Nanotecnología aplicada a productos de acero (PDF

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Hace más de 50 años, el premio Nobel Richard Feynman señaló que aparecerían nuevas propiedades
si los materiales se fabricaran a nivel de átomos y moléculas. Las décadas de 1970 y 1980 vieron el
nacimiento y el rápido desarrollo de la nanotecnología.
ACTUALIZACIÓN TECNOLÓGICA
Nanotecnología aplicada
a productos de acero
Por Jorge Madías, Gerente de empresa Metallon, Argentina
La primera conferencia internacional sobre el tema, en 1990, indicaba que esta tecnología se aproximaba
a su madurez. Desde entonces, la nanotecnología se comenzado a utilizarse con llamativa velocidad y
un impacto de largo alcance en muchos campos de la ciencia y la tecnología. Estados Unidos, Japón y la
Comunidad Europea han procurado ocupar una posición dominante.
En el año 2000, en Estados Unidos se publicó un largo informe titulado “Iniciativas para la
nanotecnología: liderando la próxima revolución industrial”, producto de lo cual se lanzó un
programa. Japón lo siguió, con su propio “Plan de Promoción de Ciencia y Tecnología 2001”. Ubicó la
nanotecnología como prioridad, y fundó una institución especial para encargarse del proyecto.
La Unión Europea también puso a la nanotecnología en su marco de trabajo para la investigación
científica 2002-2006. En pocos años, asumió un status estratégico en la economía global del siglo XXI.
Casi al mismo tiempo, China hizo su propio plan de desarrollo de nanotecnología; se crearon centenares
de empresas y se produjeron muchos trabajos de investigación.
Paralelamente se desarrollaron las herramientas necesarias, como el microscopio de efecto túnel en 1981,
que le valió el Premio Nobel a sus inventores, y el microscopio de fuerza atómica en 1986.
El desarrollo de la nanotecnología en América Latina es relativamente reciente, en comparación a lo
que ha ocurrido a nivel global. México, Costa Rica, Argentina, Venezuela, Colombia, Brasil y Chile
contribuyen a nivel mundial con trabajos de investigación en distintas áreas de la nanotecnología.
Algunos de estos países cuentan también con programas educativos en licenciatura, maestría, posgrado y
especialización en el área.
DOSSIER TECNOLÓGICO
La nanotecnología se ha definido
como el estudio, diseño, creación,
síntesis, manipulación y aplicación
de materiales, aparatos y sistemas
funcionales a través del control de
la materia a nanoescala. Cuando
se manipula la materia a escala tan
minúscula, presenta fenómenos y
propiedades totalmente nuevas. Por
lo tanto, los científicos utilizan la
nanotecnología para crear materiales,
aparatos y sistemas novedosos y poco
costosos con propiedades únicas.
La industria del acero no ha
permanecido ajena a este desarrollo:
se pretende utilizar los conceptos de
la nanotecnología para el desarrollo
de los aceros, y se utilizan materiales
basados en nanotecnología dentro
de los procesos de fabricación. Por
ejemplo, vale la pena mencionar
que la perlita, en una de sus
dimensiones, cuando el espaciamiento
interlaminar es pequeño, puede
considerarse también un material
nanoestructurado.
En este trabajo se utiliza el
concepto de nanotecnología en
un sentido amplio, incluyendo los
materiales nanoestructurados. Se
exponen algunas aplicaciones de
nanotecnología en el desarrollo
de aceros por rutas de proceso
convencionales, subdividiéndolas por
las características específicas de cada
nanoestructura.
También se mencionan algunas
aplicaciones que utilizan rutas
de proceso no específicas de la
siderurgia, como las abarcadas por
los procesos con deformación plástica
severa. Por razones de espacio no se
tratan en este artículo las aplicaciones
de nanotecnología en los procesos
de fabricación del acero, que tiene
amplio espectro, encontrándose en las
coquerías, altos hornos, convertidores,
hornos eléctricos, metalurgia de
cuchara, colada continua, laminación,
tratamiento térmico, galvanizado,
etc. Se espera considerarlas en un
artículo posterior. Las herramientas
que se utilizan para la caracterización
de estos materiales se mencionan al
tratar algunos de los casos.
