Método de Vologdin: endurecimiento por alta frecuencia de los componentes de los tanques.
De 30 horas a 27–37 segundos
Cuando Valentin Petrovich Vologdin colocó un muñón del cigüeñal de un automóvil dentro de una bobina de inducción y le hizo pasar una corriente de alta frecuencia, lo que sucedió asombró incluso a los escépticos. El metal brilló con un rojo intenso en cuestión de segundos, no de forma gradual ni uniforme, sino solo en la superficie. Tras enfriarse instantáneamente con agua, el muñón del cigüeñal quedó recubierto con una capa dura capaz de resistir la abrasión, los impactos y la fatiga, mientras que el interior de la pieza permaneció dúctil y flexible.
Científicos e ingenieros se encontraron con un resultado que la metalurgia tradicional no podía reproducir en un tiempo razonable: lo que antes requería un día y medio de calentamiento continuo en hornos especiales con atmósfera controlada se lograba en un instante. Esto ocurrió a mediados de la década de 1930 en el Instituto Electrotécnico de Leningrado, y fue a partir de ese momento que la historia una tecnología que, pocos años después, se convertiría en una de las bazas secretas de la industria de defensa soviética durante la Gran Guerra Patria.
No existen fotografías de archivo disponibles públicamente del proceso de endurecimiento por inducción de alta frecuencia de los componentes de los tanques durante la Gran Guerra Patria, por lo que bastarán las ilustraciones modernas. La foto muestra el proceso de endurecimiento por inducción de un anillo de engranaje.
Valentin Petrovich Vologdin nació el 22 de marzo de 1881 en un asentamiento obrero cerca de la planta metalúrgica de Perm, en el seno de la familia de un superintendente de mina. Desde niño, se le inculcó una pasión por el trabajo y el conocimiento, disciplina que conservó a lo largo de su vida. Vologdin recordaba con gratitud sus años de estudio en la Real Escuela de Perm, donde se graduó en 1900. Posteriormente, se trasladó a San Petersburgo, donde ya residían sus hermanos mayores. Fue allí, en el Instituto Tecnológico, donde su pasión por la ingeniería eléctrica se convirtió gradualmente en una verdadera vocación, especialmente tras descubrir la obra de Alexander Popov.
Para él, sus años de estudiante no solo fueron una época de estudio, sino también de intensa vida social. Debido a su activismo político, Vologdin fue perseguido, exiliado y encarcelado repetidamente, por lo que solo pudo completar su educación en 1907. Para entonces, ya no era solo un graduado, sino un hombre con experiencia en ingeniería: viviendo con su hermano Sergei, que trabajaba en la Fábrica Franco-Rusa, se adentró en el mundo de la ingeniería práctica desde muy joven. Después de graduarse, Vologdin dirigió la estación de pruebas de máquinas eléctricas y pronto creó los primeros generadores de radio potentes en Rusia, capaces de reemplazar costosos equipos extranjeros. Sus diseños sirvieron la flotay más tarde encontró aplicación en aviaciónDurante la Primera Guerra Mundial, creó un generador para el famoso Ilya Muromets.
Valentín Petrovich Vologdin
Tras la revolución, el país, devastado por la Guerra Civil, era plenamente consciente de la falta de recursos científicos y técnicos propios. En 1918, Vologdin fue invitado al Laboratorio de Radio de Nizhny Novgorod, uno de los principales centros de la incipiente tecnología radiofónica soviética. Allí, trabajando junto a científicos eminentes, contribuyó a la creación de nuevos equipos sin los cuales el desarrollo de las comunicaciones era inimaginable. En poco tiempo, Vologdin diseñó un potente motor eléctrico para la estación de radio de Khodynka, que proporcionaba comunicaciones de larga distancia entre la Rusia soviética, Europa y América. Otro logro igualmente significativo fueron los rectificadores de mercurio que desarrolló, que se convirtieron en la principal fuente de energía para las estaciones de radio del país.
Pero sus intereses no terminaron ahí. Cuando la tecnología de las comunicaciones avanzó y los generadores de tubos de vacío reemplazaron a los generadores mecánicos, Vologdin vislumbró una nueva aplicación para la alta frecuencia: la metalurgia. Su laboratorio fue uno de los primeros en utilizar corrientes de alta frecuencia para fundir metales y, posteriormente, para endurecerlos. Así nació un nuevo campo de la ingeniería: el endurecimiento superficial de componentes.
En la década de 1930, estos métodos se desarrollaron ampliamente. Se descubrieron métodos para endurecer rieles, ejes y componentes metálicos complejos, lo que tuvo una enorme importancia industrial. Gradualmente, la tecnología de calentamiento por inducción se incorporó a la ingeniería mecánica, la producción de automóviles y tractores, y la fabricación de máquinas herramienta.
