IV. ACEROS ESPECIALES

LA FABRICACI�N 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 contempor�neo 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 b�squeda de mejores herramientas ha sido tarea de la humanidad por siglos. Tres d�cadas antes de los desarrollos de Mushet, el ingeniero ruso Pavel Anosof hab�a publicado, en dos tomos, su redescubrimiento del arte legendario de la producci�n del acero de Damasco y propuso su aplicaci�n 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 d�a se conoce como un dise�ador de aleaciones. En realidad, los dise�adores de aleaciones son metalurgistas con "intuici�n educada" o colmillo largo. Se la pasan con uno o m�s problemas en mente, generando nuevas aleaciones a base de prueba y error. Eso de la "intuici�n educada" les sirve para proponer los elementos de aleaci�n 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 dise�adores de aleaciones dependen (exactamente en ese orden, dir�an los maliciosos) de su suerte, de su "intuici�n educada" y de su capacidad para producir y caracterizar el m�ximo n�mero de combinaciones posibles.

Robert Mushet se basaba en el sistema hierro-carbono y experimentaba con adiciones de aleantes. Su primer gran �xito fue la sugerencia de adicionar manganeso durante la aceraci�n en los convertidores de arrabio en acero de Bessemer. En el plano comercial, esto represent� uno de los mayores impulsos al desarrollo tecnol�gico de Bessemer: El manganeso ayuda en el proceso de fabricaci�n de acero y repercute positivamente en sus propiedades finales. Cuando el acero est� proces�ndose en el estado l�quido, el manganeso ayuda a desoxidarlo y captura al azufre, formando part�culas alargadas que hacen al acero m�s maquinable. El manganeso, adem�s, incrementa la resistencia del acero. Hoy en d�a casi todos los aceros comerciales, incluyendo los aceros simples al carbono, se fabrican con adiciones de manganeso.

En uno de sus m�ltiples experimentos, Mushet detect� barra de acero se templ� cuando la extrajo del horno al rojo vivo y la dej� enfriar en el aire lentamente. Esto llam� mucho su atenci�n porque normalmente los aceros requieren de un enfriamiento muy r�pido para templarse, cuando al rojo vivo se sumergen en agua. Mushet verific� la composici�n qu�mica de la barra de acero y encontr� que, adem�s de hierro, carbono y manganeso, hab�a tungsteno.

De inmediato Mushet se dedic� a explorar cientos de combinaciones alrededor de la composici�n de su barra inicial, hasta que decidi� salir al mercado con un acero con 2% de carbono, 2.5% de manganeso y 7% de tungsteno, aproximadamente. La primera compa��a que comercializ� al flamante "acero especial de Robert Mushet" fracas�. Algunos a�os despu�s otra compa��a inglesa logr� establecerse con este producto. Transcurr�an entonces los a�os setenta del siglo pasado.

Fue necesario esperar varias d�cadas para que se descubrieran las propiedades m�s interesantes del acero de Mushet. Inicialmente, la atenci�n se centr� en la gran dureza de este acero y en su extraordinaria capacidad de resistir al desgaste. Se hicieron muchas herramientas para maquinar aceros que pod�an trabajar por horas sin necesidad de aliarse con frecuencia. Muchos a�os despu�s se descubri� que la velocidad de corte de las herramientas pod�a 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%. Conten�an cromo, en un 4%; adem�s 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 f�cil en esos d�as pasar enfrente de Jap�n con el tungsteno de las minas de China y de Corea hacia Am�rica, se financiaron muchas investigaciones para sustituirlo. El molibdeno pronto destac� como sustituto y, para cuando los conflictos b�licos se hab�an apaciguado, el molibdeno estaba completamente firme en el mercado. En la actualidad, la mayor�a 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 d�gitos. Por ejemplo, los aceros TI y T2 fueron muy populares en los a�os veinte y treinta. Ahora, las brocas y los cortadores de los talleres mec�nicos se hacen con aceros de la serie "M", llamada as� por el molibdeno.

Aparte de los aceros para herramientas de corte existen aceros especiales para el conformado de piezas en forjas y troqueles donde, adem�s de la resistencia al desgaste, por fricci�n, se logra una gran tenacidad para absorber much�simos golpes. Propiedades similares se esperan de las herramientas para cizallar y agujerar, las cuales, adem�s, deben tener una gran estabilidad dimensional en los tratamientos t�rmicos.

