Download - 05 Procesos Obtencion Productos
Alternativas de Obtención de
Productos
Materiales Metálicos Materiales Cerámicos Materiales PoliméricosMateriales Compuestos
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Materias PrimasMaterias Primas
FusiónFusiónCastingCasting
Gravedad - Presión
MoldeoMoldeoPolímeros VidrioTermoformado,
sopladoinyección ...
DeformaciónDeformaciónLaminación, forja, extrusión, estirado,
trefilación...
PolvosPolvos´Presión + sinterización,
con T, Hot Isostatic Presssing.
EspecialesEspecialesChemical Vapor Depositation, laminado de compuestos,
electroformado
Remoción de MaterialRemoción de Material
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Remoción de MaterialRemoción de MaterialFresado, torneado, cepillado, rectificado, pulido, etc
Tratamiento TérmicoTratamiento TérmicoTemple, Recocido, alivio de tensiones, envejecimiento...
Unión de MaterialesUnión de MaterialesRemachado, soldadura fuerte, blanda, con fusión,
adhesivos-pegamentos, por disolución
TerminaciónTerminaciónDecapado, anodizado, pulido, recubrimientos (zincado,
estañado), pinturas, granallado...
ProductosForja, Investment Casting, Inyección, Metal Inyection Molding, Estampado.
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PROCESOS de MANUFACTURAMATERIALES METÁLICOS•• PROCESOS MECANICOS: PROCESOS MECANICOS: Involucran aplicación de esfuerzos•• PROCESOS METALURGICOS: PROCESOS METALURGICOS: Involucran aplicación de temperaturas
MATERIALES POLIMÉRICOS•• TERMOPLÁSTICOS: Mediante REFUSIÓN. Posterior se efectúa la TERMOPLÁSTICOS: Mediante REFUSIÓN. Posterior se efectúa la
solidificación en moldes (inyección), en matrices continuas (Extrusión), en solidificación en moldes (inyección), en matrices continuas (Extrusión), en sistemas rotativos (moldeo rotacional=rotomoldeo)… A pesar de que sistemas rotativos (moldeo rotacional=rotomoldeo)… A pesar de que algunos polímeros termoplásticos si son deformables plásticamente no se algunos polímeros termoplásticos si son deformables plásticamente no se emplea como método de fabricación emplea como método de fabricación
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emplea como método de fabricación emplea como método de fabricación •• TERMOESTABLES: Solidificación por reacciones químicas de TERMOESTABLES: Solidificación por reacciones químicas de
entrecruzamiento de cadenas en fenómeno irreversible. No deformables entrecruzamiento de cadenas en fenómeno irreversible. No deformables plásticamente en estado sólido.plásticamente en estado sólido.
MATERIALES CERÁMICOS y VIDRIOS•• Debido a las elevadas temperaturas de fusión estos materiales no emplean Debido a las elevadas temperaturas de fusión estos materiales no emplean
las técnicas de fabricación vía fusión. Solo en casos de mezclas de óxidos, las técnicas de fabricación vía fusión. Solo en casos de mezclas de óxidos, como el vidrio y refractarios fundidos se emplea la fusión como el vidrio y refractarios fundidos se emplea la fusión -- solidificación solidificación como método de fabricación. En tal caso se llama moldeocomo método de fabricación. En tal caso se llama moldeo
•• Las técnicas de materiales refractarios, cerámicas… incluyen etapas de Las técnicas de materiales refractarios, cerámicas… incluyen etapas de Aglomeración y SINTERIZACIÓN, COCCIÓN en estado sólido como Aglomeración y SINTERIZACIÓN, COCCIÓN en estado sólido como método de aglomeración de productos método de aglomeración de productos
Clasificación esquemática Técnicas de fabricación de materiales metálicos
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Forja/Laminación/Extrusión/Embutido
Arena/Matriz/Cera Perdida/Continua
Pulvimetalurgia/soldadura
Técnicas de fabricación cerámicas y vidrios
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PROCESOS MECANICOS
Conformado por Conformado por deformación plásticadeformación plástica
Conformado por Conformado por corte y Mecanizadocorte y Mecanizado
RupturaAplicadoFluencia σ≤σ≤σRupturaAplicado σ≥σ
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• Forja• Extrusión• Laminación• Trefilado
• Fresado
• Cepillado
• Rectificado
RupturaAplicado
Esta opción es VALIDA para los materiales METÁLICOS, factibles de deformar en estado sólido
Esta opción generalmente se aplica como etapa de ajuste final a la forma del producto: TODOS LOS MATERIALES
PROCESOS METALURGICOS
Por fusión y solidificaciónPor fusión y solidificación
( T > Tf)( T > Tf)• Fundición de piezas• Fundición de lingotes• Soldadura
Por sinterizaciónPor sinterización
( T < Tf )( T < Tf )• Pulvimetalurgia• Materiales compuestos base
metales• Fabricación de componentes
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• Metalizado (thermal spray) • Fabricación de componentes cerámicos y refractarios
La sinterización es la etapa de aglomeración –endurecimiento efectuado a elevadas temperaturas (T>0,7 Tfusión).
