EDUARDO CESARMotor eléctrico: acero más eficiente para evitar la disipación de energíaEDUARDO CESAR
La composición de los aceros cuenta ahora con innovaciones que lo va a hacer más eficiente. Las novedades tecnológicas que están surgiendo en el ámbito de la tradicional familia siderúrgica, que es fundamental para la fabricación de una amplia gama de productos industriales – desde cuchillos y tenedores hasta motores y prótesis óseas -, salen en el marco de un extenso estudio llevado a cabo por un grupo de investigadores paulistas abocado a la investigación y el perfeccionamiento de la microestructura y las propiedades de estos materiales.
Este equipo, integrado por investigadores de la Escuela Politécnica de la Universidad de São Paulo (Poli-USP), del Instituto de Investigaciones Tecnológicas del Estado de São Paulo (IPT) y del Instituto de Investigaciones Energéticas y Nucleares (Ipen, sigla en portugués), ha logrado elaborar en laboratorio aceros inoxidables entre 15 y 20 veces más resistentes a la cavitación (el surgimiento de pequeños orificios en la superficie del material) que los actuales, por ejemplo.
También ha desarrollado chapas más finas y más adecuadas al proceso de estampado (la conformación, por medio del prensado, para la obtención de carrocerías de automóviles, electrodomésticos etc.), al margen de aceros eléctricos más eficaces, apropiados para su uso en motores de heladeras, en aparatos de aire acondicionado y en los transformadores de televisores y computadoras. “Nosotros mejoramos la calidad de esos aceros, modificando su textura cristalográfica (la distribución de las orientaciones de los granos que forman la microestructura del material) de manera tal de mejorar sus propiedades mecánicas, eléctricas, magnéticas y de resistencia al desgaste y a la corrosión”, explica el ingeniero de materiales Angelo Fernando Padilha, de la Poli-USP, coordinador del estudio que es financiado por la FAPESP por medio de un proyecto temático iniciado en mayo de 2000.
Uno de los principales avances obtenidos por el equipo se relaciona con los aceros inoxidables, un grupo de aleaciones de hierro y cromo con una producción mundial de 12 millones de toneladas anuales. Estos aceros tienen como principal característica su resistencia a los agentes corrosivos y oxidantes, y son utilizados en los utensilios domésticos, en equipamientos hospitalarios e incluso en turbinas de centrales hidroeléctricas. Los estudios sirvieron para plantear soluciones para el combate contra la cavitación, un desgaste común en los aceros inoxidables, y especialmente nocivo en equipamientos que operan sumergidos y que sufren grandes variaciones de presión en ese ambiente, tales como las hélices de los barcos y las turbinas de las centrales hidroeléctricas. “Para evitar este problema, desarrollamos un acero inoxidable especial con una determinada cantidad de nitrógeno – entre 0,5 y 0,6% de la masa – en la superficie del metal. Con la adición de nitrógeno, el metal se vuelve más duro y altamente resistente a la cavitación”, afirma el ingeniero André Paulo Tschiptschin, de la Poli-USP, quien coordina esta línea de investigación.
Para absorber el nitrógeno, la pieza de acero es colocada en un reactor a alta temperatura, superior a 1.000º Celsius, donde existe una atmósfera gaseosa de nitrógeno que penetra en la estructura cristalina del material. “En pruebas de laboratorio, estos nuevos aceros se muestran entre 8 y 25 veces más durables que los actuales. Estamos preparando una patente referente al uso de esta nueva aleación en turbinas sometidas a grandes variaciones de presión de agua”, dice el investigador. De acuerdo con Tschiptschin, los estudios han comprobado que la textura del material es muy importante para elevar la resistencia a la cavitación. “Por eso también estamos alterando la distribución de las orientaciones de los granos de la superficie del metal, intentando crear texturas más eficientes. Observamos que la cavitación se da preferentemente en ciertos tipos de contornos de grano y por eso nos valimos de una estrategia tendiente a procesar el material evitando esas formaciones.”
Aceros biocompatibles
El grupo también trabaja en la mejora de los aceros inoxidables con miras a su utilización en la fabricación de prótesis óseas permanentes. Este material es usado hoy en día únicamente en prótesis temporales, tales como pernos, placas y tornillos. Su uso en prótesis permanentes, como las de la cadera, no es recomendable, pues no son suficientemente biocompatibles ni resistentes a algunos tipos de corrosión. Los materiales más empleados en prótesis permanentes son las aleaciones de titanio y de cromo-cobalto-molibdeno, que tienen la desventaja de ser caras. En Brasil cuestan alrededor de 4,5 mil dólares, mientras que las de acero inoxidable salen por 600 dólares.