ACEROS
La resistencia de un cristal aumenta
mucho a medida que es más pequeño
porque se incrementa la probabilidad
de evitar defectos. S.S. Brenner pudo
en 1956 alcanzar una resistencia a
la tracción mayor que 13 GPa en un
cristal de hierro de 1,5 micrones de
largo (FIGURA 1). En teoría, sería
posible alcanzar una resistencia a
la tracción de 21 GPa en cristales de
hierro ideales.
FIGURA 1. Influencia del tamaño
del cristal de hierro sobre su
resistencia [1]
15
Resistencia (GPa)
El prefijo “nano” corresponde a una
unidad de medida que equivale a la
millonésima parte de un milímetro, o
la milésima parte de un micrón.
10
5
0
0
4
8
12
Tamaño del cristal (µm)
16
Se analizan en primer lugar
aplicaciones de nanotecnología
a aceros que se pueden producir
masivamente en equipamientos
existentes, con modificaciones
parciales en los procesos de
producción. Se hace referencia
a los aceros nanobaíniticos,
a los aceros microaleados con
nanoprecipitados, a los aceros
avanzados de alta resistencia
nanoestructurados, a los aceros
con nanocementita, y a los
alambrones de alto carbono con
descomposición de la cementita.
Aceros nanobainíticos
Investigaciones realizadas a principios
de este siglo por el Dr. Bhadeshia
de la Universidad de Cambridge
y otros investigadores europeos,
revelaron que al someter aceros
de alto carbono y alto silicio a un
enfriamiento lento1, se obtenía
una microestructura consistente de
placas de ferrita bainítica de 20 a 40
nanómetros de espesor separadas
por capas de austenita residual,
con alta resistencia a la tracción y
alta ductilidad [2]. A medida que
el concepto de nanotecnología se
difundió, esta estructura se dio en
llamar nanobainita, y a los aceros que
la poseen, aceros nanobainíticos o
superbainíticos (FIGURA 2).
FIGURA 2. Nanobainita: placas muy finas de bainita, separadas por
austenita. Observación de lámina delgada en microscopio electrónico de
transmisión [2]
Para los no iniciados que desean contar con una base sobre metalurgia ferrosa se
recomienda el curso MET 0100 de Steel University: https://www.steeluniversity.org/learn/
met0100-ferrous-metallurgy/
1
33
34
También se ha estudiado su aplicación
en casos concretos, como por ejemplo
aceros para rodamientos y otros
aceros de medio y alto carbono.
En los aceros para rodamientos, la
nanobainita daba resultados muy
importantes, pero presentaba bajos
valores de ductilidad. En el marco
de una investigación europea, con
participación de varias plantas y
centros de investigación, se han
estudiado dos aceros de alto silicio
y alto carbono, que implican
modificaciones de los aceros clásicos
para este uso [5]. Se logró una
cinética de transformación que hizo
innecesaria la adición de elementos
caros, como el cobalto, o complicados
para la limpieza inclusionaria, como
el aluminio.
Con temperaturas de tratamiento
isotérmico para transformación
a bainita de menos de 250°C, se
obtuvieron resistencias a la tracción
de más de 2 GPa, manteniendo la
ductilidad, lo que no se lograba con
el acero estándar para rodamientos
100Cr6, ni por bainitización a baja
temperatura ni por un clásico temple
y revenido. Este mantenimiento de la
ductilidad se logró en combinación
con la presencia de más del 30%
de austenita retenida. Se verificó
que, en lo que respecta a resistencia
a la tracción y ductilidad, no es
conveniente buscar la temperatura de
tratamiento más baja posible, porque
en ese caso la resistencia mejora
moderadamente pero la ductilidad cae
significativamente.
La resistencia al desgaste por
rodadura y deslizamiento mejoró con
respecto a los aceros estándar. En
este caso hay un efecto favorable de
la baja temperatura de tratamiento,
probablemente como resultado de la
FIGURA 3. Comportamiento en la carga y en la difusión de hidrógeno de
aceros 100Cr6 estándar, acero 100Cr6 + 0,5% V, acero nanobainítico (SB)
con adición de cobalto y aluminio (con dos temperaturas de bainitización,
200°C y 300°C) y un hierro casi puro [6]
16
14
(a)
Luego de carga con H
(b)
24 h de carga con H
100Cr6
12
Hidrógeno total (ppm)
Se han realizado diversos estudios
para entender las características de
esta transformación [3]. Mientras
estas características han sido
reveladas por las investigaciones,
todavía no se entiende bien el efecto
sobre las propiedades mecánicas, que
sigue siendo motivo de estudio [4].
