PDF - Centro Educativo Salesianos Talca

CENTRO EDUCATIVO SALESIANOS TALCA
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TALCA – VII REGIÓN
MODULO MATERIALES
Jorge. A .Navarro. G
Técnico Industrial
Talca, Marzo 2007
Introducción
Este módulo está asociado a las áreas de competencias Montaje y mantenimiento de
Sistemas mecánicos y Mecanización de piezas . Es de carácter complementario y
para su desarrollo requiere 80 horas.
Al finalizar el presente módulo el alumno y alumna estará habilitado para:
Analizar propiedades de materiales utilizados en la fabricación mecánica.
Realizar tratamientos térmicos de materiales.
En este módulo se profundiza el conocimiento de los materiales más utilizados en los
procesos de fabricación mecánica. Complementa los aprendizajes de los procesos de
mecanizado. El estudiante tiene la posibilidad de analizar el impacto de los
tratamientos térmicos en las propiedades de algunos materiales y en su
comportamiento final como elemento constitutivo de estructuras o máquinas
ALTOHORNOS
En general los altos hornos tienen un diámetro mayor a 8 m y llegan a tener una altura
superior de los 60 m. Están revestidos de refractario de alta calidad.
Los altos hornos pueden producir entre 800 y 1600 toneladas de arrabio cada 24 h. La
caliza, el coque y el mineral de hierro se introducen por la parte superior del horno por
medio de vagones que son volteados en una tolva. Para producir 1000 toneladas de
arrabio, se necesitan 2000 toneladas de mineral de hierro, 800 toneladas de coque,
500 toneladas de piedra caliza y 4000 toneladas de aire caliente.
Con la inyección de aire caliente a 550°C, se reduce el consumo de coque en un 70%.
Los sangrados del horno se hacen cada 5 o 6 horas, y por cada tonelada de hierro se
produce 1/2 de escoria.
Alto horno
Reducción directa del mineral de hierro
Para la producción del hierro también se puede utilizar el método de reducción directa,
el que emplea agentes reactivos reductores como gas natural, coque, aceite
combustible, monóxido de carbono, hidrógeno o grafito. El procedimiento consiste en
triturar la mena de hierro y pasarla por un reactor con los agentes reductores, con lo
que algunos elementos no convenientes para la fusión del hierro son eliminados. El
producto del sistema de reducción directa es el hierro esponja que consiste en unos
pelets de mineral de hierro los que pueden ser utilizados directamente para la
producción de hierro con características controladas.
Diagrama de producción de hierro esponja
En el método de reducción directa para procesar 1000 toneladas de mineral de hierro,
se requieren 491,000 metros cúbicos de metano y con ello se obtienen 630 toneladas
de hierro esponja.
Diferentes procesos de producción de hierro y acero
Una vez obtenido el arrabio o el hierro esponja es necesario refinar al hierro para que
se transforme en material útil para diferentes objetos o artefactos, o sea en hierro o
acero comercial. A continuación se presentan los principales procesos de fabricación
de los hierros y aceros comerciales.
Proceso de pudelado
El hierro dulce es un metal que contienen menos del 0.01% de carbono y no más de
0.003% de escoria. Para su obtención se requiere del proceso conocido como
pudelado, el que consiste en fundir arrabio y chatarra en un horno de reverbero de 230
kg, este horno es calentado con carbón, aceite o gas. Se eleva la temperatura lo
suficiente para eliminar por oxidación el carbón, el silicio, y el azufre. Para eliminar
todos los elementos diferentes al hierro, el horno de pudelado debe estar recubierto
con refractario de la línea básica (ladrillos refractarios con magnesita y aluminio). El
material se retira del horno en grandes bolas en estado pastoso y el material producido
se utiliza para la fabricación de aleaciones especiales de metales. Existen otros
procedimientos modernos como el llamado proceso Aston, en donde en lugar del
horno de reverbero se usa un convertidor Bessemer con lo que se obtienen mayor
cantidad de material.
Hornos bessemer
Es un horno en forma de pera que está forrado con refractario de línea ácida o básica.
El convertidor se carga con chatarra fría y se le vacía arrabio derretido, posteriormente
se le inyecta aire a alta presión con lo que se eleva la temperatura por arriba del punto
de fusión del hierro, haciendo que este hierva. Con lo anterior las impurezas son
eliminadas y se obtiene acero de alta calidad. Este horno ha sido substituido por el
BOF, el que a continuación se describe.
Horno básico de oxigeno (BOF)
Es un horno muy parecido al Bessemer con la gran diferencia que a este horno en
lugar de inyectar aire a presión se le inyecta oxígeno a presión, con lo que se eleva
mucho más la temperatura que en el Bessemer y en un tiempo muy reducido. El
nombre del horno se debe a que tiene un recubrimiento de refractario de la línea
básica y a la inyección del oxígeno. La carga del horno está constituida por 75% de
arrabio procedente del alto horno y el resto es chatarra y cal. La temperatura de
operación del horno es superior a los 1650°C y es considerado como el sistema más
eficiente para la producción de acero de alta calidad. Este horno fue inventado por Sir
Henry Bessemer a mediados de 1800, sólo que como en esa época la producción del
oxígeno era cara se inició con la inyección de aire, con lo que surgió el convertidor
Bessemer, el que ya fue descrito.
Horno básico de oxígeno
Horno de hogar abierto
Es uno de los hornos más populares en los procesos de producción del acero. Un
horno de este tipo puede contener entre 10 y 540 toneladas de metal en su interior.
Tiene un fondo poco profundo y la flama da directamente sobre la carga, por lo que es
considerado como un horno de reverbero. Su combustible puede ser gas, brea o
petróleo, por lo regular estos hornos tienen chimeneas laterales las que además de
expulsar los gases sirven para calentar al aire y al combustible, por lo que se
consideran como hornos regenerativos.
Los recubrimientos de los hornos de hogar abierto por lo regular son de línea básica
sin embargo existen también los de línea ácida ((ladrillos con sílice y paredes de
arcilla). Las ventajas de una línea básica de refractario, sobre una ácida son que con
la primera se pueden controlar o eliminar el fósforo, el azufre, el silicio, el magnesio y
el carbono y con la línea ácida sólo se puede controlar al carbono. El costo de la línea
básica es mayor que el de la ácida.
Los hornos de hogar abierto son cargados con arrabio en su totalidad o con la
combinación de arrabio y chatarra de acero. El arrabio puede estar fundido o en
estado sólido. La primera carga del horno tarda 10 h en ser fundida y estar lista para la
colada, pero si se agrega oxígeno se logra tener resultados en menos de 7 h, además
de que se ahorra el 25% de combustible.
Horno de arco eléctrico
Por lo regular son hornos que sólo se cargan con chatarra de acero de alta calidad.
Son utilizados para la fusión de aceros para herramientas, de alta calidad, de
resistencia a la temperatura o inoxidables. Considerando que estos hornos son para la
producción de aceros de alta calidad siempre están recubiertos con ladrillos de la línea
básica.
Existen hornos de arco eléctrico que pueden contener hasta 270 toneladas de material
fundido. Para fundir 115 toneladas se requieren aproximadamente tres horas y 50,000
kwh de potencia. También en estos hornos se inyecta oxígeno puro por medio de una
lanza. Ok
Los hornos de arco eléctrico funcionan con tres electrodos de grafito los que pueden
llegar a tener 760mm de diámetro y longitud de hasta 12m. La mayoría de los hornos
operan a 40v y la corriente eléctrica es de 12,000 A.
Estos equipos tienen un crisol o cuerpo de placa de acero forrado con refractario y su
bóveda es de refractario también sostenida por un cincho de acero, por lo regular
enfriado con agua. Para la carga del horno los electrodos y la bóveda se mueven
dejando descubierto al crisol, en el que se deposita la carga por medio de una grúa
viajera.
Estos equipos son los más utilizados en industrias de tamaño mediano y pequeño, en
donde la producción del acero es para un fin determinado, como varilla corrugada,
aleaciones especiales, etc.
Horno de arco eléctrico
Horno de refinación
Estos hornos pueden ser de varios tipos, en realidad puede ser cualquier horno al que
por medio de aire u oxígeno se obtenga hierro con carbón controlado, sin embargo se
pueden mencionar dos de los hornos más conocidos para este fin.
Horno de inducción
Utilizan una corriente inducida que circula por una bovina que rodea a un crisol en el
cual se funde la carga. La corriente es de alta frecuencia y la bovina es enfriada por
agua, la corriente es de aproximadamente 1000Hz, la cual es suministrada por un
sistema de moto generador. Estos hornos se cargan con piezas sólidas de metal,
chatarra de alta calidad o virutas metálicas. El tiempo de fusión toma entre 50 y 90
min., fundiendo cargas de hasta 3.6 toneladas. Los productos son aceros de alta
calidad o con aleaciones especiales.
Horno de aire o crisol
Es el proceso más antiguo que existe en la fundición, también se le conoce como
horno de aire. Este equipo se integra por un crisol de arcilla y grafito, los que son
extremadamente frágiles, los crisoles se colocan dentro de un confinamiento que
puede contener algún combustible sólido como carbón o los productos de la
combustión.
Los crisoles son muy poco utilizados en la actualidad excepto para la fusión de
metales no ferrosos, su capacidad fluctúa entre los 50 y 100 kg.
Hornos de crisol para metales no ferrosos
Horno de cubilote
Son equipos muy económicos y de poco mantenimiento, se utilizan para hacer
fundición de hierros colados. Consisten en un tubo de más de 4 metros de longitud y
pueden tener desde 0.8 a 1.4 m de diámetro, se cargan por la parte superior con
camas de chatarra de hierro, coque y piedra caliza. Para la combustión del coque se
inyecta aire con unos ventiladores de alta presión, este accede al interior por unas
toberas ubicadas en la parte inferior del horno. También estos hornos se pueden
cargar con pelets de mineral de hierro o pedacería de arrabio sólido.
Por cada kilogramo de coque que se consume en el horno, se procesan de 8 a 10
kilogramos de hierro y por cada tonelada de hierro fundido se requieren 40kg de piedra
caliza y 5.78 metros cúbicos de aire a 100 kPa a 15.5°C.
Los hornos de cubilote pueden producir colados de hasta 20 toneladas cada tres
horas. Este tipo de equipo es muy parecido al alto horno, sólo sus dimensiones
disminuyen notablemente. El mayor problema de estos hornos es que sus equipos
para el control de emisiones contaminantes es más costoso que el propio horno, por
ello no se controlan sus emisiones de polvo y por lo tanto no se autoriza su operación.
CONVERTIDORES
La mata fundida proveniente de la fundición contiene cobre, hierro y azufre como sus
componentes principales y hasta un 3 % de oxígeno disuelto. Además, ésta contiene
cantidades menores de metales como impureza (por ejemplo, As, Sb, Bi, Pb, Ni, Zn y
metales preciosos, ver tabla ) los cuales se encontraban en el concentrado original y
no se eliminaron durante la fundición. Esta mata se carga en estado fundido (1100 ºC)
a un convertidor para su transformación a "cobre blister".
El propósito de la conversión es eliminar el hierro, azufre y otras impurezas de la mata
produciendo así un cobre metálico líquido en forma de cobre blister (no refinado 98.5
a 99.5 % de Cu). Esto se logra al oxidar la mata fundida a una temperatura elevada,
de 1150 a 1250 ºC, con aire. El cobre blister producido posteriormente se refina
térmicamente y se electrorefina para producir un cobre de pureza alta ( > 99.99 % de
Cu). Los análisis representativos de las materias primas y productos del convertidor
se indican en la tabla siguiente:
Tabla. Análisis representativos de cargas y productos del convertidor
La conversión de la mata de cobre se lleva a cabo casi universalmente en el
convertidor cilíndrico Peirce - Smith (figura siguiente). La mata fundida se carga al
convertidor por una gran abertura o "boca" y se inyecta aire al interior de la mata por
toberas situadas a lo largo del convertidor. Los productos del convertidor son la
escoria y el cobre blister. Esto se presenta en diferentes etapas del proceso donde la
mata y escoria se vierten en forma separada por la boca del convertidor al girarlo
alrededor de su eje (figura 8). Durante la conversión también se producen volúmenes
grandes de gases calientes que contienen SO2, los cuales se colectan por medio de
una campana ajustable sobre el convertidor. Los gases contienen de 5 a 15% de SO2
y en muchos casos el SO2 se elimina de éstos como ácido sulfúrico. Las reacciones
de conversión son exotérmicas y el proceso es autógeno.
Figura Corte y posiciones de un convertidor Peirce-Smith
Operaciones de Conversión Industriales
Los convertidores industriales Peirce-Smith son representativamente de 4 m de
diámetro y 9 m de longitud (interior de la coraza) ambas de 20 %. Se construyen de
una coraza de acero de 4 a 5 cm. de espesor, revestidos con ladrillo térmico de
magnesita o cromo-magnesita de 25 a 75 cm. Los convertidores de estas
dimensiones tratan de 300 a 500 toneladas de mata por día para producir de 100 a
200 toneladas de cobre. Una fundadora normalmente tiene de tres a seis
convertidores, uno o más de estos en espera o en reparación, dependiendo de la
capacidad del horno de fundición.
El aire se inyecta al interior de los convertidores (de 500 a 700 m3N/min., 1 atm
manométrica) a través de una sola línea de toberas de 4 a 6 cm. de diámetro. Existen
de cuarenta a cincuenta toberas por convertidor, dependiendo del diámetro y tamaño
del mismo. Las toberas consisten en tubos de acero empotrados en el refractario
(figura anterior) y se conectan al tubo distribuidor lineal del convertidor. Las toberas
requieren limpieza periódica ("punzonado", "punching") para eliminar las
incrustaciones que se forman en la punta de la tobera y obstruyen el flujo de aire. El
"punzonado" se efectúa al introducir una barra de acero a través de la tobera por un
sistema mecánico o neumático. Cada tobera se puede equipar su propia barra (a
menudo disparada automáticamente cuando la presión de aire aumenta debido al
bloqueo de la tobera) el punzonado puede efectuarse con dos o cuatro barras
montadas sobre un carro móvil detrás del convertidor. Un punzonado adecuado es
importante para asegurar un flujo de aire uniformemente distribuido en todas las
partes del convertidor.
Se instala en el convertidor un mecanismo rotatorio que permite que sea colocado
correctamente para la carga, inyección y extracción (figura anterior). Esta
capacidad rotacional también permite sacar las toberas de los líquidos en el caso
de una falla al inyectar y sumergir las toberas hasta la profundidad deseada en los
mismos. Esta última facilidad hace posible al operador dirigir el aire hacia el metal
blanco (Cu2S) y no hacia el cobre blister durante la etapa formadora de cobre.
Las toberas normalmente se sumergen de 20 a 30 cm. en la mata.
El revestimiento refractario de un convertidor dura de 100 a 200 días después de lo
cual el convertidor se saca de servicio para revestirlo nuevamente. Los refractarios se
gastan más severamente detrás de las toberas y esta región es la que limita la vida
útil del convertidor. En general, una inyección fuerte del convertidor para lograr una
productividad alta conduce a una vida corta, pero las toneladas reales de cobre
producido por revestimiento se pueden, de hecho, aumentar por este tipo de práctica.
Etapas del Proceso de Conversión
La conversión se lleva a cabo en dos etapas distintas tanto química como físicamente
en las cuales se necesita la inyección de aire al interior de la fase de sulfuro fundida:
a) La etapa formadora de escoria en la cual el FeS se oxida a FeO, Fe3O4 y gas SO2.
Las temperaturas de fundición de los óxidos FeO y Fe3O4 son 1385 ºC y 1597 ºC,
respectivamente, y el fundente de sílice se agrega durante esta etapa por medio de un
cañón de fundente (figura 8) para que se combine con el FeO y parte del Fe3O4 como
escoria líquida. La etapa formadora de escoria se termina cuando el FeS de la mata
se ha oxidado casi completamente, es decir, hasta un punto donde la mata contiene
menos de 1 % de FeS. La escoria líquida de fayalita (2FeO·SiO2), saturada con
magnetita, se vierte varias veces durante la etapa formadora de escoria. El producto
principal de esta etapa es el "metal blanco", o sea, Cu2S líquido impuro.
b) La etapa formadora de cobre en la cual el azufre remanente se oxida a SO2. El
cobre no se oxida apreciablemente por el aire hasta que está casi libre del azufre y
por lo tanto, el cobre blister, producto de la conversión, tiene concentraciones bajas en
azufre y oxígeno (de 0,02 a 0,1% de S, y de 0,5 a 0,8% de O2).
