A medida que los ingenieros desarrollan diseños que amplían los límites de lo posible, buscan nuevos materiales, o adaptaciones de materiales existentes, capaces de soportar entornos cada vez más extremos.
Muchos diseños nuevos requieren materiales capaces de resistir temperaturas extremas durante largos periodos de tiempo, como los sellos y cojinetes utilizados en hornos, cohetes y turbinas, donde las temperaturas pueden superar los 1000 °F.
Estas temperaturas pueden afectar gravemente a la mayoría de los materiales tradicionales, lo que hace que su sustitución sea costosa o que su uso resulte riesgoso.
Incluso un material resistente como el carbón grafito puede degradarse cuando se expone a calor extremo. La causa es la oxidación, una reacción que puede representarse de la siguiente manera:
C +O₂ + Calor =CO₂
La oxidación se produce a temperaturas de 650 °F o superiores, y puede causar daños catastróficos a los materiales y, por lo tanto, a cualquier sistema que los utilice.
El calor actúa como catalizador energético necesario para que ocurra la reacción de oxidación. A medida que esta reacción avanza, los átomos de carbono de la matriz de carbón grafito reaccionan con las moléculas de oxígeno, lo que provoca que el material pierda masa.
Con el tiempo, esta pérdida de peso cuantificable da lugar al deterioro de propiedades físicas como la resistencia y la durabilidad. El grafito es un material útil para muchas aplicaciones a altas temperaturas, ya que resiste el desgaste a lo largo del tiempo a altas temperaturas mucho mejor que otros materiales.
Por ello, aplicaciones críticas para la vida, como las válvulas mecánicas resistentes al fuego, dependen de la grafita. En aplicaciones como esta, las pruebas exhaustivas ayudan a prevenir fallos y garantizan que los materiales utilizados a estas altas temperaturas eviten la oxidación y la degradación de sus propiedades.
Al realizar ensayos de oxidación, los ingenieros suelen utilizar una pérdida de peso del 5 % como punto de referencia para determinar cuándo la oxidación ha reducido las propiedades del carbono por debajo de las especificaciones mínimas requeridas para un material duradero.
Dependiendo del grado de material, la temperatura y la cantidad de oxígeno presente en la aplicación, una pieza puede no llegar nunca a este punto, o puede alcanzarlo en cuestión de años o incluso de horas.
MENOS EXPOSICIÓN DEL CARBÓN GRAFITO, MENOS OXIDACIÓN
El principal método utilizado para combatir la oxidación consiste en reducir el número de sitios activos donde los átomos de carbono pueden reaccionar con el oxígeno.
Aumentar la cantidad de grafito y reducir la cantidad de carbono mediante grafitización mejora significativamente la resistencia a la oxidación del material. Esto resulta especialmente importante en aplicaciones donde los materiales se enfrentan a calor intenso, como cojinetes de transportadores en hornos industriales o válvulas de purga de aire en motores de avión.
En un componente típico de carbón grafito, los granos de grafito están encerrados dentro de una matriz carbonosa. Los granos de grafito tienen una estructura en capas con relativamente pocos sitios activos disponibles para que se produzca la oxidación.
El carbono que rodea estos granos, en cambio, tiene una estructura amorfa menos ordenada y presenta muchos más sitios activos expuestos al oxígeno.
Durante la grafitización, el carbono se convierte en grafito mediante un proceso especial que aplica calor extremo de forma prolongada, hasta superar los 4000 °F.
Las figuras siguientes muestran cómo la grafitización de una pieza puede reducir la cantidad de carbono expuesto al oxígeno y disminuir la velocidad de oxidación a altas temperaturas:
Representación visual del carbono y el grafito a nivel microscópico: Los sitios activos de la matriz de carbono son atacados porel O₂ a temperaturas de 650 °F o superiores.
Representación visual del grafito a nivel microscópico: el grafito tiene menos sitios activos en los que el oxígeno pueda «arrancar» átomos de carbono y, por lo tanto, la velocidad de oxidación se reduce considerablemente.
MARGEN DE MEJORA: CONTRARRESTAR LA POROSIDAD MEDIANTE LA IMPREGNACIÓN
Aunque la grafitización tiene efectos considerables a la hora de mejorar la resistencia a la oxidación, las tasas de oxidación pueden reducirse aún másimpregnando la porosidad del grafito con un inhibidor de la oxidación. El inhibidor de la oxidación se une químicamente a los sitios activos de la matriz de grafito y actúa como barrera entre los átomos de carbono y de oxígeno.
Cuando se impregna con un inhibidor de oxidación, el grafito muestra una resistencia a la oxidación notablemente mejorada, hasta el punto de que el material puede soportar picos de temperatura de hasta 1000 °F y superiores. Procesos como la impregnación al vacío a presión con material fundido pueden, en última instancia, aportar una serie de ventajas generales al material, entre las que se incluyen una mayor resistencia y rigidez, mejores propiedades térmicas, una mayor capacidad de conducción de corriente y una mejor lubricidad. Estas propiedades son cruciales para las juntas y los cojinetes de hornos, motores y turbinas, donde hay gases calientes a alta presión.
Además, el hecho de que el grafito conserve sus propiedades autolubricantes a estas temperaturas extremas lo convierte en un material único. En aplicaciones a alta temperatura en las que se produce cualquier tipo de «roce», ningún otro material supera al carbón grafito.
Representación visual de grafito impregnado con inhibidor de oxidación a nivel microscópico: la conversión del carbono en grafito mediante la grafitización proporciona una resistencia óptima a la oxidación.
La investigación y el desarrollo de la resistencia a la oxidación del carbón grafitohan mejorado profundamente el material del que disponen numerosas industrias innovadoras. La capacidad de superar las limitaciones anteriores ha acelerado el rápido desarrollo de la industria del grafito de carbono en los últimos años, lo que a su vez ha impulsado a otras industrias que dependen de materiales resistentes en entornos extremos. El nuevo material de grafito, más resistente y duradero, ha permitido a los ingenieros superar los límites y las restricciones que antes obstaculizaban los avances. En la industria aeroespacial, la capacidad de potenciar al máximo las prestaciones extremas del grafito ha demostrado que aumenta la vida útil de las aeronaves, mejora la eficiencia en el consumo de combustible, reduce el peso total y amplía los límites de temperatura.
Con el continuo avance de estos materiales, otras industrias que impulsan la producción pueden beneficiarse de nuevas aplicaciones e innovaciones que utilizan estos materiales fiables en condiciones extremas. Los materiales marcan la diferencia cuando están en juego procesos avanzados. Metcar pone especial cuidado en producir materiales de alto rendimiento que den servicio a las industrias que se benefician de soluciones especializadas y personalizadas.
