Informe Sobre Tecnologías Emergentes en el Sector … · Observatorio Industrial del Sector del Metal INFORME SOBRE TECNOLOGÍAS EMERGENTES EN EL SECTOR DEL METAL: PROYECTO EMERTEC

Observatorio Industrial del Sector del Metal

INFORME SOBRE TECNOLOGÍAS EMERGENTES EN EL SECTOR DEL

METAL: PROYECTO EMERTEC

DICIEMBRE 2011

Informe final Observatorio del Metal 2011

EMERTEC 2/303

Tabladecontenido

RESUMEN EJECUTIVO ............................................................................................................... 4

1. INTRODUCCIÓN. MARCO DEL ESTUDIO ......................................................................... 4

2. METODOLOGÍA ................................................................................................................... 5

3. CARACTERIZACIÓN DE LAS ÁREAS TECNOLÓGICAS ESTUDIADAS A NIVEL GLOBAL ....................................................................................................................................... 6

4. ÁREAS Y TENDENCIAS TECNOLÓGICAS EMERGENTES IDENTIFICADAS .............. 58

4.1. TRATAMIENTOS TÉRMICOS .................................................................................... 58 4.1.1. Tratamientos isotérmicos ................................................................................................. 60

4.1.1.1. Quenching and Partitioning (Q&P) ............................................................................................. 60 4.1.1.2. Austempering ............................................................................................................................. 65 4.1.1.3. Martempering ............................................................................................................................ 75

4.1.2. Tratamientos criogénicos ................................................................................................. 82

4.1.3. Tratamientos de calentamiento ....................................................................................... 88 4.1.3.1. Calentamiento por inducción ..................................................................................................... 88 4.1.3.2. Calentamiento por microondas .................................................................................................. 99

4.2. TRATAMIENTOS SUPERFICIALES ......................................................................... 106 4.2.1. PVD (Physical Vapor Deposition) .................................................................................... 108

4.2.2. Tecnologías láser ............................................................................................................ 118

4.2.3. Tratamientos sol‐gel....................................................................................................... 128

4.2.4. Otras tecnologías: tratamientos por plasma y nanotecnologías ................................... 133 4.2.4.1. Tratamientos por plasma ......................................................................................................... 133 4.2.4.2. Nanotecnología ........................................................................................................................ 135

4.3. DEFORMACIÓN METÁLICA PLANA ........................................................................ 137 4.3.1. Hidroconformado ........................................................................................................... 139

4.3.2. Conformado de chapa sin matriz (ISF, Incremental Sheet Forming) .............................. 144

4.3.3. Conformado electromagnético (EMF, Electromagnetic Forming) .................................. 148

4.3.4. Conformado por laminación o perfilado (Roll Forming) ................................................. 155

4.3.5. Conformado por láser ..................................................................................................... 166

4.3.6. Tailored Blanks (TBs) ...................................................................................................... 175

4.4. FUNDICIÓN ............................................................................................................... 180 4.4.1. Tecnologías de plasma ................................................................................................... 185

4.4.2. Tecnologías de fundición near‐net‐shape ...................................................................... 190 4.4.2.1. Rheocasting .............................................................................................................................. 191 4.4.2.2. Thixoforming de aceros ............................................................................................................ 194 4.4.2.3. Belt Casting Technology ........................................................................................................... 198

4.4.3. Infiltración con presión (Squeeze Casting) para materiales avanzados y compuestos .. 202

4.5. FORJA ....................................................................................................................... 207 4.5.1. Tecnologías servo‐drive para forja ................................................................................. 209

4.5.2. Tecnologías Rapid Tooling para forja ............................................................................. 213

4.6. MECANIZADO ........................................................................................................... 215 4.6.1. Procesos no convencionales ........................................................................................... 218

4.6.1.1. Micromecanizado láser ............................................................................................................ 218 4.6.1.2. Mecanizado rotatorio por ultrasonidos ................................................................................... 221 4.6.1.3. Mecanizado electroquímico ..................................................................................................... 224

4.6.2. Mejoras en procesos convencionales ............................................................................. 227


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4.6.2.1. Optimización de procesos de mecanizado en duro .................................................................. 227 4.6.2.2. Simulación en procesos de mecanizado ................................................................................... 228

4.6.3. Conceptos del mecanizado del futuro ............................................................................ 230 4.6.3.1. Máquinas portables ................................................................................................................. 230 4.6.3.2. Máquinas multitask .................................................................................................................. 230

5. TENDENCIAS TECNOLÓGICAS HORIZONTALES ....................................................... 231

6. CONSULTA A EXPERTOS .............................................................................................. 233

6.1. DISEÑO DE LA CONSULTA ..................................................................................... 233 6.2. RESULTADO DE LA CONSULTA ............................................................................. 234

6.2.1. Consulta sobre tendencias horizontales, tratamientos térmicos, superficiales y

deformación metálica plana ............................................................................................................ 234

6.2.2. Consulta sobre fundición, forja y mecanizado ................................................................ 240

7. RECOMENDACIONES ..................................................................................................... 249

8. ANEXOS ........................................................................................................................... 251

8.1. TEXTO ÍNTEGRO DE LA CONSULTA A EXPERTOS EN RELACIÓN CON TENDENCIAS

HORIZONTALES, TRATAMIENTOS TÉRMICOS, SUPERFICIALES Y DEFORMACIÓN METÁLICA PLANA .... 251 8.2. TEXTO ÍNTEGRO DE LA CONSULTA A EXPERTOS EN RELACIÓN CON TENDENCIAS

HORIZONTALES, FUNDICIÓN, FORJA Y MECANIZADO .................................................................... 258 8.3. TABLAS RESUMEN DE TENDENCIAS ................................................................................ 263 8.4. CRITERIOS DE BÚSQUEDA SEGUIDOS PARA EL ANÁLISIS DE PATENTES ............................. 291 8.5. FUENTES CONSULTADAS .............................................................................................. 294


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RESUMEN EJECUTIVO

1. INTRODUCCIÓN. MARCO DEL ESTUDIO

Los trabajos realizados en la anualidad 2011 por la Federación de Española de Entidades de Innovación y Tecnología (FEDIT) en el marco del Observatorio Industrial del Metal, han configurado el estudio denominado “INFORME SOBRE TECNOLOGÍAS EMERGENTES EN EL SECTOR DEL METAL: PROYECTO EMERTEC”.

El Observatorio del Metal ha sido creado debido al peso del sector de metal sobre la actividad económica en España. Según el informe de Indicadores del Sector del Metal 2010, publicado por el Observatorio del Metal en septiembre de 2011, la totalidad de la industria del sector metal en España generó aproximadamente el 5,3% del Producto Interior Bruto, estimándose que la cifra de producción del Metal alcanzó durante el año 2010 los 192.215 millones de euros. Asimismo, el sector de metal representa el 45,9% de la producción industrial de España, y aproximadamente el 40% de todas las exportaciones españolas son de este sector.

El sector (CNAE 24 a 33) está compuesto por alrededor de 99.000 empresas que dan empleo a más de 1.128.000 personas. En el año 2010, las PYMES representaron el 99% del total de empresas en el conjunto del Metal, correspondiendo a Microempresas (menos de 10 trabajadores) un 85% y a la pequeña empresa (menos de 50 trabajadores) el 97% del total.

Las características de las empresas (reducido tamaño, entre otras) que conforman el sector, condicionan la capacidad de las mismas para realizar actividades de I+D+i. Durante los años 2009 y 2010 el Observatorio elaboró un mapa de los factores clave de competitividad vinculados a la innovación, a partir del estudio de empresas líderes en países destacados en relación con el sector del metal. Se realizó además una comparativa entre las empresas españolas y dicho mapa de factores de competitividad, enunciando recomendaciones estratégicas para las empresas españolas, así como posibles medidas a ser adoptadas por los principales agentes del Sistema Ciencia-Tecnología-Empresa. En dichos estudios se evidenció la importancia de la integración y actualización de las tecnologías, de ofrecer servicios más completos por parte de las empresas y de abrir mercados vinculados a nuevas tecnologías.

Por ello se ha planteado el presente proyecto: en él se persigue identificar líneas tecnologías emergentes vinculadas al sector del metal, para que éstas sirvan como referencia a las empresas, con el fin de orientarse hacia un horizonte tecnológico innovador, competitivo y avanzado en relación con sus competidores.

Al identificar las tecnologías más innovadoras que comienzan a aplicarse o se prevén de gran impacto y/o aplicación generalizada en el sector del metal, dispondremos de un mapa tecnológico que sirva como orientador a empresas y otros agentes del sector. La posterior propuesta de adaptación de ese mapa al caso español, será de gran utilidad para tomar decisiones tecnológicas futuras, con una menor incertidumbre y una mayor información fiable y por tanto, mayor grado de acierto.


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El grupo de trabajo encargado para la realización de este informe ha estado formado por:

Tecnalia, San Sebastián-Donostia (Gipuzkoa)

TECNALIA Research and Innovation es una fundación privada que focaliza su actividad en la investigación aplicada. Se trata de un centro de excelencia internacional y con impacto en la industria local, llevando a cabo proyectos de I+D e innovación con empresas, spin offs, formación y servicios E+C. TECNALIA R&I tiene como misión transformar el conocimiento en PIB para mejorar la calidad de vida de las personas creando oportunidades de negocio en las empresas.

AIMME (Valencia)

El Instituto Tecnológico Metalmecánico, AIMME, es una asociación privada sin ánimo de lucro de ámbito nacional, integrada actualmente por unas 500 empresas del sector de transformados del metal. El fin del Instituto es impulsar la mejora de la competitividad de las empresas del sector de transformados metálicos a través de la I+D+I (Investigación, Desarrollo e Innovación) tanto en sus procesos productivos como en sus productos.

2. METODOLOGÍA

El estudio se ha planteado en cuatro bloques de trabajo principales, estructurados del modo siguiente:

1) Identificación de nuevas áreas/tendencias tecnológicas a nivel global

Diseño y puesta en marcha de una estrategia de búsqueda documental adecuada, que permitió la identificación de las áreas/tendencias tecnológicas globales más innovadoras y, sobre todo, con mayor impacto previsible en el futuro del sector del metal a corto-medio plazo.

2) Identificación de líneas tecnológicas vinculadas a las áreas/tendencias identificadas en 1

Las áreas/tendencias identificadas sirvieron para definir el marco en el que se identificaron tecnologías emergentes específicas. En función de los resultados obtenidos en la etapa anterior, con el fin de acotar el marco de actuación del proyecto, se decidió trabajar con la información relativa a ciertos subsectores del sector del metal. En particular, se eligieron, por su representatividad, para ser estudiados más a fondo, los subsectores de tratamientos térmicos, superficiales, deformación metálica plana, fundición, forja y mecanizado. Las líneas tecnológicas identificadas tienen un carácter “emergente”, entendiéndose como tales aquellas que ya han tenido una mínima implantación en el mercado o se encuentren en una fase precompetitiva inmediata a su aplicación industrial.

3) Posibilidades de adaptación y adecuación de las líneas al caso de las empresas españolas

Las líneas tecnológicas emergentes identificadas en la etapa anterior se han analizado, realizándose para ello un estudio de la actividad registrada en relación con protección intelectual, examinando las oportunidades de futuro que pueden suponer para las empresas españolas del sector.


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4) Medidas que faciliten la adopción de tecnologías emergentes en las empresas

En esta fase se han estudiado, entre otros factores, los agentes y medidas más adecuadas para facilitar la adaptación de las empresas españolas a las tecnologías emergentes identificadas. Para ello se ha contado con la colaboración de distintos expertos y se ha realizado una consulta diseñada a tal efecto.

3. CARACTERIZACIÓN DE LAS ÁREAS TECNOLÓGICAS ESTUDIADAS A NIVEL GLOBAL

SITUACIÓN DE LOS SUBSECTORES A NIVEL INTERNACIONAL

Se resume a continuación la situación de los subsectores contemplados a nivel internacional. Además, se destacan las áreas geográficas principales para cada subsector y se realiza una breve presentación de la situación en la Unión europea.

Tratamientos térmicos y superficiales

Unión Europea

Para hacer un balance del sector a nivel europeo, se ha considerado la actividad de tratamientos superficiales junto con la de tratamientos térmicos (NACE 2841 Tratamiento y Recubrimiento de Metales).

La industria europea de tratamientos superficiales y térmicos estaba formada, en el año 2009, por alrededor de 22.000 empresas a lo largo de la UE-27 (Eurostat), que generaron una facturación de cerca de 23.000 millones de euros y un valor añadido de más de 9.000 millones de euros.

La siguiente tabla muestra la evolución con respecto al año anterior.

Nº empresas

Facturación (millones de euros)

Nº empleados Valor añadido

(millones de euros)

2009 22.344 22.960,86 251.000 9.190,84

2008 23.129 29.665,38 278.100 11.595,34

Fuente: Eurostat (SBS)

Los países con mayor volumen de facturación son en primer lugar Alemania, seguido de Italia, Francia, España y Reino Unido. Siendo este último el único que ha aumentado su volumen de facturación con respecto al año anterior.


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La mayoría de las empresas de este subsector se concentran en estos cinco países (Italia, Alemania, Francia, España y Reino Unido) con más de 12.000 empresas.


El sector de la ingeniería de superficies es un sector relativamente pequeño en comparación con la totalidad de la ingeniería mecánica y la metalurgia, pero es uno de los más importantes sectores transversales de la economía europea. El núcleo central está formado por pymes especializadas en el tratamiento y revestimiento de metales, con unos 250.000 puestos de trabajo en a lo largo de la UE-27 (Eurostat) durante el

29.665

7.878

2.809

5.525

1.591

22.961

5.724

2.016 2.8084.109

1.723

0,00

5.000,00

10.000,00

15.000,00

20.000,00

25.000,00

30.000,00

35.000,00

UniónEuropea (EU

27)

Alemania España Francia Italia Reino Unido

2008

2009

Volumen de facturación (millones de euros) de los principales países. Periodo 2008‐2009

2.762

1.863 1.958

4.190

1.338

0

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

7.000


2006

2007

2008

2009

Evolución del nº de empresas en los principales países. Periodo 2006‐2009


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año 2009. El siguiente gráfico nos muestra la evolución de las personas ocupadas durante el periodo 2006-2009.



Sin embargo, estas estadísticas no reflejan la importancia económica del sector ya que dejan de lado la aplicación de las tecnologías superficiales en muchas de las grandes instalaciones industriales, así como las artesanales. Con una definición más amplia del sector, incluyendo las instalaciones que disponen de líneas propias de tratamiento de recubrimiento de chapas, bandas y perfiles metálicos en grandes plantas de

277.700

290.600

278.100

251.000

230.000

240.000

250.000

260.000

270.000

280.000

290.000

300.000

2006 2007 2008 2009

Evolución del nº de personas ocupadas. Periodo 2006‐2009

58.634

19.219

40.279

25.774

0

10.000

20.000

30.000

40.000

50.000

60.000

70.000

80.000


2006

2007

2008

2009

Evolución del nº de empleados en los principales países. Periodo 2006‐2009


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producción de metales, las instalaciones de pintura de las empresas de automoción, así como los talleres artesanos de pintura y recubrimientos, el valor de la producción de este subsector en 2008 fue de más de 100 millones de euros con alrededor de 1.250.000 puestos de trabajo en alrededor de 70.000 empresas.

Así pues, la mayoría de las empresas son de menos de 20 trabajadores, siendo este hecho difícil de constatar en las estadísticas. Por ejemplo, las estadísticas alemanas sólo registran 800 empresas de galvanoplastia con un total de 44.000 empleados. Pero si se incluyen todas las pequeñas empresas con menos de 20 empleados, el sector alemán de galvanoplastia cuenta con más 2.100 empresas con alrededor de 49.000 empleados.

A pesar de esta estructura fragmentada, el sector genera un importante valor añadido a la mayoría de los productos fabricados. Mientras que la producción de la industria de los acabados superficiales por sí sola representa aproximadamente el 0,9% del PIB global europeo, la creación de valor indirecto es mucho mayor. Por ejemplo, los ahorros logrados a través de la prolongación de la vida útil de los productos protegidos superficialmente que de otro modo estarían expuestos a la corrosión, al desgaste o la abrasión, llegan al 10 – 20 % del PIB. Aunque esto ya es una contribución sustancial a la eficiencia de los recursos, cálculos recientes estiman que los costos de la no prevención de la corrosión llegan al 4% del PIB, cada año.

El valor total de los productos vendidos por este sector durante el año 2010 en Europa, fue de 22.903.267.988 euros. Las estadísticas elaboradas por Eurostat que incluyen a los 27 países de la Unión Europea, muestran los valores, detallados a continuación, para los productos vendidos en las distintas áreas tecnológicas analizadas:

Producción vendida durante 2010 (euros) en las distintas áreas tecnológicas consideradas del sector de tratamientos superficiales


2.802.623.605

503.385.301

1.891.855.630

3.100.000.000

1.001.451.528

782.125.621

5.197.600.0001.200.000.000

454.226.303

3.864.000.000

2.106.000.000

Recubrimientos metálicos por inmersión en metalesfundidos

Recubrientos metálicos por proyección térmica

Recubrientos metálicos de cinc por galvanizadoelectrolítico y procedimientos químicos

Otros recubrimientos metálicos electrolíticos oquímicos (níquel, cobre, cromo, metales preciosos, etc.)

Plastificación

Otros revestimientos (fosfatación, etc.)

Tratamientos térmicos distintos del revestimientometálico

Pintura, barnizado

Anodización

Recubrimiento al vacío (CVD/PVD)

Otros tratamientos de superficies metálicas


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Estados Unidos

Para estudiar este subsector en Estados Unidos se ha utilizado la información disponible en el “Business Register”, que ofrece información sobre empresas, establecimientos, nº de empleados y gasto anual en nóminas, incluidos en el programa SUSB (Statistics of U.S. Businesses), publicado por la Oficina del Censo de los EEUU.

En las tablas detalladas a continuación se muestra la información recopilada para cada subsector, correspondiente al año 2009.

Tratamientos térmicos

Tamaño Nº empresas Nº de

establecimientos Empleados

Total Salario Bruto Anual (miles de dólares)

1: Total 649 820 20.782 873.040

2: 0-4 134 134 306 16.033

3: 5-9 114 115 791 30.338

4: 10-19 138 138 2.011 81.513

5: <20 386 387 3.108 127.884

6: 20-99 200 230 7.509 299.963

7: 100-499 39 89 4.220 184.335

8: <500 625 706 14.837 612.182

9: 500+ 24 114 5.945 260.858


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Tratamientos superficiales

Recubrimiento de metales, grabado (excepto en joyería y platería) y servicios auxiliares.




1: Total 2.327 2.524 48.094 1.848.611

2: 0-4 854 854 1.785 56.673

3: 5-9 465 465 3.180 95.121

4: 10-19 417 418 5.677 184.861

5: <20 1.736 1.737 10.642 336.655

6: 20-99 444 466 16.811 606.406

7: 100-499 100 187 12.203 521.330

8: <500 2.280 2.390 39.656 1.464.391

9: 500+ 47 134 8.438 384.220

Galvanoplastia, cromado, pulido, anodizado y coloración




1: Total 2.434 2.533 49.905 1.716.294

2: 0-4 779 780 1.609 52.128

3: 5-9 463 463 3.154 99.109

4: 10-19 482 483 6.509 228.287

5: <20 1.724 1.726 11.272 379.524

6: 20-99 570 602 22.775 779.469

7: 100-499 109 163 11.987 435.489

8: <500 2.403 2.491 46.034 1.594.482

9: 500+ 31 42 3.871 121.812


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Deformación metálica plana

Dado que no existe un código de actividad único para la clasificación de los procesos incluidos dentro de este subsector industrial y a fin de poder lograr una visión global del mismo. Para obtener los datos estadísticos relativos a la actividad de dicha área se han tenido en cuenta los datos incluidos en el epígrafe NACE 2432 Laminación en frío y NACE 2550 Forja, estampación, embutición de metales y metalurgia de polvos.

Unión Europea

La industria europea de laminación en frío, en el año 2009 en Europa (EU 27), estaba formada por alrededor de 218 empresas, con una facturación de más de 4.700 millones de euros y un valor añadido de 649 millones de euros.

La siguiente tabla detalla la evolución con respecto al año anterior:


Nº de empresas

Nº de empleados

Valor añadido (millones de euros)

2009 4.702,65 218 16.200 649,26

2008 7.667,25 237 18.200 1.251,86



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En el año 2009, Italia fue el país con mayor número de empresas, seguido de Alemania, Polonia, Suecia y España.


Los siguientes gráficos muestran la evolución del nº de empresas, la facturación y el nº de empleados durante el periodo 2006-2009.


En el caso del subsector de forja, estampación, embutición de metales y metalurgia de polvos, el número de empresas en el año 2009 era de más de 14.000, con una facturación de alrededor de 45.000 millones de euros y más de 290.000 empleados. Esto generó un valor añadido de más de 12.000 millones de euros.

40

17

6

56

27

6

3

19

2

46

19

228

3

19

15

2

0 10 20 30 40 50 60

Alemania

España

Francia

Italia

Polonia

Rumanía

Eslovaquia

Suecia

Reino Unido

Croacia

2008

2009

Países con mayor nº de empresas. Periodo 2008‐2009

210

226

237

218

195

200

205

210

215

220

225

230

235

240

2006 2007 2008 2009

Nº de empresas. Periodo 2006‐2009

6.778,5

7.965,57.667,2

4.702,6

0,0

1.000,0

2.000,0

3.000,0

4.000,0

5.000,0

6.000,0

7.000,0

8.000,0

9.000,0

2006 2007 2008 2009

Facturación (millones de euros).Periodo 2006‐2009

17.700

18.500

18200

16.200

15.000

15.500

16.000

16.500

17.000

17.500

18.000

18.500

19.000

2006 2007 2008 2009

Nº de empleados. Periodo 2006‐2009


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En la tabla siguiente se pone de manifiesto la evolución con respecto al año anterior.

Nº de Empleados


Nº de Empresas

Valor añadido (millones de euros)

2009 293.300 44.992,47 14.480 12.242,38

2008 315.900 62.650,07 12.793 17.242,32


El país con mayor número de empresas es Francia, seguido de España, Italia, Alemania, República Checa, Portugal, Reino Unido, Suecia y Polonia.


Se trata principalmente de pequeñas y medianas empresas, como se muestra en la tabla siguiente.

Nº de empleados

250 o más Entre 50 y 240 Entre 20 y 49 Entre 10 y 19 Entre 0 y 9

Empresas 212 944 1397 1058 8503


1.414

1.775

1.784

1.708

638

914

742

895

1.250

0 500 1.000 1.500 2.000

Alemania

España

Francia

Italia

Polonia

Portugal

Suecia

Reino Unido

República Checa

Países con mayor nº de empresas. Año 2009


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Los siguientes gráficos muestran la evolución del nº de empresas, de la facturación y del nº de empleados durante el periodo 2006-2009


En cuanto a los valores de los productos vendidos en el sector de conformado de chapa metálica en Europa, las estadísticas elaboradas por Eurostat nos muestran los siguientes datos para el año 2010.

16.07815.942

14.653

14.480

13.500

14.000

14.500

15.000

15.500

16.000

16.500

2006 2007 2008 2009


56.475

61.911 62.650

44.992

0,0

10.000,0

20.000,0

30.000,0

40.000,0

50.000,0

60.000,0

70.000,0

2006 2007 2008 2009

Facturación (millones de euros).Periodo 2006‐2009

3.196

3.266

3.159

2.933

2.700

2.800

2.900

3.000

3.100

3.200

3.300

2006 2007 2008 2009



EMERTEC 16/303

DENOMINACIÓN PRODUCCIÓN VENDIDA. AÑO 2010 (Euros)

Sheet metal forming of steel as parts for land vehicles excluding locomotives and rolling stock 10.016.689.680

Parts of piston engines and mechanical engineering of HS 8483 (sheet metal forming of steel) 411.000.000

Steel sheet forming parts for machinery and mechanical appliances excluding for piston engines 2.020.491.967

Sheet metal forming of steel as parts for electrical machinery and equipment, for sound recorders and reproducers, television image and sound recorders and reproducers 2.121.234.549

Articles of HS 7323, 7326; parts of furn. of HS 9403; parts of land vehicles and track fixtures of 86; apparatus of 90 (sheet met. formings of non-fer. met.) 6.018.638.747

Household articles, parts of mechanical engineering, apparatus, furniture and vehicles of HS 84, 85, 86, 88, 94 (sheet metal formings of non-ferrous metal) 1.783.170.773

TOTAL (EUR 27) 22.371.225.716

Fuente: Eurostat

Estados Unidos

Para estudiar el sector en Estados Unidos se ha utilizado la información disponible en el “Business Register”, que ofrece información sobre empresas, establecimientos, nº de empleados y gasto anual en nóminas, incluidos en el programa SUSB (Statistics of U.S. Businesses), publicado por la Oficina del Censo de los EEUU.

La tabla siguiente muestra los datos indicados para el sector de la estampación metálica


EMERTEC 17/303

Estampación



Total Salario Bruto Anual (miles de

dólares)

1: Total 1.472 1.550 51.144 2.093.783

2: 0-4 310 310 674 26.788

3: 5-9 263 263 1.783 63.716

4: 10-19 260 261 3.627 143.029

5: <20 833 834 6.084 233.533

6: 20-99 471 488 19.932 790.474

7: 100-499 121 159 15.776 636.402

8: <500 1.425 1.481 41.792 1.660.409

9: 500+ 47 69 9.352 433.374

Fundición

Situación en el mundo

La producción en el sector de fundicón en 2009 descendió a 80.343.048 toneladas, es decir un 14% menos que en 2008, según el censo Modern Casting de la producción de fundición mundial. De los 34 países que intervinieron en dicha encuesta ese año, sólo cinco tuvieron crecimiento: China, India, Corea, Portugal y Sudáfrica. La caída media de la producción en el resto de países fue del 30%.

El principal país productor es China, que representa aproximadamente el 36% de la producción mundial, seguido por el bloque de países europeos (16%) y Estados Unidos (10 %). El gráfico siguiente muestra los datos de producción global en el mundo en el año 2009.


EMERTEC 18/303

Figura 1: Producción de fundición en el mundo 2009

Fuente: VDG con datos de Modern Casting. World Census of casting production.

En cuanto al volumen de mercado para este subsector, el principal cliente por área geográfica son los países denominados como BRIC (Brasil, Rusia, India y China) y en segundo lugar son los países miembros de la Unión Europea y candidatos. El gráfico siguiente muestra el consumo de fundición por áreas geográficas así como una previsión de su evolución hasta 2020.

Fig 2: Consumo especifico de fundición por áreas geográficas. Evolución 1992-2020

Fuente: DGV, ifo-institut. (*Nota: NMS+Kand son nuevos Estados Miembros de la UE y candidatos. Sonst. Asien: resto de Asia)


EMERTEC 19/303

Como se puede observar en el gráfico siguiente y en el que se presenta a continuación, la proporción del consumo proveniente de los países BRIC ha aumentado en los últimos años y las previsiones apuntan a que lo seguirá haciendo hasta 2020. Por el contrario, se prevé que los países europeos demanden menos productos de fundición en los próximos años.

Figura 3: Movimientos en el consumo de fundición en el mundo

Fuente: DGV, ifo-institut

Los expertos del sector apuntan a que habrá una mayor regionalización de los mercados debido a la logística (tiempo, seguridad de la producción, coste de transporte), las dificultades para desarrollar acuerdos de partenariado y otros motivos, como las diferencias culturales y los costes de calidad. Sin embargo, a pesar del enfoque regional, la mayoría de empresas serán globales. En este sentido, muchas empresas de fundición seguirán a sus clientes del sector de automoción a mercados emergentes pero mantendrán su carácter global. Según las previsiones, el mercado americano y europeo permanecerá estable en los próximos años pero el crecimiento económico será principalmente en Asia.

A continuación, se presenta una tabla con las expectativas de crecimiento de los principales mercados para la fundición hasta 2015.


EMERTEC 20/303

Tabla 1: Crecimiento de mercado para la fundición hasta 2015 (base 2010)

Alemania Europa NAFTA/EE.UU Asia

Automoción ++ 0 (+) 0 ++

Ingeniería ++ ++ - +

Gestión energética + + + ++

Industria construcción

- 0 0 ++

Electrónica - - - ++

Construcción naval - 0 - 0

Fuente: Asociación de Fundición Alemana

Unión Europea

Según los datos de Eurostat, la producción de fundición en la Unión Europea fue de 27.460 millones de euros en 2009 que se desglosan en 24.308 de materiales férreos y 3.155 millones de euros de materiales no férreos.

SUBSECTOR FUNDICIÓN EN LA UNIÓN EUROPEA (2009)

Nº empresas fundición Nº de empleados Total valor producción (mill €)

6.223 241.600 27.460

Fuente: EUROSTAT. NACE C245- Casting of metals (Annual detailed enterprise statistics for

industry)

Las empresas de fundición están situadas principalmente en Italia, Alemania, Reino Unido y España. España es el cuarto país en fundición de materiales férreos y el segundo de materiales no férreos.

Los datos del gráfico siguiente, reflejan el número de empresas en los principales países de la Unión Europea. En la mayoría de ellos, el número de empresas bajó respecto al pasado año y en global, en todos los países de la Unión Europea hubo 169 empresas menos de fundición: 109 menos de materiales férreos y 63 menos de materiales no férreos.


EMERTEC 21/303

Figura 4: Número de empresas de fundición de materiales férreos y materiales no férreos en la Unión Europea. 2009

Fuente: Eurostat. NACE C245- Casting of metals (Annual detailed enterprise statistics for industry)

Por otra parte, según Eurostat, el sector emplea un total de 241.600 personas. En la Unión Europea en 2009 se perdieron el 13% de los empleos respecto al año 2008. Los países que más empleo perdieron, en valor absoluto, fueron Alemania (más de 8.106 empleos), República Checa (cerca de 5.201 empleos), Polonia (3.180 empleos) y España (algo más de 3.150 empleos).

Los datos de Eurostat difieren de los datos de CAEF, The European Foundry Association, ya que en algunos países incluyen únicamente empresas de más de 50 empleados y además, sólo incluyen los 20 países que forman parte de la asociación. Los gráficos siguientes muestran la evolución del número de empleados de fundición de materiales férreos y de materiales no férreos, en cada uno de los países miembros de FEAF, en los que se puede apreciar un punto de inflexión en el 2009, con una leve recuperación en el año 2010.

0 200 400 600 800 1.000

Belgium

Bulgaria

Germany

Greece

Spain

France

Italy

Hungary

Netherlands

Austria

Poland

Portugal

Romania

Slovenia

Slovakia

Finland

Sweden

United Kingdom

Norway

Croatia

Materiales no ferreos

Materiales ferreos


EMERTEC 22/303

Figura 5: Evolución del empleo en la industria de fundición materiales férreos

Fuente: FEAF

Figura 6: Evolución del empleo en la industria de fundición materiales no férreos

Fuente: FEAF

Por su parte, la productividad medida entendida como la facturación media por empleado disminuyó en la mayoría de los países europeos en 2009 respecto a 2008. Estos datos se pueden explicar por el descenso de la facturación de las empresas y la necesidad de mantener una estructura estable de personal para llevar a cabo la producción.

El gráfico siguiente muestra la facturación por persona empleada en el sector de la fundición en los países más relevantes para este sector en Europa durante los años 2008 y 2009.

Germany

ItalySpain

Turkey

Otros

FrancePoland

United Kingdom

0

10.000

20.000

30.000

40.000

50.000

60.000

2006 2007 2008 2009 2010

France

Germany

Italy

Poland

Spain

United Kingdom

Otros

Turkey

0

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

35.000

40.000

2006 2007 2008 2009 2010


EMERTEC 23/303

Figura 7: Facturación por persona empleada en el sector de fundición 2008-2009

Fuente: Eurostat. NACE C245- Casting of metals (Annual detailed enterprise statistics for industry)

Forja


A continuación, se analiza la evolución y las tendencias en las principales áreas geográficas en las que se encuentran las empresas de forja por estampación en el mundo.

A falta de datos a nivel global, a continuación se analizan este subsector en América del Norte, La India y la Unión Europea.

América del Norte: Estados Unidos, Canadá y México

El mercado global de forja en 2010 supuso aproximadamente 7.500 millones de dólares en Norteamérica. La industria total incluye productos customizados, cautivos (in-house) y los estándar o de catálogo.

En los años 2002 y 2003, la forja estadounidense sufrió una gran caída debido a la fuerte competencia global, los cambios de tecnología y los factores económicos y medioambientales. Las empresas que han sobrevivido al recorte de la industria han tenido que emerger más fuertes, mejor equipadas para afrontar los retos de la competencia global y de las nuevas demandas de los clientes.

La forja por estampación supuso en 2010 alrededor de 5.300 millones de USD, incrementando su valor en un 11% respecto al año anterior. El mayor sector cliente fue el sector aeroespacial donde se destinaron el 31,1% de las ventas, algo menos que en 2009 que supuso el 39,8% de las mismas. El sector aeroespacial incluye motores, partes de aviones, equipo auxiliar y misiles guiados, así como vehículos espaciales. En segundo lugar, las ventas se dirigieron al sector de automoción que agrupa automóviles, camiones ligeros, vehículos deportivos utilitarios y sus partes.

0

50

100

150

200

250

300

Belgium

Bulgar

ia

Czech

Repub

lic

Denm

ark

German

y

Ireland

Spain Ita

ly

Hungary

Netherla

nds

Austria

Poland

Portugal

Romania

Slovenia

Slovakia

Finland

Sweden

United K

ingdom

Norway

Croati

a

2008

2009


EMERTEC 24/303

Fuente: Forging Industry Association

El proceso de forja moderno es intensivo en capital, es decir, requiere equipos pesados para producir y personas para hacerlo funcionar y mantenerlo. Por tanto, la mayoría de las plantas de forja son empresas medianas de 50 a 500 personas y sólo un pequeño porcentaje emplea a más de 1000 personas. La mayoría de las empresas en Estados Unidos se localizan en cinco Estados: Ohio, Pensilvania, Illinois, Michigan y California.

Los principales productores norteamericanos son: Alcoa, American Axle and Manufacturing, FormTech, Hephaestus Holdings, Ladish, Thyssen Krupp, Wyman Gordon.

India

Dentro de la zona Asia-Pacífico, se destaca la India por la importancia que esta industria tiene para el país. Otro país en el que sin duda está aumentado su presencia en este subsector, es China pero ha sido difícil encontrar datos representativos.

La producción total de forja en la India fue de 2,3 millones de Tn en 2011. Esta cifra aumentó un 35% respecto a los 1,8 millones de toneladas que se produjeron en 2009-2010. La asociación de empresas indias (AIFI) es muy optimista y espera alcanzar una producción de alrededor de 4 millones de toneladas en 2015. Además de las medidas tomadas por las empresas como la ampliación de su capacidad productiva, la modernización y racionalización de costes, el sector de automoción indio, principal cliente de las empresas de forja tiene previsiones de crecimiento en este país.

La producción en este país aumentó hasta 2008, y como en otros lugares del mundo descendió bruscamente en el año 2009 para volver a recuperarse en 2010 y sobre todo en 2011. Así, según la AIFI, las empresas del sector perdieron unos 50.000 empleados debido a la caída de su principal sector cliente, el de automoción.

El gráfico siguiente únicamente muestra la evolución de la producción de forja india así como sus exportaciones hasta el año 2008 ya que no se dispone de los datos actualizados hasta 20011.

Forja por estampación Norteamérica (millones de USD)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010


EMERTEC 25/303

Figura 1: Producción y exportaciones de las empresas indias (2000 – 2008)

Fuente: Association of Indian Forging Industry (AIFI)

La industria de forja en la India se segmenta en cuatro grupos: empresas grandes, medianas, pequeñas y microempresas. Las empresas grandes pertenecen a la industria de componentes para automoción y son unas 400, de las cuales, únicamente 9 ó 10 están presentes en todo el país. La mayoría de las empresas son PYMES.

Otra categorización que se realiza en este país son las que pertenecen al sector organizado, alrededor de 65% de toda la producción de forja del país, y los actores desorganizados, principalmente pequeñas empresas y micropymes, que trabajan en el mercado de reemplazamiento o tier 3 ó 4 de fabricantes de componentes.

Figura 2: Proporción de empresas de forja indias según el número de empleados 2009

Fuente: Association of Indian Forging Industry (AIFI)

Al contrario que en otros sectores industriales, se han dado relativamente pocos procesos de concentración de empresas en el país mediante fusiones y adquisiciones debido a la alta variedad de productos que se fabrican. Sin embargo, algunas

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

2000-2001 2001-2002 2002-2003 2003-2004 2004-2005 2005-2006 2006-2007 2007-2008

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

Producción (miles Tn) Exportación (millones USD)


EMERTEC 26/303

empresas de forja indias como Amtek Auto, Bharat forge, Sundram Fasteners, etc. sí que han abordado otros países de economías emergentes con el fin de establecerse como proveedores de bajo coste.

Tradicionalmente, en India esta industria era intensiva en mano de obra llegando a emplear hasta a 200.000 empleados. Sin embargo, debido a la globalización, la industria y a la crisis se ha convertido en más intensiva en capital. Sin embargo, el alto coste de la tecnología sigue siendo una de las principales barreras de la industria de forja, principalmente en las PYMES. La inversión total de las empresas medianas y grandes se estima en alrededor de 700 millones de dólares.

Unión Europea

La producción de forja total en la Unión Europea fue de 42.090 millones de euros en 2009, un 30% menos que el año precedente, en el que se produjo forja por valor de 60.500 millones de euros.

SUBSECTOR FORJA EN LA UNIÓN EUROPEA (2009)

Nº empresas forja Nº de empleados Total valor producción (mill €)

14.500 282.900 42.090

Fuente: EUROSTAT. NACE C255- Forging, pressing, stamping and roll-forming of metal; powder metallurgy. (Annual detailed enterprise statistics for industry)

Las empresas de forja están situadas principalmente en Francia, España, Italia, Alemania y República Checa. Según los últimos datos de los que se disponen en Eurostat y que se reflejan en el gráfico siguiente, el número de empresas descendió en prácticamente todos los países europeos salvo en Francia, donde aumentó en 119 empresas y Bélgica, donde lo hizo en 139.

