PROPIEDADES MECANICAS DE LOS MATERIALES

Las propiedades mecánicas resultan de aplicar fuerzas mecánicas a los materiales considerados. Las más importantes son la resistencia, la dureza, la ductilidad y la rigidez.

Para empezar se deben definir los esfuerzos σ y las deformaciones ϵ, así como la relación que hay entre ellos en cada material.

1. ESFUERZO Las fuerzas internas de un elemento están ubicadas dentro del material por lo que se distribuyen en toda el área; justamente se denomina esfuerzo a la fuerza por unidad de área, la cual se denota con la letra griega sigma (σ) y es un parámetro que permite comparar la resistencia de dos materiales, ya que establece una base común de referencia.

σ= PA

Donde: P= Fuerza axial:

A= Área de la sección transversal.

Cabe destacar que la fuerza empleada en la ec. 1 debe ser perpendicular al área analizada y aplicada en el centroide del área para así tener un valor de σ constante que se distribuye uniformemente en el área aplicada. La ec. 1 no es válida para los otros tipos de fuerzas internas; existe otro tipo de ecuación que determine el esfuerzo para las otras fuerzas, ya que los esfuerzos se distribuyen de otra forma.

Unidades

El esfuerzo utiliza unidades de fuerza sobre unidades de área, en el sistema internacional (SI) la fuerza es en Newton (N) y el área en metros cuadrados (m 2), el esfuerzo se expresa por N/m2 o pascal (Pa). Esta unidad es pequeña por lo que se emplean múltiplos como es el kilopascal (kPa), megapascal (MPa) o gigapascal (GPa). En el sistema americano, la fuerza es en libras y el área en pulgadas cuadradas, así el esfuerzo queda en libras sobre pulgadas cuadradas (psi).

2. DEFORMACIÓN La resistencia del material no es el único parámetro que debe utilizarse al diseñar o analizar una estructura; controlar las deformaciones para que la estructura cumpla con el propósito para el cual se diseñó tiene la misma o mayor importancia. El análisis de las deformaciones se relaciona con los cambios en la forma de la estructura que generan las cargas aplicadas.

Una barra sometida a una fuerza axial de tracción aumentara su longitud inicial; se puede observar que bajo la misma carga pero con una longitud mayor este aumento o

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(Ec. 1)

alargamiento se incrementará también. Por ello definir la deformación (ε) como el cociente entre el alargamiento δ y la longitud inicial L, indica que sobre la barra la deformación es la misma porque si aumenta L también aumentaría δ. Matemáticamente la deformación sería:

ϵ = δ / L

3. DIAGRAMA ESFUERZO – DEFORMACIÓN

El diseño de elementos estructurales implica determinar la resistencia y rigidez del material estructural, estas propiedades se pueden relacionar si se evalúa una barra sometida a una fuerza axial para la cual se registra simultáneamente la fuerza aplicada y el alargamiento producido. Estos valores permiten determinar el esfuerzo y la deformación que al graficar originan el denominado diagrama de esfuerzo y deformación.

Los diagramas son similares si se trata del mismo material y de manera general permite agrupar los materiales dentro de dos categorías con propiedades afines que se denominan materiales dúctiles y materiales frágiles. Los diagramas de materiales dúctiles se caracterizan por ser capaces de resistir grandes deformaciones antes de la rotura, mientras que los frágiles presentan un alargamiento bajo cuando llegan al punto de rotura.

ELEMENTOS DE DIAGRAMA ESFUERZO – DEFORMACIÓN

En un diagrama se observa un tramo recta inicial hasta un punto denominado límite de proporcionalidad. Este límite tiene gran importancia para la teoría de los sólidos elásticos, ya que esta se basa en el citado límite. Este límite es el superior para un esfuerzo admisible.

Los puntos importantes del diagrama de esfuerzo deformación son:

a) LÍMITE DE PROPORCIONALIDADSe observa que va desde el origen O hasta el punto llamado límite de proporcionalidad, es un segmento de recta rectilíneo, de donde se deduce la tan conocida relación de proporcionalidad entre la tensión y la deformación enunciada en el año 1678 por Robert Hooke. Cabe resaltar que, más allá la deformación deja de ser proporcional a la tensión.

Ley de Hooke. En el diagrama esfuerzo – deformación, la línea recta indica que la deformación es directamente proporcional al esfuerzo en el tramo elástico, este principio conocido como la ley de Hooke (véase Ecuación 3). Asimismo, la proporción representada por la pendiente de la recta, es constante para cada

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(Ec. 2)

material y se llama módulo de elasticidad (E), valor que representa la rigidez de un material.

E = σ / ϵ

b) LIMITE DE ELASTICIDAD O LÍMITE ELÁSTICOEs la tensión más allá del cual el material no recupera totalmente su forma original al ser descargado, sino que queda con una deformación residual llamada deformación permanente.

c) PUNTO DE FLUENCIAEs aquel donde en el aparece un considerable alargamiento o fluencia del material sin el correspondiente aumento de carga que, incluso, puede disminuir mientras dura la fluencia. Sin embargo, el fenómeno de la fluencia es característico del acero al carbono, mientras que hay otros tipos de aceros, aleaciones y otros metales y materiales diversos, en los que no manifiesta.

d) ESFUERZO MÁXIMOEs la máxima ordenada en la curva esfuerzo-deformación.

e) ESFUERZO DE ROTURAVerdadero esfuerzo generado en un material durante la rotura.

Figura 1. Diagrama de esfuerzo-deformación

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(Ec. 3)

4. ENSAYOS MECANICOS

ESFUERZOS FÍSICOS A LOS QUE PUEDEN SOMETERSE LOS MATERIALES

Cuando una fuerza actúa sobre un objeto, tiende a deformarlo. La deformación dependerá de la dirección, sentido y punto de aplicación donde esté colocada esa fuerza.

Los distintos tipos de esfuerzos a que pueden estar sometidos los cuerpos, independientemente de su material y forma, son: tracción, compresión, flexión, torsión, cortadura y pandeo.

Con objeto de averiguar si un material es más adecuado para soportar alguno o varios de los esfuerzos estudiados anteriormente, se le somete a una serie de pruebas en las que se determinan cada una de las propiedades mecánicas, así como la resistencia a un determinado esfuerzo.

4.1 ENSAYO DE TRACCIÓN

Consiste en estirar lentamente una probeta, de longitud y sección normalizadas, del material a analizar, hasta que se rompe. A continuación se analizan los alargamientos producidos a medida que aumenta la fuerza.

Figura 2. Ensayo de traccion Figura 3. Diagrama tensión - deformación

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Figura 4. Evolución de las probetas durante un ensayo

4.2.ENSAYO DE COMPRESIÓN

En ingeniería, el ensayo de compresión es un ensayo técnico para determinar la resistencia de un material o su deformación ante un esfuerzo de compresión. En la mayoría de los casos se realiza con hormigones y metales (sobre todo aceros), aunque puede realizarse sobre cualquier material.

Se suele usar en materiales frágiles. La resistencia en compresión de todos

los materiales siempre es mayor o igual que en tracción.

Se realiza preparando probetas normalizadas que se someten a compresión en una máquina universal.

4.3.ENSAYO DE CIZALLADURA

Es producido en el material al aplicar dos fuerzas en la misma dirección y sentido contrario desplazados una pequeña distancia. Se produce un corte o cizallamiento del material.

Las deformaciones debidas a los esfuerzos cortantes, no son ni alargamientos ni acortamientos, sino deformaciones angulares g, como se muestra en la figura 6.

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Figura 5. Compresión en una probeta

Figura 6: Deformación debida a los esfuerzos cortantes.

También puede establecerse la Ley de Hooke para corte de manera similar a como se hace en el caso de los esfuerzos normales, de tal forma que el esfuerzo cortante (τ), será

función de la deformación angular (γ ) y del módulo de cortante del material (G):

σ= Gγ

γ = tanθ = ∆ llo

4.4.ENSAYO DE TORSIÓNEl ensayo de torsión consiste en aplicar un par torsor a una probeta por medio de un dispositivo de carga y medir el ángulo de torsión resultante en el extremo de la probeta. Este ensayo se realiza en el rango de comportamiento linealmente elástico del material.

Los efectos de la aplicación de una carga de torsión a una barra son: producir un desplazamiento angular de la sección de un extremo respecto al otro y originar tensiones cortantes en cualquier sección de la barra perpendicular a su eje.

Figura 7 y 8. Torsión

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(Ec. 4)

5. DEFORMACIONES

La deformación es el cambio en el tamaño o forma de un cuerpo debido a esfuerzos internos producidos por una o más fuerzas aplicadas sobre el mismo o la ocurrencia de dilatación térmica.

Figura 9. Esfuerzo - deformación

5.1. DEFORMACIÓN ELÁSTICA O REVERSIBLE

El cuerpo recupera su forma original al retirar la fuerza que le provoca la deformación. En este tipo de deformación, el sólido, al variar su estado tensional y aumentar su energía interna en forma de energía potencial elástica, solo pasa por cambios termodinámicos reversibles.

a) Lineal. La deformación elástica está dada por la zona lineal, en donde el esfuerzo va ser proporcional a la deformación según la ley de Hooke:

σ =ϵ.E

Donde:

E es el módulo de elasticidad o módulo de Young

ε es la deformación

σ es la tensión nominal

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Cuadro 1. Valores de E para metales y aleaciones

Metal o Aleación

Módulo de Elasticidad

Psi x 106 MPa x 104

Aluminio 10.0 6.9

Latón 14.6 10.1

Cobre 16.0 11.0

Magnesio 6.5 4.5

Níquel 30.0 20.7

Acero 30.0 20.7

Titanio 15.5 10.7

Tungsteno 59.0 40.7

b) No lineal. Se produce en algunos materiales (algunos polímeros, hormigón, fundición gris, etc.)

Figura 10. Esfuerzo – Deformación no lineal

Los valores del modulo de elasticidad de las cerámicas en general son mayores que los valores de los metales; para los polímeros son menores. Estas diferencias son una consecuencia directa de los distintos tipos de enlace atómico en estos tres tipos de materiales. Además, al aumentar la temperatura el modulo de elasticidad disminuye tal como se muestra para varios metales en la siguiente figura:

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Figura 11. Modulo E vs Temperatura

c) AnelasticidadLa deformación elástica continua aumentando después de aplicar la carga, y al retirar la carga se requiere que transcurra algún tiempo para que el material se recupere completamente.

d) Propiedades Elásticas de los materiales

Cuando sobre un metal se aplica una tracción, se produce un alargamiento elástico y una deformación ϵz en la dirección de la carga aplicada, tal como se ve en la figura. Como resultado de este alargamiento, se producirán constricciones en direcciones laterales (x e y) perpendiculares a la dirección de la aplicación de la tensión. A partir de estas contracciones, se pueden determinar las deformaciones de compresión ϵx y ϵy. Se define un parámetro denominado coeficiente de Poisson como el cociente entre las deformaciones laterales y axiales:

Figura 12. Fuerzas biaxiales

5.2. DEFORMACIÓN PLÁSTICA O IRREVERSIBLEModo de deformación en que el material no regresa a su forma original después de retirar la carga aplicada. Esto sucede porque, en la deformación plástica, el material

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experimenta cambios termodinámicos irreversibles al adquirir mayor energía potencial elástica. La deformación plástica es lo contrario a la deformación reversible.

6. PROPIEDADES DE TRACCION

6.1.FLUENCIA O CEDENCIA

Es la deformación brusca de la probeta sin incremento de la carga aplicada. El fenómeno de fluencia se da cuando las impurezas o los elementos de aleación bloquean las dislocaciones de la red cristalina impidiendo su deslizamiento, mecanismo mediante el cual el material se deforma plásticamente. Alcanzado el límite de fluencia se logra liberar las dislocaciones produciéndose la deformación bruscamente.

La deformación en este caso también se distribuye uniformemente a lo largo de la probeta pero concentrándose en las zonas en que ha logrado liberar las dislocaciones (bandas Luders: se originan cuando la tensión cortante máxima supera a la tensión de tracción axial en los planos cristalográficos 45° del eje de la probeta.

Figura 13. Después de aplicar la carga la probeta queda deformada

No todos los materiales presentan este fenómeno, en cuyo caso la transición entre la deformación elástica y plástica del material no se aprecia de forma clara.

La posibilidad de aplicar materiales a servicios con temperaturas en que se muestre la fluencia implica admitir deformaciones permanentes ε que serán crecientes por el tiempo de servicio de la pieza, pues al no disponer de periodo elástico no podemos aplicarlos a temperaturas de fluencia bajo las hipótesis de elasticidad, modelos elásticos. Esto es especialmente importante a temperaturas cercanas a la ambiental para los plásticos.

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Figura 14. Fluencia para el acero a

∆T °

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6.1.1. ETAPAS DE FLUENCIA

Se divide en tres etapas:

1. Comienza a una velocidad rápida y aminora con el tiempo.2. Presenta una velocidad relativamente uniforme. 3. Presenta una velocidad de fluencia acelerada y termina debido a un fallo del

material en el momento de la ruptura.

6.2. LIMITE ELÁSTICO

Es la tensión máxima que un material elástico puede soportar sin sufrir deformaciones permanentes. Si se aplican tensiones superiores a este límite, el material experimenta deformaciones permanentes y no recupera su forma original al retirar las cargas. En general, un material sometido a tensiones inferiores a su límite de elasticidad es deformado temporalmente de acuerdo con la ley de Hooke.

6.2.1. DETERMINACIÓN DEL LÍMITE ELÁSTICO

Figura 15. Ubicación del límite elástico

Los materiales sometidos a tensiones superiores a su límite de elasticidad tienen un comportamiento plástico. Si las tensiones ejercidas continúan aumentando el material alcanza su punto de fractura. El límite elástico marca, por tanto, el paso del campo elástico a la zona de fluencia. Más formalmente, esto comporta que en una situación de tensión uniaxial, el límite elástico es la tensión admisible a partir de la cual se entra en la superficie de fluencia del material. Si se disponen las tensiones en función de las deformaciones en un gráfico se observa que, en un principio y para la mayoría de los materiales (los elastómeros no lo cumplen, por ejemplo), aparece una zona que sigue una distribución casi lineal, donde la pendiente es el módulo de elasticidad.

Esta zona se corresponde a las deformaciones elásticas del material hasta un punto donde la función cambia de régimen y empieza a curvarse, zona que se corresponde al inicio del régimen plástico. Ese punto es el límite elástico.

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Debido a la dificultad para localizarlo exactamente y con total fidelidad, ya que en los gráficos experimentales la recta es difícil de determinar y existe una banda donde podría situarse el límite elástico, en ingeniería se adopta un criterio convencional y se considera como límite elástico la tensión a la cual el material tiene una deformación plástica del 0.2% (o también ε = 0.002) .

7. RESISTENCIA A LA TRACCIÓN

Como valor comparativo de la resistencia característica de muchos materiales, como el acero o la madera, se utiliza el valor de la tensión de fallo, o agotamiento por tracción, esto es, el cociente entre la carga máxima que ha provocado el fallo elástico del material por tracción y la superficie de la sección transversal inicial del mismo.

8. DUCTIBILIDAD:

Es una propiedad que presentan algunos materiales, como las aleaciones metálicas o materiales asfálticos, los cuales bajo la acción de una fuerza, pueden deformarse sosteniblemente sin romperse, permitiendo obtener alambres o hilos de dicho material. A los materiales que presentan esta propiedad se les denomina dúctiles.

Un material es dúctil cuando la relación entre el alargamiento longitudinal producido por una tracción y la disminución de la sección transversal es muy elevada. Entendiéndose por metal dúctil aquel que sufre grandes deformaciones antes de romperse, siendo el opuesto al metal frágil, que se rompe sin apenas deformación.

Figura 16. Gráfica de material dúctil y frágil.

No debe confundirse dúctil con blando, ya que la ductilidad es una propiedad que como tal se manifiesta una vez que el material está soportando una fuerza considerable; esto es, mientras la carga sea pequeña, la deformación también lo será, pero alcanzado cierto punto el material cede, deformándose en mucha mayor medida de lo que lo había hecho hasta entonces pero sin llegar a romperse. La ductilidad de un metal se valora de forma indirecta a través de la resiliencia.

8.1. EL ALARGAMIENTO RELATIVO PORCENTUAL (%EL):

Es el porcentaje de deformación plástica a rotura

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lf: longitud en el momento de la fractura

lo: longitud de prueba original

8.2. EL ALARGAMIENTO RELATIVO PORCENTUAL (%EL):

Es el porcentaje de deformación plástica a rotura

Ao: es el área de la sección inicial.

Af: es el área de la sección en el momento de la fractura

9. RESILIENCIA

En ingeniería, se llama resiliencia de un material a la energía de deformación (por unidad de volumen) que puede ser recuperada de un cuerpo deformado cuando cesa el esfuerzo que causa la deformación. La resiliencia es igual al trabajo externo realizado para deformar un material hasta su límite elástico:

Para una probeta de material elástico lineal sometida a tensión axial uniforme:

Donde:

Son el área transversal, la longitud y el volumen respectivamente de la probeta.

:La tensión de límite elástico.

:El módulo de elasticidad del material.

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Se determina mediante ensayo por el método Izod o el péndulo de Charpy, El ensayo de resilencia sirve para determinar la fragilidad que opone un material. Esta resiliencia se expresa en Julios .Para realizar el ensayo se emplea el péndulo de caída que mide la energía residual existente después de la rotura de la muestra del material es decir, la diferencia de la energía total desarrollada por la máquina y absorbida por el material desarrollado. Un elevado grado de resiliencia es característico de los aceros austeníticos, aceros con alto contenido de austenita. En aceros al carbono, los aceros suaves (con menor contenido porcentual de carbono), tienen una mayor resiliencia que los aceros duros.

10. TENACIDAD:

La tenacidad es la energía total que absorbe un material antes de alcanzar la rotura, por acumulación de dislocaciones.

10.1. MEDIDA DE LA TENACIDAD

Si se somete una probeta de sección constante a un ensayo de tracción cuasi estático la tenacidad puede medirse como:

Donde:

: Es la tensión máxima del material

: Es la deformación máxima del material

: Es la deformación de rotura del material

Por definición la tenacidad es siempre mayor que la resiliencia:

Dado que

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Figura 17. Péndulo de Charpy

Figura 18. Relación entre el esfuerzo y la deformación. La resiliencia es el área bajo la curva en la zona verde, la tenacidad el área conjunta bajo la curva en las zonas

verde y amarilla.

11. TENSIÓN REAL – DEFORMACIÓN REAL

La tensión se calcula dividiendo la fuerza aplicada F sobre una muestra a la que se aplica un ensayo de tensión por el área inicial Ao. Puesto que el área de la sección de la muestra bajo el ensayo cambia continuamente durante el ensayo de tensión, el cálculo de esta no es preciso. Durante el ensayo de tensión, después de que ocurra el estrangulamiento de la muestra, la tensión decrece al aumentar la deformación, llegando a una tensión máxima en la curva de tensión – deformación. Por ello, una vez que comienza el estrangulamiento durante el ensayo de tensión, la tensión real es mayor que tensión en ingeniería. Es posible definir la tensión real y la deformación real como sigue:

Donde

F: es la fuerza uniaxial media sobre la muestra de ensayo

Ai: es el área de muestra de sección mínima en un instante

Donde

lo : es la longitud de calibración de la muestra

Li: es la longitud entre las calibraciones durante el ensayo

Si asumimos un volumen constante de la longitud de calibración por la sección de la muestra durante el ensayo entonces

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Los ingenieros normalmente no utilizan cálculos basados en tensión real, en su lugar se utiliza el esfuerzo de fluencia convencional al 0,2% para diseños de estructura con los factores de seguridad apropiados. En investigación de materiales, algunas veces puede ser útil conocer la curva de tensión real – deformación real.