Empleado para productos de materiales metálicos (Aceros fundidos, cobre fundido, etc.)
Empleado para Polímeros Termoplásticos, se llama MOLDEO
GRANOS en Materiales?• La gran parte de los materiales
metálicos se fabrican vía estado líquido… hasta temperaturas del orden de 1.700°C.
• En estado líquido se logra la composición deseada, al ser factible la disolución de los elementos aleantes(UNA SOLA FASE!!)
• La solidificación es el primer fenómeno que importa y afecta a las propiedades de los productos obtenidos.
• En los materiales metálicos los átomos
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• En los materiales metálicos los átomos al solidificar se ordenan en configuraciones tridimensionales repetitivas (ESTRUCTURAS) en volúmenes llamados GRANOS
• En general los materiales METÁLICOS están formados de muchos granos… son poligranos… son POLICRISTALINOS cuyo tamaño de grano es una característica relevante para las propiedades de los productos.
• Los materiales cerámicos y refractarios también son POLICRISTALINOS.
Secuencia de solidificación y formación de granos…
a)a) Primeros núcleos formados en el líquidoPrimeros núcleos formados en el líquido
b)b) Etapa de crecimiento de los núcleos, Etapa de crecimiento de los núcleos, cada uno con su orientación.cada uno con su orientación.
c)c) Granos encontrándose con otros en Granos encontrándose con otros en superficies, llamadas bordes de granosuperficies, llamadas bordes de grano
d)d) Vista en corte de un material Vista en corte de un material policristalinopolicristalino, en la cual se destacan los , en la cual se destacan los bordes de granos bordes de granos
Estructura ordenada y desordenada de átomos –esferas vistas en un plano…
Estructura ordenada CRISTALINA y desordenada AMORFA de átomos
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Vista en corte de superficie pulida de un material policristalino… A la izquierda: en este esquema se aprecian granos dentro de los cuales dibujadas líneas que representan planos cristalinosA la derecha, imagen real de material policristalino
Calidad Conformadas Forjadas o (wrought)
Se obtienen inicialmente en la forma de LINGOTES ó COLADA CONTINUA
Los lingotes, al igual que los productos de colada continua, no se usan directamente y DEBEN SEGUIR PROCESOS de DEFORMACIÓN PLASTICA en FRIO o en CALIENTE
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DEFORMACIÓN PLASTICA en FRIO o en CALIENTE
Aquí se eliminan la macro y micro segregación de composición y la porosidad
Los ciclos DEFORMACIÓN PLÁSTICA EN FRÍO – RECOCIDOy/ó DEFORMACIÓN EN CALIENTE generan recristalización y AFINAMIENTO de la estructura.