10
8
100Cr6+0,5V
6
SB300
4
2
SB200
Hierro puro
0
mayor dureza y porque la ductilidad
no influye. No se observaron mejoras
respecto a la resistencia a la fatiga.
Es conocido que los aceros de alta
resistencia presentan sensibilidad
a la fragilización por hidrógeno.
Investigadores de SKF han estudiado
este tema sobre el acero 100Cr6
estándar y sobre el mismo acero con
una adición del 0,5% de vanadio, con
la que se procura mejorar este aspecto
[6]. En la FIGURA 3 se presenta una
comparación entre el acero 100Cr6
estándar, el acero 100Cr6 + 0,5%
V, un acero nanobainítico (SB) con
adición de cobalto y aluminio (con
dos temperaturas de bainitización,
200°C y 300°C) y un hierro casi
puro, desde el punto de vista de
la absorción de hidrógeno y del
contenido de hidrógeno luego de 24
horas de la absorción.
Debido a que hay una gran superficie
de interface entre bainita y austenita,
lo que podría eventualmente facilitar
fenómenos de corrosión por el
diferente potencial electroquímico
de ambas fases, se ha estudiado
este aspecto en un acero para
rodamientos, encontrándose que para
dos materiales de similar dureza, uno
con tratamiento de temple y revenido
tradicional y otro nanoestructurado,
no había mayores diferencias,
independientemente del medio
corrosivo utilizado [7].
Otro tema que ha ocupado a los
investigadores es que la nanobainita
no se ablanda con el revenido
convencional, lo que es necesario
para facilitar la deformación en
caliente del material. En ese sentido,
se ha demostrado que se puede
ablandar explotando la denominada
reacción eutectoide divorciada en
un tratamiento térmico en el que el
estado al inicio del enfriamiento no
es totalmente austenítico, sino que la
austenita contiene todavía partículas
de cementita proeutectoide2. Al
enfriar por debajo de la temperatura
Se denomina cementita proeutectoide a la que se forma en el borde del grano austenítico en
el enfriamiento lento de aceros con más del 0,80% de carbono (aceros hipereutectoides).
2
DOSSIER TECNOLÓGICO
eutectoide, estas partículas absorben
el exceso de carbono rechazado por la
ferrita, suprimiendo así la formación
de perlita laminar y dejando como
resultado una microestructura final
de esferoides groseros de cementita
en una matriz ferrítica. Con un
tratamiento térmico de diez horas se
obtiene una dureza de 250 HV, que
hace posible el conformado [8].
Apuntando a la fabricación de
componentes resistentes a la abrasión,
se han estudiado los mecanismos de
desgaste que predominan cuando
se tiene esta microestructura
nanobainítica, en comparación con
los mecanismos actuantes para
estructuras basadas en perlita fina o
en martensita [9].
Investigadores de la Universidad
de Tecnología de Varsovia han
investigado la forma de obtener esta
nanoestructura en aceros cementados
y en aceros para herramientas. En el
primer caso, a los efectos de obtener
una mayor resistencia a la abrasión,
cementaron acero 38CrAlMo6-10
[10]. En el segundo caso verificaron
la estabilidad térmica del acero
X37CrMoV5-L, encontrando que
por encima de 400°C precipitaban
carburos y el material perdía sus
características, no debiendo utilizarse
para esas temperaturas [11].
De acuerdo a la literatura, hasta
el momento los aceros basados
en nanobainita han encontrado
aplicación comercial en blindajes
y se programa su aplicación en
ejes, rodamientos y componentes
resistentes a la abrasión [9].
Aceros microaleados
con nanoprecipitados
Los aceros microaleados, que
contienen típicamente titanio y/o
niobio y/o vanadio, en cantidades
generalmente por debajo del 0,1%,
son conocidos y empleados desde
hace varias décadas. Sus propiedades
mecánicas son más elevadas que las
correspondientes a aceros al carbono
equivalentes (del mismo contenido
de carbono). El endurecimiento por
la precipitación de carbonitruros
es responsable por este incremento
en las propiedades. A medida que
los precipitados formados son más
pequeños, mayor es el endurecimiento
experimentado.
