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Journal of Materials Education University of North [email protected] ISSN (Versión impresa): 0738-7989MÉXICO

2004 Tooru Matsumiya

LA INVESTIGACIÓN DE MATERIALES DESDE LA PERSPECTIVA DE LA INDUSTRIA

Journal of Materials Education, año/vol. 26, número 1-2 Universidad Autónoma del Estado de México: University of North Texas

Toluca, México pp. 13-22

mailto:[email protected]

http://www.redalyc.org/

Journal of Materials Education Vol. 26 (1-2): 13-22 (2004)

LA INVESTIGACIÓN DE MATERIALES DESDE LA PERSPECTIVA DE LA INDUSTRIA Tooru Matsumiya Technology Development Bureau, Nippon Steel Corporation, 20-1 Shintomi, Futtsu-city, Chiba-prefecture 293-8511, Japan; [email protected] RESUMEN La investigación de materiales desde la perspectiva de la industria es dada por el punto de vista del investigador productor de acero en la industria del acero. El objetivo de la investigación de materiales en la industria es desarrollar un valor agregado, preferentemente productos “únicos”. Una de las direcciones actuales del valor agregado es la conciencia del medio del producto. La investigación de materiales no está sólo dirigida a los materiales mismos, sino también es frecuentemente conducida hacia la solución completa para los clientes y los colaboradores de la investigación entre la industria y sus clientes. Anteriormente, el control del proceso de producción de acero era para incrementar la producción de acero y ahorrar energía, pero actualmente es para agregar valor a los productos. La incorporación en el control de la forma se intentó para prevenir efectos dañinos en los productos, pero han empezado a ser usados en el mejoramiento del desempeño de los materiales, por ejemplo, mejorando la dureza a través del refinamiento de la cantidad de ferrita por precipitación intragranular de ferrita en óxidos controlados. La prevención de defectos superficiales es no tan necesario sólo para incrementar la producción y la eliminación de la costra superficial, pero incluso puede ser dirigida para alcanzar una calidad de superficie atractiva alcanzada por la primera capa fina solidificada sin costra. También se considera importante realizar buenos índices LCA (valoración del ciclo de vida) para que los productos ocupen una posición competitiva en la “procuración del ambiente” por los clientes, ahorrando energía y reduciendo emisiones en la producción de materiales. Palabras clave: investigación de materiales, conciencia ambiental del producto, inclusiones no metálicas, producción de acero y LCA. OBJETIVO DE LA INVESTIGACIÓN DE MATERIALES EN LA INDUSTRIA Apuntando hacia el Desempeño de los Materiales Se da mayor atención a añadir valor y preferentemente a originar productos “únicos”

en la industria de la investigación de materiales, los cuales son evaluados favorablemente por los clientes y aceptados a precios altos a pesar de la fuerte competencia entre los fabricantes. En la Tabla 1 se muestran algunos ejemplos de nuevos productos comercializados que corresponden a las demandas de cada década en varias áreas. Este indica que las actuales

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Tabla 1. Productos de hierro y acero desarrollados para hacer frente a las demandas de cada década

Áreas 1970 1980 1990 2000

Automóviles • Obtención de fuertes resultados y láminas de acero-hierro • SSPDX

• EXCELITE • ZINKLITE • WELKOTE • SILVERALLOY E

• Acero BH enrollado con calor. • Acero duro DP de alta extensibilidad. • Varias barras y láminas de acero de alta dureza. • Acero inoxidable para colectores reducidos

• Aceros TRIP • Tubos de acero para hidroformado • Hojas cubiertas libres de plomo para tanques de • Láminas eléctricas para motores híbridos

Construcción • Almacenamiento de tubos de acero NS-PAC • Acero de alta dureza para soldadura

• Acero resistente al fuego • HIPERBEAM • Rieles de alta dureza tratados con calor • Alambre de acero de alta dureza para puentes largos. • Columnas NS • Segmentos NM • Aceros Ti revestidos

• Acero aclimatado con contenido de níquel • HTUFF • Láminas de acero libres de PVC • SUPERDYMA • Sistemas de hiper unión • Casas armadas con aceros • Segmentos de acero para cimientos continuos

