El manganeso ayuda en el proceso de
fabricación de acero y repercute positivamente en sus propiedades finales.
Cuando el acero está procesándose en el estado líquido, el manganeso ayuda a
desoxidarlo y captura al azufre, formando partículas alargadas que hacen al
acero más maquinable. El manganeso, además, incrementa la resistencia del acero.
Hoy en día casi todos los aceros comerciales, incluyendo los aceros simples al
carbono, se fabrican con adiciones de manganeso.
En uno de sus múltiples experimentos, Mushet detectó barra de acero se templó
cuando la extrajo del horno al rojo vivo y la dejó enfriar en el aire
lentamente. Esto llamó mucho su atención porque normalmente los aceros requieren
de un enfriamiento muy rápido para templarse, cuando al rojo vivo se sumergen en
agua. Mushet verificó la composición química de la barra de acero y encontró
que, además de hierro, carbono y manganeso, había tungsteno.
De inmediato Mushet se dedicó a explorar cientos de combinaciones alrededor de
la composición de su barra inicial, hasta que decidió salir al mercado con un
acero con 2% de carbono, 2.5% de manganeso y 7% de tungsteno, aproximadamente.
La primera compañía que comercializó al flamante "acero especial de Robert
Mushet" fracasó. Algunos años después otra compañía inglesa logró establecerse
con este producto. Transcurrían entonces los años setenta del siglo pasado.
Fue necesario esperar varias décadas para que se descubrieran las propiedades
más interesantes del acero de Mushet. Inicialmente, la atención se centró en la
gran dureza de este acero y en su extraordinaria capacidad de resistir al
desgaste. Se hicieron muchas herramientas para maquinar aceros que podían
trabajar por horas sin necesidad de aliarse con frecuencia. Muchos años después
se descubrió que la velocidad de corte de las herramientas podía incrementarse
notablemente. El acero de Mushet es el antecedente de los modernos aceros de
"alta velocidad".
Hoy las herramientas para maquinar, llamadas herramientas de corte, se hacen con
aceros de alta velocidad. A principios del presente siglo los aceros de alta
velocidad llevaban un alto porcentaje de tungsteno, alrededor del 18%. Contenían
cromo, en un 4%; además del carbono, el manganeso y el silicio. Durante la
segunda Guerra Mundial y la Guerra de Corea hubo una tremenda escasez de
tungsteno. Como no era fácil en esos días pasar enfrente de Japón con el
tungsteno de las minas de China y de Corea hacia América, se financiaron muchas
investigaciones para sustituirlo. El molibdeno pronto destacó como sustituto y,
para cuando los conflictos bélicos se habían apaciguado, el molibdeno estaba
completamente firme en el mercado. En la actualidad, la mayoría de los aceros de
alta velocidad emplean al molibdeno en lugar del tungsteno.
Los aceros de alta velocidad a base de tungsteno se designaban con una letra "T"
y uno o dos dígitos. Por ejemplo, los aceros TI y T2 fueron muy populares en los
años veinte y treinta. Ahora, las brocas y los cortadores de los talleres
mecánicos se hacen con aceros de la serie "M", llamada así por el molibdeno.
Aparte de los aceros para herramientas de corte existen aceros especiales para
el conformado de piezas en forjas y troqueles donde, además de la resistencia al
desgaste, por fricción, se logra una gran tenacidad para absorber muchísimos
golpes. Propiedades similares se esperan de las herramientas para cizallar y
agujerar, las cuales, además, deben tener una gran estabilidad dimensional en
los tratamientos térmicos.
La selección del acero apropiado para cada tipo de herramienta es todo un arte.
No es nada fácil establecer una relación directa entre la adición de un aleante
específico y la característica del acero que se modifica.
Además, hay que tomar en cuenta variables como el procesado y los tratamientos
térmicos, que suelen tener gran influencia. Sin embargo, en términos generales,
puede decirse que las características enunciadas en la columna izquierda del
cuadro 2 se ven afectadas, en orden decreciente, por los elementos que se
enlistan en la columna derecha.
El dominio de los elementos que aparecen en el cuadro 2 ha sido causa de
conquistas, colonizaciones, guerras y golpes de Estado. Lamentablemente la madre
naturaleza distribuyó de manera muy desigual estos elementos, que se han vuelto
estratégicos para muchos países. No son estratégicos por su cantidad, pues el
volumen de acero fabricado con estos aleantes es inferior al 1% del total. Lo
estratégico reside en que la transformación del total de acero fabricado, en
equipos y estructuras, requiere de herramientas hechas a base de aceros
especiales. Todavía más estratégico es el uso de aceros especiales en la
manufactura de instrumental bélico.
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Efecto de los elementos aleantes en las características de los aceros para herramientas |
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| Características | Elemento |
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El cromo, que influye en todos los renglones que se mencionan en el cuadro 2, está sumamente concentrado. El 88% de la producción mundial se localiza en la URSS (33%), Sudáfrica (23%), Filipinas (,9%), Turquía (9%) y Zimbawe (7%). Otro ejemplo es el cobalto, pues solamente Zaire, Finlandia y Cuba concentran el 64% del total. Una idea global de la distribución de estos elementos aleantes se presenta en la figura 31.