Por ejemplo, un estudio de JFE
Steel se centra en la obtención de
aceros laminados en caliente de
alta resistencia para suspensiones
automotrices, con el objetivo de
disminuir el peso. Para conformarlos
se necesita una alta capacidad de
estiramiento. Es ideal tener una
estructura ferrítica sin presencia
de perlita ni de cementita de cierto
tamaño, y obtener la alta resistencia
mediante el endurecimiento por
precipitación de finos carburos. Para
esto se diseñó un acero de 0,04% C,
1,5% Mn y 0,30% Mo y se verificó
el efecto de contenidos variables de
titanio.
El manganeso permite descender
la temperatura de transformación
de austenita a ferrita, previniendo
el crecimiento de los carburos
finos. El molibdeno retarda la
formación de perlita y cementita
gruesa en los bordes de grano. Se
controló el nitrógeno en un valor
bajo para minimizar la formación
de precipitados grandes TiN, que
consumen el titanio sin mejorar
las propiedades mecánicas. En las
pruebas iniciales se varió el contenido
de titanio entre el 0,02% y el 0,15%.
Finalmente se adoptó el 0,09%, para
obtener una resistencia a la tracción
de 780 MPa con una temperatura de
bobinado de 700°C [12].
Se obtuvieron carburos alineados
muy finos, de 3 µm (FIGURA 4).
El aporte del endurecimiento por
precipitación de los nanocarburos se
calculó en 300 MPa, de dos a cuatro
veces el aportado por precipitación de
carburos en los aceros microaleados
convencionales. El resultado en
cuanto a capacidad de estiramiento,
que se atribuyó al excelente
alargamiento local, fue muy bueno.
El grado de acero se implementó
industrialmente con la denominación
comercial NanoHiTen [13].
De manera similar, China Steel
Corporation desarrolló un acero para
laminación en caliente, sin adición de
molibdeno, y con titanio y vanadio
como microaleantes. El objetivo de
la adición de vanadio fue prevenir
el engrosamiento de los carburos
durante el bobinado, que disminuye su
efecto positivo sobre las propiedades
mecánicas [14]. Se obtuvo una
resistencia a la tracción de 720 MPa.
FIGURA 4. Microestructura ferrítica (izquierda) y nanocarburos
alineados (derecha) en acero de alta resistencia con buena capacidad de
estiramiento, para suspensión automotriz [13]
35
36
Un estudio de Baosteel se enfocó en
la influencia de nanoprecipitados de
carbonitruros de titanio y niobio sobre
la temperatura Ar3 de transformación
de la austenita a ferrita, en bruto de
colada y luego de deformación en
caliente [15].
Cabe mencionar también un trabajo
de la Universidad de Alberta sobre
chapa de acero laminado en caliente
API X100 para tubos soldados,
proveniente de SSAB Canadá. Sobre
este acero, aleado con molibdeno
y cobre, y microaleado con
titanio, niobio y vanadio, se buscó
caracterizar los nanoprecipitados.
La compleja composición y la
distribución de tamaños hizo difícil
la cuantificación, particularmente de
los precipitados más pequeños. Se
separaron los precipitados mediante
disolución química y electrolítica y
se analizaron mediante microscopía
electrónica de trasmisión y de
barrido y difracción de rayos X.
Para caracterizar la distribución de
tamaño de los nanoprecipitados se
obtuvieron réplicas de carbono y se
trabajó en el microscopio electrónico
de trasmisión con imágenes en
campo oscuro [16].
Un caso particular es el del acero
Súper 304H, con el 18% de cromo,
8% de níquel, 3% de cobre y un
pequeño contenido de niobio,
usado en plantas de generación de
energía eléctrica ultrasúper críticas3.
En este acero juegan tanto los
nanoprecipitados de cobre –cuyo
efecto en el endurecimiento es vital–
como los nanoprecipitados del tipo
MX (Nb[C, N]) [17]4.
Una forma de facilitar la obtención de
nanoprecipitados es el enfriamiento
ultrarrápido de la chapa antes del
bobinado. Se ha estudiado por
ejemplo a escala laboratorio el efecto
de un enfriamiento a 80°C/s, sobre
la formación de nanoprecipitados en
aceros de bajo carbono microaleados
con titanio, niobio y vanadio [18].