LAMINACIÓNFORJA
DOBLADO
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TREFILACIÓN EXTRUSIÓN
“Alambres” “Perfiles de Al”EMBUTIDO
PRODUCTOS CONFORMADOS
LáminaBarras
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PerfilesLaminación
Laminación en Frío
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�� Mayores esfuerzos para deformaciónMayores esfuerzos para deformación�� Los granos se orientan durante la deformaciónLos granos se orientan durante la deformación�� Producto de la Temperatura el material no se recupera... Para seguir Producto de la Temperatura el material no se recupera... Para seguir
deformando debe aplicarse mayores esfuerzos ... Hasta el límite de la deformando debe aplicarse mayores esfuerzos ... Hasta el límite de la aleación aleación
�� El materilal queda endurecido por deformaciónEl materilal queda endurecido por deformación
Laminación en Caliente
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� Menos esfuerzo para deformación� Los granos se orientan durante la deformación� Producto de la Temperatura el material se recupera... Recristaliza.... Se
ablanda nuevamente y puede seguir deformándose sin mayores esfuerzos � Al siguiente evento de deformación plástica el material está blando
SolidificaciónLos principales fenómenos que se desarrollan en la solidificación de metales y aleaciones para la obtención de PRODUCTOS FUNDIDOS son:
� Cambios Volumétricos, en estado líquido, al solidificar y en estado sólido
� Macro y Micro Segregaciones (solo aleaciones). La composición de los productos fundidos no es
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composición de los productos fundidos no es homogénea
� Aparición de macroestructuras de solidificación características: granos grandes orientados de acuerdo a la extracción de calor y con distintas morfologías (columnar, equiaxial...)
� Aparición de microporosidades asociadas a morfología de solidificación dendrítica (RAMIFICADA)
Estructura de solidificación: Líquido solidificado en molde
Tres zonas características:
• Zona Chill o acoquillada (pared de la pieza)
• Zona columnar
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• Zona columnar(granos orientados según extracción de calor)
• Zona equiaxial, en el centro de la pieza
CARACTERÍSTICAS DE LOS PRODUCTOS FUNDIDOS
Al solidificar los productos fundidos (y los lingotes – colada continua) presentan las características de:
El líquido desde que se cuela al molde (lingote) reduce su volumen:∆V1 Temperatura de colada hasta TFUSIÓN
∆ V2 Al solidificar a la TFUSIÓN
∆ V3 Desde TFUSIÓN HASTA TAMBIENTE
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Granos del SÓLIDO orientados según extracción de calor
Composición NO HOMOGENEA (macro y microsegregados) Macro entre superficie y centro de la pieza solidificada y Micro a nivel de los granos no homogéneos
Inoculantes: afinadores de granos en la solidificaciónPara afinar y romper la estructura de granos orientada de granos de solidificación es posible Para afinar y romper la estructura de granos orientada de granos de solidificación es posible aplicar inoculantes… La imagen de la derecha está solidificada con Inoculantes, y se aprecia aplicar inoculantes… La imagen de la derecha está solidificada con Inoculantes, y se aprecia
que se ha roto la estructura orientada de granos de granos que se ha roto la estructura orientada de granos de granos columnarescolumnares (que aparece a la (que aparece a la izquierdaizquierda))
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WELDING: efecto velocidadLa soldadura de metales con fusión: WELDING, La soldadura de metales con fusión: WELDING, también genera granos orientados en la solidificacióntambién genera granos orientados en la solidificación
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Zona FundidaZona Fundida
Productos FundidosProductos Fundidos
Horno Fusión
Diseño
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VACIADO EN MOLDE Fabricación
MOLDE
Modelo
Elementos de un Molde
• Un molde requiere de:–– una cavidad para vaciar el líquido, que es una cavidad para vaciar el líquido, que es
fabricada con un modelo.fabricada con un modelo.–– una cavidad de reserva de metal líquido una cavidad de reserva de metal líquido