“Estamos investigando una manera de mejorar las prótesis de acero inoxidable adicionando altos tenores de nitrógeno, en un rango del 0,2% al 1,2% de su masa”, comenta Tschiptschin. “Con ello los problemas de biocompatibilidad y de corrosión se reducen considerablemente. Ya hemos mejorado la composición química de las prótesis e hicimos todos los ensayos especificados en las normas para su aceptación. Ahora estamos mejorando la textura del acero, porque el deterioro del material también está ligado a ello”, dice el investigador.
Siguiendo en el ámbito de los aceros inoxidables, el grupo ha avanzado en el estudio de los aceros ferríticos austeníticos, también denominados dúplex. Creado en la década de 1970, este material es muy utilizado en ambientes que exigen alta resistencia a la corrosión, tales como centrífugas para la producción de jabones en la industria química y bombas hidráulicas que trabajan en la industria petrolera y en minería, en contacto con medios barrosos. “Entre otros aspectos, estudiamos las relaciones de orientación entre las dos fases (ferrítica y austenítica) de estos aceros. Cuando este material debe ser conformado (o, lo que es lo mismo, estampado) para que adquiera su forma final, la textura es un factor fundamental en el comportamiento del estampado. Por eso debemos seleccionar los procesos termomecánicos que inducirán la textura adecuada para la conformación del material”, explica el físico Nelson Batista de Lima, del Laboratorio de Difracción de Rayos X del Ipen.
Motores eléctricos
Más allá de los avances en el área de inoxidables, los investigadores han efectuado progresos en el perfeccionamiento de las características de los aceros eléctricos al silicio, utilizados en motores eléctricos y transformadores de diversos aparatos electrónicos. Estos aceros, que contienen en su composición alrededor de un 2% de silicio, tienen un papel crucial en la matriz energética mundial, pues aproximadamente el 50% de la energía eléctrica producida es consumida por los motores eléctricos. “Nuestro trabajo tiene un único objetivo: el desarrollo de aceros con fines electromagnéticos que tengan una menor disipación de energía cuando están en actividad. Esto significa que es necesario reducir el calentamiento de esos motores”, explica el ingeniero metalúrgico Fernando Landgraf, investigador del IPT y uno de los subcoordinadores del proyecto.
La función del acero en un motor eléctrico consiste en amplificar el campo magnético. De esta forma se incrementan las fuerzas de magnetización y, consecuentemente, la potencia del motor. Como el motor es magnetizado y desmagnetizado 60 veces por segundo, el acero se calienta y la energía se disipa. Éste es un efecto colateral indeseable del funcionamiento de los motores eléctricos, llamado pérdida histerética.
“Que debe reducirse. Nuestro gran desafío es producir aceros de mejor calidad y de esta forma reducir este tipo de pérdida”, dice el investigador.La calidad de los aceros eléctricos, a su vez, se relaciona con cinco factores: el tamaño medio de los cristales que componen la aleación, el número de defectos cristalinos, el número y el tamaño de microcristales de impurezas (a lo que se denomina inclusiones) y la textura cristalográfica, es decir, la orientación de los cristales en el espacio. “Los fabricantes de aceros tienen buenas recetas para controlar las tres primeras variables y reducir las pérdidas histeréticas. El problema radica entonces en controlar la textura”, dice Landgraf. “Al menos 30 grupos mundiales intentan descubrir un método que permita elaborar la textura ideal para minimizar estas pérdidas.”
En un acero de textura perfecta, los cristales en forma de cubo deben estar distribuidos de manera tal que todos tengan una de sus facetas paralela a la superficie de la chapa. Asimismo, deben estar dispersos al azar, de manera tal que al aplicárseles un campo magnético en cualquier dirección siempre se dé la prevalencia de una gran cantidad de cristales con una arista paralela a la dirección de ese campo. “Estamos en procura de ese sueño por dos caminos diferentes: uno basado en una nueva tecnología de fabricación de acero llamada colada continua de tiras, y otro mediante la utilización de la tecnología convencional de colada continua”, comenta Landgraf.
