¿Una segunda juventud para el acero?

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


25 Comentarios

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orayoorayo

WoW! Menudo avance.
¿Se cargaría la soldadura el tratamiento térmico? Yo creo que si. La cuestión es si se podría aplicar localmente de nuevo.

pepepepe

Por los calculos de tiempo y temperatura tan especificos , creo que solo con maquinas se podra hacer.

unoalmesomas

Cuando vea esta noticia el capullo de mi profesor de materiales va a flipar!! Estoy flipando yo… anda que después de tantas vueltas al diagrama hierro carbono, y resulta que no estaba todo escrito. Hurra!!!!!

AmancioAmancio

No se porqué, pero me recuerda este “maravilloso sistema” al normal proceso de forja en una herrería. Los fabricantes de cuchillos siempre han usado este sistema para endurecer las hojas. Aunque de manera artesanal no se controlan temperaturas ni tiempos, y todo depende del toque personal de cada forjador.
Sinceramente, no entiendo qué tiene de nuevo este sistema.

Cabezón

Una pregunta. El carburo de hierro, ¿no es Fe3C4? Por lo menos así debe ser si es una mezcla estequiométrica con ese nombre. Otra cosa es que simplemente sea C disuelto en Fe sin llegar a formar un compuesto químico.

César

Siendo estrictos la cementita es Fe2C:Fe, pero se suele expresar como Fe3C. Existen otras variantes como Fe7C3 y Fe2C. De hecho existen bastantes más proporciones posibles, entre ellas el tricarburo de hierro (III) que es al que creo que te refieres y que sería Fe4C3.

Infiero de esta frase “Por lo menos así debe ser si es una mezcla estequiométrica con ese nombre” que lo que te ronda por la cabeza es la ley de las proporciones definidas de Proust. Esta ley, que fue muy útil en el desarrollo de la química moderna y lo sigue siendo en la enseñanza de los fundamentos de la química, NO es universalmente cierta, sobre todo en la química de los metales de transición donde abundan los ejemplos de compuestos no estequiométricos.

Cabezón

Hombre, se bien que no siempre se cumplen las proporciones estequiométricas, sobre todo en cristales sólidos. Pero es que soy de la opinión que si se usa un nombre como carburo férrico o ferroso se está suponiendo una cierta relación estequiométrica. Por ejemplo Fe2C sería carburo de Fe(II) o carburo ferroso por usar la vieja nomenclatura. Si resulta que la verdadera expresión es Fe2C:Fe, estamos ante una mezcla de carburo ferroso y hierro, lo que me parece correcto. Pero no unir las dos fórmulas en una y poner Fe3C, pues esa fórmula presupone una determinada estructura que no se corresponde con las uniones entre los átomos.

César

Por eso en el texto se usa “carburo de hierro” y no férrico o ferroso.
En un cristal ortorrómbico de cementita hay 12 átomos de Fe y 4 de C, lo que corresponde a Fe3C. Puede considerarse que se forma por difusión de Fe2C en la estructura del Fe, de ahí el Fe2C:C que escriben algunos, pero desde el punto de vista cristalográfico, y químico, es un cristal definido de composición Fe3C.

Cabezón

Y sí, reconozco que me equivoqué en mi fórmula. El carburo de Fe(III) es Fe4C3 y no como lo puse yo… :-(

Cabezón

Sí, el proceso de soldadura debería imitar la técnica de Cola. No lo veo nada fácil.
Pero con buenas técnicas de estampación y usando colas de gran adherencia, ¡tal vez no sea necesario soldar! Otra opción sería volver a los viejos remaches…

Cabezón

¿Por qué ese voto negativo? A veces es bueno volver a las viejas ideas, sobre todo si lo nuevo no funciona.
Me reafirmo en ambos puntos de vista:
1.- Si se hace una soldadura, deberá ser un nuevo método que imite, en lo posible, el método del Sr. Cola.
2.- Si no es posible, usar otros métodos de unión, como adhesivos epoxi, o incluso volver a los remaches.

unoalmesomas

Amancio, la forja no sólo es meter el acero en agua, más bien lo que forja el acero son los martillazos. Tendré que desempolvar los dichosos apuntes de CM, esnif

Chema García

Enhorabuena por tu artículo por que me parece una pasada y está realmente bien. Lo único me gustaría puntualizar sobre lo que narras en torno al origen del acero puede llevar a quien te lea a alguna confusión. Me gustaría saber por qué es conocido el acero por la humanidad en torno al 6000 (cuando todavía no se había inventado ni la rueda, y ya me dirás tú en qué yacimientos arqueológicos o fuentes históricas en esa época tendrían una tecnología suficiente cómo para conseguir en hornos llegar a los 900ºC mínimo que se necesitan para tratar el hierro y añadirle el carbono en forma de carbón vegetal. Si te refieres al conocimiento de minerales en los que se contiene el hierro, eso sí se conocía de mucho antes ¿pero por qué en el 6000?. En cuento a lo de la Era Común no entiendo a qué Era te refieres. (Supongo que si cómo dices el acero ya era conocido en el 6000, igual es la Era de Conan que ya debían de aquella conocer el acero). Si nos referimos a las Eras de la Edad de los Metales conocidas en Prehistoria y Arqueología y aceptadas cómo tal por la casi totalidad de investigadores del sector nos encontramos con el Calcolítico (Edad del Cobre, y el uso del cobre si se conocía en el 6000), Edad del Bronce (cuyo uso extensivo vamos a considerar el 2000) y cómo bien hablas los Hititas (pero con el hierro, el acero no digo que no lo conocieran y que algún objeto fabricaran pero de ahí a que “tomaran su decisión de hacer todas sus armas de acero” (los hititas combatían desde carros, no me imagino arcos hechos de acero, ni lanzas, cuando las demás culturas apenas conocían el uso del hierro y sus armas y protecciones eran de bronce y no necestaban del acero, con el hierro simple les valía. Por lo tanto los hititas sí que conocían la tecnología del hierro, estamos hablando del año 1560 aprox en su máxima expansión con su victoria en la batalla de Qadesh (de aquí al 6000 ahí un trecho). Sí que es cierto que con la llegada de los llamados en las fuentes “Pueblos del mar” desbancan en su zona de despliegue a los Hititas y se generaliza el uso del hierro por todo Oriente Próximo. Simplemente añadir que en Europa hasta 1740 no se redescubre por Benjamin Huntsman el “método del crisol” para conseguir acero y hasta 1902 no se fabrica el acero de la calidad conocido por todos con la invención del horno eléctrico o el proceso del oxígeno básico en el tratamiento del acero en 1948.

