Importancia de los elementos de aleación sobre la resistencia a la corrosión de los aceros inoxidables.
El cromo es el elemento básico en la pasivación de los aceros inoxidables y, al aumentar el porcentaje de cromo en una aleación, aumenta la resistencia a la corrosión de la misma. Un contenido mínimo del 10% es exigido para alcanzar la necesaria pasividad que es ,por asì decir, completa con 20% a 30% de cromo.
El siguiente gráfico muestra la pasividad de los acero al cromo expuestos durante 10 años a una atmósfera industrial.
Esta resistencia es específicamente desarrollada en los medios oxidantes. Las substancias fuertemente reductoras, como los ácidos clorhídrico y fluorhídrico destruyen la pasividad y corroen los aceros inoxidables. La presencia de iones negativos de cloro en solución es el factor más activo en la destrucción de los aceros al cromo.
El elemento que sigue en importancia es el níquel. En las aleaciones que han sido tratadas adecuadamente, el níquel aumenta la resistencia de los aceros inoxidable al ataque de los ácidos reductores o de los ácidos de bajo efecto oxidante. Además el níquel mejora ciertas propiedades mecánicas de los aceros inoxidables, disminuye la tendencia a endurecerse con el trabajo en frío y hace que sea posible soldarlos. Aceros inoxidables con níquel no son un buen material para cuchillería, pues tienen baja dureza, lo cual no permite mantener el filo de las hojas.
El molibdeno hace que la pasividad adquirida por la adición de cromo sea efectiva en casos donde el cromo solo no es suficiente, como por ejemplo para impartir resistencia al acero contra el ataque de los ácidos sulfúrico y sulfuroso, de las soluciones neutras de cloro (corrosión por cloruros) y del agua de mar.
MÉTODO DE FABRICACIÓN DE CUCHILLO
Para el caso de un cuchillo se pueden usar diferentes composiciones en el acero inoxidable martensítico de su hoja, puede ser tipo AISI 420 A, 420 B, 410, 414, 440 B, etc. Cada uno aporta diferentes características y posee diferentes composiciones químicas, distintas temperaturas para tratamientos térmicos y distintos grados de maquinabilidad.
Un acero muy común utilizado es el AISI 420, por lo que se usará para explicar el proceso de fabricación. Este es el acero que conforma la hoja del cuchillo Tramontana de la figura siguiente.
Composición química acero tipo AISI 420:
Carbono 0,25% a 0,35%
Cromo 12% a 14%
Manganeso 1% máximo
Silicio 1% máximo
La primera etapa consiste en el tratamiento térmico en hornos para tratamiento térmico.
Los aceros inoxidables pueden ser tratados en hornos eléctricos a resistencia o por inducción, en hornos a gas o a combustibles líquidos, o en baños de sal. En todos los casos es necesario un control exacto de las temperaturas.
La atmósfera del horno puede afectar considerablemente a las piezas tratadas. Las atmósferas reductoras producen depósitos de orín en la superficie del acero, difíciles de eliminar por cualquiera de los procesos de decapado. Tampoco es aconsejable calentar las piezas en cajas con materiales que producen la carburización del material, o en atmósferas que proporcionen el mismo efecto, puesto que los aceros inoxidables se carburizan fácilmente a las altas temperaturas del tratamiento térmico. La carburización disminuye la resistencia a la corrosión de todos los aceros inoxidables, sobre todo los austeníticos (contienen niquel).
Las atmósferas oxidantes producen depósitos de óxido en la superfiecie de la pieza, sin embargo es sencilla su eliminación por decapado. Por lo tanto como es dificil lograr una atmósfera completamente neutra, es preferible que sea ligeramente oxidante.
Es muy importante evitar que la llama pegue en la superficie de la pieza, pues produce la descarburización.
Los baños de sales dan en general buenos resultados, por cuanto la capa de óxido que se forma en la superficie es fina y se puede eliminar con facilidad.
Tratamiento térmico en los aceros martensíticos.
TEMPLE
Las hojas de acero martensítico tipo 420 son calentadas hasta unos 975 ºC a 1050 ºC por unos minutos para luego ser templadas, enfriadas muy rápidamente en aire o aceite caliente.
Las piezas pueden ser llevadas rápidamente a la temperatura de temple en el caso de los cuchillos, pues sus dimensiones son pequeñas y de pequeño espesor alrededor de 1 mm. El tiempo en que las piezas estén sometidas a la temperatura del horno, debe ser suficiente para permitir que las piezas adquieran dicha temperatura uniformemente en toda la masa y toda la estructura pase a ser austenita, debiendo cuidar, sin embrago, no dejarlas más de lo necesario, puesto que se produciría la descarburización del acero. Durante el austenizado el tamaño del grano puede cambiar debido a consideraciones térmicas. Para hojas de chuchillo o herramientas de corte es preferible una estructura de grano fino porque aumenta la retención del filo y mejora el acabado final de la hoja.