En las operaciones industriales, la mata se agrega al convertidor en dos o más
etapas, seguida cada etapa por la oxidación de gran parte del FeS de la carga. La
escoria resultante se vierte del convertidor después de cada etapa de oxidación y se
agrega nuevamente mata. En esta forma, la cantidad de cobre (como mata) dentro del
convertidor aumenta poco a poco hasta que existe suficiente para una "inyección"
formadora de cobre final. En este punto, el FeS en la mata se reduce hasta alrededor
de 1 %, se elimina una escoria final y el metal blanco resultante (Cu2S impuro) se
oxida hasta cobre blister. El proceso de conversión termina cuando el óxido de cobre
comienza a presentarse con el cobre líquido.
Características mecánicas y tecnológicas del acero
Representación de la inestabilidad lateral bajo la acción de un fuerza ejercida sobre
una viga de acero.
Aunque es difícil establecer las propiedades físicas y mecánicas del acero debido a
que estas varían con los ajustes en su composición y los diversos tratamientos
térmicos, químicos o mecánicos, con los que pueden conseguirse aceros con
combinaciones de características adecuadas para infinidad de aplicaciones, se pueden
citar algunas propiedades genéricas:
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Su densidad media es de 7.850 kg m-3.
En función de la temperatura el acero se puede encoger, estirar o
derretir.
El punto de fusión del acero depende del tipo de aleación. El de su
componente principal, el hierro es de alrededor de 1510 ºC, sin
embargo el acero presenta frecuentemente temperaturas de fusión de
alrededor de 1375 ºC (2500 ºF). Por otra parte el acero rápido funde a
1650ºC5
Su punto de ebullición es de alrededor de 3000 ºC (5400 ºF).6
Es un material muy tenaz, especialmente en alguna de las aleaciones
usadas para fabricar herramientas.
Relativamente dúctil. Con él se obtienen hilos delgados llamados
alambres.
Es maleable. Se pueden obtener láminas delgadas llamadas hojalata.
La hojalata es una lamina de acero, de entre 0,5 y 0,12 mm de espesor,
recubierta, generalmente de forma electrolítica, por estaño.
Permite una buena mecanización en máquinas herramientas antes de
recibir un tratamiento térmico.
Algunas composiciones y formas del acero mantienen mayor memoria,
y se deforman al sobrepasar su límite elástico.
La dureza de los aceros varía entre la del hierro y la que se puede
lograr mediante su aleación u otros procedimientos térmicos o químicos
entre los cuales quizá el más conocido sea el temple, aplicable a aceros
con alto contenido en carbono, que permite, cuando es superficial,
conservar un núcleo tenaz en la pieza que evite fracturas frágiles
(véase también endurecimiento del acero). Aceros típicos con un alto
grado de dureza superficial son los que se emplean en las herramientas
de mecanizado, denominados aceros rápidos que contienen cantidades
significativas de cromo, wolframio, molibdeno y vanadio. Los ensayos
tecnológicos para medir la dureza son Brinell, Vickers y Rockwell, entre
otros.
Se puede soldar con facilidad.
La corrosión es la mayor desventaja de los acero ya que el hierro se
oxida con suma facilidad incrementando su volumen y provocando
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grietas superficiales que posibilitan el progreso de la oxidación hasta
que se consume la pieza por completo. Tradicionalmente los aceros se
han venido protegiendo mediante tratamientos superficiales diversos. Si
bien existen aleaciones con resistencia a la corrosión mejorada como
los aceros de construcción «corten» aptos para intemperie (en ciertos
ambientes) o los aceros inoxidables.
Posee una alta conductividad eléctrica. Aunque depende de su
composición es aproximadamente de7 3*106 S m-1. En las líneas aéreas
de alta tensión se utilizan con frecuencia conductores de aluminio con
alma de acero proporcionando éste último la resistencia mecánica
necesaria para incrementar los vanos entre la torres y optimizar el coste
de la instalación.
Se utiliza para la fabricación de imanes permanentes artificiales, ya que
una pieza de acero imantada no pierde su imantación si no se la
calienta hasta cierta temperatura. La magnetización artificial se hace
por contacto, inducción o mediante procedimientos eléctricos. En lo que
respecta al acero inoxidable, al acero inoxidable ferrítico sí se le pega el
imán, pero al acero inoxidable austenítico no se le pega el imán debido
a que en su composición hay un alto porcentaje de cromo y níquel.
Un aumento de la temperatura en un elemento de acero provoca un
aumento en la longitud del mismo. Este aumento en la longitud puede
valorarse por la expresión: L =
t° L, siendo a el coeficiente de
dilatación, que para el acero vale aproximadamente 1,2 · 10-5 (es decir
= 0,000012). Si existe libertad de dilatación no se plantean grandes
problemas subsidiarios, pero si esta dilatación está impedida en mayor
o menor grado por el resto de los componentes de la estructura,
aparecen esfuerzos complementarios que hay que tener en cuenta. El
acero se dilata y se contrae según un coeficiente de dilatación similar al
coeficiente de dilatación del hormigón, por lo que resulta muy útil su uso
simultáneo en la construcción, formando un material compuesto que se
denomina hormigón armado.8 El acero da una falsa sensación de
seguridad al ser incombustible, pero sus propiedades mecánicas
fundamentales se ven gravemente afectadas por las altas temperaturas
que pueden alcanzar los perfiles en el transcurso de un incendio.
Formación del acero. Diagrama hierro-carbono (Fe-C)
Diagrama de fase hierro-carbono (Fe-C), permite visualizar las condiciones de
existencia de las fases que conforman el acero.
El carbono es un elemento clave en el acero. Su porcentaje varía del 0,01% al 1,5%,
de unos tipos de acero a otros. Es el elemento responsable de dar la dureza y la
resistencia del acero.
En función del contenido de carbono suele dividirse el diagrama de hierro-carbono en
dos partes: una que comprende las aleaciones con menos del 2 % de carbono y que
se llaman aceros, y otra integrada por las aleaciones con más de un 2 % de carbono,
que se llaman fundiciones.
A su vez, la región de los aceros se subdivide en otras dos: una formada por los
aceros cuyo contenido en carbono es inferior al correspondiente a la composición
eutectoide (0,77 % de C) los cuales se llaman aceros hipoeutectoides, y la otra
compuesta por los aceros cuyo contenido se encuentra entre 0,77 y 2 %, y que se
conocen por aceros hipereutectoides.
Estas fases se obtienen a temperatura ambiente mediante el enfriamiento lento de un
acero. Las principales son: 9
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La ferrita ( ) es blanda y dúctil. Su estructura es cúbica centrada en el
cuerpo (BCC), es estable hasta los 721 ºC
La austenita ( ) es la más dúctil de las fases del diagrama Fe-Fe3C, su
estructura es cúbica centrada en las caras (FCC). Esta fase permite un
proceso de difusión con el carbono mucho más rápido.
La cementita (Fe3C) es un compuesto ínter metálico de fórmula Fe3C,
con un contenido de carbono de 6,67%, es dura y frágil.
La perlita es el micro constituyente eutectoide que se forma a los 727 ºC
a partir de austenita con 0.77 % de carbono. Es una mezcla bifásica de
ferrita y cementita de morfología laminar. Sus propiedades mecánicas
serán intermedias entre la ferrita blanda y la cementita dura que la
compone.
Fases fuera de equilibrio
Estas condiciones se alcanzan mediante el uso de tratamientos térmicos como el
temple (enfriamiento rápido) y el revenido (recalentamiento sostenido) para lograr la
formación de martensita, bainita y otros micro constituyentes que tienen como
propiedades ser duros y frágiles.
Otros elementos en el acero
Elementos aleantes del acero y mejoras obtenidas con la aleación
Aunque la composición química de cada fabricante de aceros es casi secreta,
certificando a sus clientes solo la resistencia y dureza de los aceros que producen, sí
se conocen los compuestos agregados y sus porcentajes admisibles10.
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Aluminio: Se utiliza básicamente como desoxidante en elaboración del
acero.
Boro: Logra aumentar la capacidad de endurecimiento cuando el acero
está totalmente desoxidado.
Acería. Nótese la tonalidad del vertido.
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Cobalto: Muy endurecedor. Disminuye la templabilidad. Mejora la
dureza en caliente. El cobalto es un elemento poco habitual en los
aceros.
Cromo: Es un elemento clave para crear acero inoxidable; también se
utiliza en revestimientos embellecedores o recubrimientos duros de
gran resistencia al desgaste, como émbolos, ejes, etc..
Estaño: Es el elemento que se utiliza para recubrir láminas muy
delgadas de acero que conforman la hojalata.
Manganeso: Se usa para desoxidar el acero y para aumentar su
capacidad de endurecimiento en el temple.
Molibdeno: Es un elemento habitual del acero y aumenta mucho la
profundidad de endurecimiento de acero, así como su tenacidad. Los
aceros inoxidables austeníticos contienen molibdeno para mejorar la
resistencia a la corrosión.
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Nitrógeno: Se agrega a algunos aceros para promover la formación de
austenita.
Níquel: Es el principal formador de austenita, que aumenta la tenacidad
y resistencia al impacto. El níquel se utiliza mucho para producir acero
inoxidable, porque aumenta la resistencia a la corrosión.
Plomo: Se añade a algunos aceros para mejorar mucho la
maquinabilidad.
Silicio: Aumenta moderadamente la templabilidad. Se usa como
elemento desoxidante. Aumenta la resistencia de los aceros bajos en
carbono.
Titanio: Se usa para estabilizar y desoxidar el acero.
Tungsteno: También conocido como wolframio, se añade para fabricar
acero rápido, porque soporta muy bien las altas temperaturas.
Vanadio: Forma parte del acero de herramientas porque aumenta la
capacidad de endurecimiento.
Zinc:Es elemento clave para producir chapa de acero galvanizado.
Los porcentajes de cada uno de los aleantes que pueden configurar un tipo
determinado de acero están normalizados.
Impurezas en el acero
Se denomina impurezas a todos los elementos indeseables en la composición de los
aceros. Se encuentran en los aceros y también en las fundiciones como consecuencia
de que están presentes en los minerales o los combustibles. Se procura eliminarlas o
reducir su contenido debido a que son perjudiciales para las propiedades de la
aleación. En los casos en los que eliminarlas resulte imposible o sea demasiado
costoso, se admite su presencia en cantidades mínimas.
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Azufre: Límite máximo aproximado: 0,04%. El azufre con el hierro forma
sulfuro, el que, conjuntamente con la austenita, da lugar a un eutéctico
cuyo punto de fusión es bajo y que, por lo tanto, aparece en bordes de
grano. Cuando los lingotes de acero colado deben ser laminados en
caliente, dicho eutéctico se encuentra en estado líquido, lo que provoca
el desgranamiento del material.
Se controla la presencia de sulfuro mediante el agregado de manganeso. El
manganeso tiene mayor afinidad por el azufre que hierro por lo que en lugar de
FeS se forma MnS que tiene alto punto de fusión y buenas propiedades
plásticas. El contenido de Mn debe ser aproximadamente 5 veces la
concentración de S para que se produzca la reacción.
El resultado final, una vez eliminados los gases causantes, es una fundición
menos porosa de mayor calidad.
Aunque se considera un elemento perjudicial, su presencia es positiva para
mejorar la maquinabilidad en los procesos de mecanizado. Cuando el
porcentaje de azufre es alto puede causar poros en la soldadura.
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Fósforo: Límite máximo aproximado: 0,04%. El fósforo resulta
perjudicial, ya sea al disolverse en la ferrita, pues disminuye la
ductilidad, como también por formar FeP (fosfuro de hierro). El fosfuro
de hierro, junto con la austenita y la cementita, forma un eutéctico
ternario denominado esteadita, el que es sumamente frágil y posee
punto de fusión relativamente bajo, por lo cual aparece en bordes de
grano, transmitiéndole al material su fragilidad.
Aunque se considera un elemento perjudicial en los aceros, porque reduce la
ductilidad y la tenacidad, haciéndolo quebradizo, a veces se agrega para
aumentar la resistencia a la tensión y mejorar la maquinabilidad.
Normalización de las diferentes clases de acero
Llave de acero aleado para herramientas
Como existe una variedad muy grande de clases de acero diferentes que se pueden
producir en función de los elementos aleantes que constituyan la aleación, se ha
impuesto, en cada país, en cada fabricante de acero, y en muchos casos en los
mayores consumidores de aceros, unas Normas que regulan la composición de los
aceros y las prestaciones de los mismos.
Por ejemplo en España actualmente están regulados por la norma UNE-EN
10020:2001 y antiguamente estaban reguladas por la norma UNE-3601011.
Existen otras normas reguladoras del acero, como la clasificación de AISI (de hace 70
años, y de uso mucho más extenso internacionalmente), ASTM12, DIN, o la ISO 3506.
A modo de ejemplo se expone la clasificación regulada por la norma UNE-36010, que
ya ha sido sustituida por la norma UNE-EN10020:2001, y están editadas por AENOR:
Norma UNE-36010
Artículo principal: UNE-36010
La norma española UNE-36010 es una normalización o clasificación de los aceros
para que sea posible conocer las propiedades de los mismos. Esta Norma indica la
cantidad mínima o máxima de cada componente y las propiedades mecánicas que
tiene el acero resultante.
En España, el Instituto del Hierro y del Acero (IHA) creó esta norma que clasifica a los
aceros en cinco series diferentes a las que identifica por un número. Cada serie de
aceros se divide a su vez en grupos, que especifica las características técnicas de
cada acero, matizando sus aplicaciones específicas. El grupo de un acero se designa
con un número que acompaña a la serie a la que pertenece. La clasificación de grupos
por serie, sus propiedades y sus aplicaciones se recogen en la Tabla siguiente.
Clasificación de los Aceros según la Norma UNE-36010
Serie
Grupo
Serie
1
Grupo 1
Acero al carbono.
Grupos 2 y 3
Acero aleado de gran resistencia.
Grupo 4
Acero aleado de gran elasticidad.
Grupo 5 y 6
Aceros de cementación.
Grupo 7
Aceros de nitruración.
Grupo 1
Aceros de fácil mecanización.
Grupo 2
Aceros para soldadura.
Grupo 3
Aceros magnéticos.
Grupo 4
Aceros de dilatación térmica.
Grupo 5
Aceros resistentes a la fluencia.
Serie
2
Denominación
Descripción
Son aceros al
carbono y por
tanto no aleados.
Cuanto más
carbono tienen
sus respectivos
grupos son más
duros y menos
soldables, pero
también son más
resistentes a los
choques. Son
aceros aptos para
tratamientos
térmicos que
aumentan su
resistencia,
tenacidad y
dureza. Son los
aceros que cubren
las necesidades
generales de la
Ingeniería de
construcción tanto
industrial como
civil y
comunicaciones.
Son aceros a los
que se incorporan
elementos
aleantes que
mejoran las
propiedades
necesarias que se
exigen las piezas
que se van a
fabricar con ellos
como, por
ejemplo,
tornillería, tubos y
perfiles en los
grupos 1 y 2.
Núcleos de
transformadores y
motores en los
aceros del grupo
3, piezas de unión
de materiales
férricos con no
férricos sometidos
a temperatura en
el grupo 4, piezas
instaladas en
instalaciones
químicas y
refinerías
sometidas a altas
temperaturas los
del grupo 5.
Serie
3
Serie
5
Grupo 1
Aceros inoxidables.
Grupos 2 y 3
Aceros resistentes al calor.
Grupo 1
Acero al carbono para
herramientas.
Grupos 2, 3 y
4
Acero aleado para herramientas.
Grupo 5
Aceros rápidos.
Estos aceros
están basados en
la adición de
cantidades
considerables de
cromo y níquel a
los que se suman
otros elementos
para otras
propiedades más
específicas. Son
resistentes a
ambientes
húmedos, a
agentes químicos
y a altas
temperaturas. Sus
aplicaciones más
importantes son
para la fabricación
de depósitos de
agua, cámaras
frigoríficas
industriales,
material clínico e
instrumentos
quirúrgicos,
pequeños
electrodomésticos,
material
doméstico como
cuberterías,
cuchillería, etc.
Son aceros
aleados con
tratamientos
térmicos que les
dan
características
muy particulares
de dureza,
tenacidad y
resistencia al
desgaste y a la
deformación por
calor. Los aceros
del grupo 1 de
esta serie se
utilizan para
construir
maquinaria de
trabajos ligeros en
general, desde la
carpintería y la
agrícola (aperos).
Los grupos 2 ,3 y
4 se utilizan para
construir
máquinas y
herramientas más
pesadas. El grupo
5 se utiliza para
construir
herramientas de
corte.
Serie
8
Grupo 1
Aceros para moldeo.
Son aceros
adecuados para
moldear piezas
por vertido en
moldes de arena,
por lo que
requieren cierto
contenido mínimo
de carbono que
les dé estabilidad.
Se utilizan para el
moldeo de piezas
geométricas
complicadas, con
características
muy variadas, que
posteriormente
son acabadas en
procesos de
mecanizado.