(montante (montante –– riser) que DEBE solidificar riser) que DEBE solidificar después de la pieza…después de la pieza…
–– y un vaciado para el sistema de llenado o y un vaciado para el sistema de llenado o de alimentación de alimentación
–– Para piezas fundidas que presentan Para piezas fundidas que presentan cavidades interiores el molde debe cavidades interiores el molde debe
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–– Para piezas fundidas que presentan Para piezas fundidas que presentan cavidades interiores el molde debe cavidades interiores el molde debe contener el negativo de la cavidad.. Que es contener el negativo de la cavidad.. Que es un sólido llamado alma un sólido llamado alma –– core y es parte core y es parte del moldedel molde
• El modelo es la misma pieza sobredimensionada en la misma magnitud de las contracciones del sólido desde la temperatura de solidificación hasta la temperatura ambiente
Secuencia Molde de Arena aglomerada
1. Modelo en dos partes
2. Parte inferior superior? del molde con la mitad del modelo
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modelo
3. Molde armado en dos partes
4. Vaciado de líquido
5. Producto solidificado desmoldeado
HORNOS DE FUSIÓN: Arco e Inducción
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Hornos de fusión: Inducción y Combustión
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DIAGRAMA DE FLUJO ESQUEMÁTICO DE OPERACIONES BÁSICAS DE MOLDEO EN ARENA
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PROCESOS DE FUNDICIÓN visto desde el punto de vista del molde o del modelo
Modelo PERMANENTEModelo PERMANENTE Modelo DESECHABLEModelo DESECHABLE
Madera Madera Cera Perdida. Cera Perdida. Tecnología de Tecnología de fundición de precisión fundición de precisión (Investment Casting)(Investment Casting)
AluminioAluminio Espuma perdida. Espuma perdida. Modelo de PS Modelo de PS (PolieStireno expandido) que al (PolieStireno expandido) que al
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(PolieStireno expandido) que al (PolieStireno expandido) que al vaciar metal líquido se evaporavaciar metal líquido se evapora
Molde PERMANENTEMolde PERMANENTE
Moldes metálicosMoldes metálicos
Molde DESECHABLEMolde DESECHABLE
En general arenas aglomeradasEn general arenas aglomeradas
Die Casting (molde metálico) Die Casting (molde metálico) fundido a presiónfundido a presión
Arena c/ arcilla Arena c/ arcilla –– agua (moldeo agua (moldeo en verde) en verde)
CentrífugaCentrífuga Arena c/ polímero (resina)Arena c/ polímero (resina)
Esquemas de procesos
Cera Cera
Fundición Fundición centrífuga centrífuga horizontal y horizontal y verticalvertical
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Cera Cera perdidaperdida
verticalvertical
Die Casting Die Casting (fundición (fundición a presión)a presión)
Microestructura, observación bajo microscopio de aleaciones de cospeles para 10, 20 y 50 centavos de euro. Se aprecian los granos. La aleación “Oro nordico” contiene:
Cu-5%Al-5%Zn-1%Sn
Deformada en frío o
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Deformada en frío o en caliente??
Carburo de
tungsteno
WC
Polvos de cobalto Metálico
MEZCLA COMPACTACIÓN
ESQUEMA DE OPERACIONES Y PROCESOS EN LA PULVIMETALURGIAPulvimetalurgia… Fabricación de “metales duros”
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Carburo de Titanio y TantalioTiC-TaC
SINTERIZACIÓN
RE-COMPACTACIÓN
o mecanizado
intermedio
RE-SINTERIZACIÓN
EVENTUAL
EJEMPLOS DE APLICACIONES Pulvimetalurgia
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En los casos presentados se trata de: mezclas de materiales - FASES metálicos inmiscible en estado líquido (metales, óxidos, carburos).
La fase metálica en actúa como la fase “ligante”. En la etapa de sinterización, se producen movimientos atómicos en la fase de menor temperatura de fusión (Por ello la sinterización se realiza a elevadas temperaturas… sobre 0,7TFUSION (°K))
Cambios microestructurales que ocurren
durante la etapa de sinterización.
a) Polvos después de etapa de compactado
b) Coalescencia de partículas, formación de
poros cuando comienza la sinterización.
