Doctor Zygmunt Haduch Suski
Absolutamente todo lo que nos rodea está hecho de un material, ya sea sólido, líquido o gaseoso. Por ese motivo, el problema de los materiales siempre ha jugado importante papel en la vida del hombre. Su importancia es tal, que han servido para designar períodos de la historia: Edad de piedra, de Bronce, de Hierro. Probablemente la contemporánea se podría llamar Edad de Plástico. Es lógico pensar que el hierro haya tenido tanto impacto en la historia de la humanidad, considerando que es uno de los elementos más abundantes en el planeta.
En la naturaleza es muy difícil encontrar materiales puros; la mayoría de los metales importantes se encuentran en un compuesto, combinado con oxígeno u otros elementos (Fe2O3), Al2O3, CuFeS2, FeTiO3. Para fabricar los metales puros, hay que reducir el oxígeno u otros elementos compuestos en los procesos llamados de reducción. El proceso de reducción por carbón consiste en que, cuando un mineral que contiene oxígeno (el mineral de fierro) se calienta en presencia de carbón, éste captura parte del oxígeno que se libera y ambos se combinan, con lo que se produce algún compuesto de oxígeno y carbono, y se deja el metal libre de oxígeno; es decir, metal puro. Puesto que en estas operaciones el material debe pasar por el estado líquido, y la temperatura de fusión del fierro (1523ºC) es más alta que la del cobre (1083ºC), se explica por qué se desarrollaron primero los procesos de fabricación de bronce (aleación de cobre y estaño) y luego de hierro.
TÉCNICAS DE REDUCCIÓN
Sin embargo, existen las técnicas de reducción a temperaturas más bajas que la temperatura de fusión. Las famosas técnicas de Reducción Directa desarrolladas en los años 1950, han redundado en la fabricación del llamado hierro esponja, frágil y de poca resistencia, que en los procesos metalúrgicos se convierte en acero. Esta esponja metálica, al ser martillada, se liberó de sus escorias y permitió formar una masa compacta y dúctil, lo que fue un material precursor del acero. Es decir, es muy probable que lo que el hombre del siglo XV a. C. conoció y manipuló haya sido lo que hoy conocemos como acero al carbón y no el hierro.
Los aceros de Damasco son famosos por su resistencia, dureza y belleza. Las descripciones más antiguas sobre ellos datan del año 540 de nuestra era, pero seguramente se utilizaron desde la época de Alejandro Magno; es decir, alrededor del año 330 a. C.Durante las Cruzadas, los europeos encontraron en Damasco espadas y dagas con propiedades excepcionales, y por ello se difundió este nombre, a pesar de que el acero de que estaban hechas provenía de la India, donde se conocía con el nombre de wootz. Se cree que las mejores hojas de acero fueron forjadas en Persia con el wootz proveniente de la India, material que también se usó para hacer armaduras. Entonces, bien pudieron llamarse aceros de la India o de Persia.
ACERO DE ALTA CALIDAD
No faltaban recetas (hoy les llamamos tecnologías) para fabricar el acero de alta calidad como ésta: “el acero debe calentarse hasta que cese de brillar, justo como la salida del sol en el desierto; después de esto, debe enfriarse hasta que llegue al color púrpura de rey y, en esta condición, insértese en el cuerpo de un esclavo lo más musculoso posible; así, la fuerza del esclavo será transferida a la hoja de acero, lo que se traducirá en la resistencia del metal”.