De acuerdo con el investigador del IPT, el nuevo método presenta un gran ventaja económica, porque con el acero líquido es posible producir chapas de 2 milímetros (mm) de espesor, en comparación con los 250 mm del proceso tradicional. Las chapas para la fabricación de aceros eléctricos deben tener 0,5 milímetro de espesor. “La nueva tecnología suministra una gran economía de recursos en el proceso de laminación. Además produce aceros eléctricos con la textura ideal. Lo que ocurre es que, cuando el acero pasa por una nueva laminación para reducir su espesor de 2 milímetros a 0,5 milímetro, su textura, que antes era perfecta, sufre una drástica deterioración”, afirma Landgraf. “Nuestros esfuerzos se orientan entonces a recuperar la textura ideal, igual a la existente al final del proceso de colada continua de tiras, controlando la laminación y el calentamiento.”
La buena noticia es que el grupo del IPT logró hace un año resultados alentadores. “Tras mucho investigar, logramos que un 20% de los cristales quede con la cara del cubo paralela a la superficie. En el transcurso de 2003, repetimos el proceso y lo confirmamos cuatro veces. Fue un descubrimiento importante, que tendrá impacto a nivel mundial. Para ello estamos en este momento finalizando el depósito de la patente de esta nueva técnica”, comenta el investigador. Para tener una noción del avance que esto representa, basta con saber que los aceros eléctricos producidos hoy en día tienen tan solo un 5% de los cristales orientado adecuadamente.
Con el ordenamiento del 20% de los granos, los investigadores redujeron un 20% las pérdidas ocasionadas por la disipación de energía. Así los motores incrementan su eficiencia en un 3%.El otro camino que recorrió el equipo consiste en el perfeccionamiento del proceso convencional de colada continua. Mediante este proceso, el acero es laminado en caliente hasta alcanzar los 2 milímetros de espesor. Luego pasa por una laminación en frío que lo lleva a 0,54 milímetro. En una etapa posterior, el acero es recalentado y nuevamente laminado en frío para alcanzar el espesor ideal, de 0,5 milímetro. Luego es recalentado de nuevo para aumentar el tamaño de los cristales, eliminar algunos defectos y desarrollar la textura. “Con esta tecnología estudiamos las alteraciones tendientes a que al final del procesamiento del acero exista un mayor número de cristales ordenados de la manera ideal”, explica el investigador.
Aceros al carbono
Otra línea de investigación del proyecto tiene que ver con la mejora del desempeño de los aceros de ultrabajo carbono (con un porcentaje de carbono menor a 0,005) también utilizado en procesos de estampa. Estos aceros están constituidos casi en su totalidad de hierro, pues la concentración de carbono es muy reducida. Se emplean en la fabricación de chapas de hierro eléctrico, tapas de grill, cerraduras, bisagras, guardabarros, carrocerías de automóviles, etc. La obtención de una textura más avanzada que la actual es importante, pues ocasionará menos pérdidas en la producción y un mejor aprovechamiento del material. Las informaciones producidas por el grupo están siendo transferidas a la relaminadora Brasmetal-Waelzholz, una joint-venture integrada en un 51% por el grupo brasileño Vidigal y en un 49% por la matriz alemana. La empresa, instalada en Diadema (São Paulo), realiza trabajos desde hace más de diez años en sociedad con la Poli-USP.
“Gracias a estos estudios hemos logrado mejorar el proceso de fabricación de algunos de nuestros productos, como chapas de hierro eléctrico y carcazas de filtros de aire y de aceite de automóviles, elevando considerablemente el índice de aciertos. La producción de estos materiales es compleja, pues su conformación, es decir, su moldeo, es muy difícil, lo que perjudica la concreción de la estampa. Con los conocimientos generados por el proyecto, el índice de aciertos ahora es del 100%”, afirma el ingeniero metalúrgico Antenor Ferreira Filho, director industrial de Brasmetal-Waelzholz.
La empresa no divulga cuál era dicho índice acierto anteriormente y no ha contabilizado las ganancias económicas provenientes del uso del proceso optimizado. De acuerdo con Ferreira Filho, la optimización del proceso solamente fue posible en función de la mejor comprensión de los aspectos atinentes a la textura de los aceros de bajo contenido de carbono. Para ello, los investigadores contaron con el auxilio de modernos equipos, como es el caso del microscopio electrónico de barrido instalado en las Escuela Politécnica, que permite la ejecución de análisis de microtextura por medio de una sofisticada técnica llamada difracción de electrones retroesparcidos (Electron Back Scattered Diffraction – EBSD).