César

El texto dice literalmente “hace unos 6000 años”, lo que implica 4000 años antes de la era común, que es una forma no religiosa de referirse a nuestra forma de contabilizar los años (véase a este respecto: http://es.wikipedia.org/wiki/Antes_d..._com%C3%BAn) .

Una cosa es que se conozca y otra que sea objeto de obtención. Hay piezas ornamentales egipcias (Pirámide negra de Abusir) de algo que puede considerarse acero de hace más de 5000 años. Probablemente se obtuvieron a partir del hierro de meteoritos (con contenido en niquel) trabajado en caliente. La tecnología empleada exactamente no es conocida.

Respecto a los hititas, me permito recomendarte que revises tus fuentes. La teoría de los pueblos del mar hace tiempo que se descartó. A este respecto: Muhly, James D. ‘Metalworking/Mining in the Levant’ pp. 174-183 Near Eastern Archaeology ed. Suzanne Richard (2003), pp. 179-180.

Respecto a tus frases finales, en China ya se podían permitir enterrar a los soldados con armadura y armas de acero 2000 años antes. Véase: “The earliest use of iron in China” Metals in antiquity,ed. by Suzanne M. M. Young, A. Mark Pollard, Paul Budd and Robert A. Ixer (BAR international series,792), Oxford: Archaeopress, 1999, pp. 1-9.

Chema García

Gracias por tu comentario. Admito tus puntualizaciones y recomendaciones, simplemente quería reseñar que según se leía esa parte del origen del acero a mi me daba una impresión de un dominio sobre el mismo y extendido en muchas “culturas” que creo que ha quedado claro no era tal (por mucho que los Hititas sí que lo utilizaran) ¿Qué estadísticas sobre yacimientos de la época Hititas o no Hititas de sus objetos aparece acero frente a otros utensilios en su vida cotidiana? Que lo conocieran e incluso lo utilizaran no quiere decir que estuviera tan extendido por todo el orbe cómo el sílex, la cuarcita, el bronce o el cobre e incluso el hierro . Sobre que a través de meteoritos se utilizaba ya, en eso estamos completamente de acuerdo y lo daba por sentado. Por lo que respecta a la Era Común, no me parece mal el intento de homogeneización de esa manera, aunque es mucho más conocido y utilizado el Before Present (BP) por la mayoría de la comunidad científica y parte de la no científica, salvo cómo dice tu propio link por Testivos de Jehová y “algunos intelectuales no religiosos”, sí también el Smithsonian e incluso muchas guías de iglesias cristianas (con todo mi respeto hacia la religión y los religiososo y no religiosos que lo utilicen). Otra pregunta es que me gustaría que se puntualizara el dato de que en Africa y en China se encuentran muestras de acero en épocas muy anteriores a la Era Cómun, y si se refiere cómo ya se ha indicado a la utilización de meteoritos para conseguirlo o no. Simplemente pretendo llamar la atención sobre algún dato puntual que puede llevar a quien lo lee a hacerse una idea equivocada sobre el mismo, no que no esté bien explicado lo que comentas o que no sea verídico. El primero que aprende con estos comentarios soy yo, gracias por los links de las fuentes que aportas César. Un saludo.

aisingoroaisingoro

Cuando trabajaba de aprendiz me enseñaron a templar el acero, un U-13 creo que era y muchas de esas tecnicas se hacian a ojo de buen cubero es decir rojo naranja , cereza , amarillo , y diferentes tonos para cada temperatura , el refrigerante aceite de ballena , taladrina blanca y varios etc.. que se podian encontrar en el taller la verdad es que funciona y va de muerte eso fue en el año 1969 asi que de momento no hay nada nuevo bajo el sol

super ofertas

bien por la tecnología, esperemos que la gran fábrica de acero americana no compre la patente y pretenda ocultarla al mundo… ya veremos.

daviddavid

“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”

Para amortizar esa inversión patentarán los procesos y materiales, no?
En este caso, quién los ha patentado? El taller? La universidad? Saldrá una multinacional para decir que solicita la patente porque también lo había descubierto antes y estaban redactando el texto del a patente? mmh….

DavidDavid

Soy un auténtico ignorante en todos los campos cientificos. Intento corregirlo fundamentalmente escuchando ciencia continuamente en podcast basicamente. Y me fascina el hecho que como en esta ocasión…. No todo está dicho. Visto desde el punto de vista de algo tan estudiado y manoseado como el estudio de la forja del hierro / acero desde la revolución industrial. Con el permiso de las culturas milenarias que conseguían magníficos resultados, que no podían trazarse de forma empírica. Maestro artesano y punto pelota. Disculpar mi ignorancia y simplicidad. Saludos.

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