12. DUREZA

Es una medida de la resistencia de un material a la deformación permanente (plástica) en su superficie, o sea la resistencia que opone un material a ser rayado o penetrado.La dureza de una material se mide de varias formas dentro de las cuales se pueden destacar las durezas “mecánicas” y la dureza de Mohs.

En las durezas mecánicas se utiliza un penetrador sobre la superficie del material. Sobre este penetrador se ejerce una carga conocida presionando el penetrador a 90° de la superficie del material de ensayo.

El penetrador tiene diferentes formas y de acuerdo a esta es la huella que queda impresa en el material. De acuerdo a la geometría de la huella y a la carga. Se utilizan diferentes fórmulas para determinar el valor de la dureza. Actualmente hay aparatos que leen la dureza de una forma digital. Es así como puede establecerse la dureza Brinell, Vickers, Knoop, y Rockwell.

Figura 19. Clasificación de minerales según su dureza en la escala de Mohs

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12.1. TIPOS DE ENSAYO DE DUREZA.

12.1.1. AL RAYADO

A) ENSAYO DE MOHS. Se usa para determinar la dureza de los minerales. Se basa en que un cuerpo es rayado por otro más duro.

Cuadro 1: Dureza de los minerales según Escala de Mohs

Dureza Mineral Comentario

1 Talco Se puede rayar fácilmente con la uña

2 Yeso Se puede rayar con la uña con más dificultad

3 Calcita Se puede rayar con una moneda de cobre

4 Fluorita Se puede rayar con un cuchillo de acero

5 Apatito Se puede rayar difícilmente con un cuchillo

6 Ortoclasa Se puede rayar con una lija para el acero

7 Cuarzo Raya el vidrio

8 Topacio Rayado por herramientas de carburo de wolframio

9 Corindón Rayado por herramientas de carburo de Silicio

10 Diamante El más duro, no se altera con nada.

B) ENSAYO DE MARTENS

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Tipos de Ensayo de Dureza

Al Rayado: Resistencia que oponen a ser

rayados por otros más duros

- Ensayo de Mohs

- Ensayo de Martens

-Ensayo a la Lima

Penetración: Resistencia que oponen los

materiales a dejarse penetrar por otros más

duros- Método de

Rockwell-Método Rockwell

Superficial-Método Brinell-Método Vickers-Método Knoop

Dinámicos: Reacción o resistencia elástica de un material al chocar contra

un cuerpo más duro.

- Método de impacto poldi- Método de

retroceso shore

Se basa en la medida de la anchura de la raya que produce en el material una punta de diamante de forma piramidal y de ángulo en el vértice de 90°. Se aplica sobre superficies nitruradas.

De aquí: AM= 1000/a2 ….. (1)

Donde: AM es la dureza según el ensayo de Martens y a es el ancho de la ranura conseguida.

Figura 20. Ranura conseguida con el ensayo

C) ENSAYO A LA LIMA

Se usa en industria. En todo material templado la lima no “entra”. Dependiendo de si la lima entra o no sabremos:

- No entra, el material raya a la lima; dureza mayor de 60 HRC.

- Entra, la lima raya al material; dureza menor de 60 HRC.

Figura 21. Libación de un material

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12.1.2. POR PENETRACIÓN

A) DUREZA ROCKWELL:

ENSAYO PENETRADOR VISTA LATERALVISTA EN PLANTA

CARGAFORMULA PARA EL INDICE DE DUREZA

Rockwell

ACD

BFG

E

Cono de diamante

Esfera de acero de 1/10 pulg de

diámetro

Esfera de acero de 1/8 pulg de

diámetro

60kg Ra =150 kg Rc =100 kg Rd =

100 kg Rb =60 kg Rf =

150 kg Rc =100 kg Re =

100 – 5000

130 - 5000

Se utiliza como punta un cono de diamante (en algunos casos bola de acero). Es la más extendida, ya que la dureza se obtiene por medición directa y es apto para todo tipo de materiales. Se suele considerar un ensayo no destructivo por el pequeño tamaño de la huella.

Cuadro de especificaciones del procedimiento y cálculo del ensayo de Rockwell

Símbolo de la escala

Penetrador Carga mayor (kg)

Aplicaciones

A Diamante 60Aceros tratados y sin tratar. Materiales muy duros. Chapas duras y delgadas.

B Esfera de 1/16 pulgada 100 Aceros recocidos y normalizados.

C Diamante 150 Aceros tratados térmicamente.

D Diamante 100 Aceros cementados.

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E Esfera de 1/8 pulgada 101 Metales blandos y antifricción.

F Esfera de 1/16 pulgada 60 Bronce recocido.

G Esfera de 1/16 pulgada 150 Bronce fosforoso y otros materiales.

H Esfera de 1/8 pulgada 60Metales blandos con poca

homogeneidad, fundiciones con base hierro.

K Esfera de 1/8 pulgada 150 Aplicaciones análogas al tipo anterior.

Cuadro: Escalas de dureza de Rockwell

NOMENCLATURA

Las durezas Rockwell y Rockwell Superficial vienen dadas por la siguiente fórmula:

Dónde:

n es la carga aplicada en kg

HR es el identificativo del ensayo Rockwell

Letra va seguida de HR y es la letra identificativa de la Escala usada

Un ejemplo para un material que se le ha aplicado un esfuerzo de 60 kg y se ha usado la escala B sería

O para un material superficial que se le ha aplicado un esfuerzo de 30 kg con bola de 1/8 pulgadas

B) DUREZA BRINELL

Se denomina dureza Brinell a la medición de la dureza de un material mediante el método de indentación, midiendo la penetración de un objeto en el material a estudiar.

Este ensayo se utiliza en materiales blandos (de baja dureza) y muestras delgadas. El indentador o penetrador usado es una bola de acero templado de diferentes diámetros. Para los materiales más duros se usan bolas de carburo de tungsteno. Para materiales duros, es poco exacta.

El valor medido es el diámetro del casquete en la superficie del material. Las medidas de dureza Brinell son muy sensibles al estado de preparación de la superficie, pero a cambio resulta en un proceso barato, y la desventaja del tamaño de su huella se convierte en una

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ventaja para la medición de materiales heterogéneos, como la fundición, siendo el método recomendado para hacer mediciones de dureza de las fundiciones.

Fig 22. Durómetro Brinell

portátil.Cuadro de especificaciones del procedimiento y cálculo del ensayo de Brinell

ENSAYO PENETRADOR VISTA LATERALVISTA EN PLANTA

CARGAFORMULA PARA EL INDICE DE

DUREZA

Brinell

Esfera de 1 mm de acero o carburo de wolframio

P BHN= 2 PπD ¿¿ …. (4)

Material Brinell, HB Rockwell, HB*

Aleaciones Al endurecidas 95 52BHierro Colado 175 10B

Bronce 100 60BPlomo 4Acero 150 85B

Titanio alta pureza 200 95BZinc 30

Aluminio recocido 20

Material Brinell, HBNylon 12

Polietileno de baja 2

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Cuadro: Dureza Brinell y Rockwell en materiales

densidadPolietileno de alta

densidad4

Polipropileno 7Poliestireno 20

Cloruro de polivinilo 10

C) DUREZA VICKERS:

El ensayo de dureza Vickers, llamado el ensayo universal, es un método para medir la dureza de los materiales. Su penetrador es una pirámide de diamante con un ángulo base de 136°.

Se emplea para láminas delgadas hasta 0,15 mm (0.006 pulgadas) y no se lee directamente en la máquina. Para determinar el número de dureza se aplica la siguiente fórmula:

Cuadro de especificaciones del procedimiento y cálculo del ensayo de Vickers

ENSAYO PENETRADOR VISTA LATERAL VISTA EN PLANTA CARGAFORMULA PARA EL INDICE DE

DUREZA

VickersPirámide de

diamanteP

VHN ¿1.854 P

d12 … (5)

D) DUREZA KNOOP

Es una prueba de microdureza, un examen realizado para determinar la dureza mecánica especialmente de materiales muy quebradizos o láminas finas, donde solo se pueden hacer hendiduras pequeñas para realizar la prueba.

Figura 23 Penetrador para la dureza de knoop

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Cuadro: especificaciones del procedimiento y cálculo del ensayo de Rockwell

ENSAYO PENETRADOR VISTA LATERALVISTA EN PLANTA

CARGAFORMULA PARA EL INDICE DE

DUREZA

Microdureza de knoop

Pirámide de diamante

l/b =7.11b/t = 4.00

PKHN =

14.2P

l2 … (6)

Cuadro: Dureza Knoop de diferentes metales Cuadro: Dureza Knoop de diferentes metales

DINÁMICOS

ENSAYO DE IMPACTO (POLDI)

Es un método de impacto que consiste en lanzar una bola de acero de 5mm de diámetro sobre una probeta del material objeto de medida, de manera que el impulso produzca una huella permanente.

H= dureza del materialSp= superficie de la huella patrón

S= superficie de la huella en el materialHp= dureza de la probeta patrón

Figura 24. ensayo de impacto Poldi.

ENSAYO DE RETROCESO (SHORE)

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Material Knoop, HK

Acero herramienta 850Widia (WC-Co) 1400

Alúmina 1500Carburo de silicio 1900

Carburo de Titanio 2500Nitruro de Boro Cúbico (BN) 4000

Diamante sintetizado 5000Diamante natural 8000

Metales Dureza Knoop (carga 100 gr)

Cadmio 37Plata 60Cinc 120

Cobre 165Níquel 550Cromo 935

Se basa en la reacción elástica del material sometido a la acción de un percusor que, despúes de chocar con la probeta a aensayar, rebota hasta una cierta altura. El número de dureza HS se deduce de la altura alcanzada en el rebote.

Fig. 25 Ensayo de Retroceso (SHORE).

13. TRATAMIENTO TÉRMICO

Es el proceso que comprende el calentamiento de los metales o las aleaciones en estado sólido a temperaturas definidas, manteniéndolas a esa temperatura por suficiente tiempo, seguido de un enfriamiento a las velocidades adecuadas con el fin de mejorar sus propiedades físicas y mecánicas, especialmente la dureza, la resistencia y la elasticidad. Los materiales a los que se aplica el tratamiento térmico son, básicamente, el acero y la fundición, formados por hierro y carbono. También se aplican tratamientos térmicos diversos a los sólidos cerámicos

Cada proceso de tratamiento térmico consiste de los siguientes pasos individuales:

- Calentamiento Eleva la temperatura de un pieza- Precalentamiento Calentamiento seguido de un mantenimiento a una o más

temperaturas (precalentamiento de multiples etapas) por debajo de la temperatura máxima seleccionada. El objetivo del precalentamiento es reducir las tensiones de fisuras ocasionadas por tensiones térmicas.

- Calentamiento superficial Consiste en un calentamiento hasta que la zona superficial de la pieza obtiene una temperatura específica.

- Calentamiento a Fondo Calentamiento Superficial + igualación de la temperatura.- Mantenimiento Consiste en mantener una cierta temperatura sobre toda la secció.- Enfriamiento Consiste en disminuir la temperatura de una pieza. Todo enfriamiento

que sucede más rápidamente que aquel que se presenta al aire quieto, es denominado temple. (cuando se enfrían acros austenítica con buenas propiedades de tenacidad, el enfriamiento en aire también es denominado temple.)

- El tiempo de exposición (antiguamente llamado tiempo de inmesión, en caso del temple en baño de sales), p.ej. el período de tiempo transcurrido entre la introducción de la pieza en el horno y su retiro, comprende el tiempo de calentamiento a fondo y el tiempo de mantenimiento.

13.1. TRATAMIENTOS TÉRMICOS DEL ACERO

El tratamiento térmico en el material es uno de los pasos fundamentales para que pueda alcanzar las propiedades mecánicas para las cuales está creado.

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Este tipo de procesos consisten en el calentamiento y enfriamiento de un metal en su estado sólido para cambiar sus propiedades físicas. Con el tratamiento térmico adecuado se pueden reducir los esfuerzos internos, el tamaño del grano, incrementar la tenacidad o producir una superficie dura con un interior dúctil. La clave de los tratamientos térmicos consiste en las reacciones que se producen en el material, tanto en los aceros como en las aleaciones no férreas, y ocurren durante el proceso de calentamiento y enfriamiento de las piezas, con unas pautas o tiempos establecidos.

Para conocer a que temperatura debe elevarse el metal para que se reciba un tratamiento térmico es recomendable contar con los diagramas de cambio de fases como el de hierro-carbono. En este tipo de diagramas se especifican las temperaturas en las que suceden los cambios de fase (cambios de estructura cristalina), dependiendo de los materiales diluidos.

Los tratamientos térmicos han adquirido gran importancia en la industria en general, ya que con las constantes innovaciones se van requiriendo metales con mayores resistencias tanto al desgaste como a la tensión. Los principales tratamientos térmicos son:

Temple: Su finalidad es aumentar la dureza y la resistencia del acero. Para ello, se calienta el acero a una temperatura ligeramente más elevada que la crítica superior Ac (entre 900-950 °C) y se enfría luego más o menos rápidamente (según características de la pieza) en un medio como agua, aceite, etcétera.

Revenido: Sólo se aplica a aceros previamente templados, para disminuir ligeramente los efectos del temple, conservando parte de la dureza y aumentar la tenacidad. El revenido consigue disminuir la dureza y resistencia de los aceros templados, se eliminan las tensiones creadas en el temple y se mejora la tenacidad, dejando al acero con la dureza o resistencia deseada. Se distingue básicamente del temple en cuanto a temperatura máxima y velocidad de enfriamiento.

Recocido: Consiste básicamente en un calentamiento hasta temperatura de austenitización (800-925 °C) seguido de un enfriamiento lento. Con este tratamiento se logra aumentar la elasticidad, mientras que disminuye la dureza. También facilita el mecanizado de las piezas al homogeneizar la estructura, afinar el grano y ablandar el material, eliminando la acritud que produce el trabajo en frío y las tensiones internas.

Normalizado: Tiene por objeto dejar un material en estado normal, es decir, ausencia de tensiones internas y con una distribución uniforme del carbono. Se suele emplear como tratamiento previo al temple y al revenido.

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Figura 26. Los Materiales

13. MATERIALES ALEADOS

El aleado mecánico es un proceso que involucra la repetida deformación, fractura y soldadura continua de partículas al estar sujetas a una molienda constante, además de que por esta técnica se obtienen aleaciones en el estado sólido. El aleado mecánico es una técnica novedosa con lo cual se obtienen materiales avanzados con propiedades inusuales, debido al enfriamiento micro estructural a que son llevados los polvos de elementos metálicos, no metálicos o compuestos, en la cual ocurre una combinación atómica hasta obtener una aleación verdadera de los compuestos.

El proceso de aleado mecánico fue desarrollado en los años 60’s buscando producir una dispersión de óxidos en superlaciones base hierro y níquel con el fin de aumentar su resistencia mecánica a altas temperaturas. Se han obtenido aleaciones de base aluminio, titanio, silicio, molibdeno, níquel entre otros; incluyendo los ínter metálicos del sistema Ni – Al, así como en sistemas binarios Al-Zr, Fe-Al o en sistemas ternarios Al-Ti-Co.

El aleado mecánico es un método para fabricar aleaciones con un tamaño de grano manométrico. La fabricación de las aleaciones por aleado mecánico tiene ventajas importantes sobre otros métodos o procesos como son:

* La molienda permite obtener una aleación a niveles atómicos, debido al fenómeno de difusión.

* Se obtienen aleaciones con una baja contaminación de oxígeno y de hierro.

* Se obtiene un producto con tamaño de grano nanométrico que beneficia al proceso de sinterización.

* Se forman por energía mecánica, por lo tanto su mezcla no tiene problemas de diferencia en densidad o temperaturas de fusión, tal como sucede en la fusión.

* No se presentan segregaciones microscópicas de elementos o fases.

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El aleado mecánico es la formación de aleaciones mediante el uso de una fuerza externa, es decir la combinación a nivel atómico de dos o más metales sólidos, se realiza por la acción de una fuerza comprensiva; a diferencia del aleado convencional que se realiza mediante la mezcla de los metales fundido en un crisol.

El proceso de aleación mecánica para dos componentes dúctiles se puede dividir en tres etapas:

Etapa I: en la que predomina la deformación plástica de las partículas. Etapa II: en la que la deformación plástica sigue actuando, aunque con intensidad

decreciente, cobrando cada vez más importancia la soldadura y fractura de las partículas.

Etapa III: consecución del estado estacionario con el equilibrio entre los procesos de soldadura y fractura. La deformación en frío desaparece.

Figura 27. Procesos presentes en la segunda etapa: a) soldadura y deformación plástica)

fractura

Figura 28. Equilibrio entre soldadura y fractura

en la tercera etapa

14. METALES FERROSOS

Los metales ferrosos son aquellos que están basados en el hierro, entre los de mayor importancia son el hierro y el carbono.

Sus principales características son su gran resistencia a la tensión y dureza. Su temperatura de fusión va desde 1360°C hasta los 1425°C y uno de sus principales problemas es la corrosión.

PROPIEDADES GENERALES.

- Son buenos conductores del calor y la electricidad.- Su aspecto presenta un brillo denominado “metálico”.- A temperatura ambiente, son todos sólidos a excepción del mercurio que es

líquido.

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- Por lo general, resisten bien los esfuerzos de tracción, compresión y torsión.- La temperatura a la que funden se denomina temperatura de fusión.- Son dúctiles, maleables y moldeables.- Unidos entre sí, forman las llamadas aleaciones metálicas o, el hierro con el

carbono, forman las llamadas aleaciones férricas.

14.1 EL ACERO

Es la denominación que comúnmente se le da en ingeniería metalúrgica a una aleación de hierro con una cantidad de carbono variable entre el 0,1 y el 2,1% en peso de su composición, aunque normalmente estos valores se encuentran entre el 0,2% y el 0,3%. Si la aleación posee una concentración de carbono mayor al 2,0% se producen fundiciones que, en oposición al acero, sonquebradizas y no es posible forjarlas sino que deben ser moldeadas.

Figura 31. El Acero

No se debe confundir el acero con el hierro, que es un metalrelativamente duro y tenaz, condiámetro atómico (dA) de 2,48 Å, con temperatura de fusión de 1.535 °C y punto de ebullición2.740 °C. Por su parte, el carbono es un no metal de diámetro menor (dA = 1,54 Å), blando y frágil en la mayoría de sus formas alotrópicas(excepto en la forma de diamante). La difusión de este elemento en la estructura cristalina del anterior se logra gracias a la diferencia en diámetros atómicos.

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Figura 29. Imagen de una magnetita: 75% de pureza.

Figura 30. Imagen de una magnetita: 75% de pureza.

El acero conserva las características metálicas del hierro en estado puro, pero la adición de carbono y de otros elementos tanto metálicos como no metálicos mejora sus propiedades físico-químicas.

Los dos componentes principales del acero se encuentran en abundancia en la naturaleza, lo que favorece su producción a gran escala. Esta variedad y disponibilidad lo hace apto para numerosos usos como la construcción de maquinaria, herramientas, edificios y obras públicas, contribuyendo al desarrollo tecnológico de las sociedades industrializadas.A pesar de ello existen sectores que no utilizan acero (como la construcción aeronáutica), debido a su densidad (7.850 kg/m³ de densidad en comparación a los 2.700 kg/m del aluminio, por ejemplo).

14.1.1. TRATAMIENTOS TÉRMICOS AL ACERO

Un proceso de tratamiento térmico adecuado permite aumentar significativamente las propiedades mecánicas de dureza, tenacidad y resistencia mecánica del acero. Los tratamientos térmicos cambian la microestructura del material, con lo que las propiedades macroscópicas del acero también son alteradas.

