Departament d’Enginyeria Mecànica i de Materials ESCOLA ...

ESCOLA POLITÈCNICA SUPERIOR D’ALCOIÀrea d’Enginyeria dels Procesos de Fabricació

Departament d’Enginyeria Mecànica i de Materials

Universitat Politècnica de València

Técnicas de Procesado de los Materiales

El procesado de los materiales metálicos. 1

El Procesado de los Materiales Metálicos.

Los materiales metálicos constituyen el núcleo más importante de los materiales empleados, ya que satisfacen una amplia variedad de requisitos.

La importancia tecnológica y comercial de los metales y sus aleaciones se debe fundamentalmente a:

• Alta rigidez y resistencia (*).• Tenacidad (*).

• Buena conductividad eléctrica.• Buena conductividad térmica.

• Presentan ciertas propiedades específicas muy adecuadas.• El coste por unidad de masa es bajo (*).

(*) En términos generales.



El Procesado de los Materiales Metálicos.Los materiales metálicos (metales y aleaciones) admiten un conjunto de

posibles procesos de fabricación o transformación.

Materiales metálicos

Soldadura Pegado mediante adhesivos

FundiciónProcesado de

polvos

Conformado por deformación

plástica

Conformado por eliminación de

material

Metal fundidoMetal pulverizado

Metal trabajado o conformado






Fundición: fundamentos.

El proceso de fundición de metales y sus aleaciones consiste en elevar la temperatura del material por encima de sus punto de fusión, para que, en estado líquido, sea introducido en el seno de una cavidad (denominada molde) donde se enfría, solidifica y adquiere la forma de dicha cavidad.




El conformado por fundición presenta las siguientes características:

• Permite producir piezas de gran complejidad geométrica (tanto externa como interna).

• Algunos procesos permiten obtener piezas terminadas, sin necesidad de procesamiento posterior.

• Abarca, sin problemas, cualquier tamaño de pieza.• Permite el empleo de cualquier metal o aleación (*).

• Algunos métodos se pueden adaptar para la producción en serie.• Algunos procesos tienen una baja precisión y un deficiente acabado

superficial.• Debido a su modo de operación, los riesgos laborales son elevados.

(*) Siempre que pueda ser fundido sin problemas.







El proceso de fundición se inicia con la generación del molde.

El molde puede estar fabricado en diferentes materiales y reproduce la forma exterior de la pieza a obtener, con un tamaño ligeramente mayor para

compensar la contracción por enfriamiento del material.




Los procesos de fundición se dividen en dos grandes bloques, en función del tipo de molde que se emplea:

• Procesos de molde desechable.(moldes de arena, yeso o materiales similares)

En estos casos, el molde debe ser fabricado cada vez que se desea obtener una pieza por fundición, siendo destruido cuando se extrae la pieza

fabricada.

• Procesos de molde permanente.(moldes metálicos o cerámicos)

El molde es utilizado para la fabricación de una serie o lote de piezas, de forma que debe estar dividido en dos partes separables entre sí que permitan

extraer la pieza final de su interior.







Independientemente del tipo de molde, la cavidad presenta una serie de características y elementos comunes.

Bebedero

Copa de vertido

Pozo

Canal de alimentación Mazarota

Pieza

Ataque



Consideraciones sobre fusión y colada.

Para efectuar el proceso de fundición, el metal o aleación se calienta a una temperatura ligeramente superior a la del punto de fusión.

La cantidad de calor necesaria para el proceso se estima con la siguiente expresión:

No obstante, debe tenerse en consideración que:• Los calores específicos dependen de la temperatura: c = c(T)

• Las aleaciones funden entre un rango de temperatura (transición sólidus-líquidus).

• En un gran número de casos, los valores requeridos no son conocidos.• Existen pérdidas de calor durante el proceso.

( ) ( )( )fusióncoladalíquidofusiónofusiónsólidocoladamaterial TTccTTcVQ −++−⋅⋅ρ=







El proceso de colada debe permitir que el material llene por completo la cavidad antes de que éste solidifique, y sin que se produzcan defectos en la

pieza final.

Este proceso se ve influido por:• La temperatura de colada (sobrecalentamiento del material).

• El tiempo de llenado y la velocidad de colada.• La turbulencia del flujo (dependiente de la velocidad del flujo a través de

la cavidad).




La velocidad del flujo puede determinarse a través del teorema de Bernoulli.

La expresión final que resulta para su aplicación al estudio delcomportamiento del metal a través del bebedero de colada es:

bebederobebedero base

2bebedero base

bebedero hg2v ; g2

vh ⋅⋅=⋅

=

pérdidas

222

2

211

1 hg2

vg

phg2

vg

ph +⋅

+⋅ρ

+=⋅

+⋅ρ

+







El tiempo mínimo requerido para el llenado de la cavidad, se calcula como:

Si, además, se considera la ley de continuidad, el caudal volumétrico del material que circula a través de la cavidad es:

Nota: Se hace referencia al tiempo mínimo, dado que se desprecian las pérdidas a través de los conductos de la cavidad.

QVt cavidad

llenado =

2211 AvAvQ ⋅=⋅=




Respecto a la turbulencia, el llenado del molde debe realizarse con flujo laminar para evitar los atrapamientos de aire o de escorias, que el material se vea alterado químicamente (óxidos), y que se produzcan erosiones en el

molde.