La selecci�n del acero apropiado para cada tipo de herramienta es todo un arte. No es nada f�cil establecer una relaci�n directa entre la adici�n de un aleante espec�fico y la caracter�stica del acero que se modifica.

Adem�s, hay que tomar en cuenta variables como el procesado y los tratamientos t�rmicos, que suelen tener gran influencia. Sin embargo, en t�rminos generales, puede decirse que las caracter�sticas 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 distribuy� de manera muy desigual estos elementos, que se han vuelto estrat�gicos para muchos pa�ses. No son estrat�gicos por su cantidad, pues el volumen de acero fabricado con estos aleantes es inferior al 1% del total. Lo estrat�gico reside en que la transformaci�n del total de acero fabricado, en equipos y estructuras, requiere de herramientas hechas a base de aceros especiales. Todav�a m�s estrat�gico es el uso de aceros especiales en la manufactura de instrumental b�lico.

CUADRO 2. Efecto de los elementos aleantes en las caracter�sticas de los aceros para herramientas
Caracter�sticas	Elemento*
Dureza a alta temperatura	tungsteno, molibdeno, cobalto, vanadio, cromo, manganeso.
Resistencia al desgaste por fricci�n	vanadio, tungsteno, molibdeno, cromo, manganeso.
Endurecimiento profundo	manganeso, molibdeno, cromo, silicio, n�quel, vanadio.
Distorsi�n m�nima en el temple	molibdeno, Cromo, manganeso.
Resistencia al impacto	vanadio, tungsteno, molibdeno, manganeso, cromo.

El cromo, que influye en todos los renglones que se mencionan en el cuadro 2, est� sumamente concentrado. El 88% de la producci�n mundial se localiza en la URSS (33%), Sud�frica (23%), Filipinas (,9%), Turqu�a (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 distribuci�n de estos elementos aleantes se presenta en la figura 31.

Figura 31. Principales zonas geogr�ficas de extracci�n de minerales que contienen los elementos aleantes m�s importantes para la fabricaci�n de aceros especiales. Su distribuci�n sobre la corteza terrestre est� sumamente concentrada en unos cuantos pa�ses. El n�mero entre par�ntesis que sigue al s�mbolo de cada elemento representa al porcentaje de la producci�n mundial localizada en la zona.

Los datos empleados para construir el mapa de la figura 31 corresponden a los centros m�s importantes de producci�n a finales de la d�cada de los sesenta. En los �ltimos a�os se han abierto grandes expectativas debido a los descubrimientos de enormes yacimientos localizados en los lechos marinos y en la Ant�rtida. Es probable que el mapa geoecon�mico de los minerales estrat�gicos 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 f�cil hacer que un acero sea duro aunque fr�gil, o que un acero sea d�ctil y tenaz, pero blando. Que sea duro, d�ctil y tenaz ya no es tan f�cil. 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 m�s dura sea la broca, mayor duraci�n tendr� su filo. No ser�a dif�cil conseguir aceros y otros materiales dur�simos con los cuales fabricar las brocas; el problema ser�a 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 energ�a de movimiento del taladro hacia el material que se perfora. La broca debe ser tenaz para soportar esfuerzos de flexi�n y torsi�n de manera permanente, adem�s de impactos ocasionales.

Durante cientos de a�os los metalurgistas le han dado vueltas a este problema y tambi�n desde hace cientos de a�os han sabido que las herramientas de corte solamente necesitan enfrentar el problema del desgaste en la superficie y no en su interior. Visto as�, el problema se simplifica un poco porque se puede endurecer considerablemente una capa de una a dos d�cimas de mil�metro en el exterior de una herramienta mientras se mantiene su interior menos duro pero sumamente tenaz.

Hay t�cnicas de endurecimiento superficial de los aceros que se han practicado desde tiempo inmemorial. Aqu� y all�, 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 nitr�geno para endurecer la superficie de sus aceros. Al carbono lo tomaban de la le�a y lo met�an al acero al rojo vivo por contacto. Tambi�n por contacto con la orina de las cabras, o la sangre de los esclavos, se lograba la penetraci�n de nitr�geno en el acero candente.