Figura 32. Rodamiento de Acero TempladoLos tratamientos térmicos que pueden aplicarse al acero sin cambiar en su composición química son:

Temple Revenido Recocido Normalizado

Los tratamientos termoquímicos son tratamientos térmicos en los que, además de los cambios en la estructura del acero, también se producen cambios en la composición química de la capa superficial, añadiendo diferentes productos químicos hasta una profundidad determinada. Estos tratamientos requieren el uso de calentamiento y enfriamiento controlados en atmósferas especiales. Entre los objetivos más comunes de estos tratamientos están aumentar la dureza superficial de las piezas dejando el núcleo más blando y tenaz, disminuir el rozamientoaumentando el poder lubrificante, aumentar la resistencia al desgaste, aumentar la resistencia a fatiga o aumentar la resistencia a la corrosión.

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CEMENTACIÓN (C): aumenta la dureza superficial de una pieza de acero dulce, aumentando la concentración de carbono en la superficie. Se consigue teniendo en cuenta el medio o atmósfera que envuelve el metal durante el calentamiento y enfriamiento. El tratamiento logra aumentar el contenido de carbono de la zona periférica, obteniéndose después, por medio de temples y revenidos, una gran dureza superficial, resistencia al desgaste y buena tenacidad en el núcleo.

NITRURACIÓN (N): al igual que la cementación, aumenta la dureza superficial, aunque lo hace en mayor medida, incorporando nitrógeno en la composición de la superficie de la pieza. Se logra calentando el acero a temperaturas comprendidas entre 400 y 525 °C, dentro de una corriente de gas amoníaco, más nitrógeno.

CIANURACIÓN (C+N): endurecimiento superficial de pequeñas piezas de acero. Se utilizan baños con cianuro, carbonato y cianato sódico. Se aplican temperaturas entre 760 y 950 °C.

CARBONITRURACIÓN (C+N): al igual que la cianuración, introduce carbono y nitrógeno en una capa superficial, pero con hidrocarburos como metano, etano o propano; amoníaco (NH3) y monóxido de carbono (CO). En el proceso se requieren temperaturas de 650 a 850 °C y es necesario realizar un temple y un revenido posterior.

SULFINIZACIÓN (S+N+C): aumenta la resistencia al desgaste por acción del azufre. El azufre se incorporó al metal por calentamiento a baja temperatura (565 °C) en un baño de sales.

Entre los factores que afectan a los procesos de tratamiento térmico del acero se encuentran la temperatura y el tiempo durante el que se expone a dichas condiciones al material. Otro factor determinante es la forma en la que el acero vuelve a la temperatura ambiente. El enfriamiento del proceso puede incluir su inmersión en aceite o el uso del aire como refrigerante.El método del tratamiento térmico, incluyendo su enfriamiento, influye en que el acero tome sus propiedades comerciales.

14.1.2. TIPOS DE ACERO

14.1.2.1. ACEROS AL CARBONO

Más del 90% de todos los aceros son aceros al carbono. Estos aceros contienen diversas cantidades de carbono y menos del 1,65% de manganeso, el 0,60% de silicio y el 0,60% de cobre. Entre los productos fabricados con aceros al carbono figuran máquinas, carrocerías de automóvil, la mayor parte de las estructuras de construcción de acero, cascos de buques, somieres y horquillas.

14.1.2.2. ACEROS ALEADOS

Estos aceros contienen una proporción determinada de vanadio, molibdeno y otros elementos, además de cantidades mayores de manganeso, silicio y cobre

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que los aceros al carbono normales. Estos aceros de aleación se pueden subclasificar en:

a) ESTRUCTURALES

Son aquellos aceros que se emplean para diversas partes de máquinas, tales como engranajes, ejes y palancas. Además se utilizan en las estructuras de edificios, construcción de chasis de automóviles, puentes, barcos y semejantes. El contenido de la aleación varía desde 0,25% a un 6%.

b) PARA HERRAMIENTAS

Aceros de alta calidad que se emplean en herramientas para cortar y modelar metales y no-metales. Por lo tanto, son materiales empleados para cortar y construir herramientas tales como taladros, escariadores, fresas, terrajas y machos de roscar.

c) ESPECIALES

Los Aceros de Aleación especiales son los aceros inoxidables y aquellos con un contenido de cromo generalmente superior al 12%. Estos aceros de gran dureza y alta resistencia a las altas temperaturas y a la corrosión, se emplean en turbinas de vapor, engranajes, ejes y rodamientos.

14.1.2.3. ACEROS DE BAJA ALEACIÓN ULTRARRESISTENTES

Esta familia es la más reciente de las cuatro grandes clases de acero. Los aceros de baja aleación son más baratos que los aceros aleados convencionales ya que contienen cantidades menores de los costosos elementos de aleación. Sin embargo, reciben un tratamiento especial que les da una resistencia mucho mayor que la del acero al carbono. Por ejemplo, los vagones de mercancías fabricados con aceros de baja aleación pueden transportar cargas más grandes porque sus paredes son más delgadas que lo que sería necesario en caso de emplear acero al carbono. Además, como los vagones de acero de baja aleación pesan menos, las cargas pueden ser más pesadas. En la actualidad se construyen muchos edificios con estructuras de aceros de baja aleación. Las vigas pueden ser más delgadas sin disminuir su resistencia, logrando un mayor espacio interior en los edificios.

14.1.2.4. ACEROS INOXIDABLES

Los aceros inoxidables contienen cromo, níquel y otros elementos de aleación, que los mantienen brillantes y resistentes a la herrumbre y oxidación a pesar de la acción de la humedad o de ácidos y gases corrosivos. Algunos aceros inoxidables son muy duros; otros son muy resistentes y mantienen esa resistencia durante largos periodos a temperaturas extremas.

Debido a sus superficies brillantes, en arquitectura se emplean muchas veces con fines decorativos. El acero inoxidable se utiliza para las tuberías y tanques

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de refinerías de petróleo o plantas químicas, para los fuselajes de los aviones o para cápsulas espaciales. También se usa para fabricar instrumentos y equipos quirúrgicos, o para fijar o sustituir huesos rotos, ya que resiste a la acción de los fluidos corporales. En cocinas y zonas de preparación de alimentos los utensilios son a menudo de acero inoxidable, ya que no oscurece los alimentos y pueden limpiarse con facilidad.

14.1.2.5. ACEROS NO ALEADOS

Se consideran aceros no aleados cuando el porcentaje de los elementos químicos que intervienen en la aleación está por debajo del máximo indicado en la siguiente tabla.

14.1.3. MECANIZADO DEL ACERO

14.1.3.1. ACERO LAMINADO

El acero que se utiliza para la construcción de estructuras metálicas y obras públicas, se obtiene a través de la laminación de acero en una serie de perfiles normalizados.El proceso de laminado consiste en calentar previamente los lingotes de acero fundido a una temperatura que permita la deformación del lingote por un proceso de estiramiento y desbaste que se produce en una cadena de cilindros a presión llamado tren de laminación. Estos cilindros van formando el perfil deseado hasta conseguir las medidas que se requieran. Las dimensiones de las secciones conseguidas de esta forma no se ajustan a las tolerancias requeridas y por eso muchas veces los productos laminados hay que someterlos a fases de mecanizado para ajustar sus dimensiones a la tolerancia requerida.

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14.1.3.2. ACERO FORJADO

La forja es el proceso que modifica la forma de los metales por deformación plástica cuando se somete al acero a una presión o a una serie continuada de impactos. La forja generalmente se realiza a altas temperaturas porque así se mejora la calidad metalúrgica y las propiedades mecánicas del acero.

El sentido de la forja de piezas de acero es reducir al máximo posible la cantidad de material que debe eliminarse de las piezas en sus procesos de mecanizado. En la forja por estampación la fluencia del material queda limitada a la cavidad de la estampa, compuesta por dos matrices que tienen grabada la forma de la pieza que se desea conseguir.

14.1.3.3. ACERO CORRUGADO

Es una clase de acero laminado usado especialmente enconstrucción, para emplearlo en hormigón armado. Se trata de barras de acero que presentan resaltos o corrugas que mejoran la adherencia con el hormigón. Está dotado de una gran ductilidad, la cual permite que a la hora de cortar y doblar no sufra daños, y tiene una gran soldabilidad, todo ello para que estas operaciones resulten más seguras y con un menor gasto energético.

Figura 34. Malla de Acero Corrugado

Las barras de producto corrugado tienen unas características técnicas que deben cumplir, para asegurar el cálculo correspondiente de las estructuras de hormigón

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Figura 33. Biela de motor acero forjado

armado. Entre las características técnicas destacan las siguientes, todas ellas se determinan mediante el ensayo de tracción:

Límite elástico Re (Mpa) Carga unitaria de rotura o resistencia a la tracción Rm (MPa) Alargamiento de rotura A5 (%) Alargamiento bajo carga máxima Agt (%) Relación entre cargas Rm/Re Módulo de Young

14.1.4. ESTAMPADO DEL ACERO

La estampación del acero consiste en un proceso de mecanizado sin arranque de viruta donde a la plancha de acero se la somete por medio de prensas adecuadas a procesos de embutición y estampación para la consecución de determinadas piezas metálicas. Para ello en las prensas se colocan los moldes adecuados.

Figura 35.Puerta automóvil troquelada y estancada

14.1.5. TROQUELACIÓN DEL ACERO

La troquelación del acero consiste en un proceso de mecanizado sin arranque de viruta donde se perforan todo tipo de agujeros en la plancha de acero por medio de prensas de impactos donde tienen colocados sus respectivos troqueles y matrices.14.1.6. APLICACIONESEl acero en sus distintas clases está presente de forma abrumadora en nuestra vida cotidiana en forma de herramientas, utensilios, equipos mecánicos y formando parte de electrodomésticos y maquinaria en general así como en las estructuras de las viviendas que habitamos y en la gran mayoría de los edificios modernos. En este contexto existe la versión moderna de perfiles de acerodenominada Metalcón.

Figura36. Cable de Acero Trenzado

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Los fabricantes de medios de transporte de mercancías (camiones) y los de maquinaria agrícola son grandes consumidores de acero.También son grandes consumidores de acero las actividades constructoras de índole ferroviario desde la construcción de infraestructuras viarias así como la fabricación de todo tipo de material rodante.Otro tanto cabe decir de la industria fabricante de armamento, especialmente la dedicada a construir armamento pesado, vehículos blindados y acorazados.También consumen mucho acero los grandes astilleros constructores de barcos especialmente petroleros, y gasistas u otros buques cisternas.Como consumidores destacados de acero cabe citar a los fabricantes de automóviles porque muchos de sus componentes significativos son de acero.A modo de ejemplo cabe citar los siguientes componentes del automóvil que son de acero:

Son de acero forjado entre otros componentes: cigüeñal, bielas, piñones, ejes de transmisión de caja de velocidades y brazos de articulación de la dirección.

De chapa de estampación son las puertas y demás componentes de la carrocería. De acero laminado son los perfiles que conforman el bastidor. Son de acero todos los muelles que incorporan como por ejemplo; muelles

de válvulas, de asientos, de prensa embrague, de amortiguadores, etc. De acero de gran calidad son todos los rodamientos que montan los automóviles. De chapa troquelada son las llantas de las ruedas, excepto las de alta gama que

son de aleaciones de aluminio. De acero son todos los tornillos y tuercas.

Cabe destacar que cuando el automóvil pasa a desguace por su antigüedad y deterioro se separan todas las piezas de acero, son convertidas en chatarra y son reciclados de nuevo en acero mediante hornos eléctricos y trenes de laminación o piezas de fundición de hierro.

14.2. FUNDICIONES

Se llama fundición a aquellas aleaciones de hierro y carbono, el porcentaje se encuentra entre el 2% y el 6%.

Debido a sus propiedades, las fundiciones suelen utilizarse para la realización de bloques, bancadas de máquinas, herramientas, soportes, bloques de motores, cuerpos de bombas etc.Las fundiciones no son buenas conductoras de la electricidad y el calor.

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Figura 37. Aleaciones de Hierro con Carbono

14.2.1. PROPIEDADES DE LAS FUNDICIONES

- Buena resistencia a la comprensión- Baja resistencia a la tracción- Resistencia a las vibraciones- Fragilidad- Moldeabilidad en caliente- Resistencia al desgaste.

Es el proceso de fabricación de piezas, comúnmente metálicas pero también de plástico, consistente en fundir un material e introducirlo en una cavidad, llamada molde, donde se solidifica.

Los materiales fundidos son la alternativa de fabricación de productos metálicos, para situaciones:

- Formas complejas.- Dificultad de Procesos de Deformación plástica (en estado sólido no todos

las aleaciones son deformables).- No disponibilidad de la aleación solicitada.- No elevada exigencia de tenacidad.

Para el moldeo se tienen dos tipos: moldeo en arena o en moldes permanentes.

El proceso más tradicional es la fundición en arena, por ser ésta un material refractario muy abundante en la naturaleza y que, mezclada con arcilla, adquiere cohesión y moldeabilidad sin perder la permeabilidad que posibilita evacuar los gases del molde al tiempo que se vierte el metal fundido.

Figura 38. Productos Fundidos

La fundición en arena consiste en colar un metal fundido, típicamente aleaciones de hierro, acero, bronce, latón y otros, en un molde de arena, dejarlo solidificar y posteriormente romper el molde para extraer la pieza fundida.

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Para la fundición con metales como el hierro o el plomo, que son significativamente más pesados que el molde de arena, la caja de moldeo es a menudo cubierta con una chapa gruesa para prevenir un problema conocido como "flotación del molde", que ocurre cuando la presión del metal empuja la arena por encima de la cavidad del molde, causando que el proceso no se lleve a cabo de forma satisfactoria.

Son aleaciones hierro-carbono donde el contenido de carbono varía entre 2,14% y 6,67% (aunque estos porcentajes no son completamente rígidos). Comúnmente las más usadas están entre los valores de 2,5% y 4,5%, ya que las de mayor contenido de carbono carecen de valor práctico en la industria. Además de hierro y carbono, lleva otros elementos de aleación como silicio, manganeso, fósforo, azufre y oxígeno.Seguirán el diagrama de equilibrio estable (Fe-C)(o su porción Fe-Fe3C) o metal estable dependiendo de distintos factores, principalmente de si se produce o no la grafitización.Obtienen su forma definitiva por colada, permitiendo la fabricación con relativa facilidad de piezas de grandes dimensiones y pequeñas complicadas. Son más baratas que los aceros y de fabricación más sencilla por emplearse instalaciones menos costosas y realizarse la fusión a temperaturas más bajas (además son fáciles de mecanizar). Actualmente, se fabrican fundiciones con excelentes propiedades mecánicas, haciéndole la competencia a los aceros tradicionales.

Se dividen en 2 tipos:

A) FUNDICIONES GRISES Presentan el carbono en forma de grafito laminar. Suelen estar aleados con silicio (elemento muy grafitizante). una lenta velocidad de enfriamiento favorece la formación de una fundición

gris ya que la lentitud en las reacciones favorece que se formen los constituyentes más estables: la cementita se transforma enferrita y grafito (grafitización). Son fácilmente mecanizables ya que el grafito favorece la salida de la viruta

B) FUNDICIONES BLANCAS El carbono aparece en forma de cementita. La cantidad de silicio es mínima. Las velocidades rápidas de enfriamiento favorece la formación de la cementita. Tienen una alta resistencia mecánica y dureza, pero también

granfragilidad (propiedades debidas a la cementita), por lo que son difíciles de mecanizar.

C) FUNDICIONES GRISESEl hierro fundido, hierro colado, más conocido como fundiciones grises un tipo de aleación conocida como fundición, cuyo tipo más común es el conocido como hierro fundido gris.

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Figura 39. Puente construido con piezas de hierro fundido

El hierro gris es uno de los materiales ferrosos más empleados y su nombre se debe a la apariencia de su superficie al romperse. Esta aleación ferrosa contiene en general más de 2% de carbono y más de 1% de silicio, además de manganeso, fósforo y azufre. Una característica distintiva del hierro gris es que el carbono se encuentra en general como grafito, adoptando formas irregulares descritas como “hojuelas”. Este grafito es el que da la coloración gris a las superficies de ruptura de las piezas elaboradas con este material.Las propiedades físicas y en particular las mecánicas varían dentro de amplios intervalos respondiendo a factores como la composición química, rapidez de enfriamiento después del vaciado, tamaño y espesor de las piezas, práctica de vaciado, tratamiento térmico y parámetros microestructurales como la naturaleza de la matriz y la forma y tamaño de las hojuelas de grafito.La mayoría de las fundiciones grises son aleaciones hipoeutécticas que contienen entre 2,5 y 4% de carbono. El proceso de grafitización se realiza con mayor facilidad si el contenido de carbono es elevado, las temperaturas elevadas y si la cantidad de elementos grafitizantes presentes, especialmente el silicio, es la adecuada.

Para que grafiticen la cementita eutéctica y la proeutectoide, aunque no la eutectoide, y así obtener una estructura final perlítica hay que controlar cuidadosamente el contenido de silicio y la velocidad de enfriamiento.

Fig.40. x100 pulida Fig.41. x100

El grafito adopta la forma de numerosas laminillas curvadas (Fig.42-45), que son las que proporcionan a la fundición gris su característica fractura grisácea o negruzca. Si la composición y la velocidad de enfriamiento son tales que la cementita eutectoide también se grafitiza presentará entonces una estructura totalmente ferrítica (Fig. 42, x100 pulida). Por el contrario, si se impide la grafitización de la

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cementita eutectoide, la matriz será totalmente perlítica (Fig. 43, x400). La fundición gris constituida por mezcla de grafito y la ferritaes la más blanda y la que menor resistencia mecánica presenta; la resistencia a la tracción y la dureza aumentan con la cantidad de carbono combinada que existe, alcanzando su valor máximo en la fundición gris perlítica.

Las figuras 44 y 45 muestran la microestructura de una fundición gris cuya matriz es totalmente perlítica. Además, en la micrografía a 200 aumentos –igual que en la Fig. 42- se observan como unos granos blancos, los cuales resueltos a mayores aumentos (Fig. 45, x400) son, en realidad, esteadita.

Figura 42. X200 Figura 43. X400

La mayoría de las fundiciones contienen fósforo procedente del mineral de hierro en cantidades variables entre 0,10 y 0,90%, el cual se combina en su mayor parte con el hierro formando fosfuro de hierro (Fe3P). Este fosfuro forma un eutéctico ternario con la cementita y la austenita (perlitaa temperatura ambiente) conocida como esteatita (Fig. 45), la cual es uno de los constituyentes normales de las fundiciones. La esteadita, por sus propiedades físicas, debe controlarse con todo cuidado para obtener unas características mecánicas óptimas.

ESTRUCTURALa composición típica para obtener una microestructura grafitica es de 2.5 a 4% de carbono y de 1 a 3% de silicio, el silicio juega un papel importante en diferenciar a la fundición gris de la fundición blanca, esto es debido a que el silicio es un estabilizador de grafito, esto significa que ayuda a precipitar el grafito desde los carburos de hierro. Otro factor importante que ayuda a la formación de grafito es la velocidad de solidificación de la colada, una velocidad lenta tenderá a producir más grafito y una matriz ferritica, una velocidad moderada tenderá a producir una mayor matriz perlitica, para lograr una matriz 100% ferritica, se debe someter la fundición a un tratamiento térmico de recocido.

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Propiedades según la ASTM A48 para las clases de Fundiciones Grises

ClaseResistencia a

la tracción [ksi]Resistencia a

la compresión[ksi]Módulo de tracción

(E) [106 psi]20 22 33 1030 31 109 1440 57 140 1860 62.5 187.5 21

Propiedades según la SAE J431 para los grados de Fundiciones Grises

Grado Dureza Brinell t/h† Descripción

G1800 120–187 135 Ferritica-Perlitica

G2500 170–229 135 Ferritica-Perlitica

G3000 187–241 150 Perlitica

G3500 207–255 165 Perlitica

G4000 217–269 175 Perlitica

†t/h = Resistencia a la tracción/Dureza Brinell

Un enfriamiento veloz suprimirá parcial o totalmente la formación de grafito y en cambio propiciará la formación de cementita, lo cual se conoce como Fundición Blanca.