Clasificación de los materiales
La manera más general de clasificación de los materiales es la siguiente:
a. Metálicos
•
•
Ferrosos
No ferrosos
b. No metálicos
•
•
Orgánicos
Inorgánicos
Metales Ferrosos
Los metales ferrosos como su nombre lo indica su principal componente es el fierro,
sus principales características son su gran resistencia a la tensión y dureza. Las
principales aleaciones se logran con el estaño, plata, platino, manganeso, vanadio y
titanio.
Los principales productos representantes de los materiales metálicos son:
•
•
•
•
Fundición de hierro gris
Hierro maleable
Aceros
Fundición de hierro blanco
Su temperatura de fusión va desde los 1360ºC hasta los 1425ªC y uno de sus
principales problemas es la corrosión.
Metales no Ferrosos
Por lo regular tienen menor resistencia a la tensión y dureza que los metales ferrosos,
sin embargo su resistencia a la corrosión es superior. Su costo es alto en comparación
a los materiales ferrosos pero con el aumento de su demanda y las nuevas técnicas de
extracción y refinamiento se han logrado abatir considerablemente los costos, con lo
que su competitividad ha crecido notablemente en los últimos años.
Los principales metales no ferrosos utilizados en la manufactura son:
•
•
•
•
•
•
Aluminio
Cobre
Magnesio
Níquel
Plomo
Titanio
•
Zinc
Los metales no ferrosos son utilizados en la manufactura como elementos
complementarios de los metales ferrosos, también son muy útiles como materiales
puros o aleados los que por sus propiedades físicas y de ingeniería cubren
determinadas exigencias o condiciones de trabajo, por ejemplo el bronce (cobre,
plomo, estaño) y el latón (cobre zinc).
Materiales no Metálicos
a. Materiales de origen orgánico
b. Materiales de origen inorgánico
Materiales orgánicos
Son así considerados cuando contienen células de vegetales o animales. Estos
materiales pueden usualmente disolverse en líquidos orgánicos como el alcohol o los
tretracloruros, no se disuelven en el agua y no soportan altas temperaturas. Algunos
de los representantes de este grupo son:
•
•
•
•
•
•
Plásticos
Productos del petróleo
Madera
Papel
Hule
Piel
Materiales de origen inorgánico
Son todos aquellos que no proceden de células animales o vegetales o relacionadas
con el carbón. Por lo regular se pueden disolver en el agua y en general resisten el
calor mejor que las sustancias orgánicas. Algunos de los materiales inorgánicos más
utilizados en la manufactura son:
•
•
•
•
•
Los minerales
El cemento
La cerámica
El vidrio
El grafito (carbón mineral)
Los materiales sean metálicos o no metálicos, orgánicos o inorgánicos casi nunca se
encuentran en el estado en el que van a ser utilizados, por lo regular estos deben ser
sometidos a un conjunto de procesos para lograr las características requeridas en
tareas específicas. Estos procesos han requerido del desarrollo de técnicas especiales
muy elaboradas que han dado el refinamiento necesario para cumplir con
requerimientos prácticos. También estos procesos aumentan notablemente el costo de
los materiales, tanto que esto puede significar varias veces el costo original del
material por lo que su estudio y perfeccionamiento repercutirán directamente en el
costo de los materiales y los artículos que integraran.
Los procesos de manufactura implicados en la conversión de los materiales originales
en materiales útiles para el hombre requieren de estudios especiales para lograr su
mejor aplicación, desarrollo y disminución de costo. En la ingeniería la transformación
de los materiales y sus propiedades tienen un espacio especial, ya que en casi todos
los casos de ello dependerá el éxito o fracaso del uso de un material.
LAS FUNDICIONES
Las fundiciones, como los aceros, son en esencia aleaciones de hierro y carbono
aunque, considerando el diagrama Fe-C, las primeras contienen una cantidad de
carbono superior a la de saturación de la austenita a temperatura eutéctica. Por tanto,
el contenido en carbono de las fundiciones varía de 2 a 6,67%. Sin embargo como los
contenidos de carbono elevados confieren una gran fragilidad a la fundición, la
mayoría de los tipos comerciales fabricados contienen una cantidad comprendida
entre el 2,5 y el 4%.
La ductilidad de las fundiciones es muy baja, por lo que no puede laminarse, estirarse
o deformarse a temperatura ambiente, no siendo la mayor parte de ella maleable a
ninguna temperatura. Sin embargo, funden fácilmente y pueden moldearse formas
complicadas que usualmente se mecanizan después a dimensiones.
Tipos De Fundición
La mejor manera de clasificar las fundiciones es en función de su estructura
metalográfica. Al estudiar los distintos tipos hay que considerar cuatro variables que
influyen considerablemente en su formación, a saber: el contenido de carbono, el
contenido en elementos de aleación e impurezas, la velocidad de enfriamiento durante
y después de la solidificación, y el tratamiento térmico que reciben posteriormente.
Estas variables determinan la condición y forma física del carbono. El carbono puede
encontrarse en la fundición combinado con el hierro en forma de cementita, o bien libre
en forma de grafito. La forma y distribución de las partículas de carbono libre influyen
considerablemente en las propiedades físicas de la fundición. Los distintos tipos de las
mismas son los siguientes:
Fundiciones Blancas
Fundiciones Grises
Fundiciones Nodulares
Fundiciones Maleables
Fundiciones en Coquilla
Fundiciones Aleadas
Fundición blanca
Son 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.
FUNDICION BLANCA
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 de la 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 de forma de helecho.
Micro estructura de la fundición blanca
Al enfriarse las fundiciones desde 1130°C hasta 723°C el contenido de carbono de la
austenita varía 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 de la fundición puede ser ferrítica o
perlítica si la aleación se enfría más rápidamente a partir de los 723°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 1 muestra la micro estructura 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. 2).
Fig.1, x100
Fig.2, x400
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.
FUNDICIÓN GRIS
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.
El grafito adopta la forma de numerosas laminillas curvadas, que son las que
proporcionan a la fundición gris su característica
FUNDICION GRIS
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.
Clasificación de las láminas de grafito según la forma, tamaño y
distribución
El hierro gris es fácil de maquinar, tiene alta capacidad de templado y
buena fluidez para el colado, pero es quebradizo y de baja resistencia a la
tracción.
Micro estructura del hierro gris ( ferrita y perlita)
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.
Resistencia
Clase
20
30
40
50
60
a la tracción-psi
24000
34000
44000
54000
64000
Dureza brinell
Estructura
130-180
170-210
210-260
240-280
260-300
F,P
F,P,G
P,G
P,G
B,G
Clasificación de las fundiciones grises según la norma ASTM A48-41.
F: ferrita; P: perlita; G: grafito; B: bainita
Fractura grisácea o negruzca.
Fig.1, x100 pulida
Fig.2, x100
Si la composición y la velocidad de enfriamiento son tales que la cementita eutectoide
también se grafitiza presentará entonces una estructura totalmente ferrítica (Fig. 1,
x100 pulida). Por el contrario, si se impide la grafitización de la cementita eutectoide, la
matriz será totalmente perlítica (Fig. 2, x400). La fundición gris constituida por mezcla
de grafito y ferrita es 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 3 y 4 muestran la microestructura de una fundición gris cuya matriz es
totalmente perlítica. Además, en la micrografía a 200 aumentos igual que en la Fig. 2se observan como unos granos blancos, los cuales resueltos a mayores aumentos
(Fig. 4, x400) son, en realidad, esteadita.
Fig.3, x200
Fig.4, 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 (perlita a temperatura ambiente) conocida como esteatita
(Fig. 4), 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.
FUNDICIÓN NODULAR
Al encontrarse el carbono en forma esferoidal, la continuidad de la matriz se
interrumpe mucho menos que cuando se encuentra en forma laminar; esto da lugar a
una resistencia a la tracción y tenacidad mayor que en la fundición gris ordinaria. La
fundición nodular se diferencia de la fundición maleable en que normalmente se
obtiene directamente en bruto de fusión sin necesidad de tratamiento térmico
posterior. Además los nódulos (fig. 1) presentan una forma más esférica que los
aglomerados de grafito, más o menos irregulares, que aparecen en la fundición
maleable.
El contenido total en 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 alguno elemento de aleación formadores 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. 2) son las
que proporcionan la máxima ductilidad, tenacidad y maquinabilidad.
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 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 micro estructura produce
propiedades deseables como alta ductilidad, resistencia, buen
maquinado, buena fluidez para la colada, buena endurecibilidad y
tenacidad. No puede ser tan dura como la fundición blanca, salvo que la
sometan a un tratamiento térmico, superficial, especial.
Este tipo de fundición se caracteriza por que en ella el grafito aparece en
forma de esferas minúsculas y así la continuidad de la matriz se
interrumpe mucho menos que cuando se encuentra 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.
Micro estructura de la fundición nodular ferrítico perlítica
Las fundiciones nodulares perlíticas presentan mayor resistencia pero
menor ductilidad y maquinabilidad que las fundiciones nodulares
ferríticas.
Resistencia
Dureza
brinell
28000
32000
38000
149-187
170-207
187-255
(%)
18
12
6
70000
47000
217-267
3
84000
63000
240-300
2
Clase
60-40-18
65-45-12
80-55-06
100-7003
120-7002
alargamiento
Lím.
fluencia
psix1000
42000
45000
56000
Clasificación de la fundición nodular teniendo en cuenta sus
características mecánicas de acuerdo con la norma ASTM A-536.
Cada día se están sustituyendo muchos elementos de máquinas que
tradicionalmente eran de fundición gris o acero por fundición nodular.
Fig.1, x100 pulida
Fig.2, 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. 3 y 4).
Fig.3, x100
Fig.4, x400
FUNDICIÓN 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.
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.
En la primera fase del recocido, la fundición blanca se calienta lentamente a una
temperatura comprendida entre 840 y 980ºC. Durante el calentamiento, la perlita se
transforma en austenita al alcanzar la línea crítica inferior y, a medida que aumenta la
temperatura, la austenita formada disuelve algo más de cementita.
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. 1 y 2). Este tipo de fundición se denomina normal
o ferrítica (Fig. 2).
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.
Fig.1, x100 pulida
Fig.2, x100
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.
Fig.3 x50
Fig.4 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. 3 y 4).
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.
FUNDICION
Proceso de producción de piezas metálicas a través del vertido de metal fundido sobre
un molde hueco, por lo general hecho de arena. El principio de fundición es simple:
se funde el metal, se vacía en un molde y se deja enfriar, existen todavía muchos
factores y variables que se deben considerar para lograr una operación exitosa de
fundición. La fundición es un antiguo arte que todavía se emplea en la actualidad,
aunque ha sido sustituido en cierta medida por otros métodos como el fundido a
presión (método para producir piezas fundidas de metal no ferroso, en el que el metal
fundido se inyecta a presión en un molde o troquel de acero), la forja (proceso de
deformación en el cual se comprime el material de trabajo entre dos dados usando
impacto o presión para formar la parte), la extrusión (es un proceso de formado por
compresión en el cual el metal de trabajo es forzado a fluir a través de la abertura de
un dado para darle forma a su sección transversal), el mecanizado y el laminado (es
un proceso de deformación en el cual el espesor del material de trabajo se reduce
mediante fuerzas de compresión ejercidas por dos rodillos opuestos).
Procesos de Fundición
La realización de este proceso empieza lógicamente con el molde. La cavidad de este
debe diseñarse de forma y tamaño ligeramente sobredimensionado, esto permitirá la
contracción del metal durante la solidificación y enfriamiento. Cada metal sufre
diferente porcentaje de contracción, por lo tanto si la presión dimensional es crítica la
cavidad debe diseñarse para el metal particular que se va a fundir. Los moldes se
hacen de varios materiales que incluyen arena, yeso, cerámica y metal. Los procesos
de fundición se clasifican de acuerdo a los diferentes tipos de moldes.
Proceso:
Se calienta primero el metal a una temperatura lo suficientemente alta para
transformarlo completamente al estado líquido, después se vierte directamente en la
cavidad del molde. En un molde abierto el metal líquido se vacía simplemente hasta
llenar la cavidad abierta. En un molde cerrado existe una vía de paso llamada sistema
de vaciado que permite el flujo del metal fundido desde afuera del molde hasta la
cavidad, este es el más importante en operaciones de fundición.
Cuando el material fundido en el molde empieza a enfriarse hasta la temperatura
suficiente para el punto de congelación de un metal puro, empieza la solidificación que
involucra un cambio de fase del metal. Se requiere tiempo para completar este cambio
de fase porque es necesario disipar una considerable cantidad de calor. El metal
adopta la forma de cavidad del molde y se establecen muchas de las propiedades y
características de la fundición. Al enfriarse la fundición se remueve del molde; para ello
pueden necesitarse procesamientos posteriores dependiendo del método de fundición
y del metal que se usa. Entre ellos tenemos:
El desbaste del metal excedente de la fundición.
La limpieza de la superficie.
Tratamiento térmico para mejorar sus propiedades.
Pueden requerir maquinado para lograr tolerancias estrechas en ciertas partes de la
pieza y para remover la superficie fundida y la micro estructura metalúrgica asociada.
CLASIFICACIÓN DEL PROCESO DE FUNDICIÓN:
Según el tipo de modelo:
Modelos removibles
El molde para este disco se hace una caja de moldeo que consta de dos partes. A la
parte superior se le llama tapa, y a la parte inferior base. Las partes de la caja se
mantiene en una posición definida, una con respecto a la otra por medio de unos
pernos colocados en dos lados opuestos de la base que encajan en agujeros de unos
ángulos sujetos a los lados de las tapas.
El primer paso en la hechura de un molde es el de colocar el modelo en el tablero de
moldear, que coincide con la caja de moldeo. Enseguida se coloca la tapa sobre el
tablero con los pernos dirigidos hacia abajo. Luego se criba sobre el modelo para que
lo vaya cubriendo; la arena deberá compactarse con los dedos en torno al modelo,
terminando de llenar completamente la tapa. Para moldes pequeños, la arena se
compacta firmemente con apisonadores manuales. El apisonado mecánico se usa
para moldes muy grandes y para moldeo de gran producción. El grado de apisonado
necesario solo se determina por la experiencia. Si el molde no ha sido lo
suficientemente apisonado, no se mantendrá en su posición al moverlo o cuando el
metal fundido choque con él. Por otra parte, si el apisonado es muy duro no permitirá
que escape el vapor y el gas cuando penetre el metal fundido al molde.
Después que se ha terminado de apisonar, se quita el exceso de arena arrasándola
con una barra recta llamada rasera. Para asegurar el escape de gases cuando se
vierta el metal, se hacen pequeños agujeros a través de la arena, que llegan hasta
unos cuantos milímetros antes del modelo.
Se voltea la mitad inferior del molde, de tal manera que la tapa se puede colocar en su
posición y se termina el moldeo. Antes de voltearlo se esparce un poco de arena sobre
el molde y se coloca en la parte superior un tablero inferior de moldeo. Este tablero
deberá moverse hacia atrás y hacia delante varias veces para asegurar un apoyo
uniforme sobre el molde. Entonces la caja inferior se voltea y se retira la tabla de
moldeo quedando expuesto el moldeo. La superficie de la arena es alisada con una
cuchara de moldeador y se cubre con una capa fina seca de arena de separación. La
arena de separación es una arena de sílice de granos finos y sin consistencia. Con ella
se evita que se pegue la arena de la tapa sobre la arena de la base.
Enseguida se coloca la tapa sobre la base, los pernos mantienen la posición correcta
en ambos lados. Para proporcionar un conducto por donde entra el metal al molde, se
coloca un mango aguzado conocido como clavija de colada y es colocada
aproximadamente a 25 mm de un lado del modelo, las operaciones de llenado,
apisonado y agujerado para escape de gases, se llevan a cabo en la misma forma que
la base.
Con esto, el molde ha quedado completo excepto que falta quitar el modelo y la clavija
de colada. Primero se extrae esta, abocardándose el conducto por la parte superior,
de manera que se tenga una gran apertura por donde verter el metal. La mitad de la
caja correspondiente a la mitad superior es levantada a continuación y se coloca a un
lado. Antes de que sea extraído el modelo, se humedece con un pincel la arena
alrededor de los bordes del modelo, de modo que la orilla del molde se mantenga
firme al extraerlo. Para aflojar el modelo, se encaja en el una alcayata y se golpea
ligeramente en todas direcciones. Enseguida se puede extraer el modelo levantándolo
de la alcayata.
Antes de cerrar el molde, debe cortarse un pequeño conducto conocido como
alimentador, entre la caída del molde hecho por el modelo y la abertura de la colada.
Este conducto se estrecha en el molde de tal forma que después que el metal ha sido
vertido el mismo en el alimentador se puede romper muy cerca de la pieza.