Para su evaluación se emplea el número de Reynolds:

Flujo laminar: Re < 2000Transición: 2000 < Re < 20000Flujo turbulento: Re > 20000

ηρ⋅⋅

=DvRe






Consideraciones sobre la solidificación.

El proceso de solidificación está influenciado por la composición del material fundido: metal puro o aleación, de forma que la estructura

cristalina del material depende de dicha composición:

Metal puro Aleación Inoculación

Cristales columnares

Cristales equiaxiales




Independientemente del material, se precisa de un tiempo para que el material solidifique en el seno de la cavidad.

Para evaluar dicho tiempo se emplea la regla de Chvorinov:

La constante Cm depende de:• el material del molde.

• las propiedades térmicas del material.• la temperatura de colada.

2toenfriamienmolde

2

cavidad

cavidadmoldeciónsolidifica MC

AVCt ⋅=

⋅=







Otro aspecto a tener en consideración es la contracción que sufre el material, que se produce en tres etapas:

• Contracción del líquido durante su enfriamiento (1).• Contracción de solidificación durante el cambio de fase (2).

• Contracción del sólido durante su enfriamiento (3).

(1) (2) (3)




Valores orientativos de contracción para distintos metales y aleaciones:

Por solidificación Por enfriamiento en estado sólido

Aluminio 7 5,6Cobre 4,5 7,5

Fundición de hierro gris 1,8 3Fundición de acero 3 7,2

Aleaciones de aluminio 7 5Bronce 5,5 6

Contracción volumétrica (%)Metal / Aleación







Para compensar los efectos de la contracción durante el proceso se debe:

• Prever el volumen suplementario de material para compensar la contracción por enfriamiento del líquido y la de solidificación.

• Sobredimensionar el molde para compensar la contracción por enfriamiento del sólido.

• Introducir mazarotas para que mantengan la alimentación de material fundido a la cavidad de la pieza durante la solidificación del material.

El diseño de las mazarotas debe responder a los siguientes aspectos:• Debe tener el volumen mínimo necesario para así evitar mayores

desperdicios de material.• Debe tener un módulo de enfriamiento superior al de la cavidad (como

regla general, un 20% superior).



Fundición en arena.

La fundición en arena es una técnica de moldeo de molde desechable, consistente en generar la cavidad a partir de un modelo de la pieza a obtener

y mediante la compactación y aglomeración de arena a su alrededor.







Esta técnica es la más empleada para la fabricación de piezas por fundición, ya que:

• Permite la fabricación de piezas de cualquier tamaño (desde pocos centímetros hasta varios metros).

• La capacidad de producción abarca desde piezas únicas hasta series de miles de piezas.

• Permite el uso de cualquier metal o aleación, incluso con elevados puntos de fusión (acero, titanio, níquel).

• Aunque la calidad superficial de las piezas obtenidas es, en general, baja, con el uso de ciertas variantes se pueden conseguir piezas prácticamente

acabadas, sin necesidad de un procesado posterior.




Las fases del proceso de fundición en arena son las siguientes:

Fabricación del modelo

Fabricación de los machos e

insertos

Preparación de la arena

Fabricación del molde

Montaje del molde

Colada Fusión del metal/aleación

Solidificación y enfriamientoDesmoldeo

Limpieza, desbarbado e inspección







Diseño de pieza Placa modelo superior Placa modelo inferior

Alojamientos macho

Canales

Caja de machos Macho Caja superior lista para relleno de arena

BebederoMazarotas

Caja

Caja superior moldeada Caja inferior lista para relleno de arena Caja inferior moldeada

Inserción del macho Montaje de cajas y coladaPieza desmoldeada Pieza limpia y

desbarbada



Fundición en arena: cajas de molde.






Fundición en arena: colada.



Fundición en arena: modelos.

El modelo es una reproducción de la pieza que se desea obtener fabricada con un material de fácil procesado (madera, plástico, metal) y que se

emplea para generar la cavidad del molde.

Las consideraciones a tener en cuenta en la obtención del modelo son las siguientes:

• Debe tener un tamaño mayor que la pieza para compensar la contracción por enfriamiento en estado sólido del material.

• Debe presentar un ángulo mínimo de despulla para facilitar su extracción de la cavidad una vez obtenida.

• Debe incluir todos los elementos necesarios en la cavidad (bebedero, canales de distribución, mazarotas, etc.)






Fundición en arena: modelos.

Modelo

Modelo dividido

Modelo con placa para el moldeado de ambas cajas

Modelo dividido con placa



Fundición en arena: machos.

Los machos o noyos son elementos auxiliares que se emplean para generar las superficies internas de la pieza a obtener y que no se pueden realizar

directamente sobre el molde.






Fundición en arena: machos.

Los machos o noyos se fabrican normalmente con arena, requiriendo tener ciertas características mecánicas y térmicas más severas que la arena del

molde.

Pueden requerir, en ciertas ocasiones, el empleo de elementos de sujeción para su colocación en el seno de la cavidad.

Soporte

Plano departición

Molde

Cavidad MachoCavidad

MachoAlojamientodel macho

Alojamientodel macho



Fundición en arena: arenas de fundición.

La arena de fundición es sílice o una mezcla de sílice con otros minerales. Los granos de arena se aglutinan por medio de una mezcla de agua y arcilla,

en una proporción aproximada de 90% arena, 7% arcilla, 3% agua.