Los enfriamientos lentos favorecen la formación de fundición gris por el contenido de grafito que presenta en su estructura microscópica laminillas de espesor muy pequeño, por el contrario enfriamientos rápidos favorecen la formación de fundiciones blancas.

Presenta frecuentemente fisuraciones, aunque resistentes a la corrosión en terrenos pocos agresivos y soportan muy bien los efectos de la abrasión, por la presencia del grafito laminar, que es el responsable del tipo de fisuración. Además, es imposible su soldadura. En conducciones de gran diámetro y en calles de tráfico intenso no se emplean.

La mayor parte del contenido de carbono en el hierro gris se da en forma de escamas o láminas de grafito, las cuales dan al hierro su color y sus propiedades deseables.El hierro gris se utiliza bastante en aplicaciones como bases o pedestales para máquinas, herramientas, bastidores para maquinaria pesada, y bloques de cilindros para motores de vehículos, discos de frenos, herramientas agrícolas entre otras.

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VENTAJAS Y DESVENTAJAS

La Fundición gris es una aleación común en la ingeniería debido a su relativo bajo costo y buena maquinabilidad, lo que es resultado de las bandas de grafito que lubrican el corte y la viruta. También tiene buena resistencia al desgaste, debido a que las "hojuelas" de grafito sirven de autolubricante. La fundición gris posee una rotura frágil, es decir, no es dúctil, por lo que no presenta deformaciones permanentes importantes antes de llevarla a su tensión de rotura: no es tenaz.Al tener una alta tensión de rotura, pero baja ductilidad, casi toda su curva de tensión alargamiento presente muchas zonas en donde las tensiones son proporcionales a las deformaciones: tiene mucha resiliencia, es decir, capacidad de absorber trabajo en el período elástico o de deformaciones no permanentes. El silicio promueve una buena resistencia a la corrosión e incrementa la fluidez de la colada de fundición, la fundición gris es considerada, generalmente, fácil de soldar.Comparada con otras aleaciones de hierro modernas, el hierro gris tiene una baja resistencia a la tracción y ductibilidad; por lo tanto su resistencia al impacto es casi inexistente.

EFECTOS SOBRE LA SALUDLas fundiciones, incluyendo también las de acero, se han reconocido (2009) como factores de riesgo para el cáncer de pulmón.

D) FUNDICIONES BLANCASSon aquellas en las que todo el carbono se encuentra combinado bajo la forma de cementita. Todas ellas son aleaciones hipoeutécticas y las transformaciones que tienen lugar durante su enfriamiento son análogas a las de la aleación de 2,5 % de carbono. No son adecuadas en la fabricación de tuberías.

Estas fundiciones se caracterizan por su dureza y resistencia al desgaste, siendo sumamente quebradiza y difícil de mecanizar. Esta fragilidad y falta de maquinabilidad limita la utilización industrial de las fundiciones " totalmente blancas ", quedando reducido su empleo a aquellos casos en que no se quiera ductilidad como en las camisas interiores de las hormigoneras, molinos de bolas, algunos tipos de estampas de estirar y en las boquillas de extrusión. También se utiliza en grandes cantidades, como material de partida, para la fabricación de fundición maleable.

Se forma al enfriar rápidamente la fundición de hierro desde el estado líquido, siguiendo el diagrama hierro-cementita meta estable; durante el enfriamiento, la austenita solidifica a partir dela aleación fundida en forma de dendritas. A los 1130°C el líquido alcanza la composición eutéctica (4.3%C) y se solidifica como un eutéctico de austenita y cementita llamado ledeburita. Este eutéctico aparece en su mayor parte como cementita blanca que rodea las dendritas deforma de helecho.

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Figura 44. Microestructura de la fundición blanca

Al enfriarse las fundiciones desde 1130°C hasta 723°C el contenido de carbono de la austenitavaría de 2 a 0.8%C al precipitarse cementita secundaria que se forma sobre las partículas de cementita ya presentes, a los 723°C la austenita se transforma en perlita, el eutectoide de los aceros. La fundición blanca se utiliza en cuerpos moledores por su gran resistencia al desgaste, el enfriamiento rápido evita la grafitización de la cementita pero si se calienta de nuevo la pieza colada a una temperatura de 870°C el grafito se forma lentamente adoptando una forma característica conocida como carbono de revenido, resultando la fundición maleable. La matriz dela fundición puede ser ferrítica o perlítica si la aleación se enfría más rápidamente a partir de los723°C al final del tratamiento de maleabilización. Las fundiciones maleables se utilizan en la fabricación de partes de maquinaria agrícola, industrial y de transporte.

La figura 47 muestra la microestructura típica de las fundiciones blancas, la cual está formada por dendritas de austenita transformada (perlita), en una matriz blanca de cementita. Observando la misma figura con más aumentos, vemos que las áreas oscuras son perlita (fig.46).

Figura 45, X100 Figura 46, X400

Como los constituyentes de este tipo de aleaciones son cementita y perlita, la morfología y distribución de las fases está determinada por la etapa de enfriamiento en que se formaron, por lo que se pueden clasificar en:

FUNDICIONES BLANCAS HIPOEUTÉCTICAS

Constituidas por dendritas de austenita primaria transformada en perlita y ledeburita transformada (su austenita también se transformó en perlita).

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Figura 47. Fundición blanca hipoeutécticara

FUNDICIONES BLANCAS EUTÉCTICASConstituidas por una estructura de ledeburitatransformada.

Figura 48. Fundición blanca eutéctica

FUNDICIONES BLANCAS HIPEREUTÉCTICASConstituidas por cristales de cementita primaria y ledeburita transformada.

Figura 49. Fundición blanca hipereutéctica.

Las propiedades de las fundiciones blancas se deben al alto contenido en cementita, siendo materiales que se caracterizan por su dureza y fragilidad, pero con una excepcional resistencia al desgaste y a la abrasión. Esta fragilidad y falta de maquinabilidad limitan su aplicación en ingeniería, aunque sí se emplean donde no se requiere ductilidad como, por ejemplo, en las camisas interiores de las hormigoneras, placas de revestimiento de molinos trituradores. Su principal uso es como material de partida para la fabricación de fundiciones maleables.

E) OTRAS FUNDICIONES

a) FUNDICION NODULAR

La fundición nodular, dúctil o esferoidal se produce en hornos cubilotes, con la fusión de arrabio y chatarra mezclados con coque y piedra caliza. La mayor parte

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del contenido de carbono en el hierro nodular, tiene forma de esferoides. Para producir la estructura nodular el hierro fundido que sale del horno se inocula con una pequeña cantidad de materiales como magnesio, cerio, o ambos. Esta microestructura produce propiedades deseables como alta ductilidad, resistencia,b uen maquinado, buena fluidez para la colada, buena endurecibilidad y tenacidad. No puede sertan dura como la fundición blanca, salvo que la sometan a un tratamiento térmico, superficial, especial. Este tipo de fundición se caracteriza porque en ella el grafito aparece en forma de esferasminúsculas y así la continuidad de la matriz se interrumpe mucho menos que cuando seencuentra en forma laminar, esto da lugar a una resistencia a la tracción y tenacidad mayores que en la fundición gris ordinaria. La fundición nodular se diferencia de la fundición maleable en que normalmente se obtiene directamente en bruto de colada sin necesidad de tratamiento térmico posterior. El contenido total de carbono de la fundición nodular es igual al de la fundición gris. Las partículas esferoidales de grafito se forman durante la solidificación debido a la presencia de pequeñas cantidades de magnesio o cerio, las cuales se adicionan al caldero antes de colar el metal a los moldes, la cantidad de ferrita presente en la matriz depende de la composición y de la velocidad de enfriamiento.

Figura 50. Microestructura de la fundición nodular ferrítico perlítica

Las fundiciones nodulares perlíticas presentan mayor resistencia pero menor ductilidad y maquinabilidad que las fundiciones nodulares ferríticas.

Cada día se están sustituyendo muchos elementos de máquinas que tradicionalmente eran de fundición gris o acero por fundición nodular.Las partículas esferoidales de grafito se forman durante la solidificación, debido a la presencia de pequeñas cantidades de alguno elemento de aleación formadores

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de nódulos, normalmente magnesio y cerio, los cuales se adicionan al caldero inmediatamente antes de pasar el metal a los moldes.

La cantidad de ferrita presente en la matriz en bruto de colada depende de la composición y de la velocidad de enfriamiento. Las fundiciones ferríticas (fig. 53) son las que proporcionan la máxima ductilidad, tenacidad y maquinabilidad.

Figura51. X100

Estas fundiciones, bien en bruto de fundición o tras haber sufrido un normalizado, pueden presentar también una matriz constituida en gran parte por perlita (fig. 52 y 53).

Figura52, X100 Figura53, X400

b) FUNDICION MALEABLE

La tendencia que presenta la cementita a dejar en libertad carbono, constituye la base de la fabricación de la fundición maleable. La reacción de descomposición se ve favorecida por las altas temperaturas, por la presencia de impurezas sólidas no metálicas, por contenidos de carbono más elevados y por la existencia de elementos que ayudan a la descomposición del Fe3C.

Los hierros maleables son tipos especiales de hierros producidos por el tratamiento térmico de la fundición blanca. Estas fundiciones se someten a rígidos controles y dan por resultado una microestructura en la cual la mayoría del carbono está en la forma combinada de cementita, debido a su estructura la fundición blanca es dura, quebradiza y muy difícil de maquinar.

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Figura 54. Microestructura de la fundición maleable ferrítica

La fundición blanca se produce en el horno de cubilote, su composición y rapidez de solidificación separa coladas que se transformarán con tratamiento térmico en hierro maleable. La fundición blanca también se utiliza en aplicaciones donde se necesita buena resistencia al desgaste tal como en las trituradoras y en los molinos de rodillos.La maleabilización tiene por objeto transformar todo el carbono que en forma combinada contiene la fundición blanca, en nódulos irregulares de carbono de revenido (grafito) y en ferrita. Industrialmente este proceso se realiza en dos etapas conocidas como primera y segunda fases de recocido.

La segunda fase del recocido consiste en un enfriamiento muy lento al atravesar la zona crítica en que tiene lugar la reacción eutectoide. Esto permite a la austenita descomponerse en las fases estables de ferrita y grafito. Una vez realizada la grafitización, la estructura no sufre ninguna nueva modificación durante el enfriamiento a temperatura ambiente, quedando constituida por nódulos de carbono de revenido (rosetas) en una matriz ferrítica (Fig. 55 y 56). Este tipo de fundición se denomina normal o ferrítica (Fig. 58).

Figura 55, X100

Figura 56, X100

Bajo la forma de rosetas, el carbono revenido no rompe la continuidad de la matriz ferrítica tenaz, lo que da lugar a un aumento de la resistencia y de la ductilidad. Si durante el temple al aire se consigue que el enfriamiento a través de la región eutectoide se realice con la suficiente rapidez, la matriz presentará una estructura totalmente perlítica.

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Figura 57, X50

Figura 58, X200

Si el enfriamiento en la región eutectoide no se realiza a la velocidad necesaria para que todo el carbono quede en forma combinada, las zonas que rodean los nódulos de carbono de revenido estarán totalmente grafitizadas mientras que las más distantes presentarán una estructura totalmente perlítica, debido al aspecto que presenta estas estructuras al microscopio, se conocen como estructura de ojo de buey (Fig.59 y 60). Este tipo de fundición también puede obtenerse a partir de la fundición maleable ferrítica mediante un calentamiento de esta última por encima de la temperatura crítica inferior, seguido de un enfriamiento rápido.

Las fundiciones maleables se moldean primero como fundiciones blancas (Cementita + Perlita, contienen grandes cantidades de hierro y sin grafito). Las fundiciones blancas son demasiado duras y frágiles, por lo que, se las somete a un tratamiento térmico, donde se las calienta en un horno de maleabilización para disociar el carburo de hierro de la fundición blanca en hierro y grafito. El grafito se presenta forma de nódulos.

Hay 2 tipos de fundiciones maleables:

DE CORAZÓN BLANCO (EUROPEA)

Por migración del C en núcleo, y por su oxidación en la superficie. La pieza debe ser de poco espesor (hasta 5mm), para que el enfriamiento sea rápido, y se forme un núcleo dúctil y blando (libre de C), con una superficie dura (alto % de C).

DE CORAZÓN NEGRO (AMERICANA)

Agrupación de C en sección por calentamiento del medio neutro (Arena, SiO2. El medio que rodea la pieza es neutro (SiO2), por lo que el Si, al tener más afinidad con el O, que con el C, hace que el C no se desplace hacia fuera. De esta forma queda un núcleo negro y duro.

APLICACIONES

Se las utiliza como accesorios para cañerías, transmisión y conducción delíquidos y gases, piezas pequeñas, o piezas de bajo espesor.

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Las piezas de fundición maleable son destinadas a ser empleadas en las máquinas agrícolas, donde los varios elementos están sometidos al choque y a esfuerzos de desgate y de tracción, en los automóviles y en los autocares, en las líneas de distribución eléctrica, uniones roscadas para tubos de agua, gas, vapor, y en general para la fabricación de todos aquellos órganos mecánicos que requieren, además de precisión, exactitud de dimensiones, resistencia y tenacidad.También los tubos de dirección, engranajes de transmisión y cajas de diferencial parala industria automovilística. Rebordes, muelles tabulares y partes de válvulas para ferrocarriles, marina y otros servicios.

c) FUNDICIÓN DÚCTIL

La adición de magnesio permite obtener una estructura microscópica con nódulos de grafito en forma esferoidal que concede la inexistencia de figuraciones, permite la soldadura, además presenta gran resistencia a la tracción.

Figura 59. Micrografía de la Fundición Dúctil (de grafito esferoidal)

CON GRAFITO ESFEROIDAL:

Se fabrican a partir de fundiciones grises en los que el grafito adopta morfología globular, gracias a la adición de pequeñas cantidades de Mg (Ca, Na, Ce,…), que actúan como desoxidantes, desulfurantes y estabilizadores de carburos.

La microestructura son esferoides de grafito dentro de una matriz que quedes ser perlita, ferrita o ferrito-perlítica. También se añaden elementos inoculantes, ya que la adición de Mg exclusivamente blanquearía totalmente la fundición.

Tiene resistencias parecidas a los aceros semiduros. Los valores de resilencia y alargamiento son superiores a los de las fundiciones ordinarias, pero inferiores a los aceros. Tiene un punto de fusión más bajo que cualquier otra aleación. Su alta resistencia al desgaste (elementos de máquinas y motores). La presencia de grafito que como autolubricante y facilita la maquinabilidad.

CON GRAFITO DIFUSO:

Son fundiciones con grafito esferoidal en partículas finísimas. En la microestructura aparece una gran cantidad de pequeñísimos nódulos de grafito repartidos uniformemente por la masa del metal.

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Se parte de una fundición blanca que se somete a temple y revenido (500ºC) seguido de un recocido a 780ºC en el que se produce la grafitización en forma difusa.

Contienen % elevados de Mn para obtener una fundición blanca de colada y facilitar el temple martensítico, También son susceptibles de tratamientos térmicos para obtener las propiedades mecánicas necesarias, presentando alargamientos superiores al 2% y buena resistencia a la fatiga.

FUNDICION ATRUCHADA

Se caracteriza por tener una matriz de fundición blanca combinada parcialmente con fundición gris. El carbono se encuentra libre y combinado, siendo difícilmente maquinable.

FUNDICION ALEADA

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Las fundiciones aleadas son aquellas que contienen Ni, Cr, Mo, Cu, etc., en porcentajes suficientes para mejorar las propiedades mecánicas de las fundiciones ordinarias o para comunicarles alguna otra propiedad especial, como alta resistencia al desgaste, alta resistencia a la corrosión, a1 calor etc.

EFECTOS DE LOS ELEMENTOS DE ALEACIÓN EN LAS FUNDICIONES

Los elementos de aleación modifican la microestructura de las fundiciones y con ello su dureza y resistencia, estando en ocasiones estos cambios influenciados, además, por una variación de la templabilidad. Los elementos de aleación modifican también como en los aceros, la situación de los puntos críticos y además ejercen una acción muy importante y compleja de la grafitización.En la tabla I se señala la influencia que los diversos elementos aleados ejercen sobre laformación del grafito y de los carburos y sobre las características de la matriz, y en la tabla II seseñala la influencia que tienen sobre los puntos críticos.Ciertos elementos como el Silicio, aluminio, níquel y cobre, que se disuelven en la ferrita, laendurecen y la hacen aumentar su resistencia, Son elementos que favorecen la grafitización.Otros elementos como el cromo, manganeso, y molibdeno son formadores de carburos, sonelementos que tienden a formar fundición blanca en vez de gris y dificultan la grafitización

15. METALES NO FERROSOS

Los metales no ferrosos son aquellos que incluyen elementos metálicos y aleaciones que no se basan en el hierro, algunos ejemplos son el aluminio, el cobre, el magnesio, el níquel, el zinc entre otros.

Aunque algunos metales no ferroso no pueden igualar la resistencia de los aceros, algunas aleaciones no ferrosas tienen otras características, como resistencia a la corrosión y relaciones resistencia-peso.

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Los metales no ferrosos principalmente los más importantes son 7: cobre, zinc, plomo, estaño, aluminio, níquel y manganeso. Hay otros elementos que con frecuencia se fusionan con ellos para preparar aleaciones de importancia comercial. También hay alrededor de 15 metales menos importantes que tienen usos específicos en la industria. Los metales no ferrosos se clasifican en tres grupos: Pesados: son aquellos cuya densidad es igual o mayor de 5 kg/dm³. Ligeros: su densidad está comprendida entre 2 y 5 kg/dm³. Ultraligeros: su densidad es menor de 2 kg/dm³.

15.1. PESADOS

A) ESTAÑO

Características: su densidad, su punto de fusión alcanza los 231ºC, tiene una resistencia de tracción de 5 kg/mm²; en estado puro tiene un color brillante pero a temperatura ambiente se oxida y lo pierde, en temperatura ambiente es muy blando y flexible, sin embargo en caliente en frágil y quebradizo, por debajo de -18 ºC se empieza a descomponer convirtiéndose en un polvo gris. Este proceso se conoce como peste de estaño; al doblarse se oye un crujido denominado grito de estaño Aleaciones: las más importantes son el bronce (cobre y estaño) y las soldaduras blandas (plomo + estaño con proporciones de este entre el 25% y el 90%) Aplicaciones: sus aplicaciones más importantes son la fabricación de hojalata y proteger el acero contra la oxidación.

B) COBRE

El cobre es uno de los metales más conocidos por los seres humanos desde la antigüedad, en la antigüedad se podía encontrar el elemento en forma pura, pero ahora es difícil encontrarlo en depósitos naturales, ahora se extrae principalmente de sulfuros.

Características: se encuentra en el cobre nativo, la calcopirita, la calcosina, la malaquita y la cuprita; su densidad es de 8,9 kg/dm, su punto de fusión es de 1083 ºC, su resistencia de tracción es de 18 kg/mm²; es dúctil, manejable y posee una alta conductividad eléctrica y térmica. Aleaciones: las más importantes son el bronce (cobre + estaño), latón que se compone por cobre y zinc.

La aleación de Cu más común es el Latón, donde el Zn actúa de soluto como principal elemento de aleación. El latón naval, el latón de cartuchería, el metal Muntz y el metal dorado son algunos de los latones más comunes.