Para prever la contracción del metal, algunas veces se hace un agujero en la tapa, el
cual provee un suministro de metal caliente a medida que la pieza fundida se va
enfriando, esta aventura es llamada rebosadero. La superficie del molde se debe
rociar, juntar o espolvorear con un material preparado para recubrimiento, dichos
recubrimientos contienen por lo general polvo de sílice y grafito. La capa de
recubrimiento del molde mejora el acabado de la superficie de colado y reduce los
posibles defectos en las superficies. Antes que el metal sea vaciado en el molde,
deberá colocarse un peso sobre la tapa para evitar que el metal líquido salga fuera del
molde en la línea de partición.
Modelos desechables
En la fabricación de moldes con modelos desechables, el modelo, que es usualmente
de una pieza, es colocado en el tablero y la base de la caja se moldea en la forma
convencional. Se agregan unos agujeros para ventilación y la base se voltea
completamente para el moldeo de la tapa. Casi siempre la arena en verde es el
material común más usado, aunque pueden usarse arenas especiales para otros
propósitos, como arena de cara que se utiliza de inmediato alrededor del modelo. La
arena en la línea de partición no se aplica en la tapa de la caja y la base no puede ser
separada hasta que la fundición es removida. En cambio, la tapa es llenada con arena
y se apisona. En cualquiera de los casos la colada es cortada en el sistema de
alimentación o ambas, como usualmente sucede, esta es una parte del modelo
desechable. Se hacen los agujeros para ventilación y se coloca algo de peso para
oprimir la tapa. Los modelos de poli estireno, incluyen la alimentación y el sistema de
colado como se.
La colada es vaciada rápidamente en la pieza moldeada; el poli estireno se vaporiza; y
el metal llena el resto de la cabida. Después de enfriado la fundición es eliminada del
molde y limpiada.
El metal es vaciado lo suficientemente rápido para prevenir la combustión del poli
estireno, con el resultado de residuos carbonosos. En cambio, los gases, debido a la
vaporización del material, son manejados hacia fuera a través de la arena permeable y
los agujeros de ventilación. Un recubrimiento refractario se aplica comúnmente al
modelo para asegurar un mejor acabado superficial para la fundición y le agrega
resistencia al modelo. Es obligatorio a veces que los pesos para oprimir los moldes
sean parejos en todos los lados para combatir la alta presión relativa en el interior del
molde.
Las ventajas de este proceso incluyen los siguientes aspectos:
Para una pieza no moldeada en maquina, el proceso requiere menos tiempo.
No requieren que hagan tolerancias especiales para ayudar a extraer el modelo de la
arena y se requiere menor cantidad de metal.
El acabado es uniforme y razonablemente liso.
No se requiere de modelos complejos de madera con partes sueltas.
No se requiere caja de corazón y corazones.
El modelo se simplifica grandemente.
Las desventajas de este proceso incluyen los siguientes aspectos:
El modelo es destruido en el proceso.
Los modelos son más delicados de manejar.
El proceso no puede ser usado con equipos de moldeo mecánico.
No puede ser revisado oportunamente el modelo de la cavidad.
TIPOS DE FUNDICIONES
Fundición a la arena:
Existen dos métodos diferentes por los cuales la fundición a la arena se puede
producir. Se clasifica en función de tipo de modelo usado, ellos son: modelo removible
y modelo desechables.
En el método empleando modelo removible, la arena comprimida alrededor del modelo
el cual se extrae más tarde de la arena. La cavidad producida se alimenta con metal
fundido para crear la fundición. Los modelos desechables son hechos de poliestireno y
en vez de extraer el modelo de la arena, se vaporiza cuando el metal fundido es
vaciado en el molde.
Para entender el proceso de fundición, es necesario conocer como se hace un molde y
que factores son importantes para producir una buena fundición.
Los principales factores son:
Procedimiento de moldeo
Modelo
Arena
Corazones
Equipo metálico
Metal
Vaciado y limpieza
Procedimiento de moldeo:
Los moldes se clasifican según los materiales usados.
Moldes de arena en verde. Es el método más común que consiste en la formación
del molde con arena húmeda, usada en ambos procedimientos. La llamada arena
verde es simplemente arena que no se ha curado, es decir, que no se ha endurecido
por horneado. El color natural de la arena va desde el blanco hasta el canela claro,
pero con el uso se va ennegreciendo. La arena no tiene suficiente resistencia para
conservar su forma, por ello se mezcla con un aglutinante para darle resistencia; luego
se agrega un poco de agua para que se adhiera. Esta arena se puede volver a
emplear solo añadiendo una cantidad determinada de aglutinante cuando se considere
necesario.
Moldes con capa seca. Dos métodos son generalmente usados en la preparación de
moldes con capa seca. En uno la arena alrededor del modelo a una profundidad
aproximada de 10 mm se mezcla con un compuesto de tal manera que se seca y se
obtiene una superficie dura en el molde. El otro método es hacer el molde entero de
arena verde y luego cubrir su superficie con un rociador de tal manera que se
endurezca la arena cuando el calor es aplicado. Los rociadores usados para este
propósito contienen aceite de linaza, agua de melaza, almidón gelatinizado y
soluciones liquidas similares. En ambos métodos el molde debe secarse de dos
maneras: por aire o por una antorcha para endurecer la superficie y eliminar el exceso
de humedad.
Moldes con arena seca. Estos moldes son hechos enteramente de arena común de
moldeo mezclada con un material aditivo similar al que se emplea en el método
anterior. Los moldes deben ser cocados totalmente antes de usarse, siendo las cajas
de metal. Los moldes de arena seca mantienen esta forma cuando son vaciados y
están libres de turbulencias de gas debidas a la humedad.
Moldes de arcilla. Los moldes de arcilla se usan para trabajos grandes. Primero se
construye el molde con ladrillo o grandes partes de hierro. Luego, todas estas partes
se emplastecen con una capa de mortero de arcilla, la forma del molde se empieza a
obtener con una terraja o esqueleto del modelo. Luego se permite que el molde se
seque completamente de tal manera que pueda resistir la presión completa del metal
vaciado. Estos moldes requieren de mucho tiempo para hacerse y su uso no es muy
extenso.
Moldes furánico. El proceso es bueno para la fabricación de moldes usando modelos
y corazones desechables. La arena seca de grano agudo se mezcla con ácido
fosfórico el cual actúa como un acelerador. La resina furánica es agregada y se
mezcla de forma continua el tiempo suficiente para distribuir la resina. El material de
arena empieza a endurecerse casi de inmediato al aire, pero el tiempo demora lo
suficiente para permitir el moldeo. El material usualmente se endurece de una a dos
horas, tiempo suficiente para permitir alojar los corazones y que puedan ser removidos
en el molde. En uso con modelos desechables la arena de resina furánica puede ser
empleada como una pared o cáscara alrededor del modelo que estará soportado con
arena de grano agudo o en verde o puede ser usada como el material completo del
molde.
Moldes de CO2. En este proceso la arena limpia se mezcla con silicato de sodio y es
apisonada alrededor del modelo. Cuando el gas de CO2 es alimentado a presión en el
molde, la arena mezclada se endurece. Piezas de fundición lisas y de forma intrincada
se pueden obtener por este método, aunque el proceso fue desarrollado originalmente
para la fabricación de corazones.
Moldes de metal. Los 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.
Moldes especiales. Plástico, cemento, papel, yeso, madera y hule todos estos son
materiales usados en moldes para aplicaciones particulares.
El molde debe poseer las siguientes características:
Debe ser lo suficientemente fuerte para sostener el peso del metal.
Debe resistir la acción de la erosión del metal que fluye con rapidez durante la colada.
Debe generar una cantidad mínima de gas cuando se llena con el metal fundido. Los
gases contaminan el metal y pueden alterar el molde.
Debe construirse de modo que cualquier gas que se forme pueda pasar a través del
cuerpo del molde mismo, más bien que penetrar el metal.
Debe ser suficientemente refractario para soportar la alta temperatura del metal y
poderse desprender con limpieza del colado después del enfriamiento.
El corazón debe ceder lo suficiente para permitir la contracción del colado después de
la solidificación.
Maquinas para moldeo:
Estas máquinas ofrecen velocidades más altas de producción y mejor calidad de los
colados además de mano de obra ligera y costos más bajos.
Máquinas de moldeo por sacudida y compresión: consta básicamente de una
mesa accionada por dos pistones en cilindros de aire, uno dentro del otro. El molde en
la mesa se sacude por la acción del pistón inferior que eleva la mesa en forma
repetida y la deja caer bruscamente en un colchón de rebote. Las sacudidas empacan
la arena en las partes inferiores de la caja de moldeo pero no en la parte superior. El
cilindro más grande empuja hacia arriba la mesa para comprimir la arena en el molde
contra el cabezal de compresión en la parte superior. La opresión comprime las capas
superiores de la arena en el molde pero algunas veces no penetra en forma efectiva
todas las áreas del modelo.
Maquinas de sacudida y vuelco con retiro del modelo: en esta máquina una caja
de modelo se coloca sobre un modelo en una mesa, se llena con arena y se sacude.
El exceso de arena se enrasa y se engrapa un tablero inferior a la caja de moldeo. La
máquina eleva el molde y lo desliza en una mesa o transportador. La caja se libera de
la máquina, el modelo se vibra, se saca del molde y se regresa a la posición de carga.
Máquinas similares comprimen y también sacuden.
Máquina lanzadora de arena: esta máquina logra un empaque consistente y un
efecto de apisonado lanzando arena con alta velocidad al modelo. La arena de una
tolva se alimenta mediante una banda a un impulsor de alta velocidad en el cabezal.
Una disposición común es suspender la lanzadora con contrapesos y moverla para
dirigir la corriente de arena con ventaja dentro de un molde. La dureza del molde se
puede controlar mediante el operador cambiando la velocidad del impulsor y moviendo
la cabeza impulsora. Su principal utilidad es para apisonar grandes moldes y su única
función es empacar la arena en los moldes. Generalmente trabaja con el equipo de
retiro del modelo.
Los procesos de moldes en fundición comercialmente ordinaria pueden ser
clasificados como:
Moldeo en banco: Este tipo de moldeo es para trabajos pequeños, y se hace en un
banco de una altura conveniente para el moldeador. En estos tipos de moldeo se
producen grandes cantidades, también se utilizan placas correlativas que son modelos
especiales metálicos de una sola pieza al igual que las cajas de tableros de soporte
que permiten sacar con facilidad el modelo del molde de arena, el cual se puede volver
a utilizar.
Moldeo en piso: Cuando las piezas de fundición aumentan de tamaño, resulta difícil
su manejo, por consiguiente, el trabajo es hecho en el piso. Este tipo de moldeo se
usa prácticamente todas las piezas medianas y de gran tamaño. Suelen ser muy
costosos, tienen el mismo procedimiento que el moldeo en banco salvo las
características ya mencionadas.
Moldeo en fosa: Las piezas de fundición extremadamente grandes son moldeadas en
una fosa en vez de moldear en cajas. La fosa actúa como la base de la caja, y se usa
una capa separadora encima de él. Los lados de la fosa son una línea de ladrillos y en
el fondo hay una capa gruesa de carbón con tubos de ventilación conectados a nivel
del piso. Entonces los moldes de fosa pueden resistir las presiones que se desarrollan
por el calor de los gases, esta práctica ahorra mucho en moldes costosos.
Molde en maquina: Las maquinas han sido construidas para hacer un numero de
operaciones que el moldeador hace ordinariamente a mano, tales como apisonar la
arena, voltear el molde completo, formar la alimentación y sacar el modelo; todas
estas operaciones pueden hacerse con la maquina mucho mejor y más eficiente que a
mano.
Sistema de alimentación del molde.
Los conductos que llevan el metal vaciado a la cavidad de molde son llamados
sistema de alimentación, generalmente están constituidos por una vasija de vaciado,
comunicando a un canal de bajada o conducto vertical conocido como bebedero, y a
un canal a través del cual el metal fluye desde la base del bebedero a la cavidad del
molde. En piezas grandes, de fundición puede usarse un corredor el cual toma el
metal desde la base del bebedero y lo distribuye en varios canales localizados
alrededor de la cavidad. El propósito de este sistema es, primeramente colocar el
metal dentro de la cavidad. Como quiere que sea el diseño del sistema de
alimentación es importante e involucra un número de factores.
El metal debe entrar a la cavidad con el mínimo de turbulencia, y cerca del fondo de la
cavidad en los casos de fundiciones pequeñas.
La erosión de los conductos o superficie de la cavidad deben ser evitadas con una
regulación apropiada del flujo del metal o por el uso de arena seca de corazones.
El metal debe entrar en la cavidad así como proporcionar una solidificación direccional.
La solidificación debe progresar desde la superficie del molde a la parte del metal mas
caliente compensando así la contracción.
Se debe prever que no entre la escoria u otras partículas extrañas a la cavidad del
molde. La vasija de vaciado, debe estar próxima a la parte superior al agujero del
bebedero, facilitando el vaciado y eliminado la escoria. El metal debe ser vaciado de
tal manera que la vasija de vaciado y el agujero del bebedero estén llenos todo el
tiempo.
Los rebosaderos que se obtienen proporcionan en los moldes la alimentación del
metal líquido a la cavidad principal de la pieza para compensar las contracciones.
Estas pueden ser tan grandes en sección, así como el resto del metal liquido, tan
grande como sea posible, y puede localizarse cerca de las secciones grandes que
pueden estar sujetas a una gran contracción. Si estas se colocan en la parte superior
de la sección, la gravedad puede ayudar a la alimentación del metal en la propia pieza
fundida.
Los rebosaderos ciegos son como rebosaderos con cúpula, se localizan en la mitad de
la tapa de la caja, los cuales no tienen la altura completa de la tapa. Estos están por lo
normal colocados directamente sobre el canal, donde el metal alimenta dentro de la
cavidad del molde y entonces complementa el metal caliente cuando el vaciado esta
completándose.
Tipos de Arena:
Arena Sílica (SiO2) se encuentra en muchos depósitos naturales, y es adecuada para
propósitos de moldeo por que puede resistir altas temperaturas sin descomponerse.
Esta arena es de bajo costo, tiene gran duración y se consigue en una gran variedad
de tamaño y formas de grano. Por otra parte, tiene una alta relación de expansión
cuando esta sometida al calor y tiene cierta tendencia a fusionarse con el metal.
La arena sílica pura no es conveniente por si misma para el trabajo de moldeo puesto
que adolece de propiedades aglomerantes. Las propiedades aglomerantes se pueden
obtener por adición de 8 a 16% de arcilla. Los tres tipos de arcilla comúnmente usados
son, la Caolinita, Ilita y Bentonita. Esta ultima, usadas con más frecuencia, proviene de
cenizas volcánicas.
Arenas naturales (semisintéticas): estas se han formado por la erosión de las rocas
ígneas; se mezclan adecuadamente con arcillas al extraerlos en las canteras y solo se
requiere agregarles agua para obtener una arena conveniente para moldeos de piezas
fundidas de hierro y metales no ferrosos. La gran cantidad de materia orgánica
encontrada en las arenas naturales impiden que sean lo suficientemente refractarias
para usos en temperaturas elevadas, tal y como en el modelo de metales y aleaciones
con alto punto de fusión.
Las arenas de moldeo sintéticas se componen de Sílice lava de granos agudos, a lo
que se añade 3 a 5% de arcilla. Con las arenas sintéticas se generan menos gas ya
que se requiere menos del 5% de humedad para que desarrolle su resistencia
adecuada.
A medida que aumente el tamaño de las piezas a fundir conviene elegir también arena
con granos más gruesa, de mayor resistencia y refracción. La arena ideal, seria
aquella que se adaptara perfectamente bien para moldes destinados a distintos
trabajos.
Para la fundición de piezas cuya superficie deben presentar buen aspecto sin trabajos
posteriores a la fundición, se hace necesario el empleo de moldes de arena fija.
Este tipo de arena es recomendable ya que gracias a su contenido es posible obtener
mayor permeabilidad, lo que conlleva a una disminución de los defectos de la pieza.
A continuación se indican los distintos tipos de arena y la forma de empleo para
construir moldes de fundición, según la naturaleza de cada metal.
Los moldes para el cobre se hace de arena verde mojada, muy poroso, para permitir el
libre escape de los gases.
Los latones requieren arenas especiales, no muy grasosas pero de buena cohesión.
Para que la superficie de las piezas fundidas resulte lisa y de buen aspecto, se
aplicará arena de granos mas bien finos y con una cierta cantidad de arcilla, sin
olvidar, por otro lado que esta ultima ha de estar limitada, para que no impida la salida
de los gases.
Para los bronces se pueden aplicar moldes de arena verde o los llamados desecados.
Los primeros se adaptan mejor para la fundición de piezas pequeñas, mientras que los
segundos se usan para piezas de mayor tamaño.