Maquinaria eléctrica y accesorios

• Láminas de acero con pequeña orientación eléctrica

• Láminas de acero orientadas eléctricamente con radiación láser • ALSHEET

• Aceros para amortización de vibración • VIEWKOTE • Aceros lubricados

• Láminas de acero recubiertas de zinc libre de cromo • Láminas de acero recubiertas de estaño libre de Pb • Acero inoxidable ferritico con alta funcionalidad • Láminas de bajo calibre con alta eficiencia eléctrica • Láminas endotérmica-altas

Industria Pesada y Energía

• Acero resistente a precipitación laminar

• Acero TMCP • Revestimientos de formas onduladas de diferentes calibres • Revestimientos para plantas de energía nuclear • Revestimientos con 9% Ni para tanques LNG

• Tubos recocidos a alta temperatura para fuentes de aceite • Tubos de calentadores y conductos altamente eficientes • HIAREST • Acero inoxidable YUS270 altamente resistente a la corrosión

• S-TEN1 nuevo • Acero HAZ de cantidad fina • Acero duro de alta fatiga

Contenedores • Revestimientos de estaño DIS

• Nuevo acero libre de estaño

• CANLITE y TULC • Revestimiento de estaño ultra delgado (0.19mm)

Investigación de Materiales desde la Perspectiva de la Industria


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demandas tienen una fuerte tendencia alrededor de la conciencia ambiental de los productos. Los productos que están diseñados para atender las regulaciones ambientales son indispensables, e incluyen principalmente láminas de acero libres de chapa para tanques de combustible, láminas de acero cubiertas de polímeros libres de cloruro de polivinilo, láminas de acero cubiertas de zinc, libres de cromo; principalmente láminas de acero cubiertas, libres de estaño, etc. En segundo lugar, existe un énfasis en los productos que reducen el uso del acero mientras se provee el mismo funcionamiento y mejoran los índices mercantiles LCA con un componente del acero como el TRIP, un acero de alta dureza para automóviles, acero atemperado con contenido

de níquel, lámina de acero con recubrimiento de aleaciones de zinc altamente corrosivo, etc. Las casas con estructura de acero están en esta categoría, desde que el total del consumo de energía por año, de las casas de estructura de acero es mucho menor que aquéllas de estructura de madera, debido al uso de menos materiales y una prolongada vida. Los productos que mejoran la eficiencia de la energía o reducen la pérdida de energía de los sistemas por su uso están en tercer término y son más atractivos a los clientes que desean desarrollar productos ecológicos. Las láminas de alta dureza para las carrocerías de los automóviles, tal como el acero TRIP, pueden mejorar la proporción del consumo de combustible del automóvil.

Figura 1. Ejemplo del desarrollo del total de soluciones tecnológicas en la industria automotriz.

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Figura 2. Cambios calculados de las cantidades de soluciones derretidas (a) e inclusiones no metálicas (b) en el líquido residual durante la solidificación de la segregación tipo puntos de diámetro de 100µ en acero fracturado inducido sin hidrógeno

El acero de alta eficiencia eléctrica puede reducir la pérdida de energía en motores eléctricos y transformadores. El acero resistente a alta temperatura puede mejorar la eficiencia de la energía de los motores térmicos, incrementando el funcionamiento de la temperatura. Estilo de la investigación en materiales La investigación en materiales también es conducida desde el punto de vista del desarrollo tecnológico distribuyendo una solución total a los clientes. Por ejemplo, en el caso de aplicaciones para automóviles, además del desarrollo de materiales, la técnica de evaluación de materiales y la tecnología para el moldeado de la forma son, simultáneamente desarrollados como se muestra en la figura 1. Nosotros como un proveedor de materiales podemos contribuir con más de la mitad del diseño de las partes.

Figura 3. Cambios calculados de las cantidades de inclusiones no metálicas en el líquido residual durante la solidificación de la segregación tipo puntos con un diámetro 1000µ en acero fracturado inducido sin hidrógeno.