Los bronces son aleaciones de Cu con Sn, Al, Si y Ni. Estas aleaciones son más resistentes que los latones y tienen gran resistencia a la corrosión. Generalmente se aplican cuando se requiere elevada resistencia a la corrosión y buena resistencia a la tracción.

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C) COBALTO

Características: su densidad es de 8,6 kg/dm³, su punto de fusión es de 1490 ºC; tiene propiedades análogas al níquel pero no es magnético. Aleaciones y aplicaciones: Reemplea para endurecer aceros para herramienta (aceros rápidos) y como elemento para fabricación de metales duros empleados para herramientas de corte.

15.2. LIGEROS

A) ALUMINIO

Características. Se obtiene de la bauxita, su densidad es de 2,7 kg/dm³, su punto de fusión es de 660 ºC, es muy ligero e inoxidable, es buen conductor de electricidad y del calor. Aleaciones y aplicaciones: Al +Mg: se emplea en la aeronáutica y automoción.

La resistencia mecánica del aluminio se logra por acritud y por aleación; sin embargo, ambos procesos disminuyen la resistencia a la corrosión. Los principales elementos de aleación son el Cu, Mg, Si, Mn y Zn. Las aleaciones no tratables térmicamente son capaces de endurecer por precipitación como consecuencia de la aleación.

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B) TITANIOEste material es medianamente abundante en la naturaleza, pero su importancia a crecido de década en década debido a sus aplicaciones aeroespaciales, en la cual se explota su peso ligero y su buena razón de resistencia-peso.

El coeficiente de expansión térmica del titanio es relativamente bajo comparado con otros materiales, siendo que muestra ser más rígido y fuerte que el aluminio; el titanio puro es reactivo, lo cual presenta problemas para su procesamiento, especialmente en su estado fundido.

- OBTENCIÓN

Se obtiene del rutilo (trióxido de titanio TiO3), el cual se trata con cloro en atmósfera inerte obteniéndose el tetracloruro de titanio (TiCl4). Tratando éste en atmósfera inerte con magnesio a elevadas temperaturas se obtiene el titanio puro.

- PROPIEDADES

Buena resistencia a la corrosión (más que el acero inoxidable), Buena resistencia mecánica, Ligero.

- APLICACIONES En aeronáutica, navegación, autocares, material bélico (proyectiles, misiles), transbordadores y naves espaciales. En forma de óxido y pulverizado como elemento antioxidante en la fabricación de pinturas.

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15.3. ULTRALIGEROSA) MAGNESIO

El magnesio es un material que se caracteriza por ser el más ligero de los metales estructurales, pero tiene a oxidarse fácilmente y es altamente inflamable.Características: se obtiene de la carnalita, dolomía y magnesita, su densidad es de 1,74 kg/dm³, su punto de fusión es de 650 ºC. En estado líquido y en polvo es muy inflamable, tiene un color blanco parecido al de la plata, es manejable, y es más resistente al aluminio. Aplicaciones: se emplea en estado duro, tiene pocas utilidades, excepto en la fabricación de productos pirotécnicos y como desoxidante en los talleres de fundición de acero. Color y brillo semejante a la plata.

- OBTENCIÓN

Principalmente a partir de sus minerales: magnesita, dolomita y carnalita.

- PROPIEDADES

Muy ligero, Más resistente que el aluminio, pero conduce peor la electricidad y el calor, Muy maleable y poco dúctil, No se oxida en presencia de aire seco, pero cuando hay humedad se corroe con facilidad, Se mecaniza bien.

- APLICACIONES

En estado puro tiene pocas aplicaciones, sólo en pirotecnia y en fotografía, ya que en su combustión desprende gran luminosidad.

- ALEACIONES DEL MAGNESIO

Sus principales aleaciones son con aluminio, cinc y manganeso. Tienen bajo peso específico (ligeros) y buena maquinabilidad. Se emplean en la fabricación de maquinaria, motores, trenes y automóviles de carreras.

B) BERILIO

Alto punto de fusión. Fuente de neutrones.

- APLICACIONES Pantallas de protección frente a radiaciones. Productos para generar energía nuclear. Principalmente en aleaciones con cobre, aluminio, níquel y hierro.

16.1. POLIMEROS

Un polímero (del griego poly, muchos; meros, parte, segmento) es una sustancia cuyas moléculas son, por lo menos aproximadamente, múltiplos de unidades de peso

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molecular bajo. La unidad de bajo peso molecular es el monómero. Si el polímero es rigurosamente uniforme en peso molecular y estructura molecular, su grado de polimerización es indicado por un numeral griego, según el número de unidades de monómero que contiene; así, hablamos de dímeros, trímeros, tetrámero, pentámero y sucesivos. El término polímero designa una combinación de un número no especificado de unidades. De este modo, el trióximetileno, es el trímero del formaldehído, por ejemplo.

16.1.1. CARACTERÍSTICAS Y PROPIEDADES GENERALES

Las propiedades y características de la mayoría de los plásticos (aunque no siempre se cumplen en determinados plásticos especiales) son estas:

- Fáciles de trabajar y moldear,- Tienen un bajo costo de producción,

- Poseen baja densidad,

- Suelen ser impermeables,

- Buenos aislantes eléctricos,

- Aceptables aislantes acústicos,

- Buenos aislantes térmicos, aunque la mayoría no resisten temperaturas muy elevadas,

- Resistentes a la corrosión y a muchos factores químicos;

- Algunos no son biodegradables ni fáciles de reciclar, y si se queman, son muy contaminantes.

16.1.2. CLASIFICACION

16.1.2.1. SEGÚN SU ORIGEN

POLÍMEROS NATURALES: Existen en la naturaleza muchos polímeros y las biomoléculas que forman los seres vivos son macromoléculas poliméricas. Por ejemplo, las proteínas, los ácidos nucleicos, los polisacáridos (como la celulosa y la quitina), el hule o caucho natural, la lignina, etc.

POLÍMEROS SEMISINTÉTICOS: Se obtienen por transformación de polímeros naturales. Por ejemplo, la nitrocelulosa, el caucho vulcanizado, etc.

POLÍMEROS SINTÉTICOS: Muchos polímeros se obtienen industrialmente a partir de los monómeros. Por ejemplo, el nylon, el poliestireno, el Policloruro de vinilo (PVC), el polietileno, etc.

16.1.2.2. SEGÚN SU COMPORTAMIENTO AL ELEVAR SU TEMPERATURA

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Para clasificar polímeros, una de las formas empíricas más sencillas consiste en calentarlos por encima de cierta temperatura. Según si el material funde y fluye o por el contrario no lo hace se diferencian dos tipos de polímeros:

A) TERMOPLÁSTICOS: que fluyen (pasan al estado líquido) al calentarlos y se vuelven a endurecer (vuelven al estado sólido) al enfriarlos. Su estructura molecular presenta pocos (o ningún) entrecruzamientos. Ejemplos: polietileno (PE), polipropileno (PP), cloruro de polivinilo PVC.

a) POLIETILENO (PE)

Es un termoplástico fabricado a partir del etileno, en forma de gránulos o de polvo blanco. Todos los polímeros derivados del etileno tienen una gran resistencia a los productos químicos, ácidos, bases, aceites, grasas, disolventes.

El etileno según la temperatura a que se someta puede transformarse en dos tipos de polímeros.

CARACTERÍSTICAS USOS Y APLICACIONES

POL. DE ALTA DENSIDAD (PEAD)

Figura 61. Botes de basura hechos con Pol. de alta densidad

Resiste a las bajas temperaturas, irrompible, impermeable, no tóxico.

Se utiliza para fabricar bolsas, cajas de botellas, tuberías, juguetes, cascos de seguridad laboral.También en la construcción se utiliza en tuberías par gas, agua potable, drenaje, etc.

POL. DE BAJA DENSIDAD (PEBD)

Figura 62. Pol.de alta densidad

Gran flexibilidad, extraordinaria resistencia química y dieléctrica, resistente a las bajas temperaturas, irrompible, impermeable, y no tóxico. Es versátil, barato y fácil de fabricar.

Se utiliza para fabricar bolsas flexibles, embalajes industriales, techos de invernaderos agrícolas. También gracias a su resistencia dieléctrica se utilizan para aislante de cables eléctricos.

b) POLIPROPILENO (PP)Es un termoplástico que se obtiene por polimerización del polietileno.

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CARACTERÍSTICAS- Plástico rígido de alta cristalinidad y elevado punto de fusión,

excelente resistencia química y baja densidad.- Barato, resistente a la temperatura y no tóxico.

Figura 63. Sobres hechos con polipropileno

USOS Y APLICACIONES- Soporta temperaturas cercanas a los 100ºC por lo que se utiliza

para tuberías de fluidos calientes.- Piezas de automóviles (parachoques), y electrodomésticos, cajas

de baterías, jeringas desechables, tapas en general, envases, baldes.

- Al tener una estructura lineal se utiliza para rafias, monofilamentos, cintas para embalajes.

c) POLIESTIRENO(PS)

CARACTERISTICASEstructuralmente, es una larga cadena hidrocarbonada, con un grupo fenilo unido cada dos átomos de carbono.Es termoplástico y fácilmente moldeable a través de procesos de: inyección, termo formado, soplado.Las materias primas para la elaboración del estireno son el etileno y el benceno:

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- No toxico. - Transparente- Fácil de serigrafiar- Fácil de manipular

Figura 64. Envases para alimentos hechos de poliestireno

CLASES DE POLIESTIRENO

PS CRISTAL: es un polímero de estireno monómero, cristalino y de alto brillo.

PS ALTO IMPACTO: es un polímero de estireno monómero con oclusiones de poli butadieno que le confiere alta resistencia al impacto.

PS EXPANDIDO: que es una espuma.

USOS Y APLICACIONESSe usa en envases, vasos, platos y cubiertos, neveras portátiles, juguetes, aislantes térmicos y acústicos.

d) POLICLORURO DE VINILO (PVC)

Estructuralmente el PVC es similar al polietileno. A este polímero termoplástico es necesario añadirle aditivos, plastificantes, elastificantes, cargas y otros polímeros para que adquiera las propiedades que permitan su utilización en las diversas aplicaciones.

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Figura 65. Tubos de PVC

CARACTERÍSTICAS- Buenas propiedades de aislamiento.- Fácil de manipular, se puede recortar.- Resistente a la intemperie, no tóxico.- Resistente a los agentes químicos y corrosivos.

USOS Y APLICACIONES- Envases, perfiles y marcos para ventanas.- Tuberías de desagüe.- Juguetes, envolturas par golosinas.- Tableros para mesas de trabajo.- Aparatos electrodomésticos.

B) TERMOESTABLES: que no fluyen, y lo único que conseguimos al calentarlos es que se descompongan químicamente, en vez de fluir. Este comportamiento se debe a una estructura con muchos entrecruzamientos, que impiden los desplazamientos relativos de las moléculas.

C) ELASTÓMERO: plásticos con un comportamiento elástico que pueden ser deformados fácilmente sin que se rompan sus enlaces o modifique su estructura.

16.1.2.3. SEGÚN SUS APLICACIONES

Atendiendo a sus propiedades y usos finales, los polímeros pueden clasificarse en:

A) ELASTÓMEROS: Son materiales con muy bajo módulo de elasticidad y alta extensibilidad; es decir, se deforman mucho al someterlos a un esfuerzo pero recuperan su forma inicial al eliminar el esfuerzo. En cada ciclo de extensión y contracción los elastómeros absorben energía, una propiedad denominada resiliencia.

Figura 66. Objetos fabricados con elastómeros

B) PLÁSTICOS: Son aquellos polímeros que, ante un esfuerzo suficientemente intenso, se deforman irreversiblemente, no pudiendo volver a su forma

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original. Hay que resaltar que el término plástico se aplica a veces incorrectamente para referirse a la totalidad de los polímeros.

Figura 67. Objetos de plástico

C) FIBRAS: Presentan alto módulo de elasticidad y baja extensibilidad, lo que permite confeccionar tejidos cuyas dimensiones permanecen estables.

Figura 68. Compuestos y productos de fibra plástica

D) RECUBRIMIENTOS: Son sustancias, normalmente líquidas, que se adhieren a la superficie de otros materiales para otorgarles alguna propiedad, por ejemplo resistencia a la abrasión.

Figura 69. Recubrimiento y piso recubierto con este tipo de polietileno

E) ADHESIVOS: Son sustancias que combinan una alta adhesión y una alta cohesión, lo que les permite unir dos o más cuerpos por contacto superficial.

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Figura 70. Adhesivos

17. MATERIALES CERÁMICOS

Un material cerámico es un tipo de material inorgánico, formado por la combinación de elementos metálicos y no-metálicos cuyos enlaces interatómicos pueden ser de carácter totalmente iónico ó predominante iónico con algún carácter covalente. Un material cerámico es buen aislante y además tiene la propiedad de tener una temperatura de fusión y resistencia muy elevada. Así mismo, su módulo de Young (pendiente hasta el límite elástico que se forma en un ensayo de tracción) también es muy elevado (lo que llamamos fragilidad).

17.1. PROPIEDADES

- Su principal desventaja es la tendencia a la fractura catastrófica de forma frágil con muy poca absorción de energía.

- A T=ambiente las cerámicas cristalinas y no cristalinas se rompen antes de la deformación plástica en respuesta a la carga aplicada.

- La fractura frágil es la formación y propagación de fisuras a través de la sección de un material en dirección perpendicular a la carga aplicada.

- El crecimiento de grietas ocurre a través de los granos y a lo largo de determinados planos cristalográficos (planos de clivaje) los cuales son de alta densidad atómica.

17.2. CLASIFICACIÓN

17.2.1. CERÁMICOS TRADICIONALES

A) ARCILLALa arcilla está constituida por agregados de silicatos de aluminio hidratados, procedentes de la descomposición de minerales de aluminio. Presenta diversas coloraciones según las impurezas que contiene, siendo blanca cuando es pura. Surge de la descomposición de rocas que contienen feldespato, originada en un proceso natural que dura decenas de miles de años. Físicamente se considera un coloide, de partículas extremadamente pequeñas y superficie lisa. El diámetro de las partículas de la arcilla es inferior a 0,002 mm. En la fracción textural arcilla puede haber partículas no minerales, los fitolitos.Se caracteriza por adquirir plasticidad al ser mezclada con agua, y también sonoridad y dureza al calentarla por encima de 800°C. La arcilla endurecida mediante la acción del fuego fue la primera cerámica elaborada por los seres

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humanos, y aún es uno de los materiales más baratos y de uso más amplio. Ladrillos, utensilios de cocina, objetos de arte e incluso instrumentos musicales como la ocarina son elaborados con arcilla. También se la utiliza en muchos procesos industriales, tales como en la elaboración de papel, producción de cemento y procesos químicos.

Figura 71. Modelado en arcilla

B) SÍLICE

La sílice (Si O2), también llamada Silex o Cuarzo, es el material refractario de los cerámicos tradicionales, se caracteriza por resistir altas temperaturas sin sufrir ningún tipo de deterioro en sus condiciones internas. Sus principales aplicaciones son: Como materiales en hornos de alta temperatura, como aislantes térmicos, fabricación de microprocesadores, etc.

Figura 72. Microprocesadores fabricados con sílice

C) FELDESPATOS

Son los minerales primarios más abundantes de la corteza terrestre y en los suelos son constituyentes importantes de la arena y el limo. Además, es una de las principales fuentes de potasio y Calcio, los cuales pueden ser liberados de los feldespatos por procesos de meteorización.

Los feldespatos constituyen un grupo natural de gran importancia por el papel que desempeñan en las rocas eruptivas, tales como el granito, la sienita, el pórfido y la traquita, y en las rocas metamórficas como el gneis.

Forman el grupo de minerales más amplio de la naturaleza, y son constituyentes fundamentales de las rocas ígneas. Los feldespatos se dividen en dos grandes

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grupos: el grupo de la ortosa, o feldespatos potásicos, y el grupo de las plagioclasas, o feldespatos sódicos-cálcicos.

Aplicación:

Materia prima fundamental en las industrias de la cerámica, sanitarios, vidrio y porcelana, en la fundición en arena, elaboración de pinturas, etc.

Figura 73. Pintura fabricada con feldespato como materia prima

principal

17.2.2. CERÁMICOS TECNICOS O AVANZADOS

A) AÚMINASAlúmina es el oxido de aluminio (Al2O3). Junto con la sílice, es el ingrediente más importante en la constitución de las arcillas y los barnices, impartiéndoles resistencia y aumentando su temperatura de maduración.Es un material cerámico muy versátil, sus propiedades la hacen especialmente apta para aplicaciones en donde la temperatura es un factor crítico, además de su relativa facilidad para adaptarse a diversos trabajos y usos.La alúmina se emplea frecuentemente para aplicaciones eléctricas de buena calidad, prótesis dentales, etc.

Figura 74. Prótesis dentales fabricadas a partir de alúminas

B) NITRURO DE SILICIO Los materiales cerámicos con base de nitruro tienen una combinación muy útil de propiedades mecánicas ingenieriles, como resistencia razonable, resistencia al impacto, y propiedades refractarias. Las aplicaciones para los cerámicos con base se Si3N4, incluyen herramientas de corte, rodillos antifricción, y cojinetes de bolas, así como componentes para motores de combustión interna.

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Figura 75. Cojinete de bolas

C) CARBURO DE SILICIOEl carburo del silicio ha sido el material más se ha empleado para los usos de cerámicas estructurales. Las características tales como expansión térmica relativamente baja, el alto radio fuerza-peso, alta conductividad térmica, dureza, resistencia a la abrasión y a la corrosión, y lo más importantemente, el mantenimiento de la resistencia elástica a temperaturas de hasta 1650 ºC, han conducido a una amplia gama de usos. Además, es posible producir cantidades grandes de polvos puros del carburo del silicio y formas requeridas del componente.Debido a sus características de resistencia a la termofluencia, se usa en toberas, tubos de intercambiadores de calor y componentes de hornos de difusión.

Figura 76. Ruedas de Carburo de Silicio

D) VIDRIO

Sustancia amorfa fabricada sobre todo a partir de sílice (SiO2) fundida a altas temperaturas con boratos o fosfatos. También se encuentra en la naturaleza, por ejemplo en la obsidiana, un material volcánico, o en los enigmáticos objetos conocidos como tectitas. El vidrio es una sustancia amorfa porque no es ni un sólido ni un líquido, sino que se halla en un estado vítreo en el que las unidades moleculares, aunque están dispuestas de forma desordenada, tienen suficiente cohesión para presentar rigidez mecánica. El vidrio se enfría hasta solidificarse sin que se produzca cristalización; el calentamiento puede devolverle su forma líquida. Suele ser transparente, pero también puede ser traslúcido u opaco. Su color varía según los ingredientes empleados en su fabricación.

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El vidrio fundido es maleable y se le puede dar forma mediante diversas técnicas. En frío, puede ser tallado. A bajas temperaturas es quebradizo y se rompe con fractura concoidea (en forma de concha de mar).

Figura 77. Botellas de vidrio

18. MATERIALES COMPUESTOS

Mezcla de materiales: madera, fibra de vidrio, fibra de carbono, polímeros rellenos. Se caracterizan por aprovechar las ventajas de los materiales anteriores, evitando algunas de sus debilidades. Estos materiales son ligeros, rígidos y resistentes e, incluso pueden ser tenaces. Por esta razón no pueden usarse por encima de 250°C, aunque existen otras interesantes posibilidades de composición, tanto para la matriz como para el refuerzo, resistiendo a temperaturas superiores.

18.1. CARACTERÍSTICAS

- Están formados de 2 o más componentes distinguibles físicamente y separables mecánicamente.

- Presentan varias fases químicamente distintas, completamente insolubles entre sí y separadas por una interfase.