Para el aluminio y sus aleaciones, se usa arena que no ha de ser ni muy grasosa ni
demasiado fina, con un contenido de arcilla de 10 a 15% y de 7 a 8% de agua; a esta
arena se le agrega un poco aceite de lino, melaza, polvo de carbono o resina para
aumentar la cohesión.
Para las aleaciones de magnesio se aplica, por lo general, los mismos moldes que
para la fundición del aluminio, pero con una diferencia solamente, que consiste en
agregar a la arena de 3 a 10% de azufre y de 0.25 a 1% de ácido bórico. Esta 2
sustancia tienen por objeto, formar gases durante la fundición para impedir
quemaduras en la superficie del metal o agujeros.
Calidad de las arenas:
Para determinar la calidad esencial de la arena de fundición se hace necesaria
algunas pruebas periódicas. Las propiedades cambian por contaminación con
materiales estaños, por la acción del lavado en el recocido, por el cambio gradual y la
distribución de los tamaños de grano y por la continua exposición de esta a altas
temperaturas. Las pruebas pueden ser tanto químicas como mecánicas, pero a aparte
de la determinación de los elementos indeseables en la arena, las pruebas químicas
son de poco uso. Las mayorías de las pruebas mecánicas son simples y no requieren
equipos elaborados. Varias de las pruebas están diseñadas para determinar las
siguientes propiedades de la arena de moldeo:
Permeabilidad. La porosidad de la arena que permite el escape de los gases y
vapores formados en el molde.
Resistencia. La arena debe ser cohesiva hasta el grado de que tenga suficiente
ligazón, tanto el contenido de agua como el de arcilla, afecta la propiedad de la
cohesión.
Resistencia en seco: es la resistencia necesaria en la arena para mantener la forma
de la cavidad del molde cuando este seca.
Resistencia en verde: es la capacidad de la arena para formar grumos para retener la
forma necesaria.
Refractariedad: La arena debe resistir las altas temperaturas sin fundirse.
Resistencia en caliente: Esta resistencia hace que la arena no se deteriore ni cambie
sus dimensiones. Una vez que el metal se solidifica y seca las orillas del molde, la
arena se calentará mucho; pero en ese momento se solidificó el metal y no es crítico el
estado de la arena.
Desprendimiento: Es la facilidad de la arena para sacudirla o sacarla después que
solidificó la pieza. Si la arena tiene mucho aglutinante se endurece mucho al secarlas
y se hace difícil separarla de la pieza fundida.
Tamaño y forma del grano. La arena debe tener un tamaño de grano dependiente de
la superficie que se trate de producir, y los granos deben ser irregulares hasta tal
grado que mantenga suficiente cohesión.
Equipo para el acondicionamiento de la arena.
Propiamente la arena bien acondicionada es un factor importante en la obtención de
una buena pieza fundida. Las arenas nuevas así como las usadas preparadas
adecuadamente, contienen los siguientes resultados:
El aglutinante esta distribuido mas uniformemente en los granos de arena.
El contenido de humedad esta controlado y además la superficie particular esta
humedecidas.
Las partículas extrañas están eliminadas de la arena.
La arena se ventila de tal manera que no se compacta y esté en condiciones propias
para el moldeo.
Por razón de que acondicionar la arena a mano es difícil la mayoría de las fundiciones
tienen equipos apropiados para esta operación.
Tiene dos rodillos en los cuales esta montado una combinación de rastras y muelas
trituradoras. Las dos muelas trituradoras están dispuestas de tal manera que la arena
pueda ser procesadas de forma continua. Las muelas trituradoras proporcionan una
acción intensa de frotamiento y amasado. El resultado es una distribución a través de
los granos de arena con el material aglutinado. La arena en verdad y la de corazones
ambas pueden ser preparadas en esta manera.
Pruebas de la arena: son pruebas que se realizan continuamente para verificar que
cumpla con los requisitos necesarios para poder soportar el proceso, ya que es normal
que después del uso prolongado de estas se deterioren sus propiedades aglutinantes.
El contenido de humedad se mide con un medidor de humedad el cual envía aire
caliente a través de una muestra de arena a un volumen constante. El volumen de
humedad se determina por el tiempo necesario para secar la muestra.
Las resistencias se miden con una probadora universal: se toma una muestra de arena
y se somete a pruebas de tracción, compresión, esfuerzo cortante y de carga. El
número de veces que cae el peso muerto y apisona la arena, determina la resistencia
del núcleo.
La permeabilidad se mide con un aparato especial que registra el tiempo necesario
para hacer pasar una cantidad determinada de aire a través de una muestra de arena.
La arena poco permeable dejará pasar menos aire que otra más porosa.
Corazones.
Cuando una pieza de fundición debe tener una cavidad o hueco, tal y como un agujero
para un tornillo, debe introducirse al molde alguna forma de corazón. Un corazón se
define algunas veces como cualquier proyección de arena dentro del molde. Esta
proyección puede quedar formada por el molde mismo o puede ser hecha en otra
parte e introducido en el molde después de extraer el modelo. Se pueden formar
superficies tanto internas como externas en una pieza de fundición mediante los
corazones.
Los de arena verde como se muestra en la figura son aquellos formados por el mismo
modelo y se hacen en la misma arena del molde.
Los corazones de arena seca son los que se forman separadamente para insertarse
después que se ha retirado el modelo y antes de cerrar el molde.
En general deben usarse los corazones de arena verde, siempre que sea posible para
mantener el costo de los modelos y de las piezas de fundición en un mínimo.
Naturalmente los corazones separados aumentan el costo de producción.
Un corazón debe ser:
Permeable: capacidad de la arena para permitir que escapen los vapores.
Refractario: capacidad de soportar altas temperaturas.
Facilidad de colapso: habilidad para disminuir el tamaño conforme se enfría el colado y
se contrae.
Resistencia en seco: para que no se erosione y sea arrastrado o cambie de tamaño
cuando esté rodeado del metal fundido.
Friabilidad: facilidad para desmoronarse y eliminarse con facilidad del colado.
Debe tener una tendencia mínima a generar gas.
Colada (vaciado)
En talleres y fundiciones de producción pequeña, los moldes se alinean en el piso
conforme se van haciendo y el metal es tomado entonces en pequeñas cucharas de
vaciado. Cuando se requiere mas metal o si un metal mas pesado es vaciado, se han
diseñado cucharas para ser usadas, por dos hombres. En fundiciones grandes, están
comprometidas en la producción en masa de piezas fundidas, el problema de manejo
de moldes y vaciado de metal se resuelve colocando los moldes sobre transportadores
y haciéndolos pasar lentamente por una estación de vaciado. La estación de vaciado
puede ser localizada permanentemente cerca del horno o el metal puede ser traído a
ciertos puntos por equipo de manejo aéreo. Los transportadores sirven como un
almacén de lugar para los moldes, los cuales son transportados a un cuarto de
limpieza.
El rechupe, debido a la falta de alimentación de la pieza. Las superficies internas de
esta cavidad están cubiertas con cristales dendríticos y no están oxidadas.
Fundición por Inyección:
La fundición en esta forma y tratándose de gran cantidad de piezas, exige
naturalmente un numero considerable de moldes. Es evidente que el costo de cada
pieza aumenta con el precio del molde.
En las técnicas modernas para la fundición de pequeñas piezas, se aplican maquinas
con moldes de metal, que duran mucho tiempo, pudiendo fundirse en ellos millares de
piezas, el metal se inyecta en el molde a presión, por cuya razón este sistema se
denomina por inyección. El peso de las piezas que se pueden fundir por inyección en
moldes mecánicos, varía entre 0.5 gramos hasta 8 kilos. Por lo general se funden por
inyección piezas de Zinc, Estaño, Aluminio, y Plomo con sus respectivas aleaciones.
La parte más delicada de la maquina para fundir por inyección es el molde. Este molde
tiene que ser hecho con mucho cuidado y exactitud, tomando en cuenta los
coeficientes de contracción y las tolerancias para la construcción de las piezas, de
acuerdo con el metal y la temperatura con la que se inyecta.
La cantidad de piezas que pueden fundir en un molde y con una sola maquina es muy
grande, además, en una hora pueden fabricarse de 200 a 2000 piezas según su
tamaño y forma, por lo tanto, repartiendo el costo del molde, de la maquina, así como
también los gastos de mano de obra para la manutención del equipo y teniendo en
cuenta la gran producción, a de verse que las piezas fundidas en serie por inyección
resultan de bajo costos.
Fundición en Coquillas:
Si se hecha un metal fluido en un molde permanente, fabricado de hierro o acero, se
efectúa la fundición en coquillas. Este método tiene una ventaja importante en
comparación con la fundición en arena; se puede fundir con la pieza misma, roscas
exteriores mayores, agujeros, etc.
Las piezas coladas en coquillas tienen una superficie pareja y limpia por lo que,
generalmente, no es necesario un trabajo posterior de acabado. La exactitud de la
medida es mucho más grande que la fundición de arena; pero mucho menor que
cuando se funde por inyección.
Se puede observar que la estructura de la pieza fundida en coquillas es densa de
grano muy fino, por lo que las propiedades mecánicas en estas son mejores que las
de piezas iguales coladas en molde de arena. Por esta razón es posible disminuir el
peso de piezas fundidas en coquillas, con el consiguiente ahorro de material.
Fundición Centrífuga:
La fundición centrifuga es el proceso de hacer girar el molde mientras se solidifica el
metal, utilizando así la fuerza centrifuga para acomodar el metal en el molde. Se
obtienen mayores detalles sobre la superficie de la pieza y la estructura densa del
metal adquiere propiedades físicas superiores. Las piezas de forma simétricas se
prestan particularmente para este método, aun cuando se pueden producir otros
muchos tipos de piezas fundidas.
Por fundición centrifuga se obtienen piezas más económicas que por otros métodos.
Los corazones en forma cilíndrica y rebosaderos se eliminan. Las piezas tienen una
estructura de metal densa con todo y las impurezas que van de la parte posterior al
centro de la pieza pero que frecuentemente se maquinan. Por razón de la presión
extrema del metal sobre el metal, se pueden lograr piezas de secciones delgadas
también como en la fundición estática.
Los moldes permanentes se han hecho frecuentemente en la fundición centrifuga de
magnesio. Desde entonces las piezas de fundición de magnesio son forzadas
nuevamente al molde, las piezas se enfrían mas rápidamente y el aire o gas atrapados
se eliminan entre el molde y el material.
Aunque en la fundición centrífuga hay limitaciones en el tamaño y forma de piezas
fundida, se pueden hacer desde anillos de pistón de pocos gramos de peso y rodillo
para papel que pesen arriba de 40 toneladas, Blocks de maquinas en aluminio.
Materiales compuestos
Bajo esta denominación comprende un conjunto de materiales cuyo origen es más
bien técnico. Están constituidos por dos o más materiales distintos, con unas
propiedades bastante diferentes a las que tendría cada uno por sí mismo. Son
esencialmente insolubles entre sí, lo que pretende lograr es un material compuestos
con unas características a ser posible superiores o más importantes a los materiales
por separado. La naturaleza nos ofrece un material compuesto natural que es la
madera. También los hormigones hechos basándose en cemento y grava, el asfalto,
los plásticos reforzados con fibra de vidrio, etc.
Los materiales compuestos pueden ser de dos clases fundamentalmente:
macroscópicos y microscópicos. Los macroscópicos, cuyo ejemplo típico es el
hormigón (compuesto de cemento y grava, como hemos dicho antes) como material
de construcción o el hormigón armado. Luego están los microscópicos, con estos
materiales se pretende aumentar los valores normales de algunas propiedades físicas,
también las características mecánicas (la resistencia, la dureza, el límite elástico, etc.)
o también las características térmicas. Todas estas características suelen aglutinarse
en la denominación de termo elásticas. Los materiales compuestos microscópicos
pueden ser de refuerzo continuo (lo que comúnmente se conoce como fibras) y con
refuerzo discontinuo (que están formadas por partículas pequeñas).
En los últimos años, ha habido un rápido crecimiento del uso de los materiales
compuestos reforzados con fibras, sobre todo en aplicaciones técnicas. Este
crecimiento es debido ha que los materiales compuestos se van reemplazando por los
materiales que se iban utilizando hasta ahora, como por ejemplo los metales. Esto se
debe a las características casi siempre superiores de los materiales compuestos.
Los materiales compuestos están formados por dos partes claramente diferenciadas:
la matriz, que sirve fundamentalmente de base de los otros materiales y los materiales
reforzadores que serán, de otra clase de material, distinto de la matriz. Las matrices
pueden ser de tres tipos diferentes: materiales compuestos de matriz plástica o MCMP
o de matriz polimérica, materiales compuestos de matriz metálica y materiales
compuestos de matriz cerámica. De este modo el aumento de características termo
elásticas depende fundamentalmente del tipo de preparación usado, de las
condiciones físicas, etc. La temperatura es un factor fundamental. Entre matriz y
reforzante, la elección de la matriz no se debe quedar en la elección del material
buscado como sólo un buen aglutinante, porque el efecto tenso elástico es debido al
material reforzante, la matriz se tiene que definir otras propiedades del material
compuesto, como son las conductividades térmica y eléctrica. La matriz tendrá que
tener propiedades elásticas y plásticas, con una baja densidad y una alta resistencia
térmica. Los materiales más usados en las matrices son polímeros, metales y
cerámicos.
En principio cualquier material valdría para matriz, pero en la práctica sólo se usan
unos pocos materiales. Esto es propiciado porque hay factores determinantes tales
como facilidad en la fabricación, propiedades finales que se desean que tengan, que
haya una compatibilidad con las fibras con las que vayan a reforzar y principalmente el
coste.
Las fibras más importantes son de tres clases: fibras de vidrio, fibra de carbono y la de
poliamida. Las propiedades de las fibras dependen del procedimiento de fabricación y
de las condiciones de procesado. Las fibras afectan las propiedades de los materiales
compuestos.
CARACTERÍSTICAS FIBRA Y MATRIZ:
Teniendo en cuenta el contacto fibra- matriz debe ser superficialmente, un factor
importante es la cuna capacidad mojante de ambos, de un modo concreto que no se
produzcan poros en la intercara, porque sino se producirá un debilitamiento de la
mutua adherencia. Por esta razón a las fibras se las suele dotar de un recubrimiento
previo a su colocación. Este recubrimiento debe tener un doble efecto:
- aumentar el poder mojante de la matriz hacia la fibra
- proteger a ésta del posible ataque del medio en que se sitúa.
Interviene también la diferencia de coeficientes de dilatación de ambos componentes,
con una consecuencia, las tensiones de origen térmico que aparecen en el
calentamiento o enfriamiento del sistema.
Para muchas fibras reforzantes, se ha comprobado, que aguantan sin romperse hasta
la tensión de rotura, cuando la relación entre su longitud y su diámetro es de 100:1.
UNIÓN FIBRA-MATRIZ:
Esta relación matriz-fibra es consecuencia de un efecto sinergético de ambas. En el
trabajo del material compuesto se sobrepasan ciertos valores de la tensión, puede
suceder la rotura de la fibra, aparecen esfuerzos de cizalladura en la matriz y se crean
tensiones en las fibras rotas. Entonces se produce una transferencia de carga y una
cooperación en el esfuerzo del material compuesto. Los efectos termoelásticos,
entonces la temperatura a la que a de estar sometido el material compuesto, la que
determina los materiales componentes de la fibra reforzante y la matriz.
Dos factores que pueden modificar la unión: la contracción de la resina durante el
curado de polímeros termoestables y una dilatación térmica diferencial entre la matriz
y las fibras.
- Fibras de vidrio:
Los mecanismos de unión química que implican agentes adhesivos silano y otras
moléculas bifuncionales que se aplican generalmente a polímeros termoestables
porque el grupo órgano-funcional se bloquea químicamente en la estructura de
enlaces cruzados de la resina de líquido a sólido rígido. Las fibras antes de
introducirse en la resina sufren un tratamiento de apresto que incluye un agente
adhesivo y una resina en forma de película, que asegura la protección contra el agua y
los daños producidos por los procesos de inyección. El efecto de la unión fibra-matriz
en las propiedades mecánicas no pueden pasarse por alto y es bastante importante.
LOS PLASTICOS
CLASIFICACIÓN
•
Por su naturaleza
§ Naturales
* Vegetales
* Animal
§
Sintéticos
* Hidrocarburos
· Petróleo
· Gas Natural
· Carbón
•
Por su estructura interna
§ Termoplásticos
§ Termoestables
§ Elastómeros
TERMOPLÁSTICOS
Son plásticos que se ablandan con el calor, pudiéndose moldear con nuevas formas
que se conservan al enfriarse. Es debido a que las macromoléculas están unidas por
débiles fuerzas que se rompen con el calor.
