viernes, 6 de junio de 2008

Alumnos experimentan formas para mejorar la calidad del acero


Boletín de la FCFM - U.de Chile
6-jun-2008


A través de investigaciones de distintos memoristas se ha logrado aumentar en casi diez veces la dureza de un acero en sólo minutos y con recursos tan sencillos como un vaso con agua y corriente eléctrica.

Si bien el acero es un material de reconocida resistencia, no está ajeno al desgaste ni a la fatiga. Por ello, desde el año 2004, cuatro alumnos memoristas de Ingeniería Mecánica - motivados por el profesor Marco Antonio Béjar – comenzaron a experimentar con un curioso fenómeno capaz de mejorar la calidad del acero calentándolo a más de 1000ºC en un vaso con agua, sin que el líquido se evaporara mayormente.

“La idea era utilizar una experiencia que había sido publicada en Japón: una electrólisis del agua a alto voltaje, donde aparecían cosas interesantes. Lo propuse como tema de memoria para que los alumnos le buscaran una aplicación a este fenómeno”, señala Béjar, académico de Ingeniería Civil Mecánica de la FCFM. Desde entonces, año a año, los alumnos han ido puliendo el tema de investigación, el que ha sido su memoria de título. El primero fue Eduardo Navarro, quien mostró que era factible generar plasma en un vaso con agua; luego Nilo Araya y Boris Baeza, los que agregándole urea al agua lograron nitrurar aceros y finalmente Rodrigo Henríquez, el que agregándole bórax logró borizar.

Un proceso rápido y económico

Cuando en una celda electrolítica se utiliza un electrolito a base de agua, por lo general en el cátodo se genera hidrógeno y en el ánodo oxígeno. Lo usual es que este proceso se realice a un voltaje inter-electrodo relativamente bajo (máximo algunas decenas de Volts). La idea fue que los estudiantes trabajaran con voltajes de algunas centenas de Volts y en condiciones que se produjera suficiente gas como para que el electrolito se separara de los electrodos.

“Se forma una película de gas que separa al líquido de los electrodos. Como hay tanto voltaje aplicado, el gas se ioniza (se enciende) y se genera plasma. Si se agregan a la solución algunas sustancias que contengan elementos que puedan endurecer un acero, como por ejemplo nitrógeno o boro, es posible que átomos de estos elementos empiecen a difundir hacia el interior del material”, explica Béjar. Por ejemplo, cuando difunde nitrógeno y el acero contiene cromo o aluminio, precipitan nitruros de cromo o nitruros de aluminio. En el caso del boro, se forman boruros. Se trata de un proceso que, a juicio de sus autores, es muy sencillo y económico.

“Mi trabajo fue montar una instalación experimental capaz de llevar el plasma electrolítico a condiciones extremas de potencia, sin que los electrodos se fundieran. Con ello logré, bajo ciertas condiciones y utilizando bórax, endurecer una capa de 7 mm de espesor en un acero SAE-1020. Logré alcanzar durezas de 1600 Vickers en la superficie de dicho acero, el que normalmente tiene una dureza del orden de los 175 Vickers. Estos resultados se lograron en sólo 15 minutos, tiempo muy inferior a las 8 horas que por lo general demora el proceso cuando se realiza en hornos”, acota el estudiante de Ingeniería Mecánica Rodrigo Henríquez. “Existen trabajos realizados anteriormente por otros investigadores que se abocan a estudiar el proceso de plasma electrolítico para generar otros compuestos, por ejemplo óxidos. Ninguno había alcanzado tal espesor y tal dureza con boro”, agrega el alumno.

Acero resistente al desgaste

Mejorar las propiedades de un acero con este proceso puede tener aplicaciones en diversas industrias. “Es útil para todo acero que esté sometido a desgaste. Por ejemplo para un perno que esté expuesto a roce, endureciéndole la superficie se le aumentaría mucho su vida útil”, dice Béjar. Rodrigo Henríqez agrega:”El desafío que queda es llevar esto que se hizo en escala de laboratorio sobre una superficie de 1 cm2, a un área mayor. Así, se podrían llegar a utilizar planchas de acero tratadas con este proceso, por ejemplo, en maquinaria e instalaciones mineras”.

Recientemente profesor y alumno enviaron un artículo sobre este tema a una revista científica. Pese a que aún no se publica, el tema ya ha llamado la atención de la comunidad: por ejemplo, un académico noruego ya se puso en contacto con Béjar para que le tratara una muestra de acero y así comprobar en directo los beneficios del proceso.

¿Por qué no se evapora el agua del vaso?

El proceso para endurecer el acero que trabajaron los alumnos de Ingeniería Mecánica se desarrolla dentro de un vaso con agua, donde el acero puede alcanzar más de 1000ºC de temperatura y, sin embargo, el agua casi no se evapora. Se han realizado experiencias con una duración de hasta una hora y no ha sido necesario agregar agua ¿Cómo se explica esto? “Lo que se calienta a más de 1000 ºC es la superficie, no todo el cuerpo del acero. Ese calor, en gran medida queda confinado y no se traspasa mayormete al electrolito porque está protegido por la barrera de plasma que se genera. El plasma sería un envoltorio donde ocurre el fenómeno térmico. Al líquido le hemos medido la temperatura y esta puede alcanzar del orden de los 100 ºC sin que se evapore mayormente. Una explicación posible es que el electrolito adquiriría características de un líquido iónico. Estos líquidos (los iónicos) son en general sales que están fundidas a temperatura ambiente y tienen la particularidad de que no se evaporan”, explica Marco Antonio Béjar.

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