En el siguiente gráfico se han excluido los datos de Letonia, Estonia, Lituania, Irlanda, Chipre y Luxemburgo por tener menos de 40 empresas y no resultar representativo.


EMERTEC 27/303

Figura 3: Número de empresas de forja en los países de la Unión Europeo 2008-2009


Por otra parte, el sector emplea un total de 283.900 personas. En la Unión Europea en 2009 se perdieron cerca del 8% de los empleos respecto al año 2008. Los países que más empleo perdieron, en valor absoluto, fueron Alemania (más de 6.500 empleos), Reino Unido (cerca de 5.500 empleos) y España (3.150 empleos).

Por su parte, la productividad medida como la facturación media por empleado en el sector, disminuyó un 23% en 2009, respecto al año anterior, situándose en 153.390 €. Las facturaciones medias más elevadas en 2009 corresponden a Italia, España, Holanda y Austria. Los países en los que se produjo una mayor disminución en el 2009 fueron Bélgica, Finlandia, Italia y Holanda.

0 500 1.000 1.500 2.000

Belgium

Bulgaria

Czech Republic

Denmark

Germany

Greece

Spain

France

Italy

Hungary

Netherlands

Austria

Poland

Portugal

Romania

Slovenia

Slovakia

Finland

Sw eden

United Kingdom

Norw ay

Croatia

2008

2009


EMERTEC 28/303

Figura 4: Número de empleados del sector forja y su facturación media en los países de la Unión Europea 2009


El sector cliente principal del subsector de forja en Europa es el de automoción, al que se destino el 58% de la producción de las empresas europeas. Otros sectores importantes son el de construcción mecánica (11%), maquinaria agrícola (8%), maquinaria para minería (2%), ferrocarriles (2%) y equipo aeroespacial (1%).

Figura 5: Perfil del cliente de forja en Europa

Fuente: Euroforge. Asociación Europea de Forja

0

50

100

150

200

250

Belgium

Bulgaria

Czech

Republic

Denm

ark

Germany

Estonia

Ireland

Greece

Spain

France Ita

ly

Cypru

s

Latvia

Lithuania

Luxembourg

Hungary

Netherla

nds

Austria

Poland

Portugal

Romania

Slovenia

Slovakia

Finland

Sweden

United K

ingdom

Norway

Croatia

0

20.000

40.000

60.000

80.000

100.000

120.000

Facturación por empleado Personal


EMERTEC 29/303

Mecanizado

El sector de mecanizado es complejo debido a la cantidad de procesos, variables que los condicionan y tipos de empresas. Además, el hecho de no tener un código de actividad propio así como asociaciones sectoriales específicas, dificulta el análisis del estado actual y evolución del sector.

En este sentido, con el fin de presentar los indicadores principales, se utilizarán diversas fuentes, principalmente, Eurostat (NACE C2562- Machining) y los datos del sector de máquina herramienta ya que el sector industrial del mecanizado por arranque de viruta está englobado en dicho sector.


La mayoría de fabricantes de máquina herramienta en el mundo empezaron a salir de la recesión en el año 2010 ya que este año, la producción de los principales 28 países productores creció a 66,3 miles de millones de dólares. Esta cifra representa una ganancia de un 21% respecto al año anterior, en el que se produjo por valor de 54,7 miles de millones de dólares, es decir, un tercio menos que en el año 2008.

El dominio de China continúa. Durante años, China ha sido el mayor consumidor de máquina herramienta y en 2009 también se convirtió en el principal productor. En 2010, el liderazgo continúa y el país sigue obteniendo grandes ganancias alcanzando una representación del 30% de la producción mundial. Sin embargo, la gran mayoría de la producción china está dedicada al mercado interno y todavía se pueden ver pocas máquinas herramientas instaladas en los mercados occidentales.

Por su parte, la industria de producción de máquina herramienta en Japón ha retrocedido después de un desastroso 2009 en el que tuvo una caída del 59% (medido en yenes). En 2010 volvió a ser el número dos de los países productores. El sector alemán, no cayó tanto en 2010 como en 2009. Aún así, tuvo un retroceso del 5% y es el tercer país productor del mundo. Estados Unidos también sigue en caída libre y se sitúa en el puesto octavo, después de Italia, Corea del Sur, Taiwán y Suiza.

Respecto al consumo, se estima que China siga incrementando la importación y producción interna de su maquinaria y de esta manera, seguirá siendo el primer consumidor de máquina herramienta con mucha diferencia, con una valor estimado de máquinas instaladas de 27,3 miles de millones de dólares. En términos de valor, cuatro de cada diez máquinas herramientas producidas en cualquier lugar del mundo el año pasado fueron a una empresa de fabricación china. Alemania es el segundo consumidor de máquina herramienta, con 5 miles de millones de dólares y Estados Unidos el siguiente con 2,7 miles de millones $.


EMERTEC 30/303

Figura 1: Producción de máquina herramienta (arranque viruta y deformación) en millones de dólares 2010

Fuente: World Machine Tool Output & Consumption Survey

Unión Europea

La producción de mecanizado según Eurostat fue de 57.655 millones de euros en 2009, un 30% menos del año anterior. Sin embargo, en Europa, al igual que en el resto del mundo, se produjo una mejora de la producción durante 2010 y se espera seguir mejorando ligeramente en 2011.

SUBSECTOR DE MECANIZADO EN LA UNIÓN EUROPEA (2009)

Nº empresas mecanizado Nº de empleados Total producción (mill €)

108.339 1.104.600 57.655

Fuente: EUROSTAT. NACE C2562- Machining (Annual detailed enterprise statistics for

industry)

Como se ha mencionado anteriormente, los datos de Eurostat difieren de los del estudio anterior debido a que la categorización de las empresas y el tamaño de las mismas son considerados de forma diferente por parte de cada una de las fuentes. Sin embargo, a efectos representativos y para valorar el reparto de empresas en cada uno de los países de la Unión Europea, a continuación, se muestra un gráfico que

0 5000 10000 15000 20000

China

Japan

Germany

Taiw an

Italy

Korea

Sw itzerland

United States

Austria

Spain

Brazil

France

United Kingdom

Czech Republic

Russia

Canada

India

Netherlands

Arranque viruta

Deformación


EMERTEC 31/303

representa la evolución del número de empresas de mecanizado durante los años 2008 y 2009. Como se puede observar, los principales países por número de empresas dedicadas a este sector son Alemania, Italia, Polonia y Reino Unido.

Figura 2: Número de empresas de mecanizado en los países de la Unión Europea 2009-2009

Fuente: EUROSTAT. NACE C2562- Machining (Annual detailed enterprise statistics for industry)

Por otra parte, el sector emplea en la UE un total de 1.104.600 personas. En global, en 2009 se perdieron cerca del 10% de los empleos respecto al año 2008. los países que más empleo perdieron en valor absoluto, fueron Italia (17.000 empleos menos), Alemania (14.100 empleos) y España (11.150 empleos)

Por su parte, la productividad medida como la facturación media por empleado en el sector, disminuyó un 22% en 2009 respecto al año anterior, situándose en 79.420 euros. Las facturaciones medias más elevadas en 2009 correspondieron a Austria, Noruega, Bélgica y Holanda. Los países en los que se produjo un mayor descenso en 2009 respecto al año anterior fueron Italia, Reino Unido y Polonia.

0 2.000 4.000 6.000 8.000 10.000 12.000 14.000 16.000 18.000 20.000

Belgium

Bulgaria

Denmark

Germany

Spain

France

Italy

Cyprus

Hungary

Netherlands

Austria

Poland

Portugal

Romania

Slovenia

Slovakia

Finland

Sw eden

United Kingdom

Norw ay

Croatia

2008

2009


EMERTEC 32/303

Figura 3: Número de empleados del subsector mecanizado y su facturación media en los principales países de la Unión Europea 2009

Fuente: EUROSTAT. NACE C2562- Machining (Annual detailed enterprise statistics for industry)

Finalmente, CECIMO, la Asociación Europea de Máquina Herramienta, basada en datos de la Comisión Europea sobre la evolución de la economía en los países en los que la asociación está presente, ha realizado una previsión en 20011 en la que estima un ligero crecimiento de los pedidos de la máquina herramienta para los próximos años.

Figura 4: Previsión de la tasa de crecimiento de pedidos y producción de máquina herramienta

Fuente: CECIMO. Statistical Toolbox. Noviembre 2011

0

20.000

40.000

60.000

80.000

100.000

120.000

140.000

160.000

Belgiu

m

Bulga

ria

Ger

man

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Spain

Franc

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Hungar

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s

Austri

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Polan

d

Portu

gal

Slove

nia

Slova

kia

Finlan

d

Sweden

United

Kin

gdom

Norway

Croat

ia

0

50

100

150

200

250

Número empleados Facturación por empleado


EMERTEC 33/303

Situación de los subsectores a nivel NACIONAL

Tratamientos térmicos y superficiales

El sector de los tratamientos térmicos y superficiales generó en el año 2009, una facturación de casi 2 millones de euros, lo que supone el 6% del total del sector de fabricación de productos metálicos, excepto maquinaria y equipo.

Fuente: INE

La facturación del sector ha pasado de los casi 3.000 millones de euros en 2007 a los 2.000 millones en 2009, reflejo de la crisis del sector. La siguiente gráfica muestra la evolución de la facturación durante el periodo 2006-2009.

Volumen de facturación (miles de Euros). Periodo 2006‐2009

Fuente: INE

1.988.085

31.925.939

CNAE 25.61. Tratamientoy revestimiento demetales

CNAE 25. Fabricación deproductos metálicos,excepto maquinaria yequipo

Volumen de facturación (miles de Euros). Año 2009

2594778

29196442803304

1988085

0

500000

1000000

1500000

2000000

2500000

3000000

3500000

2006 2007 2008 2009

Facturación


EMERTEC 34/303

En España el valor de los productos vendidos por este subsector fue de más de 96 millones de euros en el año 2010. El siguiente gráfico muestra el valor porcentual de cada una de las técnicas de tratamiento o recubrimiento superficial, con respecto al de los productos tratados mediante dichas técnicas a nivel europeo. Como se puede apreciar, los tratamientos térmicos suponen un 23% del total siendo el valor más alto de todos.

Producción vendida durante 2010 en valor porcentual, para las distintas áreas tecnológicas consideradas en el sector de

tratamientos superficiales respecto al total a nivel europeo

Fuente: Eurostat

Según la estadística elaborada por el INE, en el año 2009 había en el Estado Español un total de 1504 empresas, de las cuales 1249 eran de menos de 20 empleados y 255 de más de 20.

Recubrimientos metálicos por inmersión en

metales fundidos12%

Recubrientos metálicos por proyección térmica

2%

Recubrientos metálicos de cinc por galvanizado

electrolítico y procedimientos

químicos8%Otros recubrimientos

metálicos electrolíticos o químicos (níquel,

cobre, cromo, metales preciosos, etc.)

14%

Plastificación4%


4%

Tratamientos térmicos distintos del

revestimiento metálico23%

Pintura, barnizado5%

Anodización2%


17%


9%


EMERTEC 35/303

Fuente: INE

En cuanto a la distribución territorial de las empresas, en España existen cuatro polos industriales que, históricamente, han concentrado la actividad empresarial y han sido motor económico del país en términos de actividad industrial. Estas cuatro zonas geográficas corresponden a Cataluña (461 empresas), País Vasco (330 empresas), Comunidad Valenciana (181 empresas) y Madrid (164 empresas).

En el sector de tratamientos superficiales y térmicos, las provincias con más peso en número de empresas, son las antes detalladas y por ese orden, siendo clave en su evolución el desarrollo de servicios a terceros, el factor proximidad al cliente y la existencia de núcleos industriales.

Estableciendo una comparativa entre la evolución del número de empresas y las personas ocupadas, se observa que entre los años 2006 y 2009 el descenso en el número de empresas en el sector fue del 1,2% mientras que el número de personas ocupadas descendió en un 5,9%; es decir, se estaba ya produciendo una reestructuración en el sector promovida por la caída de la actividad económica y por la entrada de competencia del exterior, lo cual obligó y obliga a incrementar los ratios de productividad y consecuentemente la competitividad de la empresa. A continuación se exponen unos gráficos que reflejan la evolución de las empresas y del nº de empleados.

1504

1249

255

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

Total Menos de 20 personasocupadas

20 o más personas ocupadas

Nº de empresas. Año 2009


EMERTEC 36/303

Fuente: INE

En cuanto al peso del subsector sobre el número total de empleados a nivel nacional en el sector industrial, hay que señalar que es relativamente bajo y se mantiene constante, en torno al 1%, durante los años en que se han evaluado los datos.

En cuanto a los valores de los productos manufacturados en las distintas áreas tecnológicas analizadas, las estadísticas elaboradas por el INE nos muestran los siguientes datos para el año 2010.

Productos manufacturados. Año 2010. Valores en miles de Euros

Fuente: INE - Encuesta Industrial de productos (2010)

1699

1641 1646

1504

1400

1450

1500

1550

1600

1650

1700

1750

2006 2007 2008 2009


24.525 2434423080

18815

0

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

2006 2007 2008 2009

Personas ocupadas. Periodo 2006‐2009

240.48121.855

295.435

173.137

49.60731.597

96.607

456.523

107.918

14.950

313.322

Revestimiento metálico por inmersión en metalesfundidos

Revestimiento metálico por proyección térmica

Revestimiento metálico de cinc por galvanizadoelectrolítico y procedimientos químicos

Otros revestimientos metálicos (níquel, cobre,cromo, etc.)

Plastificación


Tratamientos térmicos distintos del revestimientometálico

Pintura, barnizado

Anodización




EMERTEC 37/303

Deformación metálica plana

Como ya se ha detallado anteriormente, en la descripción de la situación internacional de esta área tecnológica, para estudiar el subsector a nivel tanto europeo como nacional se han utilizado las estadísticas disponibles en las bases de datos de Eurostat, oficina de estadísticas oficiales de la Unión Europea y del INE (Instituto Nacional de Estadística) para los códigos de actividad CNAE 09 (NACE 2ª rev.) 2432 correspondiente a laminación en frío y 2250 Forja, estampación, embutición de metales y metalurgia de polvos.

De acuerdo con las estadísticas publicadas por Eurostat, en el año 2009 la industria española de laminación en frío estaba formado por 17 empresas y 1258 empleados, que generaron una facturación de 467 millones de euros y un valor añadido de 1,2 millones de euros.


Para el caso de la industria incluida dentro de la clasificación de forja, estampación, embutición de metales y metalurgia de polvos, el número de empresas, en el año 2009, era de más de 1.400, con una facturación de alrededor de 4.636.136 miles de euros y un total de 25.568 empleados. La siguiente tabla muestra la evolución con respecto al año anterior.

Nº de empresas

Facturación (miles de euros)

Personas Ocupadas

2009 1.440 4.636.136 25.568

2008 1.463 7.076.351 29.154

Fuente: INE

688,7

768,0811,2

467,1

0,0

100,0

200,0

300,0

400,0

500,0

600,0

700,0

800,0

900,0

2006 2007 2008 2009

Facturación (millones de euros). Periodo 2006‐2009

1516

19

17

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

2006 2007 2008 2009

Nº de empreas. Periodo 2006‐2009

16211527 1554

1258

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2006 2007 2008 2009



EMERTEC 38/303

Se trata principalmente de pequeñas empresas, ya que de un total de 1.440 empresas, más de 1.100 tienen menos de 20 empleados.

Total

Menos de 20 personas ocupadas

20 o más personas ocupadas

2009 1.440 1.153 288

2008 1.463 1.108 355

Fuente: INE

En los siguientes gráficos se puede analizar la evolución del nº de empresas, así como la facturación y el nº de empleados, durante el periodo 2006-2009:

Fuente: INE

En cuanto a los valores de los productos vendidos en España en el subsector de conformado de chapa metálica, las estadísticas elaboradas por el INE muestran los siguientes datos para el año 2010.

1.548

1621

14631440

1.300

1.350

1.400

1.450

1.500

1.550

1.600

1.650

2006 2007 2008 2009


6096071

6970581 7076351

4636136

0

1000000

2000000

3000000

4000000

5000000

6000000

7000000

8000000

2006 2007 2008 2009

Facturación (miles de euros). Periodo 2006‐2009

31395 3196829154

25568

0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

35000

2006 2007 2008 2009

Personas ocupadas. Periodo 2006‐2009


EMERTEC 39/303

DENOMINACIÓN PRODUCCIÓN

VENDIDA. AÑO 2010 (Miles de euros)

Conformación de chapas de acero (doblado, punzonado, etc.)

*Partes de vehículos automóviles, tractores, ciclos y demás vehículos terrestres 278.207

*Las demás partes para motores de émbolo y órganos mecánicos 6.481

*Partes para las demás maquinas y aparatos mecánicos 165.339

*Partes para las demás maquinas y aparatos eléctricos 61.897

*Artículos de uso doméstico; partes de muebles; de vehículos y aparatos de vías férreas y navegación aérea 97.831

TOTAL 609.755

Conformación de chapas de metales no ferrosos (doblado, punzonado, etc.)

78.804

Fuente: INE (Encuesta Industrial de Productos)

Fundición

En 2010, las 124 fundiciones españolas emplearon a 14.160 personas y tuvieron una producción de 1.011.383, según datos de la Federación Española de Asociaciones de Fundidores (FEAF),

SUBSECTOR FUNDICIÓN EN ESPAÑA (2010)

Nº plantas de fundición Nº de empleados Total producción (Tn)

124 14.160 1.011.383

Fuente: Federación Española de Asociaciones de Fundidores (FEAF)

Históricamente, la mayor parte de la actividad económica del sector del metal se ha concentrado geográficamente en cuatro comunidades autónomas. Estas comunidades, Cataluña, el País Vasco, la Comunidad Valenciana y Madrid, son a su vez las que concentran la mayor parte de las empresas del subsector de fundición.

El siguiente gráfico refleja el número de las empresas del subsector de fundición en las diferentes comunidades autónomas, así como su evolución en los últimos cuatro años. Cabe señalar que los datos que se presentan provienen del Instituto Nacional de Estadística (INE) y hacen referencia al subsector de fundición en general. En este sentido, se pueden apreciar ciertas diferencias respecto a los datos que también se


EMERTEC 40/303

barajan en el presente estudio y que provienen de la Federación Española de Asociaciones de Fundidores (FEAF) que únicamente contemplan la información de las empresas asociadas a dicha federación. Sin embargo, se han utilizado ambas fuentes por la complementariedad en cuanto a indicadores que ofrecen y datos de evolución.

Figura 1: Empresas del subsector de fundición en España

Fuente: Instituto Nacional de Estadística. Directorio Central de Empresas. CNAE-2009 245

Como se puede observar en el gráfico anterior, se ha producido una reducción del número de empresas en los 4 últimos años en 14 de las 17 comunidades autónomas analizadas (las Ciudades Autónomas de Ceuta y Melilla no se incluyen por no tener empresas de fundición censadas). Las comunidades que destacan por el número de empresas que de 2008 a 2011 han cerrado sus puertas son: Cataluña (23 empresas, es decir, un 16%), Andalucía (14 empresas que equivale a una disminución del 25%) y el País Vasco (14 empresas, es decir, el 10% de las existentes en 2008). Otras comunidades que han sufrido una disminución en el número de empresas respecto a las que tenían hace 4 años son Aragón, algo más del 25% y Madrid con cerca del 14%.

El subsector de la fundición en España está formado por empresas que funden tanto materiales férreos (hierro, acero y otras aleaciones) como materiales no férreos (aluminio y otras aleaciones no férreas). Las estadísticas y los datos de los que se dispone a nivel europeo e internacional se encuentran también divididas en esas dos tipologías. Por tanto, a continuación se presentan los datos desagregados de esta forma.

DISTRIBUCIÓN EMPRESAS FUNDICIÓN POR CC.AA.

020

4060

80100

120140

160

Andalu

cía

Aragón

Asturias

Balears

Canarias

Cantab

ria

Castil la y

León

Castil l

a - La M

ancha

Cataluña

Comun itat V

alenc

iana

Extremadu

ra

Galicia

Madrid

Murcia

Navarra

País V

asco

Rio ja

2008

2009

2010

2011


EMERTEC 41/303

Fundición de materiales férreos

El subsector de la fundición de metales férreos en 2010 ocupó a 10.316 personas.

El siguiente gráfico muestra la evolución del empleo y del número de empresas en el subsector de fundición de materiales férreos entre los años 2006 y 2010. Una de las principales conclusiones del análisis de los datos es que en los últimos 5 años, se ha producido una importante disminución del 11% de las personas empleadas. Además, durante estos años han desaparecido 12 empresas del subsector de materiales férreos, lo que equivale al 11% de las que había en 2006.

Figura 2: Personal empleado y número de empresas en subsector fundición materiales férreos (2006-2010)

Fuente: Federación Española de Asociaciones de Fundidores (FEAF) y Asociación Europea de Fundidores (CAEF)

Por otra parte, la producción en el subsector de la fundición de materiales férreos también se resintió principalmente en 2009, año en el que retrocedió a niveles más bajos que en 2003. Sin embargo, tal y como se observa en la tabla siguiente, en 2010 se aprecia una ligera tendencia hacia la recuperación tanto en Toneladas producidas como en la productividad por empresa.

2006 2007 2008 2009 2010

Total Tn 1.080.900 1.275.900 1.221.700 800.000 1.025.400

Producción /empresa 10.918,2 13.573,4 13.425,3 8.701,1 11.783,9

Fuente: Federación Española de Asociaciones de Fundidores (FEAF) y Asociación Europea de

Fundidores (CAEF)

Evolución empleo y nº empresas fundición materiales férreos

0

20

40

60

80

100

120

2006 2007 2008 2009 2010

0

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

12.000

14.000

16.000

Empresas

Empleo


EMERTEC 42/303

En cuanto a la productividad del subsector de la fundición de materiales férreos, también parece que el 2009 fue un punto de inflexión y aunque los datos del 2010 no consiguen superar los de 2008, sí parece que apuntan hacia una mejora de la productividad por persona situándose en 89 Tn y cerca de 145.000 €.

Figura 3: Evolución de la productividad media por persona (2006-2010)


Fundidores (CAEF)

El principal mercado cliente del subsector de fundición de materiales férreos es el sector de automoción que absorbió el 58% de la producción total en 2010. A continuación, los mercados de valvulería y accesorios de tubería y el de la energía eólica ocupan el segundo y tercer lugar con un 15% y 5% de la producción respectivamente.

Otros mercados relevantes para este subsector son el de la construcción que supone un 4% de la producción y finalmente, los de ferrocarril, máquina herramienta y maquinaria agrícola a cada uno de los cuales se destina un 3% de producción.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

2006 2007 2008 2009 2010

0

20.000

40.000

60.000

80.000

100.000

120.000

140.000

160.000

180.000

Productividad por empleado (Tn) Productividad por empleado (€)


EMERTEC 43/303

Figura 4: Distribución de la producción de materiales férreos por sectores clientes en 2010


Finalmente, en 2010 las exportaciones del subsector de fundición de materiales férreos, sumaron un total de 468.733Tn, lo que supuso un 51,7% de la producción total.

Respecto a los datos de ventas al exterior del 2009 (359.407Tn), se puede concluir que en 2010 se ha producido un pequeño repunte ya que ascendieron en un 30% respecto al año anterior.

Fundición de materiales no férreos

El número de personas empleadas en el subsector de fundición de materiales no férreos en el año 2010 fue de 3.844.

Distribución de la producción de materiales férreos por sectores clientes en 2010

3%

3%

2%

15%

7%

5%

2%

4%

58%

3%

Automóvil - Vehículo Industrial Construcción y Cemento Energía EléctricaEnergía Eólica Ferrocarril Máquina HerramientaMaquinaria Agrícola Troquelería Valvuleria-Accesorios de TuberíaOtros


EMERTEC 44/303

Figura 5: Personal empleado y número de empresas en subsector fundición materiales no férreos (2006-2010)

Fuente: Federación Española de Asociaciones de Fundidores (FEAF) y Asociación Europea de Fundidores (CAEF)

Los datos del gráfico anterior reflejan una pequeña mejoría en cuanto a número de empresas y de empleados en el subsector de la fundición de materiales no férreos. En este sentido, en 2010 existen 4 nuevas fundiciones y este año aumentaron los empleos en casi un 4% respecto al anterior. Sin embargo, a pesar de la leve mejoría, los datos de 2010 no consiguen superar los de 2008 o los de años anteriores. Además, si se analiza la evolución desde 2006, el resultado es que se han perdido un total de 1.647 empleos en los últimos 5 años.

Por otra parte, la producción en el sector de la fundición de materiales no férreos también se ha resentido en los últimos años y aunque en el 2010 ha experimentado una leve mejoría, desde 2006 hasta 2010 ha caído un 27%.

Así mismo, la tabla siguiente muestra la misma tendencia en cuanto a la producción media por empresa que, a pesar de que en 2010 se aprecia un leve repunte de algo más del 5% respecto a los datos de 2009, está aún lejos de superar los valores del año 2008.

Producción fundición materiales no férreos 2006-2010

2006 2007 2008 2009 2010

Total Tn 161.400 157.200 137.500 101.600 117.700

Producción/empresa (Tn) 2.832 2.858 3.125 2.419 2.559


Fundidores (CAEF)

Evolución empleo y nº empresas en fundición no férreos

0

10

20

30

40

50

60

2006 2007 2008 2009 2010

0

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

7.000

Nº fundiciones Nº empleados


EMERTEC 45/303

Por otra parte, la productividad de la fundición de materiales no férreos por empleado en euros, también tuvo un punto de inflexión en 2009, año en el que disminuyó a 123.000 € por empleado. A pesar de que en 2010 parece que se ha iniciado una tendencia ascendente, aún no se han recuperado los valores de 2006, es más, ha disminuido casi un 10% respecto a valores de 2008.

Figura 6: Evolución de la productividad media por persona fundición materiales no férreos (2006-2010)


Fundidores (CAEF)

El mercado cliente del subsector de fundición de materiales no férreos es el de automoción, que en 2010 absorbió el 81% de la producción total.

A continuación, con gran diferencia, el segundo sector a los que se dirige los productos de fundición de materiales no férreos es el de la maquinaria eléctrica, con un 3% de la producción. El resto de sectores como el de electrodomésticos, energía eléctrica, máquina herramienta, o naval, supusieron cada uno de ellos un 2% de la producción total del subsector.

Evolución productividad por empleado fundición materiales no férreos 2006-2010

0

5

10

15

20

25

30

35

2006 2007 2008 2009 2010

0

20.000

40.000

60.000

80.000

100.000

120.000

140.000

160.000

180.000

Productividad por empleado (Tn) Productividad por empleado (€)


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Figura 7: Distribución de la producción de materiales no férreos por sectores clientes en 2010


Situación de los mercados exteriores en el subsector de fundición de materiales no férreos

En 2010 las exportaciones del subsector de materiales no férreos sumaron un total de 72.895Tn, lo que supone un 69,34% de la producción total. En comparación con las exportaciones del 2009 (56.770Tn), se aprecia que también ha habido una pequeña recuperación ya que han aumentado en un 28%.

Subsector de forja

En el año 2008 se produjo una fuerte crisis financiera internacional que frenó los mercados de consumo y repercutió en las empresas de forja, debido a los altos niveles de stocks acumulados y a las dificultades para su financiación. Además, durante 2009 se creó un desfase importante entre la curva de evolución de las ventas de los productos finales y la demanda real de piezas forjadas.

En 2010 por su parte, la absorción de stocks en las cadenas de suministro y las medidas de fomento al consumo en el sector de automoción adoptadas por la mayoría de los gobiernos europeos permitieron una mejora progresiva en determinados mercados cliente, lo que permitió a una gran parte de las empresas del sector superar el periodo más duro de la crisis.

Según SIFE, la Asociación española de empresas de forja por estampación de acero, el resultado global para el conjunto del sector en 2010 ha tenido un incremento significativo de la actividad en relación al mal año anterior 2009. El volumen de

Distribución de la producción de materiales no férreos por sectores clientes en 2010

2%3%

1%2%1% 3%

1%2%

2%

81%

2%

Automóvil - Vehículo Industrial Electrodomésticos Energía EléctricaEnergía Eólica Ferreteria y Herramientas Máquina HerramientaMaquinaria Eléctrica Maquinaria Obras Públicas y Canteras NavalValvuleria-Accesorios de Tubería Otros


EMERTEC 47/303

entregas de piezas estampadas en caliente, semicaliente y frío ascendió a 227.035 Tn de forja neta en el total de empresas españolas, lo que supuso un aumento del 40,3% respecto al año anterior.

Figura 1: Evolución trimestral de las entregas del subsector de forja por estampación

Fuente: Sociedad de Industrias de Forja por Estampación (SIFE)

En esta situación, el subsector de la forja por estampación en España en 2010 está representado por 24 empresas que emplearon a 2.428 personas que incluyen 2.189 trabajadores fijos y 239 eventuales.

SUBSECTOR FORJA POR ESTAMPACIÓN EN ESPAÑA (2010)

Nº plantas de forja Nº de empleados Total producción (Tn)

24 2.428 227.035


En España, las cuatro comunidades autónomas en las que se han concentrado tradicionalmente la mayor parte de la actividad económica del sector del metal y por tanto el subsector de forja son Cataluña, el País Vasco, la Comunidad Valenciana y Madrid.

A continuación, se representa la evolución del número de empresas del subsector de la forja en cada una de las comunidades autónomas. Cabe señalar que los datos provienen del INE – Instituto Nacional de Estadística, y hacen referencia al subsector de forja en general pero no al de forja por estampación específicamente. Sin embargo, se ha considerado interesante incluirlo ya que se pueden extrapolar las principales conclusiones en cuanto a evolución y reparto territorial de las empresas.

Evolución trimestral de las entregas(100%: máximo histórico)

49,7%57,1%

65,8%

73,5%83,4%81,7%80,3%

63,6%

72,0%

96,0%

99,4%

93,0%

47,2%

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

TI-08 TII-08 TIII-08 TIV-08 TI-09 TII-09 TIII-09 TIV-09 TI-10 TII-10 TIII-10 TIV-10 TI-10


EMERTEC 48/303

Figura 2: Empresas del subsector de forja en España

Fuente: Instituto Nacional de Estadística. Directorio Central de Empresas. CNAE 255 forja,

estampación y embutición de metales; metalurgia de polvos

Como se puede observar, desde 2008 a 2011, se ha producido un descenso en el número de empresas en algo más de la mitad de comunidades autónomas. En este sentido, el descenso más destacado ha sido en Madrid (14%) y el País Vasco (10%). Esta disminución es especialmente fuerte en 2011 respecto al año precedente. Por otra parte, sólo en 5 comunidades creció ligeramente el número de empresas pero no tuvo gran incidencia sobre las cifras absolutas en España, donde en total, en 2011 hay 84 empresas menos, que se traducen en una disminución del 4% respecto al año anterior.

Peso del subsector de forja en el mercado laboral español

Como se ha comentado anteriormente, en 2010 el empleo medio en la actividad de forma por estampación (excluyendo otras actividades asociadas, tales como mecanizados) ha sido de 2.428 personas.

El gráfico siguiente presenta la evolución del empleo en el sector entre los años 1.995 y 2.010. La estabilidad que existía entre los años 2000 a 2008 se rompió en 2009, cuando se produjo una pérdida global de más del 21% de empleo, principalmente trabajadores eventuales. Con la recuperación de la actividad en las empresas, el empleo en el sector también se recuperó ligeramente. De esta forma, en 2010 aumentó en un 16% respecto año anterior.

DISTRIBUCIÓN EMPRESAS FORJA POR CC.AA.

0

100

200

300

400

500

600

Andalu

cía

Aragón

Asturia

s

Balear

s, Ille

s

Canaria

s

Cantab

ria

Castilla

y Leó

n

Castilla

- La

Man

cha

Cataluña

Comunitat V

alenc

iana

Extrem

adur

a

Galicia

Mad

rid

Mur

cia

Navarra

País V

asco

La R

ioja

Ceuta

2008

2009

2010

2011


EMERTEC 49/303

Figura 3: Personal empleado y número empresas en subsector forja por estampación (1995-2010)


Por otra parte, en el gráfico anterior también se representa la evolución en el número de empresas activas en el sector. A lo largo del periodo considerado, más de 15 empresas han sido absorbidas por otras, se han fusionado entre sí, o simplemente han cesado por cierre de actividad.

Además, el sector ha perdido 172 empleos desde 1995 hasta 2010 y como se puede observar en el gráfico, la estabilidad en el empleo se rompió en 2006 y quedó gravemente afectada en el 2009, donde disminuyó cerca del 22% respecto al año anterior. A pesar de que en 2010 se produjo una leve mejoría, aún no se ha conseguido recuperar los niveles de empleo de la última década.

Finalmente, en el año 2009 también bajaron bruscamente las productividades, enmascarados por los expedientes de empleo temporales. Tras el retorno parcial a la normalidad, en 2010 las productividades por persona año casi recuperan los ratios anteriores a la recesión. De esta forma, las productividades medias alcanzadas en el 2010 y han sido de 93Tn/ hombre-año y de 167 K€/ hombre-año, lo que implica, respecto al 2009 unos incrementos del 41% y del 33,8% respectivamente.

0

5

10

15

20

25

30

35

1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

Nº

emp

resa

s

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

Per

son

al

Nº empresas Personal


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Figura 4: Evolución de las productividades del subsector forja por estampación 1995-2010


Ventas y mercados clientes del subsector de forja por estampación

El gráfico siguiente refleja las entregas y facturaciones acumuladas a lo largo de los últimos 15 años. Como se puede observar, disminuyeron drásticamente en 2009, lo que provocó que sus resultados retrocedieran a los niveles de comienzos de la década de los 90. En 2010, sin embargo, la producción entregada se ha recuperado ligeramente ya que ascendió a 406 millones de euros, es decir, un 39,8% superior a la del año anterior 2009.

El recrudecimiento de la competencia internacional, sobre todo a nivel europeo, la fortaleza de la moneda y las fuertes fluctuaciones en los precios de la materia prima son factores que han marcado la actividad de las empresas en estos dos últimos años.


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Figura 5: Evolución de las entregas subsector forja por estampación 1995-2010 (Tn)


Respecto a los principales mercados clientes, cabe señalar que la economía mundial creció de media el año pasado un 5%, con mayor intensidad en los países emergentes, entre los que destaca China con un incremento del 20,3%. Pero también algunos países desarrollados consiguieron buenos resultados, entre ellos Japón (3,9%) y EE.UU. (2,9%). Con grandes desequilibrios entre países, la UE logró un crecimiento del 1,7%. La economía española cerró el ejercicio con un nuevo retroceso en el PIB del -0,1% y nuevos récords en tasa de desempleo y déficit público.

En cuanto a los sectores clientes, la automoción sigue siendo el principal mercado para la forja, ya que absorbe un 68% de las entregas totales en tonelaje y un 70% en valor. Es más, está aumentado como destino principal, ya que en los años 2008 y 2009 supuso un 65% en peso y por tanto, iguala la proporción de 2007.

El suministro de los sectores energéticos por su parte, (petroquímica, eólico, electricidad, etc.) es el segundo mercado cliente. Con más de 36.000Tn entregadas, un 23,3% más que el año anterior, 2009. Su peso en conjunto de las entregas pasa de representar el 20,5% en 2009, al 16,2% en 2010. El precio elevado del crudo favorece las inversiones en el segmento petroquímico en los países industrializados en general, pero las dificultades de financiación, la caída del consumo energético y el replanteamiento de las políticas energéticas, están ralentizando por el momento una recuperación generalizada de estos mercados.


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Figura 6: Distribución de entregas de forja por estampación 2010


El tercer lugar en importancia lo ocupa los fabricantes de maquinaria para movimiento de tierras, construcción y minería, con casi 13.000 Tn suministradas en 2010 y un crecimiento del 96,4% respecto a 2009, lo que supone una recuperación de los niveles previos a la crisis.

Por último, los subsectores que integran la construcción mecánica mantienen un comportamiento diverso en 2010, con un crecimiento del 88% de las entregas, lo que lleva de nuevo a niveles de 2007 y 2008. Las 9.000 Tn entregadas representan el 4% de las totales (frente al 3,3% del año anterior) ocupando la cuarta posición en el ranking de entregas.

Situación de los mercados exteriores en el subsector de forja por estampación

Las expediciones y exportaciones directas en 2010 alcanzaron 158.895 Tn de pieza neta y 268 millones de euros. En peso, suponen el 70% de las entregas totales, frente al 62% del año anterior y al 58% de 2008.

Durante 2010 y 2011, la actividad se recupera gracias a los mercados exteriores, mientras que los interiores continúan sumidos en la crisis. En 2010 el crecimiento de las entregas de piezas forjadas a los clientes del mercado interior respecto al año pasado fue del 17,2% frente al 65% de las exportaciones.

Distribución de forja por estampación por sector cliente 2010

Maq. Agrícola; 2%

Otros; 5%

Obras Públicas y Construcción; 6%

Energías; 16%

Camiones; 19%

Turismos y vehículos ligeros; 48%

Construcción Mecánica; 4%


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Tabla 1: Exportaciones directas de forja estampada en 2010

EXPORTACIONES DIRECTAS POR AREA GEOGRÁFICA

EXPORTACIONES VALOR (€x103)

(Tn) % sobre 2009

Europa 125.324 +74% 221.594

América del Norte 19.188 +68,6% 26.914

América del Sur 4.134 +61,7% 6.644

Asia y Oceanía 8.336 -9,8% 9.036

África 1.913 +129,9% 3.934

TOTAL 158.895 +64,9% 268.122


En la tabla anterior se presenta la distribución de las exportaciones directas por áreas geográficas. Los países de la Unión Europea siguen siendo los principales destinatarios ya que absorben 125.234Tn, un 79% del total (mayor al 73% de años anteriores) y con un crecimiento respecto al año anterior del 74%. Cabe señalar que las ventas a la UE se centran en productos destinados a la automoción, ferrocarril y a los fabricantes de equipos para movimiento de tierras.

Después de varios años de retrocesos continuados, en 2010 comenzó a reactivarse el mercado del vehículo industrial en América del Norte, coincidiendo con una depreciación del euro que en junio de ese año tuvo su cotización más baja desde marzo de 2006: 1,22 USD. Las exportaciones al área de México, EE.UU. y Canadá aumentaron en 2010-09 un 68,6%, lo que supuso casi 20.000 Tn, que todavía están alejadas de las 32.000 Tn de los años 2005 y 2006. La proporción de las ventas a estos mercados respecto al conjunto de las exportaciones se mantiene en el 12%, muy por debajo del 23% del 2005.