El tiempo adecuado para cada caso es determinado solamente por la práctica, mas a título indicativo se pude considerar una hora para cada 25 mm del espesor mayor de la pieza, por lo tanto en el caso de cuchillos esta temperatura será rápidamente alcanzada.
Cuando las piezas son livianas el temple en aceite puede desformarlas por lo cual se recomienda enfriarlas con aire.
El acero enfriado rápidamente aumenta al máximo la dureza del mismo, por lo que resulta quebradizo. Por lo tanto procederemos a dar un revenido a fin de distender sus moléculas y quitar dureza al acero inoxidable según la condición final de dureza que se quiere obtener, las temperaturas de revenido están comprendidas entre 150°C y 375°C. Cuanto más alta es la tempertarura de revenido, tanto mayor es la ductilidad del acero y menor su resistencia a la tracción y a la corrosión. La velocidad de enfriamiento no tiene importancia.
El gráfico número 2 muestra el efecto del revenido sobre la resistencia al ataque en solución normal de ácido nítrico de acero inoxidable martensítico tipo cuchillería. El gráfico muestra como la pérdida en peso por el ataque por parte del ácido diluido aumenta en varios aceros templados de temperaturas diferentes cuando son revenidos a diferentes temperaturas durante una hora. La mejoría gradual de la resistencia a la corrosión en función de la temperatura de temple es evidente. El estudio fue realizado en acero con 17,4 % de cromo y 0,077 % de carbono. La explicación aparente del fenómeno es la siguiente: la martensita, siendo una solución muy sobresaturada de carbono, sufre una precipitación de carburo, cuando el acero fuera recalentado después del temple; ese carbono es muy rico en cromo. El acero, que exige que todo el cromo quede en solución, perderá, en consecuencia, resistencia a la corrosión. El revenido deberá por lo tanto, ser aplicado con riguroso control. El gráfico de la figura muestra en resumen, dos hechos importantes.
- Mayores temperaturas de temple mejoran la resistencia a la corrosión del acero
- A medida que aumenta la temperatura de revenido, la resistencia a la corrosión. disminuye, debido a la mencionada precipitación de carburos ricos en cromo de la matensita
2) -Después viene el mecanizado de la hoja para conseguir una hoja cónica con un filo fino, este proceso se realiza con una muela de afilar.
Los acero martensíticos a veces presentan dificultad en el esmerilado por su tendencia a pegar. La superficie de la muela tiende a cargarse con partículas de metal, rayando la superficie del acero. Por esta razón se requiere más tiempo para obtener un acabado satisfactorio. Las muelas deben ser rectificadas con frecuencia para obtener buenos resultados.
Durante el afilado la hoja debe ser refrigerada con agua para evitar que el acero se caliente en exceso, y así evitar que se altere la estructura del material que hemos conseguido con el temple y el revenido.
3) Agujereado
Deberán hacerse las perforaciones para luego colocar los remaches que sujetarán firmemente el mango al cuchillo.
Los agujeros pueden ser taladrados o punzonados, recomendándose la primer operación. En el caso de punzonar los agujeros, los mismos deben ser escariados para eliminar la zona de material deformado, o que se encuentra bajo tensión.
4) Esmerilado y pulido Condición de la superficie: La probabilidad de corrosión es disminuida por la presencia de superficies suaves, ausencia de defectos superficiales, ausencia de cáscara de óxido y otras sustancias extrañas. Generalmente una superficie muy pulida presenta mayor resistencia a la corrosión, ya que las superficies groseras tienen mayor tendencia a acumular polvos, sales y humedad que pueden provocar ataque corrosivo local.
Las operaciones de esmerilado y pulido emplean abrasivos par eliminar las asperezas de la superficie del metal. Se entiende por esmerilado una operación de desbastado en la que se emplean abrasivos de grano grueso o mediano, con o sin lubricantes líquidos, mientras que en el pulido se emplean abrasivos de grano fino con lubricantes pastosos. El pulido puede dividirse en poco brillo y mucho brillo.
Tanto en el esmerilado como en el pulido es necesario tener mucho cuidado. La tenacidad de los aceros inoxidables es apreciable, presentando mayor propensión a pegar que el acero al carbono, lo que hace que las muelas de afilar o pulir se desgasten relativamente mucho. La escasa conductibilidad calórico implica, además, que haya de tenerse mayor cuidado en la operación para que la superficie no reciba temperatura demasiado elevada, produciéndose manchas de revenido las cuales son difíciles de quietar y disminuyen la resistencia a la corrosión de todos los grados de aceros inoxidables.
A cada nueva etapa, ya sea en el esmerilado o en el pulido, es aconsejable cambiar el sentido de formación de las rayas, para cruzar las rayas de la operación anterior. De este modo se obtiene el mejor rebajado y es relativamente fácil apreciar si han podido quitarse las rayas hechas por la muela anterior.
5) Remachado del mango a la hoja
Es muy importante evitar el empleo de remaches de acero al carbono para chapas de acero inoxidable, puesto que los mismos contaminarán al acero inoxidable.