El cuarto objeto de estudio del grupo son los aluminuros de hierro formados entre átomos que corresponden a aleaciones de hierro y aluminio que presentan una composición química bien definida y poseen como característica el hecho de ser duros y frágiles al mismo tiempo. “Los materiales elaborados a base de estos compuestos reciben el nombre de materiales intermetálicos ordenados”, define el físico Cláudio Geraldo Schön, de la Escuela Politécnica de la USP, que también integra el proyecto temático.
Nuevos compuestos
Las investigaciones volcadas al desarrollo de estos compuestos ha avanzado en varias partes del mundo, pues los materiales intermetálicos elaborados con aluminuros de hierro, de níquel y de titanio reúnen una serie de ventajas cuando se los usa para aplicaciones estructurales, como las aspas de las turbinas para la generación de energía termoeléctrica. “Como los aluminuros de hierro tienen tenores elevados de aluminio, son más livianos que los aceros, y su resistencia a la corrosión y a la oxidación es muy alta. Asimismo, estos materiales se caracterizan por tener una estructura ordenada, lo que los dota de una gran estabilidad estructural, y consecuentemente muestran una buena resistencia mecánica a las altas temperaturas”, explica Schön.
El problema aún no resuelto por los investigadores es la fragilidad mecánica de este compuesto a temperatura ambiente, producto de la introducción de una gran cantidad de aluminio. “Estos nuevos materiales tienen una baja resistencia a los impactos y pierden maleabilidad. Mientras en los ensayos de tracción el acero puede estirarse hasta un 40% de su tamaño original, los compuestos intermetálicos llegan solamente al 4%”, comenta el investigador de la Escuela Politécnica. Para controlar esta limitación, pueden adoptarse dos tipos de abordaje. El primero, basada en una ruta química, prevé la adición de cromo y boro (entre otros elementos) en la aleación para aumentar su ductilidad, es decir, su capacidad de deformarse sin romperse. El segundo camino consiste en someterlo a un procesamiento termomecánico, una laminación controlada. Los investigadores creen que el aumento de la ductilidad tendría alguna correlación con una textura especial desarrollada durante la laminación.
Un grupo de científicos de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Beijing, China, logró mediante la adopción de este método incrementar el alargamiento a un 17%. El equipo coordinado por Schön está investigando las causas de este fenómeno. “Nuestro grupo de investigación trabaja en la caracterización de estas texturas durante todas las etapas del procesamiento termomecánico, para permitir la comprensión de los mecanismos que generan la mejora de las propiedades de los aluminuros de hierro”, afirma Schön. “Nosotros hacemos investigación básica, pero existe un gran potencial para la aplicación tecnológica en el mediano plazo; en la industria automotriz, por ejemplo, en la fabricación de piezas de motores de combustión interna que trabajan en contacto con gases de extracción a altas temperaturas”, dice el investigador.
Un taller de peso
El éxito de este proyecto, que ha redundado en la publicación de un libro y de un CD referentes a la textura cristalográfica, puede medirse de acuerdo con la producción científica del grupo, que incluye la publicación de 35 artículos en periódicos extranjeros, la divulgación de 71 trabajos en anales de eventos nacionales e internacionales y la producción de nueve tesinas de maestría y tres tesis doctorales. Durante casi cuatro años de trabajo, participaron en el proyecto alrededor de 60 personas, entre investigadores, alumnos de posgrado y de iniciación científica y técnicos de nivel medio y superior, al margen de los coordinadores y otros siete subcoordinadores del proyecto temático. “Al menos diez jóvenes investigadores fueron capacitados y recibieron sólidos conocimientos e independencia para llevar adelante investigaciones en cristalografía y textura, una área conocida como Ingeniería de Contornos de Granos”, afirma el ingeniero Angelo Padilha.
Asimismo, el equipo que coordina el proyecto temático organizó a comienzos de diciembre el 2º Taller sobre Textura y Relaciones de Orientación, realizado en el Ipen, que contó con la asistencia de más de cien participantes, entre investigadores de los principales grupos de investigación del área e ingenieros de empresas productoras y procesadoras de materiales metálicos planos, donde el control de la textura es particularmente importante. “No cualquier país puede reunir a más de cien personas interesadas en discutir temas tan elaborados técnicamente”, concluye el investigador.
El Proyecto
Optimización de la Microestructura, la Microtextura y la Mesotextura en Materiales Ferrosos Avanzados
Modalidad
Proyecto Temático
Coordinador
Angelo Fernando Padilha – USP
Inversión
R$ 345.075,08 y US$ 447.946,00