En la segunda mitad del siglo XX, la metalurgia ha recurrido a la f�sica de los plasmas para lograr el endurecimiento termoqu�mico de la superficie de los aceros. El endurecimiento es termoqu�mico porque el proceso ocurre a temperaturas elevadas y porque se emplean agentes qu�micos como endurecedores.

La f�sica de los plasmas no se refiere al plasma de la sangre que se empleaba para nitrurar a los aceros en la antig�edad. El plasma, en la f�sica, se refiere, a un cuarto estado de la materia constituido por un gas ionizado. Aqu�, ionizado quiere decir que los �tomos o las mol�culas que constituyen al gas no tienen carga el�ctrica neutra: son iones. Normalmente los �tomos en el estado gaseoso tienen carga neutra porque el n�mero de electrones negativos que rodean al n�cleo del �tomo es igual al n�mero de protones positivos que tiene dicho n�cleo. Los �tomos se convierten en iones cuando sueltan uno o m�s electrones, desequilibrando as� su carga.

El gas en el interior de la flama de un cerillo est� en el estado de plasma y lo mismo ocurre con el gas de una l�mpara de ne�n que est� encendida. En ambos casos los gases contienen una gran cantidad de iones, aunque no necesariamente todos los �tomos o mol�culas est�n ionizados en el interior de un plasma.

Para que un gas se convierta en plasma se requiere de alg�n agente que rompa la neutralidad de los �tomos o mol�culas. Por ejemplo, en una l�mpara de gas es el flujo de una corriente el�ctrica a trav�s del gas lo que mantiene el estado de plasma. En este caso, parte de la energ�a el�ctrica se convierte en energ�a luminosa, en luz.

El paso de una corriente el�ctrica a trav�s del nitr�geno en estado gaseoso produce muchos iones positivos de nitr�geno. Son iones positivos porque la descarga el�ctrica induce la separaci�n de electrones, que tienen carga negativa, de las capas exteriores de los �tomos. Este fen�meno se aprovecha para atraer a los iones positivos de nitr�geno hacia el acero, por la v�a de conectar al acero a un polo el�ctrico negativo.

El esquema de una c�mara de plasma para la nitruraci�n i�nica de aceros se presenta en la figura 32. Es una c�mara muy bien sellada que se evacua, es decir, se le saca el aire con una bomba de vac�o, una especie de aspiradora muy efectiva. Cuando la presi�n de aire es baj�sima en la c�mara (algo as� como una millon�sima de la presi�n atmosf�rica), se introduce, por una v�lvula muy bien regulada, una mezcla de gases de nitr�geno e hidr�geno. El flujo de nitr�geno e hidr�geno debe ser muy reducido para que, con la bomba de vac�o en operaci�n, la presi�n en la c�mara se mantenga en una mil�sima de la presi�n atmosf�rica. La pieza de acero cuya superficie se desea nitrurar se instala sobre un portamuestras que tiene una conexi�n el�ctrica al exterior pero a la vez est� aislada de la c�mara. Esta instalaci�n permite conectar a la pieza de acero por el lado negativo, y al cuerpo de la c�mara por el lado positivo, a los polos de una fuente el�ctrica de alto voltaje. Usualmente el polo positivo se conecta tambi�n a tierra para dar seguridad al sistema.

Figura 32. Diagrama de un sistema de plasmas para la nitruraci�n i�nica de los aceros. La pieza de acero se coloca sobre un portamuestra adentro de una c�mara sellada herm�ticamente. Con una bomba de vac�o se extrae el aire y, posteriormente, se inyecta un flujo muy peque�o de una mezcla de gases de nitr�geno e hidr�geno. La pieza de acero, a trav�s del portamuestras, se conecta al polvo negativo de una fuente el�ctrica de alto voltaje. El flujo de corriente el�ctrica a trav�s de la mezcla de gases enciende un plasma luminoso con alto contenido de iones positivos de nitr�geno que son atra�dos hacia la pieza de acero conectada al polo negativo.

Figura 33. Metalograf�a de una superficie de un acero de ultra alto carbono endurecida con nitruraci�n i�nica. Las part�culas en forma de fibras son nitruros de hierro. Fotograf�a del ingeniero Jos� Luis Albarr�n y de Alfredo S�nchez Ariza.