Los mercados sudamericanos se han visto menos afectados por la crisis que el resto de los países industrializados y las exportaciones a dicha área geográfica que en 2009 ya aumentaron un 5,3%, vuelven a crecer en 2010 otro 62%, totalizando más de 4.000Tn. Con una moneda fuerte y dura competencia local en los países destino, las exportaciones a los países asiáticos, mercados muy variados y en gran parte ligados a las inversiones en bienes de equipo y al petróleo, retroceden de nuevo un -9,8% hasta las 8.336Tn


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Figura 7: Exportaciones directas de forja estampada 2010


Finalmente, respecto a las exportaciones por sectores, la asociación SIFE estima que aproximadamente dos tercios en peso de las mismas se destinan a los fabricantes de automoción, maquinaria agrícola y maquinaria de obras públicas. El tercio restante es absorbido por los fabricantes de bienes de equipo, instalaciones petroquímicas y construcción mecánica en genera.

Mecanizado

Con el fin de analizar los principales datos de evolución de este subsector, en el presente informe se incluye la información sobre la producción de máquina herramienta en España. Cabe señalar que aunque estos datos no se pueden relacionar directa y exclusivamente con la actividad de mecanizado, sí que ofrecen una idea sobre las tendencias del sector y algunas de sus principales características.

La principal fuente de información utilizada es la Asociación Española de Fabricantes de Máquina Herramienta (AFM). En este sentido, la máquina herramienta se clasifica en dos grandes grupos: máquinas arranque de viruta y máquinas de deformación, pero sólo el primer grupo se puede asociar al proceso de mecanizado.

EXPORTACIONES FORJA ESTAMPADA

Asia y Oceanía5%América del Sur

3%América del Norte

12%

Europa79%

África1%


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El gráfico siguiente muestra la evolución anual en millones de euros de máquina herramienta (ambos grupos) en España.

Figura 1: Evolución de la producción, comercio y consumo de máquina herramienta

Fuente: AFM. La Industria de Máquinas-herramienta. España 2010

En concreto, la evolución de los principales parametros de la maquinaria de arranque de viruta de 2008 a 2010 es:

Figura 2: Producción, exportación e importación de maquinaria de arranque de viruta


Como se puede observar, el retroceso más importante se produjo en 2009 respecto al año precedente, ya que la producción se redujo en cerca del 32%, las exportaciones en un 30% y las importaciones en algo más del 55%. En 2010, a pesar de que ha seguido disminuyendo, este descenso ha sido de un 18% en producción, cerca del 21% de las exportaciones y únicamente un 8% de las importaciones.

PRODUCCIÓN, COMERCIO Y CONSUMO MAQUINA HERRAMIENTA

0

200

400

600

800

1000

1200

2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010

PRODUCCIÓN VENTAS EN EL MERC. INTERIORIMPORTACIÓN EXPORTACIÓNCONSUMO

MAQUINARIA ARRANQUE VIRUTA (millones €)

0

100

200

300

400

500

600

700

800

Producción Exportación Importación

2008

2009

2010


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La producción española en 2010 de arranque de viruta se desglosa según se presenta en el gráfico siguiente.

Figura 3: Producción por tipos de maquinaria de arranque de viruta


En cuanto a las exportaciones, a pesar de que han descendido en prácticamente todos los países, se mantienen los principales destinos de la máquina herramienta española, siendo por este orden, Alemania, China, Brasil, India e Italia los principales destinos.

Como se puede observar en el gráfico siguiente, los principales descensos entre los años 2008 y 2010 se han producido en tres países europeos: Alemania (47%), Italia (66%) y Francia (62%).

Por el contrario, los destinos donde han aumentado las exportaciones españolas han sido principalmente China donde han crecido un 27% y Brasil, donde lo han hecho un 38%.

PRODUCCIÓN ARRANQUE VIRUTA

2%

15%

19%

2%5%

1% 9%

25%

20%

2%

TORNOS

FRESADORAS

RECTIFICADORAS

MANDRINADORAS

TALADROS

SIERRAS Y TRONZADORAS

MÁQUINAS ESPECIALES YTRANSFERCENTROS DE MECANIZADO

MÁQUINAS DE PROCESOS FÍSICO-QUÍMICOSOTRAS ARRANQUE


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Figura 4: Exportación de maquinaria herramienta española por países 2010


Finalmente, el sector desarrolla su propia tecnología (a la que se destina como media el 6% de la facturación) y una estrategia de competitividad que se fundamenta en factores como internacionalización, innovación tecnológica, formación y cooperación interempresarial.

EXPORTACIONES ESPAÑOLAS POR PAÍSES (millones €)0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0

ALEMANIA

CHINA

BRASIL

INDIA

ITALIA

FRANCIA

MÉXICO

PORTUGAL

ESTADOS UNIDOS

RUSIA

POLONIA

REINO UNIDO

TURQUÍA

MARRUECOS

ARGENTINA

CANADA

OTROS

2008

2009

2010


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4. ÁREAS Y TENDENCIAS TECNOLÓGICAS EMERGENTES IDENTIFICADAS

4.1. TRATAMIENTOS TÉRMICOS

Características de las empresas y tendencias generales

Los tratamientos térmicos de metales o aleaciones, se basan en operaciones durante las cuales las piezas a tratar se someten a distintas secuencias de temperatura en intervalos de tiempo determinados, con objeto de modificar sus propiedades en función de las necesidades posteriores de uso. En general, con este tipo de tratamientos se persigue la mejora de las propiedades físicas y mecánicas de los elementos tratados, especialmente dureza, resistencia y elasticidad.

Los sectores más comúnmente demandantes de este tipo de tratamientos son, tradicionalmente: fabricantes de moldes y matrices e industrias como automoción, mecánica, aeronáutica, energética, química, alimentación o eléctrica. Sin embargo, en los últimos años, nuevos sectores están convirtiéndose también en demandantes de este tipo de tratamientos, al ofrecer éstos una mayor versatilidad de acabados y propiedades.

Las empresas más destacadas a nivel europeo en este sector, comparten en su mayoría una serie de rasgos, que las hacen más competitivas frente a sus homólogas, ubicadas en el mismo continente. Estos rasgos comunes ya fueron fruto de análisis en estudios anteriores de este Observatorio (ver informes TECLA I y II), indicándose a continuación las características más destacables identificadas entonces, que inciden directamente en la previsible evolución tecnológica del sector de tratamientos térmicos a medio y largo plazo.

La I+D, la innovación y la tecnología son aspectos clave para las empresas punteras en tratamientos térmicos, perteneciendo las más destacadas a asociaciones y manteniendo colaboraciones con universidades y centros de investigación. Los grupos empresariales suelen tener su propio centro de I+D y ello les permite posicionarse y proporcionar procesos y servicios en sectores y nichos de mercado de alto valor añadido. A su vez, esto provoca la evolución de las tecnologías que utilizan y ofrecen, tanto por los desarrollos de tecnologías novedosas que llevan a cabo, como por la modificación de otras ya maduras, con nuevas aplicaciones o características técnicas mejoradas. Por ello, en este apartado no solo se reflejan las tendencias detectadas como emergentes, por estar en periodo de expansión y desarrollo, sino también las correspondientes a tecnologías ya maduras que están en constante proceso de evolución.

La calidad y el medio ambiente son también factores fundamentales, convirtiéndose en vectores determinantes en la evolución tecnológica del sector. Son habituales pues, procesos y tratamientos limpios, que tratan de ser lo más respetuosos posible con el medio ambiente.

Es habitual la presencia de empresas de este sector en mercados internacionales, con enclaves estratégicos, especialmente desde un punto de vista logístico.

Un gran número de las empresas más competitivas a nivel global, disponen de procesos, tratamientos y recubrimientos propios patentados, como puede apreciarse en el análisis de patentes realizado. En general, se persigue el objetivo de abarcar un


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rango relativamente elevado de tratamientos y tecnologías, de modo que sea posible responder de modo integral a las necesidades de los clientes. Por eso las tendencias tecnológicas aluden a grupos de tecnologías, que evolucionan en paralelo, para mejorar esa respuesta integral al cliente.

La automatización de los procesos, la utilización de robots industriales y la incorporación de TICs para la gestión y control de procesos, son también un factor de especial relevancia y una tendencia tecnológica de las consideradas horizontales, que afecta a la evolución que está experimentando tanto este sector, como el resto de los contemplados en el presente estudio.

Muchas de las empresas responsables de la evolución del sector, son corporaciones o agrupaciones empresariales, con una extensa andadura y gran tradición en el sector. Las más destacables son en general capaces de adaptarse a grandes tiradas y piezas especiales. Aunque operan, a nivel global, en sectores de clientes muy diversos, se pueden identificar dos grandes tendencias, en relación con el tipo de usuario objetivo: clientes de sectores como el construcción, naval y aeronáutica por un lado, y clientes de sectores que requieren acabados decorativos (como muebles, gafas, decoración, etc.).

Los tres países más destacados a nivel europeo son Alemania, Francia e Italia, ocupando los tres primeros puestos en el ranking de países con mayor actividad en general, volumen de negocio, número de trabajadores, etc.

Tendencias tecnológicas estudiadas

Las tecnologías empleadas por las empresas de tratamientos térmicos, son numerosas y diversas, así como los tipos de tratamientos que ofrecen. Tecnologías isotérmicas, de inducción, métodos de vacío para la aplicación del tratamiento o criogenia son solo algunas de las técnicas en evolución, en relación con este sector. La diversidad, y por tanto la evolución tecnológica, es por ello muy distinta y se desarrolla en distintos campos de investigación: desde los estudios encaminados a aumentar el número de materiales en los que estos tratamientos pueden emplearse, hasta las propiedades finales y mejoradas conferidas al producto tratado, pasando por el tipo de piezas que pueden tratarse o por las condiciones de aplicación.

En general, en este sector las tecnologías han ido evolucionando con el fin de conseguir una combinación óptima de parámetros del tratamiento en cuestión (principalmente temperatura y tiempo), con el fin de mejorar las propiedades finales del material tratado. Además de los tratamientos convencionales de calentamiento, que continúan su evolución tecnológica, en los últimos años se han desarrollado también otros basados en someter las piezas a condiciones distintas a las habituales, como es el caso de los tratamientos isotérmicos o criogénicos. Éstos pueden suponer una alternativa a los tradicionales de calentamiento o bien complementarlos, obteniendo mejores resultados que los primeros utilizados aisladamente. Por ello su desarrollo es constante, encontrando cada día nuevas aplicaciones industriales y siendo objeto de distintas investigaciones y numerosas patentes.

Aunque las tendencias tecnológicas a estudiar podrían ser tan numerosas y variadas como las tecnologías y técnicas específicas incluidas en el conjunto de los tratamientos térmicos, tal y como se ha explicado en párrafos anteriores, para la


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realización de este informe se ha llevado a cabo un análisis de la evolución de este tipo de tratamientos en los últimos cuatro años, atendiendo a las patentes, presentaciones en congresos especializados, artículos científicos y aplicaciones industriales de nueva implantación. Todo ello en el marco de la metodología descrita en el apartado 2 de este estudio.

Así pues, se han considerado y estudiado más a fondo los grupos de tecnologías y tratamientos que se enuncian a continuación, como exponente de la evolución tecnológica del sector, desestimando otros grupos que merecerían también un estudio específico, pero no ha sido posible abordar por el propio alcance de este trabajo.

Atendiendo al modo en que se aplica la temperatura en el tratamiento en cuestión, los analizados en este informe, en términos de evolución tecnológica, han sido los siguientes:

o Tratamientos isotérmicos: Quenching and Partioning (Q&P) Austempering Martempering

o Tratamientos criogénicos o Tratamientos de calentamiento: considerados bajo esta denominación

tratamientos más tradicionales, estudiados por su amplia aplicación en la industria y porque dentro de este grupos se han observado tendencias en evolución, con aplicaciones alternativas a las tradicionales.

4.1.1. Tratamientos isotérmicos

4.1.1.1. Quenching and Partitioning (Q&P)

Caracterización técnica

Los requisitos que se esperan de las propiedades mecánicas de los aceros son cada vez más exigentes; por esta causa, constantemente se están desarrollando nuevos tratamientos térmicos y termomecánicos. Los aceros de alta resistencia y baja aleación, ofrecen una favorable relación entre resistencia, alargamiento y tenacidad. El nivel de resistencia última a tracción necesario en estos materiales, con un tratamiento térmico adecuado, llega a 1500 MPa. Su alargamiento debe estar alrededor de 15%, mientras que el contenido máximo de aleantes y elementos residuales no debe ser superior al 5% en peso; además, otro requisito importante consiste en una buena soldabilidad [1].

Es un hecho conocido, que la retención de la austenita en los aceros después de un tratamiento térmico puede mejorar la ductilidad y la tenacidad. El temple y revenido convencional conlleva a la formación de menos cantidad de austenita retenida y a la descomposición de la austenita durante el temple [2]. En chapas de acero, por ejemplo, la austenita retenida metaestable rica en carbono se considera beneficiosa porque durante la deformación el fenómeno de “plasticidad inducida por transformación”, o fenómeno TRIP (por sus siglas en inglés, TRansformation Induced Plasticity), puede contribuir a la conformabilidad y la absorción de energía. En superficies de engranajes y rodamientos, se considera que la austenita ofrece


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tolerancia al daño en aplicaciones de fatiga por rodadura/deslizamiento. En aplicaciones estructurales de sección más gruesa, la austenita retenida puede proporcionar una mayor resistencia a la fractura. Del mismo modo, las fundiciones dúctiles austemperadas (ADI) desarrollan combinaciones de propiedades favorables a través de una microestructura de placas de ferrita fina en combinación con austenita retenida rica en carbono.

En este marco, se ha propuesto un nuevo tratamiento térmico: el Quenching and Partitioning (o proceso de temple y partición (Q&P)). Se trata de un proceso, de desarrollo relativamente reciente, capaz de producir aceros de alta resistencia, constituyéndose como un tratamiento térmico alternativo para los aceros de baja aleación. Su objetivo es la obtención de microestructuras de acero con austenita retenida [3], consiguiendo una combinación de buena ductilidad y alta resistencia. La secuencia del tratamiento térmico consiste en:

1. Temple rápido del material entre las temperaturas de inicio (MS) y final (MF) de la transformación martensítica, con el fin de evitar la transformación martensítica completa y crear la estructura martensítica con austenita residual

2. Tratamiento de “partición” por encima de la Ms. Lleva al revenido de la martensita y la difusión de exceso de carbono de la martensita a austenita retenida: estabilización de la austenita residual

3. Enfriamiento. Se obtiene la austenita retenida enriquecida de carbono a temperatura ambiente. Ello se consigue a través de la difusión del carbono desde la martensita saturada, suprimiéndose la formación de carburos y estabilizando la austenita residual.

Cabe señalar que si el tratamiento de “partición” se hace a la temperatura Ms se denomina “Q&P en un paso” y si se hace a una temperatura por encima de Ms se denomina “Q&P en dos pasos”. El esquema del tratamiento Q&P se muestra en la figura 1. Los aceros Q&P generalmente consisten en martensita empobrecida de carbono y austenita estabilizada enriquecida de carbono, con los que se alcanzan mayores niveles de resistencia.

Figura 1. Representación esquemática del proceso Q&P para la producción de microestructuras que contienen austenita. Ci, Cγ, Cm representan las concentraciones de carbono en la aleación inicial, austenita y martensita, respectivamente. QT y PT son las temperaturas de temple y partición [3].


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El tratamiento térmico de temple y partición fue concebido inicialmente para aplicarlo a chapas de acero TRIP que contienen austenita de alta resistencia, sustituyendo un tratamiento isotérmico bainítico de aceros de bajo carbono que contiene adiciones sustanciales de Si, Al, o P para suprimir la formación de carburos. Algunas de las ventajas sugeridas del Q&P incluyen el potencial para que la austenita tenga un mayor enriquecimiento de carbono, la disociación de la cinética de crecimiento de la ferrita (bainítica) del proceso de partición de carbono y el aumento de la resistencia a través de la formación de cantidades sustanciales de listones de martensita en la microestructura. Se identificaron otras oportunidades en el empleo de la austenita retenida a través del procesamiento Q&P de barras de aceros de alta resistencia o incluso fundición dúctil austemperada (ADI).

Dentro de la investigación del tratamiento en varios tipos de materiales, Gerdemann [4] examinó la respuesta del Q&P en un acero 0.6%C, 2% Si (grado 9260) y lo comparó con los resultados de un austempering convencional o temple y revenido (a temperatura ambiente). Se realizó una austenización de obleas (28.5 mm de diámetro y 2.5 mm de espesor) en sales fundidas durante 15 minutos a 900 C, se templaron en un baño de estaño-bismuto fundido a temperaturas que oscilan entre 150 y 210 C y se mantuvieron durante 120 segundos antes de realizar la partición a temperaturas entre 250 y 500 C en sales fundidas para tiempos que van entre 10 y 3600 segundos, y finalmente, se templaron a temperatura ambiente. Los resultados mostraron que se pueden alcanzar niveles sustanciales de austenita retenida mediante el procesamiento Q&P de la aleación 9260 (cerca de 30% vol.). La partición a temperaturas más bajas (250 C permite tiempos de tratamiento de partición que serían más apropiados para el procesamiento industrial de las muestras a granel (por ejemplo, 45 a 60 minutos), mientras que tiempos mucho más cortos se asocian con las máximas fracciones de austenita a temperaturas más altas (por ejemplo, 10 segundos a 400 C). En este estudio se obtuvieron buenos resultados de propiedades, como un nivel de dureza de HRC58 en combinación con fracciones de austenita cercana al 10%. Por el contrario, no se alcanzaron niveles sustanciales de austenita por temple y revenido convencional, y los bajos valores de durezas se asociaron con el procesamiento bainítico (austempering).

Se tuvo en cuenta la combinación de alta dureza junto con una significativa fracción de austenita retenida como interés para posibles aplicaciones en engranajes o rodamientos, donde la “tolerancia al daño” bajo condiciones de picaduras o fatiga por contacto se ve mejorada por la austenita que está en la microestructura.

N. Zhong et al. [2], emplearon el Q&P en aceros avanzados de alta resistencia microaleados al Nb realizando una austenización a 920 C durante 300 s, seguido de una enfriamiento en baño de sales a 220 C. A continuación, se realizó la partición a 400 C en un baño de sales fundidas durante 10, 20, 40, 180 s y finalmente un temple en agua a temperatura ambiente. Se utilizó la temperatura de 400 C para obtener carburos finos dispersos en la matriz además de satisfacer el requisito de partición de carbono de la martensita a austenita. Los mejores resultados de propiedades (resistencia a tracción >1500 MPa y ductilidad 15%) se obtuvieron con un tiempo de partición de 40 s. La investigación revelo que la microestructura se compone de listones de martensita finos y precipitación de carburos dispersos, que es la principal responsable de la ultra alta resistencia. Mientras tanto, la austenita retenida


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interlistones en forma de película y una estructura fina favorece una elevada ductilidad y dureza.

Emmanuel De Moor et al [5], aplicaron el tratamiento en aceros CMnSi con contenidos de carbono que van desde 0.2 a 0.3% en peso y contenido de manganeso de 3 y 5% en peso. La mejor combinación de resistencia a la tracción y alargamiento total se obtuvo en el acero 0.2 C-3Mn-1.6Si después de un recocido intercrítico asociado con niveles de resistencia en el rango de 1000-1200 MPa y alargamiento total entre 14 y 20%, en el acero 0.3C-3Mn-1.6Si después de la austenización completa los niveles de resistencia a la tracción van desde 1450 a 1700 MPa y el alargamiento total de entre 11 y 18%. Las muestras de 0.2C-3Mn-1.6Si también mostraron una notable combinación resistencia/ductilidad 1200-1450 MPa/15.9% lo que indica la eficacia de la adición de Mn para desarrollar nuevas combinaciones de propiedades.

El hierro dúctil austemperado (ADI), contiene niveles importantes de silicio y normalmente se procesa por calentamiento en el campo de fase austenita + grafito, seguido por un austempering a temperaturas bajas para transformar la austenita a “ausferrita”, que es esencialmente ferrita bainítica con austenita retenida enriquecida de carbono. Esta microestructura ADI proporciona una alta resistencia en combinación con ductilidad y tenacidad que es suficiente para muchas aplicaciones. Debido a los altos niveles de Si y la importancia de la austenita retenida, se consideró que el Q&P es una alternativa potencial de tratamiento térmico para el ADI y se examinó en la Escuela de Minas en Colorado la respuesta de un hierro dúctil comercial 3.7% C, 2.5% Si, 0.34% Mn, 0.17% Cu al Q&P [3]. En este trabajo se evaluó un número limitado de temperaturas de temple (137, 157 y 172 C) y partición (230, 270, 310, 350 y 390 C), mientras que la temperatura de “austenización” (850 C) y el tiempo de partición (1800 segundos) se mantuvieron constantes. Los resultados mostraron que podrían ser retenidas fracciones sustanciales de austenita enriquecida en carbono a través del proceso Q&P, aunque los niveles austenita resultaron ser más bajos que los obtenidos a través del austempering bajo las condiciones de proceso evaluadas. La resistencia fue mayor en la condición Q&P, mientras que la ductilidad y las propiedades a impacto a temperatura ambiente fueron más bajas.

Fuentes usadas para este apartado:

[1] Daniela Hauserová, Jaromír Dlouhý, Zbyšek Nový. Influence of parameters of Q-P process on properties and microstructure of CMnSiMo steel, Metal 2010.

[2] N. Zhong, X.D.Wang, L. Wang, Y.H. Rong. Enhancement of the mechanical properties of a Nb-microalloyed advanced high-strength steel treated by quenching–partitioning–tempering process. Materials Science and Engineering A, Vol. 506, 2009, 111-116.

[3] John G. Speera, Fernando C. Rizzo Assunção, David K. Matlocka, David V. Edmondsc. The “Quenching and Partitioning” Process: Background and Recent Progress. Materials Research, Vol. 8, No. 4, 2005, 417-423.

[4] Gerdemann FLH. Microstructure and Hardness of 9260 Steel Heat-Treated by the Quenching and Partitioning Process, Dipl. Thesis, Aachen University of Technology (RWTH), Germany; 2004.

[5] Emmanuel De MOOR, John Gordon SPEER, David Kidder MATLOCK, Jai-Hyun KWAK and Seung-Bok LEE. Effect of Carbon and Manganese on the Quenching and


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Partitioning Response of CMnSi Steels. ISIJ International, Vol. 51 (2011), No. 1, pp. 137-144.

Situación actual de la tecnología y evolución previsible

Esta tecnología se encuentra todavía en fase de desarrollo y resulta aún bastante novedosa, con pocas aplicaciones a nivel industrial. Atendiendo a las patentes relacionadas con los términos “Quenching and Partioning” (ver detalles de la búsqueda en el anexo correspondiente), correspondientes a los últimos 4 años (2008 a 2011), su número es muy bajo, especialmente si comparamos esta tecnología con el resto estudiadas en este informe.

En particular, si analizamos las familias de patentes que incluyen los términos mencionados, existe una clara preponderancia de aquellas procedentes de países asiáticos; concretamente destaca China, seguida muy de lejos por Japón, Corea y Gran Bretaña. Además, resulta significativo el hecho de que muchas de estas patentes proceden de universidades, principalmente chinas y en menor medida japonesas, y no solo de empresas, como suele ocurrir en el caso de tecnologías más maduras.

En la tabla siguiente pueden verse las familias de patentes identificadas de los países más destacados, según su fecha de publicación y país origen del solicitante.

Año de publicación

País origen del solicitante

China Japón Corea GB 2008 1 1 - 1 2009 5 1 1 1 2010 5 1 1 1 2011 1 - 1 -

TOTAL 12 3 3 3 Fuente: elaboración propia con datos extraídos de Matheo Patent Software (datos disponibles hasta noviembre de 2011)

Como puede apreciarse, durante 2009 y 2010 hubo un aumento significativo de las familias de patentes publicadas, habiéndose localizado tan solo dos correspondientes a 2011, procedentes de China y Corea respectivamente.

Aunque, a nivel global, se han detectado algunas empresas interesadas por la tecnología en cuestión y que están estudiando su posible aplicación y desarrollo, no hay un claro grupo de éstas que esté procediendo, por el momento, a una explotación industrial amplia de la misma. En el caso de Europa, son varias las empresas que, junto con distintos centros tecnológicos e institutos de investigación, están explorando las posibilidades de este innovador tratamiento, habiendo formado incluso consorcios en el marco de proyectos financiados por la Unión Europea.

Actualmente, gran parte de los esfuerzos técnicos relacionados con la producción de aceros de baja aleación, se orientan a lograr altas cargas de rotura y altos límites elásticos, manteniendo un alargamiento suficiente y buena soldabilidad en estos materiales. El Quenching and Partitioning es, precisamente, un tratamiento térmico avanzado, que puede lograr dichos requerimientos. El objetivo de su desarrollo es,


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principalmente, obtener una excelente resistencia y ductilidad, sin la necesidad de usar aceros de alta aleación. Por ello, es previsible que el proceso de "Quenching and Partitioning", pueda llegar a ser de gran interés para sectores como el del automóvil. La posibilidad de contar con nuevos aceros con mayor resistencia, ductilidad y endurecimiento por deformación, posibilitaría el desarrollo a nivel industrial de éstos, con microestructuras basadas en la óptima combinación de fases austeníticas y martensíticas.

Así pues, es previsible que el perfeccionamiento del proceso de Quenching and Partitioning y su desarrollo a nivel industrial, permita lograr avances significativos en sectores como el de automoción, cuyo objetivo de disminuir el consumo de combustible, aumentando al mismo tiempo la seguridad, le lleva a desarrollar componentes de acero cada vez más ligeros, sin pérdida de sus propiedades iniciales.

En el caso particular de España, dada la importancia del sector de la automoción, dentro del sector del metal, es previsible que las empresas vinculadas al mismo se vean afectadas de algún modo (en el uso de materiales, procesos, etc.), por un posible desarrollo de esta tecnología a nivel global.

4.1.1.2. Austempering


El austempering es la transformación isotérmica de una aleación ferrosa a una temperatura inferior a la de la formación de perlita y por encima de la formación de martensita.

Este tratamiento, ofrece varias ventajas potenciales:

o Aumento de la ductilidad, tenacidad y resistencia para una dureza dada

o Distorsión reducida, lo que disminuye el tiempo de mecanizado posterior, eliminación de material, clasificación, inspección y desechos

o Ciclo de tiempo total más corto a través del endurecimiento dentro del rango de dureza de 35 a 55 HRC, con el consiguiente ahorro de energía e inversión de capital

El ciclo de austempering en un acero incluye los siguientes pasos:

o Calentamiento una temperatura dentro del rango de austenización, por lo general 790 a 915 C

o Temple en un baño mantenido a una temperatura constante, por lo general en el rango de 260 a 400 C

o Transformación isotérmica de bainita en el baño

o Enfriamiento a temperatura ambiente

La diferencia fundamental entre el austempering y el temple y revenido convencional se muestra esquemáticamente en la figura 1. Para el austempering, el metal debe ser enfriado desde la temperatura de austenización a la temperatura del baño de austempering, lo suficientemente rápido como para que no se produzca la transformación de la austenita durante el enfriamiento y permanezca a la temperatura


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del baño el tiempo suficiente para asegurar la transformación completa de austenita a bainita.

Figura 1. Comparación de los ciclos de transformación tiempo-temperatura para el enfriamiento convencional y el temple y para austempering.

El austempering es también la transformación isotérmica utilizada para formar una matriz acicular única de ferrita bainítica y austenita estable de alto contenido de carbono en fundiciones endurecibles, es decir, la obtención de fundiciones dúctiles austemperadas (ADI). Las sales fundidas son el medio de enfriamiento comúnmente utilizados en el austempering porque:

o Transfieren el calor rápidamente

o Eliminan prácticamente el problema de una fase de vapor barrera durante la etapa inicial del temple

o Su viscosidad es uniforme en un amplio rango de temperaturas

o Su viscosidad es baja a las temperaturas de austempering (cerca de la del agua a temperatura ambiente), así se minimizan las pérdidas arrastradas

o Se mantienen estable a temperaturas de trabajo y son totalmente solubles en agua, facilitando así posteriores operaciones de limpieza

o Las sales se pueden recuperar fácilmente de las aguas de lavado por métodos de evaporación.

La tabla 1 muestra formulaciones y características de los dos baños de sal típicos de temple.


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Tabla 1. Composición y características de las sales utilizadas para el austempering

Rango alto Rango amplio

Nitrato de sodio, % 45-55 0-25

Nitrato de potasio, % 45-55 45-55

Nitrito de sodio, % ------- 25-55

Punto de fusión (aprox.), C 220 150-165

Rango de temperatura de trabajo, C 260-595 175-540

La selección de aceros para el austempering se debe basar en las características de transformación, como se indica en los diagramas Tiempo-Temperatura-Transformación (TTT). Tres consideraciones importantes son:

o La ubicación de la nariz de la curva TTT y la velocidad de temple que se utiliza

o El tiempo requerido para la transformación completa de austenita a bainita a la temperatura de austempering

o La ubicación del punto MS.

Como se indica en la figura 2, el acero al carbono 1080 posee características de transformación que le proporcionan idoneidad limitada para un austempering. Se debe realizar un enfriamiento desde la temperatura de austenización a la temperatura del baño de austempering en, alrededor, de 1 segundo para evitar la nariz de la curva TTT, y evitar así la transformación a perlita durante el enfriamiento. Dependiendo de la temperatura, la transformación isotérmica en el baño se completa dentro de un período que va desde unos pocos minutos a 1 h. Debido a que se necesita una rápida velocidad de enfriamiento rápido, el austempering del acero 1080 se puede aplicar con éxito sólo en secciones de unos 5 mm como máximo.


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(a) (b)

(c)

(d)

Figura 2. Características de transformación de aceros 1080, 5140, 1034 y 9261, en relación

con su idoneidad para el austempering.

El acero de baja aleación 5140 se adapta bien al austempering, según lo indicado por la curva TTT para este acero se muestra en la figura 3. Se necesitan 2 segundos aprox. para eludir la nariz de la curva y completar la transformación de bainita de 1 a 10 minutos a 315-400 C. Las piezas hechas de acero 5140 o de otros aceros con características similares de transformación se adaptan al austempering en tamaños de sección más grandes que son posibles para aceros 1080 debido a que se necesita un tiempo más largo para pasar por la nariz de la curva. Además de los aceros que se han indicado anteriormente (1080 y 5140), entre los aceros adaptables al austempering se incluyen:

o Aceros al carbono que contiene 0.50 a 1.00% C y un mínimo de 0.60% Mn

o Aceros con alto contenido de carbono que contienen más de 0.90% C y, posiblemente, un poco menos de% 0,60 Mn

o Algunos aceros al carbono (como el 1041) con un contenido de carbono menor de 0.50% pero con un contenido de Mn en el rango de 1.00 a 1.65%

o Algunos aceros de baja aleación (como los aceros serie 5100) que contengan más de 0.30% C, la serie de aceros 1300 a 4000 con contenido de carbono superior al 0.40%, y otros aceros, tales como 4140, 6145 y 9440

Algunos aceros, aunque tienen suficiente contenido de carbono o elementos de aleación para ser endurecidos, están en el límite o son poco prácticos para el


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austempering porque la transformación de la nariz de la curva TTT comienza en menos de 1 segundo, por lo que es prácticamente imposible templar aparte de secciones delgadas en sales fundidas sin que se formen algo de perlita, o que requieren períodos de tiempo excesivamente largos para la transformación. Un ejemplo típico de un acero que pertenece a la primera categoría es el 1034, cuya transformación características se muestra en la figura 2. La transformación característica del acero 9261 (también se muestra en la figura 2) indican que no hay dificultad en el temple más allá de la nariz de la curva, pero el tiempo necesario para la transformación isotérmica a bainita (alrededor de 24 h) es excesivo. Otros aceros aleados con excelente templabilidad que requieren largos tiempos de transformación son los de la serie 4300, 4600 y 4800.

La composición química del acero es el principal determinante de la temperatura de inicio de la martensita (MS). El carbono es la variable más significativa que afecta a la MS. Los efectos directos de otros elementos de aleación en el punto MS son mucho menos pronunciados que el efecto del carbono. Sin embargo, los elementos formadores de carburos (Mo, V) se puede unir al carbono como carburos de aleación y evitar la solución completa de carbono. La temperatura MS aprox., en grados centígrados, de un acero austenizado completamente se puede calcular mediante la siguiente fórmula:

MS = 538 - (361 %C) - (39 %Mn) - (19 %Ni) - (39 %Cr)

El máximo espesor de sección es importante para determinar si una parte puede ser austemperada exitosamente. Para una acero 1080, un espesor de sección de unos 5 mm es el máximo que se puede utilizar para obtener una estructura completamente bainítica. En los aceros al carbono de bajo contenido de carbono se limitará a un espesor proporcionalmente menor. Para aceros de bajo carbono que contienen boro, sin embargo, puede ser austemperados con éxito en secciones más gruesas. En algunos aceros de aleación, se puedes austemperar secciones con espesores de hasta unos 25 mm (1 pulgada) obteniendo estructuras totalmente bainítica. Sin embargo, secciones de aceros al carbono mayores de 5 mm son regularmente austemperadas en producción cuando es admisible algo de perlita en la microestructura. Esto se demuestra en la tabla 2, que enumera los tamaños de secciones de piezas austemperadas fabricadas con diferentes aceros.


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Tabla 2. Dureza de varios aceros y tamaños de sección de piezas austemperadas

Acero Tamaño de sección [mm]

Temperatura del baño (sal) [C]

Temperatura MS

(a) [C] Dureza, HRC

1050 3(b) 345 320 41-47

1065 5(c) (d) 275 53-56

1066 7(c) (d) 260 53-56

1084 6(c) (d) 200 55-58

1086 13(c) (d) 215 55-58

1090 5(c) (d) --- 57-60

1090(e) 20(c) 600(f) --- 44.5 (prom.)

1095 4(c) (d) 210(g) 57-60

1350 16(c) (d) 235 53-56

4063 16(c) (d) 245 53-56

4150 13(c) (d) 285 52 máx.

4365 25(c) (d) 210 54 máx.

5140 3(c) 655 330 43-48

5160(e) 26(c) 600(f) 255 46.7 (prom.)

8750 3(c) 600 285 47-48

50100 8(c) (d) --- 57-60

Nota: (a) Calculado, (b) Espesor de chapa, (c) Diámetro de sección, (d) Temperatura de sal

ajustada para dar la dureza máxima y 100% bainita. (e) Austempering modificado; microestructura con perlita y bainita, (f) Sal con adición de agua, (g) Valores experimentales.

En la figura 4 se muestra el efecto del espesor de sección de la dureza de los aceros 1090 y 5160 austemperados. La dureza sigue siendo razonablemente coherente en el centro de 17 mm de diámetro de 1090, pero se convierte en irregular cuando el diámetro es mayor a 21 mm. Una diferencia similar se evidencia para el acero 5160, cuando el diámetro es mayor 24.6 a 26 mm.


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Figura 4. Efecto del espesor de sección en la dureza de aceros al carbono y aleados austemperados.

La baja dureza superficial en los aceros 1090 y 5160 fue el resultado de la descarburación superficial y/o refinamiento de granos. La elevada dureza del núcleo de 24.6 mm de diámetro del acero 5160 se atribuye a la segregación química en la parte central de la barra y a la falta de refinamiento del grano apreciable.

El austempering por lo general es sustituido por un temple convencional y revenido por las siguientes razones:

o Para obtener mejores propiedades mecánicas (particularmente alta ductilidad o tenacidad a entalla a una alta dureza dada)

o Para disminuir la probabilidad de formación de grietas y distorsión

o Para mejorar la resistencia al desgaste a una dureza dada

o Para mejorar la resistencia a la fragilización posterior

El austempering industrial, las aplicaciones contienen una cantidad de bainita inferior al 100%. De hecho, se ha encontrado que un 85% de bainita es un porcentaje adecuado para algunas aplicaciones. La tabla 3 presenta el procesamiento de datos para un número de partes específicas de humo diversas llano, de aleación, y aceros de cementación, estos datos son representativos de la práctica austempering en las plantas de al menos una docena de fabricación diferentes.


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Tabla 3. Aplicaciones de producción típicas de austempering. Partes de la lista están en orden

de aumento de espesor de sección


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Nota: (a) Contiene de 0.65 a 0.75% de Carbono. (b) Acero con plomo. (c) Acero cementado.


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[1] ASM INTERNATIONAL. ASM Handbook Volume 4: Heat Treating. ASM, 1991, 2173 págs.


Este tipo de tratamiento isotérmico, se encuentra aún en fase de investigación y desarrollo en relación con sus posibles aplicaciones y características técnicas. Es previsible que en los próximos años tenga una aplicación industrial mucho más extensa que la actual, dadas las ventajas que presenta en sus condiciones de aplicación, así como las propiedades que puede conferir a los materiales y piezas tratadas.

Tras realizar un análisis de publicaciones técnicas, artículos científicos y de patentes correspondientes al periodo 2008 a 2011, relacionadas con “tratamiento austempering” (ver detalles de la búsqueda en el anexo correspondiente), se comprueba dicho desarrollo aún incipiente del tratamiento en cuestión.

En particular, se observa que la mayor parte de familias de patentes en el periodo mencionado, tienen origen en China en primera instancia, seguida de Estados Unidos. Sin embargo, aunque entre 2009 parece haber comenzado una disminución del número de familias publicadas en relación con el tratamiento, que alcanza hasta finales de 2011, en países como Japón, se observa el mantenimiento de la actividad de protección e incluso un ligero aumento, en detrimento de otros países como China. Otros países parecen estar desarrollando también nuevos métodos en este campo tecnológico: Corea, Canadá o Alemania son algunos de los destacados a este respecto.

Las empresas destacadas en relación con este tipo de tratamientos, atendiendo a aquellas que poseen la mayor parte de patentes publicadas hasta el momento, proceden de sectores muy diversos: metalurgia, automoción, electrodomésticos y construcción son algunos de los más destacados. En su mayoría se trata de grandes grupos industriales internacionales, ampliamente conocidos en el sector del metal, con centros de producción e investigación a nivel mundial y miles de empleados repartidos en sus distintas sedes. Se han identificado también diversas líneas de investigación abiertas, en relación con austempering, procedentes de distintas universidades de todo el mundo, especializadas en tratamientos de materiales.