La Revolución Industrial del siglo XVIII impulsó el desarrollo del acero como el material de construcción de las máquinas (la máquina de vapor de James Watt), lo que revolucionó el transporte terrestre por ferrocarril, lo mismo que los transportes acuáticos, mediante los barcos con motores de vapor: También fue material indispensable en la ingeniería civil, como en la torre Eiffel, de 317 metros de altura y peso de siete mil 399 toneladas. El acero sigue siendo hasta nuestros días un material de múltiples aplicaciones. Se buscan cada vez nuevas modificaciones de este material, con propiedades sorprendentes. Se puede reforzar la resistencia del acero mediante el aumento de su contenido de carbono o elementos de aleación. Desgraciadamente, este tipo de material es poco plástico y es difícil deformarlo y soldar para fabricar los chasises o carrocerías de los automóviles. Buscando la solución del problema, los investigadores elaboraron nuevos tipos de acero, como HSLA, High Strength Low Alloy Steel, TRIP Transformation Induced Plasticity o aceros tipo de doble fase, (Dual Phase). En los aceros HSLA, como elementos de aleación se aplicaron materiales tan raros como Columbio, Niobio, Cerio y Lantanio que, con la combinación con el proceso de fabricación, provocan precipitación del grano, lo que aumenta la resistencia sin sacrificar las propiedades plásticas. Los aceros HSLA logran una resistencia hasta 30 por ciento más alta que los aceros comerciales, lo que significa que las construcciones hechas de este tipo de acero pueden ser 30 por ciento más ligeras. Por eso tienen su gran aplicación en la construcción de puentes, aviones militares, edificios altos y plataformas petroleras, los cuales se transportan de tierra al mar por helicópteros, y cada kilogramo tiene su precio. Llama la atención el acero de doble fase. La idea es bien fácil. En los aceros la fase ferrita es muy dúctil y fácilmente deformable; desgraciadamente presenta baja resistencia. Entonces se busca un acero que una las dos propiedades: alta ductibilidad y buena resistencia mecánica. Aquí llegamos a la solución. La fase ferrita es dúctil y se le puede reforzar con la fase de martensita, que es dura y resistente. Es decir, se puede fabricar acero con las propiedades requeridas por el cliente: más resistente y menos plástico, o de menor resistencia, pero más dúctil.
El acero de doble fase encuentra aplicación en productos que requieren buena deformabilidad en frío, y alta resistencia. Además es fácil para soldar. Son ejemplo los chasises de automóviles o camionetas.
SÚPERALEACIONES Y SÚPERCONDUCTORES
La popularidad de éstos empezó al terminar la Segunda Guerra Mundial, especialmente en turbomotores, súper cargadores y turbinas para aviones. Su versatilidad nació del hecho de que combinan buena ductibilidad y una excelente estabilidad en la superficie. Las súperaleaciones con tungsteno, vanadio y cobalto presentan características excepcionales, como una alta resistencia mecánica a las temperaturas elevadas y resistencia a la corrosión. Las nuevas aleaciones se fabrican en muchos casos con metalurgia de polvos. Las partes se conforman comprimiendo y calentando polvos metálicos en moldes. Entre sus características más importantes está su alta resistencia al desgaste abrasivo a altas temperaturas. Esta propiedad se obtiene a pesar de que las temperaturas de fusión de las aleaciones son aproximadamente iguales que en los aceros. Por sus excelentes cualidades de resistencia al desgaste en condiciones desfavorables, las súperaleaciones se utilizan en las aletas y aspas de motores, así como en turbinas a reacción. Los súperconductores exhiben resistencia cero al flujo de electricidad, y pueden expulsar el flujo magnético de su interior, dando lugar al fenómeno de levitación magnética. El primer súperconductor mercurio, descubierto en 1911 por G. Holst y K. Onnes, sólo lo era a temperaturas inferiores a 4.2 K (-268°) y a principios de 1986 el récord de temperatura crítica estaba en 23 K correspondiente al compuesto Nb3Ge. A finales de 1986, la comunidad científica internacional fue sorprendida cuando J. G. Berdnorz y K. A. Müller, del centro de investigaciones de la IBM en Zurich, observaron una temperatura de 35 K en el compuesto de óxido de cobre, bario y lantano (BaLaCuO) sintetizado con anterioridad (1983) por el grupo de B. Raveau y C. Michel en Francia. La euforia desatada por este descubrimiento condujo a que poco tiempo después se descubriera que la temperatura crítica podía seguir subiendo, lo que llevó al descubrimiento de nuevos materiales súperconductores, con temperatura crítica por encima del punto de ebullición del nitrógeno líquido (~77 K).Los súperconductores abren una nueva generación de micro lascas y computadoras. Su aplicación en la industria electrónica es indiscutible. En Japón se inauguró la línea experimental de tren sin ruedas. Todo el vehículo flota sobre un colchón magnético, y alcanza la velocidad de 500 kilómetros por hora.