No existe ningún tipo de enlace químico entre cadenas, como mucho existen
atracciones de tipo electroestático que hacen que la estructura microscópica sea un
entrecruzamiento caprichoso y liado de cadenas a modo de ovillo de lana. Un aporte
de calor a esta estructura permite que las estructuras puedan desliarse y resbalar unas
sobre otras confiriendo el llamado estado viscoelástico.
Dentro de este grupo podemos distinguir entre termoplásticos AMORFOS y
CRISTALINOS. La diferencia radica en que los cristalinos, a la vuelta al estado sólido
tras el aporte de calor, cuando se repliegan lo hacen intentando ocupar el mínimo
espacio posible, no así en el caso de los amorfos que lo hacen de una forma mucho
más anárquica. Aún más, en el caso de los amorfos la contracción es isotrópica
(constante en las 3 dimensiones del espacio), mientras que en el caso de los
cristalinos la contracción es anisótropa (la contracción es mucho mayor en el sentido
de flujo que en el transversal).
No obstante, no existe ningún termoplástico que sea 100% cristalino ni, a la inversa,
100% amorfo. Siempre coexiste una parte cristalina y otra amorfa, aunque haya
siempre una mayoritaria que define la clasificación del material.
ENUMERACIÓN:
1. Polietileno (PE)
5. Metacrilato
2. Polipropileno (PP)
6. Teflón
3. Poliestireno (PS)
7. Celofán
4. Cloruro de polivinilo 8. Nailon o Poliamida
(PVC)
(PA)
TERMOESTABLES
La organización espacial de las cadenas es similar a la de una red de pescador.
Durante el proceso de moldeo se aplica calor para activar la racionabilidad de los
monómeros de las cadenas, algunos de los cuáles logran enlazarse con monómeros
de otras cadenas dando lugar a la citada estructura. Como en el caso anterior la
disposición microscópica de las cadenas dota a la estructura macroscópica resultante
de una características particulares; en este caso, la estructura macroscópica resultante
es muy compacta y de gran rigidez : estos materiales presentan respecto al resto de
plásticos una mayor resistencia térmica por cuanto al aportar más calor no logra
romperse la estructura de cadenas.
No obstante, su fragilidad es inversamente proporcional a la resistencia térmica.
Efectivamente, la resistencia térmica viene dada por la mayor compactación de las
cadenas pero ese mismo mayor empaquetamiento da lugar a una posibilidad de rotura
mayor. Un impacto no deja de ser un aporte de Energía en un lugar puntual y concreto
que las cadenas, en este caso, es difícil que puedan absorber por estiramiento ya que
su libertad de movimiento no es muy alta.
Estos materiales no son reciclables. Este hecho se explica por la reacción entre
cadenas durante el proceso de moldeado que dan lugar a un material muy resistente a
la temperatura una vez transformado y que, por tanto, difícilmente se puede volver a
fundir para su reutilización.
ENUMERACIÓN:
1. Poliuretano
2. Resinas fenólicas
3. Melanina
ELASTÓMEROS
Se caracterizan por una fácil degradación frente al calor y una irreversibilidad del
proceso de moldeado, esto es, una vez moldeados no se pueden volver a utilizar como
materia prima.
Sus características microscópicas basadas en una organización espacial de las
cadenas del tipo "muelles de colchón" influyen en el comportamiento macroscópico del
mismo caracterizado por una gran flexibilidad (entendida como la capacidad de un
sólido de recuperar su forma original tras finalizar un esfuerzo de compresión o de
flexión). De hecho, con frecuencia se mezclan con algún termoplástico para conferirle
unas mayores propiedades de flexibilidad e impacto.
En cuanto a su procesabilidad se moldean con técnicas similares a las de la industria
del caucho, aunque existe una variedad denominada termoplásticos elastómeros que
pueden procesarse como termoplásticos.
ENUMERACIÓN:
1. Caucho Natural
2. Caucho Sintético
3.Neopreno
VEGETALES
•
CELULOSA:
Celulosa (del latín, cellula, 'celda pequeña'), hidrato de carbono complejo; es el
componente principal de la pared de todas las células vegetales. En las plantas, la
celulosa suele aparecer combinada con sustancias leñosas, grasas o gomosas. Salvo
algunos insectos, ningún animal tiene en los tejidos verdadera celulosa. Los
microorganismos del aparato digestivo de los herbívoros descomponen la celulosa en
compuestos absorbibles. La celulosa es insoluble en todos los disolventes comunes y
se separa fácilmente de los demás componentes de las plantas. Dependiendo de la
concentración, el ácido sulfúrico actúa sobre la celulosa y produce glucosa, almidón
soluble o amiloide; éste es una forma de almidón utilizada para estucar ciertos papeles
de lujo. Cuando la celulosa se trata con un álcali y se expone a continuación a los
vapores del disulfuro de carbono, se obtiene una solución que puede estirarse en
películas e hilarse. El rayón y el celofán son preparados de celulosa regenerados a
partir de tales soluciones. Los acetatos de celulosa se hilan en filamentos delgados
con los que se confeccionan tejidos; también son de acetato de celulosa las modernas
películas fotográficas; con estos compuestos se elaboran los vidrios inastillables de
seguridad y ciertos materiales de moldeo. Los éteres de celulosa se emplean en la
elaboración de aparejos para papel, adhesivos, jabones y resinas sintéticas.
Con una mezcla de ácidos nítrico y sulfúrico, la celulosa forma una serie de
compuestos inflamables y explosivos conocidos como nitratos de celulosa o
nitrocelulosas. El algodón de colodión es un nitrato que forma parte de diversos
plásticos y lacas; el colodión es un compuesto parecido utilizado en medicina,
fotografía y fabricación de cueros sintéticos y lacas. El algodón pólvora es también un
nitrato; se emplea como explosivo propulsor en la fabricación de cartuchos.
•
LÁTEX:
Látex, fluido lechoso que se encuentra en ciertas células especializadas, llamadas
lactíferas, de muchas plantas superiores. El látex es un polímero disperso en agua que
consiste en una emulsión compleja formada por proporciones variables de gomas,
resinas, taninos, alcaloides, proteínas, almidones, azúcares y aceites. Suele ser de
color blanco, pero en algunas plantas es amarillo, anaranjado o rojo. Contienen látex
casi todas las especies de las familias Asclepiadáceas, Apocináceas, Sapotáceas,
Euforbiáceas, Moráceas, Papaveráceas y Compuestas.
Muchas gomas comerciales, como caucho, balata, guayule, gutapercha, opio y chicle,
son productos de látex refinado, aunque ahora se obtienen también por medio de
síntesis.
ANIMALES
•
CASEÍNA:
Caseína, grupo de proteínas que se producen por precipitación cuando la leche se
acidifica. La caseína constituye casi el 80% del total de las proteínas presentes en la
leche de vaca, y el 3% de su peso. Es el ingrediente principal del queso. Si se deseca,
es un polvo amorfo de color blanco, inodoro e insípido. La caseína se disuelve mal en
agua y muy bien en álcalis o ácidos fuertes.
La caseína se utiliza como complemento nutritivo y como pegamento; forma parte de
la composición de las pinturas acuosas y se utiliza en las fases de acabado de la
fabricación de papel y de los textiles. La paracaseína es una variedad de la caseína
que se utiliza para obtener un plástico empleado en la fabricación de botones y de
otros pequeños objetos. Este plástico se obtiene a través de la reacción entre la
caseína y el metanal. La paracaseína se obtiene añadiendo la enzima renina a la leche
para formar una sustancia distinta a la que se obtiene tras la precipitación de la leche
con ácidos.
SINTÉTICOS
•
HICROCARBUROS:
Hidrocarburos, en química orgánica, familia de compuestos orgánicos que contienen
carbono e hidrógeno. Son los compuestos orgánicos más simples y pueden ser
considerados como las sustancias principales de las que se derivan todos los demás
compuestos orgánicos. Los hidrocarburos se clasifican en dos grupos principales, de
cadena abierta y cíclica. En los compuestos de cadena abierta que contienen más de
un átomo de carbono, los átomos de carbono están unidos entre sí formando una
cadena lineal que puede tener una o más ramificaciones. En los compuestos cíclicos,
los átomos de carbono forman uno o más anillos cerrados. Los dos grupos principales
se subdividen según su comportamiento químico en saturados e insaturados.
Los derivados del hidrocarburo son:
•
PETRÓLEO:
Petróleo, líquido oleoso bituminoso de origen natural compuesto por diferentes
sustancias orgánicas. También recibe los nombres de petróleo crudo, crudo petrolífero
o simplemente crudo . Se encuentra en grandes cantidades bajo la superficie terrestre
y se emplea como combustible y materia prima para la industria química. Las
sociedades industriales modernas lo utilizan sobre todo para lograr un grado de
movilidad por tierra, mar y aire impensable hace sólo 100 años. Además, el petróleo y
sus derivados se emplean para fabricar medicinas, fertilizantes, productos alimenticios,
objetos de plástico, materiales de construcción, pinturas y textiles, y para generar
electricidad.
Todos los tipos de petróleo se componen de hidrocarburos, aunque también suelen
contener unos pocos compuestos de azufre y de oxígeno; el contenido de azufre varía
entre un 0,1 y un 5%. El petróleo contiene elementos gaseosos, líquidos y sólidos. La
consistencia del petróleo varía desde un líquido tan poco viscoso como la gasolina
hasta un líquido tan espeso que apenas fluye. Por lo general, hay pequeñas
cantidades de compuestos gaseosos disueltos en el líquido; cuando las cantidades de
estos compuestos son mayores, el yacimiento de petróleo está asociado con un
depósito de gas natural.
Existen tres grandes categorías de petróleo crudo: de tipo parafínico, de tipo asfáltico y
de base mixta. El petróleo parafínico está compuesto por moléculas en las que el
número de átomos de hidrógeno es siempre superior en dos unidades al doble del
número de átomos de carbono. Las moléculas características del petróleo asfáltico son
los naftenos, que contienen exactamente el doble de átomos de hidrógeno que de
carbono. El petróleo de base mixta contiene hidrocarburos de ambos tipos.
El petróleo se forma bajo la superficie terrestre por la descomposición de organismos
marinos
•
GAS NATURAL:
Gas natural, mezcla de gases entre los que se encuentra en mayor proporción el
metano. Se utiliza como combustible para usos domésticos e industriales y como
materia prima en la fabricación de plásticos, fármacos y tintes.
La proporción en la que el metano se encuentra en el gas natural es del 75 al 95% del
volumen total de la mezcla (por este motivo se suele llamar metano al gas natural). El
resto de los componentes son etano, propano, butano, nitrógeno, dióxido de carbono,
sulfuro de hidrógeno, helio y argón. Antes de emplear el gas natural como combustible
se extraen los componentes más pesados, como el propano y el butano.
El gas natural se utiliza como combustible doméstico e industrial, además de por su
gran poder calorífico, porque su combustión es regulable y produce escasa
contaminación. También se emplea como materia prima en la industria petroquímica
en la obtención de amoníaco, metanol, etileno, butadieno y propano.
•
CARBÓN:
Carbón, combustible sólido de origen vegetal
Los diferentes tipos de carbón se clasifican según su contenido de carbono fijo. La
turba, la primera etapa en la formación de carbón, tiene un bajo contenido de carbono
fijo y un alto índice de humedad. El lignito, el carbón de peor calidad, tiene un
contenido de carbono mayor. El carbón bituminoso tiene un contenido aún mayor, por
lo que su poder calorífico también es superior. La antracita es el carbón con el mayor
contenido en carbono y el máximo poder calorífico. La presión y el calor adicionales
pueden transformar el carbón en grafito, que es prácticamente carbono puro. Además
de carbono, el carbón contiene hidrocarburos volátiles, azufre y nitrógeno, así como
diferentes minerales que quedan como cenizas al quemarlo.
OBTENCIÓN
•
POLIMERACIÓN POR ADICIÓN Y CONDENSACIÓN:
Por el proceso de polimerización, los plásticos se pueden clasificar en polímeros de
condensación y polímeros de adición. Las reacciones de condensación producen
diferentes longitudes de polímeros, mientras que las reacciones de adición producen
longitudes específicas. Por otro lado, las polimerizaciones por condensación generan
pequeñas cantidades de subproductos, como agua, amoníaco y etilenglicol, mientras
las reacciones de adición no producen ningún subproducto. Algunos polímeros típicos
de condensación son el nailon, los poliuretanos y los poliésteres. Entre los polímeros
de adición se encuentran el polietileno, el polipropileno, el poli cloruró de vinilo y el poli
estireno. Las masas moleculares medias de los polímeros de adición son
generalmente mayores que las de los polímeros de condensación
•
FABRICACIÓN:
El primer paso en la fabricación de un plástico es la polimerización. Como se
comentaba anteriormente, los dos métodos básicos de polimerización son las
reacciones de condensación y las de adición. Estos métodos pueden llevarse a cabo
de varias maneras. En la polimerización en masa se polimeriza sólo el monómero, por
lo general en una fase gaseosa o líquida, si bien se realizan también algunas
polimerizaciones en estado sólido. Mediante la polimerización en disolución se forma
una emulsión que se coagula seguidamente. En la polimerización por interfase los
monómeros se disuelven en dos líquidos inmiscibles y la polimerización tiene lugar en
la interfase entre los dos líquidos.
Tratamientos
Se conoce como tratamiento térmico al proceso que se somete generalmente a los
aceros con el fin de mejorar sus propiedades mecánicas, especialmente la dureza la
resistencia y la tenacidad.
La diferencia de unos aceros con otros reside en la composición química de la
aleación que los forma y el tipo de tratamiento térmico a los que se les somete.
Los tratamientos térmicos lo que hacen es modificar la estructura de los granos que
forman los aceros sin variar la composición química de los mismos.
El polimorfismo es la capacidad de algunos materiales de presentar distintas
estructuras cristalinas, con una única composición química, el diamante y el grafito son
polimorfismos del carbono. La -ferrita, la austenita y la -ferrita son polimorfismos del
hierro.
Esta propiedad en un elemento químico puro se denomina alotropía.
Las características mecánicas de un material dependen tanto de su composición
química como de la estructura cristalina que tenga. Los tratamientos térmicos
modifican esa estructura cristalina, sin modificar la composición química, dando a los
materiales unas características mecánicas concretas, mediante un proceso de
calentamiento y enfriamientos sucesivos hasta conseguir la estructura cristalina
deseada.
A los elementos químicos que forman una aleación se les llama componentes, y a las
distintas estructuras cristalinas o combinación de ellas constituyentes.
Aquí nos referiremos específicamente al tratamiento térmico del acero y la fundición,
formado por hierro y carbono básicamente dado que industrialmente es el de mayor
peso e importancia.
Tratamientos térmicos del acero
•
Templado: su finalidad es aumentar la dureza y la resistencia del acero.
•
Revenido: sólo es aplica a los aceros templados, para disminuir ligeramente los
efectos del temple, conservando parte de la dureza y aumentar la tenacidad.
•
Recocido: es empleado para suprimir las tensiones internas remanentes del
temple, haciendo desaparecer la dureza.
•
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.
Tratamientos termoquímicos del acero
Los tratamientos termoquímicos del acero consiguen aumentar la dureza superficial de
los componentes dejando el núcleo más blando y flexible, modifican las características
del material por medio del calentamiento y enfriamiento, pero cambiando también la
composición química del material:
•
Cementación: aumenta la dureza superficial de una pieza de acero dulce,
aumentando la concentración de carbono en la superficie.
•
Nitruración: 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.
•
Sulfinización: aumenta la resistencia al desgaste por acción del azufre. El
azufre se incorporó al metal por calentamiento a baja temperatura (565 ºC) en
un baño de sales.
•
Cianuración: endurecimiento superficial de pequeñas piezas de acero. Se
utilizan baños con cianuro, carbonato y cianato sódico. Se aplican
temperaturas entre 760 y 950 ºC.
Composición del Acero
Acero es una aleación de hierro y carbono que contiene otros elementos de aleación,
los cuales le confieren propiedades mecánicas especificas para su utilización en la
industria metalmecánica. Los otros principales elementos de composición son el
Cromo, Tungsteno, Manganeso, Níquel, Vanadio, Cobalto, Molibdeno, Cobre, Azufre y
Fósforo. Estos elementos, según su porcentaje, ofrecen características específicas
para determinadas aplicaciones, como herramientas, cuchillas, soportes, etc.
Propiedades mecánicas de los materiales
•
•
•
•
Resistencia al desgaste Es la resistencia que ofrece un material a dejarse
erosionar cuando esta en contacto de fricción con otro material.
Tenacidad Es la capacidad que tiene un material de absorber energía sin
producir Fisuras (resistencia al impacto).