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Para darnos cuenta de esto, frecuentemente colaboramos con los clientes. El hidro-moldeado es un atractivo proceso de moldeo de autopartes: partes complejas que tenían que ser producidas soldando múltiples piezas que anteriormente tuvieron que ser producidas soldando múltiples piezas, ahora pueden ser moldeadas de una sola pieza a la vez. Con el uso de partes de una sola pieza en lugar de muchas piezas soldadas, el proceso de producción se vuelve más simple, se reduce la pérdida de materiales e incluso el peso de la carrocerías del automóvil se reduce. Gracias a esta ventaja las aplicaciones de hidro moldeado están mucho más avanzadas en Norte América y Europa, en comparación con Japón. Para difundir el uso de la tecnología de hidro moldeado en Japón, se requirió el desarrollo de equipo compacto de hidro moldeado, además del desarrollo de tecnología avanzada de hidro moldeado y tubos de acero de buena funcionalidad para hidro moldeado. Una máquina extremadamente compacta de hidro moldeado fue desarrollada con la colaboración de Toyota Automotriz y Aceros Nippon: esto reduce el tamaño del equipo y el consumo de la energía a un décimo y el costo del equipo a la mitad, en comparación con los hidro moldeados

convencionales, con la misma fuerza de moldeo restringida. ESTANCAMIENTO DE LA INVESTIGACIÓN DE MATERIALES DE PRODUCCIÓN DE ACERO En la época en que los costos de producción eran el tema principal, el control del proceso en la producción de acero estaba dirigido hacia una mejor área y un consumo de energía reducido. Sin embargo, adicionar valor a los productos es el tema principal, con producción de materiales con propiedades que serán demandadas por el cliente, a pesar del alto precio. Un control formal de sulfuros en acero anti-HIC (fracturas inducidas con hidrógeno) añadiendo la cantidad exacta de Calcio, se previene la precipitación del MnS (sulfuro de manganeso) que puede actuar como el sitio inicial de HIC en un tubo lineal. La figura 2 muestra el cambio de las precipitaciones durante la solidificación de la segregación tipo punto con 100 micras de diámetro en las partes centrales de la continua fundición de moldes analizado por un modelo matemático.2 Esto muestra que como la solidificación prosigue, la segregación del sulfuro es capturado como CaS (sulfuro de Calcio)

Figura 4. Relación entre el contenido de oxígeno y la composición de inclusiones óxidas en acero inoxidable austenítico

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por calcio suplido de CaO (óxido de calcio) descompuesto en CaO-Al2O3 (calcio aluminado), y esa precipitación MnS está prevenida satisfactoriamente. La Figura 3 muestra el proceso para la segregación tipo punto a 1000 micras de diámetro.2 Las características generales son similares a las de la figura 2, pero al final de la solidificación el CaO se descompone completamente. Como una consecuencia, no habrá fuentes de calcio para capturar la segregación de sulfuro, y MnS se precipita al final. Esto es porque la cantidad relativa de difusión trasera de sulfuro en un sólido se reduce en la medida mayor de segregación de punto y el consumo de CaO se acelera concomitantemente. Las inclusiones no metálicas con pobre deformación pueden causar rupturas del alambre durante el trazo del alambre con acero inoxidable austenítico. Por consiguiente, la deoxidación se optimiza, así que los productos deoxidados son óxidos deformables. La Figura 4 muestra las concentraciones de alúmina y silicio en productos deoxidados como funciones de la concentración total de oxígeno en el metal.3 Los resultados calculados se refieren a los contenidos en precipitaciones cuyas concentraciones son cambiadas por la segregación durante la solidificación y analizadas por un modelo matemático similar al usado para el control de la forma del sulfuro en acero anti-HIC. Esto indica que la concentración de alúmina se reduce mucho y la concentración de silicio aumenta mucho cuando el total de oxígeno aumenta de 40ppm a 80ppm. La Figura 5 muestra la fracción de varias fases cristalinas y líquidas a varias temperaturas en los óxidos con concentración total de oxígeno en metales de 40ppm y 80ppm.3 En los óxidos de metal oxigenado de 40ppm, las fases cristalinas duras como el MgO-Al2O3 y alúmina existe hasta en temperaturas altas, es decir, a 1700ºC, y para los óxidos con 80 ppm de oxígeno,

Figura 5. Fracciones de fase calculada a varias temperaturas en óxidos multi compuestos incorporados en fracciones sólidas de 0.5. la fase líquida del metal ocupa más del 90% por encima de 1300ºC. Se espera que la deformación de óxidos puede ser mejorada por el incremento del nivel de oxígeno total de 40 a 80 ppm. De esta manera la ruptura se previene en este acero inoxidable. La Figura 6 muestra la precipitación intra granular de la ferrita en cantidad gamma. Los óxidos de titanio en cantidad gamma actúan como sitio de precipitación heterogénea de la ferrita.4 Por la apropiada distribución de este tipo de óxidos a lo largo de los rayos gamma, pequeña cantidad de ferrita es obtenida y muestra alta dureza y fuerza en delgados revestimientos de acero. Apuntalar los límites de la cantidad por precipitaciones puede incluso reducir el tamaño de la cantidad.