Los monobloques de los motores de combustión interna hechos de una aleación de aluminio ya no son nada nuevo. Un nuevo reto para los tecnólogos es el monobloque de aluminio sin camisa de hierro fundido. May Holtzberg inventa un motor ligero de plástico, que sustenta que puede ser fabricado en serie a la mitad del costo de los motores de hierro actuales, el cual es tan liviano que puede ser cargado manualmente.
MATERIALES CERÁMICOS
Los materiales cerámicos son de los más antiguos. Tienen una gran variedad de aplicaciones en la alfarería, fabricación de ladrillos, azulejos, lozas, tubos y productos de porcelana. Los nuevos productos cerámicos se emplean cada vez más en maquinas y electrónica. Son ligeros, nunca se desgastan y soportan enormes temperaturas. Hay nuevos plásticos de altas posibilidades, así como compuestos fundados en fibras de carbón. En la industria del transporte terrestre y espacial, las losetas que protegen un trasbordador espacial son de sílice, un material cerámico. Uno de los problemas de los materiales cerámicos es que son muy frágiles. Buscando un material que une las propiedades de materiales cerámicos y metales, los tecnólogos elaboraron cermetales, sintetizados de polvos cerámicos y metálicos. Así nació la tecnología llamada “Metalurgia de Polvos”, en la cual el producto está fabricado de polvo metálico o cerámico compactado en un molde y luego sintetizado. El método es fácil y relativamente barato en cuanto a su aplicación en la producción de grandes series. El mayor éxito de este método se logró en la producción de las pastillas para herramientas de corte. Estos insertos presentan excelente resistencia al desgaste, lo que prolonga significativamente su vida útil.
Las pastillas de CERMET de las herramientas de corte proporcionan larga durabilidad y superficies con un excelente acabado, fortaleza y superior resistencia al desgaste. Utilizadas generalmente en seco, las herramientas de Cermet trabajan en velocidades de corte muy elevadas. PLÁSTICOS Y COMPUESTOS El término “plástico” se aplica comúnmente a todos los materiales inorgánicos que no son metales o madera. En realidad, se trata de polímeros, que son materiales sintéticos obtenidos mediante fenómenos de polimerización o multiplicación artificial de los átomos de carbono en las largas cadenas moleculares de compuestos orgánicos derivados del petróleo y otras sustancias naturales. En 1901, el químico Leo Baekeland produ-jo el primer material verdaderamente sintético, al cual llamó baquelita. En 1979, el volumen de plásticos producido por los Estados Unidos rebasó por primera vez el del acero, y en realidad es difícil imaginarse la vida contemporánea sin ellos, debido a que los plásticos y compuestos para usos específicos son artificiales, y pueden ser creados a la medida por científicos que trabajan con moléculas. Se usan en automóviles, aeroplanos, lascas para computadoras, como sustitutos de metales y de vidrio Los plásticos son biodegradables, conducen la electricidad y cambian al variar la temperatura o el voltaje. Son a menudo más baratos, ligeros y resistentes que los metales; reducen costos de manufactura, porque requieren menos energía; tienen propiedades de aislamiento térmico y eléctrico, reducen el ruido, la vibración, la fricción y el desgaste.