Esto ocurre por disminución de energías
de superficie y los átomos difunden (se
mueven) para lograr esta disminución de
energía. Hasta este estado llega el caso
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energía. Hasta este estado llega el caso
del Bronce autolubricado… poroso, para
“alojar” aceite en los poros.
c) Al avanzar la sinterización los poros
cambian en tamaño y forma
Imagen de Al2O3 sinterizada a 1700°C por 6 min
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Tecnología de Polímeros Termoplásticos
• Los polímeros termoplásicos se pueden fundir…•• TERMOPLÁSTICOS: Refusión. Posterior solidificación de moldes TERMOPLÁSTICOS: Refusión. Posterior solidificación de moldes
(inyección), en matrices continuas (Extrusión), en sistemas rotativos (inyección), en matrices continuas (Extrusión), en sistemas rotativos (moldeo rotacional=rotomoldeo)… (moldeo rotacional=rotomoldeo)…
•• A pesar de que algunos polímeros termoplásticos si son deformables A pesar de que algunos polímeros termoplásticos si son deformables plásticamente no se emplea como método de fabricación plásticamente no se emplea como método de fabricación
•• Los polímeros termoplásticos por el hecho de ser refundibles, son Los polímeros termoplásticos por el hecho de ser refundibles, son reciclablesreciclables
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reciclablesreciclables•• Los polímeros termoplásticos están formados por cadenas Los polímeros termoplásticos están formados por cadenas –– son son
macromoléculas macromoléculas –– formadas por muchas (poli) unidades básicas que formadas por muchas (poli) unidades básicas que se repiten (meros)… pueden llegar a tener hasta 8.000.000 de se repiten (meros)… pueden llegar a tener hasta 8.000.000 de unidades repetitivas en una cadena. Normalmente presentan largos unidades repetitivas en una cadena. Normalmente presentan largos promedios de 30.000 merospromedios de 30.000 meros
•• El estado fundido de los polímeros equivale a cadenas “sueltas” El estado fundido de los polímeros equivale a cadenas “sueltas” ocupando un mayor volumen y que al aplicar esfuerzos las cadenas ocupando un mayor volumen y que al aplicar esfuerzos las cadenas pueden desplazarse y así orientarse según el sentido del flujo del pueden desplazarse y así orientarse según el sentido del flujo del proceso de fabricaciónproceso de fabricación
Esquemas de Procesos: EXTRUSIÓN, ROTOMOLDEO
MC2 - Productos 37
Rotomoldeo o Moldeo Rotacional: ejemplos de aplicación
MOLDEO POR INYECCIÓN OINJECTION MOLDING
MATERIAL PROCESADO
SECADO
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MOLDEO POR INYECCIÓN
MOLDEO“FUSIÓN” INYECCIÓN
Otros Procesos en Termoplásticos
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Caso de aglomeración en sistemas cerámicosReacciones entre sólidos que son causantes de la sinterización
MC2 - Productos 40
Son los sólidos que reaccionan formando fase líquida en la etapa de curado. Las imágenes de la izquierda muestran secuencia en la etapa de secado
Diagrama de Fases SiO2-Al2O3 base de los refractarios silico aluminosos
MC2 - Productos 41
Aglomeración SiO2 - Silicato Na(imagen conceptual)
A photograph of
silica sand grains
bonded with
sodium silicate
MC2 - Productos 42
sodium silicate
through the
cementation
mechanism (x60).
Ejemplos de Procesamiento
Moldeo del Vidrio
Presión y soplado fabricación de botellas
MC2 - Productos 43
Ejemplo de fabricación de
cerámicas mediante proceso con
barbotina (slip casting)
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Resumen• Se ha tenido una visión de alternativas de fabricación de
diferentes materiales de Ingeniería
• Se ha analizado los aspectos de solidificación de los materiales metálicos
• Se ha observado las diferentes áreas de una empresa fabricante de productos fundidos.
• Se ha presentado las ventajas y oportunidades de las diferentes
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• Se ha presentado las ventajas y oportunidades de las diferentes formas de obtención de productos
• Se visto las diferentes etapas de la tecnología Pulvimetalurgia y algunas de sus múltiples aplicaciones
• Formas y tecnologías de fabricación de materiales poliméricos termoplásticos (fundibles); materiales cerámicos y vidrios
• Se ha presentado aspectos de estructura de granos de los materiales metálicos y refractarios