Aumento de la ductilidad, tenacidad y resistencia para una determinada dureza, la disminución del tiempo de mecanizado posterior de las piezas tratadas o el ahorro de energía que supone al implicar un ciclo de tiempo total más corto, son algunas de las ventajas asociadas a este método en su aplicación industrial, que lo configuran como una tecnología emergente, siendo por tanto previsible una extensión de su uso en el sector del metal, a nivel global.


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4.1.1.3. Martempering


El martempering es un término usado para describir un temple interrumpido desde la temperatura de austenización de ciertas aleaciones, fundiciones, herramientas y aceros inoxidables. El objetivo es retrasar el enfriamiento, justo por encima de la transformación martensítica, durante un período de tiempo suficiente para igualar la temperatura en toda la pieza. Esto minimizará la distorsión, grietas y tensiones residuales. El término “martempering” es algo engañoso y se podría describir mejor como “marquenching”. La microestructura después del “martempering” es esencialmente martensita primaria, que es frágil. La figura 1 (a y b) muestra la diferencia significativa entre el temple convencional y el martempering.

El martempering del acero y de hierro fundido, se fundamente en los siguientes pasos:

o Enfriamiento desde la temperatura de austenización en un medio fluido caliente (aceite caliente, sal fundida, metal fundido o un lecho de partículas fluidizado) a una temperatura por lo general por encima del rango de martensita (MS)

o Permanencia en el medio de temple hasta que la temperatura en todo el acero sea sustancialmente uniforme

o Enfriamiento (normalmente en aire) a una velocidad moderada para evitar grandes diferencias de temperatura entre el exterior y el centro de la sección

(a) (b) (c)

Figura 1. Diagramas Tiempo-Temperatura-Transformación con las curvas de enfriamiento

superpuestas mostrando temple y revenido. (a) Proceso convencional. (b) Martempering. (c) Martempering modificado.

La formación de martensita se produce de manera bastante uniforme a lo largo de la pieza de trabajo durante el enfriamiento a temperatura ambiente, evitando así la formación de cantidades excesivas de tensiones residuales y con la posibilidad de conformarla con relativa facilidad después de retirarla del baño, mientras la pieza está todavía caliente. El martempering se puede realizar en una variedad de baños que incluyen el aceite caliente, la sal fundida, el metal fundido o un lecho de partículas fluidizado. El lapso de tiempo antes de temple no es tan crítico porque las tensiones se reducen considerablemente.

La ventaja de este tratamiento isotérmico se encuentra en el menor gradiente térmico que existe entre la superficie y el centro, ya que la pieza es templada a la temperatura


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isotérmica y luego es enfriado por aire a temperatura ambiente. Las tensiones residuales desarrolladas son inferiores a las generadas durante el temple convencional, ya que las mayores variaciones térmicas se producen mientras que el acero se encuentra en el estado austenítico relativamente plástico y porque la transformación final y los cambios térmicos se producen en la pieza aproximadamente al mismo tiempo. También reduce o elimina la susceptibilidad al agrietamiento.

Aunque el martempering se utilizó principalmente para minimizar la distorsión, eliminar las grietas y minimizar las tensiones residuales, también reduce en gran medida los problemas de contaminación y peligro de incendio, siempre y cuando se utilicen sales de nitrato-nitrito en lugar de aceites. Esto es especialmente notable cuando las sales de nitratos-nitritos se recuperan desde las aguas de lavado, con sistemas que no descargan las sales en los desagües.

Cualquier pieza de acero o grado de acero que se le pueda realizar un temple en aceite convecnional podrá ser martemperada, proporcionando propiedades físicas similares. La severidad del temple en sales fundidas es mucho mayor por la agitación y adición de agua para el baño de nitrato de sal. Ambas técnicas son especialmente beneficiosas en el tratamiento térmico de aceros al carbono que tienen una capacidad de endurecimiento limitada. La tabla 1 compara las propiedades obtenidas por martempering y revenido en el acero 1095 con las obtenidas por temple y revenido convencional.

Tabla 1. Propiedades mecánicas de un acero 1095 tratado térmicamente por dos métodos

Muestra Tratamiento térmico Dureza HRC Energía de impacto [J]

1 Temple en agua y revenido 53.0 16

2 Temple en agua y revenido 52.5 19

3 Martempering y revenido 53.0 38

4 Martempering y revenido 52.8 28

En muchos casos, el martempering elimina la necesidad de accesorios de temple que serían necesarios para minimizar la distorsión durante el enfriamiento convencional y por lo tanto reduce el coste de las herramientas y la manipulación. Sin embargo, el cambio desde el temple convencional al martempering requerirá que se estudien las variaciones dimensionales en piezas individuales, antes de que se establezcan las dimensiones del tratamiento de precalentamiento.

El martempering modificado se diferencia del martempering estándar únicamente porque la temperatura del baño de temple está por debajo del punto MS (figura 1c). La temperatura más baja aumenta la severidad del temple. Esto es importante para los aceros de baja templabilidad que requieran un enfriamiento más rápido con el fin de endurecer a una profundidad suficiente o cuando la MS es alta y se puede generar algo de bainita que es perjudicial para la pieza. Por lo tanto, el martempering modificado es aplicable a un gran rango de composiciones de acero como es el proceso estándar.


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Aunque el aceite caliente es siempre el medio empleado para el martempering modificado a 175 C e inferior, las sales fundidas de nitrato-nitrito (con adición de agua y agitación) son efectivas a temperaturas tan bajas como 175 C. Debido a su alto coeficiente de transferencia de calor, las sales fundidas ofrecen algunas ventajas metalúrgicas y de funcionamiento.

Las sales fundidas y el aceite caliente son ampliamente utilizados en el martempering como medios de temple. Hay varios factores que se deben considerar al elegir entre la sal y el aceite. La temperatura de trabajo es el factor más común para decidir. Los aceites se utilizan ampliamente para el martempering hasta 205 C y, a veces, hasta 230 C. Las sales fundidas se utilizan en el rango de 160 a 400 C.

Una sal de uso general se compone de 50 a 60% nitrato de potasio, 37 a 50% de nitrito de sodio y 0 a 10% de nitrato de sodio. Se funde a unos 140 C y puede ser utiliza dentro de un rango de trabajo de 165 a 540 C. Las sales con alto punto de fusión (menos costosa) se pueden utilizar para temperaturas de trabajo más altas. Estas sales se componen de 40 a 50% de nitrato de potasio, 0 a 30% de nitrito de sodio y 20 a 60% de nitrato de sodio. La potencia de enfriamiento de la sal agitada a 205 C es aproximadamente la misma que la del aceite agitado en el temple en aceite convencional. La adición de agua a la sal aumenta su potencia de enfriamiento, según lo indicado por las curvas de enfriamiento para el acero 1045 en la figura 2 y por los valores de dureza del acero 1046 en la figura 3. La potencia de enfriamiento de la sal se compara con la potencia de enfriamiento del agua y de tres tipos de aceite, en la figura 3.

Figura 2. Curvas de enfriamiento para cilindros de acero 1045 templados en sal, agua y aceite.


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Figura 3. Efectos del medio de temple y la agitación en la dureza del acero 1046

Los aceros aleados se adaptan mejor al martempering que los aceros al carbono. En general, cualquier tipo de acero que normalmente se templa en aceite se le puede aplicar también un martempering. Algunos aceros al carbono que normalmente son templados en agua se les pueden aplicar un martempering a 205 C con secciones de 5 mm, con agitación vigorosa del medio. Además, a miles de piezas de fundición de hierro gris se les puede aplicar el martempering de forma rutinaria. Los grados de acero que se suelen martemperar a la dureza total son 1090, 4130, 4140, 4150, 4340, 300 M (4340M), 4640, 5140, 6150, 8630, 8640, 8740, 8745, SAE 1141, SAE y 52100. Los grados de cementación tales como 3312, 4620, 5120, 8620 y 9310 también son comúnmente martemperados después de la cementación. De vez en cuando, aceros de alta aleación, como el acero inoxidable 410 son martemperados, pero esto no es una práctica común.

El éxito del martempering se basa en el conocimiento de las características de transformación (curvas TTT) del acero que se trate. El rango de temperatura en el que se forma la martensita es especialmente importante. La figura 4 muestra los rangos de temperatura de formación de martensita para 14 aceros al carbono y de baja aleación. Se pueden observar dos tendencias en estos datos: a medida que aumenta el contenido de carbono, el rango de la formación de martensita se amplía y la temperatura de transformación martensítica es baja, y el rango de formación de martensita de un acero con tres elementos de aleación Ni-Cr-Mo es generalmente más baja que la de cualquier acero con uno o dos elementos de aleación con contenido de carbono similar.


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Figura 4. Rangos de temperatura de la formación de martensita en 14 aceros al carbono y

aceros de baja aleación

Cualquier tipo de acero que se va a martemperar debe contener suficiente carbono o elementos de aleación para mover la nariz de la curva TTT a la derecha, lo que permite tiempo suficiente para el temple de piezas de trabajo más allá de la nariz de la curva TTT.

También se debe considerar la limitación del espesor de sección o la masa. Con una severidad de temple determinada, hay un límite para el tamaño de barra a partir del cual el centro no se enfriará lo suficientemente rápido como para transformar totalmente a martensita. Esto se muestra en la figura 5, donde se compara el diámetro máximo de barras que pueden ser endurecidas por martempering, temple en aceite y agua para un acero 1045 y cinco aceros aleados de diferentes capacidades de endurecimiento.


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Figura 5. Diámetro máximo aprox. de barras que son endurecibles por martempering, temple en aceite y temple en agua

Para algunas aplicaciones, es innecesaria una estructura totalmente martensítica y se puede aceptar una dureza en el centro de HRC 10 por debajo del valor máximo obtenible para un contenido de carbono dado. Según este criterio, el diámetro de barra máximo es de 25 a 300% mayor que el diámetro máximo que se puede hacer totalmente martensítico (ver gráfico inferior de la figura 5). Los aceros seleccionados para un martempering deben ser seleccionados desde el punto de vista del endurecimiento y tamaño de sección. Para formar la misma cantidad de martensita para un tamaño de sección dada, el contenido de carbono, el contenido de elementos de aleación, o ambos, debe ser algo más alto para el martempering que para el temple convencional (sin interrupciones).




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Al igual que el resto de tratamientos incluidos en este apartado de “tratamientos isotérmicos”, éste se encuentra también en fase de investigación y desarrollo, resultando por ello bastante novedoso, con todavía escasas aplicaciones a nivel industrial, si las comparamos con su previsible potencial.

Tras realizar una búsqueda de publicaciones técnicas especializadas realizadas al respecto, así como de las patentes correspondientes al periodo 2008 a 2011, relacionadas con “temple martensítico” (ver detalles de la búsqueda en el anexo correspondiente), se ha identificado un número bajo tanto de unas como de otras.

En particular, analizando las patentes correspondientes al tratamiento en cuestión, se observa que la mayor parte de ellas tienen origen europeo. Concretamente, Alemania es el país más destacado, ya que de este país proceden 7 de las 18 familias de patentes identificadas (lo que supone casi un 40% del total). Como segundo país destacado se encuentra Francia, aunque a cierta distancia, con un 22% de las familias de patentes publicadas en el periodo de 2008 a 2011.




Alemania Francia China Suiza 2008 1 - - - 2009 3 1 - - 2010 1 1 - 2 2011 2 2 2 -

TOTAL 7 4 2 2 Fuente: elaboración propia con datos extraídos de Matheo Patent Software (datos disponibles hasta noviembre de 2011)

Como puede apreciarse, entre los años 2008 y 2010, todas las familias de patentes identificadas procedían de un solicitante europeo. Sin embargo, en 2011 esta tendencia parece estar cambiando, encontrándose hasta la fecha el mismo número de familias de patentes publicadas procedentes de China, Alemania y Francia (países estos dos últimos líderes hasta el año pasado, en lo que se refiere a publicación de patentes relacionadas con martempering).

En cuanto a las empresas destacadas en relación con este tipo de tratamientos, atendiendo a aquellas líderes en investigación sobre el tema y que poseen la mayor parte de patentes publicadas hasta el momento, las más notables poseen las características que se indican a continuación.

Se trata de grandes grupos industriales europeos, muy conocidos en el sector, con centros de producción e investigación a nivel mundial. En concreto, una de las que ha publicado más patentes en el periodo estudiado, aunque es de origen alemán, posee centros de investigación y desarrollo tanto en Asia como en Norteamérica. Cuenta con más de 70.000 empleados a nivel global y publica alrededor de 1000 patentes por año, estando presente en más de 50 países. Sin embargo, no es un caso único. Las


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siguientes estudiadas por orden de importancia comparten características similares: grandes grupos industriales europeos, con miles de empleados a nivel global en más de 80 países diferentes y con centros de I+D trabajando en distintas especialidades. Todas ellas trabajan principalmente con los siguientes sectores cliente: automoción, aeronáutica, construcción y elementos estructurales, ascensores y elementos mecánicos móviles, etc.

Al igual que en los casos anteriores, el desarrollo del martempering puede llegar a ser de gran interés y aplicación en los mencionados sectores cliente, en particular en el de automoción y aeronáutica. Especialmente por las posibilidades que puede ofrecer en relación con la disminución de impacto ambiental y consumo energético de las tecnologías empleadas para la obtención de piezas finales, que respondan específicamente a las características requeridas por los clientes.

4.1.2. Tratamientos criogénicos


Un tratamiento térmico, en sentido amplio de la palabra, se refiere al calentamiento y enfriamiento de los metales en estado sólido, para modificar sus propiedades mecánicas, su estructura metalográfica o eliminar tensiones residuales. Se distinguen dos clases de tratamientos térmicos: a altas temperaturas y a bajas temperaturas. En el marco del concepto de “tratamiento a baja temperatura” deben distinguirse dos categorías dependiendo principalmente la temperatura por debajo de 0 C alcanzada en el proceso [1]:

a) Tratamiento subcero (shallow cryogenics): Donde las piezas alcanzan unas temperaturas de -80 C, con utilización de hielo seco.

b) Tratamiento criogénico (cryogenic treatment): Donde la temperatura alcanzada está en unos -196 C, temperatura correspondiente al nitrógeno líquido.

El tratamiento criogénico se agrupa en tres tipos: los convencionales (secos), los de inmersión (húmedos) y los múltiples. Prácticamente todos ellos utilizan nitrógeno líquido como agente enfriador (en algunos casos complementados con enfriamiento mecánico) [1].

Los procesos criogénicos que hemos denominado como convencionales son los más extendidos. Consisten básicamente en enfriar la cámara muy lentamente ( 2.5 C/min) hasta llegar a una temperatura que, normalmente, ronda los -180 C. Esta temperatura se mantiene durante un periodo prolongado de tiempo (típicamente de 24 a 48 horas) y, posteriormente, se vuelve, de nuevo lentamente, hasta la temperatura ambiente (figura 1). Habitualmente el tratamiento se completa con uno o varios revenidos. Es fácil concluir que, para realizar un proceso de este tipo son necesarios dos, tres e incluso más días. Los procesos de inmersión son similares a los convencionales salvo en que, cuando se llega a una temperatura suficientemente baja, la cámara se inunda con nitrógeno líquido (-196 C) y el material a tratar queda sumergido. Este tipo de procesos aumenta el riesgo de choque térmico y tiene peor control del proceso ya que hay que esperar a que el líquido se evapore para volver a la temperatura ambiente lo cual hace que el proceso pueda ser aun más largo, aparte de


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muy poco eficiente desde el punto de vista del consumo. Salvando las distancias, este proceso es el que más se parece a los sistemas originales de inmersión directa en nitrógeno líquido. Actualmente es defendido por un fabricante canadiense de procesadores y en la práctica se utiliza bastante menos que el proceso seco.

Los procesos “múltiples” son los más avanzados. Se desarrollaron por primera vez a finales de los 90 por una empresa de Florida. A diferencia de los tratamientos criogénicos convencionales, que son isotermos, someten a los materiales a varias etapas o ciclos controlados de temperatura criogénica. Los gradientes térmicos son mayores y el tiempo total de ciclo se reduce notablemente (figura 2). Los resultados son, generalmente, mejores. En el proceso criogénico multi-etapa, los sucesivos enfriamientos y calentamientos a los que se somete al material inducen un efecto mecánico de contracción expansión que se superpone al mero efecto térmico haciendo que el tratamiento sea más efectivo. El tiempo total de un ciclo de tratamiento de este tipo puede ser de tan solo 12 horas, pudiendo ser mayor en función de los espesores de los materiales a tratar (aunque raramente es de más de un día). Normalmente no se realiza revenido después del proceso. Este tipo de procesos criogénicos múltiples aún es poco conocido, pero tiene todos los ingredientes para ser el más utilizado en el futuro, especialmente para grandes volúmenes de producción, debido a su mejor productividad y mayor eficiencia (menor consumo de nitrógeno líquido).

Figura 1. Tratamiento criogénico convencional [2].


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Figura 2. Tratamiento criogénico multi-etapa [3].

Estudios de casos de materiales tratados criogénicamente

La lista de materiales a los que se pueden aplicar los tratamientos criogénicos es muy extensa y sigue ampliándose a medida que se ensayan nuevas aplicaciones. Entre los que responden positivamente al tratamiento se encuentran:

aceros: de cementación, microaleados, de trabajo en frío y en caliente, rápidos, inoxidables, etc.

fundición

aleaciones de cobre

aleaciones ligeras (aluminio, magnesio y titanio)

metal duro

materiales cerámicos

ciertos polímeros (nylon, teflón…)

Estos tratamientos se utilizan desde hace tiempo en aceros de herramienta para aumentar significativamente la resistencia mecánica y a desgaste a través de la interacción de tres efectos: transformación completa de la austenita retenida en martensita, precipitación uniforme de carburos finos dispersos y la eliminación de tensiones residuales [4].

Se investigó la resistencia al desgaste por abrasión en un estudio paramétrico [5]. Se ensayaron cinco aceros para herramientas después del tratamiento térmico convencional, después del tratamiento subcero a -84 C y después del tratamiento criogénico convencional a -190 C. El tratamiento subcero mejoró la resistencia al desgaste entre un 18 al 104% para todos los materiales, pero los resultados del tratamiento criogénico muestran una mejoría entre 104 a 560%.

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Tiempo (h)

180

150

120

90

60

30

0

‐30

‐60

‐90

‐120

‐150

‐180

‐210

Temperatura (C)

Enfriamiento

Etapas intermedias

Calentamiento

Revenido


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Kaveh Meshinchi Asl et al. [6], realizaron tratamientos criogénicos en una aleación AZ91 y analizaron el efecto en la microestructura, resistencia a fluencia y a desgaste. La resistencia al desgaste de las muestras con tratamiento criogénico mejoró significativamente a grandes cargas (50 y 100 N) y velocidades de deslizamiento (1.0 m/s) debido a la estabilización de la microestructura interna y la nueva morfología de las partículas como el efecto principal de endurecimiento a temperatura ambiente.

M. Preciado et al. [7], utilizaron aleaciones de magnesio AZ91D y AM60B inyectadas a alta presión (HPDC, High Pressure Die Casting) y les aplicaron tratamientos térmicos convencionales (T6 y T4) con posterior tratamiento criogénico sobre la aleación AZ91D. Los ensayos de tracción para la aleación AM60B mostraron una disminución del límite elástico con cualquiera de los tratamientos realizados, no justificado con los ligeros aumentos en la resistencia a tracción y a alargamiento, con lo que no parece apropiada la realización de tratamientos térmicos. En la aleación AZ91D se observó que el tratamiento T6 produce un aumento de la resistencia de un 13.8%, comparado con el material sin tratar, aunque también se da una ligera disminución del alargamiento. Si se añade el tratamiento criogénico, la resistencia se mantiene prácticamente igual y el alargamiento aumenta en un 8.7%, si bien el límite elástico disminuye. Los ensayos de resiliencia no han establecido diferencias entre unos tratamientos y otros, ya que el factor predominante en este tipo de rotura ha sido la elevada porosidad de las probetas.

Xiong Chuang-xian et al. [8], analizaron el efecto sobre las propiedades mecánicas de los tratamiento criogénicos en aleaciones de magnesio Mg-Gd-Y-Zr(Mn) extruidas. La resistencia a tracción, el límite elástico y el alargamiento con adiciones de Zr o Mn aumentaron en gran medida. Se observó un cambio notable en la microestructura con un gran número de maclas y fases precipitadas en forma de vara, árbol y crisantemos. La superficie de fractura presenta características de rotura dúctil cuando se observa a temperatura ambiente.

En algunos casos los tratamientos criogénicos podrían considerarse como una extensión de los ciclos convencionales de temple. Sin embargo, también pueden tratarse materiales que no han sido templados. En cualquier caso hay que destacar que, aunque a veces puedan producirse ligeros aumentos de la dureza, los tratamientos criogénicos no la alteran de modo significativo. Hay que tener presente que, a pesar de las temperaturas a las que se efectúan, los procesos criogénicos son tratamientos térmicos y, como tales, afectan de modo permanente a todo el volumen del material. Es decir, no son tratamientos superficiales. Por tanto el proceso se aplica una sola vez y si se somete, por ejemplo, a un punzón ó una cuchilla a un tratamiento de este tipo, podrá ser afilada o modificada cuantas veces se desee sin que se produzca una pérdida de prestaciones. Otra característica interesante de este tipo de tratamientos es que son perfectamente compatibles con los recubrimientos antidesgaste (PVD, CVD, etc.) habituales en la industria y que la combinación de este tipo de procesos puede mejorar aún más los resultados.

Cuestiones como el desgaste o la fatiga tienen unas consecuencias económicas y medioambientales incalculables en nuestra civilización. No es extraño, por tanto, el estudio de estos fenómenos y la búsqueda de soluciones que los minimicen hayan


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sido constantes a lo largo de la historia. La necesidad de mejorar el rendimiento de los materiales siempre está presente. Consecuentemente, es fácil entender que las aplicaciones de los tratamientos criogénicos son innumerables y que están en continuo desarrollo. Las hay en prácticamente todos los sectores: metalmecánico, estampación, fundición e inyección, siderurgia, automoción, aeronáutico y aeroespacial, obras públicas, minería, forestal, agricultura, industria química, papelero, eléctrico, material quirúrgico y ortopédico, material deportivo, competición de motor, etc. Entre las herramientas y componentes que se pueden tratar criogénicamente tenemos: cuchillas, brocas, fresas, cortadores, brochas, sierras, insertos, punzones, matrices, electrodos, moldes, rodetes, muelles, engranajes, rodamientos, motores, transmisiones, cables, conectores, etc.


[1] L. A. Alava. Tratamiento de materiales a temperaturas criogénicas: evolución y aplicaciones. http://www.cryobest.com/docs/esp/Tratamiento%20de%20%E2%80%A6plicaciones.pdf

[2] J.D. Darwin, D. Mohan Lal and G. Nagarajan. Optimization of Cryogenic Treatment to Maximize the Wear Resistance of Chrome Silicon Spring Steel by Taguchi Method. International Journal of Material Science, Volume 2, Number 1 (2007), pp. 17–28, ISSN 0973-4589.

[3] E. Martínez, V. Climent, X. Toneu. Evaluación de las propiedades tribológicas de aleaciones de magnesio sometidas a un tratamiento criogénico multietapa. VI Congreso Ibérico de Tribología – IBERTRIP 2011, Móstoles (Madrid), 2011, ISBN: 978-84-694-5705-4.

[4] P. Baldissera and C. Delprete. Deep Cryogenic Treatment: A Bibliographic Review. The Open Mechanical Engineering Journal, Vol.2 (2008), 1-11.


[6] Kaveh Meshinchi Asl, Alireza Tari, Farzad Khomamizadeh. Effect of deep cryogenic treatment on microstructure, creep and wear behaviors of AZ91 magnesium alloy. Materials Science and Engineering A 523 (2009), 27–31.

[7] M. Preciado, P. M. Bravo, J. de Bustos, D. Val, J. Hernández. Influencia de los tratamientos térmicos sobre las propiedades de las aleaciones de magnesio AZ91 Y AM60 inyectadas a alta presión. X Congreso Nacional de Materiales (Donostia - San Sebastián, 18-20 Junio 2008).

[8] XIONG Chuang-xian, ZHANG Xin-ming, DENG Yun-lai, XIAO Yang, DENG Zhen-zhen, CHEN Bu-xiang. Effects of cryogenic treatment on mechanical properties of extruded Mg-Gd-Y-Zr(Mn) alloys. Journal of Central South University of Technology, Vol. 14, Nº 3 (2007), 305-309.


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Como se ha explicado en el apartado anterior, los tratamientos a bajas temperaturas pueden clasificarse en función de la temperatura que se alcanza en el proceso, por debajo de cero grados centígrados. Mientras que en los tratamientos subcero las piezas llegan a unos -80ºC, en los generalmente llamados criogénicos, las piezas pueden alcanzar alrededor de -196ºC. Son precisamente estos últimos los que se han estudiado más a fondo en el presente informe, por el reciente aumento de sus aplicaciones industriales, y por su posible repercusión futura, así como por su previsible extensión industrial.

En el marco de los tratamientos criogénicos, aquellos de los que cabe esperar una mayor evolución y repercusión industrial, son los procesos múltiples, no isotérmicos, caracterizados por someter a los materiales a distintos ciclos controlados de temperaturas criogénicas. Precisamente, esta alternancia de ciclos es la que proporciona la mayor ventaja industrial de este tipo de procesos: los sucesivos enfriamientos y calentamientos inducen un efecto mecánico de contracción-expansión, que hacen el tratamiento más efectivo.

Además, este tipo de tratamientos ha resultado ser adecuado para tratar una gran variedad de materiales: aceros, cobre, aluminio, composites o polímeros, son solo algunos de los susceptibles de ser tratados con este método. Esta versatilidad de materiales a tratar, abre las puertas a numerosas aplicaciones industriales en un elevado número de sectores relacionados con el metal y distintas empresas a nivel global están, precisamente, explorando y explotando ya estas posibilidades. Algunos de los sectores en los que se están aplicando estos tratamientos, en ocasiones de un modo incipiente, son automoción, aeroespacial, siderurgia, agricultura, electrónica, energía, deportes y medicina entre otros.

Aunque el uso industrial de los tratamientos criogénicos comenzó hace ya más de 20 años, principalmente en Norteamérica, con posterior extensión a Asia, en Europa su aplicación no está todavía generalizada, siendo escasas las empresas que ofrecen este tipo de tratamientos en dicho ámbito geográfico. De hecho, la mayoría de las patentes identificadas en los últimos cuatro años (2008-2011) corresponden a empresas de Estados Unidos y China, muy por delante del resto de países (ver detalles de la búsqueda en el anexo correspondiente). La mayor parte de dichas empresas, son grandes corporaciones internacionales, con miles de trabajadores y sede en numerosos países a nivel global, que ofrecen una gran variedad de servicios integrales, relacionados con la producción de piezas complejas, especialmente tratadas para responder específicamente a los requisitos del cliente.

En el periodo estudiado, también se han identificado diversas patentes procedentes de universidades asiáticas, ya que este grupo de tratamientos es objeto de numerosas investigaciones y se halla en evolución tecnológica, con el fin de mejorar su aplicabilidad a nivel industrial y su eficiencia.

Es previsible que estos tratamientos continúen su evolución e implantación generalizada a nivel industrial, en un futuro inmediato, dada la mejora de productividad que suponen frente a otros tratamientos más tradicionales y su mayor eficiencia al reducir el consumo de nitrógeno líquido (especialmente si los comparamos con tratamientos que también usan este producto). Aunque en España su uso es aún puntual, es de esperar una extensión de su aplicación, asociada a las posibilidades


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que ofrece este tipo de tratamientos. La posibilidad de tratar desde pequeñas series a grandes volúmenes de materiales, el ahorro de costes y tiempo, así como la mejora de la productividad y prestaciones de los productos tratados, son las principales ventajas que hacen pensar en su extensión industrial a corto-medio plazo. En la actualidad, ya se está empleando para motores, herramientas de mecanizado, material quirúrgico, electrodos y una amplia variedad de productos vinculados a los sectores cliente mencionados al inicio del apartado.

4.1.3. Tratamientos de calentamiento

Bajo el nombre de tratamientos de calentamiento, se han considerados aquellos que aún siendo más tradicionales que los anteriores, son de gran aplicación en la industria y se observa cierta evolución tecnológica entre ellos, con algunas aplicaciones alternativas a las tradicionales.

Aunque son numerosos los tratamientos que podrían haberse considerado en este apartado, dado el alcance del propio informe, se ha limitado el análisis en más profundidad a la evolución que están experimentando los calentamientos por inducción y los que usan microondas. La elección se ha basado en el estudio documental previo realizado y en la amplia aplicación de los mismos en las industrias del metal.

4.1.3.1. Calentamiento por inducción


El calentamiento por inducción electromagnética es un método para suministrar calor de forma rápida, limpia, controlable y eficiente para distintas aplicaciones de fabricación, sobre piezas, partes metálicas o materiales conductores de la electricidad.

Los principios básicos de la inducción electromagnética han sido ampliamente estudiados. Una corriente eléctrica que circula por un conductor en forma de bobina (inductor) genera un campo magnético en sus alrededores como se indica en la figura 1. La mayor intensidad del campo se da en el núcleo de la bobina, y depende de la fuerza de la corriente de excitación y del número de espiras de la bobina.

Figura 1. Bobina y campo magnético generado al circular la corriente [1]


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Si se coloca un elemento de material ferromagnético dentro de un campo magnético alterno, se “inducen” corrientes eléctricas principalmente concentradas cerca de la superficie, denominadas corrientes parásitas o de Foucault. Estas corrientes se cierran (neutralizan) dentro del mismo medio formando torbellinos, y son las responsables de la generación de calor por el efecto Joule (figura 2). El campo magnético alterno también produce sucesivas magnetizaciones y desmagnetizaciones en el material sometido al campo, que se traduce en sucesivos ciclos de histéresis, los cuales también producen pérdidas de energía electromagnética que se traducen en calor. Finalmente el calor se difunde al seno del elemento por conducción.

Figura 2. Efecto de las corrientes parásitas: calentamiento por inducción [1]

En decir, lo que constituye un fenómeno indeseable en los circuitos eléctricos, transformadores y motores, es decir, las pérdidas provocadas por la inducción electromagnética, se han convertido en una herramienta de aplicación muy difundida en otros sectores. El uso de transistores ha permitido alcanzar oscilaciones o frecuencias del campo magnético tan amplias, que pueden oscilar desde 60 Hz hasta 60 MHz, y por ende permiten lograr temperaturas de miles de grados, con distinta profundidad de alcance sobre el cuerpo a calentar, en tiempos mínimos, con gran precisión y consistencia.

Las ventajas principales del calentamiento por inducción son las siguientes:

Ausencia de contacto físico

Generación del calentamiento en el lugar requerido

Ausencia de pérdidas en transferencias calóricas

Rapidez y precisión

Fácil automatización y control del ciclo de trabajo

Algunas de las aplicaciones industriales más extendidas del calentamiento por inducción son las siguientes:

Tratamientos térmicos: recocido, templado, endurecido superficial

Fusión; forjado en caliente

Soldaduras de: bronce, termoplásticos.

Expansión para embutido; alivio de tensiones

Aplicación de revestimientos; curado o secado


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Los componentes básicos de un sistema de calentamiento por inducción son: fuente de potencia, estación de calentamiento, espiral inductor y la pieza a trabajar o material a calentar. La fuente de potencia recibe la corriente alterna, normalmente 380-400V, que es rectificada y regulada. Luego alimenta al conversor de frecuencia, quien permite la generación del campo magnético en el espiral.

Existe una estrecha relación entre la frecuencia de operación de la corriente que genera el campo y la profundidad de penetración sobre la pieza o material. Como se ha indicado, la corriente inducida que fluye sobre la pieza es más intensa en la superficie y decae rápidamente bajo la superficie. Por ello, el exterior se calentará más rápido que el interior: el 80% del calor producido en la pieza se concentra en la parte exterior. Cuanto mayor es la frecuencia de operación, menor es la profundidad de penetración, es decir, más superficial es el efecto.

Las bajas frecuencias de 5 - 30 kHz son efectivas para materiales gruesos que requieren una penetración profunda del calor, mientras que las frecuencias mayores, de 100 – 400 kHz, son aptas para piezas pequeñas o para escasa penetración.

Para calentar piezas microscópicas existen en el mercado fuentes que operan hasta con 60 MHz. Por otra parte cuando mayor es la frecuencia, más rápidamente se genera el calor. La potencia de la fuente determina la velocidad relativa del calentamiento de la pieza. Los equipos de menores potencias son de 5-15 kW, y los mayores de 50-250 kW. Todos estos equipos, y los mayores principalmente, requieren la utilización de agua de enfriamiento, que circula en todo el equipo (conversor de frecuencia), incluso el espiral.

La estación de calentamiento en la mayoría de las aplicaciones es una estación remota vinculada a la fuente a través de un cable flexible. Puede distanciarse hasta 60 m de la fuente. Existen también equipos con la estación integrada en la fuente. Las estaciones poseen una serie de capacitores de resonancia que tienen por finalidad ajustar la frecuencia y/o el voltaje de operación a la aplicación y material particulares. Las estaciones de calentamiento son enfriadas por circulación de agua.

El espiral inductor normalmente está fabricado con tubos de cobre enfriados por agua y el tamaño y la forma del mismo dependen de la configuración de la pieza a calentar y de las variables del proceso particular. Un adecuado diseño del espiral es crítico para lograr un perfil de calentamiento apropiado y una máxima eficiencia de la energía consumida, sin sacrificio de la facilidad de inserción y extracción de la pieza a trabajar. Los espirales inductores pueden adoptar múltiples formas: de lazo simple o múltiple, de perfil helicoidal, redondo o rectangular, etc.

Los materiales magnéticos, particularmente los ferromagnéticos, se calientan más fácilmente que los materiales no-magnéticos (diamagnéticos), debido al calentamiento adicional por el efecto de histéresis. La diferencia entre ambos tipos de materiales es que los magnéticos, ante la presencia de un campo magnético exterior, generan su propio campo magnético que refuerza el exterior (imantación). Al variar el campo magnético exterior, la imantación remanente produce la histéresis, que se puede entender como la resistencia natural de los materiales al cambio rápido en el sentido del flujo magnético. Por el contrario, los materiales diamagnéticos generan en sí mismo un campo magnético opuesto, que debilita el campo magnético exterior. En definitiva, y debido a la estructura atómica de las sustancias, todos los materiales poseen propiedades magnéticas.


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La medida que representa la resistencia de los materiales a seguir la alternancia de un campo magnético que lo excita, es la permeabilidad magnética. Los materiales denominados no-magnéticos o diamagnéticos tienen valores de permeabilidad alrededor de 1 N/A². Para los ferromagnéticos oscila entre 100 y 500 N/A². A igualdad de otros parámetros del proceso de inducción magnética, a mayor permeabilidad, menor profundidad de penetración del calentamiento sobre la superficie, y mayor rapidez de calentamiento (calentamiento adicional por histéresis).

Otro aspecto a tener en cuenta en relación a la pieza o material a trabajar es la distancia entre ésta y el espiral inductor. Cuando este apareamiento es más cercano, se induce un flujo de corriente mayor sobre la superficie inducida, y por ende, se incrementa la cantidad de calor producida. Si bien el calentamiento por inducción es usado normalmente sobre materiales ferromagnéticos, es posible el calentamiento de materiales plásticos y otros no-magnéticos, de manera eficiente y rápida, haciendo uso de materiales susceptivos que sean magnéticos (metales). El material susceptivo es utilizado para transferir el calor a la pieza o material objetivo por medio de la conducción y/o radiación térmica. Los materiales normalmente utilizados como susceptivos son el grafito, molibdeno, carburo de silicio, acero inoxidable, niobio, aluminio y otros metales. Algunas aplicaciones donde se usan materiales susceptivos son:

Fusión de materiales no conductores como vidrio

Calentamiento de fluidos en tuberías

Sellado de plásticos

Fabricación con termoplásticos reforzados

Curado de adhesivos y secado de pinturas.

Se utilizan fuentes de energía con frecuencias en el rango de las radiofrecuencias (100-600 kHz) y con potencias entre 1-20 kW, dependiendo de la pieza y la aplicación particular. La curva de ascenso de la temperatura puede ser fácilmente controlada a través de pirómetros ópticos o termocuplas, formando un sistema de control de lazo cerrado.

Aplicaciones en tratamientos térmicos por inducción

La inducción electromagnética ofrece una forma de desarrollar el calor necesario para una serie de tratamientos térmicos tales como:

Endurecimiento superficial y a través de la superficie

Revenido y alivio de tensiones

Normalización y recocido

Endurecimiento por precipitación o envejecimiento

Refinamiento de grano


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Endurecimiento superficial por inducción

El endurecimiento superficial de una pieza de acero consiste en obtener una capa superficial por encima de la temperatura de transformación (denotada por Ac3 en el diagrama de fase Fe-C) en la que se convertirá en austenita y un enfriamiento rápido de la pieza para producir una estructura martensítica dura en esta región. El diseño de un tratamiento de endurecimiento superficial exige la consideración del material de la pieza de trabajo y su condición de partida, el efecto del calentamiento rápido a la temperatura Ac3 o ACcm, requerimientos de propiedades y la selección del equipo.

El endurecimiento superficial por inducción se aplica sobre todo a los grados de acero endurecibles, aunque algunas partes cementadas y enfriadas lentamente son a menudo recalentadas, en áreas seleccionadas, por calentamiento por inducción. Algunos aceros endurecidos superficialmente por inducción son los siguientes:

Aceros con contenido medio de carbono, como 1030 y 1045, que se utilizan para ejes de transmisión automotriz, engranajes, etc.

Aceros con alto contenido de, tales como 1070, que se utiliza para brocas, herramientas de mano, etc.

Aceros de aleación utilizados para rodamientos, válvulas de automóviles y componentes de máquinas-herramienta.