Figura 34. Fotograf�a del sistema de plasmas para nitruraci�n i�nica del IFUNAM.

Cuando el voltaje de la fuente el�ctrica 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 concentraci�n de iones de nitr�geno.

Aparte de producir iones, la descarga el�ctrica libera energ�a t�rmica capaz de elevar la temperatura del acero hasta 500°C o m�s. A estas temperaturas, los iones de nitr�geno, que constantemente golpean la superficie del acero, encuentran condiciones muy favorables para penetrar al interior del acero por difusi�n. Es factible que en cosa de horas el nitr�geno se haya difundido y formado una corteza nitrurada de varias d�cimas de mil�metro.

El nitr�geno, al entrar al acero, tiende a formar, con el hierro y con los elementos que contenga en su aleaci�n, part�culas de varias composiciones, tama�os y formas. Es com�n que se formen nitruros de hierro en forma de fibras, como se muestra en la micrograf�a de la figura 33. �sta corresponde a la superficie de un acero de ultra alto que fue nitrurado en la c�mara que se muestra en al figura 34.

El incremento de la dureza superficial de los aceros puede medirse empleando un instrumento llamado microdur�metro. Es un microscopio �ptico que tiene como aditamento una punta de diamante en forma de pir�mide que se ilustra en la figura 35. Al aplicar una carga definida, la punta de diamante se hace incidir sobre una superficie de acero. Luego se retira la punta y se mide, con la ampliaci�n del microscopio, la diagonal de la huella que se dej� sobre la superficie. La dureza del acero se calcula con la siguiente f�rmula:

Figura 35. Puntas de pir�mide de diamante y la huella que deja en un metal. Si la carga se mantiene invariable la punta de diamante har� una huella grande en un metal blando. En un metal m�s duro, por el contrario, la punta penetrar� menos y la huella ser� menor.

donde P es la carga que se aplic� sobre la punta de diamante, L es la diagonal y K es una constante propia del equipo de medici�n. 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 peque�a porque se trata de un material blando. Por el contrario, un material duro deja penetrar poco al diamante y s�lo se forma una huella peque�a.

Usualmente la muestra de acero se corta en la direcci�n 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 determinaci�n de dureza en un acero de alta velocidad, M2, nitrurado i�nicamente.

Figura 36. (a) Corte de una muestra para medir el incremento de dureza que se logra con la nitruraci�n i�nica de los aceros. Las huellas del microdur�metro ser�n m�s peque�as cerca de la superficie nitrurada y mayores en el interior del acero. (b) Perfil de dureza de un acero de alta velocidad nitrurado i�nicamente. En la capa exterior la dureza se increment� notablemente.

Figura 37. Muestra preparada para hacer una fractograf�a de un acero endurecido superficialmente.

El endurecimiento superficial de los aceros tambi�n puede observarse en una "fractograf�a". La forma de la superficie que deja una fractura de un acero endurecido superficialmente es muy peculiar. Para hacer esta observaci�n se corta una muestra en forma de paralelep�pedo ranurado, como se indica en la figura 37. La superficie opuesta a la ranura es la que se expone a la nitruraci�n i�nica por varias horas. Cuando la muestra se extrae de la c�mara se moja en nitr�geno l�quido 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 flexi�n (Figura 37). La superficie, de la fractura se examina despu�s en un microscopio electr�nico de barrido donde se obtiene la "fractograf�a" de la figura 38. Cerca de la superficie nitrurada la fractura es m�s brillante porque el acero no se deform� mucho. M�s adentro, el material se fractur� de una manera m�s d�ctil porque se observa mayor desgarramiento. La frontera, no muy bien definida, entre la zona endurecida y aquella que se mantiene d�ctil se se�ala en la figura 38.

Figura 38. Vista de la fractura de un acero nitrurado i�nicamente. Cerca de la superficie nitrurada la fractura se ve m�s brillante, porque es poco profunda y fr�gil. En el interior del acero hay mayor desgarramiento porque el acero es m�s d�ctil. Fotograf�a de Jos� Luis Albarr�n y Alfredo S�nchez Ariza.