En ciertas aplicaciones se sustituye la arcilla y el agua por otros aglutinantes como resinas orgánicas (p.e., resinas fenólicas) o aglutinantes

inorgánicos (p.e., silicato y fosfato de sodio).

Para mejorar las propiedades del molde (tales como la resistencia y permeabilidad), se pueden añadir ciertos aditivos.







Los parámetros que caracterizan la calidad de la arena son:

• Resistencia, tanto mecánica como frente a erosión.• Permeabilidad.

• Estabilidad térmica o refractariedad.• Posibilidad de reutilización.

• Capacidad de deformación frente a la contracción del material.• Facilidad de disgregación durante el desmoldeo.

Algunas de estas características (como resistencia, permeabilidad, estabilidad térmica) son especialmente críticas en la fabricación de machos.




Un importante aspecto a controlar en la arena es el tamaño de los granos, su distribución en la mezcla y su forma:

• Tamaños pequeños favorecen un mejor acabado superficial, pero implican una menor permeabilidad.

• Formas irregulares favorecen una mayor resistencia mecánica del molde, pero también suponen una menor permeabilidad.







Las arenas de fundición se clasifican según su estado de uso:

Arena en verde

La arena moldeada tiene una gran cantidad de humedad cuando se

efectúa la colada.

Arena seca

La arena moldeada es calentada para eliminar la mayor cantidad

de humedad antes de que se efectúe la colada.

Secado en estufa

Secado superficial



Fundición en arena: Moldeado.

Las técnicas de moldeo con arena se agrupan en dos grandes clasificaciones:

Moldeo manual

La arena se compacta a mano sobre el modelo (técnica empleada en el caso de producciones bajas).

Moldeo mecánico

La arena se compacta mediante prensas de moldeo y/o máquinas de sacudidas (técnica adecuada

para grandes producciones).






Fundición en arena: Moldeado mecánico.

Aire a presión

Pistones



Moldeo por vacío.

Esta variante del moldeo en arena consiste en el uso de la depresión por vacío para compactar la arena y mantener cohesionada, en vez de usar un

aglutinante.

Película deplástico

Aireadores

VacíoModelo

ArenaCaja

Vacío


Vacío








Moldeo por vacío.

La principal ventaja de esta técnica consiste en que, al no utilizar aglutinantes ni agua, no presenta problemas de reutilización ni los aspectos

relacionados con la presencia de humedad en el molde.

La principal desventaja es la lentitud con que se realiza el proceso y que condiciona su utilización a series pequeñas.



Moldeo de precisión.

Como técnicas alternativas a la fundición en arena, se emplean una serie de procedimiento de moldeo que, por sus características, responden a un tipo

de moldeo con mayor precisión que el obtenido por la primera.

Moldeo en cáscara Moldeo a la cera pérdida

Moldeo en yeso y cerámica






Moldeo en cáscara.

Consiste en la obtención de un molde con una delgada capa de arena (de unos 10 mm de espesor) aglomerada con una resina sintética termoestable

(como el fenol-formaldehído).

Placa modelo caliente.

CáscaraArena yresina

Caja

Cajamolde

Relleno (arena, granalla)Cáscaras



Moldeo en cáscara.

La principal ventaja de este proceso es la elevada precisión y el buen acabado superficial que se consigue en la pieza fundida, además de que el molde puede ser empleado para varias coladas sin que sufra un deterioro

considerable.

El principal inconveniente de este proceso es el coste elevado

de fabricación, que lo hace viable tan sólo para series

medianas o grandes; así como que sólo permite la fabricación de piezas de tamaño pequeño o

mediano (hasta 100 kg)






Moldeo a la cera perdida.

Consiste en la obtención de un molde con el empleo de un modelo de cera que reproduce tanto la pieza a obtener como los elementos auxiliares del

molde (canales, bebedero).










La obtención del recubrimiento se realiza mediante inmersión del modelo en una lechada de sílice u otro material refractario de grano muy fino

mezclado con yeso (que actúa de aglomerante).

Esta técnica tiene su principal aplicación en la obtención de piezas de pequeño tamaño (desde 1 g hasta 35 kg), con un nivel de detalle muy

elevado (elevada precisión y muy buena calidad superficial), y posibilitando el empleo de una amplia variedad de metales y aleaciones (incluyendo

aleaciones de alto punto de fusión).

Los costes de esta técnica son elevados, debido a los materiales y a la laboriosidad del proceso.



Moldeo en yeso y cerámico.

La técnica de moldeo en yeso es similar a la del moldeo en arena con la variante del empleo de una lechada de yeso (CaSO4·H2O) para generar el

molde.

Esta técnica precisa, tras el fraguado, de un secado posterior del molde para eliminar la mayor cantidad de agua posible del molde.

La principal ventaja que presenta esta técnica es la buena precisión y gran calidad superficial que se obtiene en las piezas finales.

En cuanto a inconvenientes, destaca la limitación de uso de materiales de bajo punto de fusión (aleaciones de magnesio, oro, plata, cobre), así como

la baja resistencia y permeabilidad del molde (que limita el proceso a piezas de pequeño tamaño).






Moldeo en yeso y cerámico.

La técnica de moldeo cerámico es similar a la del moldeo en yeso con la diferencia de que se emplean un material refractario, adecuado para el uso

de metales y aleaciones de alto punto de fusión (fundición de hierro, aceros, aceros inoxidables, aceros de herramienta). El material base del molde es

una mezcla de granos finos de ZrSiO4, Al2O3 y SiO2 fundido.