La frecuencia y la selección de la potencia influyen en la profundidad. El caso de endurecimiento completo a poca profundidad (rango de 0.25 mm a 1.5 mm) ofrece una pieza con buena resistencia al desgaste para aplicaciones con carga ligera a moderada. Para este tipo de endurecimiento superficial, la profundidad de austenización puede ser controlada mediante el uso de frecuencias del orden de 10 kHz a 2 MHz, las densidades de potencia a la bobina de 800 a 8000 W/cm2 y tiempo de calentamiento de no más de unos pocos segundos. Ejes de bombas, ejes de balancines y varillas de bombeo son partes típicas que se benefician de un endurecimiento con poca profundidad para una buena resistencia al desgaste. Para aumentar la profundidad de endurecimiento de 1.5 a 6.4 mm se requeriría:

Frecuencias que van de 10 kHz a 1 kHz

Densidades de potencia del orden de los 80 hasta 1550 W/cm2

Tiempos de calentamiento de unos segundos

Engranajes de servicio pesado, ejes, ruedas ejes y cojinetes altamente cargados son partes típicas a las que este tipo de tratamiento por endurecimiento superficial es más aplicable.

Como con piezas endurecidas por métodos de tratamiento térmico convencional, la dureza y el perfil de dureza de las piezas austenizadas por inducción depende únicamente de la composición química del acero y el medio de temple. Al igual que con la austenización por técnicas de horno convencional, en el calentamiento por inducción, el tiempo y la temperatura son los dos parámetros fundamentales que se deben controlar. Para austenizar completamente un acero, se requiere una cierta cantidad de tiempo igual o superior a la temperatura A3. El tiempo para formar una microestructura austenítica depende totalmente de la temperatura de austenización seleccionada y de la microestructura inicial. En todos los casos, la velocidad con la que se forma la austenita es controlada por la difusión del carbono, un proceso que se


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puede acelerar mucho con el aumento de la temperatura. Por ejemplo, el tiempo de austenización completa en un acero al carbono de composición eutectoide con una microestructura inicial de perlita se redujo de aproximadamente 400 s, a una temperatura de austenización de 730 C a unos 30 s, a una temperatura de austenización de 750 C, como muestra en la figura 6. Cada uno de estos tiempos es mucho mayor si la microestructura de partida es esferoidizada con grandes partículas de carburo. Esto ocurre porque la distancia de difusión del carbono, que debe ser transportada desde la fase carburo rica en carbono, es considerablemente mayor que en la perlita, que tiene láminas finas de ferrita y carburo. Por el contrario, las microestructuras bainítica y martensítica más finas tienden a ser más fácilmente reaustenizadas que la perlita. Datos tales como los de la figura 3 sugieren que a temperaturas suficientemente altas, la austenita se forma en una fracción de segundos. Este hecho se basó en el endurecimiento superficial por inducción (velocidades de calentamiento muy rápido) o en el endurecimiento por inducción a través (velocidades de calentamiento moderadas) en donde la superficie de la pieza de trabajo o sección transversal a alcanzó una temperatura más alta ya que la que se utiliza normalmente es más lenta, basado en los procesos en horno.

Figura 3. Efecto de la temperatura de austenización en la velocidad de formación de austenita desde perlita en un acero eutectoide

En la tabla 1 se muestra la temperatura de austenización para el endurecimiento por inducción de una amplia gama de aceros. En general, las temperaturas recomendadas aumentan con el incremento de la temperatura A3, que son aproximadamente 100 C por encima de la temperatura crítica superior de equilibrio; principalmente para reducir o eliminar totalmente el tiempo de austenización durante ciclos continuos de calentamiento por inducción. Sin embargo, todavía están por debajo de la temperatura a la cual puede ocurrir un crecimiento no deseado de grano austenítico en el corto tiempo característico de los procesos de calentamiento por inducción. Las temperaturas de austenización recomendadas son por lo menos otros 100 C más altas en las aleaciones con elementos formadores de carburos (Ti, Cr, Mo, V, Nb, W) que se encuentran en aceros al carbono. Estos aumentos son el resultado de grandes incrementos en las temperaturas críticas de los aceros aleados.


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El revenido con el propósito de disminuir la dureza y aumentar la tenacidad es un tratamiento térmico subcrítico donde se puede lograr una alta eficiencia con calentamiento por inducción. Como se sugirió anteriormente, el revenido se suele aplicar en línea en sistema de tratamiento térmico continuo, inmediatamente después de un endurecimiento directo. Otras aplicaciones de revenido por inducción incluyen:

Revenido localizado de partes endurecidas en horno o cementadas en áreas que requieren más de mecanizado tales como roscas o brocas. Un ejemplo típico es el orificio dentado de engranaje carburizado revenido para facilitar el tamaño final con una broca

Revenido por inducción para aumentar la ductilidad de las piezas endurecidas por trabajo.

Las principales diferencias entre los ciclos de revenido en horno y por inducción se encuentran en los tiempos y temperaturas involucradas. El revenido de las estructuras de acero templado, como la martensita, implica la difusión de átomos de carbono para formar carburo de hierro (Fe3C o cementita). El grado de difusión aumenta con el aumento de la temperatura y el tiempo. Por lo tanto, un tratamiento tiempo corto/alta temperatura y un tratamiento tiempo largo/baja temperatura proporcionan una respuesta de revenido similar. El primer proceso es típico del tratamiento de inducción y el último del tratamiento en horno. Los datos de la figura 7 ilustran este punto. Los resultados muestran la respuesta de revenido para un acero 1050 endurecido por temple que fue revenido en un rango de temperaturas entre 150 y 650 C. Por ejemplo, las condiciones de procesamiento para obtener una dureza de 40 HRC con el tratamiento térmico de inducción se utiliza una temperatura de 540 C durante 5 segundos mientras que para el tratamiento térmico en horno se necesita mucho más tiempo (1 h) a 425 C. Debido a que otras propiedades mecánicas de aceros templados y revenidos, como resistencia a tracción, límite elástico, alargamiento, reducción de área y tenacidad a fractura, a menudo se correlacionan con la dureza, con estos dos tratamientos de revenido diferentes al parecer, se obtiene un producto muy similar.

Tabla 1. Temperaturas de austenización por inducción aproximadas para aceros al carbono y aleados


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Nota: Las temperaturas de austenización recomendadas para una aplicación específica dependerán de las velocidades de calentamiento, una microestructura inicial sin mecanizado y

grados de aleación fácilmente endurecibles por inducción. Los aceros aleados que contienen elementos formadores de carburos (Nb, Ti, V, Cr, Mo, W) deben ser austenizados a temperaturas de 55 a 100 C superiores a las indicadas.

Figura 4. Dureza en función de la temperatura de revenido y el tiempo para un acero 1050 calentado en horno y por inducción, austenizado a 855 C y templado en salmuera

Los ciclos equivalentes tiempo/temperatura de revenido se pueden determinar de varias maneras. Por ejemplo, se pueden realizar experimentos de revenido en un rango de temperaturas para una serie de tiempos, se determina la dureza de cada tratamiento y se traza en un gráfico como en la figura 7 para establecer relaciones de tiempo-temperatura. Este método, sin embargo, implica mucho tiempo y esfuerzo. Una técnica más sencilla utiliza una función matemática conocida como el parámetro de revenido (TP). Un número de investigadores han encontrado que la dureza de la


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martensita revenida (así como la bainita y perlita revenida) puede ser correlacionada con una cierta función del tiempo y temperatura de revenido. La formulación de los parámetros de revenido más templado ampliamente utilizada es la desarrollada por Grange y Baughman:

TP = T(C + log t)

Donde T es la temperatura de revenido absoluta en grados Rankine, C es una constante igual a 14.44 y t es el tiempo de revenido en segundos.

El alivio de tensiones tiene el objetivo de relajar las tensiones residuales adquiridas en el endurecimiento o por el trabajo en frío. Si la dureza es alta en el estado “revenido” y/o la geometría de la pieza es tal que se pueden presentar altas tensiones residuales localizadas, para aliviar las tensiones se debe realizar un alivio de tensiones inmediatamente después del endurecimiento. Sin embargo, si las tensiones residuales pueden mejorar la capacidad de carga y la resistencia a la fatiga de la pieza, entonces

las temperaturas de alivio de tensiones deben ser inferiores a 260 C para mantener el más alto valor práctico de la tensión residual de compresión.

Tratamientos térmicos de recocido con calentamiento por inducción incluyen una variedad de diferentes métodos y tratamientos térmicos. Los métodos de recocido por inducción puede variar desde un recocido localizado a un recocido continuo de chapas y bandas, y normalmente se realizan diferentes tipos de tratamientos de recocido tanto en aleaciones ferrosas como en no ferrosas. Hay tres categorías:

Recocido localizada de productos tubulares soldados o de retenedores conformados en frío

Recocido continuo de chapas o bandas

Tratamiento de recocido para aceros ferríticos (magnéticos)

Recocido por inducción localizado. Una gran variedad de piezas son recocidas localmente, específicamente para mejorar sus propiedades de trabajo en frío o la capacidad de mecanizado o simplemente para desarrollar una microestructura con ciertas propiedades mecánicas necesarias. La rosca laminada en frío y la cabeza conformada en frío en los espárragos es un ejemplo de materiales recocidos localmente. Tanto el metal de la soldadura como el metal adyacente en la soldadura por arco, soldadura a tope de presión o soldadura por fricción puede ser recocido por inducción localmente para mejorar la ductilidad de la zona de soldadura y eliminar cualquier producto duro de la transformación. Tubos soldados con costura continua y uniones de herramientas de campo soldadas por fricción, son ejemplos típicos de los productos fabricados. El post-recocido de tubos de acero soldados con arco en lugares tales como refinerías y plantas de energía eléctrica se puede realizar con calentadores de inducción utilizando 60 Hz o 400 Hz desde un transformador o motor generador portátil. La energía se aplica a través de un cable con aislamiento térmico envuelto alrededor de la tubería y espaciado con juntas aislantes.

Recocido por inducción continuo. Se utiliza el calentamiento por inducción con flujo transversal para el recocido continuo de bandas ferrosas y no ferrosas. Aquí las consideraciones de frecuencia se basan, en menor medida, sobre el espesor de la banda y, en mayor medida, sobre la separación de corrientes en la cara y como ellas afectarán la uniformidad del calentamiento.


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Recocido por inducción de aceros magnéticos. Los aceros ferríticos (magnéticos) que pueden ser recocidos por encima o por debajo de la temperatura crítica de transformación ferrita-austenita, requieren una cuidadosa atención de las características de calentamiento y enfriamiento, cuando se utilizan los métodos de inducción para el calentamiento. En el recocido subcrítico, por ejemplo, el objetivo es reducir la dureza y mejorar la ductilidad por calentamiento sólo en el rango de temperaturas de revenido (por debajo de 760 C). En este proceso subcrítica, sin embargo, puede ocurrir alguna transformación indeseable ya que el calentamiento por inducción tiene el potencial para producir altos gradientes de temperatura.

El recocido crítico (o normalizado), que consiste en calentar por encima de la temperatura de transformación de efecto recristalización, también requiere una cuidadosa atención a los gradientes de temperatura y los procedimientos de enfriamiento. Los productos que se prestan para un recocido horizontal continuo (o normalizado) son de alambre de acero, barras, tubulares y formas simples. La frecuencia apropiada será determinada por la sección transversal o espesor del metal. En algunos casos, se utilizarán dos frecuencias durante el recocido crítico, una para el estado inicial subcrítico (magnética) seguido por una etapa de mayor frecuencia para el calentamiento supercrítico (no magnético).

Calentamiento por inducción localizado para el refinamiento del grano. Con el rápido calentamiento local generado por el proceso de inducción, se puede conseguir el refinamiento del grano en las capas exteriores críticas de barras de acero o palanquillas al permitir que el metal del núcleo más frío recristalice el metal de la capa externa transformado en un proceso de calentamiento por etapas. El calentamiento por inducción se utiliza también para llevar a cabo la recristalización con el propósito de refinar el grano grueso desde las altas temperaturas de la soldadura en continuo de un tubo soldado eléctricamente. Como un proceso térmico, el refinamiento del grano se logra calentando el acero por encima de la temperatura de transformación del efecto recristalización, seguido de un enfriamiento rápido para restaurar la estructura de ferrita original.

Endurecimiento por precipitación o envejecimiento. El calor producido por las corrientes inducidas, si es bastante uniforme, puede ser utilizado eficazmente para acelerar el envejecimiento y producir endurecimiento por precipitación en metal con un componente sobresaturado. Ciertos aceros para trabajo en frío están reforzados por un tratamiento térmico de inducción subcrítico, llamado envejecimiento por deformación. Debido a que el envejecimiento depende del tiempo y la temperatura, los parámetros del envejecimiento por inducción pueden ser diferentes del envejecimiento en horno.


[1] Gabriel González. Aplicaciones del calentamiento por inducción electromagnética en el procesamiento de PRFV. Octubre 2005.



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El uso de la inducción como alternativa para el tratamiento de los materiales, está relativamente extendido en la industria del metal, considerándose tanto una tecnología de calentamiento, como un tratamiento térmico propiamente dicho, pero llevado a cabo mediante la aplicación de inducción.

A pesar de ello, es una tecnología que continúa su evolución, persiguiéndose el objetivo de optimizar sus condiciones de aplicación, abaratar costes y tiempos y mejorar las características finales del material tratado. Debido precisamente a dicha permanente búsqueda de mejora, es fácil comprobar, a partir de un análisis de la actividad de protección intelectual a nivel global, que la investigación en dicho campo continua, especialmente procedente de determinadas áreas geográficas.

Realizando una observación más exhaustiva de las patentes publicadas en el periodo 2008-2011, destaca la preponderancia de las protecciones procedentes de Asia. En particular Japón y China resultan ser los países más destacados a este respecto, muy por delante de sus inmediatos seguidores (según la PTO, ambos países suman más del 65% del total de familias publicadas a nivel global, durante el periodo considerado). Tanto en uno como en otro caso, se ha mantenido, incluso aumentado, a lo largo del periodo considerado, la actividad en relación con la protección de métodos y dispositivos relacionados con el tratamiento en cuestión (ver detalles de la búsqueda en el anexo correspondiente).

Pero esta no es una tendencia única observada en empresas y centros de investigación japoneses o chinos: la investigación en torno a esta tecnología continúa aumentando en otras áreas y países, como Alemania, Estados Unidos y Corea. Éstos son, precisamente, los tres países más destacados en cuanto a publicación de patentes, después de los mencionados asiáticos, aunque todavía a mucha distancia de los dos primeros (entre los tres países suman alrededor del 13% de familias de patentes, respecto a los datos globales, según la PTO).

Así pues, vemos que el interés por el desarrollo del tratamiento en cuestión sigue en aumento, continuando la aparición de nuevas aplicaciones para el mismo. Muchas de las patentes se refieren a métodos mejorados para el tratamiento de materiales, mediante el uso de inducción en alguna fase del procesado, mientras que otras muchas son métodos o incluso dispositivos específicos para piezas específicas o un material determinado.

Al igual que en el caso de las tecnologías contempladas anteriormente, la mayoría de las empresas que continúan investigando en relación con este tipo de tratamientos, son grandes corporaciones que operan a nivel global, con miles de empleados y centros o unidades específicas de I+D. Además, la mayor parte operan en sectores vinculados a la automoción, energía y en general aquellos que producen grandes tiradas de piezas con características específicas: construcción, minería, agricultura, semiconductores, etc.

Es previsible que este tipo de tratamientos continúen su evolución e implantación generalizada a nivel industrial, en un futuro inmediato, dada la mejora que suponen frente a otros tratamientos más tradicionales. Aunque España no se caracteriza por su actividad en lo que a protección industrial se refiere en este campo tecnológico, su aplicación sí se encuentra extendida entre algunas empresas que ofrecen tratamientos


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térmicos o que producen determinados tipos de piezas para los sectores cliente mencionados. Es pues de esperar, que la extensión de la aplicación de estos tratamientos continúe su avance en nuestro país.

4.1.3.2. Calentamiento por microondas


Aunque las microondas ya hace tiempo que se usan ampliamente en la industria de producción de alimentos, cada vez está más extendido el uso de la tecnología de calentamiento por microondas para los procesos industriales más allá de la cocción y el secado.

En los métodos de calentamiento convencionales la energía térmica se aplica a la superficie del material por calentamiento radiante y/o convección y se transfiere a la mayor parte del material por conducción. En contraste, en los métodos de calentamiento por microondas, la energía se aplica directamente al material a través de la interacción molecular con el campo electromagnético. Se produce así una transformación de energía electromagnética en energía térmica, en lugar de una mera transferencia de calor. Dado que las microondas pueden penetrar el material y suministrar energía, el calor se genera en todo el volumen del material obteniéndose un calentamiento volumétrico. Por lo tanto, es posible lograr un calentamiento rápido y uniforme de materiales con gran espesor. Debido a esto, el gradiente térmico en los materiales procesados por microondas se produce al contrario que en materiales procesados por calentamiento convencional.

En el calentamiento convencional, se seleccionan velocidades de calentamiento lentas para reducir los gradientes térmicos bruscos, que acarrean esfuerzos inducidos por los procesos. Por lo tanto, hay un equilibrio entre el tiempo de procesamiento y la calidad del producto. Durante el procesamiento con microondas, existe el potencial de reducir el tiempo de procesamiento y mejorar la calidad de los productos, debido a que las microondas pueden transferir energía a través de todo el volumen del material. En este caso, la transferencia de energía se produce a nivel molecular y puede tener algunas ventajas adicionales. Cuando la energía de microondas está en contacto con materiales que tienen diferentes propiedades dieléctricas, unirá de manera selectiva los materiales con mayor tangente de pérdida. Por lo tanto, las microondas pueden utilizarse para el calentamiento selectivo de los materiales.

Las microondas son ondas electromagnéticas con longitudes de onda desde 1 mm a 1 m que corresponden a frecuencias entre 300 MHz y 300 GHz. Las frecuencias que se utilizan para el calentamiento por microondas son 0.915 GHz y 2.45 GHz. Estas frecuencias se han elegido por dos razones principales: la primera es que están en la banda de radio industrial, científica y médica (ISM) que está destinada para fines diferentes a los de comunicación y la segunda es que la profundidad de penetración de las microondas es mayor a frecuencias muy bajas. Sin embargo, el calentamiento no necesariamente aumenta con la disminución de frecuencias, como el campo interno (E) que puede ser bajo, en función de las propiedades del material. La frecuencia de 2.45 GHz se utiliza sobre todo para los hornos de microondas domésticos y la frecuencia de 0.915 GHz se prefiere para hornos microondas industriales y/o comerciales. Recientemente, se han desarrollado hornos microondas con frecuencias


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variables desde 0.9 a 18 GHz para el procesamiento de materiales. Las microondas son coherentes y polarizadas y pueden ser transmitidas, absorbidas o reflejadas dependiendo del tipo de material.

Una posible explicación del calentamiento de los materiales mediante microondas, tiene relación con la interacción entre el campo eléctrico y la materia, debido probablemente a que los materiales presentan un fenómeno llamado polarización, el cual consiste en la modificación de la distribución de las cargas eléctricas en un material. Al aplicar un campo eléctrico a un material dieléctrico se origina un cambio en la orientación de la carga de las partículas, la cual induce dipolos que a su vez responden al campo aplicado (figura 1). Existen varias formas: la polarización electrónica, que se produce al cambiar la distribución de la nube electrónica en el átomo, mientras que la polarización iónica consiste en que los iones se desplazan cambiando la interacción entre ellos. Algunos materiales cuentan con dipolos naturales, los cuales existen independientemente de la presencia del campo eléctrico. La relación que existe entre el calentamiento de los materiales y la polarización se presenta cuando se aplica un campo eléctrico alternativo a un material cuyos dipolos, ya sean naturales o inducidos, no son capaces de seguir totalmente la inversión del campo eléctrico, teniendo como consecuencia que la polarización de éstos se retrasa con respecto al campo aplicado, el resultado es que la energía se transfiere al material en forma de calor. El mecanismo descrito se conoce como rotación dipolar, pero también puede darse calentamiento resistivo, calentamiento electromagnético y calentamiento dieléctrico. Dependiendo de la sustancia, la respuesta puede deberse exclusivamente a un solo mecanismo o una combinación de ellos.

Figura 1. Efecto molecular en la interacción del campo eléctrico con la materia: (a) redistribución de la carga, (b) redistribución dipolar. [10]

La rotación dipolar actúa sobre moléculas polares eléctricamente neutras con cargas eléctricas positivas y negativas espacialmente separadas. Las moléculas expuestas al campo responden rotando sus polos respectivos en la dirección del incremento de la amplitud del campo de microondas. La “fricción molecular” resultante genera calor instantáneamente y uniformemente a través del compuesto. El calentamiento resistivo se provoca en conductores (o semiconductores) de conductividad relativamente baja. Dentro de éstos hay dos categorías que pueden experimentar este tipo de calentamiento cuando se exponen a energía de microondas; (a) aquellos materiales que tienen electrones libres o pares de electrón-vacancia, tales como el carburo de


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silicio y (b) aquellos materiales que tienen suficientes iones con suficiente libertad de movimiento para generar corriente, tales como los radicales libres en soluciones electrolíticas o en matrices sólidas.

El calentamiento electromagnético ocurre en los materiales que poseen gran susceptibilidad magnética y que se exponen a la energía de las microondas. Los polos magnéticos de estos materiales se hacen rotar de una manera análoga a las moléculas polares en campos eléctricos oscilantes. Los óxidos magnéticos son un buen ejemplo de materiales en los que se presenta este fenómeno. El calentamiento dieléctrico es una función de rotación dipolar y calentamiento resistivo. Los efectos de relajación con los voltajes cargados asociados con el campo de microondas, determinan las propiedades dieléctricas y el factor de pérdida dieléctrica.

Dado que las propiedades dieléctricas son un buen indicativo de la interacción entre la onda y el material. Una manera de cuantificar la energía que absorbe un material es mediante la ecuación siguiente:

P = 2 f 0 r tan () E2

Donde P es la potencia absorbida, f es la frecuencia, 0 es la permisividad del aire, r es la permisividad relativa del material, tan () es el factor de pérdida y E es la magnitud del campo eléctrico. De esta ecuación se conoce con certeza únicamente la frecuencia de las microondas. La permitividad y el factor de pérdida son función de la temperatura y deben ser calculados, en tanto que el campo eléctrico depende de la posición de la onda dentro de la muestra, pero ésta a su vez depende de la permitividad. Así resulta que, aunque se cuenta con una ecuación que permite calcular la cantidad de energía que entra a un sistema, el problema sigue siendo complejo.

Un sistema de calentamiento por microondas está compuesto fundamentalmente por un generador de microondas, un aplicador o cavidad resonante de microondas donde se introduce el material a procesar y un tramo de guía de ondas que conecta el generador con la cavidad (figura 2). Se emplean guías de onda dado que la señal transportada es una portadora de alta potencia y, por tanto, no puede ser transmitida por líneas coaxiales.

El generador habitual en las aplicaciones de calentamiento es el magnetrón, un dispositivo que permite obtener una potencia elevada a frecuencia de microondas (figura 3). La cavidad es metálica y puede presentar una geometría arbitraria, aunque, debido a la sencillez de fabricación, la gran mayoría de las utilizadas en aplicaciones industriales son rectangulares o, en menor medida, cilíndricas. Son dispositivos resistentes y de bajo coste. Los magnetrones de 2.45 GHz de alta potencia están disponibles hasta 30 kW, mientras que los sistemas de 0.915 GHz se pueden comprar en unidades de 60, 75 y 100 kW. Se ha desarrollado y se dispone de un magnetrón con una mayor frecuencia, 5.8 GHz, pero no a precios de producción en masa. También se tienen, los klistrones o girotrones que se utilizan para producir microondas de ultra alta frecuencia (ondas de milímetro), 24 – 30 GHz, pero son mucho más costosos.


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Figura 2. Esquema de un horno microondas fabricado por DENNIS TOOL Company [9]

Figura 3. Corte transversal de un magnetrón [2]

Adicionalmente, el sistema puede incorporar otros dispositivos como un circulador y una carga de agua con el fin de evitar que las posibles reflexiones debidas a la desadaptación entre guía y cavidad puedan afectar al magnetrón, o elementos móviles en el interior de la cavidad que bien desplacen el producto (por ejemplo, platos giratorios), bien modifiquen las condiciones de contorno de la cavidad y provoquen la excitación de distintos modos electromagnéticos en función del tiempo (agitadores de modos o stirrers). En ambos casos, dado que resulta difícil obtener una distribución de campo eléctrico homogénea a lo largo del producto, se pretende que en media temporal esta distribución de campo sí se aproxime a una homogénea.

Las empresas que están fabricando hornos industriales con tecnología microondas tienen dos obstáculos principales:

La necesidad de estandarizar los hornos microondas

La necesidad de estudios de viabilidad económica y el diseño de hornos a gran escala

Varias compañías están asumiendo el reto y están diseñando instalaciones adecuadas para su uso a nivel industrial. Varias compañías ofrecen hornos microondas estándar y


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muchas empresas diseñan y construyen sistemas microondas para satisfacer las especificaciones de su cliente con un rango variable de precios y capacidades.

Las aplicaciones del procesamiento por microondas son realmente muy amplias; entre ellas: procesamiento de solución y suspensión, secado, eliminación de materiales orgánicos, clinkerización, sinterización de cerámicas y materiales compuestos de cerámica, polvos metálicos, elaboración de materiales cerámicos especiales, procesamiento por plasma, procesamiento de polímeros y compuestos de polímeros, fabricación de materiales funcionales, unión de materiales, fundición de materiales metálicos, síntesis de polvos cerámicos, wiskers, microtubos, nanotubos, desarrollo de recubrimientos, preparación y sinterización de nanomateriales, tratamientos térmicos de películas de TiO2, curado, secado y desparafinación de moldes cerámicos y cáscara utilizado en la industria de fundición de metales, deposición química en fase vapor (CVD), ensayos no destructivos, tratamiento y recuperación de compuestos volátiles orgánicos, tratamiento de lodos residuales y transformación de residuos.

Aunque la aplicación de las microondas es anterior a la década de los 80, el interés en este campo ha crecido notoriamente en la actualidad. Esto puede apreciarse en la variedad de técnicas orientadas a buscar y aprovechar los beneficios de utilizar la esta energía para explorar nuevas rutas de procesamiento de acuerdo a la aplicación concreta de los materiales. Es decir, que conforme a que las exigencias de desempeño aumentan en todos los sentidos, se deben diseñar procedimientos más efectivos para la producción de nuevos materiales, sobre todo para el caso de los procesos que se llevan a cabo a altas temperaturas, lo que se traduce en la búsqueda del incremento de la eficiencia y control del calentamiento. Algunas de las ventajas por las cuales se ha incrementado el interés en el uso de las microondas son:

Ahorro en costes (tiempo y energía)

Ahorro de espacio

Rapidez interna de calentamiento

Precisión y control de calentamiento

Calentamiento selectivo

Mejoramiento de calidad y propiedades

Síntesis de nuevos materiales

Capacidades de procesamiento no posibles por métodos convencionales

Automatización del proceso

Combinación con métodos convencionales

Estas ventajas han sido probadas de modo general en los estudios que se han realizado. En algunos experimentos se muestra que la absorción volumétrica de la energía de microondas hace posible el aumento del sinterizado de materiales que de manera convencional tomarían más tiempo. Esto permite, entre otras ventajas, producir un material con un grano fino, una microestructura más uniforme, lo que le confiere que sea un material más resistente que los materiales obtenidos por métodos convencionales. Así pues, su principal efecto cuando interactúan con un material receptivo, es de naturaleza térmica.


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Con la utilización de microondas, se obtienen varias propiedades que no son posibles con el procesamiento convencional dentro de las que destacan:

Penetración de la radiación.

Distribución de campo controlable.

Calentamiento rápido.

Calentamiento selectivo del material a través de una adsorción diferenciada.

Reacciones autolimitadas.

Reducción significativa de los tiempos de reacción.

Altos rendimientos en comparación con los métodos clásicos.

Incremento de la pureza de los productos.

Reducción de los costos de producción.

Eliminación de residuos contaminantes de los medios de reacción.

Estas propiedades tanto de forma simple como combinadas, representan oportunidades y beneficios que no ofrece el calentamiento convencional y proporcionan alternativas para el procesamiento de una amplia variedad de materiales que incluyen gomas, polímeros, cerámicas, metales, aleaciones, composites, minerales, aceites, etc. Dentro de las ventajas que tiene la utilización de microondas en los procesos metalúrgicos, destaca la posibilidad de desarrollar y optimizar los parámetros del proceso, así como el diseño de equipos para el uso de las mismas con los fines señalados.

REFERENCIAS

1. Ed Kubel. Advancements in Microwave Heating Technology. IndustrialHeating.com, 2005, 43 – 53.

2. www.gallawa.com/microtech/Magnetron-basico.html

3. https://www.ceessentials.net/article7.html

4. S. Das, A. K. Mukhopadhyay, S. Datta and D. Basu. Prospects of microwave processing: An overview. Bull. Mater. Sci., Vol. 31, No. 7, 2008, 943 – 956. © Indian Academy of Sciences.

5. M. Willert-Porada. Prospects of electromagnetic materials processing by use of cm-, mm and μm-waves.

6. I. Gómez / J. Aguilar. Estudio del comportamiento de materiales cerámicos expuestos a un campo de microondas, Ciencia UANL, Vol. 3, Nº 2, 2005, 230 – 237.

7. Pardo López, J.C.; Llópiz Yurell, J.C.; De la Cruz D’Alessandro M.; Gastón Peña C. Aleaciones CuNiAl obtenidas por síntesis asistida por microondas. Congreso Iberoamericano de Metalurgia y Materiales, Habana (Cuba), 2006.

8. Microwave sintering of WC – Co based cemented carbides. Materials Research Institute: Microwave Processing and Engineering Center, Pennsylvania State University.


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9. Holly S. Shulman, Ceralink Inc., Alfred, N.Y. Microwaves in High-Temperature Processes. Industrial Heating, 2003.

10. Alejandro Díaz Morcillo, Juan Monzó Cabrera, Elsa Domínguez Tortajada, Mª Eugenia Requena Pérez. Principios Fundamentales y Aplicaciones del Calentamiento por Microondas.


El uso de microondas como tecnología complementaria en el tratamiento de metales, está cada vez más extendido a nivel industrial. Numerosas empresas de tratamientos térmicos han incorporado ya esta tecnología, con objeto de mejorar la eficiencia de sus procesos y ofrecer productos tratados con un mayor valor añadido o incluso menor coste.

Sin embargo, como en el caso anterior, es una tecnología que continúa su evolución, con el fin de optimizar sus condiciones de aplicación industriales y mejorar las propiedades finales del material tratado. No obstante, al contrario de lo que ocurría en el caso de inducción, al analizar los datos de patentes publicadas relacionadas con dicha tecnología correspondientes a los años 2008-2011, se observa que la actividad de protección en dicho campo se mantiene e incluso comienza a disminuir, por lo que parece que no va a continuar con la tendencia de crecimiento que se venía observando los dos primeros años del periodo estudiado. Así, según la búsqueda realizada (ver detalles de la búsqueda en el anexo correspondiente), durante 2008 y 2009 el número de familias de patentes publicadas se mantuvo, incrementándose incluso las procedentes de países como China y Corea. No se ha seguido la misma tendencia de crecimiento en 2010 y 2011, años en los que el número de patentes ha ido disminuyendo paulatinamente, hasta llegar a alcanzar, en este último año (según fecha de publicación) menos de la mitad del número de familias de patentes registrado tanto en 2008, como en 2009. Al menos, hasta el cierre de este informe.

En cuanto a la procedencia geográfica de las protecciones, son en su mayoría asiáticas, destacando por encima del resto China, seguida de Japón. Estados Unidos ocupa el tercer lugar y ha mantenido su actividad en este sentido, al menos durante los tres primero años del periodo estudiado. No obstante, esta actividad, ha bajado drásticamente en el último año. Corea, ocupando el cuarto puesto en cuanto a procedencia de los países solicitantes relacionados con la búsqueda, es el único país que ha continuado su actividad en este sentido, durante los cuatro años estudiados, no mostrando por el momento un descenso de la misma.

Las patentes identificadas protegen tanto procesos en los que se utilizan las microondas en algún momento, como parte del tratamiento térmico, como dispositivos encaminados a aplicar la tecnología de microondas, de un modo óptimo, en función del material o pieza a tratar.

Nuevamente, la mayoría de las empresas que está investigando en relación con este tipo de tratamientos, son agrupaciones muy conocidas a nivel global, con miles de empleados y sedes distribuidas por todo el mundo. Muchas de ellas son empresas cuya especialidad original no es necesariamente el tratamiento de piezas o metales. Gran parte son empresas que elaboran y comercializan productos finales, como electrodomésticos, componentes electrónicos y de automoción, etc., pero que han


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integrado este tipo de tecnología para optimizar sus procesos e investigan y desarrollan su aplicación en alguna de sus divisiones. Así pues, en numerosas ocasiones, han protegido la tecnología en cuestión, pero no con fines comerciales propiamente dichos, ya que no la ofertan como servicio, sino que la utilizan para mejorar sus propias piezas o productos finales.

Es previsible que este tipo de tratamientos continúe su evolución e implantación generalizada a nivel industrial, por la ventaja que representa al tratar las piezas térmicamente. En España su uso se encuentra relativamente extendido entre algunas de las empresas que ofrecen tratamientos térmicos o superficiales, para mejorar el acabado y propiedades finales de las piezas. Por ello, es de esperar, que la extensión de la aplicación de estos tratamientos continúe su avance en nuestro país.

4.2. TRATAMIENTOS SUPERFICIALES


Bajo la descripción de tratamientos superficiales se incluye un amplio abanico de procesos, cuyo objetivo es la modificación o mejora de las propiedades superficiales o estructurales de un material, ya sea de forma directa o indirectamente.

Este tipo de tratamientos permiten, además de satisfacer funciones estéticas y decorativas, aumentar la durabilidad y resistencia de determinados materiales. Otra posibilidad que ofrecen los tratamientos incluidos en esta clasificación, es la conversión de materiales no conductores en conductores. Los acabados superficiales en general, constituyen uno de los sectores clave dentro del sector metalúrgico.

Uno de los problemas que afectan a este sector, son los asociados a la materia medioambiental, debido al uso de disolventes y residuos tóxicos que se generan durante el proceso. La legislación de vertidos y residuos es cada vez más restrictiva y la sociedad demanda nuevos procesos de producción más limpios y respetuosos con el medio ambiente. Ello hace que el impacto de estos tratamientos sobre el medio ambiente sea cada vez menor, debido al desarrollo de nuevas técnicas y tecnologías, además del aumento del número de empresas especializadas en el tratamiento de residuos. El objetivo es avanzar hacia tecnologías y tratamientos de vertido cero.

Entre los sectores más demandantes de tratamientos superficiales, se encuentran industrias como las de automoción, construcción, decoración (iluminación, herrajes, etc.), sanitario y eléctrico entre otros. Al igual que en el caso de tratamientos térmicos, cada vez se incorporan nuevos sectores, que también se incluyen entre los demandantes de este tipo de tratamientos.

Dentro del subsector de tratamientos superficiales, los recubrimientos inorgánicos, abarcan la proporción más grande de mercado. Ese subsector incluye galvanotecnia, anodizado, procesos de deposición por vía química, recubrimientos de conversión de superficie, etc. El mayor de dichos mercados es el de galvanotecnia, que supone más del 40 % del total de recubrimientos inorgánicos y se espera que siga siendo predominante en los próximos años, aunque con un crecimiento inferior al de toras tecnologías o aplicación (datos extraídos del informe TECLA I y II, elaborados y publicados respectivamente en 2009 y 2010, por este mismo Observatorio).


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Es de esperar que los mercados de electrodeposiciones de metales, anodizados, procesos de deposición por vía química y electropulido, se incrementen a un ritmo mayor que las demás tecnologías de recubrimiento. La razón para ello, es el incremento en las aplicaciones finales, especialmente en los mercados de Asia-Pacífico. Sin embargo, los mayores incrementos en la aplicación de recubrimientos inorgánicos, se prevén en los sectores industriales de informática y comunicaciones, automoción y electrónica y electrodomésticos. Los grandes sectores industriales, que constituyen en mercado habitual de los recubrimientos inorgánicos, como el de decoración, aeroespacial y defensa, se espera que crezcan a ritmos inferiores.

Las empresas más competitivas a nivel europeo son en su mayoría de gran tamaño y operan a nivel internacional. Suelen realizar tratamientos sobre todo tipo de superficies y la I+D, innovación y tecnología son aspectos clave para ellas, colaborando habitualmente con centros de investigación y universidades. En su mayoría, tienen un centro o departamento propio de I+D, en especial en el caso de grupos empresariales. Ello les permite permanecer en la vanguardia de la innovación, proporcionando procesos y servicios en sectores y nichos de mercado de alto valor añadido.

La calidad total, la mejora constante y la homogeneidad y reproducibilidad de sus tratamientos, es un objetivo de prácticamente todas las empresas, estando en su mayoría certificadas en ISO 9001. El respeto por el medio ambiente es también una constante y las más grandes, no solo están certificadas en ISO 14001, EMAS, etc., sino que sus tratamientos son respetuosos con el medio ambiente y algunas tienen implantados sistemas de “vertido cero”. En este sentido, la eficiencia energética, el uso de procesos y tratamientos limpios y respetuosos con el medio ambiente son habituales.

La mayoría de empresas destacadas en el subsector, disponen de procesos, tratamientos y recubrimientos propios patentados. Automatización de procesos, utilización de robots industriales e incorporación de TICs para gestión y control de procesos, también son factores de especial relevancia. Del mismo modo, se observa como factor común de las empresas más competitivas, la integración de tratamientos térmicos y superficiales, para dar una solución más completa, así como la elaboración de información técnica sobre sus procesos y tratamientos, que ponen a disposición de sus clientes.

Al igual que ocurre en el caso de tratamientos térmicos, los tres países más destacados a nivel europeo, son Alemania, Francia e Italia.


En la actualidad, el subsector de tratamientos superficiales consta de una amplia y variada gama de técnicas de tratamientos o acabados, desde las técnicas de preparación (bruñido, decapado, etc.), a las de protección (lacado, barnizado, etc.), pasando por las de recubrimiento propiamente dichas, tales como cromado, niquelado, cobreado, etc. En algunos casos, estos recubrimientos persiguen evitar la oxidación, desgaste, convertir materiales no conductores en conductores, como cobreado, mientras que en otros también cumplen una función estética y decorativa, como es el caso del cromado decorativo.