Maquinabilidad Es la facilidad que posee un material de permitir el proceso de
mecanizado por arranque de viruta.
Dureza Es la resistencia que ofrece un acero para dejarse penetrar. Se mide
en unidades BRINELL (HB) ó unidades ROCKWEL C (HRC), mediante test del
mismo nombre.
Tratamiento térmico 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. 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 establecido.
•
Temple El temple tiene por objeto endurecer y aumentar la resistencia de los
aceros. Para ello, se calienta el acero a una temperatura ligeramente más
elevada que la crítica superior Ac (entre 900-950ºC) y se enfría luego más o
menos rápidamente (según características de la pieza) en un medio como
agua, aceite, etc.
•
Revenido Es un tratamiento habitual a las piezas que han sido previamente
templadas. 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
austenización (800-925ºC) 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.
Tratamientos Termoquímicos del Acero
En el caso de los tratamientos térmicos, no solo se producen cambios en la Estructura
del Acero, sino también en su COMPOSICION QUIMICA, añadiendo diferentes
productos químicos durante el proceso del tratamiento. Estos tratamientos tienen
efecto solo superficial en las piezas tratadas.
•
Cementación Mediante este tratamiento se producen cambios, en la
composición química del acero. Se consigue teniendo en cuenta el medio o
atmósfera que envuelve el metal durante el calentamiento y enfriamiento. Lo
que se busca es 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 Este tratamiento Termoquímico busca endurecer superficialmente
un acero con nitrógeno, calentándolo a temperaturas comprendidas entre 400525ºC, dentro de una corriente de gas amoníaco, más nitrógeno.
Endurecimiento del acero Temple (revenido) Recocido Cementado
Carburización por empaquetado Carburización en baño líquido Carburización por
gas Carbonitrurado, cianurado y nitrurado Práctica de tratamientos térmicos
El tratamiento térmico es la operación de 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.
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 - 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.
Endurecimiento del acero
El proceso de endurecimiento del acero consiste en el calentamiento del metal de
manera uniforme a la temperatura correcta (ver figura de temperaturas para
endurecido de metales) y luego enfriarlo con agua, aceite, aire o en una cámara
refrigerada. El endurecimiento produce una estructura granular fina que aumenta la
resistencia a la tracción (tensión) y disminuye la ductilidad. El acero al carbono para
herramientas se puede endurecer al calentarse hasta su temperatura crítica, la cual se
adquiere aproximadamente entre los 1450 °F y 1525 °F (790 a 830 °C) lo cual se
identifica cuando el metal adquiere el color rojo cereza brillante. Cuando se calienta el
acero la perlita se combina con la ferrita, lo que produce una estructura de grano fino
llamada austenita. Cuando se enfría la austenita de manera brusca con agua, aceite o
aire, se transforma en martensita, material que es muy duro y frágil.
Temple (revenido) Después que se ha endurecido el acero es muy quebradizo o frágil
lo que impide su manejo pues se rompe con el mínimo golpe debido a la tensión
interior generada por el proceso de endurecimiento. Para contrarrestar la fragilidad se
recomienda el temple del acero (en algunos textos a este proceso se le llama revenido
y al endurecido temple). Este proceso hace más tenaz y menos quebradizo el acero
aunque pierde algo de dureza. El proceso consiste en limpiar la pieza con un abrasivo
para luego calentarla hasta la temperatura adecuada (ver tabla), para después
enfriarla con rapidez en el mismo medio que se utilizó para endurecerla.
Tabla de temperaturas para templar acero endurecido Color Grados F Grados C Tipos
de aceros Paja claro 430 220 Herramientas como brocas, machuelos Paja mediano
460 240 Punzones dados y fresas Paja obscuro 490 255 Cizallas y martillos Morado
520 270 Árboles y cinceles para madera Azul obscuro 570 300 Cuchillos y cinceles
para acero Azul claro 600 320 Destornilladores y resortes
Recocido:
Cuando se tiene que maquinar a un acero endurecido, por lo regular hay que recocerlo
o ablandarlo. El recocido es un proceso para reducir los esfuerzos internos y ablandar
el acero. El proceso consiste en calentar al acero por arriba de su temperatura crítica y
dejarlo enfriar con lentitud en el horno cerrado o envuelto en ceniza, cal, asbesto o
vermiculita.
Consiste en el endurecimiento de la superficie externa del acero al bajo carbono,
quedando el núcleo blando y dúctil. Como el carbono es el que genera la dureza en los
aceros en el método de cementado se tiene la posibilidad de aumentar la cantidad de
Carbono en los aceros de bajo contenido de carbono antes de ser endurecido. El
carbono se agrega al calentar al acero a su temperatura crítica mientras se encuentra
en contacto con un material carbonoso. Los tres métodos de cementación más
comunes son: empacado para carburación, baño líquido y gas. Este procedimiento
consiste en meter al material de acero con bajo contenido carbónico en una caja
cerrada con material carbonáceo y calentarlo hasta 1650 o 1700 °F (900 a 927 °C)
durante 4 a 6 horas. En este tiempo el carbón que se encuentra en la caja penetra a la
superficie de la pieza a endurecer. Entre más tiempo se deje a la pieza en la caja con
carbón de mayor profundidad será la capa dura. Una vez caliente la pieza a endurecer
a la temperatura adecuada se enfría rápidamente en agua o salmuera. Para evitar
deformaciones y disminuir la tensión superficial se recomienda dejar enfriar la pieza en
la caja para posteriormente sacarla y volverla a calentar entre 1400 y 1500 °F (rojo
cereza) y proceder al enfriamiento por inmersión. La capa endurecida más utilizada
tiene un espesor de 0.38 mm, sin embargo se pueden tener espesores de hasta 4 mm.
El acero a cementar se sumerge en un baño de cianuro de sodio líquido. También se
puede utilizar cianuro de potasio pero sus vapores son muy peligrosos. Se mantiene la
temperatura a 1500 °F (845 °C) durante 15 minutos a 1 hora, según la profundidad
que se requiera. A esta temperatura el acero absorberá el carbono y el nitrógeno del
cianuro. Después se debe enfriar con rapidez al acero en agua o salmuera. Con este
procedimiento se logran capas con espesores de 0.75 mm. En este procedimiento se
utilizan gases carburizantes para la cementación. La pieza de acero con bajo
contenido carbónico se coloca en un tambor al que se introduce gas para carburizar
como derivados de los hidrocarburos o gas natural. El procedimiento consiste en
mantener al horno, el gas y la pieza entre 1650 y 1750 °F (900 y 927 °C). Después de
un tiempo predeterminado se corta el gas carburizante y se deja enfriar el horno.
Luego se saca la pieza y se recalienta a 1400 °F (760 °C) y se enfría con rapidez en
agua o salmuera. Con este procedimiento se logran piezas cuya capa dura tiene un
espesor hasta de 6 mm, pero por lo regular no exceden de 0.7 mm. carburado,
cianurado y nitrurado
Existen varios procedimientos de endurecimiento superficial con la utilización del
nitrógeno y cianuro a los que por lo regular se les conoce como carbonitrurado o
cianurado. En todos estos procesos con ayuda de las sales del cianuro y del amoniaco
se logran superficies duras como en los métodos anteriores.
Estructura de los metales
Todos los materiales están integrados por átomos los que se organizan de diferentes
maneras, dependiendo del material que se trate y el estado en el que se encuentra.
Cuando un material se encuentra en forma de gas, sus átomos están más dispersos o
desordenados (a una mayor distancia uno de otro) en comparación con los átomos de
ese mismo material pero en estado líquido o sólido. Existen materiales en los que sus
átomos siempre están en desorden o desalineados aún en su estado sólido, a estos
materiales se les llama materiales amorfos, un ejemplo es el vidrio, al que se
considera como un líquido solidificado.
En el caso de los metales, cuando estos están en su estado sólido, sus átomos se
alinean de manera regular en forma de mallas tridimensionales. Estas mallas pueden
ser identificadas fácilmente por sus propiedades químicas, físicas o por medio de los
rayos X. Cuando un material cambia de tipo de malla al modificar su temperatura, se
dice que es un material polimorfo o alotrópico.
Cada tipo de malla en los metales da diferentes propiedades, no obstante que se trata
del mismo material, así por ejemplo en el caso del hierro aleado con el carbono, se
pueden encontrar tres diferentes tipos de mallas: la malla cúbica de cuerpo centrado,
la malla cúbica de cara centrada y la malla hexagonal compacta. Cada una de estas
estructuras atómicas tienen diferentes números de átomos, como se puede ver en las
siguientes figuras.
Malla cúbica de
cuerpo centrado
Malla cúbica de cara
centrada
Malla hexagonal
compacta
La malla cúbica de cuerpo de cuerpo centrado. Es la estructura que tiene el hierro a
temperatura ambiente, se conoce como hierro alfa. Tiene átomos en cada uno de los
vértices del cubo que integra a su estructura y un átomo en el centro. También se
encuentran con esta estructura el cromo, el molibdeno y el tungsteno.
La malla cúbica de cara centrada aparece en el hierro cuando su temperatura se eleva
a aproximadamente a 910ºC, se conoce como hierro gamma. Tiene átomos en los
vértices y en cada una de sus caras, su cambio es notado además de por los rayos X
por la modificación de sus propiedades eléctricas, por la absorción de calor y por las
distancias intermoleculares. A temperatura elevada el aluminio, la plata, el cobre, el
oro, el níquel, el plomo y el platino son algunos de los metales que tienen esta
estructura de malla.
La malla hexagonal compacta se encuentra en metales como el berilio, cadmio,
magnesio, y titanio. Es una estructura que no permite la maleabilidad y la ductilidad, es
frágil.
Modificar a una malla de un metal permite la participación de más átomos en una sola
molécula, estos átomos pueden ser de un material aleado como el carbón en el caso
del hierro, lo que implica que se puede diluir más carbón en un átomo de hierro. Si se
tiene en cuenta que el carbón es el que, en ciertas proporciones, da la dureza al
hierro, entonces lo que se hace al cambiar la estructura del hierro es permitir que se
diluya más carbón, con lo que se modifican sus propiedades.
Otra de las características de los metales que influye notablemente en sus
propiedades es el tamaño de grano, el cual depende de la velocidad de enfriamiento
en la solidificación del metal, la extensión y la naturaleza del calentamiento que sufrió
el metal al ser calentado.
Grano de las estructuras metálicas
Cuando un metal en su estado líquido se enfría sus cristales se van solidificando
formando estructuras dendríticas, las que crecen uniformes hasta que se encuentran
con otra estructura que también ha estado creciendo, en ese lugar de encuentro de las
dos estructuras se forman los límites de los granos de los materiales. Entre más lento
el enfriamiento de un material, mayor uniformidad en el crecimiento de los granos, o
sea estos serán de menor tamaño.
Un material con granos pequeños será más duro que un con granos grandes, debido a
que los granos grandes tienden a fracturarse y deslizarse uno sobre el otro, lo que no
sucede con los granos pequeños.
La mejor forma de determinar el tamaño de grano de un material es por medio de
microscopio metalúrgico, el que actúa por medio de un rayo de luz que se lanza sobre
una superficie pulida al espejo y limpiada con una mezcla de 3% de ácido nítrico y
97% de alcohol, para eliminar lo que se conoce como metal untado.
Microscopio para la medición de grano en un metal
METALOGRAFIA:
Es la ciencia que estudia las características estructurales o constitutivas de un metal o
aleación relacionándolas con las propiedades físicas y mecánicas.
Entre las características estructurales están el tamaño de grano, el tamaño, forma y
distribución de las fases que comprenden la aleación y de las inclusiones no metálicas,
así corno la presencia de segregaciones y otras irregularidades que profundamente
pueden modificar las propiedades mecánicas y el comportamiento general de un
metal.
Mucha es la información que puede suministrar un examen metalográfico. El principal
instrumento para la realización de un examen metalográfico es el microscopio
metalográfico, con el cual es posible examinar una muestra con aumentos que varían
entre 50 y 2000.
2.- OBJETIVO PRINCIPAL DE LA METALOGRAFIA:
Es la realización de una reseña histórica del material buscando microestructura,
inclusiones, tratamientos térmicos a los que haya sido sometido, microrechupes, con el
fin de determinar si dicho material cumple con los requisitos para los cuales ha sido
diseñado; además hallaremos la presencia de material fundido, forjado y laminado. Se
conocerá la distribución de fases que componen la aleación y las inclusiones no
metálicas, así como la presencia de segregaciones y otras irregularidades.
3.- OPERACIONES A SEGUIR PARA PREPARAR UNA MUESTRA
METALOGRAFICA:
a) Corte: El tamaño de la muestra siempre que se pueda debe ser tal que su manejo
no encierre dificultad en la operación.
-Corte por Sierra
Produce severas condiciones de trabajo en frío y no es ventajoso. El corte mediante
este método ocasiona superficies irregulares con valles excesivamente altos, dando
como efecto más tiempo de aplicación de las técnicas de preparación de las muestras.
Generalmente este tipo de corte es utilizado para extraer probetas de piezas muy
grandes, para poder luego proceder con el corte abrasivo y adecuar la probeta a los
requerimientos necesarios.
-Corte por Disco Abrasivo
Este tipo de corte es el más utilizado, ya que la superficie resultante es suave, y el
corte se realiza rápidamente. Los discos para los cortes abrasivos, están formados por
granos abrasivos (tales como óxido de aluminio o carburo de silicio), aglutinados con
goma u otros materiales. Los discos con aglutinantes de goma son los más usados
para corte húmedo; los de resina son para corte en seco.
b) Montaje de muestras: Con frecuencia, la muestra a preparar, por sus dimensiones
o por su forma, no permite ser pulida directamente, sino que es preciso montarla o
embutirla en una pastilla. El material del que se componen estas puede ser Lucita
(resina termoplástica) o Bakelita (resina termoendurecible).
c) Desbaste: Después de montada la probeta, se inicia el proceso de desbaste sobre
una serie de hojas de esmeril o lija con abrasivos más finos, sucesivamente. El
proceso de desbaste se divide en 3 fases: Desbaste grosero, Desbaste intermedio y
Desbaste final. Cada etapa de preparación de probetas metalograficas debe realizarse
muy cuidadosamente para obtener al final una superficie exenta de rayas.
-Desbaste Grosero
Es el desbaste inicial, que tiene como objetivo planear la probeta, lo cual puede
hacerse a mano y aun mejor con ayuda de una lijadora de banda. El papel de lija
utilizado es de carburo de silicio con granos de 240 o papel de esmeril # 1. En
cualquier caso, la presión de la probeta sobre la lija o papel de esmeril debe ser suave,
para evitar la distorsión y rayado excesivo del metal.
-Desbaste Intermedio
Se realiza apoyando la probeta sobre el papel de lija o de esmeril, colocado sobre una
mesa plana o esrneriladora de banda fija. En esta fase se utilizan los papeles de lija
No. 320/340 y 400 o de esmeril # 1/O y 2/O.
-Desbaste Final
Se realiza de la misma forma que los anteriores, con papel de lija No. 600 ó de esmeril
# 3/0. En todo caso, en cada fase del desbaste debe tomarse siempre en cuenta el
sistema refrigerante. Cada vez que se cambie de papel, debe girarse 90 grados, en
dirección perpendicular a la que se seguía con el papel de lija anterior, hasta que las
rayas desaparezcan por completo. Se avanza y se facilita mucho las operaciones
descritas utilizando una pulidora de discos, a las que se fija los papeles de lija
adecuado en cada fase de la operación. Las velocidades empleadas varían de 150 a
250 rpm. En otro caso se pueden utilizar debastadoras fijas o de bandas giratorias.
d) Pulido:
-Pulido fino
La última aproximación a una superficie plana libre de ralladuras se obtiene mediante
una rueda giratoria húmeda cubierta con un paño cargado con partículas abrasivas
seleccionadas en su tamaño. En éste sentido, existen muchos abrasivos, prefiriendo a
gamma del oxido de aluminio para pulir metales ferrosos, los basados en cobre u
oxido de cerio para pulir aluminio, magnesio y sus aleaciones. Otros abrasivos son la
pasta de diamante, oxido de cromo y oxido de magnesio. La selección del paño para
pulir depende del material que se va a pulir y el propósito del estudio metalográfico.