- Sus propiedades mecánicas son superiores a la simple suma de las propiedades de sus componentes (sinergia).

- No pertenecen a los materiales compuestos, aquellos materiales polifásicos; como las aleaciones metálicas, en las que mediante un tratamiento térmico se cambian la composición de las fases presentes.

18.2. CLASIFICACIÓN

Los materiales compuestos se pueden dividir en tres grandes grupos:

A) MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON PARTÍCULAS.

Están compuestos por partículas de un material duro y frágil dispersas discreta y uniformemente, rodeadas por una matriz más blanda y dúctil

TIPOS: Compuestos endurecidos por dispersión Compuestos con partículas propiamente dichas

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a) Compuestos endurecidos por dispersión: El tamaño de la partícula es muy pequeño (diámetro entre 100 -2500 μm). A temperaturas normales, estos compuestos no resultan más resistentes que las aleaciones, pero su resistencia disminuye inversamente con el aumento de la temperatura. Su resistencia a la termofluencia es superior a la de los metales y aleaciones.

Sus principales propiedades son:

La fase es generalmente un óxido duro y estable. Deben unirse correctamente los materiales.

B) MATERIALES COMPUESTOS REFORZADOS CON FIBRAS

Un componente suele ser un agente reforzante como una fibra fuerte: fibra de vidrio, cuarzo, kevlar, Dyneema o fibra de carbono que proporciona al material su fuerza a tracción, mientras que otro componente (llamado matriz) que suele ser una resina como epoxy o poliéster que envuelve y liga las fibras, transfiriendo la carga de las fibras rotas a las intactas y entre las que no están alineadas con las líneas de tensión. También, a menos que la matriz elegida sea especialmente flexible, evita el pandeo de las fibras por compresión. Algunos compuestos utilizan un agregado en lugar de, o en adición a las fibras.

En términos de fuerza, las fibras (responsables de las propiedades mecánicas) sirven para resistir la tracción, la matriz (responsable de las propiedades físicas y químicas) para resistir las deformaciones, y todos los materiales presentes sirven para resistir la compresión, incluyendo cualquier agregado.

Los golpes o los esfuerzos cíclicos pueden causar que las fibras se separen de la matriz, lo que se llama delaminación.

Son materiales que contienen fibras en su interior; así, se forman por la introducción de fibras fuertes, rígidas y frágiles dentro de una matriz más blanda y dúctil. Se consigue mejor resistencia (incluso a altas temperaturas), rigidez y alta relación resistencia/peso.

El material de la matriz transmite la fuerza a las fibras y proporciona ductilidad y tenacidad, mientras que las fibras soportan la mayor parte de la fuerza aplicada.

FIBRA DE VIDRIOEl vidrio se caracteriza por ser un material de alta dureza, transparente y frágil. Mientras se encuentra fundido es manuable o maleable. En su composición se encuentran el sílice, carbonato de sodio y cal. Sus principales propiedades son: buen aislamiento térmico, inerte ante ácidos, soporta altas temperaturas. Las características del material permiten que la Fibra de Vidrio sea moldeable con mínimos recursos, la habilidad artesana suele ser suficiente para la autoconstrucción de piezas de bricolaje tales como kayak, cascos de veleros, terminaciones de tablas

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de surf o esculturas, etc. Debe tenerse en cuenta que los compuestos químicos con los que se trabaja en su moldeo dañan la salud, pudiendo producir cáncer. Su densidad es 1,6 en tanto que la resistencia en relación a la tracción es 400 a 500 N/mm.

Los materiales compuestos de plástico y fibra de vidrio tienen entre otras las siguientes características: buena relación resistencia/peso, buena estabilidad dimensional, buena resistencia al calor, al frío, y a la humedad, aislantes de la electricidad, fáciles de fabricar y relativamente baratos.

Figura 78. Fibra de Vidrio

CARACTERÍSTICAS

- Alta adherencia fibra-matriz- Resistencia mecánica, con una resist. Específica

(tracción/densidad) superior a la del acero.- Estabilidad dimensional (bajo coef. de dilatación)- Compatibilidad con las materias orgánicas.- Excesiva flexibilidad.

19. PROCESOS DE CONFORMADO19.1. FORJADO

La forja, al igual que la laminación y la extrusión, es un proceso de conformado por deformación plástica que puede realizarse en caliente o en frío y en el que la deformación del material se produce por la aplicación de fuerzas de compresión.Este proceso de fabricación se utiliza para dar una forma y unas propiedades determinadas a los metales y aleaciones a los que se aplica mediante grandes presiones. La deformación se puede realizar de dos formas diferentes: por presión, de forma continua utilizando prensas, o por impacto, de modo intermitente utilizando martillos pilones.Hay que destacar que es un proceso de conformado de metales en el que no se produce arranque de viruta, con lo que se produce un importante ahorro de material respecto a otros procesos, como por ejemplo el mecanizado.

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16.1.1. TIPOSA) FORJA LIBREEs el tipo de forja industrial más antiguo y se caracteriza porque la deformación del metal no está limitada (es libre) por su forma o masa. Se utiliza para fabricar piezas únicas o pequeños lotes de piezas, donde normalmente éstas son de gran tamaño. Además este tipo de forja sirve como preparación de las preformas a utilizar en forjas por estampa. También puede encontrarse como forja en dados abiertos.B) FORJA CON ESTAMPAEste tipo de forja consiste en colocar la pieza entre dos matrices que al cerrarse conforman una cavidad con la forma y dimensiones que se desean obtener para la pieza. A medida que avanza el proceso, ya sea empleando martillos o prensas, el material se va deformando y adaptando a las matrices hasta que adquiere la geometría deseada. Este proceso debe realizarse con un cordón de rebaba que sirve para aportar la presión necesaria al llenar las zonas finales de la pieza, especialmente si los radios de acuerdo de las pieza son de pequeño tamaño y puede estar sin rebaba, dependiendo de si las matrices llevan incorporada una zona de desahogo para alojar el material sobrante (rebaba) o no. Se utiliza para fabricar grandes series de piezas cuyas dimensiones y geometrías pueden variar ampliamente. Las dimensiones de estas piezas van desde unos pocosmilímetros de longitud y gramos de peso hasta varios metros y toneladas, y sus geometrías pueden ser simples o complejas.también puede encontrarse como forja en dados cerrados.

C) RECALCADO

A diferencia de los procesos anteriores que se realizan en caliente, este además puede realizarse en frío. Consiste en la concentración o acumulación de material en una zona determinada y limitada de una pieza (normalmente en forma de barra). Por tanto, una consecuencia directa de este proceso es que disminuye la longitud de la barra inicial y aumenta la sección transversal de ésta en la zona recalcada.Si el proceso se realiza en frió y en los extremos de las piezas se denomina encabezado en frío.

16.1.2. FORJADO ISOTÉRMICO

El forjado isotérmico es una categoría especial dentro de los procesos de forja en la cual la temperatura de los troqueles es significativamente superior a la utilizada en procesos de forja convencional. Concretamente, la temperatura de los troqueles es la misma que la de las piezas a forjar. Este proceso permite utilizar tiempos extremadamente lentos de deformación, lo que a su vez produce piezas limpias e uniformes, en las cuales casi no es necesario un proceso posterior de mecanizado, quedando listas para su uso en muchos casos.

Ventajas

El principal criterio para seleccionar este proceso de conformado es la ventaja económica que ofrece debido a la reducción de entrada de material y/o la reducción del mecanizado posterior. Por eso es usado principalmente en aleaciones caras y difíciles de mecanizar como aleaciones de titanio o de base níquel.

Las principales ventajas son las siguientes:

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Reducción del coste de material. Debido a una utilización significativamente inferior de material por pieza.

Reducción del mecanizado posterior. Debido a la gran precisión en la obtención de las formas geométricas deseadas así como de las tolerancias permitidas de cada pieza.

Uniformidad del producto resultante. Con este proceso se obtienen unas piezas con propiedades mecánicas uniformes debido a las pocas o inexistentes gradientes térmicas resultantes durante el proceso de forjado a lo largo de la pieza, propias de los otros procesos de forjado.

Forjabilidad. Este punto es especialmente importante debido a que con este método de forjado se pueden forjar ciertos materiales que no podrían forjarse con otros métodos. Un ejemplo de dichos materiales sería la aleación alloy 100 que produce múltiples roturas en la pieza usando métodos convencionales de forja.

Efecto que produce el forjado isotérmico

Orientación de la fibra: las propiedades mecánicas del producto variarán, mejorándolas si el esfuerzo se aplica en la dirección de la fibra formada por el proceso y empeorándolas si se aplica en dirección perpendicular.

Afinamiento del grano: esto se produce a temperaturas superiores a la de recristalización pero inferiores a la de equicohesión y la forja se realiza con martillos pilones, de modo intermitente. En cambio, el afinamiento no se producirá si se supera la temperatura de equicohesión y la forja se realiza utilizando prensas, de forma continua.

Eliminación de cavidades, poros, sopladuras, etc.: debido a las enormes presiones a las que el material es sometido en la operación, éste es compactado y desaparecen las cavidades, poros, sopladuras, etc. (siempre que las paredes de estos defectos no estén oxidadas).

Aleaciones forjadas y aplicaciones en la industria

Las aleaciones forjadas que se utilizan en este proceso son: aleaciones de titanio como ti-6al-4v, ti-6al-2sn-4zr-2mo y ti-10v-2fe-al, superaleciones como alloy 100, alloy 95, alloy 718 y waspaloy. En el caso de las aleaciones de titanio, el forjado se realiza a una temperatura de 760º a 815ºc, mientras que en las superaleaciones como la alloy 100, el rango de temperaturas es mucho más pequeño.Algunas piezas que usualmente se forjan con este proceso son: componentes estructurales aeronáuticos, piezas de turbinas y otros componentes aeronáuticos y de motores. También se utiliza en la producción de piezas mecánicas de acero más simple y económico como lo son algunas partes de la transmisión y del motor de un automóvil, debido al incremento de la productividad en la cadena de producción al reducir los tiempos de fabricación de las piezas y a la reducción del uso de maquinaria de mecanizado.

16.1.3. FORJA ARTESANAL

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En este caso, la forja es el arte y el lugar de trabajo del forjador o herrero, cuyo trabajo consiste en dar forma al metal por medio del fuego y del martillo.Una forja contiene básicamente una fragua para calentar los metales (normalmente compuestos de hierro), un yunque y un recipiente en el cual se pueden enfriar rápidamente las piezas forjadas para templarlas. Las herramientas incluyen tenazas para sostener el metal caliente y martillos para golpearlo.En la forja se modela el metal por deformación plástica y es diferente de otros trabajos del metal en los que se elimina parte del material mediante brocas, fresadoras, torno, etc., y de otros procesos por los que se da forma al metal fundido vertiéndolo dentro de un molde(fundición).Al tratarse de un oficio casi en extinción, hay muy pocos artistas forjadores que realmente utilizan el hierro de forma artesanal.

Figura 79. Forjado del metal

Materiales a los que se aplica

Este proceso puede aplicarse a:

Metales puros: aluminio, cobre, titanio y cinc. aleaciones: acero, de aluminio, de cobre, de magnesio y bronces.

16.2. TREFILADO

Se entiende por trefilar a la operación de conformación en frío consistente en la reducción de sección de un alambre o varilla haciéndolo pasar a través de un orificio cónico practicado en una herramienta llamada hilera o dado. Los materiales más empleados para su conformación mediante trefilado son el acero, el cobre, el aluminio y los latones, aunque puede aplicarse a cualquier metal o aleación dúctil.

16.2.1. CARACTERÍSTICAS

El trefilado propiamente dicho consiste en el estirado del alambre en frío, por pasos sucesivos a través de hileras, dados o trefilas decarburo de tungsteno cuyo diámetro es paulatinamente menor. Esta disminución de sección da al material una cierta acritud en beneficio de sus características mecánicas.Dependiendo de la longitud y el diámetro de las barras a trabajar, varían las reducciones que se pueden llegar a obtener mediante este proceso. A las barras de hasta 15 mm de diámetro o mayores, se les suele dar una ligera pasada para mejorar el acabado superficial y las tolerancias dimensionales reduciendo su diámetro hasta 1,5 mm. En otros tamaños más pequeños, se puede llegar a

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conseguir reducciones del 50%, y en otros alambres de hasta el 90% en pasadas sucesivas, partiendo en un estado del material de recocido y antes de que necesite un nuevo recocido con el fin de eliminar su acritud. Se fabrican alambres de hasta 0,025 mm y menores, variando el número de hileras por los que pasa el alambre y con varios recocidos de por medio.La disminución de sección en cada paso es del orden de un 20% a un 25% lo que da un aumento de resistencia entre 10 y 15 kg/mm2. Pero alcanzado cierto límite, variable en función del tipo de acero, no es aconsejable continuar con el proceso de trefilado pues, a pesar que la resistencia a tracción sigue aumentando, se pierden otras características como la flexión.Las ventajas que aporta el trefilado propias del conformado en frío son las siguientes: buena calidad superficial, precisión dimensional, aumento de resistencia y dureza, y por supuesto la posibilidad de producir secciones muy finas.

16.2.2. MANDRILES PARA EL TREFILADO

Muchas de las varillas, alambres, tubos de pared estrecha y perfiles especiales, se producen mediante un trefilado en frío. Dependiendo del producto que queramos obtener, realizaremos un trefilado simple, con mandril fijo o con mandril flotante:

Figura 80. Diferencias del trefilado16.2.3. PROCESO

Las diferentes operaciones que se realizan durante este proceso son: PATENTADO: tratamiento térmico que consiste en calentar el alambre hasta

950 °c, y una vez alcanzada dicha temperatura; enfriarlo bruscamente en un baño de plomo a 500 °c. Este tratamiento tiene por objeto dar al alambre una estructura dúctil que permite el trefilado

DECAPADO. Consiste en preparar y limpiar el material, eliminando el óxido que puede haberse formado en las superficies del material, en laminaciones anteriores. Normalmente se hace mediante ataques químicos y posteriormente se realiza una limpieza con agua a presión.

TREFILADO. Los lubricantes y diferentes máquinas son los factores principales. Se suele utilizar de lubricantes la parafina y el grafito en solución coloidal o finamente dividido.

ACABADO. Una vez que ya ha salido el material de la hilera, se le somete a operaciones de enderezamiento, eliminación de tensiones y, a veces, algunos

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tratamientos isotérmicos para conseguir mejoras en las características mecánicas del producto.

16.2.4. EQUIPO NECESARIO

Las máquinas utilizadas para realizar este proceso se denominan trefiladoras. En ellas se hace pasar el alambre a través de las hileras, como se ha descrito anteriormente. Para lograrlo el alambre se enrolla en unos tambores o bobinas de tracción que fuerzan el paso del alambre por las hileras. Estas hileras se refrigeran mediante agua y las bobinas o tambores de tracción se refrigeran normalmente con agua y aire. Las trefiladoras pueden ser de acumulación en las que no hay un control de velocidad estricto entre pasos o con palpadores en las que sí se controla la velocidad al mantener el palpador una tensión constante.

Proceso de obtención del alambre

Tras el proceso de fundición del acero, se obtiene la palanquilla, de sección cuadrada, después por laminación en caliente se obtienen los rollos de alambrón con cascarilla. Este sufre un tratamiento térmico de austempering o patentado durante el cual, la austenita se transforma en bainita. La estructura bainítica da al material una ductilidad suficiente para facilitar su deformación en frío durante el proceso de trefilado.Si se trata de alambres de acero con un bajo contenido en carbono, es suficiente un recocido, que recristaliza la ferrita dejando el material apto para trefilar.El alambre así tratado pasa a continuación por un proceso de desoxidación en medio ácido, en el cual se eliminan los óxidos y la cascarilla que lo recubren al salir del horno de patentado. Antes del trefilado conviene proteger la superficie del alambre con una capa de fosfatos, (bonderización) o bien cobre, cal u otro depósito que servirá de soporte del lubricante de trefilería.

Figura 81. Proceso de obtención del alambre

16.3. EXTRUSIÓN

La extrusión es un proceso utilizado para crear objetos con sección transversal definida y fija. El material se empuja o se extrae a través de un troquel de una sección transversal deseada. Las dos ventajas principales de este proceso por encima de

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procesos manufacturados son la habilidad para crear secciones transversales muy complejas y el trabajo con materiales que son quebradizos, porque el material solamente encuentra fuerzas de compresión y de cizallamiento. También las piezas finales se forman con una terminación superficial excelente.La extrusión puede ser continua (produciendo teóricamente de forma indefinida materiales largos) o semicontinua (produciendo muchas partes). El proceso de extrusión puede hacerse con el material caliente o frío. Los materiales extruidos comúnmente incluyen metales, polímeros, cerámicas, hormigón y productos alimenticios.

16.3.1. TIPOSA) EXTRUSIÓN DIRECTA

La extrusión directa, también conocida como extrusión delantera, es el proceso más común de extrusión. Éste trabaja colocando la barra en un recipiente fuertemente reforzado. La barra es empujada a través del troquel por el tornillo o carnero. Hay un dummy block reusable entre el tornillo y la barra para mantenerlos separados. La mayor desventaja de este proceso es la fuerza requerida en la extrusión de la barra, es mayor que la necesitada en la extrusión indirecta porque la fuerza de fricción introducida por la necesidad de la barra de recorrer completamente el contenedor. Por eso la mayor fuerza requerida es al comienzo del proceso y decrece según la barra se va agotando. Al final de la barra la fuerza aumenta grandemente porque la barra es delgada y el material debe fluir no radialmente para salir del troquel. El final de la barra, llamado tacón final, no es usado por esta razón.

Figura 82. Gráfico de fuerzas requeridas por varios procesos de extrusión.

B) EXTRUSIÓN INDIRECTA

En la extrusión indirecta, también conocida como extrusión retardada, la barra y el contenedor se mueven juntos mientras el troquel está estacionario. El troquel es sostenido en el lugar por un soporte el cual debe ser tan largo como el contenedor. La longitud máxima de la extrusión está dada por la fuerza de la columna del soporte. Al moverse la barra con el contenedor, la fricción es eliminada.

VENTAJAS:

- Una reducción del 25 a 30% de la fuerza de fricción, permite la extrusión de largas barras.

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- Hay una menor tendencia para la extrusión de resquebrajarse o quebrarse porque no hay calor formado por la fricción.

- El recubrimiento del contenedor durará más debido al menor uso.- La barra es usada más uniformemente tal que los defectos de la extrusión y las

zonas periféricas ásperas o granulares son menos probables.

DESVENTAJAS:

- Las impurezas y defectos en la superficie de la barra afectan la superficie de la extrusión. Antes de ser usada, la barra debe ser limpiada o pulida con un cepillo de alambres.

- Este proceso no es versátil como la extrusión directa porque el área de la sección transversal es limitada por el máximo tamaño del tallo.

C) EXTRUSIÓN EN FRÍO

La extrusión fría es hecha a temperatura ambiente o cerca de la temperatura ambiente. La ventaja de ésta sobre la extrusión en caliente es la falta de oxidación, lo que se traduce en una mayor fortaleza debido al trabajo en frío o tratamiento en frío, estrecha tolerancia, buen acabado de la superficie y rápida velocidad de extrusión si el material es sometido a breves calentamientosLos materiales que son comúnmente tratados con extrusión fría son: plomo, estaño, aluminio, cobre, circonio, titanio, molibdeno, berilio, vanadio, niobio y acero.Algunos ejemplos de productos obtenidos por este proceso son: los tubos plegables, el extintor de incendios, cilindros del amortiguador, pistones automotores, entre otros.