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Se ha detectado también el esfuerzo generalizado de la industria por realizar una integración de distintos tipos de tratamientos, con objeto de ofrecer un producto terminado, casi a medida, con mayor valor añadido para sus clientes. Además del esfuerzo que se está realizando en numerosos ámbitos, para procurar que estos tratamientos tengan el menor impacto posible en el medio ambiente.

Aunque, en este marco industrial, son numerosas las tecnologías que podrían haberse considerado, se ha optado por las que se indican a continuación, dada su constante evolución, posibilidades industriales aún por explotar y, por tanto, previsible futuro desarrollo e implantación relativamente generalizada en la industria del metal, tanto a nivel global, como en España.

PVD (Physical Vapor Deposition).

Tecnologías láser.

Tecnología sol-gel.

Otras tecnologías: plasma y nanotecnologías

4.2.1. PVD (Physical Vapor Deposition)


Cuando se busca que la superficie de un material tenga unas propiedades mejoradas respecto a las de la matriz del material, la ingeniería de superficies brinda una gran gama de técnicas conocidas como tratamientos de superficie [1]. Estos tratamientos pueden ser clasificados de acuerdo a:

a) Modificación de la superficie existente

b) Aporte de una capa de un nuevo material sobre la superficie original.

Un ejemplo importante a nivel ambiental lo representa la producción de recubrimientos obtenidos por deposición física de vapor (PVD, por sus siglas en inglés Physical Vapour Deposition), denominados en ocasiones tecnologías ambientalmente limpias comparadas con procesos convencionales electroquímicos como cromado, niquelado, galvanizado entre otros. Además, pueden proporcionar excelentes propiedades físicas, mecánicas y químicas, que le permiten tener un buen desempeño en atmósferas industriales agresivas. Por ejemplo, Navinsek et al. [2] en su trabajo comparativo sobre recubrimientos galvánicos y PVD utilizados en ambientes industriales, reporta el aumento significativo de la resistencia a la corrosión de los recubrimientos PVD, asociado principalmente a la disminución del grado de porosidad del recubrimiento y a la adherencia del mismo, en sistemas tribológicos de alto desgaste erosivo y de corrosión.

Las técnicas de modificación superficial por deposición física de vapor (PVD) son una de las herramientas más usadas para mejorar las propiedades superficiales de una gran variedad de materiales aplicados en diferentes ambientes corrosivos y mejorar ciertas propiedades mecánicas tales como, la dureza y la resistencia al desgaste. Su tecnología ha sido desarrollada principalmente mediante películas delgadas en aplicaciones electrónicas, para extender la vida útil de las herramientas de corte y en recubrimientos decorativos [3-4].


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En general, los materiales más comúnmente utilizados para realizar estos recubrimientos son cerámicos, que pueden clasificarse según sus características de unión química como:

Cerámicos metálicos: Nitruros, carburos, boruros de metales de transición, ejemplo: TiN, WC, TiC, etc.

Cerámicos covalentes: Nitruros, carburos, boruros Al, Si, B, diamante B4C, SiC, BN, etc.

Cerámicos iónicos: Oxido de Al, Zr, Ti y Be.

Todos estos materiales son de vital importancia debido a propiedades tales como dureza, bajo coeficiente de fricción, estabilidad térmica y/o química entre otras. La elección del material del recubrimiento depende de las aplicaciones tecnológicas requeridas para la pieza a recubrir.

El término deposición física de vapor se refiere a un proceso en el cual físicamente se generan y depositan átomos o moléculas sobre un sustrato en un medio de alto vacío. El flujo de electrones que incide sobre el sustrato puede ser generado por evaporación, pulverización o ion plating. Los procesos PVD utilizan medios físicos (intercambio de energía y momentum) para obtener directamente las especies (átomos, iones o moléculas) de un material llamado blanco (target). Los átomos superficiales en el blanco son evaporados o pulverizados para luego ser transportados y depositados sobre un sustrato. Las tasas de depósito pueden variar desde amstrongs por segundo (Å/s) hasta micras por minuto (m/min) y, bajo condiciones apropiadas, pueden crecer de una manera controlada microestructuras amorfas y cristalinas.

Las técnicas de PVD tradicionalmente se han clasificado en evaporación y pulverización (sputtering), sin embargo, en los últimos años los procesos de evaporación han sido asistidos por plasma, surgiendo así una tercera técnica llamada “ion plating” [5]. En la evaporación se funde el material por medio de un haz de electrones, un calentamiento resistivo, ablación láser, etc. Las especies evaporadas viajan a través del vacío para condensarse sobre un sustrato formando una película delgada. En el proceso de pulverización se obtiene el material del recubrimiento por medio de un bombardeo iónico sobre el blanco. En el proceso de bombardeo iónico, se polariza el sustrato para acelerar los iones del blanco hacia el sustrato para generar películas más densas.

PVD por evaporación

Denominado comúnmente evaporación en vacío, es un proceso de deposición física de vapor en el cual los átomos o moléculas de una fuente evaporada alcanzan el sustrato sin colisionar con las moléculas de gas residual. Generalmente la fuente de vaporización es un material que se vaporiza por medios térmicos y se requiere presiones del orden de 13 mPa. La ventaja de la evaporación en vacío es que se pueden depositar una gran variedad de materiales a altas velocidades sobre grandes áreas y en una forma muy pura. Las limitaciones de la evaporación en vacío radican en que frecuentemente las películas no alcanzan unas propiedades óptimas y este


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proceso posee pocos parámetros que puedan ser modificados para alcanzar mejores propiedades en las películas.

PVD por bombardeo iónico (ion plating)

El bombardeo iónico es un proceso que usa una descarga luminosa (glow discharge) para generar un flujo de iones incidentes sobre la superficie de un blanco. Estos iones producen átomos, y ocasionalmente racimos de átomos, que son arrancados de la superficie del blanco por transferencia de momento. Como se muestra en la figura 1, un sistema convencional de deposición por bombardeo iónico consiste de una cámara de deposición, un sistema de alto vacío, un blanco (target) el cual es la fuente de material del recubrimiento, un portamuestra, suministro de gas de trabajo y una fuente de poder de alto voltaje de radio frecuencia (RF) o corriente directa (DC). En el bombardeo iónico la fuente (target) o blanco del material está geométricamente limitada a láminas y barras sin calentamiento, sin embargo, es colocada a un gran potencial negativo RF o DC, típicamente alrededor de –1000V. El blanco se convierte en un cátodo en relación a la cámara de vacío y al portamuestra, los cuales están conectados a tierra. Si la cámara de deposición está a una presión del orden de 1 Pa, el alto voltaje (negativo) iniciará la formación de un plasma y los iones positivos dentro del plasma se acelerarán a través de este potencial, golpeando el blanco con energías cinéticas suficientemente altas para sacar átomos de la superficie del blanco. Usualmente el blanco y el portamuestra son planos, paralelos, cercanos entre sí y con áreas iguales. Grandes sistemas de deposición por bombardeo iónico (BI) pueden incluir muchas fuentes separadas de BI posicionadas para obtener un recubrimiento más uniforme.

Figura 1. Esquema de componentes básicos de un sistema de deposición planar tipo diodo [10]

Modificaciones del proceso básico de deposición por bombardeo iónico puede incluir: calentamiento del sustrato o aplicación de un voltaje al sustrato para mejorar la difusión superficial de los átomos; adición de gas(es) reactivo(s) dentro del plasma para lograr la deposición de compuestos tales como nitruros; e incorporación de múltiples blancos para producir películas multicapas o químicamente graduadas. La colocación de un potencial al substrato también podría permitir la remoción de átomos de impurezas débilmente enlazados a la superficie.

Aunque se han depositado muchos por medio del bombardeo iónico, se encuentra limitado por las bajas velocidades de deposición–menores a 300 Å/min, baja eficiencia de ionización en el plasma (70% o más de la energía de entrada es utilizada en el


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calentamiento del blanco), altos efectos de calentamiento en el substrato, limitaciones para recubrir uniformemente componentes de forma compleja, forma de los blancos, comúnmente en forma de láminas o tubos. Además los costes de los equipos son altos debido a que se requiere un ambiente al vacío. Algunas de estas limitaciones han sido superadas por la introducción de magnetrones en el bombardeo iónico y, más recientemente, magnetrones desbalanceados.

Otra de las limitaciones de las técnicas de bombardeo iónico han sido, hasta muy recientemente, la incapacidad de depositar a velocidades comercialmente útil, recubrimientos densos, libres de defectos en películas de altamente aislantes tales como óxidos, producción de arcos en el blanco, los cuales son perjudiciales para la estructura, propiedades y composición del recubrimiento. Estas desventajas han sido recientemente superadas por el desarrollo de técnicas de pulso, o bombardeo iónico de media frecuencia en el rango de (10- 200 kHz) para prevenir arcos y estabilizar los procesos de bombardeo iónico reactivo.

PVD por pulverización (sputtering)

La pulverización es un proceso de evaporización no térmico, en el cual los átomos de la superficie del blanco son erosionados físicamente por medio de transferencia de momentum y energía mediante el bombardeo con iones o átomos neutros energéticos sobre la superficie del blanco, como resultado se produce la fase de vapor por el arranque mecánico de los átomos o moléculas del material que constituye el blanco, finalmente las especies pulverizadas viajan dentro de una cámara en vacío para condensarse sobre el sustrato.

Sputtering dc

El sistema de sputtering d.c. o diodo d.c. se realiza en una cámara de vacío, dentro de la cual el sustrato se puede poner a un potencial positivo, negativo o dejarlo flotante y el blanco se utiliza como cátodo. Inicialmente se realiza la evacuación del aire en la cámara a presiones de 10-4-10-7mbar, bajo estas condiciones se llena la cámara parcialmente con un gas inerte de densidad suficientemente alta (el gas más utilizado para procesos de pulverización es el argón, con p.d = 0.3 torr.cm, debido a su baja reactividad y su apreciable masa) hasta la presión de trabajo entre 10 y 10-3 mtorr, bajo un potencial eléctrico suficientemente alto (300 a 5000 V entre el ánodo y el cátodo), con lo que se produce una descarga eléctrica brillante con la respectiva ionización del gas, la cual se automantiene debido a la emisión de electrones desde el cátodo. Los iones positivos se difunden y aceleran contra el blanco (cargado negativamente) produciendo así la suficiente transferencia de energía y momentum para pulverizar los átomos del blanco, que luego son depositados sobre el sustrato, la figura 2 muestra un esquema de este proceso. Sin embargo, solo los iones en las cercanías de la región del cátodo sentirán el efecto del potencial y así serán acelerados a través de la zona oscura del cátodo impactando el blanco o superficie del cátodo, son estos iones los responsables de la erosión del blanco.

En el sputtering d.c., el gas es inerte, no participa en la formación de compuestos sobre el blanco o sustrato, su función principal es generar el plasma y pulverizar el material de cátodo, sin embargo, este sistema puede ser reactivo cuando se adiciona un segundo gas que participe en la formación de un compuesto, por ejemplo el


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nitrógeno que reacciona con los átomos pulverizados del blanco sobre la superficie del sustrato para formar un nitruro que se deposita en forma de película. La ventaja de esta técnica está en la gran variedad de materiales que pueden ser usados como blancos y como desventajas se tienen las bajas tasas de depósito, la contaminación en las películas debido principalmente a partículas generadas por el calor del plasma en las paredes de la cámara y componentes del sistema de vacío y la baja eficiencia de la energía, ya que más del 70% es disipada por el calentamiento del blanco.

Figura 2. Sistema de deposición por sputtering [1]

Sputtering con radio frecuencia

El uso de una fuente de energía oscilante se utiliza mucho para generar sputtering de blancos aislantes, lo cual es una limitante del método dc. Esta técnica opera con un generador de radiofrecuencia que genera oscilaciones mayores a 50 kHz. Con el uso de radiofrecuencia se logra en los electrones de la región de descarga negativa una suficiente energía para ionizar directamente los átomos de gas, por lo tanto el número de electrones requeridos para producir la descarga es sustancialmente reducido.

Sputtering con magnetrón “BM”

En este sistema, el magnetrón genera un fuerte campo magnético que confina los electrones secundarios sobre el blanco. Los electrones capturados se caracterizan por largos recorridos en forma de espiral lo cual aumenta el promedio de colisiones ionizantes (figura 3). De esta forma se incrementa la densidad del plasma, y por lo tanto, se aumenta las velocidades de pulverización y se disminuye las presiones de trabajo, lográndose así que el proceso tenga mayor eficiencia.

El magnetrón está compuesto por un juego de imanes permanentes, un cátodo, un ánodo y un sistema de enfriamiento. Este sistema busca aumentar las densidades del plasma sobre el blanco por la combinación de campos eléctricos y magnéticos. El blanco está polarizado negativamente y el campo magnético se genera mediante unos imanes permanentes. Este proceso es el mismo sistema convencional del diodo pero asistido magnéticamente, esto genera un confinamiento de los electrones secundarios, los cuales permiten aumentar el promedio de colisiones ionizantes, incrementando así la velocidad de pulverización y la cantidad de material depositado sobre los sustratos.


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Figura 3. Magnetrón convencional utilizado en un sistema de sputtering [1]

El sputtering magnetrón o convencional es una de las técnicas más versátiles, ya que permite el depósito de casi todos los materiales, su funcionamiento es relativamente simple y es fácil de escalar para procesos industriales. Lo que ha permitido que el sistema se haya desarrollado con mayor rapidez que otros métodos de depósito y sea uno de los básicos en la industria de los recubrimientos superficiales. Comercialmente se utilizan magnetrones planares, rectangulares y circulares con tamaños que van desde 2.5 cm hasta 2 m de longitud.

Sputtering con magnetrón desbalanceado “UBM”

La aplicación inicial del sputtering d.c. para el depósito de películas duras en componentes industriales se vio limitada por el bajo grado de ionización y la no homogeneidad del plasma. Posteriormente con el fin de mantener una alta tasa de pulverización del blanco los magnetrones fueron diseñados y usados en el llamado modo balanceado, con una configuración del campo magnético que suprime el escape de los electrones de la región del cátodo o blanco. Sin embargo, Window y Savvides introdujeron el magnetrón desbalanceado en 1986 [6], demostrando que es posible mantener una buena pulverización del blanco y al mismo tiempo aumentar la densidad de corriente iónica hacia el sustrato con una configuración del campo magnético diferente, el llamado modo desbalanceado (UBM). La diferencia principal entre un magnetrón convencional y el desbalanceado, es el grado de confinamiento al cual está sometido el plasma.

En el sistema convencional solo una pequeña región en frente del blanco contiene un plasma denso. Por lo tanto solo esta parte recibe bombardeo iónico. Window y Savvides han propuesto que incrementando el campo magnético en los magnetos externos algunas de las líneas del campo magnético se dirigen hacia el sustrato, de esta forma algunos electrones que se encuentran confinados en el blanco pueden seguir en forma de trayectorias helicoidales las líneas de campo magnético, en dirección al sustrato. Estos electrones arrastran iones del blanco hacia el sustrato por atracción coulombiana, logrando así una mayor densidad de corriente iónica sobre el sustrato, la cual ha demostrado ser eficiente para modificar la microestructura de las películas, y en particular, para formar depósitos con mayor densidad y menor rugosidad.


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El proceso de pulverización catódica con magnetrón desbalanceado ofrece ventajas como: aumentar la reactividad del plasma, es un proceso no tóxico y produce mínima contaminación ambiental, permite un mejor control de las propiedades superficiales en cuanto a la profundidad y la composición, mediante una combinación apropiada de las variables del proceso, permite recubrimientos de alta pureza y uniformes en sustratos de gran área, se pueden obtener películas de alta densidad con temperaturas normalizadas bajas.

Microestructura y propiedades de los recubrimientos PVD

Las propiedades y el desarrollo de la microestructura de las películas de material formado por procesos PVD dependen principalmente de cuatro factores [4]:

Condición de la superficie del sustrato: por ejemplo morfología de la superficie (rugosidad, inclusiones, contaminación con partículas), química de la superficie (composición de la superficie, contaminantes presentes), propiedades mecánicas, sitios de nucleación preferencial y estabilidad de la superficie.

Características asociadas a los procesos de deposición y la geometría del sistema: por ejemplo, ángulo de incidencia, distribución del flujo de átomos, temperatura del sustrato, velocidad de deposición, contaminación gaseosa, bombardeo y energía de las partículas.

Características del crecimiento de las películas en la superficie del sustrato, como son: temperatura del sustrato, nucleación, interfase de formación, morfología de crecimiento de la película, cambios de las propiedades de las películas durante su crecimiento.

Reacciones y procesamiento pos-exposición: reacción de la superficie de la película con el ambiente, ciclos térmicos y mecánicos, corrosión, degradación interfacial.

La microestructura desarrollada durante procesos PVD está determinada por diversos parámetros de depósito, tales como temperatura del sustrato, presión de trabajo, potencia de la descarga. Estos parámetros controlan la movilidad de los átomos a ser depositados junto con la microestructura y la composición química del recubrimiento. El crecimiento de la película inicialmente (interfase) está influenciada por el material del sustrato y la interfase propiamente antes de que se establezca su modo particular de crecimiento.

Después de que el modo de crecimiento ha sido establecido, se puede describir la morfología de la película por la estructura del modelo de zonas (SZM), figura 4. La SZM se aplicó primero a recubrimientos depositados en vacío por Movchan y Demchishin en 1969 [4]. Luego la SZM fue aplicada para películas depositadas vía sputtering por Thornton, y más adelante fue modificada por Meissier para incluir defectos puntuales de aglomeración [4].

Este modelo describe que la morfología de las películas depositadas es determinada por la rugosidad de la superficie y la movilidad de los átomos a depositar. Cuando la superficie es rugosa los picos reciben átomos de todas las direcciones y si la movilidad superficial de los átomos es baja, los picos crecerán más rápido que los valles. Estos autores encontraron 3 zonas claramente definidas (figura 3). En la zona I del modelo


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de Movchan y Demchishin y el modelo de Thornton, la difusión de átomos superficial es insuficiente y sobrepone geométricamente el efecto de sombra atómico por las características de la superficie. Como resultado se obtienen microestructuras porosas por los espacios generados entre columnas y límites de grano débilmente unidos.

Figura 4. Estructura de modelo de zonas para recubrimiento producido por sputtering [8]

Las altas presiones del gas extienden esta zona a altas temperaturas, debido al movimiento aleatorio del gas y la movilidad superficial decrece, debido a la absorción gaseosa y a las colisiones sobre la superficie. Thronton introdujo la zona T, en la cual, el recubrimiento tiene una morfología fibrosa y se considera una zona de transición entre la zona I y II, consiste de un arreglo de granos definidos por límites con baja porosidad. En la Zona II, el proceso de crecimiento es dominado por la difusión superficial de los átomos absorbidos. En ésta región, la difusión superficial durante la deposición va seguida de la densificación de los límites intercolumnares. Finalmente la zona III se conoce como difusión volumétrica, tiene gran influencia en la morfología del recubrimiento y está acompañada de un proceso de recristalización, crecimiento del grano y densificación.

Los recubrimientos duros presentan estas zonas, por ejemplo, Campbell [7] en su trabajo describe la microestructura de una superficie recubierta con TiN con una estructura fibrosa, densa típica de una zona T, de acuerdo a la clasificación propuesta por Thornton.

El origen de las propiedades obtenidas mediante procesos PVD puede ser entendido mediante el proceso de formación de la película, el cual comprende las siguientes etapas; selección del sustrato y preparación adecuada de su superficie, selección del recubrimiento a depositar para producir las propiedades de superficie requeridas, selección del proceso PVD para proporcionar propiedades reproducibles y desarrollo de parámetros de proceso de obtención de la película. Estas etapas están acompañadas de técnicas de caracterización adecuadas que permitan determinar las propiedades del recubrimiento y la estabilidad de los productos. La química de la superficie, morfología y propiedades mecánicas del sustrato son muy importantes e influyen directamente en propiedades como adhesión y el proceso de formación de la película.


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La preparación de la superficie comprende dos pasos, el primero es la limpieza externa para eliminar elementos contaminantes y el segundo es la limpieza in situ, la cual se realiza dentro de la cámara de deposición. Mientras que la formación de la película comprende inicialmente vaporización del material a ser depositado, transporte del material hacia el sustrato, condensación y nucleación de los átomos vaporizados, crecimiento del núcleo, formación de la interfase, crecimiento de la película, reacción con material previo depositado y cambios en la estructura durante el proceso de deposición interfase y película. Generalmente durante el crecimiento de la película, la rugosidad aumenta debido a que algunos planos cristalográficos crecen más rápido que otros. La rugosidad puede no ser uniforme sobre la superficie debido a partículas embebidas u otros defectos sobre la superficie.

REFERENCIAS

[1] Cáceres Jiménez, Andrea. Corrosión-erosión de recubrimientos de nitruro de niobio, NbN. Tesis para Maestría en Ingeniería - Materiales y Procesos. Universidad Nacional de Colombia sede Medellín, 2007.

[2] B. Navinsek, P. Panjan, I Milosev. Surface and Coating Technology 116-119 (1999) 476-487.

[3] R. Glang, Vacuum Evaporation, Chapter 1, Handbook of Thin Film Technology, L.I. Maissel and R. Glang. Ed., McGraw-Hill, 1970, p 1-26

[4] ASM Handbook Volume 5 Surface Engineering. 1994

[5] D.M. Mattox. Ion Plating Technology: Deposition Technologies for films and coatings. R.F. Bunshah et al. Noyes Publications, Park Ridge, NJ (1982)

[6] Window, N. Savvides, J. Vac. Sci. Technology A. 4(2) (1986) 196

[7] Campbell, S. The Science and Engineering of microelectronic fabrication. Oxford University. 1996.

[8] Mattox D., Handbook of Physical Vapor Deposition (PVD) – Film Formation, Adhesion, Surface Preparation and Contamination Control, 1ed., Westwood, New Jersey, Noyes Publications, 1998, p.498, Chapter 9

[9] G. Bejarano, J.M. Caicedo, Seth Baudín, A. Devia, P. Arango, G. Montealegre. Recubrimientos duros sobre herramientas de producción en serie obtenidos por Plasma Assisted Physical Vapor Deposition PAPVD (Magnetron Sputtering). Revista colombiana de física, Vol. 36, Nº 2, 2004, 325-330.

[10] D’Alessandria Padrino, Mariela C. Estudio del comportamiento ante el desgaste de los recubrimientos MoZrAlSiN depositados sobre un acero AISI 1045 mediante la técnica de PVD. Tesis para optar al título de Ingeniero Metalúrgico por la Universidad Central de Venezuela, Caracas, 2002, 122 págs.


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Como se ha evidenciado en la caracterización técnica de este grupo de tratamientos, son numerosas las tecnologías y tratamientos basados en Physical Vapor Deposition, por lo que se han realizado distintos análisis documentales y de patentes, en relación con los subgrupos de técnicas y aplicaciones. Muchos de dichos subgrupos se hallan en evolución y su implantación industrial se va extendiendo cada vez más, en detrimento de otras tecnologías más tradicionales.

En particular, analizando algo más a fondo, entre todas las variaciones basadas en esta tecnología, el caso de PVD por pulverización, o sputtering, y más concretamente en sus variantes sputtering d.c. (o diodo d.c.) y sputtering r.f. (con radiofrecuencia), elegidas por su peculiaridad y desarrollo aún en ciernes, así como por su previsible potencial en lo que a aplicaciones industriales futuras se refiere, se detecta para ambos casos actividad de protección intelectual más o menos constante a lo largo del periodo 2008-2011.

En el caso de sputtering d.c. el líder, en lo que a procedencia de familias de patentes se refiere, es Estados Unidos, seguido de China. Empresas de otros países asiáticos han publicado también patentes relacionadas con el proceso, como es el caso de Japón, Corea o Taiwan. Sin embargo, países como Alemania o Rusia no se encuentran al margen de las posibilidades que ofrecen estos tratamientos y evidencian líneas de investigación a este respecto.

Grandes empresas de automoción, audiovisuales y microelectrónica, así como centros de investigación especializados, en algunos casos europeos, están propiciando el avance de esta tecnología, así como las nuevas aplicaciones industriales que poco a poco van surgiendo. Es pues de esperar que esta tecnología emergente continúe su desarrollo y expansión en nuevas áreas geográficas e industriales.

Algo similar a lo anterior puede concluirse en relación con el sputtering r.f. Aunque en este caso el liderazgo en cuanto a protecciones procede de Japón, nuevamente países como Corea, China o Estados Unidos le siguen, propiciando el desarrollo de la tecnología. Las empresas más activas identificadas, operan en sectores tales como: audivisuales, electrónica y microelectrónica, etc. Además, algunas de las empresas más activas, lo son en relación con ambos casos de sputtering considerados, así como en otras técnicas basadas en PVD.

Cabe esperar la extensión de los tratamientos PVD, entre otros motivos, dadas sus aplicaciones electrónicas, el aumento de vida útil que proporcionan a herramientas de corte y las posibilidades que ofrecen en relación con recubrimientos decorativos. Además, resultan ser tecnologías medioambientalmente limpias, en comparación con otros procesos convencionales electroquímicos, como son por ejemplo cromado, niquelado y galvanizado. Como ya se ha mencionado en relación con los tratamientos superficiales en general, la preocupación por el medioambiente y la búsqueda constante de procesos “más limpios en general” resulta una constante en los últimos años y está propiciando el avance y desarrolla de tecnologías alternativas, menos contaminantes en general.


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4.2.2. Tecnologías láser


El láser, abreviatura de “Light Amplification by Stimules Emission of Radiation” es una fuente de emisión electromagnética. Está caracterizada por su propiedad de emitir radiación coherente de alta pureza espectral. La potencia emitida por un haz puede ser focalizada en un punto de diámetro muy pequeño con lo cual se obtienen grandes intensidades de potencia. Esta particular característica es lo que permite utilizar el láser en el proceso de tratamiento superficial de materiales [1].

Dentro del amplio rango de láseres comerciales, adecuados para provocar la alta temperatura necesaria en el tratamiento superficial, los de CO2, Nd:YAG, EXCIMER y el de diodos de alta potencia (de aplicación reciente), son los más ampliamente utilizados. En el proceso de tratamiento de superficies por láser es necesario considerar características intrínsecas del mismo, tales como la longitud de onda, potencia del haz, diámetro del haz, modo de salida, longitud del pulso y velocidad de repetición [2].

El láser es una herramienta utilizada para el tratamiento de superficies en diferentes metales, por generar velocidades de calentamiento y enfriamiento extremadamente altas, del orden de 106-1010 C/s, en la región próxima a la superficie, sin que se afecte significativamente la temperatura del resto del material. La energía del láser es casi totalmente absorbida de una manera exponencial entre unos pocos nanómetros debajo de la superficie y esta energía es convertida en calor en una escala de tiempo muy corto. Esto permite que la región cercana a la superficie pueda ser procesada bajo condiciones extremas, sin afectar las propiedades de todo el material. Esta técnica, por lo tanto, conduce a la obtención de una estructura y una composición de la zona cercana a la superficie que no puede ser lograda usando otros métodos.

Las aplicaciones más difundidas en esta técnica de tratamientos son las siguientes:

Endurecimiento o temple

En este tipo de tratamiento superficial, el láser de potencia se convierte en una herramienta que, dadas sus características, permite actuar sobre zonas puntuales minimizando la interacción con el material base y creando zonas con características mejoradas sobre las piezas, tales como un aumento de la tenacidad de la zona tratada, y en la resistencia a golpes y vibraciones, lo que redunda en la vida útil. La pieza tratada no necesita verse sometida a posteriores transformaciones ni manipulaciones, quedando lista para su uso; el proceso es rápido y la dureza conseguida es superior a la de un tratamiento convencional. Puede limitarse a áreas concretas de una misma pieza, consiguiéndose de esta forma endurecimientos localizados.

G, Muñiz et al. [3], aplicaron un temple superficial mediante láser, sobre aceros con distintos contenidos en carbono, susceptibles de empleo en la producción de cuchillas de corte para aplicaciones agrícolas (Tabla 1).


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Tabla 1. Composición química (% en peso) de los aceros estudiados

Los tratamientos láser se realizaron mediante un láser continuo de CO2 con una potencia de salida variable de hasta, 1500 W. El haz formado por el sistema óptico fue dirigido, perpendicularmente, sobre la superficie de la probeta, utilizando argón o nitrógeno como gas de protección para evitar la oxidación de las piezas y proteger la óptica del láser. Los tratamientos se llevaron a cabo con potencias nominales de salida de 1200 y 1500 W y con velocidades de barrido de 5, 8, 15 y 30 mm/s, con el fin de optimizar las mejores condiciones de tratamiento. Las probetas investigadas se situaron fuera del punto focal para conseguir distintos diámetros del haz sobre la pieza, variables entre 1, 2 y 3 mm. En todos los casos y por ser las superficies metálicas muy reflectantes para la longitud de onda del láser de CO2, se utilizó una pintura de grafito coloidal con el fin de incrementar su absorción superficial. Dado el reducido diámetro del haz sobre la pieza fue necesario realizar sucesivas pasadas solapadas (5, 25, 50 y 75 % de solapamiento). Las densidades de potencia obtenidas, entre 103 y 105 W/cm2 se sitúan dentro de los valores críticos recogidos en la bibliografía para tratamientos de temple superficial y fusión.

La respuesta al tratamiento térmico láser del acero experimental es notable, aumentada por el alto contenido en níquel de dicho acero. Los resultados logrados demuestran la posibilidad del uso de la técnica láser en este tipo de aceros, para incrementar su dureza superficial y su resistencia al desgaste. Por otra parte, los ensayos electroquímicos indicaron que, si bien no se produce una mejora del comportamiento respecto del material base, derivada de la heterogeneidad estructural obtenida por el solapamiento de los sucesivos cordones, tampoco se introduce un empeoramiento del comportamiento del material. Finalmente, hay que destacar que el tratamiento superficial con láser es adecuado para este tipo de aceros y, esto, permite creer que el empleo de láseres de diodos es especialmente interesante por su versatilidad, absorción y tamaño del haz, ya que permitiría obtener cordones con anchos similares al filo de la cuchilla, reduciendo el tiempo de tratamiento de cada una de ellas y aumentando la eficiencia del proceso.

J.S. Ceballos-Ruano et al. [4], utilizaron un láser continuo de Nd:YAG para el endurecimiento superficial del acero U8 (0.79%C, 0.22%Mn, 0.15%Cr y una dureza de 198-207 HV). Se utilizó una instalación láser LTI 702, acoplada a una mesa XY y mediante una óptica de enfoque, el haz incide perpendicularmente sobre la muestra, variando el diámetro del spot por medio del desenfoque de éste. La tabla 2 recoge las especificaciones del láser. Las dimensiones de las probetas de acero U8 utilizadas en el trabajo fueron 40105 mm3.


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Tabla 2. Parámetros del equipo láser LTI 702

Se demostró que en el proceso de endurecimiento térmico superficial del acero U8, la profundidad endurecida está estrechamente vinculada con la potencia incidente (P) en la zona de interacción, el diámetro del haz (d) y la velocidad de barrido del haz del láser (v) sobre la probeta por la relación P/√ , obteniendo durezas superiores a los 500 HV en espesores de 0.15 mm.

Los materiales susceptibles de endurecer con láser son:

Todos los aceros no aleados tratables térmicamente y aleaciones ligeras con contenidos de carbón de 0.3% a 2.0%

Varias aleaciones y aceros aleados.

Materiales especiales

Tabla 3. Ejemplos de materiales susceptibles de endurecer con láser

Aleación superficial (alloying)

Permite la generación de aleaciones sobre la superficie de las piezas para mejorar sus propiedades térmicas y mecánicas frente al desgaste o la corrosión. Las aleaciones realizadas son específicas y puntuales, por lo que tiene la ventaja de que realmente necesita ver mejorada sus características.

G. P. Rodríguez et al. [5], estudiaron la producción mediante láser de una aleación superficial de aluminio sobre las superaleaciones Inconel 600 (Ni 72.89, Cr 16.64, Fe 8.89, Co 0.49, Si 0.47, % en masa) y Nimonic 80A (Ni 74.6, Cr 19.58, Ti 2.52, Al 1.46, Fe 0.77, Co 0.26, % en masa). Emplearon un láser continuo de CO2 (Spectra Physics) que trabajaba en haz multimodo, con una potencia de salida de 5 kW y un área sobre


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la superficie del material de 64 mm2. El haz láser barría la superficie de las probetas para formar los cordones mediante el movimiento a velocidad constante de estas. El proceso se realizó con una velocidad de barrido de 500 mm/min con protección gaseosa de 45 L/min de argón. La aleación se realizó utilizando la técnica de inyección de partículas. Para ello, se dirige un caudal determinado (3 g/min) de polvo de aluminio de alta pureza (99.9 %) contra la superficie de la probeta. Cuando el haz láser se focaliza sobre la misma, intercepta de manera casi simultánea al aluminio y a la aleación de níquel, produciéndose la interdifusión del aleante con el material base.

Se obtuvo una capa homogénea de compuestos intermetálicos ’(Ni3Al) en una matriz de solución sólida de níquel . Esta capa aleada es continua, con baja rugosidad y adherente. El comportamiento del material aleado frente a la oxidación a altas temperaturas fue notablemente mejor que el de la aleación base. Se formó una capa continua protectora de Al2O3 que dificulta el acceso de oxígeno al material base y que evita tanto la formación de óxidos no adherentes NiO, como el ataque intergranular en el interior observado en la oxidación del material sin alear.

Recubrimiento superficial (Laser cladding)

El cladding por medio de la técnica láser se define como un tratamiento superficial. En el proceso, la energía suministrada por un haz láser funde el material de aporte, que puede ser en forma de polvo (prelocalizado o aplicado simultáneamente con el haz de láser) o de alambre, sobre una superficie, la cual puede tener o no propiedades metalúrgicas diferentes a las del material de aporte. La técnica garantiza una perfecta unión metalúrgica y una pequeña dilución entre el aporte y el sustrato, lo que se consigue gracias a que sólo se funde una delgada capa superficial del material base. Este proceso se aplica no sólo para la producción de recubrimientos protectores que buscan mejorar propiedades mecánicas como la resistencia a la abrasión y la corrosión, sino también para reparar y reconstruir partes de maquinaria desgastada y obtener piezas en tercera dimensión a partir del prototipado rápido, esta última aplicación de uso muy actual [6].

Durante el proceso, el área tratada se calienta por absorción de la energía suministrada por el haz del láser. La absorción de energía es muy pequeña y la difusión térmica muy alta. La velocidad de calentamiento de la superficie del material es alta, originada por el calor de entrada, proveniente de la potencia del láser, el cual es muy localizado e intenso. Se produce, entonces, un auto templado de la capa calentada debido a que rápidamente el calor se difunde a la masa del material. Este proceso térmico, conlleva a obtener una microestructura de grano refinado y la formación de fases metaestables y/o la alteración de la microestructura. La capa de recubrimiento solidifica de manera similar a la soldadura, y muestra un crecimiento epitaxial a partir del sustrato adyacente fundido. Por tanto, la solidificación inicial del metal asume una orientación cristalográfica coherente con la del sólido del sustrato en la línea de fusión.

El proceso de láser cladding puede realizarse por 3 vías diferentes: usando polvos prelocalizados, por alimentación de alambre directamente al baño de fusión y finalmente el láser cladding por inyección de polvos.


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El método que utiliza polvos prelocalizados se conoce como proceso de cladding por láser en dos etapas. Se realiza a través del barrido del haz del láser en una superficie sobre la que previamente se han depositado polvos, los que se encuentran adheridos al sustrato mediante un proceso previo de proyección térmica, o con la ayuda de adhesivos químicos, los cuales se evaporan durante el proceso. Durante la etapa de fusión de los polvos, el haz alcanza la superficie y forma un baño de fusión, el cual avanza a través de la capa de polvos desde la superficie hacía el sustrato. Cuando el frente de fusión alcanza la interfase, la conducción del calor aumenta repentinamente debido a la alta conductividad térmica del mismo, esto permite que se logré un cierto grado de dilución del recubrimiento dentro del sustrato así como la unión metalúrgica entre el sustrato y el recubrimiento. Este proceso es particularmente útil cuando sólo es necesario aplicar un cordón en el sustrato, ya que para sucesivas pasadas, la contracción por solidificación del la primer cordón hace que una pequeña área quede desnuda de polvo de recubrimiento y expuesta a la acción directa del haz del láser provocando un baño de fusión en el sustrato.

En el cladding por alimentación de alambre, la capa de recubrimiento superficial es obtenida a partir del material suministrado por un alambre, el cual precisa de un control adecuado de la posición de éste con respecto al haz del láser y de la velocidad de alimentación con el fin de obtener superficies con características geométricas adecuadas. El alambre, también puede estar prelocalizado sobre la superficie del sustrato. Se puede conseguir la mejora en las propiedades superficiales de herramientas fabricadas a partir del proceso de sinterización directa de material por láser, las cuales exhiben una elevada resistencia al desgaste generalizado debido a las bajas propiedades mecánicas y a la dureza de la superficie del material sinterizado, mediante el tratamiento superficial de las piezas con cladding por láser con alimentación de alambre. Los parámetros del proceso deberán controlarse para evitar el agrietamiento y la porosidad entre las capas depositadas y el sustrato y entre capas sucesivas. Uno de los principales inconvenientes con que se ha encontrado el uso de esta técnica es que, de la energía suministrada por el láser, una gran proporción es utilizada en la fusión del alambre. Algunas de las investigaciones realizadas en este proceso han demostrado que un calentamiento del alambre hasta una temperatura de 1000 C [7], o utilizando un ángulo adecuado entre el alambre, el cabezal del láser y la superficie de la muestra, para crear una nube de plasma [8] contribuye con parte de la energía requerida en el proceso. De esta forma se mejoran las necesidades energéticas en el sistema, sin embargo en cualquiera de estos casos, la dilución que se alcanza es del orden del 20%, muy alta si se compara con la dilución obtenida en el sistema con alimentación de polvos que es de aproximadamente un 5%.