Los aceros martensíticos pueden ser remachados en frío cuando el diámetro de los remachas no pasa de 5 mm. Los remaches de mayor diámetro se pueden aplicar en caliente a temperatura máxima de 730 ºC-760 ºC
ENSAYOS
Estudio de la estructura
Los pasos a seguir para poder ver la micrografía son los siguientes.
1) Corte de la hoja para obtener una pequeña parte, de dimensiones razonables, hasta aproximadamente 1,7 cm.
Durante el corte es importante que la pieza sea enfriada para que no modifique su estructura en la zona de corte, que tenderán a calentarse. Será suficiente con agua que bañe la región de corte durante el proceso
2) Con la pequeña muestra cortada, se la incorpora en un trozo de baquelita, lo cual permitirá que la muestra sea manipulada, pues no debe tener huellas digitales ni ningún otro contaminante que perjudique la observación en el microscopio.
Se toma la muestra y baquelita en polvo y se las coloca en una máquina. Un taco calentado aplica suficiente calor y presión para ablandar el polímero termorrígido y llenar la cavidad cilíndrica del molde. Esto permite que las cadenas del polímero se entrecrucen rápidamente y el plástico se endurece tomando su forma permanente, pudiendo ser retirado del molde.
3)Lijado.
Es necesario obtener una superficie homogénea de la muestra y gracias a la sujeción de la baquelita podemos tomar la muestra y lijarla en sucesivas lijas, cada vez más finas hasta obtener una superficie lisa, este proceso se llama desbaste.
Se lija la pieza en una misma dirección por cada lija, y antes de pasar a la siguiente se la lava con agua.
El lavado es para quitar todo resto del lijado anterior, que ocasionaría rayas en los lijados más finos consecutivos.
En cada nueva etapa se debe cambiar el sentido de formación de rayas del lijado en 90º, para cruzar las rayas de la operación anterior. De este modo se obtienen el mejor rebajado y es relativamente fácil apreciar si han podido quitarse las rayas hechas anteriormente.
Con cuatro lijas y los siguientes valores de abrasión 220, 360, 400 y 600 es suficiente.
4) El Pulido es la siguiente operación, y consiste en pulir la pieza con un paño el cuál como abrasivo contiene polvo de diamante y lubricante. La pieza debe ser pulida hasta obtener una apariencia especular.
Luego es lavada con alcohol y un poco de algodón. Se seca con aire caliente, para evitar tocar la muestra y acelerar el proceso.
Se debe hacer una vista en microscopio metalográfico para verificar si hay rayas y en ese caso se debe seguir puliendo para reducirlas al máximo.
5) Para poder observar los bordes de grano de la pieza el acero inoxidable puede ser atacado con vilela, sustancia química que contiene ácido prícrico, ácido clorhídrico y alcohol etílico. Ésta atacará los bordes de grano revelando la micrografía de la pieza.
En el presente trabajo se ensayo la hoja de un cuchillo Tramontina de cocina.
Mediante la comparación con micrografías que efectivamente se conocía su composición se concluyó que es del tipo AISI 420.
Para averiguar qué aleación exactamente dio origen a la hoja es necesario hacer ensayos químicos más elaborados.
La micrografía obtenida es la siguiente
En ella se puede observar una estructura martensítica (regiones oscuras) que le otorga la dureza y conforma la matriz y regiones más claras que son ferríticas las cuales le otorgan flexibilidad a la hoja.
Ensayo de dureza.
Se decidió realizar el ensayo por el método de Rockwell escala C pues al ser un acero inoxidable, se sabe de antemano que posee gran dureza y si se usaran métodos con bolilla, ésta podría deformarse y perdería exactitud la medición.
El método Rockwell C utiliza un penetrador cónico de diamante de 120 º pues tiene gran resistencia a deformarse.
La superficie a ensayar debe estar tan exenta como sea posible de defectos superficiales. Es suficiente con desbastar mediante un papel esmeril fino.
El espesor de la pieza que se ensaya debe ser tal que, al aplicar la carga normal, sea solo su material el que se deforme, no llegando los efectos a la cara de la probeta que se apoya sobre el soporte de la máquina de ensayo. En el caso del acero inoxidable esto se puede constatar al ver la luz reflejada por la pieza en el lado opuesto de contacto con el penetrador, si esta tiene una trayectoria modificada respecto a la que daría una pieza plana, indicará que los efectos llegaron a la cara opuesta.
Esto es importante en la hoja de un cuchillo pues generalmente son delgadas.
El método Rockwell C es de lectura directa. Se realizó una precarga de 10 kgf y luego se agregaron 140 kgf, totalizando 150 kgf. Luego se quitaron los 140 kgf y en función de la penetración lograda se indico la dureza obtenida.
Se hicieron tres ensayos, cuyos valores fueron 49 HRC, 47 HRC y 49 HRC y con ellos se calculó el valor promedio de 48.3 HRC.
Autor:
Postma Gonzalo,
estudiante de ingeniería industrial
Argentina, provincia de Sante Fe, ciudad de Rosario
Año de publicación 2007
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