D) EXTRUSIÓN EN CALIENTE

La extrusión en caliente se hace a temperaturas elevadas para evitar el trabajo forzado y hacer más fácil el paso del material a través del troquel. La mayoría de la extrusión en caliente se realiza en prensas hidráulicas horizontales con rango de 250 a 12.000 t. Rangos de presión de 30 a 700 Mpz (4400 a 102.000 psi), por lo que la lubricación es necesaria, puede ser aceite o grafito para bajas temperaturas de extrusión, o polvo de cristal para altas temperaturas de extrusión. La mayor desventaja de este proceso es el costo de las maquinarias y su mantenimiento.

Temperaturas de varios metales en la extrusión en caliente

Material Temperatura [°C (°F)]

Magnesio 350-450 (650-850)

Aluminio 350-500 (650-900)

Cobre 600-1100 (1200-2000)

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Acero 1200-1300 (2200-2400)

Titanio 700-1200 (1300-2100)

1000-1200 (1900-2200)

Aleaciones Refractarias Mayores a 2000 (4000)

El proceso de extrusión es generalmente económico cuando son producidos varios kilogramos (libras) y muchas toneladas, dependiendo de los materiales que han sido empleados en el proceso. Por ejemplo, en algunos aceros se vuelve más económico si se producen más de 20.000 kg (50.000 lb).

16.3.2. DEFECTOS DE EXTRUSIÓN

QUEBRADURA DE SUPERFICIE - cuando hay grietas en la superficie de extrusión. Esto se debe a la temperatura de extrusión, fricción, o velocidad muy alta. Esto puede pasar también a bajas temperaturas, si el producto temporalmente se pega al troquel.

DEFECTO DE TUBO - Se crea una estructura de flujo que arrastra los óxidos de la superficie y las impurezas al centro del producto. Tales patrones que son frecuentemente causados por altas fricciones o enfriamiento de la parte externa de la barra.

EL AGRIETAMIENTO INTERIOR O DEFECTO CHEVRON - se produce cuando el centro de la expulsión desarrolla grietas o vacíos. Estas grietas son atribuidas fuerzas de tensión hidrostática en la línea central en la zona de deformación en el troquel. Aumenta al aumentar el ángulo de la matriz y la concentración de impurezas, y disminuye al aumentar la relación de extrusión y la fricción.

16.3.3. PRODUCTOS OBTENIDOS MEDIANTE EXTRUSIÓN

A) METAL

Metales que son comúnmente usados en procesos de extrusión

ALUMINIO es el material más común, puede ser extruido caliente o frío. si es extruido caliente es calentado de 575 a 11 00 °F (300 a 600 °C) . Ejemplos de este producto incluye armaduras, marcos, barras y disipadores de calor entre otros.

COBRE (1100 a 1825 °F (600 a 1000 °C)) cañerías, alambres, varas, barras, tubos y electrodos de soldadura. A menudo se requieren 100 ksi (690 MPa) para extrudir el cobre.

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PLOMO Y ESTAÑO ((máximo 575 °F (300 °C)) cañerías, alambres, tubos y forros exteriores de cables. La fundición de plomo también es usada en vez del prensado de extrusión vertical.

MAGNESIO ((575 a 1100 °F (300 a 600 °C)) en partes de aviones y partes de industrias nucleares.

ZINC ((400 a 650 °F (200 a 350)), varas, barras, tubos, componentes de hardware, montajes y barandales

ACERO (1825 a 2375 °F (1000 a1300 °C)) varas y pistas, usualmente el carbón acerado simple es extruido. La aleación acero y acero inoxidable también puede ser extruida.

TITANIO ((1100 a 1825 °F (600 a 1000 °C)) componentes de aviones, asientos, pistas, anillos de arranques estructurales.

La aleación de magnesio y aluminio usualmente tiene 0.75 μm (30 μin). RMS o mejor acabado de superficie. El titanio y el acero pueden lograr 3 μm (125 μin). RMS.

En 1950 UgineSéjournet de Francia, inventó un proceso el cual usaba cristal como lubricante para extruir acero. El proceso Ugine-Sejournet o Sejournet es ahora usado en otros materiales que tienen temperatura de fusión mayor que el acero o que requiere un limitado rango de temperatura su extrusión. El proceso comienza por el calentamiento del material a la temperatura de extrusión y entonces es enrollado en polvo de cristal. El cristal se funde y forma una fina capa que actúa como lubricante. Un espero anillo de cristal sólido con 0,25 a 0,75, ien (6 a 18 mm) de espesor es ubicado en la cámara sobre el troquel para lubricar la extrusión mientras es forzado a pasar por el troquel. Una segunda ventaja del anillo de cristal es la habilidad de aislar el calor de la barra del troquel. La extrusión tendrá una capa de cristal de 1 mil de espesor, la que puede ser fácilmente quitada cuando se enfríaOtro descubrimiento en la lubricación es el uso del revestimiento de fosfato. Con este proceso junto a la lubricación con cristal, el acero puede ser extruido con extrusión fría. La capa de fosfato absorbe al cristal líquido para ofrecer una mejor propiedad de lubricación

B) PLÁSTICOS

La extrusión plástica normalmente usa astillas plásticas o pellets que están usualmente secas en un depósito de alimentación o tolva antes de ir al tornillo de alimentación (husillo). La resina del polímero es calentada hasta el estado de fusión por resistencias que se encuentran en el cañón de la extrusora y el calor por fricción proveniente del tornillo de extrusión (husillo). El husillo fuerza a la resina a pasar por el cabezal dándole la forma deseada (lámina, cilindrica, tiras, etc.). El material extruido se enfría y se solidifica ya que es tirado del troquel a un tanque de agua. En algunos casos (tales como los tubos de fibras-reforzadas), el material extruido es pasado a través de un largo troquel, en un proceso llamado pultrusión, o en otros casos pasa a través de rodillos de enfriamiento (calandria) para sacar una lámina de las dimensiones deseadas para termoformar la lámina.

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Figura 83.Vista en sección de un extrudor de plásticos

Se usa una multitud de polímeros en la producción de tubería plástica, cañerías, varas, barras, sellos, y láminas o membranas.

C) CAUCHOS

Similar a la extrusión con plásticos pero con un posterior vulcanizado por calor.

D) CERÁMICAS

La cerámica también puede formarse a través de la extrusión. La extrusión de la terracota se usa para producir las cañerías. Muchos ladrillos modernos también son manufacturados usando un proceso de extrusión de ladrillos.

E) ALIMENTOS

La extrusión ha tenido una gran aplicación en el proceso de alimentación. Productos como pastas, galleta, cereales, las comidas para bebé, las papas fritas y la comida seca, entre otros, son principalmente manufacturados por la extrusión. En el proceso, se muelen los materiales hasta darles el tamaño correcto a las partículas (usando la consistencia de la harina ordinaria). La mezcla seca se pasa a través de un pre-acondicionador donde se agregan otros ingredientes (azúcar líquido, grasas, tintes, carnes y agua que dependen del producto). Lamezcla pre condicionada se pasa entonces a través de un extrusor forzándola a pasar por un troquel donde se corta a la longitud deseada. El proceso de cocción tiene lugar dentro del extrusor en el que el producto produce su propia fricción y calor debido a la presión generada (10-20 bar). El proceso de cocción utiliza un proceso conocido como gelatinización del almidón. Los extrusores que usan este proceso tienen una capacidad de 1-25 toneladas por hora.El uso de la expulsión en el proceso cocción proporciona a los alimentos las siguientes características:

- Gelatinización del almidón- Desnaturalización de las proteína- Inactivación de enzimas de comida crudas- La destrucción de toxinas naturalmente- Disminución de microorganismos en el producto final- Ligero aumento de la biodisponibilidad de hierro- Creación de almidones para necesidades de hiposensibilización de insulina,

un factor de riesgo para el desarrollo de diabetes.

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- Pérdida de lisina, un aminoácido esencial necesario para el crecimiento y el metabolismo del nitrógeno.

- Simplificación de almidones complejos, aumentando las tasas de deterioro dental.

- Destrucción de vitamina A (beta-caroteno).

La extrusión también es utilizada para el desarrollo de comida para mascotas.

16.4. PROCESOS DE FUNDICIÓN

El proceso para producir piezas u objetos útiles con metal fundido se le conoce como proceso de fundición. Este proceso se ha practicado desde el año 2000 ac. Consiste en vaciar metal fundido en un recipiente con la forma de la pieza u objeto que se desea fabricar y esperar a que se endurezca al enfriarse.

Para lograr la producción de una pieza fundida es necesario hacer las siguientes actividades:

Diseño de los modelos de la pieza y sus partes internas Diseño del molde Preparación de los materiales para los modelos y los moldes Fabricación de los modelos y los moldes Colado de metal fundido Enfriamiento de los moldes Extracción de las piezas fundidas Limpieza de las piezas fundidas Terminado de las piezas fundidas Recuperación de los materiales de los moldes

16.4.1. TIPOS DE FUNDICIÓN A LA ARENA

Modelo removible Modelo disponible o desechable

Los moldes se fabrican por medio de modelos los que pueden ser de madera, plástico, cera, yeso, arena, poliuretano, metal, etc. Si los modelos se destruyen al elaborar la pieza, se dice que éstos son disponibles o desechables y si los modelos sirven para varias fundiciones se les llama removibles.

16.4.2. FACTORES PARA UNA BUENA FUNDICIÓN

- Procedimiento de Moldeo- Modelo- Arena- Corazones- Equipo Mecánico - Metal

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- Vaciado y Limpieza

16.4.3. PROCEDIMIENTO DE MOLDEO

A) FUNDICIÓN EN MOLDES DE ARENA

Uno de los materiales más utilizados para la fabricación de moldes temporales es la arena sílica o arena verde (por el color cuando está húmeda). El procedimiento consiste en el recubrimiento de un modelo con arena húmeda y dejar que seque hasta que adquiera dureza.

Figura 84. Moldeado en arena. Proceso seguido

B) FUNDICIÓN EN MOLDES DE CAPA SECA

Es un procedimiento muy parecido al de los moldes de arena verde, con excepción de que alrededor del modelo (aproximadamente 10 mm) se coloca arena con un compuesto que al secar hace más dura a la arena, este compuesto puede ser almidón, linaza, agua de melaza, etc. El material que sirve para endurecer puede ser aplicado por medio de un rociador y posteriormente secado con una antorcha.

C) FUNDICIÓN EN MOLDES CON ARENA SECA

Estos moldes son hechos en su totalidad con arena verde común, pero se mezcla un aditivo como el que se utiliza en el moldeo anterior, el que endurece a la arena cuando se seca. Los moldes deben ser cocidos en un horno para eliminar toda la humedad y por lo regular se utilizan cajas de fundición, como las que se muestran más adelante. Estos moldes tienen mayor resistencia a los golpes y soportan bien las turbulencias del metal al colarse en el molde.

D) FUNDICIÓN EN MOLDES DE ARCILLA

Los moldes de arcilla se construyen al nivel de piso con ladrillos o con materiales cerámicos, son utilizados para la fundición de piezas grandes y algunas veces son reforzados con cajas de hierro. Estos moldes requieren mucho tiempo para su fabricación y no son muy utilizados.

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E) FUNDICIÓN EN MOLDES FURÁNICOS

Este proceso es bueno para la fabricación de moldes o corazones de arena. Están fabricados con arena seca de grano agudo mezclado con ácido fosfórico, el cual actúa como acelerador en el endurecimiento, al agregarse a la mezcla una resina llamada furánica. Con esta mezcla de ácido, arcilla y resina en dos horas el molde se endurece lo suficiente para recibir el metal fundido.

F) FUNDICIÓN CON MOLDES DE CO2

En este tipo de moldes la arena verde se mezcla con silicato de sodio para posteriormente ser apisonada alrededor del modelo. Una vez armado el molde se inyecta bióxido de carbono a presión con lo que reacciona el silicato de sodio aumentando la dureza del molde. Con la dureza adecuada de la arena del molde se extrae el modelo, si este fuera removible, para posteriormente ser cerrado y utilizado.

G) FUNDICIÓN EN MOLDES DE METAL

Se usan principalmente en fundición en matriz de aleaciones de bajo punto de fusión. Las piezas de fundición se obtienen de formas exactas con una superficie fina, esto elimina mucho trabajo de maquinado.

H) FUNDICIÓN EN MOLDES ESPECIALES

Plástico, cemento, yeso, papel, madera y hule, todos estos materiales son usados en moldes para aplicaciones particulares.

16.4.4. LOS PROCESOS DE MOLDEO PUEDEN SER CLASIFICADOS POR EL LUGAR EN EL QUE SE FABRICAN

- Moldeo en banco. Este tipo de moldeo es para trabajos pequeños y se fabrican en un banco que se encuentre a la mano del trabajador.

- Moldeo de piso. Para piezas grandes en las que su manejo es difícil y no pueden ser transportadas de un sitio a otro.

- Moldeo en fosa. Cuando las piezas son extremadamente grandes y para su alimentación es necesario hacer una fosa bajo el nivel medio del piso.

- Moldeo en maquina. Las maquinas hacen un numero de operaciones que el moldeador hace a mano.

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Figura 85. Molde con modelo desechable

16.5. CREACIÓN DE LA FORMAEl proceso de fundición puede ser usado para formar casi con cualquier metal, existen diferentes métodos para acomodar metales diferentes y satisfacer requisitos diferentes.

16.5.1. COSTOS DIRECTOS EN LA FABRICACIÓN DE MOLDES

Tiempo Cuidados Habilidad necesaria para

producir (mano de obra. El equipo

Figura 86

16.5.2. COSTOS INDIRECTOS Capacidad el material para soportar las temperaturas del colado (capacidad

refractaria del material) Capacidad de transferir con exactitud las dimensiones y detalles del molde Permeabilidad: permitir que el aire y gases escapen Resistencia: soportar la presión estática y dinámica del metal liquido Facilidad de colapso: permitir la contracción de la fundición. Facilidad de Fluir.- La arena deberá compactarse a profundidad y fluir

alrededor del modelo, también influye el tamaño de grano de arena, humedad y arcilla añadida

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Clasificación arena de cuarzo desintegradoSiO2

Anguloso: Resiste la compactación y requiere más humedad.

Subángulo: Tiene buena resistencia, aristas redondeadas, es la mejor.

Redondo: Buena permeabilidad, baja resistencia y Fluye bien.

Compuesto: Tiende a romperse.

Figura 87

16.5.3. CLASIFICACIÓN ARENA DE CUARZO DESINTEGRADO SiO2

16.5.4. CONTENIDO DE ARCILLA

- El contenido de arcilla varia el 2% ó 3% hasta un 15% de arcilla.

- La arcilla debe resistir todos los granos de arena silica.

- Principales tipos de arcillas: caolinita, ilita y bentonita.

- La principal arcilla a usar es la bentonita de origen mineral, proviene de cenizas volcánicas

- Arcilla refractaria caolinita para uso refractario y baja concentración.

16.5.5. ADITIVOS ESPECIALES

- Harina de Maíz.- Para proporcionar facilidad de colapso.

- Carbón (polvo).- Para mejorara el acabado de la superficie se pinta el molde.

- Agua -2 a 8%.- Varia del 2 al 8% por peso. Depende de la cantidad de arcilla, agua en exceso mejora la fluidez pero puede dañara la resistencia del molde.

16.5.6. MOLDEO DE CORAZÓN

Tipos:

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Corazones de Arena verde

Corazones de Arena seca

Proceso de silicato de sodio.- El material se endurece al exponerlo al aire pero es lento para usarlo en alta producción se pasa bióxido de carbono (gaseoso) o se mezcla un agente catalítico como lo es el ferrosilicio. Tiempo de fregado 20 minutos.

Proceso cemento Portland: Es de proporción de 1 a 10 para moldes de alta resistencia y buena permeabilidad. Este es un proceso antiguo que proporciona resistencia a la erosión, pandeo, uso fundiciones grandes y pesadas.

Durante los procesos de fundición, las piezas adquieren su forma gracias a la solidificación de un volumen metal o aleación metálica, forzado a solidificar bajo las restricciones de forma del molde. Las condiciones geométricas del molde, la velocidad de enfriamiento, el tipo de material utilizado, son variables que influyen en el mecanismo interno de solidificación, y por ende influyen en las propiedades mecánicas que tendrá la pieza.

16.6. PROCESO DE SOLIDIFICACIÓN

La solidificación de un metal o aleación metálica en estado líquido ocurre por formación y crecimiento de núcleos. La disminución de energía causada por el enfriamiento produce una aglomeración espontánea de partículas, permitiendo la formación de un núcleo. A medida que la temperatura disminuye, los núcleos crecen, dando origen a los granos que constituirán la estructura del metal sólido.

Figura. 88. Proceso general de solidificación

16.6.1. SOLIDIFICACIÓN DE METALES PUROS

Cuando un metal puro solidifica bajo condiciones cercanas al equilibrio, toda la masa se cristaliza a una misma temperatura, conocida como temperatura de solidificación, Tf, que es constante y que se mantiene constante mientras se libera todo el calor latente de transformación; una vez que el metal ha solidificado ocurre el enfriamiento. Sin embargo, cuando el metal puro considerado anteriormente se solidifica bajo condiciones de no equilibrio, los cristales sólidos no se forman a la temperatura de solidificación, sino que ocurre a una temperatura T menor que Tf, lo que implica el requerimiento de un

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LíquidoLíquido Límites de grano

Núcleo

Cristales que formarán granos

Granos

LíquidoLíquido Límites de grano

Núcleo

Cristales que formarán granos

Granos

subenfriamiento cinético.ΔTk = (Tf – T) definido e ilustrado mediante una curva de enfriamiento en la siguiente figura:

Figura 88. Curva de enfriamiento

Se observa que, luego del sub enfriamiento representado por , el material sufre un leve aumento de temperatura hasta llegar a la temperatura de fusión. Esto ocurre ya que, cuando existe suficiente sólido formado, éste libera una cantidad apreciable de calor latente de transformación, lo que eleva la temperatura del material hasta. Una vez alcanzada, la temperatura permanece constante durante la solidificación. El fenómeno de aumento de temperatura después del sub enfriamiento recibe el nombre de recalescencia.

Figura 89 Crecimiento planar.

Los granos de un metal idealmente puro crecen en forma columnar plana –es decir, como un grano alargado- en las zonas inmediatamente aledañas a las paredes de los moldes, en la dirección principal de la transferencia de calor. En las zonas centrales, donde la formación de sólido metálico en las paredes

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disminuye la conductividad del calor, los granos suelen ser equiaxiales, como se muestra en la Tanto la solidificación como la fusión son transformaciones entre los estados cristalográficos y no cristalográficos de un metal o aleación; estas transformaciones, por supuesto, constituyen el fundamento de las aplicaciones tecnológicas al vaciado de lingotes, al vaciado de piezas, a la colada continua de metales y aleaciones, al crecimiento mono-cristalino de semiconductores, al crecimiento unidireccional de aleaciones mixtas (compositealloys), y a los procesos de soldadura.

Para que ocurra la solidificación del metal, sólo es necesario disipar el calor latente de solidificación, ΔH, que se puede lograr mediante las siguientes formas:

a) Por conducción desde el sólido, hacia un sumidero de calor.

b) Por conducción hacia el líquido, cuando está subenfriado a una temperatura inferior a Tf

c) Por aplicación de una fuerza electromotriz, o diferencia de potencial al existir un gradiente de temperatura (Efecto Peltier) cuando la corriente fluye a través de la intercara sólido-líquido en dirección hacia el líquido.