Con esta técnica se obtiene un buena precisión y calidad superficial en las piezas, además de permitir la fabricación de piezas de hasta 700 kg.

Lechada

Modelo

Caja Caja

Modelo

Molde en verde

Soplete

Molde



Fundición en molde metálico.

Esta técnica de fundición emplea un molde metálico, fabricado en dos secciones principales, diseñadas para su apertura y cierre con precisión y

facilidad, en cuyo interior está labrada la cavidad que reproduce la pieza a obtener.







Los moldes están fabricados, normalmente, de acero o hierro fundido, dependiendo del material a colar. Los machos empleados pueden ser

metálicos (siempre que su extracción no esté comprometida por la forma de la pieza) o de arena (cuando deben ser disgregados para su extracción).

Los metales y aleaciones más empleados en esta técnica son el aluminio, magnesio, zinc, aleaciones de cobre y hierro fundido.



Fundición en molde metálico.Sección molde precalentada

Sección molde precalentada

Pistón de apertura y cierre Boquilla

rociadoraCavidad

Macho







Las principales variantes de este proceso son:

Fundición a baja presiónFundición por vacío

Moldeo por inversión de molde Moldeo por inyección

Fundición por centrifugación



Moldeo por inversión de molde.

Este proceso persigue la obtención de piezas huecas al hacer girar el molde sobre si mismo con una cierta cantidad de material fundido en su interior.

El material solidifica sobre la pared del molde creando un capa que crece con el tiempo de permanencia del material en la cavidad. Una vez

conseguido el espesor adecuado, se vacía el molde del material sobrante.






Moldeo por inyección.

Esta técnica se fundamenta en la introducción del material fundido dentro de la cavidad mediante la aplicación de presión (desde 7 a 350 MPa), que se

mantiene hasta que éste solidifica.

Este proceso requiere del uso de máquinas de inyección, capaces de introducir el material dentro de la cavidad, de mantener el cierre del molde

y de extraer la pieza.




Existen dos variantes del proceso, en función de las características de la máquina empleada:

• Máquinas de cámara caliente, en las que el material se funde en la propia máquina para su inyección. Las presiones típicas de inyección son de 7 a 35

MPa, con producciones altas, pero limitada a materiales de bajo punto de fusión (zinc, estaño, plomo, magnesio) y que no afecte al pistón.

• Máquinas de cámara fría, en las que el material se funde en un horno aparte y se traslada a un pistón de la máquina para su inyección. Opera con presiones mayores (del orden de 14 a 140 MPa), con todo tipo de materiales

(especialmente aluminio, latón y aleaciones de magnesio), pero con producciones más bajas







Sección fija moldeBoquilla

CanalPistón

CrisolCámara

Sección móvil molde

Extractores

Cavidad




Sección fija molde

Cuchara de vertido

Pistón

Cámara

Sección móvil molde

Extractores

Cavidad







Las principales ventajas de este tipo de proceso son:

•Alta velocidad de producción.• Tolerancias dimensionales estrechas y buen acabado superficial.

• Secciones de pieza delgadas.• Mejora de las características mecánicas de las piezas debido al

enfriamiento rápido del material.

Respecto a los inconvenientes:

• Limitación en cuanto a formas.• Generación de rebabas que obligan a un procesado posterior.

• Necesidad de un estudio de la geometría de la cavidad para facilitar el desaireado del molde durante el proceso.



Fundición a baja presión.

Esta técnica de moldeo se basa en el llenado del molde mediante la aplicación de una presión muy baja (del orden de 0,1 MPa), aplicada desde

abajo.

PiezaMolde de grafito

Aire a presión

Metal fundido

Tubo refractarioCrisol

Cámara de aire






Fundición a baja presión. Fundición por vacío.

La principal ventaja de la fundición a baja presión es la de que el material introducido en la cavidad está libre de impurezas, gases y escorias, al ser

absorbido desde el centro del crisol, lo cuál reduce la oxidación y los defectos relacionados con ésta.

Una variante de esta técnica es la fundición por vacío, en la que, en vez del uso del aire a presión para introducir el material en el molde, se genera

vacío entorno al molde, de forma que el metal asciende por la diferencia de presión con respecto a la ambiental que rodea el crisol.

Esta técnica presenta la ventaja respecto a la anterior de que se disminuye en mayor medida la inclusión de gases en la pieza, mejorando su calidad.



Fundición por centrifugación.

Esta técnica de fundición se caracteriza por el empleo de la fuerza centrífuga generada al hacer girar el molde para efectuar el llenado de la

cavidad.

Las modalidades de esta técnica son:

Fundición centrifugada

Fundición centrífuga Fundición semicentrífuga






Fundición por centrifugación: fundición centrífuga.

Esta variante se emplea básicamente en la fabricación de elementos tubulares con simetría radial.

Metal fundidoMolde

Embudo de descargaRodillo

Rodillo conducidoRodillo motriz

Molde



Fundición por centrifugación: fundición semicentrífuga.

Esta técnica se emplea para la fabricación de piezas macizas con simetría radial.

Cono de colada y bebedero

CajasPieza

Placa soporte desmontable

Anclaje






Fundición por centrifugación: fundición centrifugada.

Este proceso se emplea para la fabricación de pequeñas piezas sin simetría radial.