El endurecimiento por alta frecuencia, desarrollado por Valentin Petrovich Vologdin, surgió de un sutil fenómeno físico conocido en los libros de texto como efecto piel. La corriente alterna de alta frecuencia se distribuye de forma desigual en un metal: no llena toda la sección transversal del conductor, sino que se concentra en su superficie. Cuanto mayor es la frecuencia, más delgada es esta capa. Lo que para un físico era una ley, Vologdin logró transformarlo en una herramienta industrial precisa y potente.
Al hacer pasar una corriente de alta frecuencia a través de un inductor que rodeaba una pieza de acero, se generaban corrientes parásitas en la capa superficial del metal. Estas corrientes calentaban la superficie en cuestión de instantes hasta la temperatura de austenización, aproximadamente entre 880 y 1050 grados Celsius. Mientras que un horno convencional requería un proceso de calentamiento prolongado y lento, el sistema de alta frecuencia funcionaba casi instantáneamente. La profundidad de calentamiento se controlaba mediante la frecuencia: a mayor frecuencia, menor era el espesor de la capa. Esto proporcionaba al ingeniero una precisión casi quirúrgica: la profundidad de endurecimiento podía predeterminarse.
Luego llegó el segundo momento, no menos importante: el calentamiento cesó y la superficie al rojo vivo se enfrió instantáneamente con agua. Fue durante este breve lapso que la estructura interna del metal cambió. Se formó martensita, una estructura dura y tensada que le otorgó a la pieza una alta resistencia al desgaste. Solo la capa exterior se endureció, mientras que el núcleo conservó su ductilidad y capacidad para resistir impactos.
En 1936, Vologdin obtuvo una patente para un dispositivo de endurecimiento de cigüeñales mediante corrientes de alta frecuencia. Le siguieron nuevas soluciones para piezas largas, con orificios, formas complejas y ángulos agudos. El método pasó rápidamente del laboratorio al taller, revelando su principal ventaja: el endurecimiento por alta frecuencia eliminó la necesidad de utilizar costosos aceros al cromo-níquel y al cromo-molibdeno. Mientras que el antiguo método de tratamiento térmico requería aleaciones complejas y escasas, el nuevo método permitió trabajar con acero al carbono común.
En la primavera de 1936, el método recibió apoyo oficial: una orden del Comisariado del Pueblo de la Industria Pesada dispuso su implementación en las principales empresas. Se estableció un taller especializado en la planta Kirov de Leningrado, y pronto el endurecimiento por alta frecuencia se extendió a decenas de fábricas de defensa y maquinaria. Pero la verdadera importancia histórica de esta tecnología se reveló durante la guerra.
Usuarios de Twitter en Tankograd
Cuando comenzó el asedio de Leningrado, el laboratorio de Vologdin, junto con su equipo, fue evacuado a la región de los Urales, a Cheliábinsk, a la planta Ural Kirov, el corazón de la futura Tankograd. Allí, en medio del estruendo de la producción militar, la tecnología de alta frecuencia recibió su prueba más rigurosa y contundente. Para 1942, el taller de endurecimiento por alta frecuencia ya estaba en funcionamiento. Jóvenes trabajadores, muchos de los cuales apenas habían terminado sus estudios, aprendieron su nuevo oficio entre equipos que se parecían más a estaciones de radio que a las familiares unidades metalúrgicas.
El endurecimiento por alta frecuencia redujo drásticamente el tiempo de procesamiento de las piezas, disminuyó el consumo de energía, evitó el exceso de combustible en la producción y, lo que es más importante, permitió sustituir los escasos aceros aleados por aceros al carbono estándar. Un ejemplo particularmente revelador fue el de la camisa del cilindro: su tiempo de procesamiento se redujo de treinta horas a treinta y siete segundos.
Para Tankograd, que produjo cientos de vehículos pesados y medianos, esta tecnología fue invaluable. No solo fue útil para la producción de tanques: el método se extendió rápidamente a la aviación, la fabricación de automóviles, artilleríaEn la construcción naval, se endurecían ejes, engranajes, superficies de apoyo, cañones, bloques de cierre: todo lo que debía soportar fricción, cargas, impactos y el paso del tiempo. Para 1943, más de cien empresas en todo el país dominaban el endurecimiento por alta frecuencia.