Aceros avanzados
de alta resistencia
Estos aceros han sido motivo de
una revisión previa [19]. Dentro
del amplio campo cubierto por este
concepto, donde se incluyen los
aceros bifásicos (DP), los aceros con
plasticidad inducida por deformación
(TRIP) o por maclado5 (TWIP), etc.,
hay también diversas aplicaciones de
los conceptos de nanotecnología.
En el caso de los aceros bifásicos, que
han sido discutidos en detalle en otra
revisión [20], y cuya microestructura
consiste de ferrita y martensita, se
ha podido mejorar su resistencia a
la fatiga mediante la formación de
nanoprecipitados de cobre [21].
Un estudio de investigadores de
China, Estados Unidos y Alemania,
aplica una metodología similar a la
ya mencionada para la formación
de nanobainita, a un acero TRIP
de 0,19% C; 0,30% Si; 1,76% Mn
y 1,52% Al, al que se somete a
un recocido intercrítico6,y luego a
un mantenimiento isotérmico. Se
lo compara con el mismo acero
sin el mantenimiento isotérmico.
Mientras en el primer caso la
austenita retenida aparece en forma
de láminas ultrafinas, alternadas
con ferrita bainítica, en el segundo
caso la austenita retenida aparece en
forma de bloques. En el primer caso
la resistencia es de 1.100 MPa y la
deformación verdadera es del 50%, en
tanto que en el segundo caso ambas
son mucho menores: 800 MPa y el
35% [22].
Aquellas en las que la generación de vapor se produce sin ebullición, pasando de líquido a
gas a presiones del orden de 22 MPa, con la consiguiente alta exigencia.
4
MX: compuesto formado por un metal y un metaloide.
5
Maclado: mecanismo de deformación de monocristales.
6
Intercrítico: entre la temperatura de inicio de formación de ferrita y la temperatura
eutectoide.
3
Otro estudio se enfoca a los aceros
llamados TRIP-maraging. Los aceros
martensíticos convencionales tienen
una limitada ductilidad que puede
mejorarse sin perder resistencia, por
la vía de la reversión parcial de la
martensita a austenita. Esta mejora
se atribuye a la presencia del efecto
TRIP de la fase austenita y del efecto
de endurecimiento por precipitación
(maraging) en la matriz martensítica
[23].
Se ha realizado un estudio sistemático
de un acero TRIP-maragingFe-9Mn3Ni-1.4Al-0,01C% tratado
térmicamente bajo diferentes
condiciones de reversión, para
introducir variaciones bien
controladas de la microestructura
austenita-martensita nanolaminada.
Se hicieron ensayos de tracción
uniaxial e impacto. La microestructura
se caracterizó usando microscopios
electrónicos de barrido y de
transmisión y análisis post mórtem
de difracción de rayos X mediante
sincrotrón.
Los resultados revelaron que la
partición de la deformación entre
la austenita y la martensita está
gobernada por una interacción
altamente dinámica entre el
deslizamiento de dislocaciones, la
transformación de fases inducida
por la deformación (causando el
efecto TRIP) y el maclado mecánico
(causando el efecto TWIP). La
morfología de microestructura
nanolaminada lleva a una mayor
resistencia al daño. La presencia de
ambos efectos resulta en una mayor
capacidad de endurecimiento por
deformación y una mejor resistencia
al daño, y de ahí la mejora en la
ductilidad [23].
Aceros con nanocementita
Procurando eliminar la necesidad
de microaleantes, investigadores
de Estados Unidos y China
estudiaron la posibilidad de obtener
cementita a escala nano, mediante
enfriamiento ultrarrápido, aportando
endurecimiento a un menor costo.
DOSSIER TECNOLÓGICO
DEFORMACIÓN PLÁSTICA SEVERA
Por fuera de los procesos usuales para la obtención de aceros (laminación, forja, fundición), existen diversos métodos
que apelan a la deformación plástica severa para generar nanoestructuras (FIGURA A). Se trata de la aleación
mecánica mediante molienda con bolas, la torsión a alta presión, la extrusión en canal angular de sección constante,
la abrasión deslizante, el ensayo de caída de bola, el granallado ultrasónico y el granallado con soplo de aire. Estos
métodos se manejan con más o menos éxito a escala laboratorio y en algunos casos para la producción de pequeñas
piezas de diversos metales, pero no se han encontrado todavía aplicaciones industriales masivas. En algunos casos
se modifica todo el material y
en otros solamente una capa
superficial.