Molde Cavidad

Metal fundido



Fundición por centrifugación.

Para que estos procesos trabajen de forma satisfactoria, debe evaluarse la velocidad de rotación del molde adecuada para garantizar el llenado de la

cavidad.

Para su evaluación se emplea el factor G, que es la relación existente entre la fuerza centrífuga a la que se somete el material y el peso del mismo.

En el caso de la fundición centrífuga los valores apropiados del factor G oscilan entre 60 y 80, mientras que en la fundición semicentrífuga y

centrifugada el valor del factor se ajusta entorno a 15.






Procesado de polvos: fundamentos.

La metalurgia de polvos es una tecnología basada en la generación de piezas a partir de partículas metálicas que son prensadas entre sí y

calentadas para generar la unión de las mismas.




Este tipo de conformado presenta las siguientes características:

• Las piezas producidas normalmente no precisan de un procesado posterior.

• El desperdicio de material es muy pequeño (≈ 3%).• Debido a la naturaleza de la materia de partida, se pueden conseguir

piezas con diferentes niveles de porosidad.• Se pueden procesar materiales (p.e. tungsteno) cuyo procesado es difícil

mediante otras técnicas.• El control dimensional es mejor que otros procesos (p.e. fundición),

trabajando con tolerancias que pueden ser de ±0,1 mm.• Es un proceso susceptible de automatización.• Los costes de equipos y materias es elevado.

• Las piezas fabricadas pueden presentar variaciones de densidad,especialmente en el caso de geometrías complejas.







Por sus características, las piezas que se pueden producir con este tipo de proceso pueden ser de hasta unos 25 kg, pero, normalmente, los

componentes fabricados mediante esta técnica no suelen pesar más allá de los 2 kg, ya que ello requiere de prensas de compactación de muy elevada

potencia.

Los materiales más empleados en esta técnica son las aleaciones de hierro, acero y aluminio, aunque también se emplean en menor medida el cobre,

níquel, molibdeno y tungsteno.



Consideraciones sobre la materia de partida.

Las partículas de material empleadas deben ser caracterizadas respecto a:

Compactado, densidad y porosidad

Características geométricas Características de flujo

• Tamaño de las partículas• Forma y estructura interna

• Área superficial

• Fricción interparticular• Características de flujo

durante el prensado







En cuanto a la forma, se pueden catalogar los siguientes tipos:

Acicular(descomposición química) Cilíndrica irregular

(descomposición química,pulverización mecánica)

Escamas(pulverización mecánica)

Dendrítica(electrólisis)

Esférica(atomización, reducción química

de carbonilos de hierro)

Irregular(atomización,

descomposición química)

Redondeada(atomización, descomposición química)

Porosa(reducción de óxidos)

Angular(pulverización mecánica,reducción química de carbonilos de níquel)

Unidimensional

Bidimensional

Tridimensional




El tamaño de las partículas se evalúa en función de la forma de las mismas (uni-, bi- o tridimensional) y a través de un proceso de criba.

La influencia del tamaño viene dada bajo dos puntos de vista:

• A menor tamaño de las partículas, se produce una mayor aglomeración de las mismas, que favorece un aumento de la densidad aparente.

• A menor tamaño, mayor es la dificultad para que fluyan durante el proceso de prensado y de manipulación automática, lo cual provoca la

necesidad del empleo de mayores presiones.







En cuanto al área superficial se evalúa el factor de forma de la partícula:

VDAKf⋅

=

Siendo A el área superficial, D la dimensión principal de la partícula y V el volumen de la misma.

Para la forma esférica Kf = 6, mientras que para las demás formas Kf > 6, siendo tanto mayor cuanto más compleja es la forma de la partícula.

Como consecuencia del análisis este factor, si Kf es elevado, el área superficial será más alta para un tamaño de partícula dado, lo cual significa

que existe una mayor área donde puede producirse oxidación.




Respecto a la fricción interparticular, este aspecto afecta a la disposición de las partículas a fluir fácilmente y a compactarse firmemente.

La medida más usual de la fricción entre partículas es el ángulo de reposo, formado por un montón de polvo cuando éste se vacía a través de un

embudo. Los ángulos más grandes indican una mayor fricción.

Las consecuencias más inmediatas son las siguientes:

• Tamaños de partícula más pequeños suponen una mayor fricción.

• Los factores de forma más pequeños implican una menor fricción.







En cuanto a las características de flujo, éstas influyen durante el llenado de la matriz de compactación y durante el prensado.

Directamente relacionada con la fricción interparticular, una medida común es el tiempo requerido para una cierta cantidad (en peso) de partículas fluyan a través de un embudo de tamaño estándar. Tiempo menores

suponen una mayor facilidad de flujo e, indirectamente, una menor fricción entre partículas.

La consecuencia más directa es que una mayor dificultad de flujo supone un incremento de la presión de compactación necesaria.

Para reducir los efectos de la fricción y de la dificultad del flujo se emplean pequeñas cantidades de lubricante (estearato de zinc, aluminio) que se

añaden a las partículas.




Las características de compactado depende de dos medidas de densidad:

• Densidad real, que es la densidad del volumen verdadero del material.• Densidad aparente, que es la densidad de las partículas sin compactar e

incluyendo el efecto de los poros entre las mismas.