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Figura 6. Precipitación de ferrita intra granular en óxido de titanio Ti2O3 en una cantidad austénica.

La Figura 7 muestra los diferentes métodos usados para reducir el tamaño de la cantidad de ferrita.5 En los dos proyectos nacionales japoneses actuales, el acero está por ser desarrollado con el doble de dureza y con la misma composición que el acero convencional, reduciendo el tamaño de la cantidad de ferrita con reducción de cantidad gamma extremadamente grande, seguido de un enfriamiento intensivo, resultando precipitaciones pequeñas de ferrita y previniendo que la cantidad de ferrita crezca. Con el control de precipitaciones, este proceso intensivo de moldeado y enfriamiento puede ser reemplazado por un proceso ordinario. Por otro lado, en caso de que el acero necesitara alargamiento en lugar de dureza, y acero de silicio, que requiere movimientos suaves de límites de dominio magnético, es preferente la cantidad de mayor tamaño. En estos aceros, se requiere que la densidad numérica de precipitaciones sea la más pequeña posible. Convencionalmente, el tratamiento de la solución en el horno es el principio del proceso de control termo mecánico. Son utilizadas precipitaciones y partes solubles del soluto en el

acero en el horno de tratamiento de la solución. Con el uso de solutos en el acero derretido, el control del rango de las propiedades de los materiales puede ser expandida. En un proyecto nacional de EMC (fundición electromagnética), fue demostrado que el quebrantamiento de la superficie y el encerramiento de inclusiones no metálicas en la superficie de moldeado continuo fue prevenido por una aplicación de EMC. La probabilidad de ocurrencia de defectos en rollos calientes producidos del desempalme, losas tratadas sin superficie vaciadas en EMC6 es igual que aquella para desempalme sin EMC. Con la aplicación de rollos de solenoide alrededor del continuo modelaje del molde fundido y corriente alterna en ese sentido, la fuerza Lorentz generada por la corriente secundaria inducida en la fundición y en el campo magnético inducido por la corriente alterna primaria está en dirección interna todo el tiempo. Esta fuerza electromagnética soporta la concha sólida inicial y aumenta la moldura de la concha, la cual reduce el calor transferido entre la concha y la moldura, y realiza suaves enfriamientos en el molde (Fig. 8). Un enfriamiento moderado previene que la solidificación crezca en el menisco, así como las marcas de oscilación y las formaciones de gancho, el cual entrampa inclusiones no metálicas y burbujas de gas y actúan como un sitio de ruptura superficial. El enfriamiento moderado también previene depresiones superficiales y rompimientos longitudinales de la superficie de acero hipo-peritéctico porque la deformación se debe a la transformación del delta-gamma de una concha sólida más débil que puede ser suprimida por presión ferrostática. La eliminación del tratamiento de la superficie en las tablas mejora el rendimiento y reduce los costos de la producción.

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Figura 7. Varios métodos para el refinamiento de la cantidad de ferrita por la transformación de γ→α Además, una superficie sin tratamiento puede tener mejor calidad en la superficie de las láminas de acero del automóvil y hojas de acero inoxidable. Desde este punto de vista, la investigación en el área de la producción de acero ha contribuido enormemente al funcionamiento del control de materiales. PODER COMPETITIVO DE UN PRODUCTO BASADO EN LA VALORACIÓN DEL CICLO DE VIDA También se considera importante realizar buenos índices de LCA para que los productos

ocupen una posición competitiva para la “conservación de medio” por parte de los clientes, por medio del ahorro de energía y la reducción de emisiones en la producción de materiales. El ahorro de energía y la disminución de emisiones de las plantas ha sido dirigido desde la perspectiva de la reducción de costos y las regulaciones satisfactorias del medio ambiente, pero deben dar seguimiento al punto de vista del mejoramiento de los índices LCA atribuidos a los productos. En el proceso de refinamiento, las cantidades de uso de CaO como un agente refinador y la emisión de chatarra refinada son reducidas fuertemente, por ejemplo, con el reciclado de la chatarra con calor. Concerniente a la energía, el ahorro de



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energía en plantas era el asunto principal, pero ahora la generación de energía se vuelve una meta. La separación del gas hidrógeno del COG (horno de gas de coque) es considerado como uno de los significados del suplemento del gas hidrógeno para la sociedad1.