En el cladding por inyección de polvos, un flujo de polvo es inyectado al baño de fusión generado por el haz del láser mientras éste se mueve a través de la superficie a recubrir. La flexibilidad aportada por el método de alimentación del recubrimiento, permite no sólo la variación en las dimensiones del recubrimiento mediante la regulación del caudal de polvo aportado, en adecuada combinación con otros parámetros del proceso, sino también la modificación de la composición del material de aporte, lo que se traduce en versatilidad de materiales que pueden utilizarse como recubrimiento. En el método por inyección de polvos, el aporte puede hacerse de dos maneras: mediante una sonda localizada lateralmente, o por medio de un alimentador coaxial al haz del láser como se observa en la figura 1.


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Figura 1. Sistema de alimentación coaxial y lateral de los polvos para láser cladding [9]

Para el caso de la aportación mediante una sonda lateral, el polvo es transportado desde una tolva de alimentación hasta el baño de fusión con la ayuda de un gas, que puede ser argón, helio o nitrógeno, o por gravedad. En el primer caso, el polvo es succionado desde la tolva a través de un conducto hasta la superficie del sustrato debajo del haz del láser. El suministro lateral de los polvos permite el tratamiento superficial de todas las formas de sustrato. La principal limitación que se tiene con este sistema de alimentación de polvos lateral es que no es axialmente simétrico y por tanto el sistema no es omnidireccional. Como el flujo de polvo es inyectado lateralmente al haz del láser, los cambios en la dirección de movimiento del sustrato conducen a unas condiciones de recubrimiento localmente diferentes. Por ejemplo en la alimentación en contraflujo, el flujo de polvo se aplica desde el lado en el que el sustrato se mueve dando lugar a que el polvo sea atrapado temporalmente en una esquina formada entre la pista fundida y el sustrato plano y produce una alta eficiencia del polvo. Además, la variación en la posición del la sonda de alimentación con respecto al eje del haz del láser produce un efecto sobre el perfil de la capa depositada. En posición desalineada, se produce una acumulación del recubrimiento en un lado de la capa y pérdida de éste en el otro. Si la sonda se ubica muy alta respecto al haz, la capa que se obtiene es muy porosa y fina. De acuerdo con lo reportado anteriormente el ángulo de inclinación en la alimentación es muy grande con respecto al láser se formará una capa muy profunda y estrecha.

De acuerdo con Yellup [10], la mejor localización de la sonda corresponde a aquella en que los polvos lleguen a la superficie de la muestra justo en el punto donde el haz del láser impacta sobre el sustrato Sin embargo, la variación del ángulo de inclinación de la sonda de alimentación con respecto al haz del láser no afecta por sí sola el aspecto del recubrimiento, (principalmente los valores de ancho y alto de la capa depositada) en su evaluación es necesario tener en cuenta factores tales como la potencia del láser empleado y la velocidad de alimentación del polvo y de avance de la mesa.

Por ejemplo, para potencias del láser y velocidades de avance de la mesa bajas, con cantidades concretas de polvo aportado, se conseguirán capas de recubrimiento con pobre o nula adherencia sobre el sustrato, debido a que la poca potencia suministrada será insuficiente para producir la fusión de la delgada capa superficial del sustrato y


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sólo será efectiva en el calentamiento del polvo aportado y en la incipiente fusión de los mismos.

De acuerdo con las investigaciones realizadas por M. Schneider [9] se encontró que a ángulos mayores se obtenían mejores alturas del recubrimiento para las potencias ensayadas, de 900 W y 1050 W, sin embargo, la pobre calidad superficial obtenida en estas condiciones llevo a concluir que el ángulo límite para obtener una buena relación de altura y calidad del recubrimiento es de 45.

El ángulo de inclinación de la sonda de alimentación de los polvos con respecto al eje del haz láser también tiene incidencia en la temperatura con la que las partículas logran llegar a la superficie del sustrato y en la atenuación de la energía del láser.

En el otro método de obtención de cladding con inyección de polvos, el haz de láser focalizado pasa a través de un cono central, y el polvo es alimentado a través de un cono exterior coaxialmente posicionado con el primero, y los dos son normales a la superficie. Con esta forma de alimentación, y mediante el suministro del gas protector, se evita que las partículas de polvo sean fundidas antes de llegar el sustrato, la oxidación de la capa recubierta y se consigue que todos los movimientos del sustrato en un plano perpendicular al haz del láser sean equivalentes, por lo que el proceso es independiente de la dirección del recubrimiento. Esta ventaja de movimiento es explotada en la construcción de piezas en tres dimensiones [44]. Los parámetros a controlar en el proceso de alimentación coaxial son numerosos, entre ellos están: las propiedades del haz (energía de entrada, intensidad y tamaño del haz), la velocidad relativa de la pieza de prueba, tamaño de los polvos, velocidad del flujo del gas de protección, la geometría de la boquilla usada para inyectar los polvos y las condiciones de inyección, los cuales se encuentran estrechamente relacionados entre sí.

Dadas las ventajas que se obtienen mediante la alimentación coaxial, el proceso ha sido motivo de numerosas investigaciones que buscan entender la interacción entre las variables del proceso que intervienen en la calidad del recubrimiento final con el fin de optimizarlas y obtener mayor eficiencia en la aplicación del método. Muchas de estas investigaciones se encuentran orientadas a estudiar las variaciones en la concentración de los polvos en la medida en que el flujo de gas y la sonda de salida son modificados con el fin de evaluar los cambios en la temperatura y en la eficiencia en la intensidad del haz, la cual cambia por interacción del haz con los polvos.

Fusión superficial (melting)

Otra posibilidad reside en la reconstrucción de piezas dañadas o desgastadas mediante la adición del mismo material en el que esté construida la pieza. Asimismo, puede procederse al sellado de capas de deposición realizadas mediante la aplicación de plasma, confiriéndoles mayor adherencia al sustrato y un grado de compacidad superior al obtenido mediante la técnica original. Otras aplicaciones son la ablación o eliminación de materiales adheridos a sustratos y la realización de vitrificados estructurales, donde se consiguen profundidades máximas de 50 mm. Otro tipo de actuaciones a destacar por su componente innovador son los recubrimientos y tratamientos superficiales de diferentes componentes metálicos. Un ejemplo es la fusión superficial de titanio en atmósfera de N2 para conseguir capas de nitruro de titanio.


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J. Arias et al., utilizaron un acero forjado rápido de herramientas AISI M2, recibido en estado de recocido y que, posteriormente, austenizaron a 1210 C, templaron en aceite y revenieron tres veces a 565 C durante 2 h a la temperatura de tratamiento de cada ciclo térmico, con objeto de optimizar la tenacidad para la dureza conseguida, según las recomendaciones del fabricante de estos aceros. Los tratamientos de fusión superficial por láser se realizaron en probetas rectangulares de dimensiones 150100 mm2 y 15 mm de espesor. Se empleó un láser continuo de Nd:YAG, marca Rofin, modelo DY044, bombeado por diodos de 4.4 kW de potencia máxima, emitiendo un haz de distribución multimodo y de distribución de potencia gaussiana para obtener una distribución espacial de la densidad de potencia en la superficie lo más homogénea posible. Se utilizó una fibra óptica de 400 mm de diámetro, del tipo MMI, para llevar el haz hasta la superficie de la probeta. Se realizaron cordones simples, obtenidos mediante una sola pasada del haz láser sobre las muestras M21, M22, M23 y M24. Los parámetros de operación empleados en cada uno de los cordones pueden verse en la tabla 3. Todos ellos se obtuvieron aplicando la misma potencia (P) de 2 kW y la misma relación distancia focal/diámetro del haz (6), variando la velocidad de desplazamiento del haz (v) y la distancia focal, variando de ese modo el diámetro del haz ( haz) incidente sobre la superficie del metal. Como consecuencia, se obtuvieron distintas densidades de potencia y energías aportadas por unidad de superficie del haz láser en cada cordón fundido. En todos los casos, con objeto de recubrir la superficie de estudio, se realizó el tratamiento de fusión superficial haciendo pasadas múltiples con un solapamiento entre ellas del 50 %.

Tabla 3. Parámetros de operación del láser Nd: YAG

De este estudio se concluyó que la variación de los parámetros utilizados influyen en la morfología de los cordones: al aumentar la energía aportada por unidad de superficie aumenta el área superficial afectada y la profundidad total del cordón. También se obtuvo una estructura superficial, después de la fusión con láser, con un alto nivel de dureza siendo más elevada cuando menor es la energía aportada por el haz. La superficie, después de la fusión con láser, muestra una mejor resistencia al desgaste que el material base como consecuencia de su mayor dureza y de la mejor distribución de los carburos.


[1] C. Surnarayana . Non-equilibrium processing of materials. Elsevier Science. 89, 1999.

[2] A.J. Pinkerton y L. Li. Multiple-layer cladding using high powdered diode laser and experimental investigation of the process characteristics and materials properties. Thin Solid Films 453 (54) 471-476. 2004.


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[3] G. Muñiz, A. Conde, BJ, Fernández, R. Várela, L García y J. de Damborenea. Tratamiento térmico con láser de cuchillas de acero para uso agrícola. Revista de metalurgia, Vol. 39 (2003), 443-451.

[4] J.S. Ceballos-Ruano, G. Muñiz, R. Sagaró, B. Barja y C. Torres. Tratamiento térmico superficial del acero U8 mediante láser de Nd:YAG. Revista de metalurgia, Vol. 34, Nº 2, 1998, 140-143.

[5] G. P. Rodríguez, I. García y J.J. de Damborenea. Aleación superficial de superaleaciones base níquel mediante láser. Revista de metalurgia, Vol. 34, Nº 2, 1998.

[6] Y.Z. Zhang, L.K. Shi, J. Cheng, M.Z. Xi, y J. Xu. Reserch and advancement in laser direct deposition. Journal of Advanced Materials. 35 (2) 36-40, 2003.

[7] A. I. Oteen, D. Bruchards y B. L. Mordike. Laser cladding with preheated wires. Laser Treatment of materials. DGM metallurgy Information, 223-228, 1992.

[8] F. hensen, C. Binroth and G. Sepold. A comparation of powder-fed and wire-fed laser-beam cladding. Laser Treatment of Materials. DGM Metallurgy Information, 39-44, 1992.

[9] M. Schneider. Laser Cladding With Powder. Effect on fome machining parameters on clad properties. Ph. D. Thesis University of Twente, Enschede. Netherlands, 1998.

[10] J. M. Yellup. Laser cladding using powder blowing technique. Surface & Coating Technology. 71, 121-128, 1995.

[11] J. Arias, M. Cabeza, G. Castro, I. Feijoo, P. Merino y G. Pena. Modificación de los aceros rápidos de herramientas AISI M2 por fusión superficial con láser bajo diferentes condiciones de operación. Revista de metalurgia, Vol. 46, Nº 3, 2010, 206-218.


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Tal y como se ha descrito en la caracterización técnica anterior, las aplicaciones más extendidas de este tipo de tratamientos, son: endurecimiento o temple, aleación superficial, fusión superficial y recubrimiento superficial. Aunque en primera instancia se realizó un análisis documental y de patentes de este grupo de tratamientos en general, a continuación se estudió con algo más profundidad el último de los casos mencionados: el recubrimiento superficial o “láser cladding”, fundamentalmente por su previsible implantación y por su aparente incipiente desarrollo. Se resumen a continuación las tendencias detectadas.

La actividad de protección intelectual identificada, en relación con el uso de tecnologías láser en los tratamientos superficiales (ver detalles de la búsqueda en el anexo correspondiente), no ha seguido una curva regular a lo largo de los últimos 4 años. De hecho, a tenor de las familias de patentes publicadas, se observa un significativo descenso de 2008 a 2009, con un repunte en 2010 y una nueva caída en 2011. En relación con la procedencia geográfica, vemos que, nuevamente, la mayoría de patentes proceden de solicitantes asiáticos. En particular destaca China, con el 32% del total de las familias de patentes publicadas entre 2008 y 2010, según la PTO, seguida de Estados Unidos, con un 21% y Japón con un 19%.

Al realizar un análisis, algo más exhaustivo, dentro de las familias anteriores, pero atendiendo a protecciones relacionadas con láser cladding, el liderazgo chino es aún más claro. De hecho, prácticamente la totalidad de solicitantes tienen dicha procedencia. Además la actividad durante los cuatro años analizados se mantiene, con la salvedad de 2009, año en que la protección intelectual relacionada con el tema en cuestión, parece sufrir un descenso. Esta tecnología supone una línea de investigación abierta, no solo para empresas chinas que estudian las posibles aplicaciones del tratamiento, sino también para numerosas universidades del mismo país, solicitantes de gran parte de las patentes publicadas.

Es previsible que la tecnología láser cladding continúe su desarrollo e implantación, más allá de los países asiáticos. Dado que en estos procesos, la energía suministrada por el haz láser funde el material de aporte, que puede ser en forma de polvo o de alambre, sobre una superficie, la técnica garantiza una perfecta unión metalúrgica y una pequeña dilución entre el aporte y el sustrato, lo que se consigue gracias a que sólo se funde una delgada capa superficial del material base. Por ello, este proceso podría extenderse como alternativa para producir recubrimientos protectores que mejoren las propiedades mecánicas de las piezas tratadas, como resistencia a la abrasión y corrosión, además de permitir reparar y reconstruir partes de maquinaria desgastada.

Además, su extensión industrial en sectores como joyería, ortopedia o fabricación de moldes, entre muchos otros, podría verse favorecida por la posibilidad que ofrece de poder ser utilizado para obtener piezas en tercera dimensión a partir del prototipado rápido, método de fabricación muy utilizado a nivel global en la actualidad y cada vez más extendido en la industria.


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4.2.3. Tratamientos sol-gel


El proceso de sol-gel, consiste en la evolución de redes de polímeros híbridos (metalcadena orgánica), a través de la formación de una suspensión coloidal (sol), de tamaño de partícula de 1-1000 nm seguida de una hidrólisis y condensación para formar una red en una fase líquida continua (gel). Mediante este proceso se pueden sintetizar materiales en forma de polvos, fibras o películas dependiendo de la aplicación deseada.

En cualquiera de los casos anteriores es necesario eliminar los solventes y agua utilizados durante el proceso. Esto se puede lograr en primer lugar, dejando reposar el xerogel a 100 C durante un período de tiempo de envejecimiento (al menos 24 h) mientras que, para la eliminación total de los solventes y agua residual en el material es necesario realizar un tratamiento térmico a temperaturas mayores. Al final de este procedimiento se obtiene un material en forma de monolito, polvos, fibras y/o películas delgadas. Los precursores de estas redes son generalmente metales coordinados a un ligando que poseen dos funciones muy importantes, como son el acomplejar el metal en un estado estable (fase líquida) y la de monómero de polimerización para formar dicho gel (figura 1).

Figura 1. Descripción esquemática de las diversas vías que engloban las técnicas sol-gel [1]

Básicamente existen tres tipos de precursores empleados en el proceso sol-gel dependiendo de la clase de ligantes enlazados con el óxido metálico, los cuales pueden clasificarse de la siguiente manera:

a) Alcóxidos: El ligante es un alcohol desprotonado que suele reaccionar con la humedad del aire, por lo que se requiere un control adecuado de la atmósfera durante el procesamiento. Este sistema es el más estudiado y se conoce el mecanismo standard de reacción (figura 1).


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b) Carboxilatos metálicos: Son productos resultantes de la reacción de sales metálicas y ácidos orgánicos. El ligante es un ácido orgánico desprotonado. Son compuestos poco volátiles y de difícil descomposición.

c) -dicetonas: Son compuestos que se utilizan como agentes acomplejantes, los cuales poseen dos oxígenos resonantes con una gran capacidad quelante, alta volatilidad y gran capacidad polimerizante cuando están coordinadas con un metal y a su vez descomponen a temperatura muy baja.

Por supuesto, existen variantes en las cuales no se procede de una suspensión si no de una solución. El comportamiento es similar, ya que los coloides presentan un movimiento caótico (difusión Browniana) dependiente de las colisiones con las otras partículas, debido a que las fuerzas gravitacionales son despreciables y las interacciones están dominadas por fuerzas de naturaleza débil, como interacciones de van der Waals y cargas superficiales.

Las principales ventajas del proceso sol-gel frente a otro tipo de métodos son:

Posibilidad de obtener compuestos de elevada pureza.

Diversidad de compuestos químicos.

Homogeneidad estructural, importante en el caso de óxidos complejos ya que la mezcla de los constituyentes ocurre a nivel molecular.

Estabilidad química y térmica.

Temperaturas de densificación mucho más bajas que las requeridas para la obtención de un material equivalente por rutas convencionales de fabricación.

Sin embargo, el proceso conlleva algunas desventajas, entre las que destacan:

Los reactivos de partida suelen ser caros.

La dificultad de obtener piezas masivas e incluso capas con espesores gruesos, como consecuencia de la elevada contracción que sufre el material durante el secado y la sinterización. Así, es difícil fabricar materiales monolíticos y capas con espesores mayores a 2m.

Entre las múltiples aplicaciones del proceso sol-gel una de las más atractivas es la deposición de recubrimientos o capas. De hecho, la primera patente relacionada con el proceso sol- gel, fechada en 1939, se basa en la obtención de recubrimientos de SiO2 y TiO2 [2]. Mediante este proceso es posible llegar a recubrir sustratos tan variados como vidrios, cerámicas, metales e incluso plásticos.

Para aplicar la suspensión o el sol sobre el sustrato, existen varios métodos que permiten hacerlo en forma controlada, es decir, regulando el espesor de la película a través del ajuste de variables bien definidas, como es la velocidad de depósito. La técnica de dip-coating consiste en sumergir el sustrato en el sol, se mantiene inmerso durante un tiempo, y luego se extrae a velocidad controlada. El control del tiempo de contacto es especialmente importante cuando se usan substratos porosos cuyos poros se llenan por capilaridad. La figura 2 muestra los procesos que tienen lugar cuando comienza a retirarse un substrato no poroso. Se forma una capa de líquido asociada a la superficie que, cuando emerge de la superficie del baño, se separa en dos corrientes: una que sigue al sustrato y otra que vuelve al baño.


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Figura 2. (a) Etapas del proceso de inmersión, (b) Corrientes del líquido durante la extracción del sustrato [1]

El espesor de la película depende de la altura (h) a la cual se dividen las dos corrientes, esta altura depende a su vez del balance de por lo menos tres fuerzas; la viscosa de arrastre, la de gravedad y la debida a la tensión superficial en el menisco cóncavo. Cuando la velocidad con la que se retira el sustrato (U) y la viscosidad del líquido son suficientemente grandes como para despreciar el efecto de la tensión superficial, el espesor obtenido está en función de la fuerza viscosa de arrastre y del drenaje producido por la fuerza de gravedad (g), lo cual puede expresarse a través de la siguiente ecuación:

Donde, c = 0.8 para líquidos newtonianos, = densidad del líquido, g= aceleración gravitatoria. En los procesos sol-gel, y U no son, en general, suficientemente grandes, y debe considerarse el efecto de la tensión superficial, que adelgaza la película al incorporar la componente vertical de la tensión superficial (), paralela a la de gravedad:

0.94/ /

0.94 / /

La ecuación anterior es útil para analizar la influencia de los distintos parámetros sobre el espesor de la película, aunque sus condiciones de validez son muy restrictivas. Un resultado importante es que cuanto mayor es la velocidad de extracción U, mayor es el espesor de la película. Muchas de estas películas no tienen un espesor constante, sino que el mismo es mayor en la región extraída del baño al final; sin embargo, la


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incorporación de agentes tensoactivos adecuados al baño ha permitido evitar esta falta de homogeneidad.

La fuente más importante de ataque de las estructuras metálicas es la disolución de forma localizada de la capa de óxido que cubre al metal y lo protege cuando se pone en contacto con medios agresivos, como el agua de mar, o atmósferas corrosivas como amoníaco, oxígeno, etc. La utilización de recubrimientos cerámicos permite mejorar tanto las propiedades químicas y mecánicas, como la resistencia a la corrosión y a la oxidación, al rayado y al desgaste, debido a su mayor tenacidad y menor susceptibilidad al ataque químico. En particular, la tecnología sol- gel se ha impuesto en la última década como método de recubrimiento frente a otras técnicas como el PVD, CVD, etc., debido a su simplicidad, flexibilidad y menor coste.

Un caso de particular importancia tecnológica lo constituyen las estructuras metálicas utilizadas en la industria aeroespacial producidas con aleaciones de aluminio, normalmente recubiertas por dos tipos de capas. La capa más interna se deposita anódicamente por aplicación de una corriente eléctrica o bien químicamente, por reacción con la superficie de una sal de cromo tri- o hexavalente. La capa externa es, en general, una pintura o resina epoxy entrecruzada mediante la adición de agentes de curado, como aminas o poliamidas. La primera capa mejora la adherencia entre el sustrato y la capa externa, y aumenta la resistencia a la corrosión del metal, ya que la capa externa es porosa y no posee buenas propiedades frente a la corrosión. La utilización de las capas de cromato se ha probado extensamente y su buen funcionamiento se debe a su naturaleza de auto-curado, su facilidad de aplicación y su elevada conductividad eléctrica. Sin embargo, los riesgos medioambientales, de toxicidad y cancerígenos, asociados al uso de iones Cr6+, han sido la causa de su prohibición total en la UE a partir de 2007. Por esta razón, muchas investigaciones se centran actualmente en la sustitución de estas capas por otras que presenten propiedades similares y eviten el riesgo tóxico. Una de las vías propuestas es la sustitución por capas híbridas producidas por sol-gel.

La búsqueda bibliográfica sobre el comportamiento frente a la corrosión y oxidación de recubrimientos sobre metales producidos por sol- gel aporta resultados muchas veces contradictorios en cuanto a los parámetros que determinan el comportamiento protector en distintos medios. Los trabajos encontrados se pueden clasificar en función del tipo de sustrato utilizado, destacando los aceros inoxidables como el AISI 304, 310, 430, 316L, el aluminio y sus aleaciones y, en menor medida, los aceros al carbón, cobre, níquel, etc. [2].

El otro criterio para describir los trabajos encontrados es según la naturaleza del recubrimiento, distinguiéndose dos grandes grupos:

1. Recubrimientos inorgánicos: destacan los recubrimientos de SiO2, ZrO2, SiO2-ZrO2, SiO2-TiO2, ZrO2-Y2O3, ZrO2-CeO2, etc., obtenidos a partir de reacciones de hidrólisis y policondensación de alcóxidos metálicos.

2. Recubrimientos híbridos orgánicos – inorgánicos, obtenidos por incorporación de grupos orgánicos dentro de la red inorgánica para conseguir capas más flexibles y con mayores espesores. Estos recubrimientos pueden tener desde contenidos bajos de materia orgánica residual, proveniente del uso de alquilalcóxidos como precursores, hasta ser de carácter fundamentalmente orgánico. El contenido de orgánico y, por tanto, la temperatura de consolidación utilizada permite distinguir entre:


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a) Recubrimientos híbridos de SiO2, SiO2/ZrO2 y ZrO2 principalmente, sinterizados a temperaturas entre 400-500 C.

b) Recubrimientos de SiO2 con altos contenidos de orgánico, curados a temperaturas menores de 200 C, que se denomina en adelante recubrimientos poliméricos.

Fuentes usadas para este apartado

[1] Yáñez Zamora, Cynthia E. Síntesis y caracterización de películas delgadas del sistema ZrO2:8%Y2O3 mediante la técnica sol-gel. Tesis para obtener el grado de Máster en Tecnología Avanzada. Instituto Politécnico Nacional; Centro de Investigación en Ciencia Aplicada y Tecnología Avanzada Unidad Altamira (México), 2008.

[2] Castro Martín, Mª Yolanda. Recubrimientos protectores obtenidos por deposición electroforética (EPD) a partir de suspensiones sol-gel. Tesis para optar al grado de Doctora en Ciencias Químicas, Universidad Autónoma de Madrid, 2003.


Los tratamientos sol-gel, se suelen emplear generalmente para proteger distintas aleaciones metálicas frente a la corrosión. Estos recubrimientos constituyen una barrera física entre el metal y los agentes agresivos externos y pueden usarse como pretratamiento de los metales, ya que aumentan la adherencia entre el metal y pintura orgánica de aplicación posterior.

Sus aplicaciones son numerosas, así como sus ventajas asociadas, por lo que en ocasiones se van imponiendo como alternativa de recubrimiento, frente a otros tratamientos, por su flexibilidad, simplicidad y bajo coste.

Además, dada la acusada tendencia en el grupo de tratamientos superficiales, de buscar soluciones industriales cada vez más respetuosas con el medio ambiente, éstos pueden constituir una alternativa aceptable a los contaminantes empleados tradicionalmente, ya que se forman a partir de la hidrólisis y condensación de compuestos precursores de naturaleza no contaminante.

A pesar de que el proceso sol-gel no es nuevo, todavía se desconocen todos los mecanismos involucrados que influyen en la estructura y propiedades de los materiales. Por ello, estos procesos continúan su desarrollo e implantación en la industria del metal, y cabe esperar la continuidad de esta tendencia, ya que permiten obtener materiales que es más difícil obtener por otros medios.

Algunas de las innovaciones identificadas en relación con este tipo de procesos, se basan en la introducción de nanopartículas en el propio recubrimiento sol-gel, con el fin de obtener capas continuas, con mejora de las propiedades barrera y estabilidad térmica, entre otras.

Dada la evolución permanente de este tipo de tratamientos, así como las nuevas aplicaciones que continúan estudiándose e implantándose, un análisis de la actividad en lo que a protección intelectual se refiere, nos muestra patentes procedentes de numerosas áreas geográficas a nivel global. China, Estados Unidos y Japón, son los tres países más destacados a este respecto. Sin embargo, también hay numerosas


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protecciones procedentes de Alemania, Francia o Taiwan, por ejemplo. Y esta actividad no parece estar disminuyendo, sino que se ha mantenido durante los cuatro años estudiados.

Grandes empresas especializadas, de carácter internacional, son muchos de los solicitantes de las protecciones y los que mantienen líneas de investigación abiertas en este sentido. Pero también es notoria la actividad en relación con nuevas aplicaciones que llevan a cabo empresas medianas, así como universidades y centros públicos y privados de investigación.

España no es ajena a esta tendencia y también tiene abiertas líneas de investigación relacionadas, tanto procedentes del sector más industrial, como del sector más vinculado a actividades de I+D. En muchas ocasiones los desarrollos se están llevando a cabo de manera conjunta entre empresas y centros de investigación y es de esperar que la implantación de este tipo de tratamientos continúe e incluso se generalice, para cierto tipo de sectores y aplicaciones. Tal es el caso de la automoción, aeronáutica y en general aquellos que necesitan soluciones para proteger distintos tipos de piezas y productos de agresiones externas.

4.2.4. Otras tecnologías: tratamientos por plasma y nanotecnologías

Aunque podrían haberse considerado muchas más tecnologías, dentro del grupo de tratamientos superficiales, se incluyen en este apartado dos de ellos, por su previsible futura importancia para el tratamiento superficial de materiales a nivel industrial. Se expone a continuación, de forma somera, una caracterización técnica para cada uno de ellos, así como su posible evolución futura. La descripción técnica en este caso es algo más genérica que en los casos anteriores, ya que bajo la denominación de tratamientos por plasma y nanotecnologías, se incluyen tecnologías diferentes, aunque basadas en algunos principios físico-químicos comunes.

4.2.4.1. Tratamientos por plasma


El procesamiento por plasma es un conjunto de técnicas de tratamiento de distintos materiales, que se realizan utilizando gases parcialmente ionizados, que se denominan genéricamente “plasma”. Estos tratamientos permiten adaptar las propiedades de la superficie de los materiales, a las condiciones requeridas por el producto final, pudiendo así satisfacer las necesidades del cliente.

La proyección por plasma (Plasma Spray o PS) se fundamenta en la producción de un arco eléctrico DC o CC, a causa de una descarga de alto voltaje iniciada en un cañón plasma, generando altas temperaturas, que actúa como fuente de calor para disociar e ionizar y de esta manera, formar el plasma que fluye alrededor del cátodo y sale al inyector del ánodo como llama libre o neutral del plasma, el cual no lleva corriente eléctrica (figura 1). El arco se forma por el calentamiento de la resistencia entre dos electrodos no consumibles, que consisten en un cátodo de tungsteno (W) y un ánodo de cobre ambos refrigerados por agua.


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El cañón es alimentado con un flujo continuo de gas (Ar, H2, helio He, N2) en un medio relativamente inerte, el cual es ionizado por el arco DC y es comprimido y acelerado por el cañón, de tal forma que sufriendo una expansión volumétrica sale como un flujo gaseoso o chorro de plasma, a través de una tobera a altas velocidades y temperaturas > 9727 C. Luego el material de capa es introducido en forma de polvo o de alambre en el chorro de plasma donde es fundido y acelerado hacia el sustrato, según un proceso de rápida solidificación las partículas que impactan a altas velocidades absolutas (200 – 500 m/s), van formando un recubrimiento con excelentes características de adherencia, cohesión, densidad interna y espesores a partir de 0.3-6 mm, dependiendo de los materiales de la capa o recubrimiento y del sustrato.

Figura 4. Esquema de proyección por plasma.

Son muchas las aplicaciones de este tipo de tecnologías y los casos estudiados. Abel Fumero Pérez et al., estudiaron la proyección mediante una antorcha de plasma atmosférico sobre un sustrato de acero inoxidable austenítico de hidroxiapatita (tamaño de partícula de 119 m) variando la distancia de proyección. Las condiciones experimentales de proyección fueron: (a) Flujo de gas formador de plasma (L/min): 45, (b) Flujo de gas transportador de polvo (L/min): 1, (c) Alimentación de polvo [g/min]: 10, (d) Distancia de proyección [mm]: 40, 50 y 60, (e) Intensidad [A]: 250, (f) Potencia eléctrica [kW]: 7.5. Se concluyó que el recubrimiento a 250 A y a 50 mm de distancia de proyección fue el de mayor espesor y dureza obtenida, los espesores de los recubrimientos obtenidos están dentro de los requisitos exigidos para este tipo de implante. Los resultados indican que la cristalinidad disminuye con el incremento de la distancia de proyección, no así su dureza y espesor de capa.


[1] Abel Fumero Pérez, Héctor López Salinas, Leonardo Goyos Pérez, Clodomiro Alves Junior, Carlos Lariot Sánchez. Estudio preliminar acerca de recubrimientos de hidroxiapatita HAP-200 obtenidos por plasma atmosférico. http://bvs.sld.cu/revistas/ibi/vol30_2_11/ibi09211.htm


Los métodos de tratamiento por plasma permiten en numerosas ocasiones alcanzar resultados difíciles, e incluso imposibles, por otras técnicas convencionales. Por ello, diversas variantes de este tipo de tratamientos son objeto de estudio y de protección


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intelectual, tanto por parte de empresas, como por centros de investigación y universidades.

Atendiendo a dicha actividad de protección, se observa que las patentes publicadas en los últimos cuatro años, según clasificación de la PTO, proceden principalmente de países asiáticos y Estados Unidos. En concreto, este último país ha sido el líder en el periodo estudiado, seguido a cierta distancia por China, Japón y Taiwan. Sin embargo esta actividad no es exclusiva de los países mencionados. Muchos otros también se han mostrado activos durante 2008 y 2011, incluyendo, entre otros, países europeos, Rusia, Canadá o Corea.

Además, de 2008 a 2010, el número de familias de patentes relacionadas con este tipo de tratamientos incluso aumentó, aunque al cierre de este informe en noviembre de 2011, parece estar cayendo ese nivel de actividad en lo que a protección se refiere.

Las empresas que utilizan este tipo de tratamientos y que propician su evolución, identificando nuevas aplicaciones industriales, son en su mayoría grandes empresas internacionales, vinculadas a los sectores de automoción, microelectrónica, telecomunicaciones o imagen y sonido entre otras. De hecho, entre las aplicaciones de este tipo de tratamientos encontramos, entre otros muchos: grabado de placas de circuitos impresos y semiconductores, deposición de películas de silicio para celúlas solares, pasivación o activación de superficies, fundido, soldadura por arco eléctrico o distintos tratamientos químicos por plasma. Es frecuente también el uso de plasma para el tratamiento de superficies, como preparación para la aplicación de un recubrimiento posterior, que mejora con ello su adhesión.

Por todo ello, es de esperar que el procesamiento de materiales por plasma continúe teniendo un papel fundamental en el futuro, en el tratamiento de materiales y piezas industriales, no siendo el sector industrial español ajeno a todo ello, dada la previsible extensión generalizada de estas técnicas.

4.2.4.2. Nanotecnología


Al tratarse de una tecnología horizontal, la nanotecnología está teniendo una gran influencia en muy diversos campos industriales, entre los que destacan sectores tanto tradicionales como emergentes: construcción, automoción, energía, electrónica, industria biomédica, etc. Así, uno de los campos más evidentes en los cuales la nanotecnología está revolucionando la aparición de nuevos productos es el de los tratamientos superficiales.

Un ejemplo que puede resultar representativo, es el caso de los tratamientos de superficies de piezas metálicas sometidas a desgaste. Las piezas metálicas sometidas a fricción, como herramientas de corte, fresado, conformado, rodamientos o engranajes, entre otras, sufren continuos procesos de desgaste y corrosión que limitan su vida útil. El empleo de tratamientos para proteger las superficies expuestas a desgaste, constituye una alternativa apropiada para mejorar el rendimiento y aumentar la duración de estas piezas. Entre los tratamientos de superficies que se pueden utilizar figuran el bombardeo con haces de iones y la preparación de recubrimientos


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mediante láminas delgadas o multicapas. Entre las ventajas de este tipo de técnica figura el hecho de que el tratamiento de la pieza se lleva a cabo sin que la misma sufra calentamientos importantes, normalmente inferiores a 150 C, e incluso es posible efectuarlo a temperatura ambiente controlando las dosis de implantación.

Los materiales típicamente empleados son carburos y nitruros de metales de transición, como TiN, TiCN, CrN, ZrN, y sus aleaciones con aluminio, AlTiN, AlCrN, y se pueden combinar en multicapas cuya periodicidad sea del orden de decenas de nanómetros y con grosores totales del orden de las micras. Además, los recubrimientos pueden mejorar sus propiedades mecánicas si se preparan mezclas de fases de cristales de tamaño nanométrico, por ejemplo TiN+a-SiN. También es posible preparar capas funcionarizadas, cuya composición varía gradualmente en profundidad (capas gradiente), de manera que se pueda optimizar tanto el comportamiento mecánico de la superficie, por ejemplo con una lámina de TiN, como la adherencia del recubrimiento a la pieza metálica, por ejemplo con una capa de WC, utilizando una lámina intermedia de transición de TiC.

Entre las aplicaciones típicas, figuran los tratamientos de superficies de cuchillas de corte y mecanizado, engranajes y rodamientos, matrices para conformado de chapa, o moldes de inyección de plástico. Otras aplicaciones consisten en la funcionalización superficial de prótesis de cadera y rodilla para mejorar su resistencia al desgaste, la preparación de recubrimientos de baja fricción sobre la superficie de discos duros magnéticos para reducir la altura de vuelo de la cabeza lectora y aumentar la densidad de almacenamiento de información, el crecimiento de capas decorativas, antirreflectantes, de barrera térmica, etc.

REFERENCIAS

[1]http://www.idepa.es/sites/web/EuropaI_D_i/Repositorios/galeria_descargas_EuropaI_D_i/Aplicaciones_industriales_11.pdf

Situación actual de las tecnologías y evolución previsible

Como se ha explicado anteriormente, la nanotecnología se está aplicando de modo horizontal en numerosos campos industriales. Por ello, la actividad de protección intelectual y de investigación en relación con este tipo de tecnologías es muy amplia, afectando a numerosas disciplinas y ámbitos industriales. En esta ocasión, y siempre en el periodo 2008-2011 objeto de estudio, se ha tratado de restringir el análisis a los resultados relacionados con la aplicación de nanotecnologías en el campo de tratamientos superficiales. Los resultados obtenidos son relativamente similares a los del caso del plasma, expuesto anteriormente.

A lo largo de los cuatro años estudiados, las familias de patentes publicadas, según la PTO, proceden en gran parte de Estados Unidos. Pero, aunque a relativa distancia, se observa también actividad a este respecto en numerosos países: Japón, países europeos, China, Rusia, Corea o Canadá (citados por orden de importancia) son algunos de los que han protegido tecnologías relacionadas. En cuanto al número global de protecciones registradas a lo largo de dichos años, se ha ido manteniendo, aunque se observa cierto descenso en el último año, al menos hasta noviembre de 2011. Para poder confirmar dicha tendencia, cabría revisar los datos de este último año, durante el primer trimestre de 2012.


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Resulta pues evidente que este tipo de tratamientos es de interés industrial general, con niveles de implantación a nivel global, en términos geográficos. Las principales empresas con tratamientos específicos, de desarrollo propio y protegidos, pertenecen principalmente a los sectores de audiovisuales, microelectrónica, eléctrico, etc., además de identificarse líneas de investigación relacionadas, procedentes de distintas universidades y centros de todo el mundo. De hecho, diversas patentes proceden de conocidos centros de investigación españoles.

Es previsible que este tipo de tecnologías, apenas desarrollados todavía si se tiene en cuenta su potencial, continúe su avance, provocando una extensión cada vez mayor de su aplicación a nivel industrial en todos los sectores y, en particular, en el del metal.

4.3. DEFORMACIÓN METÁLICA PLANA


La deformación metálica plana, comúnmente denominada conformado de chapa, engloba un numeroso grupo de procesos y tecnologías que transforman los materiales y piezas tratados, con el fin de que cumplan una serie de especificaciones técnicas. Dentro de este grupo, se contemplan un sinfín de técnicas relacionadas con la transformación y tratamiento de chapa metálica, perfiles, tubos y alambres entre otros. Laminación, estampación, conformado, plegado, etc. son solo algunos de los procesos que suelen ser considerados bajo este epígrafe.

Dada la diversidad de tecnologías incluidas en este grupo, los sectores demandantes de este tipo de técnicas son también muy numerosos y dispares entre ellos: automoción, construcción, decoración, herrajes, luminaria y carpintería metálica, entre otros. Además, destacan también otros sectores en constante evolución, con una demanda cada vez más creciente en los últimos años, tales como aeronáutica y microelectrónica.