En la década de los 30, químicos ingleses descubrieron que el gas etileno se polimerizaba bajo la acción del calor y la presión, y formaba un termoplástico al que llamaron polietileno (PE). Hacia los años 50 aparece el polipropileno (PP). Al reemplazar en el etileno un átomo de hidrógeno por uno de cloruro, se produjo el cloruro de polivinilo (PVC), un plástico duro y resistente al fuego, especialmente adecuado para cañerías de todo tipo. Al agregarle diversos aditivos se logra un material más blando, sustituto del caucho, comúnmente usado para ropa impermeable, manteles, cortinas y juguetes. Un plástico parecido al PVC es el politetrafluoretileno (PTFE), conocido popularmente como teflón y usado para rodillos y sartenes antiadherentes. También en los años 30 se crea la primera fibra artificial, el nylon. Su descubridor fue el químico Wallace Carothers, que trabajaba para la empresa Dupont. Descubrió que dos sustancias químicas, como el hexametilendiamina y ácido adípico, formaban polímeros que, bombeados a través de agujeros y estirados, formaban hilos que podían tejerse. Su primer uso fue la fabricación de paracaídas para las fuerzas armadas estadounidenses durante la Segunda Guerra Mundial, y se extendió rápidamente a la industria textil en la fabricación de medias y otros tejidos combinados con algodón o lana. Al nylon le siguieron otras fibras sintéticas, como por ejemplo el orlón y el acrilán.
MATERIALES COMPUESTOS
La verdadera revolución en materiales empezó cuando los polímeros se pudieron reforzar con las fibras de vidrio o de grafito. Nacieron así “materiales compuestos”. En el lenguaje común actual, los materiales compuestos son aquéllos en los que las fibras de unas sustancias están incorporadas en una matriz de otra sustancia, habitualmente un plástico, para crear un material con propiedades mecánicas especiales. Estos materiales superan las aleaciones metálicas en resistencia y rigidez; son mucho más livianas; tienen características superiores de fatiga y, lo que es muy importante, son prácticamente inmunes a la corrosión. Hoy día, debido a su comparativa facilidad y economía de fabricación, las fibras de carbono y aramida son los elementos preferidos para el diseño y fabricación de estructuras compuestas perfeccionadas.Otra aplicación es el Kevlar, material compuesto que tiene una alta resistencia comparada con su reducido peso, por lo que es uno de los materiales con la resistencia especifica más alta. Es un material con alta durabilidad, y con una buena resistencia a los cortes y a la abrasión (en condiciones similares, la fibra Kevlar es cinco veces más resistente que el acero). La nueva generación de materiales compuestos son de tipo MMC y CMC, materiales compuestos con matriz metálica o cerámica, que difieren en composición y forma, los cuales conservan sus propiedades y logran en conjunto propiedades que no se podrían obtener con uno solo de estos materiales.
BIOMATERIALES
Los biomateriales unen las experiencias de casi todos los materiales antes mencionados. Las aleaciones de Cr, Co y Ti, son muy frecuentemente empleadas en las prótesis, dada la inmediata condición pasiva de estas últimas por la formación de TiO2.La aleación a base de cobalto, F75, denominado comercialmente Vitallium, es una aleación de moldeo cuyas propiedades mecánicas son insuficientes para resistir condiciones de carga y ciclos altos. Contiene Cobalto (65 por ciento), cromo (28 por ciento), molibdeno (0.72 por ciento) y menos de 0.35 de carbono. El F562 contiene níquel (35 por ciento); mantiene su resistencia y dureza, y presenta superior ductilidad. Mientras el módulo de elasticidad permanece similar al del acero (200 GPa) la resistencia a la tracción aumenta considerablemente (de 517 a 900 MPa) con relación al F75. Las formas más habituales son el llamado titanio comercial puro (Ti 160) y la aleación de titanio con aluminio (6 por ciento) y vanadio (4 por ciento). Ti6A14V . Un papel importante entre biomateriales juega el UHMWPE (polietileno de ultraalto peso molecular).Se trata de un polímero de cadena larga y de peso molecular entre dos y seis millones. Presenta excelentes propiedades mecánicas y biológicas: alta resistencia al impacto y al desgaste, ductilidad, biocompatibilidad y esta-bilidad química. En la figura se presenta la prótesis de la rodilla en la cual se encuentran las súperaleaciones, polímeros, materiales compuestos y cerámicos.