Fig 31
Principales zonas geográficas de extracción de minerales
que contienen los elementos aleantes más importantes para la fabricación de
aceros especiales. Su distribución sobre la corteza terrestre está sumamente
concentrada en unos cuantos países. El número entre paréntesis que sigue al
símbolo de cada elemento representa al porcentaje de la producción mundial
localizada en la zona.
Los datos empleados para construir el mapa de la figura 31 corresponden a los centros más importantes de producción a finales de la década de los sesenta. En los últimos años se han abierto grandes expectativas debido a los descubrimientos de enormes yacimientos localizados en los lechos marinos y en la Antártida. Es probable que el mapa geoeconómico de los minerales estratégicos sufra cambios importantes en un futuro no muy lejano.
EL ENDURECIMIENTO SUPERFICIAL
La competencia entre la dureza de los aceros y su tenacidad es casi tan vieja
como el acero mismo. Es fácil hacer que un acero sea duro aunque frágil, o que
un acero sea dúctil y tenaz, pero blando. Que sea duro, dúctil y tenaz ya no es
tan fácil. Siempre se tiene que llegar a un compromiso porque, de lo contrario,
una propiedad se come a la otra.
Muchas herramientas dependen de su filo para poder trabajar en forma continua.
Al perforar un acero, la broca sufre el desgaste de sus filos. Como la
resistencia al desgaste de los aceros es casi siempre proporcional a su dureza,
entre más dura sea la broca, mayor duración tendrá su filo. No sería difícil
conseguir aceros y otros materiales durísimos con los cuales fabricar las
brocas; el problema sería enfrentar su fragilidad. Por un lado hay que fabricar
la broca misma, lo que impone al acero la necesidad de dejarse cortar y
maquinar. Luego, la broca debe ser capaz mientras opera, de transmitir la
energía de movimiento del taladro hacia el material que se perfora. La broca
debe ser tenaz para soportar esfuerzos de flexión y torsión de manera
permanente, además de impactos ocasionales.
Hay técnicas de endurecimiento superficial de los aceros que se han practicado
desde tiempo inmemorial. Aquí y allá, en el espacio y en el tiempo, se han
localizado vestigios que indican los esfuerzos de los antiguos por lograr
superficies duras para sus herramientas y armas. Los herreros antiguos empleaban
el carbono y el nitrógeno para endurecer la superficie de sus aceros. Al carbono
lo tomaban de la leña y lo metían al acero al rojo vivo por contacto. También
por contacto con la orina de las cabras, o la sangre de los esclavos, se lograba
la penetración de nitrógeno en el acero candente.
En la segunda mitad del siglo XX, la metalurgia ha recurrido a la física de los
plasmas para lograr el endurecimiento termoquímico de la superficie de los
aceros. El endurecimiento es termoquímico porque el proceso ocurre a
temperaturas elevadas y porque se emplean agentes químicos como endurecedores.
La física de los plasmas no se refiere al plasma de la sangre que se empleaba
para nitrurar a los aceros en la antigüedad. El plasma, en la física, se
refiere, a un cuarto estado de la materia constituido por un gas ionizado. Aquí,
ionizado quiere decir que los átomos o las moléculas que constituyen al gas no
tienen carga eléctrica neutra: son iones. Normalmente los átomos en el estado
gaseoso tienen carga neutra porque el número de electrones negativos que rodean
al núcleo del átomo es igual al número de protones positivos que tiene dicho
núcleo. Los átomos se convierten en iones cuando sueltan uno o más electrones,
desequilibrando así su carga.
El gas en el interior de la flama de un cerillo está en el estado de plasma y lo
mismo ocurre con el gas de una lámpara de neón que está encendida. En ambos
casos los gases contienen una gran cantidad de iones, aunque no necesariamente
todos los átomos o moléculas están ionizados en el interior de un plasma.
Para que un gas se convierta en plasma se requiere de algún agente que rompa la
neutralidad de los átomos o moléculas. Por ejemplo, en una lámpara de gas es el
flujo de una corriente eléctrica a través del gas lo que mantiene el estado de
plasma. En este caso, parte de la energía eléctrica se convierte en energía
luminosa, en luz.
El paso de una corriente eléctrica a través del nitrógeno en estado gaseoso
produce muchos iones positivos de nitrógeno. Son iones positivos porque la
descarga eléctrica induce la separación de electrones, que tienen carga
negativa, de las capas exteriores de los átomos. Este fenómeno se aprovecha para
atraer a los iones positivos de nitrógeno hacia el acero, por la vía de conectar
al acero a un polo eléctrico negativo.