Las empresas más competitivas que operan en el sector, se hallan especializadas en sectores de alto valor añadido, como es el caso del de automoción. Una gran parte de ellas, especialmente las más destacadas, se integran en grupos empresariales mayores, con procesos, productos y mercados muy diversos, adquiriendo así un mayor tamaño global de empresa y explotando sinergias, lo que les permite ofrecer una mayor cobertura a las necesidades de sus clientes. Muchas de las empresas estudiadas, usan además herramientas avanzadas de diseño, para ofrecer productos totalmente adaptados a dichas necesidades.

Al igual que ocurre en el caso de las otras cinco áreas analizadas en el presente estudio, calidad, innovación e investigación, son claves en el área de la deformación metálica plana. Sin embargo, en este caso es notorio, además, el esfuerzo permanente de las empresas más destacas, por avanzar hacia la integración de proceso, con objeto de proveer productos más terminados. Otras tendencias comunes detectadas, tienen que ver con procesos de fabricación mejorados para adaptarse a la cambiante demanda, sistemas inteligentes para ahorrar energía y lograr una producción medioambientalmente sostenible, así como el estudio de nuevos materiales, alternativos a los tradicionalmente empleados en los procesos.


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Es también notable la presencia cada vez mayor de expositores procedentes de Asia, particularmente de países como China, Taiwan e India, en las ferias internacionales, especializadas del sector, celebradas los últimos dos años (2010 y 2011).


Tal y como se ha mencionado anteriormente, las tecnologías empleadas por las empresas que operan en el sector de deformación metálica plana son muy variadas. Los procesos de conformado de chapa incluyen técnicas tan diversas como corte, doblado, embutición, estampación, laminación, punzonado o plegado. Numerosas tecnologías para el conformado han experimentado una notable evolución en los últimos años, continuando actualmente su desarrollo, siendo éste el caso del hidroconformado, conformado sin matriz, electromagnético, láser o tailored blank. Los estudios realizados para procurar el avance técnico de las citadas tecnologías se centran principalmente en el ahorro y eliminación de costes en matrices y/o equipamiento auxiliar, la mejora de la formabilidad del material y el aumento de su rendimiento técnico, así como en la obtención de procesos más flexibles y versátiles.

En este sector, en general, las tecnologías han ido evolucionando con el fin de conseguir una relación óptima entre los parámetros influyentes en el proceso (criterios de fabricación (formabilidad, calidad superficial, coste, soldabilidad, etc.) y criterios de rendimiento del material (resistencia, rigidez o absorción de energía), con objeto de obtener piezas cada vez más cercanas a las necesidades del cliente, sin que ello suponga un aumento significativo del coste o de la complejidad técnica del proceso. Siguiendo el mismo criterio que el adoptado para las otras cinco áreas consideradas en este informe, se han estudiado más a fondo las tendencias y desarrollos de seis tipos de tecnologías en particular, por su notable evolución y nuevas aplicaciones industriales aparecidas en los últimos cuatro años, lo cual puede suponer su extensión a nivel global, en detrimento de otras tecnologías más tradicionales o estáticas en lo que a prestaciones y optimización técnica se refiere. Todo ello se ha realizado atendiendo a los datos obtenidos a partir de bases de datos de patentes, ferias internacionales, artículos científicos y congresos entre otros.

Las seis tecnologías que se han analizado, en relación con su evolución tecnológica, han sido las siguientes:

Hidroconformado.

Conformado de chapa sin matriz.

Conformado electromagnético.

Conformado por laminación.

Conformado por láser.

Tailored blank.


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4.3.1. Hidroconformado


El conjunto de técnicas conocidas como hidroconformado representan una alternativa a los métodos convencionales mecánicos por razones de flexibilidad (simplificación de utillajes), mejora de las condiciones de proceso (esencialmente reducción de fuerzas de fricción), que permiten mayores deformaciones, mejor precisión, mejoras en las tensiones residuales y finalmente posibilitan la obtención por deformación de piezas imposibles de producir hasta hoy por los procedimientos convencionales (particularmente en la fabricación de piezas a partir de elementos tubulares y en componentes donde es crítica la relación peso-resistencia).

La aplicación más común es el hidroconformado de tubos (Tube hydroforming, THF) que consiste en el conformado de un tubo de acero contra las paredes de una matriz, mediante la introducción de un fluido a presión. Pudiendo emplearse además una compresión axial simultánea para evitar un excesivo adelgazamiento del espesor del tubo en las zonas sometidas a una fuerte expansión. El tubo altera su forma durante el proceso permitiendo diferentes cambios de sección a lo largo de su longitud, obteniéndose unas formas suaves lo que proporciona una mayor rigidez que en piezas estampadas facilita las posteriores operaciones de taladrado en cualquier parte de la pieza.

El proceso básico para el hidroconformado de tubos (figura 1) se puede describir de esta manera:

1. Tubos rectos o pre-deformados se introducen primero en la matriz.

2. La matriz se cierra por un proceso hidráulico que puede conformar de manera mecánica el tubo durante el cierre.

3. Los punzones de sellado cierran las extremidades del tubo y se inicia el llenado.

4. El material se expande por el incremento de presión del liquido que se realiza conjuntamente con el avance simultaneo de los punzones de sellado, fluye hacia el interior de las zonas de conformado y da la configuración final de la pieza.

(1) (2)

(3) (4) Figura 1. Esquema del proceso de hidroconformado para tubos

[www.automaciondidactica.com.ar]


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Otra de las aplicaciones es el hidroconformado de chapa (Sheet Hydroforming, SHF). Este método está centrado en la deformación de placas simples o dobles usando para ello un medio fluido. Una gran ventaja de este método es la flexibilidad en cuanto al cambio de herramientas, ya que se produce rápidamente y permite realizar la embutición, el recorte y el calibrado (proceso de hidroconformado sin un considerable flujo axial de material) en un solo paso. El hidroconformado también es una excelente técnica de fabricación para construcciones ligeras (aluminio, aleaciones de magnesio, etc.). Estos materiales tienen normalmente unas capacidades de conformabilidad menores que las que poseen los aceros, pero el proceso de hidroconformado ofrece una oportunidad única de influenciar y controlar las tensiones, deformaciones y la temperatura en la pieza para incrementar los límites de conformabilidad.

El proceso para el hidroconformado de chapa (figura 2) se puede describir como sigue:

1. La chapa no deformada se sitúa en la matriz conjuntamente con la lámina.

2. Se cierra la prensa y se aplica una presión inicial de pre-conformado para colocar bien la chapa.

3. El punzón se mueve en dirección contraria a la presión para deformar la chapa durante la primera etapa de conformado.

4. La chapa se retira de la prensa y se le aplica un tratamiento térmico para quitar las tensiones mecánicas del material.

Figura 2. Esquema del proceso de hidroconformado para láminas y/o chapas [www.hytechusa.com/hydroforming.html]

Las máquinas de hidroconformado industriales usan un pistón para generar presión en el fluido hidráulico, pero una alternativa experimental es el uso de explosivos para generar la presión. El llamado hidroconformado por explosión contiene una carga explosiva, con o sin un fluido de trabajo, en el lado de alta presión del material (figura 3). Cuando la carga se enciende, la presión generada por la explosión hace que el material de trabajo adopte la forma de la matriz, con presiones de hasta millones de libras por pulgada cuadrada. El hidroconformado por explosión y la soldadura por explosión son técnicas similares, siendo posible combinar los dos métodos


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simultáneamente. En comparación con otros métodos de conformado más convencionales, las ventajas del hidroconformado por explosión hacen posible trabajar con chapas de gran tamaño (gracias al uso de explosivos), utilizar espesores de chapa elevados (> 10 mm en el caso de aleaciones de Ni), producir formas elaboradas (reduciendo las operaciones tales como soldadura y tratamiento térmico), obtener productos con una elevada resistencia mecánica y dimensiones muy precisas.

Figura 3. Esquema del proceso de hidroconformado por explosión [http://www.pacaero.com/products/explosive-forming.htm]

La mayoría de aplicaciones del hidroconformado se centran en la industria automotriz donde se fabrican marcos de suspensión, estructuras de carrocería, componentes del tren de potencia, tubos de escape, etc. Pero se ha extendido ampliamente a otros sectores donde ven esta tecnología como una alternativa al conformado tradicional de sus productos y una manera de ahorrar costes y generar competitividad. Entre estos nuevos sectores se encuentra el de la generación de energía, fontanería, instrumentos musicales, médico–quirúrgico, armamento, deportivo, etc., donde se fabrican grifos, mangos para instrumentos médicos, elementos de puertas, patas de mesas y sillas, miras de rifle, marcos de bicicletas, etc. La elección del hidroconformado para estas aplicaciones tiene menos que ver con el ahorro de peso y más con la reducción del número de pasos del proceso para obtener formas interesantes y estéticamente agradables.

La razón por las que el hidroconformado se está expandiendo rápidamente es por su aplicación en el campo de la fabricación de componentes de automóviles. Sus ventajas sobre el conformado convencional, son las siguientes:

Reducción de costos mediante la integración de algunos componentes.

Reducción de peso mediante la reducción de las bridas soldadas para unir las piezas.

Mejora de las propiedades de fatiga por la reducción de las uniones soldadas.

Mejora de la resistencia de los componentes por el conformado de sección cerrada y el endurecimiento por trabajo.

Simplificación de los procesos de trabajo por el agujero de perforación en matrices y la reducción de las uniones soldadas.


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Mejora del rendimiento mediante la reducción de los márgenes de recorte.

Reducción de la recuperación elástica (springback) por conformado plástico de una pieza entera.

A pesar de estas ventajas, la aplicación del hidroconformado es aún limitada comparada con el conformado convencional y su uso no se está expandiendo a una amplia variedad de componentes de automóviles. Las razones de esto o las deficiencias del hidroconformado son los siguientes:

Las condiciones para el conformado son complicados y requieren habilidades particulares.

La máquina de conformado es muy grande y costosa.

El tiempo de ciclo de trabajo es largo y la productividad es baja.

La soldadura por puntos de un producto con otras partes o componentes es difícil.

Estas desventajas se deben a que el hidroconformado es una tecnología nueva y al hecho de que hay muchos parámetros interrelacionados entre sí de una manera complicada. Para ser más específicos, la combinación de la presión hidráulica interna y la alimentación axial con su trayectoria de carga (su patrón de aplicación) determinan la viabilidad del trabajo por conformado y lo que es más, las condiciones óptimas de estos factores son diferentes con diferentes materiales.


1. Masaaki Mizumura, Osamu Honda, Tohru Yoshida, Keinosuke Iguchi, Yukihisa Kuriyama. Development of Hydroforming Technology. Nippon Steel Technical Report, Nº 90, 2004, 116 – 121.

2. F.J. Rípodas Agudo. Manufacturing Tubes for Hydroforming Applications. Tube & Pipe Technology, 2003, 114 – 119.

3. http://www.monografias.com/trabajos41/hidroconformado/hidroconformado2.shtml

4. http://www.robotiker.com/revista/articulo.do;jsessionid=D47AD944967B8D8FF9719229F5D1A13E?method=detalle&id=35

5. http://www.pacaero.com/products/explosive-forming.htm

6. Michael Keigler, Herbert Bauer, David K. Harrison, Anjali K. M. De Silva. FE - Simulation of the Thermal Hydroforming Process. LS-DYNA Anwenderforum, Bamberg, 2004

7. www.hytechusa.com/hydroforming.html

8. Paul Tauzer. Tube hydroforming for expanded design options. Tube & Pipe Journal, 2003, 1 – 3.

9. www.automaciondidactica.com.ar

10. www.h-htube.com/hydroforming.html

11. www.dezeen.com/

12. www.alloybellows.com


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13. www.nickelinstitute.org/index.cfm/ci_id/14818.htm

14. www.bikegroup.com/tecnologia.htm

15. www.southwestmedical.com/


Según el análisis de familias de patentes realizado basado en las publicadas en los últimos 4 años (2008 a 2011), que aluden a procesos de conformación sin corte realizada de forma que no se utilicen dispositivos o herramientas rígidos, o masas flexibles o elásticas, es decir, conformación obtenida aplicando una presión mediante un fluido (ver detalles de la búsqueda en el anexo correspondiente), se puede apreciar que es una tecnología bastante extendida a nivel industrial. La mayoría de las familias analizadas pertenecen a la industria. Pero algunas de ellas proceden de universidades, principalmente chinas. Es decir pese a ser una tecnología establecida a nivel industrial, se sigue investigando en ella.

En particular, si analizamos las familias de patentes a nivel global, predominan las procedentes de países asiáticos, representando estas prácticamente el 50% del total analizado. Concretamente China es el país más destacado, ya que de este país procede más del 20% del total. A cierta distancia con un 15% y un 11 % de las familias de patentes publicadas en el periodo estudiado, se encuentran Japón y Corea, respectivamente.

Pero la investigación en torno a esta tecnología también es destacable en otras áreas y países, como Alemania y Estados unidos, siendo éstos los dos países más destacados en cuanto a publicación de patentes, además de los asiáticos mencionados. Alemania, aunque todavía a mucha distancia de China, pero sensiblemente por delante de Japón, representa más de un 16% del total analizado. Estados Unidos constituye alrededor de un 11%.

En cuanto a la tendencia de la actividad en relación con la protección de métodos y dispositivos relacionados con la tecnología en cuestión, en el caso de China ha ido en ligero descenso a lo largo del periodo estudiado, haciéndose este descenso muy notable a fecha de cierre de este informe. En el resto de países analizados, a excepción de Alemania, la tendencia ha sido a la baja pero de un modo menos extremado que en China. En el caso de Alemania la actividad en relación a la protección del conocimiento generado en esta tecnología ha ido en aumento, siendo esta tendencia muy evidente en los últimos dos años.

Así pues, se advierte que a nivel europeo el interés por el desarrollo de esta tecnología aumenta, continuando la aparición de nuevas aplicaciones para la misma. Muchas de las patentes se refieren a mejoras sobre el proceso mientras que otras muchas son métodos o incluso dispositivos específicos para piezas específicas o un material determinado.

La mayoría de aplicaciones del hidroconformado se centran en la industria de la automoción. De hecho la mayor parte de los solicitantes de las familias de patentes analizadas son fabricantes de automoción o empresas proveedoras de productos y/o materiales para la citada industria. Pero esta tecnología se ha extendido a otros sectores, como el de generación de energía, fontanería, instrumentos musicales,


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médico–quirúrgico, armamento, deportivo, etc, donde representa una alternativa al conformado tradicional. Aunque España no se caracteriza por tener gran actividad en lo que a protección industrial se refiere en este campo tecnológico, su aplicación sí se encuentra extendida entre algunas empresas que producen determinados tipos de piezas para los sectores cliente mencionados.

La elección del hidroconformado para las aplicaciones de los sectores anteriormente mencionados tiene que ver más que con la reducción en peso de las piezas obtenidas, con la reducción del número de pasos del proceso para la obtención de piezas complejas, con curvas especiales, incluso con formas inusuales a veces imposibles de realizar con procesos de producción convencionales, o realizables a fuerza de grandes costes de producción. También la reducción del número de componentes de un producto, es una de sus principales ventajas, lo que proporciona un ahorro económico y un mayor rendimiento pues las operaciones de montaje son muy reducidas y simplificadas. Así mismo los ahorros totales derivados del coste más bajo de las matrices y equipamiento auxiliar es una ventaja a señalar.

Es previsible que este tipo de proceso continúe su evolución para mantener su competencia y para satisfacer la creciente demanda de funcionalidad y ahorro de costes. Es pues de esperar, que la extensión de la aplicación de este proceso también continúe su avance en nuestro país.

4.3.2. Conformado de chapa sin matriz (ISF, Incremental Sheet Forming)


La tecnología ISF es un enfoque de conformado que utiliza la tecnología de control numérico (NC) para fabricar una pieza a partir del material en chapa. Con esta tecnología, el nuevo producto se puede hacer en un día desde el modelado CAD a la pieza terminada.

Los elementos básicos del sistema ISF incluyen el sistema CAD (Computer Aided Design), sistema CAPP (Computer Aided Process Planning), el sistema CAA (Computer Aided Análisis) y la máquina de CNC (Computer Numerical Control).

El ISF se compone de una serie de operaciones locales de conformado que conducen a la geometría final de la pieza sin necesidad de herramientas costosas o matrices. El proceso implica el uso de una única herramienta de punta redondeada para realizar deformaciones locales progresivamente en chapa metálica con una máquina CNC de tres ejes (o máquina de CNC de más ejes) o con un robot industrial. El movimiento de la herramienta de conformado basado en la tecnología NC se genera a partir de un sistema CAM normal. En este proceso el producto final se puede hacer directamente desde un modelo CAD 3-D sin matrices o herramientas especiales. Por lo tanto, el proceso ISF ofrece las ventajas del prototipado rápido en cuanto a plazos de entrega cortos, alta flexibilidad y bajo coste para aplicaciones de lotes pequeños. Para productos complejos, se requiere un simple apoyo para reforzar la estabilidad del sistema.

Las técnicas de conformado de chapa incremental (ISF) se pueden dividir en dos categorías: el conformado incremental de dos puntos (TPIF) y el conformado


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incremental de un solo punto (SPIF), también conocidos como conformado negativo y positivo, respectivamente.

En el proceso TPIF (figura 1), la chapa se mueve verticalmente sobre cojinetes, los cuales se mueven sobre los pilares de soporte de la chapa, a lo largo del eje z, a la vez que la herramienta de conformado empuja a la chapa metálica. Este proceso se llama TPIF porque tiene dos puntos de contacto entre la herramienta de conformado y la chapa. El primer punto es donde la herramienta de conformado presiona hacia abajo en la chapa metálica para causar una deformación plástica local. El segundo punto es un punto de contacto entre el poste estático y la chapa cuando la herramienta presiona en la misma. Aunque el proceso utiliza una matriz parcial, a menudo se le llama “conformado sin matriz”. Se puede clasificar en dos tipos: TPIF con soporte estático y TPIF con soporte cinemático. Para TPIF con un soporte estático (figura 1a), el apoyo se coloca firmemente en la cara opuesta de la chapa (opuesta a la superficie de contacto entre herramienta y chapa). La chapa metálica se sujeta firmemente en un marco que puede moverse hacia arriba y hacia abajo en dirección paralela a la herramienta. Para TPIF con un soporte cinemático (figura 1b), el apoyo se mueve simultáneamente con la herramienta de conformado. Franzen et al. [2] diseñaron una configuración como la de la figura 1b. En esta configuración, el apoyo parcial se fija en una mesa giratoria que gira simultáneamente con la herramienta de conformado. La mesa giratoria tiene una matriz parcial que tiene la forma del producto final. Este sistema tiene el inconveniente de que sólo es adecuado para productos de simetría rotacional.

(a) (b) Figura 1. (a) Conformado incremental de dos puntos (TPIF), (b) TPIF con el apoyo cinemático

(Dyna-die)

En el proceso SPIF (figura 2), el espesor de la piezas fabricadas se evalúa con la fórmula h=h0 sen [(/2)-], que se utiliza generalmente para el proceso de conformado por cizalla. El cálculo teórico muestra que el espesor de pared vertical es cero. Por lo tanto, mediante el proceso SPIF sólo se puede deformar el ángulo de la pared a menos de 90 grados. Este proceso es muy difícil de aplicar en piezas con diferentes paredes. Debido a que el espesor de la parte deformada se calcula de manera uniforme por la fórmula anterior y el espesor de la pieza antes de deformar es constante.


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Figura 2. Conformado incremental de un punto

Algunos investigadores han centrado sus trabajos en la precisión geométrica de la parte deformada y la calidad superficial en el proceso SPIF, concluyendo que la precisión geométrica parece ser más baja que la de los procesos de conformado convencionales. La calidad superficial está influenciada principalmente por los parámetros de procesamiento, tales como paso de profundidad y velocidad de avance. Estos parámetros tienen una estrecha relación con la viabilidad del proceso SPIF en aplicaciones industriales. Las limitaciones anteriores se han resuelto para que el proceso se convierta en un potencial para aplicaciones industriales. Las investigaciones al respecto proponen una estrategia de conformado en varias etapas para superar la limitación del ángulo de pared. Se utilizan algoritmos compensatorios en tecnologías de programación CNC para superar la limitación de la precisión geométrica y se puede superar esta limitación con la aplicación de un algoritmo iterativo de corrección de la trayectoria de la herramienta basado en el error geométrico. Además, utilizando un soporte de placa se reduce el efecto de recuperación elástica (springback) en la pieza conformada.

Ambrogio et al. [3], llevaron a cabo el primer estudio sobre el proceso SPIF en una chapa de magnesio AZ31. Diseñaron una cámara de conformado con un sistema de calentamiento y aislamiento para lograr un control térmico efectivo de la chapa, evitando gradientes térmicos. La investigación se centró en la determinación de los límites de conformabilidad de AZ31, así como las correlaciones entre la conformabilidad y parámetros del proceso mediante el uso de un adecuado diseño de experimentos. En el rango de temperatura de 200-300C, los experimentos se realizaron para evaluar los efectos de diámetro de la herramienta, profundidad de paso y temperatura de conformado. Los resultados mostraron que es posible una mejora de la conformabilidad si se trabaja el magnesio en condiciones de calor. La influencia de la temperatura y la profundidad de paso en la conformabilidad son muy importantes, mientras que la influencia del diámetro de la herramienta es insignificante. La conformabilidad máxima se alcanzó a 250C.

Ji et al. [4] investigaron el proceso SPIF para una chapa de aleación de magnesio AZ31 en un amplio rango de temperaturas (100-250C). Se realizaron ensayos preliminares de estiramiento para evaluar la influencia de la temperatura hasta el límite de conformado en el plano y deformación asimétrica a 20, 50, 100, 150, 200 y 250 C. Los resultados mostraron que la conformabilidad de la chapa AZ31 aumenta a medida que aumenta la temperatura del ISF. Los experimentos ISF y la simulación FEM de este proceso se realizaron mediante un modelo de variaciones de temperatura en


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forma de cono. Los autores sugirieron un concepto de conformado progresivo que les permitió exceder el límite de conformado en la deformación de una probeta en forma de taza circular con un ángulo de inclinación alto.


[1] Le Van Sy. Modeling of single point incremental forming process for metal and polymeric sheet. Tesis doctoral, Universidad de Padova (Italia), 2009, 205 págs.

[2] L. Kwiatkowski, G. Sebastiani, R. Shankar, A. E. Tekkaya, M. Kleiner V. Franzen, "Dyna-Die: Towards Full Kinematic Incremental Forming," in Esaform 08, Lyon, France, 2008, pp. 1163-1166.

[3] L. Filice, G. L. Manco G. Ambrogio, Warm incremental forming of magnesium alloy AZ31, CIRP Annals - Manufacturing Technology, vol. 57, No. 257–260, 2008, 257-260.

[4] J.J.Park Y.H.Ji. Formability of magnesium AZ31 sheet in the incremental forming at warm temperature. Journal of Materials Processing Technology, vol. 210, No. 354–358, 2008, 354-358.


A partir del análisis de familias de patentes realizado basado en las publicadas en los últimos 4 años (2008 a 2011) que aluden a procesos sin matriz o sin molde incluidos dentro de los epígrafes de tratamientos del sector metalmecánico, fundición y máquina-herramienta (ver detalles de la búsqueda en el anexo correspondiente), se puede apreciar que esta tecnología se encuentra todavía en fase de investigación y desarrollo, resultando aún bastante novedosa, con pocas aplicaciones a nivel industrial. Su número es muy bajo, especialmente si comparamos esta tecnología con algunas de las estudiadas en este informe.

En particular, si analizamos las familias de patentes que incluyen los términos mencionados, predominan las procedentes de países asiáticos. Concretamente China es el país más destacado, ya que de este país proceden 20 de las 31 familias de patentes identificadas (lo que supone casi un 65% del total). A cierta distancia con un 16% y un 10 % de las familias de patentes publicadas en el periodo estudiado, se encuentran Corea y Japón respectivamente.




China Corea Japón 2008 7 1 1 2009 7 2 2 2010 5 2 - 2011 1 - -

TOTAL 20 5 3 Fuente: elaboración propia con datos extraídos de Matheo Patent Software (datos disponibles hasta noviembre de 2011)


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Como puede apreciarse la mayor parte de las familias de patentes identificadas, procedentes de los tres países más destacados, han sido publicadas entre 2008 y 2009. A partir de 2010 ha disminuido el número de familias en lo que se refiere a la publicación de patentes relacionadas con el conformado de chapa sin matriz, siendo significativo el hecho de que Japón no haya publicado ninguna desde 2009 y que hasta el momento de cierre del informe en 2011 sólo se haya publicado una procedente de China.

En cuanto a la tipología de los solicitantes de estos tres países, es destacable el hecho de que una gran parte de ellos sean universidades, institutos de investigación y empresas especializadas en transferencia de tecnología y explotación de resultados de investigación. Esto sugiere que todavía se está explorando las posibilidades de esta tecnología innovadora. En cuanto a las empresas destacadas en relación con este tipo de tecnología, atendiendo a aquellas que poseen la mayor parte de familias analizadas, se trata de grandes grupos industriales focalizados en el mercado asiático. Proveedoras de la industria de la automoción, la aeronáutica y la microelectrónica.

Cada vez más los clientes demandan la producción de series cortas de productos personalizados. Además el almacenamiento de moldes es un problema, especialmente en industrias como la del automóvil ya que las piezas son grandes y el ciclo de vida del producto relativamente largo, desarrollándose continuamente nuevos modelos. El conformado de chapa sin matriz es una tecnología eficiente para la producción de piezas únicas o series cortas. Permite la fabricación rápida y directa de piezas de chapa de perfil complicado, bien mediante la técnica de deformación incremental o mediante tecnologías de rapid manufacturing. La utilización de esta tecnología reduce de forma radical los esfuerzos y costes de los utillajes en comparación con los procesos tradicionales de transformación de chapa. Permite la reducción del espesor de chapa de forma local. Y se puede trabajar con o sin herramienta de soporte dependiendo de la complejidad de las piezas y la exactitud dimensional deseada. La herramienta de soporte se puede fabricar a base de materiales de bajo coste (plásticos, madera, por fundición o combinación de ellos).

En el caso particular de España, dada la importancia del sector de la automoción, dentro del sector del metal, las empresas vinculadas al mismo es previsible que se vieran afectadas de algún modo por un posible desarrollo de esta tecnología a nivel global.

4.3.3. Conformado electromagnético (EMF, Electromagnetic Forming)


El proceso de conformado electromagnético (EMF), es uno de los procesos de conformado de alta velocidad más atractivos que ha alcanzado importantes aplicaciones industriales en el conformado de metales. Este proceso se basa en las fuerzas de repulsión generadas por campos magnéticos opuestos en los conductores adyacentes. Un requisito fundamental para este proceso es que la pieza debe ser muy buena conductora de electricidad. La deformación se debe a la interacción de una corriente inducida en la pieza de trabajo con el campo magnético generado por una bobina cercana a ella. Un banco de condensadores cargado se descarga, provocando


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que una corriente variable en el tiempo fluya a través de una bobina que está junto a la pieza de trabajo. Se generan fuerzas de Lorentz por la corriente de descarga, provocando un campo magnético transitorio que induce la corriente de Eddy en la pieza de trabajo. Estas corrientes que fluyen opuestas unas a otras, desarrollan las fuerza necesaria que gobiernan la deformación de la pieza. Se trata de un método de conformado de alta velocidad, dinámico, en el que se alcanzan altas velocidades de deformación (del orden de 103 a 104 s-1). A diferencia de muchos procesos de conformado convencionales, durante el EMF, casi no hay contacto mecánico entre la pieza de trabajo y la herramienta. Por lo tanto, este proceso no tiene ningún tipo de efecto por fricción o contacto con la herramienta. Como la duración del impulso es muy corta, las fuerzas de inercia juegan un papel importante en la deformación plástica de la pieza. Las principales características del montaje EFM se muestran en la figura 1.

Figura 1. Esquema del proceso EMF. [1]

Los principales componentes para un proceso de EMF son los siguientes:

Generador con varios condensadores (banco de condensadores) para almacenar la energía eléctrica. El banco de condensadores suministra dicha energía a la bobina.

Bobina cuya geometría depende del proceso de conformado.

Pieza de trabajo (chapa o tubo) hecha de un material conductor no magnético como el aluminio, latón, plata, etc. En el caso de los malos conductores, es necesario añadir un material conductor (actuadores) entre la pieza y la bobina para conseguir la deformación.

Matriz que le da al material la forma deseada.

Sistema de vacío necesario para llevar a cabo un proceso de EMF. El vacío evita que quede aire atrapado entre la pieza y la matriz y elimina los defectos superficiales.

Los pasos fundamentales del proceso de conformado electromagnético se describen a continuación:

1. La energía se almacena en el banco de condensadores (capacitancia total C0) con un voltaje de carga inicial V0.

2. La descarga de energía en forma de corriente I1(t) fluye a través de una bobina (espiral plana, helicoidal, etc.) con interruptores de alta velocidad (ignitrones).


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3. Un campo magnético transitorio B0 se produce en la bobina debido a la corriente de descarga.

4. Este campo magnético penetra en la pieza de trabajo situado en las cercanías de la bobina.

5. La corriente de Eddy I2(t) se desarrolla en la pieza de trabajo debido al campo magnético transitorio B0 de la bobina.

6. Esta corriente de Eddy limita la penetración del campo magnético B0 de la bobina y crea su propio campo magnético inducido B1 en la dirección opuesta al de B0 en la bobina. El campo magnético inducido B1 no debería difundirse a través del espesor de la pieza de trabajo. La profundidad a través de la cual los efectos de la interacción de los dos campos magnéticos está limitada dentro de la pieza se llama “profundidad de piel,”.

7. Dentro de la profundidad de piel, los campos magnéticos de repulsión B0 y B1 en la pieza de trabajo dan como resultado las fuerzas de Lorentz, F.

8. Estas fuerzas producen una presión magnética ejercida sobre la pieza de trabajo.

9. Si la presión magnética es mayor que el límite elástico de la pieza de trabajo, se lleva a cabo la deformación dinámica de misma.

Normalmente, el proceso de EMF se puede dividir en dos grandes categorías: conformado de componente tubular (pieza con simetría axial) y conformado de chapa metálica plana. Recientemente han surgido nuevas aplicaciones del proceso de conformado electromagnético como la soldadura electromagnética, perforación, unión, compactación de polvo, etc. También se incluyen sistemas híbridos, donde las herramientas de conformado convencionales están equipadas con bobinas en lugares específicos para lograr geometrías complejas utilizando las fuerzas electromagnéticas. En consecuencia, con componentes pre-conformados se pueden obtener formas complejas con sistemas híbridos.

El proceso EMF de componente con simetría axial radial ha sido utilizado ampliamente en diversas aplicaciones industriales. La pieza es un tubo cilíndrico, la presión magnética es producida por un solenoide o bobina helicoidal (figura 2) la cual produce un campo magnético casi uniforme. Este campo magnético uniforme combinado con una pieza con simetría axial, hace el proceso muy apropiado para su aplicación en la industria. Las formas tubulares se pueden obtener por expansión o compresión (figura 2a y 2b, respectivamente). Recientemente se ha desarrollado otra aplicación para la soldadura de tubos de materiales disimilares.

(a) (b)

Figura 2. Ejemplos de conformado de tubo utilizando EMF

En el proceso de conformado de chapa metálica (figura 3) la pieza es una lámina plana. En el caso más simple, la presión es producida por una bobina enrollada en


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forma de espiral plana que se coloca debajo de la chapa metálica. La forma final de la pieza se obtiene generalmente por una matriz. Pero en el caso de procesos con libertad de relieve, no es necesaria la matriz para dar la forma.

Figura 3. Ejemplo de operaciones de conformado electromagnético de chapa metálica.

En los sistemas híbridos, la operación de conformado convencional se complementa con los efectos electromagnéticos. En estampación, por ejemplo, se instalan una o más bobinas en el interior del punzón en regiones localizadas, como el radio de la punta (figura 4). Mientras que el golpe pre-deforma la chapa, el campo magnético de la bobina de descarga permite formar las características de radio de acuerdo y perfiles en la matriz para obtener geometrías complejas. Este proceso puede ser utilizado para darle la forma final a piezas de chapa plana o para afinar las características de las piezas pre-deformadas.

Figura 4. Ejemplo de un sistema de conformado electromagnético híbrido.

El proceso de EMF tiene varias ventajas que lo convierten en una alternativa a los procesos convencionales de conformado. Es una de las técnicas más adecuadas de deformación plástica entre los procesos de conformado de alta velocidad. La principal ventaja del EMF es su capacidad de control y repetición, mientras que el equipo de proceso requerido es relativamente simple. Las principales ventajas del EMF son las siguientes:

Alta productividad, ya que el tiempo promedio de operación es de unos 100-300 s.

Bajo coste de procesamiento, centrándose en bajos volúmenes de producción a través de la minimización de los costes de inversión y una mayor flexibilidad de fabricación.

Aumento significativo en la conformabilidad. Trabajando con altas velocidades de deformación se puede estirar la chapa sin romperse, fenómeno denominado como hiperplasticidad.


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Permite tolerancias dimensionales muy ajustadas, porque el proceso EMF puede minimizar o incluso eliminar cualquier recuperación elástica (springback).

Supresión de arrugas. A medida que se realiza el proceso de conformado a gran velocidad, el cambio en la dirección de la tensión de compresión causa la inhibición de las arrugas.

Tecnología de procesamiento muy flexible. El mismo circuito puede ser utilizado para el conformado de piezas de diferentes configuraciones.

Dado que casi no hay contacto mecánico (en comparación con un golpe en el proceso de formación convencional), se puede establecer el acabado superficial incluso antes de la operación de conformado electromagnético, existiendo menor deterioro superficial debido que no hay contacto en el proceso de conformado.

Coste de la matriz más reducido, ya que sólo es necesario una cara del molde.

Eliminación de las distorsiones por calor, que se experimentan con frecuencia en los procesos convencionales de conformado asociado con la soldadura y perforaciones, ya que la deformación de la pieza de trabajo se lleva a cabo a temperatura ambiente y la temperatura esperada aumenta en un tiempo de procesamiento muy corto. En consecuencia, se simplifica la manipulación de la pieza final.

Utilización del proceso EMF para combinar operaciones de conformado y unión para ensamblajes con simetría axial. El uso de las fuerzas de inercia de los componentes de productos semielaborados que son aceleradas a una velocidad importante durante los procesos de deformación, permite que se realicen varias operaciones de conformado de forma simultánea.

También existen algunas limitaciones e inconvenientes en el proceso de EMF. Dichas limitaciones se detallan a continuación:

Se pueden conformar fácilmente materiales con baja resistividad, como el cobre, aluminio, aceros bajos en carbono, etc. Si se emplean materiales de alta resistividad, el coste del proceso puede ser relativamente alto.

La velocidad de deformación se puede considerar como una limitación del proceso debido a que se necesitan mayores precauciones y requerimientos de seguridad.

Debido a la alta intensidad de corriente y tensión debe existir un nivel de seguridad alto. Es necesario implementar precauciones especiales de seguridad antes de la industrialización del proceso.

En la práctica, sus aplicaciones están más bien restringidas a formas simples (tubos y láminas planas). Es un proceso conveniente para chapas metálicas con espesores pequeños.

La tecnología en su estado actual no permite que se aplique a chapas de grandes dimensiones, sobre todo por el diseño de las bobinas de inducción y la necesidad de más energía, que se traducen en grandes bancos de condensadores y una mayor inversión inicial.


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Antes de implementar la automatización, el equipamiento necesario para la realización de este proceso es todavía muy costoso y de gran tamaño.

Sólo se pueden deformar directamente materiales que sean buenos conductores de la electricidad. Para materiales no conductores, es necesario la realización de una pieza intermedia.

El trabajo experimental realizado por Song et al. [2] se centró en la influencia de la variación de la posición axial relativa de la bobina y la pieza de trabajo en la distribución de la fuerza magnética transitoria. Estos experimentos se realizaron con tubos de aluminio y con un sistema EMF de 14 kJ. Se observó que se pueden obtener una variedad de formas del tubo mediante el ajuste de la posición relativa de la bobina y la pieza de trabajo. Esto se atribuyó a la distribución variable de la fuerza electromagnética desarrollada. También se estudió el efecto de los parámetros de la bobina como la relación altura/diámetro, número de espiras de la bobina y la geometría de la sección transversal. Se encontró que la intensidad del campo magnético en el espacio entre la pieza y la bobina es proporcional a la inductancia magnética desarrollada entre la bobina y la pieza de trabajo. Por todo ello como la distribución de la fuerza magnética transitoria se puede ajustar cambiando la distancia relativa y la posición axial de la pieza. Se puede fabricar formas diferentes mediante la alteración de la posición axial de la pieza de trabajo debido a los efectos de la distribución de la fuerza magnética.

Takatsu et al. [3] investigó el conformado electromagnético sin abultamiento de discos de aluminio planos. La bobina utilizada fue de una sola capa, bobina de 5 espirales hecha de cobre. El diámetro de la bobina afectiva fue de 80 mm. La pieza de trabajo utilizada para los experimentos se compuso de una aleación de aluminio recocido JIS A1050 de 110 mm de diámetro con un espesor de 0.5 mm. Se utilizó para los experimentos un banco de condensadores de 40 F cargado con 6.0 kV de alimentación. Se observó que la deformación comenzó a partir de aproximadamente 19 s después de la primera descarga, lo que corresponde al primer pico positivo de la corriente de descarga. La deformación se inició a una distancia de unos 20 mm desde el centro del disco en la parte anular. Para obtener una deformación completa se necesitó un tiempo de unos 250 s. La deformación de la pieza de trabajo se inició en el punto donde la presión magnética tiene un valor máximo. Este punto se encontraba a unos pocos milímetros (aproximadamente 22 mm) de distancia del centro de la pieza.


[1] Muhammad Ali Siddiqui. Numerical Modelling and Simulation of Electromagnetic Forming Process. Tesis doctoral de École Doctorale Mathématiques, Sciences de l’Information et de l’Ingénieur, Université de Strasbourg, 2009, 214 págs.

[2] Song F.M., Zhang X., Wang Z.R., Yu L.Z., A study of tube electromagnetic forming, Journal of Materials Processing Technology, Vol. 151, 2004, 372-375.

[3] Takatsu N., Kato M., Sato K., Tobe T. High speed forming of metal sheets by electromagnetic forces. International Journal of Japanese Society for Mechanical Engineering, Vol. 60, 142-148, 1980.

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