¿Una segunda juventud para el acero?

22 06 2011



Gary Cola, el revolucionario del acero | Fuente imagen: scienceresearchprojects.com.

Hubo una época en la que las aportaciones de los aficionados (militares, cerveceros, caballeros ociosos, amas de casa, etc.) a la ciencia y a la técnica eran importantes, si no fundamentales. Hoy, cuando hablamos de nuevos materiales pensamos en nanotecnología, fulerenos, fibras de esto y lo otro y centros de investigación hiperdotados en recursos humanos y materiales, lo que aparentemente ya no deja espacio para aportaciones significativas de los “no profesionales”. Por ello es mucho más llamativo el caso de Gary Cola, dueño de un pequeño taller de estampación de acero, y que ha desarrollado un proceso que puede marcar el futuro próximo en el uso de materiales de alto rendimiento: hablamos de un tratamiento térmico que hace al acero un 7% más fuerte que cualquier otro acero conocido (y la mayoría de las aleaciones de titanio) y que emplea menos de 10 segundos. Los que lean esto que entiendan de metalurgia ya deben de estar con la boca abierta, los demás espero que lo estéis al terminar de leer.
Se estima que la humanidad conoce el acero desde hace unos 6.000 años. Al principio no era algo a lo que se le prestase demasiada atención, porque el material objetivo era el hierro y el acero se obtenía accidentalmente al incorporar algo de carbono en su composición cuando el mineral de hierro se trataba en hornos de carbón vegetal. Se encuentran muestras de acero en África y en China que datan de épocas muy anteriores a la Era Común. Pero si hubo un pueblo que puso el acero en el centro de todas las miradas, ese fue el hitita. Cuando tomaron la decisión de hacer todas sus armas de acero, sólo el desierto egipcio pudo pararles en su avance hacia el oeste en el 1.200 AEC. Desde hace más de tres mil años, pues, se viene desarrollando la tecnología del acero. Se emplea en todas partes, desde utensilios de cocina a barcos, de puentes a bisturíes, de carrocerías de automóviles a cojinetes de bolas. Parece que ya haya poco que saber sobre el acero y los centenares de sus aleaciones.
De hecho, pocos centros de investigación se dedican a investigar sobre el acero hoy día. Se considera una tecnología madura y los procesos de mejora continua y desarrollo de aleaciones especiales recaen en las pocas grandes multinacionales que lo fabrican a nivel mundial. La investigación industrial es cara, la inversión en inmovilizado es tremenda, y se va con pies de plomo.
Con estos antecedentes Gary Cola, dueño de SFP Works LLC, una empresa que no llega a los 60.000€ de facturación y ubicada en un pueblo cercano a Detroit (Michigan, Estados Unidos), se encontró con dos problemas: uno, encontrar alguien que no fuese una multinacional del acero al que contarle lo que había encontrado y, otro, conseguir que le creyese. Finalmente un pequeño grupo de la Universidad Estatal de Ohio accedió a viajar a Detroit para ver el proceso in situ.
Una vez en las instalaciones, pudieron apreciar cómo una máquina hacía pasar planchas del metal (un acero SAE 8620, EN 20NiCrMo2-2) por unas llamas a 1.100 ºC y de ahí directamente a un baño de enfriamiento. Y eso era todo. Cualquier especialista en acero te dirá que este proceso no puede funcionar de ninguna de las maneras (un proceso estándar requiere temperaturas del orden de 900 ºC y superiores mantenidas durante horas o días para que el metal adquiera las características adecuadas). Pero cuando el equipo de Ohio analizó sus muestras en el laboratorio pudo constatar que el hecho cierto es que sí funciona. El acero así obtenido se llama comercialmente Flash Bainite y podría reducir el peso de un vehículo medio en torno a un 30%, sin pérdida de características.
A partir de la confirmación de los datos de Cola, el equipo de investigadores de Ohio se dispuso a desentrañar el misterio de qué podía ocurrir en 10 segundos que hiciese a un acero significativamente más fuerte que el más fuerte de los aceros martensíticos y sustancialmente más maleable que éstos, tal y como lo expresó Cola originalmente. Entender sus resultados es mucho más fácil de lo que parece.