FIGURA A. Algunos de los métodos para generar nanoestructuras
mediante deformación plástica severa [26, 27]
Estos métodos de deformación
Aleación mecánica mediante
Torsión
plástica severa permiten entre
molienda con bolas
a alta presión
otras cosas mejorar la superficie
de los aceros para incrementar su
Presión
resistencia a la corrosión o a la
fluencia lenta (creep).
Vástago
Cabe mencionar a título de ejemplo
del primer caso, la obtención de
aceros inoxidables austeníticos
por aleación mecánica, seguida de
conformado por sinterización y
posterior recocido. Como materia
prima se utilizan polvos finos de
elementos como hierro, cromo,
níquel, manganeso y carbono,
y una sustancia que contenga
nitrógeno (N2, NH3, nitruro de Fe,
Cr, Mn). Como los componentes
se alean mecánicamente y no hay
fusión ni solidificación posterior, el
tamaño de grano de la austenita es
muy pequeño [28].
Muestra
Soporte
Extrusión en canal angular
de sección constante
P
Vástago
Matriz
Φ
Con respecto a la resistencia
Muestra
a la fluencia lenta, se están
desarrollando diversos aceros
aleados al cromo, con molibdeno
o tungsteno, endurecidos por
dispersión de óxidos, con nano
clusters de Y-Ti-O. Estas aleaciones, utilizadas en componentes críticos de centrales eléctricas, nucleares y térmicas, se
obtienen por aleación mecánica [29, 30]. Poseen también –en alta dosis– resistencia a la irradiación.
En primer lugar se realizó una
evaluación termodinámica, basada
en dos criterios diferentes para la
descomposición de la cementita,
para aceros de 0,17% de carbono,
con lo que se ratificó la posibilidad
termodinámica de obtener una
transformación de la austenita en
lo que se llama perlita degenerada.
Luego se hicieron ensayos a escala
piloto, obteniendo planchones de
70 mm de espesor que se laminaron
a chapa laminada en caliente,
con enfriamiento posterior a la
laminación en rangos de 20-50°C/s
(convencional) y 100-120°C/s
(ultrarrápido) hasta obtener 500°C
[24].
37
38
FIGURA 5. Imagen de precipitación
de cementita en nanoescala
alrededor de líneas de dislocación
en acero de 0,17% C
FIGURA 6. Mapas de átomos de carbono en tres dimensiones, de alambres
de aceros hipereutectoides tratados térmicamente. Las superficies de igual
concentración atómica de carbono (7% atómico) se muestran en verde.
Observación con tomografía de sonda atómica [25]
a. 250°C, 30 min
b. 300°C, 30 min
c. 350°C, 2 min
d. 350°C, 30 min
Se llegó a la conclusión que era
necesario aplicar una pequeña
deformación luego del enfriamiento
ultrarrápido, para aumentar
la densidad de dislocaciones,
favoreciendo la nucleación uniforme
de la cementita a nanoescala en toda
la microestructura (FIGURA 5).
e. 400°C, 2 min
20 nm
f. 400°C, 30 min
Alambres de alto carbono
Los alambres de acero de alto carbono
se aplican en las almas de acero
de los neumáticos de autos, en los
puentes suspendidos, en cables de
transmisión de electricidad y en
resortes, debido a su alta resistencia.
En diversas ocasiones se ha informado
la obtención de una resistencia de 5,
6 y hasta 7 GPa [25]. Por esta razón
son usados también para estudiar
las relaciones entre la estructura y
las propiedades mecánicas de las
aleaciones nanoestructuradas.
Los estudios encuentran generalmente
una descomposición de la cementita,
inducida por la deformación, con
una consecuencia particular: la
descomposición de esta fase dura no
afecta negativamente la resistencia
del material. Por el contrario, la
resistencia aumenta continuamente
con el trefilado, aunque la cementita
se disuelva. El mecanismo para esta
disolución es motivo de disputa
entre los investigadores. Mientras
C
Iso-surface
(7 at.% C)
g. 450°C, 30 min
hay quienes interpretan que la
descomposición tiene lugar durante
el trefilado, por la interacción entre
las dislocaciones y el carbono, otros
sostienen que ocurre principalmente
durante el envejecimiento a baja
temperatura, luego del trefilado.
la denominada tomografía de sonda
atómica (APT, por sus iniciales en
inglés). A título de ejemplo, en la
FIGURA 6 se presentan imágenes
obtenidas con esta técnica.