Se denomina factor de empaquetamiento (fe) a la relación entre densidad aparente y densidad real. Este factor oscila entre 0,5 y 0,7 para las

partículas sueltas y depende de los factores antes estudiados (especialmente de la distribución de tamaños y la forma de las partículas).

Para la mejora del factor de empaquetamiento se recurre al vibrado de las partículas con la finalidad de que se asienten de forma más adecuada.






Fases del proceso.

El proceso que se sigue en la metalurgia de polvos se resume en la siguiente gráfica:

Mezclado Operaciones de acabado

Obtención de la materia prima

Aditivos: lubricantes

Prensado en caliente

Prensado en frío Sinterizado

• Atomización• Descomp. química• Pulveriz. mecánica• ...

• Prensado• Prensado isostático• Laminado• Extrusión• Inyección

• Prensado isostático

• En atmósfera inerte• Al vacío

• Forjado• Mecanizado• Trat. Térmicos• Infiltración



Prensado convencional.

El prensado o compactación se realiza a altas presiones para dar a las partículas la forma requerida mediante una matriz.

Punzón superior

Punzón inferior

Matriz

Alimentador Pieza en verde

Punzón superior

Punzón inferior

Matriz

Macho

Pieza en verde







Tras el prensado la densidad aparente del material es aumentada, así como su resistencia, que es la adecuada para su manejo y manipulación.




La presión aplicada produce un empaquetamiento mayor de las partículas, reduciendo la porosidad, incrementando los puntos de contactos entre las

partículas y provocando la deformación plástica de las mismas.

Las valores de presión empleados usualmente son los siguientes:

Metal / Aleación Presión (MPa)Aluminio 70 - 275

Latón 400 - 700Bronce 200 - 275

Fundición de hierro 350 - 800Tántalo 70 - 140

Tungsteno 70 - 140






Prensado isostático.

Es una variante del prensado en la que el material se ve sometido a un esfuerzo de compresión hidrostática para garantizar una compactación más

uniforme.

En la variante en frío, este sistema emplea un molde de caucho flexible (neopreno, uretano, PVC u otro elastómero) en el que se encierra el material

y al que se somete a presión exterior (del orden de 400 MPa, como valor más común).

En la variante en caliente se simultanea el compactado a alta presión junto con la aplicación de una elevada temperatura, empleando como medio de

compresión un gas (helio, neón), lo cual permite disminuir notablemente la porosidad (hasta casi el 0%).



Prensado isostático.

Macho

Carga de material

Pared flexible (caucho)

Cierre

Fluido hidráulico






Otras técnicas de prensado.

En la industria existen otra serie de técnicas de prensado, que se emplean para el desarrollo de productos específicos.

• Moldeo por inyección, en la que se emplean partículas de pequeño tamaño (< 10 µm) aglomeradas con un polímero o cera. Una vez moldeada la pieza,

se introduce en un horno de baja temperatura o se emplea un disolvente para la eliminación de aglomerante.

Esta técnica se emplea para la fabricación de pequeñas piezas (< 250 g) con formas complejas, aunque los costes son muy elevados.



Otras técnicas de prensado.

• Extrusión, en la que se compacta el material a través de una matriz para generar una pieza longitudinal de perfil constante. Con esta técnica se

procesan (en caliente) algunas superaleaciones para mejorar sus propiedades mecánicas.

• Laminado, en la que se usan dos rodillos para generar una lamina o perfil continuo. Esta técnica se emplea para la obtención de componentes

eléctricos.






Sinterizado.

El sinterizado es la operación de tratamiento térmico que se efectúa sobre la pieza en verde para unir sus partículas e incrementar su resistencia

mecánica.



Sinterizado.

La temperatura de sinterización oscila entre el 70% y el 90% de la de fusión del metal en la escala absoluta, mientras que el tiempo de sinterización

depende del material considerado.

Metal / Aleación Temperatura (°C) Tiempo (min)Cobre, latón y bronce 760 - 900 10 - 45Fundición de hierro 1000 - 1150 8 - 45

Níquel 1000 - 1150 30 - 45Acero inoxidable 1100 - 1290 30 - 60

Ferritas 1200 - 1500 10 - 600Carburos de Tungsteno 1430 - 1500 20 - 30

Molibdeno 2050 120Tungsteno 2350 480

Tántalo 2400 480






Sinterizado.

Los hornos de sinterizado operan en atmósferas controladas (vacío, nitrógeno, amoniaco disociado, gas inerte, hidrógeno, gas natural), a lo

largo de tres fases: precalentamiento, sinterización y enfriamiento.Temperatura del horno(línea continua)

Temperatura de la pieza(línea discontinua)

Sinterizado EnfriamientoPrecalen-tamiento

Deflector

Banda de transporte

Temperatura



Sinterizado.






Sinterizado.

Los mecanismos de sinterizado son complejos y dependen de la composición de las partículas empleadas.

Los mecanismos que pueden producirse durante el proceso de sinterizado son:

• Transporte en estado sólido, donde predomina el efecto de difusión entre las partículas.

• Transporte en estado líquido, en el que aparece una primera fase de transporte en fase vapor y una posterior microfusión de material en la zona de contacto (sobre todo en el caso de partículas compuestas de materiales

con distinto punto de fusión).



Operaciones de acabado.

Aunque en muchos casos el producto obtenido tras el sinterizado no necesita de ningún procesado posterior, se pueden realizar algunas

operaciones de acabado para mejorar algunas características de la pieza final.