Martensita | Fuente imagen: Cerezo.pntic.mec.es.

Se deduce de lo que llevamos dicho que la clave no está en la composición química ( el material de partida es una aleación estandarizada de hierro, níquel, cromo, molibdeno y carbono), sino en el tratamiento térmico, y éste afecta a la estructura cristalina. La martensita, el acero martensítico al que se refería Cola, es una estructura cristalina específica. Pero vayamos por partes.
El acero es una disolución sólida intersticial, en la que los átomos de carbono, que son bastante más pequeños que los de hierro y los de los demás aleantes metálicos, ocupan los espacios intermedios del retículo cristalino del metal, o visto de otra manera, forman carburo de hierro (F3C) que está disuelto en hierro (Fe). Es este retículo cristalino el que le da sus características mecánicas al acero, al igual que le ocurre al carbono puro: la mina del lápiz y el diamante tienen la misma composición química y sólo se diferencian en la estructura cristalina. Una vez obtenida una aleación, el trabajo de los ingenieros es diseñar los procesos que permitan obtener la estructura cristalina deseada. Ésta va a depender de la composición química, de los estados de equilibrio de la disolución a cada temperatura y de la rapidez con la que se enfríe.
El hierro puro, y aquí simplificamos, presenta dos estructuras cristalinas en función de la temperatura: desde la temperatura ambiente hasta los 911 ºC, el hierro de toda la vida, se denomina ferrita y es un sistema cúbico centrado en el cuerpo; a partir de 911 ºC (y hasta unos 1400 ºC, pero a partir de ahí no nos interesa ahora) la estructura pasa a ser un sistema cúbico centrado en las caras y se llama austenita (por William Roberts-Austen). Cuando se añade carbono, se forma el carburo de hierro denominado en metalurgia cementita. La incorporación del carbono complica algo el diagrama de fases, pero no para nosotros.
En los procesos habituales lo que se hace es aumentar la temperatura de la aleación por encima de 911 ºC el tiempo suficiente como para que toda la ferrita pase a ser austenita, formando una fase homogénea. Este tiempo, como decíamos más arriba, puede llegar a ser de días para garantizar la homogeneidad. Una vez obtenida la austenita, la velocidad del enfriamiento determinará qué estructura cristalina mantendrá el acero frío. Así, un enfriamiento rápido crea una estructura tetragonal centrada en el cuerpo, esta es la martensita (por Adolf Martens) que mencionábamos antes. Es, tras la cementita, el constituyente más duro de los aceros. Si lo que queremos es un material no tan duro pero sí más maleable y dúctil enfriamos más lentamente y obtenemos bainitina (por Edgar Bain). La bainitina no es realmente una estructura cristalina por sí misma sino una mezcla más homogénea de ferrita y cementita, que es más dura que la ferrita y más maleable y dúctil que la martensita.
Los investigadores de Ohio determinaron por microscopía electrónica que el proceso de Cola hacía que apareciese una microestructura de martensita, pero salpicada con bainitina y cementita. Una nueva estructura que supera en dureza a la martensita pero manteniendo la maleabilidad de la bainitina. Una posible explicación es que el proceso es tan rápido que los carburos no tienen la posibilidad de disolverse completamente en austenita, lo que hace que permanezcan en el acero en forma de cementita junto con la bainita y la martensita.
Es necesario ahora investigar cómo se comportan otras aleaciones y resolver algunas cuestiones prácticas antes de que este proceso suponga un rejuvenecimiento, en forma de ahorro de costes, menor impacto medioambiental y nuevas aplicaciones, en la vieja industria siderúrgica. Una de esas cuestiones prácticas no menor es el problema de la soldadura: con lo que ha aprendido el lector en este artículo, ¿cómo cree que afectaría el proceso de soldadura a este acero?

Más información y datos técnicos en
http://www.bainitesteel.com/
Lolla, T; Cola, G; Narayanan, B; Alexandrov, B; Babu, S S, Development of rapid heating and cooling (flash processing) process to produce advanced high strength steel microstructures Materials Science and Technology, Volume 27,Number 5, May 2011 , pp. 863-875(13) DOI: 10.1179/174328409X433813

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