Un problema práctico es evitar que
en las operaciones de galvanizado
por inmersión en caliente o de
pasivado, se pierda resistencia debido
al efecto de la temperatura a la que
se debe someter el material durante
estos procesos. Para estudiar este
fenómeno se utilizan herramientas
de caracterización sofisticadas, como
El desarrollo de nuevos aceros con
propiedades especiales es una historia
sin fin, que ha encontrado en la
aplicación de la nanotecnología un
impulso más.
CONCLUSIONES
La obtención de tamaños de grano,
precipitados u óxidos muy pequeños,
por diversos métodos, muchos de
DOSSIER TECNOLÓGICO
EXPERIENCIAS LATINOAMERICANAS EN NANOTECNOLOGÍA APLICADA A ACEROS
En Tenaris, entre otras aplicaciones, la investigación de la nanotecnología a los tubos de acero está enfocada en
revestimientos o superficies modificadas para mejorar el flujo de fluidos (gas, agua, petróleo); alta resistencia a la
abrasión y a la corrosión, mejores propiedades tribológicas en cuplas roscadas, mejor aislación térmica para tuberías,
reemplazo de cromo en herramental y accesorios, etcétera.
Los desafíos para la nanotecnología en esta industria son enormes, ya que los requerimientos para robustez y
durabilidad en ambientes severos son una limitación seria para soluciones nano que en otras áreas han encontrado
una implementación relativamente simple. Por ejemplo, en muchos pozos de petróleo y gas los tubos están expuestos
no solo a petróleos con arena, muy abrasivos, alta temperatura y presión, sino también a muchas sustancias que los
pueden atacar. Además de la formación e inyección de agua con alto contenido de sales, que generalmente origina
corrosión, se puede encontrar sulfuro de hidrógeno y dióxido de carbono, que dan lugar a fragilidad y corrosión. El
reemplazo total o parcial de tubos causa una paralización de la producción, con las consiguientes pérdidas financieras
y riesgo de accidentes. Por esto el uso de aceros al carbono con un revestimiento que ayude a soportar la corrosión, la
abrasión, la temperatura y el impacto podría implicar una reducción de costo significativa.
Tenaris desarrolló y patentó un revestimiento para equipos de perforación, almacenamiento y transporte, incluyendo
recipientes a presión, herramientas, caños, tubos, conexiones y otras piezas, que imparte estas características, usando
materiales nanoestructurados [31].
En tanto, Gerdau investiga el diseño y fabricación de aceros con mejora de las propiedades mecánicas mediante la
adición de nanopartículas en aceros microaleados.
Se han estudiado diversas nanopartículas (TiO2, CeS, ZrO2, CeO2) para seleccionar las más adecuadas; las mejores
técnicas y condiciones de adición para obtener una buena dispersión, así como el traslado del proceso a la escala
industrial.
Un objetivo de la adición de nanopartículas a algunos grados de acero microaleados era aumentar la resistencia a
la tracción y el límite de fatiga en algunos componentes del tren de potencia automotriz como cigüeñales y bielas.
Por otra parte, se buscó aumentar la tenacidad sin perder resistencia a la tracción en componentes de la dirección
manufacturados por forja en frío. En este caso, se analiza también la influencia de las nanopartículas en la nucleación
de ferrita acicular. Mientras las primeras coladas de aceros microaleados con adición de nanopartículas se hicieron
en un horno de inducción bajo vacío con hasta 35 kg de capacidad, luego los ensayos prosiguieron produciendo un
lingote de 3 t, y en breve plazo se va a probar en una máquina de colada continua [32].
los cuales escapan a los procesos
industriales más usuales, permiten
obtener aceros con propiedades
especiales, en lo que hace a su
resistencia mecánica, dureza,
resistencia a la corrosión, a la
oxidación, a la irradiación, etcétera.
El desarrollo de estos nuevos
materiales requiere de sofisticadas
herramientas de caracterización. En
la medida que estos materiales van
alcanzando aplicaciones industriales,
amplían el espectro de utilización de
los aceros.
AGRADECIMIENTOS
Se agradece al Dr. José María
Cabrera, de la Universidad Politécnica
de Cataluña, Barcelona, España,
la revisión del manuscrito y las
numerosas sugerencias hechas. ••
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