16.6.2. SOLIDIFICACIÓN MONOFÁSICA DE ALEACIONES O MEZCLAS

Las aleaciones no solidifican a una temperatura única sino que lo hacen en un intervalo de temperaturas, ΔT este se encuentra entre las temperaturas del líquido y del sólido para la aleación de composición Xo seleccionada. Por otro lado, para analizar el fenómeno de solidificación de aleaciones obviaremos hacer consideraciones sobre los efectos de la curvatura de la intercara líquido-sólido.Existen algunas características ligadas a la solidificación como lo son:

SOLIDIFICACIÓN NORMAL: Es el tipo de solidificación donde toda la masa es fundida y solidificada según un plano frontal a partir de un borde; en este tipo de solidificación, para describir los tratamientos cuantitativos se asume que hay equilibrio en la intercara líquido-sólido y que antes de la nucleación no hay un significativo subenfriamiento o que también es despreciable el efecto de la curvatura de la intercara sólido-líquido.

SOLIDIFICACIÓN EN EQUILIBRIO: Producida en cristales donde la longitud del cristal, L, que crece es mucho menor que el producto del coeficiente de difusividad del soluto, Ds, por el tiempo, t; es decir: L²<<Dst, además supone que hay completa difusión tanto en el líquido como en el sólido.

La solidificación en equilibrio se caracteriza porque a cualquier temperatura T durante la solidificación, la conservación de soluto en la intercara permite determinar la regla de equilibrio de la palanca: XS fS + XL fL = Xo, donde las fracciones de sólido, fS, y de líquido, fL, cumplen fS + fL = 1

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Se concluye, que a pesar de la naturaleza de la solidificación de equilibrio, durante el proceso se produce una sustancial redistribución de soluto, lo que conduce a que el material sea homogéneo solamente antes y después de la solidificación, pero nunca durante ese proceso.

20. PROCESOS DE FORMADO

20.1. FUNDAMENTOS DEL FORMADO DE METALES

El formado de metales incluye varios procesos de manufactura en los cuales se usa la deformación plástica para cambiar la forma de las piezas metálicas.

La deformación resulta del uso de una herramienta que usualmente es un dado para formar metales, el cual aplica esfuerzos que exceden la resistencia a la fluencia del metal. Por tanto, el metal se deforma para tornar la forma que determina la geometría del dado.

En general, se aplica el esfuerzo de compresión para deformar plásticamente el metal. Sin embargo, algunos procesos de formado estiran el metal, mientras que otros lo doblan y otros más lo cortan.

La expresión “trabajo” o formado, en el ámbito de manufactura es una denominación genérica aplicable a los procesos realizados en materiales ferrosos. Su característica principal es la aplicación controlada de fuerzas, con o sin la presencia de altas temperaturas, para conseguir un cambio en la forma del material.

20.2. CLASIFICACIÓN

- Procesos de deformación volumétrica - procesos de trabajo metálico sobre lámina.

A) PROCESOS DE DEFORMACIÓN VOLUMÉTRICA.

Se caracterizan por practicar deformaciones significativas y cambios de forma, sobre la materia prima, además la relación entre el área superficial y el volumen de trabajo es relativamente pequeña. El término volumétrico describe a las partes de trabajo que tienen esta relación (área - volumen).

La forma de la materia prima incluye: Tochos cilíndricos y barras rectangulares. Algunas de las operaciones típicas son: Laminado, forjado, extrusión y el estirado.

B) PROCESOS DE TRABAJO METÁLICO SOBRE LÁMINA

Están constituidos por operaciones de formado de láminas de metal, tiras y rollos. La relación entre el área superficial y el volumen del material inicial es alta. Ejemplo de estos son: Prensado, estampado, doblado, embutido y corte.

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Consiste en la modificación de la configuración geométrica de los materiales, mediante la aplicación de fuerzas externas; estando el metal a una temperatura superior a la temperatura de re cristalización (en estado plástico) o rango de endurecimiento por trabajo.

20.3. TRABAJO DEL METAL EN CALIENTE. (FORMADO EN CALIENTE)

También llamado formado en caliente (hot working), implica la deformación a temperaturas por encima de la temperatura de recristalización. La temperatura de recristalización es aproximadamente la mitad de su punto de fusión en la escala absoluta (0.5 Tf). El metal de trabajo se suaviza mas, conforme la temperatura se incrementa mas allá del punto 0.5 Tf , por lo que en la práctica suele aumentarse su temperatura por encima de ese punto, sin embargo dado que los procesos de deformación generan una gran cantidad de calor, con el consiguiente aumento de temperatura, es deseable mantener la temperatura de trabajo en un valor que no sobrepase 0.75 Tf, para evitar llegar a la fusión. La ventaja mas significativa del trabajo en caliente es la capacidad de producir deformaciones plásticas sustanciales en los materiales, más de las que son posibles con el trabajo en frío. La razón principal es que la curva de fluencia del metal en caliente tiene un coeficiente de resistencia sustancialmente menor que a temperatura ambiente, por lo que su ductilidad se incrementa significativamente. Esto da como resultado las siguientes ventajas con respecto al trabajo en frío.

VENTAJAS: Las fuerzas requeridas para deformarlo, son menores La cantidad de energía necesaria para cambiar la forma de los metales en

estado plástico es mucho menor El material tiene buena soldabilidad y maquinabilidad Se elimina la porosidad del metal Las impurezas son destrozadas y distribuidas a través del metal Los granos gruesos o prismáticos, son refinados Se mejora la ductilidad y la resistencia al impacto

DESVENTAJAS:

Existe una rápida oxidación o escamado de la superficie, por lo que no es posible manejar tolerancias estrechas

Se produce un alto consumo de energéticos

20.3.1. LOS PRINCIPALES MÉTODOS DE TRABAJO EN CALIENTE DE LOS METALES SON:

A) FORJADO

El forjado es un proceso de deformación donde se comprime el material de trabajo entre dos dados, usando impacto o presión gradual para formar las piezas. Es la operación más antigua para formado de metales y se remonta quizá al año 5,000 a.C. Todos los procesos modernos de forja tienen como antecedente directo a la forja de

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herrero. En la actualidad el forjado es un proceso industrial importante mediante el cual se hacen una variedad amplia de componentes de alta resistencia para automóviles, vehículos aeroespaciales y otras aplicaciones. Estos componentes incluyen flechas y barras de conexión para motores de combustión interna, engranes, componentes estructurales para aviación y partes para turbinas y motores a propulsión. Además, la industria del acero usa el forjado para fijar la forma básica de grandes componentes que luego se maquinan para lograr su forma final y dimensiones definitivas. Una manera de clasificar las operaciones de forja es mediante la temperatura de trabajo. La mayoría de las operaciones de forja se realizan en caliente (por arriba y por debajo de la temperatura de recristalización), en función de la deformación que demanda el proceso y la necesidad de reducir la resistencia e incrementar la ductilidad del metal de trabajo, sin embargo, el forjado en frío permite lograr una mayor resistencia debido al endurecimiento por deformación. En el forjado se aplica la presión, por impacto o en forma gradual. La diferencia depende más del tipo de equipo que de las diferencias en la tecnología de los procesos. Una máquina de forjado que aplica cargas de impacto es llamada martinete de forja, mientras la que aplica presión gradual se llama prensa de forjado. Otra diferencia entre las operaciones de forjado es el grado en que los dados restringen el flujo de metal de trabajo.

Atendiendo a esta clasificación hay tres tipos de operaciones de forjado: a) forjado en dado abierto b) forjado en dado impresor c) forjado sin rebaba. En el forjado en dado abierto (ver la figura 1) la pieza se comprime entre dos dados planos (o casi planos), permitiendo que el material fluya sin restricciones en dirección lateral con respecto a las superficies del dado. En el forjado en dado impresor, las superficies del dado contienen una forma o impresión que se imparte al material de trabajo durante la compresión, restringiendo significativamente el flujo de metal. En este tipo de operación una parte del metal fluye más allá del dado impresor formando una rebaba, como se muestra en la figura. La rebaba es un exceso de metal que debe recortarse más tarde. En el forjado sin rebaba, el dado restringe completamente el material de trabajo dentro de la cavidad por lo que no se produce rebaba excedente. Es necesario controlar estrechamente el volumen de la pieza inicial para que iguale al volumen de la cavidad del dado. Si el volumen del material de trabajo es demasiado pequeño, no llenará la cavidad del molde; si es demasiado grande puede dañar al dado o a la prensa.

FORJA DE HERRERO.

Es el tipo de forja mas antiguo que existe, es una operación manual que consiste en golpear el metal en caliente con martillo; por lo que las tolerancias dimensionales obtenidas, no son cerradas.

FORJA CON MARTINETE.

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El siguiente paso en la aplicación de cargas de impacto, contra metales en caliente, lo representa el uso de martinetes, donde originalmente gracias al trabajo mecánico obtenido del vapor, se lograba levantar grandes arietes, para posteriormente dejarlos caer por efecto de la gravedad sobre el metal. Posteriormente el funcionamiento de los martinetes permitió aprovechar también la presión del vapor en la carrera de descenso, para así, aumentar la efectividad del mismo, sin necesidad de utilizar arietes de gran peso.

FORJA HORIZONTAL.

Existen algunas variantes del forjado horizontal.

- Con ariete sencillo. Implica la aplicación de cargas con un solo ariete, el material debe sujetarse por el extremo contrario, mediante mordazas. La longitud del material no debe ser mayor a dos o tres veces su diámetro, pues el material se doblará en lugar de comprimirse.

- Con ariete doble. Consta de dos arietes opuestos, colocados en el plano horizontal. El material se posiciona en el plano de impacto de ambos arietes, absorbiendo toda la energía del choque, sin experimentarse vibraciones en la máquina. En este proceso, se requiere menos energía que con otros procesos de forja; el material se trabaja por igual en ambos lados y existe menos tiempo de contacto entre el metal y los dados.

- Progresivo. Se caracteriza por la secuencia de operaciones que pueden realizarse con dados de tipo múltiple. (Varios dados integrados en uno solo). Cada golpe del dado corresponderá una operación, por lo que el material debe desplazarse con cada golpe a una nueva posición, para ser alcanzado por una porción característica del dado.

FORJA CON PRENSA.

A diferencia del martinete, las prensas de forjado emplean una acción lenta de compresión sobre el metal caliente, aumentando la eficiencia del proceso, ya que en los martinetes una parte de la energía de impacto es absorbida por la cimentación de la máquina a través del bastidor. Se usan frecuentemente para operaciones de calibrado, sobre partes hechas con otros procesos.

FORJA DE LAMINADO.

Operación de laminado practicada con rodillos que no son de sección circular completa, sino que son cortados de un 25 a un 75 %. Las máquinas para forja por laminado están adaptadas para operaciones de reducción y conificación sobre barras de pequeña longitud

b) EXTRUSIÓN

EXTRUSIÓN DIRECTA.

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Consiste en forzar al material (confinado en una cámara de presión) a salir a través de dados especialmente formados. En el caso de la extrusión directa, el material fluye en el mismo sentido del embolo que lo empuja.

EXTRUSIÓN INDIRECTA.

Es similar a la directa, pero la parte extruida es forzada a pasar a través del embolo (en sentido contrario al desplazamiento del embolo).

EXTRUSIÓN POR IMPACTO.

Un punzón es dirigido hacia el metal (que se encuentra confinado en un cilindro cerrado por uno de sus extremos) con una fuerza tal que el metal es elevado alrededor del punzón. Se pueden fabricar latas y tubos para pasta dental.

C) EMBUTIDO

Se calienta una lupia a temperatura de forja y con un punzón de penetración la lupia se forja dentro de una matriz cerrada. La pieza forjada es recalentada y colocada en el banco de estirado en caliente, que consiste en algunos dados que de crecen sucesivamente en diámetro, montados en un bastidor. Un punzón operado hidraulicamente fuerza al cilindro caliente a través de la longitud completa del banco de estirado.

MANUFACTURA DE TUBOS CON EL USO DE DADOS.

Se utiliza como materia prima una plancha de sección biselada, que es forzada a cruzar un dado acampanado, tirando de ella con una cadena de arrastre. Conforme la plancha avanza a través del dado, se curva en si misma, formando la sección del tubo. La presión ejercida produce una unión bastante consistente Manufactura de tubos con rodillos. Una placa es forzada a cruzar una serie de rodillos, con separación variable entre ellos, tirando de ella con una cadena de arrastre. El tubo se forma de manera progresiva en cada paso por los rodillos

RECHAZADO EN CALIENTE.

Se utiliza para conformar placas circulares gruesas sobre cuerpos giratorios (mandril) montados sobre un torno. Se utiliza una herramienta de presión roma que entra en contacto con la superficie de la pieza en rotación y provoca el flujo del metal y que este se conforme al mandril, de la forma deseada. Una vez que la operación se desarrolla, se genera un considerable calor por rozamiento, que ayuda a mantener al metal en estado plástico.

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DADOS CALENTADOS.

Utilizar dados calentados permite trabajar con secciones mas delgadas de material; con lubricantes adecuados, se puede disminuir la oxidación, cerrar las tolerancias y aumentar el ritmo de producción. El calentamiento de los dados también reduce su vida útil, por lo que será necesario cambiarlos con mayor frecuencia Atmósfera controlada. Los metales como el titanio que son difíciles de formar, ya que tienen una gran afinidad con el oxigeno, pero pueden fundirse y trabajarse en una atmósfera de gas inerte (helio, argón, etc); ya que este proceso elimina la mayor parte de la oxidación y la formación de cáscara, prolongando la vida útil del dado.

LAMINADO DE PERDIGONES.

Este proceso se utiliza para fabricar foil de aluminio de diferentes espesores. El aluminio fundido se hace pasar a través de un recipiente rotatorio perforado para formar pequeños perdigones, que al chocar contra una superficie son laminados por impacto en pequeñas hojuelas, las cuales una vez precalentadas son sometidas al proceso laminado con rodillos para obtener hojas continuas de diferentes espesores (de acuerdo a la separación entre rodillos).

LAMINADO.

Este proceso consiste en hacer pasar el material a través de rodillos de laminación, de tal forma que con cada paso se reduzca significativamente el espesor del material, es posible fabricar papel aluminio (foil de aluminio)

20.3.2. TRABAJO A TEMPERATURAS MUY CERCANAS A LA DE RECRISTALIZACIÓN. (TERMO FORMADO)

Al trabajo en frío realizado a temperaturas cercanas a la temperatura de recristalización, se le denomina Warm Working, y se practica cuando se requieren:

- Menores fuerzas deformadoras- Menores requerimientos de potencia - Se elimina la necesidad de practicar recocidos posteriores

20.3.2.1. TRABAJO DEL METAL EN FRIO. (FORMADO EN FRÍO)

Se trata del trabajo en metal que se realiza a temperatura ambiente o ligeramente por arriba, pero necesariamente por debajo de la temperatura de recristalización. En el trabajo en frío se logra proporcionar mayor precisión, es decir tolerancias mas estrechas a las dimensiones de las piezas con mejores acabados superficiales, lo que reduce la necesidad de maquinados posteriores y aumenta la posibilidad de elaborar piezas mas delgadas; por lo tanto mientras menos dúctil sea el metal, menos podrá trabajarse en frío Deformar

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los materiales en frío produce endurecimiento en los mismos, Incremento de la fragilidad y aumento de la resistencia a la tracción. En este tipo de trabajos es posible orientar los granos de los materiales, de tal forma que se puede controlar en buena medida sus propiedades mecánicas. La nula necesidad de calentar el material produce ahorros en consumo de combustibles, con un significativo aumento en la velocidad de las operaciones. Debido a esta combinación de ventajas se han desarrollado muchos procedimientos de formado en frío para operaciones importantes en la producción en masa Como limitaciones asociadas a este tipo de procesos, se tiene que es necesario hacer uso de equipos mas grandes ya que se requiere generar mayor potencia, para poder producir las deformaciones necesarias en condiciones de plena resistencia por parte del material (a temperatura ambiente). El número de veces que un material metálico puede deformarse en frío es limitado, ya que después de cada deformación, sobrevendrá un endurecimiento por trabajo en frío, lo cual es una limitante muy importante para productos tales como las herramientas.

VENTAJAS.

- Mejora el acabado superficial, por lo que pueden laminarse hojas muy delgadas.

- Distorsiona la forma del grano- Mejora su exactitud dimensional, lo que implica tolerancias más

estrechas- Los metales de grano grande son más fáciles de trabajar en frío- El metal se vuelve más duro y menos dúctil- Se pueden obtener propiedades direccionales en el producto final,

debido a la orientación de los granos - Se reducen los costos por consumo de energéticos - Se logran mayores velocidades de producción

DESVENTAJAS

- Se requiere aplicar presiones mayores que en el trabajo en caliente- Se requiere mayor potencia y por consiguiente equipos más grandes - Se debe verificar que las superficies estén libres de suciedad antes de

comenzar el trabajo en frío - Mientras menos dúctil sea el metal, menos podrá trabajarse en frío

20.3.2.2. OPERACIONES DE TRABAJO EN FRIO

ESTIRADO DE TUBOS.

Se realiza esta operación para generar exactitud dimensional, lisura de superficie y mejoramiento de propiedades físicas, en algunos casos se requiere

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practicar recocidos después de cada pasada.

REPUJADO.

Operación que se realiza sobre lámina delgada, para generar sobre ella patrones superficiales, con la ayuda de herramientas punzantes, no requiere de altas presiones y al final el espesor de la lámina prácticamente no cambia.

ESTIRADO DE ALAMBRE.

Se fabrica haciendo pasar alambrón por arreglos de diferentes dados consecutivos, con la ayuda de cadenas de arrastre; los dados son cada vez mas estrechos, por lo que cada vez que el alambrón pasa a través de el, su diámetro disminuye para lograr hasta lograr el diámetro deseado.

RECHAZADO EN FRÍO.

Similar al rechazado en caliente, solo que el metal debe ser de sección delgada, en casos de deformación severa, será necesario practicar recalentamientos alternados con deformaciones, para reducir el endurecimiento en frío.

RECHAZADO CIZALLADO.

Conforme el metal se rechaza, a diferencia del rechazado en caliente, debe también reducirse el espesor de la placa, por lo que se requieren herramientas más robustas montadas sobre potentes actuadores. Se aplica en placas metálicas gruesas.

FORMADO POR ESTIRADO.

Se aplica sobre grandes láminas delgadas, utiliza una combinación de cargas de tracción y flexión para deformar el material. Formado por embutido. Utiliza una combinación de cargas de tracción (estirado), y deformación por embutido en la parte central, con punzón y matriz, como en el método anterior, requiere proveer material adicional (desperdicio) para las mordazas que aplican la tracción.

ACUÑADO.

Se realiza con dados que confinan al metal y restringen su flujo en una dirección lateral, generando configuraciones poco profundas sobre la superficie de objetos planos, tales como monedas. El espesor no se mantiene constante.

LAMINADO EN FRÍO.

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Se realiza a base de operaciones consecutivas con rodillos en serie, para deformar cintas de láminas delgadas, el número de estaciones de rodillos dependerá de lo complejo de la pieza. El proceso es rápido y aplicable a productos que requieran espesor constante.

CALIBRADO.

Forma más simple de forja en frío, ya que es una ligera operación de compresión sobre una pieza forjada o moldeada, para obtener tolerancias cerradas.

INTERFORMADO.

Proceso en el cual el material es comprimido sobre un dado o mandril muy duro, para producirle una configuración interna.

ROSCADO LAMINADO.

Consiste en la formación de roscas sobre pernos, haciendo uso de dados ranurados roscadores

MOLETEADO.

Se utiliza para producir acabados sobre superficies planas, tales como patrones de rayas. El proceso requiere del uso de rodillos moleteadores. Se puede proporcionar acabados superficiales a mangos para herramienta

REMACHADO.

Es un método de ensamble mecánico permanente. En la versión tradicional es una forma de cabeceado, ya que consiste en deformar los extremos de un perno, una vez que ha sido introducido por un orificio practicado entre dos piezas diferentes.

ESTACADO.

Es similar al remachado, solo que el dado utilizado no forma una cabeza, sino que provoca un recalcado, generando así un ensamble ajustado.

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