Figura 8. Principio de la fundición electromagnética Respecto a las emisiones, el reciclaje usado dentro de las plantas es el asunto principal, pero ahora el reciclaje y el reuso de los materiales es iniciado fuera de las plantas. Los desperdicios plásticos de la sociedad ahora son depositados dentro del horno de coque y son transformados en residuos dentro de los hornos7 para la generación de hidrógeno. Si es entendido que todos estos esfuerzos cuentan hacia los índices de LCA atribuidos a los productos etiquetados ecológicamente y el usuario de los productos paga un costo extra en proporción al factor de impacto sobre el medio ambiente global calculado de los índices LCA de los productos, se alienta la compra de productos con índices LCA deseados y el poder competitivo de la producción se incrementa, produciendo productos con menor impacto al medio ambiente. Esta situación contribuye a la realización de una sociedad sustentable, ya que la industria puede poner más esfuerzo en la resolución de temas relacionados con el medio ambiente y materiales amigables al medio son más usados. CONCLUSIONES La investigación en materiales desde la perspectiva de la industria se ha discutido aquí

desde el punto de vista de la investigación de la producción de acero. Las conclusiones son: (1) El objetivo principal de la investigación en

materiales en la industria del acero es generar productos con valor agregado y productos “únicos”, y una de las direcciones principales en añadir valor es que sean amigables al medio ambiente satisfaciendo las regulaciones del medio ambiente, preferentemente los índices LCA en productos que usan acero, y un mejor desempeño ambiental del equipamiento a través del mejoramiento de la calidad del acero.

(2) La investigación de materiales en la industria del acero no es sólo para el desarrollo del desempeño del acero, sino para otorgar soluciones a los clientes, y un medio altamente eficiente para esto es la investigación colaborativa entre los clientes y los productores de acero.

(3) La investigación de materiales detiene el flujo de la producción de acero como un proceso en contra corriente: el control de inclusiones no metálicas es útil no sólo para la eliminación de efectos dañinos, es decir, HIC y el control del trazo del alambre y también para usos asertivos, como por ejemplo el refinamiento de la cantidad para mejorar la fuerza y la dureza. La aplicación del EMC puede contribuir no sólo a mejorar el rendimiento y la autonomía de empalme de la superficie, sino también para las cualidades de superficies atractivas en hojas de acero.

(4) La reducción de emisiones y ahorro de energía durante el proceso del material por el mejoramiento de la eficiencia del proceso y el reciclado de materiales en la fábrica resulta en mejores índices LCA y puede dar a los productos un poder competitivo mayor, cuando resulta en una procuración ambiental para los clientes. Las plantas de acero incluso tienen la habilidad para reciclar la basura de la ciudad y proveerle gas energético. Estos aspectos deben ser

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contados como parte del valor de los materiales de los productos en dicha industria, ya que pueden ayudar ampliamente al logro de una ciudad sustentable.

Desde estos puntos de vista, los programas de estudio de materiales y la formación de investigación en materiales son importantes para fortalecer la habilidad de los ingenieros en procesos de materiales a entender los requerimientos de los clientes, y a reorganizar los temas relacionados con el medio ambiente y destacar la ciencia de los materiales, además de las materias convencionales. REFERENCIAS 1. Y. Tsuruhara, D&M (Mecánica NIKKEI)

570, 22 (2002).

2. T. Matsumiya, Mater. Trans., JIM 33, 783 (1992).

3. W. Yamada, T. Matsumiya, S. Fukumoto, S. Tanaka y H. Takeuchi, Memoria de la Conferencia Internacional en Materiales asistidos por Computadora. Simulación de procesos y diseño, ISIJ, Tokio, 1993, pg. 123.

4. J. Takamura y S. Mizoguchi, Memorias del 6to Congreso Internacional del Acero. Vol.1, ISIJ, Tokio, 1990, pg 591.

5. T. Maki, CAMP-ISIJ 13, 730 (2000). 6. K. Ayata et al., Memorias del 3er Simposio

Internacional en Procesamiento Electromagnético de Materiales, ISIJ, Tokio, 2000, p. 376.

7. K. Kato, S. Nomura y H. Uematsu, ISIJ Int. 42, S10 (2002).

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