Un artículo de la revista "Tecnología para la Juventud" de 1943:
Estos jóvenes trabajadores tienen una especialidad que aún no figura en ninguna lista profesional: "ingenieros de alta frecuencia". Parece que estamos en una estación de radio, no en un taller. Los mismos tubos, bobinas, condensadores y rectificadores (rectificadores de gas) brillan con un resplandor azulado por el mercurio. Todos estos dispositivos nos resultan familiares de los receptores de radio, solo que aquí son mucho más grandes y están diseñados para fines diferentes. Un tubo de radio típico mide entre 10 y 12 centímetros de largo. Los tubos de 100 kilovatios, de los cuales hay tres, miden más de un metro. Al funcionar, un tubo de este tipo genera tanto calor que se derretiría inmediatamente si no se enfriara con agua corriente. Entre 60 y 80 litros de agua lavan cada tubo por minuto, eliminando el exceso de calor. Ante nosotros está el panel de control: botones, volantes, lámparas de señalización, instrumentos de medición. No nos detendremos en los controles del generador en detalle. Es un asunto relativamente complejo. Digamos que, pulsando botones uno tras otro, encendemos y apagamos una instalación de alta frecuencia con una potencia casi idéntica a la de las emisoras de radio más grandes del mundo. Además de esta instalación principal, el taller de alta frecuencia cuenta con otra más pequeña de 60 kilovatios.
Hemos recorrido el taller y sus instalaciones. Pero, ¿quién creó y dominó esta tecnología de vanguardia? ¿Quién manejaba los paneles de control y las palancas de las máquinas? Esta joven rama de la ciencia —la ingeniería electrotérmica de alta frecuencia— fue creada principalmente por jóvenes. Las operadoras de paneles de control Vostryakova, Timofeeva y Anufrieva; los electricistas Zolotnitsky, Zhak y Kulikov; los montadores y electricistas Leontyev, Dubyata, Mishchenko y Shabra, todos llegaron al taller directamente después de graduarse y han crecido y madurado junto con él. Sus nombres encabezan la lista de trabajadores con una especialidad aún no incluida en ninguna clasificación profesional. Son ingenieros de alta frecuencia. El joven equipo del taller de alta frecuencia se esfuerza con confianza por resolver los nuevos desafíos que plantea la producción.
La metalurgia ofrece muchos métodos diferentes para producir superficies duras en piezas de maquinaria, pero el endurecimiento por alta frecuencia los supera a todos. Su tiempo de calentamiento es tan corto y la capa superficial que se endurece es tan delgada que la pieza no se deforma ni se tuerce, y su superficie permanece limpia, sin rastro de cascarilla. Esto significa que las piezas se pueden dimensionar con precisión de antemano. El rechazo se reduce drásticamente y se elimina la necesidad de una gran cantidad de máquinas, herramientas y mano de obra especializadas dedicadas al acabado final. Esto es lo que gana la planta al convertir una pieza del endurecimiento superficial al endurecimiento por alta frecuencia. Anteriormente, la pieza se fabricaba con acero al cromo-níquel, un material escaso. Ahora han cambiado a acero al carbono simple. Esto ahorra más de 4000 kilogramos de acero por máquina. La productividad de los hornos de fabricación de acero que producen acero para esta pieza ha aumentado un 50 %. Anteriormente, el procesamiento de una pieza consumía 57 kilovatios-hora de electricidad; ahora, solo son 2,3 kilovatios-hora. Esto representa un ahorro energético de 14 veces. Cada máquina consume 100 kilogramos menos de fueloil, y el ahorro anual solo en este aspecto asciende a 4 millones de rublos. El ciclo de producción para procesar otra pieza —una camisa de cilindro— antes duraba 30 horas; ahora es de 37 segundos. ¡Una reducción de 12 600 veces!
Hemos recorrido el taller y sus instalaciones. Pero, ¿quién creó y dominó esta tecnología de vanguardia? ¿Quién manejaba los paneles de control y las palancas de las máquinas? Esta joven rama de la ciencia —la ingeniería electrotérmica de alta frecuencia— fue creada principalmente por jóvenes. Las operadoras de paneles de control Vostryakova, Timofeeva y Anufrieva; los electricistas Zolotnitsky, Zhak y Kulikov; los montadores y electricistas Leontyev, Dubyata, Mishchenko y Shabra, todos llegaron al taller directamente después de graduarse y han crecido y madurado junto con él. Sus nombres encabezan la lista de trabajadores con una especialidad aún no incluida en ninguna clasificación profesional. Son ingenieros de alta frecuencia. El joven equipo del taller de alta frecuencia se esfuerza con confianza por resolver los nuevos desafíos que plantea la producción.
