Carburización gaseosa para la mejora la calidad y la resistencia del acero de la chatarra

La crisis provocada por el COVID-19, el conflicto entre Rusia y Ucrania, y el incremento en la inflación, han afectado el mercado mundial del acero, un coletazo que también se siente en Colombia, pues el incremento en el precio de esta materia prima, afecta la productividad y competitividad. Mediante un proceso conocido como carburización gaseosa, la chatarra que producen las fábricas siderúrgicas se convertiría en una alternativa para generar los aceros que requiere la industria nacional.

Según el Comité Colombiano de Productores de Acero, en 2022 la industria siderúrgica produjo 1.796,7 millones de toneladas de residuos de dicho material, los cuales no son reutilizables en su totalidad.

Entre la escasez de materias primas de la industria metalmecánica del país, se encuentran los aceros de mediano (25 % - 55 %) y alto (más del 55 %) contenido de carbono. Por lo general, estos son utilizados para la manufactura de resortes, alambres, engranajes, herramientas de agricultura y de corte, entre otros.

Para darle solución a esta problemática, el profesor Sebastián Mendoza de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales, y su pupila, la ingeniera física, Tatiana Guavita Ospina, de la Universidad Nacional de Colombia (UNAL) Sede Manizales, proponen mejorar las propiedades superficiales de aceros de bajo carbono como el SAE 1020, abundante en el mercado como reemplazo de los aceros de alto carbono.

Para ello, implementaron un proceso de carburización gaseosa y no física como se hace en las fábricas siderúrgicas convencionales, esto con el fin de mejorar la dureza superficial del acero SAE 1020 de bajo carbono haciéndolo más resistente.

El profesor Mendoza explica que, “la carburización gaseosa es un proceso termoquímico que permite adicionar carbono a la superficie del material con el propósito de otorgarle una capa exterior dura y resistente al desgaste, conservando un núcleo más blando y dúctil que proporciona una mejor respuesta a tensiones sin agrietarse”.

“Dicho proceso es innovador porque aumenta el nivel de carbono del metal en un 90 %, lo cual mejorar su resistencia y lo convierte en una materia prima idónea en la fabricación de palas, picos, puntillas, tornillos, entre otras herramientas”, destaca la ingeniera física.

Comprobación a nivel de laboratorio

La carburización puede hacerse en un medio sólido, líquido o gaseoso, dependiendo del monto de la producción y de la disponibilidad de equipo.

“En este proyecto se realiza el diseño e implementación de una estación de trabajo a escala de laboratorio para someter probetas de acero al proceso termoquímico de carburización por gas para mejorar la dureza superficial”, menciona la investigadora Guavita, quien agrega que dicho espacio permite controlar parámetros esenciales para el éxito de este proceso de cementación.

Para generar la combustión, se utilizó un tanque en el que se mezcló nitrógeno (gas) y alcohol (etanol). De esta manera se obtuvo un gas rico en carbón que pasó a una cámara o mufla (horno), donde estaban las piezas creadas con acero SAE 1020 (probetas).

Dicha estación cuenta con un flujómetro para regular la salida de nitrógeno (gas), que a su vez cuenta con una válvula antirretroceso que asegura que el gas circule en un solo sentido por seguridad y evitar combustión.

La siguiente parte consta de una placa calefactora con un beaker que contiene el alcohol que se llevará a ebullición para posteriormente mezclarse con el nitrógeno e inyectarlo al horno, este cuenta con una válvula que permite abrir o cerrar esta salida de gas.

La mezcla de gases se introdujo en un reactor en el que se metieron las piezas creadas con acero SAE 1020 (probetas) para el proceso termoquímico.

Después de introducir las muestras en el reactor que se sella dentro de la mufla (especie de horno), se procede a llevarlas a calentamiento hasta los 850 °C.

“Al alcanzar dicha temperatura, el proceso se interrumpió y las piezas se introdujeron en agua fría”, indica.

Finalmente, después de cada tratamiento térmico las probetas fueron llevadas al proceso de medición para determinar los cambios de dureza respecto a cada variación en la concentración de la mezcla de gases inyectada.

Los investigadores destacan que “el proceso de carburización gaseosa es económico y sostenible por la baja emisión de gases desprendidos durante el procedimiento, en comparación con otras técnicas de cementación”. Los resultados de este trabajo se presentaron en el Congreso de Materiales realizado en Santa Marta.