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Ingeniería de materiales

Dureza a toda prueba

La Unicamp se une a una empresa para desarrollar un proceso destinado a dotar de mayor resistencia a las cajas de cambios

Una avanzada técnica de tratamiento de superficies metálicas está siendo desarrollada por un equipo de investigadores del Instituto de Física de la Universidad Estadual de Campinas (Unicamp) en asociación con la empresa Eaton, de la ciudad de Valinhos. El objetivo de la investigación es dotar de mayor resistencia a los componentes de la transmisión de vehículos automotores, la popularmente conocida caja de cambio. Este proceso, denominado nitruración con plasma en horno de vacío, está siendo experimentado por primera vez en el mundo en este tipo de componente, y va a permitir que la superficie de las piezas se torne más dura, y menos sujeta a la corrosión y al efecto del rozamiento, generando así mejoras de rendimiento y durabilidad.

La implementación de este proceso es financiada por la FAPESP a través del Programa Asociación para la Innovación Tecnológica (PITE, sigla en portugués). Con un valor de casi 2 millones de reales, el proyecto con una participación de un 56% de la división brasileña de la empresa Eaton Corporation, líder mundial en la fabricación de cajas de transmisión. Parte de los recursos fueron utilizados para la construcción del Laboratorio de Implante Iónico y Tratamiento de Superficies (Liits), inaugurado en agosto en la Unicamp. Toda la estructura de los equipos -el horno con cámara de vacío, el panel de control de temperatura, la fuente de tensión para la generación del plasma y el stock de gases- fue proyectada por los investigadores y construida en el país. El laboratorio constituye una planta de investigación y desarrollo con un alto nivel de sofisticación, y cuenta con avanzadas técnicas de análisis y caracterización.

La novedad de las investigaciones del grupo de la Unicamp, coordinadas por los físicos Daniel Wisnivesky y Fernando Alvarez, reside en la utilización de los hornos de plasma para la nitruración de metales, un avance con relación al proceso termoquímico utilizado por la industria metalmecánica para alterar las propiedades de dureza superficial, corrosión y resistencia térmica de los materiales. Los métodos convencionales más empleados en Brasil recurren a los baños de sal o la nitruración gaseosa.

Nitrurar un metal significa incorporarle a éste iones de nitrógeno en su superficie. Esos iones son posteriormente difundidos térmicamente en el metal, penetrando alrededor de 0,5 milímetro en el interior de la pieza, formando nitruros, elementos que le otorgan una mayor dureza superficial. Mediante el proceso realizado con plasma -un gas ionizado que contiene electrones, iones y átomos neutros- las piezas de metal son depositadas dentro de un horno de vacío para su tratamiento, a una presión de entre 1 y 10 milibares, es decir, entre mil y cien veces menor que la presión atmosférica al nivel del mar.

Menor temperatura
“La nitruración con plasma presenta una serie de ventajas con relación a las tecnologías tradicionales”, dice Wisnivesky. “La principal es que genera una deformación mínima de las piezas, debido a la menor temperatura requerida para efectuar el proceso: alrededor de 500° Celsius, y por el hecho de que éste se realiza en un horno de vacío”, explica. En los procesos tradicionales, la pieza es sometida a temperaturas superiores a los 900° C, lo que genera deformaciones. Esto exige que, una vez realizado el tratamiento superficial, la pieza sea mecanizada nuevamente, lo que encarece el proceso y lo vuelve más demorado.

La nueva tecnología también es más económica, ya que consume menos energía. Y genera también beneficios ambientales, al utilizar métodos limpios y no contaminantes. “Utilizamos una reducida cantidad de gases no tóxicos (nitrógeno e hidrógeno), mientras que los procesos convencionales utilizan sales y gases tóxicos”, dice Alvarez. Asimismo, mientras la nitruración gaseosa produce en la superficie del metal una capa compuesta y de características quebradizas, denominada “capa blanca”, la nitruración con plasma genera una cobertura densa, no porosa y muy dura.

Al margen de su aplicación en piezas y componentes de la industria automotriz, tales como válvulas, engranajes y pistones, la nitruración con plasma puede emplearse también en forjas, siderúrgicas e industrias mecánicas e hidráulicas para el tratamiento de herramientas y el mecanizado de metales, moldes de inyección de plásticos, prótesis y moldes de aluminio. Actualmente, esta técnica es utilizada en el tratamiento de aceros al carbono, metales ferrosos, aleaciones, refractarios y, más recientemente, comenzó a usarse también en superficies de aluminio.

Una de las ventajas de la nitruración iónica es el control del proceso por computadora, que permite el tratamiento de la superficie de manera controlada y uniforme en toda la pieza. Por tal motivo, es también posible reproducir la operación varias veces en diferentes componentes, con un mismo nivel de eficiencia. “Al final del tratamiento, la pieza adquiere una resistencia hasta cuatro veces mayor, dependiendo del material”, dice Alvarez.

Para Eaton, la asociación con la Unicamp es altamente ventajosa. “Ellos tienen know-how en el área de nitruración por plasma y están capacitados para caracterizar la estructura del material una vez terminado el proceso”, afirma el ingeniero de materiales Antônio Carlos Zambon, gerente del sector de tratamientos térmicos de la fábrica de Eaton. Según Zambon, si se comprueba que el proceso es eficiente en su aspecto técnico y viable desde el punto de vista económico, la empresa estudiará la construcción de una planta industrial para realizar la nitruración por plasma. Eaton abastece con sus cajas de transmisión a las principales ensambladoras de automóviles instaladas en Brasil, y facturó 200 millones de dólares en el país el año pasado. En el ámbito mundial, los ingresos de la empresa llegaron a 7.300 millones de dólares en dicho período.

Una técnica en alza
La nitruración con plasma es una tecnología relativamente reciente, empleada a escala industrial desde hace poco más de 15 años. “En Brasil, esta técnica es poco conocida. Solamente existen dos o tres industrias que la utilizan, y aun así con equipamientos importados”, dice el físico Wisnivesky. “Estimamos que existen unas 3 mil instalaciones industriales que utilizan este proceso en todo el mundo. Alemania, Francia, Japón, Estados Unidos y Canadá son los países más avanzados en el área”, afirma Alvarez. Al final de los años 90, no pasaban de 1.500 empresas; esto brinda una medida de la evolución del uso de esta tecnología.

Otro dato que muestra la importancia del tratamiento superficial por plasma es el aumento registrado en los últimos años en el número de trabajos de investigación científica y de desarrollo sobre el tema. Entre 1995 y 1999, se publicaron en periódicos internacionales 160 trabajos al respecto de la nitruración por plasma. Solamente en Francia, por ejemplo, esos estudios corresponden al 21% del total de trabajos en el área de tratamientos de superficie. El equipo de la Unicamp ya ha publicado dos trabajos en periódicos internacionales sobre el tema y ha presentado otros dos en congresos internacionales. Con el nuevo laboratorio, estos números y la colaboración con otras industrias crecerán.

El Proyecto
Aplicaciones Industriales de Métodos de Nitrutación con Hornos de Plasma e Implante Iónico para el Tratamiento de Acero Utilizados en Sistemas de Transmisión Automotriz  (nº 00/04706-5); Modalidad Asociación para la Innovación Tecnológica (PITE); Coordinador Daniel Wisnivesky – Unicamp; Inversión R$ 1.133.000,00 y US$ 40.000,00 (Eaton) y R$ 488.300,00 y US$ 155.120,70 (FAPESP)

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