• Reprensado, que se efectúa para aumentar la densidad del material y mejorar sus características mecánicas y/o dimensionales. Una variante es el

acuñado, realizada para grabar formas geométricas en la superficie de la pieza sinterizada.

• Impregnación, cuando se introduce un fluido (p.e. aceite lubricante) en el seno de los poros de la pieza sinterizada.

• Infiltración, en la que se rellenan los poros mediante un metal fundido (cuyo punto de fusión es inferior al del material de la pieza).

• Tratamientos térmicos, para mejorar sus características mecánicas.






Conformado por deformación plástica: fundamentos.

Este tipo de proceso de conformado se basa en la modificación de la forma de los metales y aleaciones por aplicación de un esfuerzo mecánico exterior

para que éste fluya plásticamente y se deforme.

Con este tipo de operaciones se pueden conseguir (de forma general):

• Cambios de forma significativos con respecto a la materia de partida.• Mejoras en las características mecánicas del material.

• En muchos casos se obtienen piezas terminadas sin necesidad de procesado posterior.

• Tolerancias más ajustadas y acabados superficiales mejores que en piezas obtenidas por fundición.




Los procesos de conformado por deformación plástica se agrupan en dos grandes grupos:

• Procesos en los que se produce una deformación volumétrica (en tres dimensiones) del material con cambios de forma y deformaciones

significativas.

• Procesos de conformado de chapa, en los que el material (en forma de láminas, placas, chapas) se deforma en dos dimensiones fundamentalmente.

Forja Laminación Extrusión Trefilado

Troquelado Doblado Embutición Repujado







Independientemente del tipo de proceso considerado, el material se puede conformar a distintas temperaturas, lo cual supone diferentes características

mecánicas en el material procesado.

El parámetro que distingue entre los distintos tipos de conformado bajo la perspectiva antes citada es la temperatura de recristalización.

Dicha temperatura marca la frontera entre la deformación generada en los bordes de grano (valores inferiores) y la generada en el interior de los mismos (valores superiores) ante la aplicación de un esfuerzo exterior.

Dicha temperatura se puede estimar como la mitad de temperatura de fusión del material medida en la escala absoluta.




El conformado en frío se efectúa a una temperatura muy por debajo de la de recristalización y se aplica a aquellos casos en los que se genera un cambio de forma menos severo, se desean mejorar las características mecánicas del

material y/o se desea un buen acabado en la pieza final.

Los principales efectos son:

• No homogeneización entre las distintas zonas de la pieza (especialmente entre la superficie y el núcleo).

• Aparición de tensiones residuales en la superficie de la pieza que acentúan los defectos superficiales, disminuyen la resistencia a fatiga y favorecen la

corrosión.• Aumento de la dureza, del límite elástico y de la fragilidad del material.







El conformado en caliente se efectúa a una temperatura cercana a la de recristalización y se aplica a aquellos casos en los se genera un gran cambio

de forma en el material.

Los principales efectos son:

• Se disminuye el esfuerzo de deformación.• Por efecto simultáneo de deformación y recristalización, se favorece el

afino del grano.• No se generan tensiones residuales en el material.

• La estructura del material es más uniforme.• Se favorece la oxidación del material (especialmente en la superficie).



Laminado.

El laminado es un proceso por el que se reduce el espesor del material mediante un esfuerzo de compresión aplicado a través de dos rodillos

opuestos.

Lingote

Pletina

Lámina

Flejes

Tubos

Chapas

Barras

Varillas

Tubos sin costura

Perfiles estructurales

Rieles

Fundición continua o

lingotes






Laminado.

La mayoría de las operaciones de laminado se efectúan en caliente, dado que se producen cambios significativos en la forma del material. Sólo

cuando se desean mantener tolerancias estrechas en el producto final, se realizan operaciones de laminado en frío.



Laminado plano.

Este tipo de proceso constituye la base de estudio del resto de variantes del proceso de laminación.

vo

vf

bo

ho

bf

hf

LR vrodillo

vo vf

Lámina Fuerzas de fricción

Rvrodillo

Zona de entrada

Zona de salida

Zona de

deform. L

Punto neutro (rozamiento

nulo)

F

F

F

F

a

Par

L

α






Laminado plano.

Durante el proceso se verifica que la reducción de espesor es:

ε−=−

= e1h

hhro

fo

Mientras que las dimensiones de la lámina cumplen:

fffooo vbhvbh ⋅⋅=⋅⋅

siendo:

frodilloo vvv <<

lo que supone que el material está sometido a un esfuerzo de fricción variable mientras discurre entre los rodillos de laminación.



Laminado plano.

Aunque la fricción es necesaria para el laminado, con objeto de que el material pueda ser arrastrado por los rodillos a la entrada, supone un aporte de energía acumulado al proceso y, en caso de ser excesiva, puede dañar la superficie del material. Por este motivo se emplean lubricantes con objeto de conseguir coeficientes de rozamiento que, sin que puedan impedir el

desarrollo del proceso, sean lo más bajos posibles.

En el laminado en frío, los coeficientes de rozamiento oscilan entre 0,02 y 0,3, dependiendo de las condiciones de lubricación, mientras que en el

laminado en caliente, varían entre 0,2 y 0,7, valor este último que indica la adherencia del material al rodillo.

Como expresión de evaluación se emplea la siguiente:

Rhh 2fo ⋅µ=−






Laminado plano.