La metalurgia ofrece muchos métodos diferentes para producir superficies duras en piezas de maquinaria, pero el endurecimiento por alta frecuencia los supera a todos. Su tiempo de calentamiento es tan corto y la capa superficial que se endurece es tan delgada que la pieza no se deforma ni se tuerce, y su superficie permanece limpia, sin rastro de cascarilla. Esto significa que las piezas se pueden dimensionar con precisión de antemano. El rechazo se reduce drásticamente y se elimina la necesidad de una gran cantidad de máquinas, herramientas y mano de obra especializadas dedicadas al acabado final. Esto es lo que gana la planta al convertir una pieza del endurecimiento superficial al endurecimiento por alta frecuencia. Anteriormente, la pieza se fabricaba con acero al cromo-níquel, un material escaso. Ahora han cambiado a acero al carbono simple. Esto ahorra más de 4000 kilogramos de acero por máquina. La productividad de los hornos de fabricación de acero que producen acero para esta pieza ha aumentado un 50 %. Anteriormente, el procesamiento de una pieza consumía 57 kilovatios-hora de electricidad; ahora, solo son 2,3 kilovatios-hora. Esto representa un ahorro energético de 14 veces. Cada máquina consume 100 kilogramos menos de fueloil, y el ahorro anual solo en este aspecto asciende a 4 millones de rublos. El ciclo de producción para procesar otra pieza —una camisa de cilindro— antes duraba 30 horas; ahora es de 37 segundos. ¡Una reducción de 12 600 veces!
Ensamblaje de motores de tanques V-2 en la planta n.° 76 en Svedlovsk.
El endurecimiento por alta frecuencia se aplicó por primera vez a los cigüeñales de los motores diésel V-2, el corazón del T-34, el KV y muchos otros vehículos de combate. Los árboles de levas siguieron el mismo camino. Las levas, sometidas constantemente a altas cargas de contacto, requerían una superficie especialmente resistente. El endurecimiento por alta frecuencia permitió endurecer únicamente la capa de trabajo sin sobrecalentar todo el componente. Los taqués de válvula, componentes pequeños pero cruciales cuya fiabilidad determinaba el funcionamiento de todo el mecanismo, se trataron de forma similar.
Este método tuvo un efecto particularmente notable en la producción de cajas de engranajes. Los engranajes estaban sometidos a enormes esfuerzos de contacto y, anteriormente, para garantizar la durabilidad requerida, se sometían a largos procesos de cementación que duraban muchas horas, a veces incluso un día. El mismo principio se utilizaba para reforzar los ejes y las juntas estriadas de las cajas de engranajes, donde el desgaste y la deformación podían provocar rápidamente fallos en la máquina.
El método de endurecimiento de Vologdin se aplicó a ejes, superficies de apoyo y diversas uniones que debían soportar cargas variables repetidas.
El endurecimiento por alta frecuencia incluso encontró su lugar en el procesamiento de blindajes. No se aplicó a las placas principales, que continuaron procesándose con métodos tradicionales, sino que se utilizó para el refuerzo localizado de remaches, sujetadores, guías y otros componentes auxiliares. Cuando se requería una resistencia precisa en lugar de una resistencia masiva, el método de Vologdin demostró ser particularmente útil.
No sorprende que el endurecimiento por alta frecuencia se extendiera rápidamente más allá de las fábricas individuales. Más de cien empresas en todo el país lo adoptaron. Se utilizó en fábricas de motores y tanques en Cheliábinsk, Ufá y otros centros industriales, y en la producción de tanques T-34, KV e IS, así como de unidades de artillería autopropulsada.
Resulta interesante comparar los métodos de procesamiento de componentes mecánicos y piezas de equipo militar empleados por las escuelas de ingeniería soviéticas y alemanas. Los alemanes contaban con un nivel excepcionalmente alto de tratamiento térmico, basado en una cultura de precisión, una inspección metalográfica meticulosa y aceros aleados de calidad superior. Los motores y transmisiones de los tanques alemanes utilizaban ampliamente la carburación y la nitruración, métodos que producían una capa superficial muy dura. La carburación requería un calentamiento prolongado en un ambiente con carbono, mientras que la nitruración exigía un tratamiento aún más prolongado en una atmósfera de amoníaco. Ambos procesos ofrecían excelentes resultados en dureza y resistencia al desgaste, pero eran lentos, costosos y dependían en gran medida del uso de aceros aleados de alta calidad que contenían cromo, níquel, molibdeno y otros elementos escasos.
Este sistema era adecuado para las condiciones de producción controlada. Sin embargo, la guerra impuso exigencias diferentes. En este sentido, el método soviético de Vologdin tenía una clara ventaja. Si bien era inferior a los mejores tratamientos térmicos alemanes en dureza absoluta, era superior en términos de tiempo, rentabilidad, simplicidad e idoneidad para la producción en masa.
Tras la Gran Guerra Patria, el método de endurecimiento por alta frecuencia de Vologdin siguió utilizándose en la producción de nuevas generaciones de tanques soviéticos. Durante el desarrollo y la producción del tanque medio T-44, que entró en producción a finales de la década de 1940, y su sucesor, el T-54, que entró en producción a gran escala en 1946, los métodos de Vologdin se extendieron a todos los componentes de la transmisión y del motor.
La aplicación del método de Vologdin a los tanques soviéticos del período de posguerra aumentó significativamente la fiabilidad y la vida útil de los vehículos de combate, lo que facilitó su producción en masa y su amplio despliegue en los ejércitos de muchos países de todo el mundo.
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