El calor y los gases determinan las propiedades del acero

Acero endurecido con gas

El acero y el acero inoxidable forman parte de cualquier hogar: desde los brillantes utensilios de cocina hasta los electrodomésticos. El objeto que mantiene unido el armazón de una lavadora parece, a primera vista, un tornillo corriente. Sin embargo, existe una gran demanda para esta pieza: tiene que cortar su propia rosca hembra con metal galvanizado y esmaltado y no se le puede soltar la cabeza tras años de tensión y vibración constante. Por tanto, necesita una superficie dura y un núcleo resistente. Esto se aplica aún más a las piezas expuestas a fuerzas intensas, por ejemplo, en engranajes o rodamientos. El tratamiento complejo con calor en la atmósfera del gas adecuado garantiza que cada componente metálico obtenga la combinación de propiedades correcta.

Láminas, alambre, tubos y barras: estas son las formas básicas más importantes en que las acerías suministran sus productos al sector de procesamiento del metal. Estos productos primarios se cortan en las piezas correspondientes y, entonces, se les da la forma deseada. Entre los métodos empleados se incluyen el calor, la forja o, en estado frío, el prensado y mecanizado. Para el procesamiento en frío y con taladros, tornos y fresadoras se necesita acero relativamente suave. El contenido de carbono bien distribuido y una estructura cristalina específica hacen que la mecanización y el moldeado sean más sencillos. El proceso de recocido suave se emplea para producir este tipo de material, lo que implica el calentamiento lento de acero a unos 720 grados Celsius y mantenerlo a esta temperatura durante varias horas antes de enfriarlo a temperatura ambiente durante un tiempo específico.

Atracción fatal
Con el recocido suave, el periodo de tratamiento con calor típico en un horno puede durar 30 horas. "Si el oxígeno entra en el horno, existe el peligro de que disuelva el carbono del acero y se combine con él para formar dióxido de carbono", explica Hans-Peter Schmidt, Director de tecnología metalúrgica en Messer. "Esta atracción puede provocar la descarburización de la capa externa del material, lo que supondría que el acero perdería un componente en esa zona, de la que depende en gran medida su posterior uso." Además, los átomos de hierro del acero también pueden reaccionar con oxígeno, y cuanto más caliente sea el entorno, más rápido ocurre. Por tanto, los hornos de recocido se purgan constantemente con grandes cantidades de nitrógeno inerte para mantener fuera el oxígeno y evitar ambas reacciones.

Entre extremos
Tras el proceso de modelación, ya no suele haber ningún otro requisito para el "acero suave". Ahora hay que endurecer las ruedas de engranajes de esos tornillos para lavadoras. Esto se consigue recalentando las piezas de trabajo. A una temperatura aproximada de 850 grados Celsius, la estructura cristalina y la distribución de los átomos de carbono se modifica. Después de templar el material de endurecimiento en una bañera de aceite, las piezas de trabajo se vuelven extremadamente duras, pero muy frágiles al mismo tiempo. Este último detalle también queda muy lejos de los requisitos. Si se recalienta a temperaturas más bajas, de entre 200 y 500 grados Celsius, se dota al acero de la dureza y resistencia que lo convierte en un material resistente a la fractura y mecánicamente sólido. No es raro que se realicen acciones adicionales de tratamiento con calor, por ejemplo, para eliminar las tensiones de la estructura cristalina.

Reacciones (no) deseadas
La mayor parte de los tratamiento térmicos conllevan el uso de nitrógeno, que conforma el grueso de la atmósfera del horno, ya que un gas inerte no produce ninguna reacción no deseada. En forma criogénica, el nitrógeno también se puede utilizar para enfriar las piezas tras el tratamiento con calor. Dota a las piezas de dureza y estabilidad adicionales. Los punzones para la producción de monedas, por ejemplo, también se tratan de esta forma. Sin embargo, también hay reacciones químicas que son perfectamente bienvenidas. El hidrógeno (H2) se puede utilizar para reducción focalizada de óxidos: Las moléculas de H2 se combinan con el oxígeno unido de cada óxido para formar vapor (H2O), que se purga del horno con la mezcla de nitrógeno e hidrógeno. Así se evita el descoloramiento no deseado y se obtienen superficies brillantes.

Superficies resistentes al desgaste
Los gases no solo se pueden utilizar para evitar la descarburización, sino que también sirven para la introducción focalizada de carbono en el acero para endurecer mucho más su superficie exterior, incrementando así su durabilidad. "Al fabricar grandes grupos motopropulsores para turbinas eólicas, el carbono de la atmósfera del horno se introduce en el acero a una profundidad de hasta ocho milímetros", explica Hans-Peter Schmidt. "Se deriva del propano u otros hidrocarburos y se añade al gas del proceso de manera regulada." Además del nitrógeno, el hidrógeno y el propano, la mezcla de gas carburizador está formada por monóxido de carbono, dióxido de carbono y vapor. Cada uno de estos componentes tiene su efecto concreto sobre la tasa de absorción de carbono. Aparte de la carburización, el proceso de nitruración del acero garantiza que las zonas de los bordes sean especialmente duras y resistentes al desgaste, lo cual es necesario, por ejemplo, para herramientas muy utilizadas para la fabricación de perfiles de aluminio o para cojinetes especiales de deslizamiento. Para ello es necesario el uso de amoníaco (NH3), un compuesto de nitrógeno. Al contrario que el nitrógeno molecular (N2), los átomos de nitrógeno que se liberan se disuelven en el acero más rápidamente y en mayores concentraciones, lo que provoca la formación de nitruros de hierro extremadamente duros en la capa externa. Una capa de compuesto compacta y cerrada de solo entre uno y dos centésimas de milímetro es lo ideal.

"Esto solo cubre parte de los procesos fundamentales de tratamiento con calor", destaca el experto en metalurgia. En la práctica industrial existe prácticamente una cantidad desconcertante de variantes de procesos que se emplean para generar una amplia gama de propiedades del acero. Cada uno tiene su propio patrón de temperaturas, y la cantidad de gases que se añaden debe adaptarse con precisión al proceso en cuestión. Para ello, además de grandes cantidades de gases a menudo, es necesario un gran volumen de conocimiento técnico específico y equipos de medición y control de gran calidad. Hans-Peter Schmidt: "Los clientes de Messer obtienen todo esto de una única fuente".

 

Recomendar:

Idioma