El esfuerzo desarrollado en los rodillos es función de la presión que éstos ejercen sobre el material. Como primera aproximación para el cálculo de la

fuerza desarrollada por los rodillos se emplea la expresión:

( )fomedio

hhRLcon h2

L1SbLF −⋅≈

⋅⋅µ

+⋅⋅⋅=

En cuanto al par necesario, su cálculo se aproxima considerando que la distancia de aplicación de la fuerza F con respecto al eje del rodillo es:

⋅⋅⋅⋅

≈⋅=calienteen laminación de caso elen : L5,0Ffríoen laminación de caso elen : L4,0F

dFM



Laminado de perfiles.

En esta variante, la material es deformado para generar un contorno en la sección transversal. En este caso los rodillos de laminación son más

complejos y el material inicial requiere una transformación gradual a través de varias etapas de rodillos hasta alcanzar la forma final, para lograr una

deformación uniforme.

1ª etapa 2ª etapa 3ª etapa

4ª etapa 5ª etapa 6ª etapa






Laminado de anillos.

Mediante esta técnica se laminan las paredes gruesas de un anillo para generar un anillo de pared más delgada y mayor diámetro.

Rodillo principal(conductor)

Rodillo interior(conducido)

Rodillo exterior(conducido)

Rodillos de perfil(conducidos)

Pieza



Laminado de tubos sin costura.

Esta técnica aprovecha el efecto de la aplicación de un esfuerzo de compresión sobre un rodillo cilíndrico a través de su circunferencia para provocar una grieta en su centro que se aprovecha para generar el hueco

interior del tubo.

Tubo

Mandril

Rodillo

Rodillo

F

F

F

F

v






Forja.

El proceso de forja consiste en la compresión del material entre dos matrices mediante la aplicación de un impacto o de presión gradual.



Forja.

Este proceso suele realizarse en caliente, ya que se disminuyen notablemente los esfuerzos necesarios para la deformación que se produce sobre el material, pero también se realiza en frío en ciertos casos cuando se

desean mejorar las características mecánicas del material.

Las variantes de este tipo de proceso son:

Forja libre Forja con estampa

Forja con estampa cerrada

Recalcado Grabado






Forja libre.

La forja libre es la variante más simple de este proceso, con la que se obtienen piezas de geometría sencilla. Los tamaños de piezas pueden

oscilar entre pocos centímetros hasta los 25 m.



Forja libre.

Se aplica a series pequeñas, en las que no se exige a la pieza una tolerancia final estrecha (con necesidad de procesado posterior), y con una

productividad muy baja.






Forja libre.

El esfuerzo de forja depende de la deformación que se provoca en el material y del coeficiente de fricción entre las matrices y la pieza.

Matriz

Matriz

Tocho

Fuerzas de fricción

Abombamiento

F F

Deformación sin efectos de fricción.

Deformación con efectos de fricción.



Forja libre.

⋅⋅µ⋅

+⋅=h3

r21Yp fluenciamedia

En el caso de un cilindro la presión media que se requiere para deformar el material es:

⋅µ+⋅=

ha1Sp fluenciamedia

siendo r el radio final de la pieza y h su altura final.

En el caso de una pieza de sección rectangular sometida a condiciones de deformación plana es:

siendo a el semiancho final de la pieza y h su altura final.






Forja con estampa.

Mediante esta variante se genera la deformación del material de manera que éste adquiere la forma de la matriz (estampa) con la que se trabaja el

material.



Forja con estampa.

Este conformado, debido a las grandes deformaciones que sufre el material, se efectúa en varias etapas, de manera que el material altera su forma de

modo gradual. Ello supone el empleo de varias matrices (tantas como etapas de forjado).

Material de partida

Preformado Semiacabado Acabado Desbarbado






Forja con estampa.

Puesto que las deformaciones que sufre el material son diferentes según la zona afectada, la evaluación del esfuerzo necesario es compleja, lo cual sólo se puede calcular con cierta exactitud mediante el uso del M.E.F.

Estampa

Material de partida

Estampa

F F

Rebaba



Forja con estampa.

La estimación del esfuerzo necesario para la deformación puede efectuarse mediante la expresión:

ffluenciamedia KYp ⋅=

Siendo Kf un valor en función de la geometría de la pieza y del tipo de proceso.

Tipo de forjado con estampa KfFormas simples, sin rebabas. 3 - 5Formas simples, con rebabas 5 - 8

Formas complejas, sin rebabas 5 - 8Formas complejas, con rebabas 8 - 12






Forja con estampa cerrada. Grabado.

La forja con estampa cerrada se caracteriza porque no se genera una rebaba en la pieza final, de manera que todo el material rellena por completo el

interior de la cavidad de las matrices.

Este tipo de proceso impone unos requisitos sobre el control del proceso más exigentes que en el caso anterior, ya que debe controlarse

perfectamente el volumen del material de partida y las presiones ejercidas.

Una variante de este proceso consiste en el grabado (o acuñado) de superficies, proceso en el que los esfuerzos son muy elevados para alcanzar

un gran nivel de detalle en la pieza final, pero con el que se consiguen piezas de una gran precisión y calidad superficial.



Recalcado.

Esta variante del proceso de forja con estampa pretende deformar una parte de la pieza aumentando su diámetro y disminuyendo su longitud. Es un proceso de producción en serie, que puede operar tanto en frío como en

caliente.

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