El esquema de una cámara de plasma para la nitruración iónica de aceros se
presenta en la figura 32. Es una cámara muy bien sellada que se evacua, es
decir, se le saca el aire con una bomba de vacío, una especie de aspiradora muy
efectiva. Cuando la presión de aire es bajísima en la cámara (algo así como una
millonésima de la presión atmosférica), se introduce, por una válvula muy bien
regulada, una mezcla de gases de nitrógeno e hidrógeno. El flujo de nitrógeno e
hidrógeno debe ser muy reducido para que, con la bomba de vacío en operación, la
presión en la cámara se mantenga en una milésima de la presión atmosférica. La
pieza de acero cuya superficie se desea nitrurar se instala sobre un
portamuestras que tiene una conexión eléctrica al exterior pero a la vez está
aislada de la cámara. Esta instalación permite conectar a la pieza de acero por
el lado negativo, y al cuerpo de la cámara por el lado positivo, a los polos de
una fuente eléctrica de alto voltaje. Usualmente el polo positivo se conecta
también a tierra para dar seguridad al sistema.
Diagrama de un sistema de plasmas para la nitruración iónica de los aceros. La pieza de acero se coloca sobre un portamuestra adentro de una cámara sellada herméticamente. Con una bomba de vacío se extrae el aire y, posteriormente, se inyecta un flujo muy pequeño de una mezcla de gases de nitrógeno e hidrógeno. La pieza de acero, a través del portamuestras, se conecta al polvo negativo de una fuente eléctrica de alto voltaje. El flujo de corriente eléctrica a través de la mezcla de gases enciende un plasma luminoso con alto contenido de iones positivos de nitrógeno que son atraídos hacia la pieza de acero conectada al polo negativo.
Metalografía de una superficie de un acero de
ultra alto carbono endurecida con nitruración iónica.
Cuando el voltaje de la fuente eléctrica se eleva hasta los 300 voltios, se
forma una aureola luminosa alrededor de la pieza de acero, que indica que la
mezcla gaseosa se encuentra en el estado de plasma. Al subir hasta los 500
voltios, la luminosidad del plasma aumenta y se produce una mayor concentración
de iones de nitrógeno.
Aparte de producir iones, la descarga eléctrica libera energía térmica capaz de
elevar la temperatura del acero hasta 500°C o más. A estas temperaturas, los
iones de nitrógeno, que constantemente golpean la superficie del acero,
encuentran condiciones muy favorables para penetrar al interior del acero por
difusión. Es factible que en cosa de horas el nitrógeno se haya difundido y
formado una corteza nitrurada de varias décimas de milímetro.
El nitrógeno, al entrar al acero, tiende a formar, con el hierro y con los
elementos que contenga en su aleación, partículas de varias composiciones,
tamaños y formas. Es común que se formen nitruros de hierro en forma de fibras
Puntas de pirámide de diamante y la huella que deja en un metal. Si la carga se
mantiene invariable la punta de diamante hará una huella grande en un metal
blando. En un metal más duro, por el contrario, la punta penetrará menos y la
huella será menor.
donde P es la carga que se aplicó sobre la punta
de diamante, L es la diagonal y K es una constante propia del equipo de
medición. Si la carga aplicada no se cambia, la dureza de un material es
inversamente proporcional al cuadrado de la diagonal de la huella. Si la huella
es grande, la dureza es pequeña porque se trata de un material blando. Por el
contrario, un material duro deja penetrar poco al diamante y sólo se forma una
huella pequeña.
Usualmente la muestra de acero se corta en la dirección perpendicular a la
superficie nitrurada y se pule con abrasivos muy finos hasta quedar como espejo.
La punta de diamante se aplica en puntos cercanos a la cara nitrurada hasta
puntos en el interior del material, y deja el tipo de huellas como las que se
muestran en la figura 36. Abajo, en la misma figura, se presentan los resultados
de una determinación de dureza en un acero de alta velocidad, M2, nitrurado
iónicamente.
Corte de una muestra para medir el incremento de dureza que se logra con la
nitruración iónica de los aceros. Las huellas del microdurómetro serán más
pequeñas cerca de la superficie nitrurada y mayores en el interior del acero.
(b) Perfil de dureza de un acero de alta velocidad nitrurado iónicamente. En la
capa exterior la dureza se incrementó notablemente.
Muestra preparada para hacer una fractografía de un acero endurecido
superficialmente.
El endurecimiento superficial de los aceros
también puede observarse en una "fractografía". La forma de la superficie que
deja una fractura de un acero endurecido superficialmente es muy peculiar. Para
hacer esta observación se corta una muestra en forma de paralelepípedo ranurado
La superficie opuesta a la ranura es la que se expone a la nitruración iónica
por varias horas. Cuando la muestra se extrae de la cámara se moja en nitrógeno
líquido para que su temperatura baje hasta 196°C bajo cero. La ranura de la
muestra se aprovecha para inducir la fractura, aplicando un esfuerzo de flexión
La superficie, de la fractura se examina después en un microscopio electrónico
de barrido donde se obtiene la "fractografía". Cerca de la superficie nitrurada
la fractura es más brillante porque el acero no se deformó mucho. Más adentro,
el material se fracturó de una manera más dúctil porque se observa mayor
desgarramiento. La frontera, no muy bien definida, entre la zona endurecida.
Vista de la fractura de un acero nitrurado iónicamente.
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