-Pulido electrolítico
Es una alternativa de mejorar al pulido total pudiendo reemplazar al fino pero muy
difícilmente al pulido intermedio. Se realiza colocando la muestra sobre el orificio de la
superficie de un tanque que contiene la solución electrolítica previamente
seleccionada, haciendo las veces de ánodo. Como cátodo se emplea un material
inerte como platino, aleación de níquel, cromo, etc. Dentro del tanque hay unas aspas
que contienen en constante agitación al líquido para que circule permanentemente por
la superficie atacándola y puliéndola a la vez. Deben controlarse el tiempo, el
amperaje, el voltaje y la velocidad de rotación del electrolito para obtener un pulido
satisfactorio. Muchas veces después de terminado este pulido la muestra queda con el
ataque químico deseado para la observación en el microscopio.
e) Ataque: Permite poner en evidencia la estructura del metal o aleación. Existen
diversos métodos de ataque pero el más utilizado es el ataque químico. El ataque
químico puede hacerse sumergiendo la muestra con cara pulida hacia arriba en un
reactivo adecuado, o pasar sobre la cara pulida un algodón embebido en dicho
reactivo. Luego se lava la probeta con agua, se enjuaga con alcohol o éter y se seca
en corriente de aire. El fundamento se basa en que el constituyente metalográfico de
mayor velocidad de reacción se ataca más rápido y se verá mas oscuro al
microscopio, y el menos atacable permanecerá más brillante, reflejará más luz y se
verá más brillante en el microscopio.
f) Observación
g) Fotomicrografía
4.- DESCRIPCION DEL MICROSCOPIO METALURGICO:
En comparación al microscopio biológico el microscopio metalúrgico difiere en la
manera en que la luz es proyectada. Como una muestra metalográfica es opaca a la
luz, la misma debe ser iluminada por luz reflejada. Un haz de luz horizontal de alguna
fuente de luz es reflejado, por medio de un reflector de vidrio plano, hacia abajo a
través del objetivo del microscopio sobre la superficie de la muestra. Un poco de esta
luz incidente reflejada desde la superficie de la muestra se amplificará al pasar a
través del sistema inferior de lentes, el objetivo, y continuará hacia arriba a través del
reflector de vidrio plano; luego, una vez más lo amplificará el sistema superior de
lentes, el ocular. El poder de amplificación inicial del objetivo y del ocular está
generalmente grabado en la base del lente. Cuando es utilizada una combinación
particular de objetivo y ocular y una longitud adecuada de tubo, la amplificación total
es igual al producto de las amplificaciones del objetivo y ocular. La amplificación
máxima obtenida con el microscopio óptico es de unos 2000 x. La limitación principal
es la longitud de onda de la luz visible, la cual limita la resolución de los detalles finos
de la muestra metalográfica. La utilidad del microscopio metalúrgico puede ser
ampliada debido a la incorporación de diversos aparatos auxiliares, como son los que
permiten observar aspectos estructurales que no son visibles en condiciones
normales. Puesto que el ojo humano es insensible a las diferencias de fase, debe
incorporarse al microscopio un aparato óptico especial. Las diferencias de fases
causados por variaciones extremadamente pequeñas al nivel de microestructuras, se
transforman más tarde, en diferencias de intensidad en la imagen observada,
revelando de esta forma aspectos invisibles bajo iluminación ordinaria.
5.- TECNICAS DE PREPARACION METALOGRAFICAS:
•
Preparación Normal o Tradicional
Esmerilado burdo o tosco: La muestra debe ser de un tamaño de fácil manipulación.
Una muestra blanda se puede aplanar si se mueve lentamente hacia arriba y abajo a
través de una superficie de una lima plana poco áspera. La muestra plana o dura
puede esmerilarse sobre una lija de banda, manteniendo la muestra fría
sumergiéndola frecuentemente en agua durante la operación de esmerilado, evitando
alterar su estado con el calor que se produce en el acto de pulido y asi mantener una
misma fase. En todas las operaciones de esmerilado, la muestra debe moverse en
sentido perpendicular a la ralladura existente. El esmerilado, continúa hasta que la
superficie quede plana, y todas las ralladuras debidas al corte manual o al disco
cortador no sean visibles, emulando la superficie de un espejo.
Montaje: Este paso se realiza en el caso que las muestras sean pequeñas o de difícil
manipulación en las etapas de pulido intermedio y final. Piezas pequeñas como
tornillos, tuercas, muestras de hojas metálicas, secciones delgadas entre otros, deben
montarse en un material adecuado o sujetarse rígidamente en una monta mecánica.
La resina que se utiliza para fijar la probeta, se aplica a la probeta por medio de
temperatura, es decir, es una resina termo-fijadora, comúnmente empleada para
montar muestras es la baquelita. La muestra y cantidades correctas de baquelita, se
colocan en un cilindro de la prensa de montar manual. La temperatura y presión
aplicada producen una fuerte adhesión de la baquelita a la muestra, proporcionando
un tamaño uniforme convenientes para manipular las muestras en operaciones de
pulido posteriores.
Pulido Intermedio: Luego del paso anterior, la muestra se pule sobre una serie de
hojas de esmeril o lijas que contienen abrasivos finos. El primer papel es generalmente
Nº 150 luego 200, 300, 400 y finalmente es posible encontrar en el mercado Nº1500.
Antes de pulir con la siguiente lija se debe girar en 90º la muestra, a fin de eliminar el
rayado realizado con la lija anterior. Las operaciones de pulido intermedio con lijas de
esmeril se hacen en húmedo; sin embargo, en ciertos casos, es conveniente realizar
este paso en seco ya que ciertas aleaciones se corroen fácilmente por la acción del
agua.
Pulido Fino: Esta etapa representa una de los pasos de mayor cuidado por parte del
preparador de muestras, ya que en muchas ocasiones en la superficie del metal se
han formado dobles caras o planos y que por supuesto por ningún motivo pueden ser
utilizadas para el pulido fino, sino se remedia tal defecto superficial. El pulido fino se
realiza mediante un disco giratorio cubierto con un paño especial, húmedo, cargado
con partículas abrasivas, como es el oxido de aluminio para pulir materiales ferrosos y
de los base cobre, y oxido de cerio para pulir aluminio, magnesio y sus aleaciones. La
selección del paño para pulir depende del material y del propósito del estudio
metalográfico. Se pueden encontrar paños de lanilla o pelillo, similares a los que se
utilizan el las mesas de pool. También se pueden encontrar paños sintéticos para pulir
con fines de pulido general, de los cuales el Gama y el Micropaño son los que se
utilizan más ampliamente.
•
Preparación Electroquímica
La técnica por pulido electroquímico requiere al igual que el caso anterior, la selección
de una probeta de un tamaño apropiado para luego utilizar el electropulido. Este
método consiste en una disolución electroquímica de la superficie del metal que
produce un aislamiento y pulido, se aplica por lo general a muestras pequeñas. En el
caso de metales blandos se requiere tomar ciertas precauciones para realizar el pulido
debido a que se pueden formar capas amorfas. Para que ello no ocurra se utiliza
también el pulido electrolítico, para lo cual se coloca la probeta como ánodo en una
solución adecuada de electrolito (suspendida por un hilo de platino sujeta por pinzas
conectadas al polo positivo de una batería) de tal forma de aplicar una fuerza
electromotriz creciente, la intensidad se va a elevar hasta alcanzar un máximo.
Aunque el potencial va aumentando, cae hasta alcanzar un valor constante y luego se
vuelve a elevar bruscamente. Esta parte constante de la curva indica que corresponde
al período de formación de la superficie lisa y brillante. Las probetas se lavan y luego
se atacan por el método usual o bien se puede utilizar un ataque electrolítico que
consiste en reducir la intensidad de corriente sin cambiar el electrolito inicial.
6.-CONSTITUYENTES METALOGRÁFICOS:
En los aceros, el carbono se encuentra en general, o combinado en forma de
cementita o disuelto, rara vez en forma de grafito. Este es el motivo por el cual solo se
emplea el diagrama de equilibrio metaestable Fe - Fe3C para el estudio de los aceros.
Los constituyentes estructurales de equilibrio de los aceros son:
Austenita: Se define como una solución sólida de carbono en hierro gamma. Solo es
estable a temperaturas superiores a 723 ºC, desdoblándose por reacción eutectoide, a
temperaturas inferiores, en ferrita y cementita. Solo puede aparecer austenita a
temperatura ambiente en los aceros austeníticos, en este caso la austenita si es
estable a temperatura ambiente. Es deformable como el hierro gamma, poco dura,
presenta gran resistencia al desgaste, es magnética, es el constituyente más denso de
los aceros y no se ataca con reactivos. La resistencia de la austenita retenida a la
temperatura ambiente oscila entre 80 y 100 daN/mm2 y el alargamiento entre 20 y 25
%. Puede disolver hasta 1,7-1,8 % de carbono. Presenta red cristalográfica cúbica
centrada en las caras (c.c.c.), con los siguientes parámetros de red, a=3,67 A y d=2,52
A.
Ferrita: Este constituyente está formado por una solución sólida de inserción de
carbono en hierro alfa. Es el constituyente más blando de los aceros pero es el más
tenaz, es el más maleable, su resistencia a la tracción es de 28 daN/mm2 y su
alargamiento de 35 %. Su solubilidad máxima es de 0,008 %. Puede también
mantener en solución de sustitución a otros elementos tales como Si, P, Ni, Cr, Cu...
que figuran en los aceros, bien como impurezas, bien como elementos de aleación. La
ferrita se presenta en los aceros hipoeutectoides como constituyente y mezclada con
la cementita entra a formar parte de la perlita. Si el acero es muy pobre en carbono, su
estructura está formada casi en su totalidad por granos de ferrita cuyos límites pueden
revelarse fácilmente con el microscopio, después de un ataque con ácido nítrico
diluido. Los granos son equiaxiales. Tiene una distancia interatómica de 2,86 A y un
diámetro atómico de 2,48 A.
Perlita: Está formada por una mezcla eutectoide de dos fases, ferrita y cementita, se
produce a 723 ºC cuando la composición es de 0,8 %. Su estructura está constituida
por láminas alternadas de ferrita y cementita, siendo el espesor de las láminas de
ferrita superior al de las de cementita, estas últimas quedan en relieve después del
ataque con ácido nítrico, lo cual hace que en la observación microscópica se revelen
por las sombras que proyectan sobre las láminas de ferrita. La perlita es más dura y
resistente que la ferrita, pero más blanda y maleable que la cementita. Se presenta en
forma laminar, reticular y globular.
Cementita: Es un constituyente que aparece en fundiciones y aceros. Es el carburo de
hierro, de fórmula Fe3C, que cristaliza en el sistema ortorrómbico. Es muy frágil y
duro, teniendo sobre 840 Vickers, y es muy resistente al rozamiento en las fundiciones
atruchadas. A bajas temperaturas es ferromagnético y pierde esta propiedad a 212 ºC
(punto de Curie). Se piensa que funde por encima de 1950 ºC, y es
termodinámicamente inestable a temperaturas inferiores a 1200 ºC. Se puede
presentar en forma reticular, laminar y globular.
Bainita: Es el constituyente que se obtiene en la transformación isotérmica de la
austenita cuando la temperatura del baño de enfriamiento es de 250 a 500°C. Se
diferencian 2 tipos de estructuras: la Bainita superior de aspecto arborescente formada
a 500-580°C, compuesta por una matriz ferrítica conteniendo carburos y la Bainita
inferior, formada a 250-4000 ºC tiene un aspecto similar a la martensita y esta
constituida por agujas alargadas de ferrita que contienen delgadas placas de carburos.
La bainita tiene una dureza que va de 40 a 60 HRc.
Sorbita: Se obtiene con un revenido después del temple. Al realizar el calentamiento
la martensita experimenta una serie de transformaciones y en el intervalo comprendido
entre 400 y 650 ºC la antigua martensita ha perdido tanto carbono, que se ha
convertido ya en ferrita. La estructura así obtenida se conoce como sorbita.
Martensita: Es una solución sólida, intersticial, sobresaturada de carbono en hierro
alfa. Es el constituyente estructural de temple de los aceros y su microestructura se
presenta en forma de agujas cruzadas. Los átomos de hierro están como en la ferrita,
en los vértices. Los átomos de carbono están en las caras y en las aristas, presenta
por tanto una red distorsionada. Esta distorsión de la red es la responsable de la
dureza de la martensita. Presenta una red tetragonal. Sus características mecánicas
son resistencia a la tracción entre 170-250 Kg/mm2, dureza HRc entre 50-60,
alargamiento de 0,5 % y es magnética.
7.- EXAMEN MICROGRAFICO Y MACROGRAFICO
La forma mas sencilla de realizar el estudio, es examinando las superficies metálicas a
simple vista, logrando determinar de esta forma las características macroscópicas.
Este examen se denomina macrográfico y de ellos se extraen datos sobre los
tratamientos mecánicos sufridos por el material, es decir, determinar si el material fue
trefilado, laminado, forjado, entre otros, comprobar la distribución de defectos como
grietas superficiales, de forja, rechupes, partes soldadas. Así mismo, los exámenes
macroscópicos se realizan generalmente sin preparación especial, pero a veces es
necesaria una cuidadosa preparación de la superficie para poner de manifiesto las
características macroscópicas. En macroscopía, se utilizan criterios para el tipo de
corte a realizar (transversal o longitudinal) para extraer la muestra dependiendo el
estudio a realizar, por ejemplo:
Corte transversal: Naturaleza del material, homogeneidad, segregaciones, procesos
de fabricación, y otros.
Corte longitudinal: Proceso de fabricación de piezas, tipo y calidad de la soldadura y
otros.
Por otra parte, existe otro tipo de examen que es el examen micrográfico, que
representa una técnica más avanzada y se basa en la amplificación de la superficie
mediante instrumentos ópticos (microscopio) para observar las características
estructurales microscópicas (microestructura). Este tipo de examen permite realizar el
estudio o controlar el proceso térmico al que ha sido sometido un metal, debido a que
los mismos colocan en evidencia la estructura o los cambios estructurales que sufren
en dicho proceso. Como consecuencia de ello también es posible deducir las
variaciones que experimentan sus propiedades mecánicas (dependiendo de los
constituyentes metalográficos presentes en la estructura). Los estudios ópticos
microscópicos producen resultados que no solo son útiles a los investigadores sino
también a los ingenieros. El examen de la microestructura es muy útil para determinar
si un metal o aleación satisface las especificaciones en relación a trabajos mecánicos
anteriores, tratamientos térmicos y composición general. La microestructura es un
instrumento para analizar las fallas metálicas y para controlar procesos industriales.
Para un estudio de ella se necesita una preparación aún más cuidadosa de la
superficie. No obstante el procedimiento de preparación de la superficie es
básicamente el mismo para ambos ensayos metalográficos. Esta experiencia delinea
una forma de preparar muestras pequeñas de acero blando) con el fin de realizar un
examen metalográfico. Los pasos a seguir en el procedimiento de preparación son los
mismos para todos los materiales difiriendo solo las herramientas de corte y el grado
de finura de los papeles de esmeril según la dureza del material. El reactivo de ataque
a utilizar depende del tipo de aleación. Los ensayos micrográficos se realizan sobre
muestras o probetas de los materiales que han de ser sometidos a estudio,
preparamos una superficie que luego de ser pulida convenientemente, se ataca con
reactivos químicos apropiados a la finalidad de la determinación a realizar.
Conociendo mejor el examen micrográfico:
Si el examen se ejecuta para analizar una fractura, la que se sospecha provocada por
irregularidades en el material, las muestras deberán ser por lo menos dos, una de la
propia fractura y otra de una zona intacta de la misma pieza, con el objeto de observar
y comparar las modificaciones que ha sufrido la estructura y de las que se podrán
deducir y contar con una mayor cantidad de datos, es necesario tener en cuenta
además, los tratamientos recibidos por la pieza en su fabricación, como forjado,
laminado, recocido, temple, entre otros; pues en muchos casos (forjado y laminado) es
beneficio contar con muestras en las distintas direcciones de sus fibras. Como se ha
indicado, el estudio en si se hace sobre superficies convenientemente preparadas de
dichas muestras o probetas. Esta preparación consiste en llegar a un pulido casi
perfecto, para lo cual se parte de un desbaste que podríamos llamar grueso, con el fin
de aplanar la superficie, lo que se consigue con un ajuste a lima o con el auxilio de
devastadoras mecánicas de diseño especial. Los reactivos químicos y sus finalidades
son muy variadas, pero en principio se busca con ellos la revelación, por coloración o
por corrosión, de los distintos componentes de una estructura metalografica para
poder diferenciarlos con facilidad. Por lo general, están constituidos por ácidos o
álcalis diluidos en alcoholes, agua o glicerina. Y su elección se hará de acuerdo con la
naturaleza química de la estructura a destacar en la muestra. Con tal fin, una vez
pulida la superficie se hará en agua caliente, frotándola con un algodón o tela suave
para quitarle todo rastro de las operaciones anteriores que pueda presentar,
concluyendo esta limpieza con alcohol etílico o solvente similar y secándola con un
soplado de aire caliente. Las fotografías obtenidas de estos exámenes, genéricamente
llamados Microfotografías , se logran con la ayuda del microscopio metalográfico,
cuyos principios ópticos y de observación no difieren mayormente de los comunes. En
él, con iluminación adecuada, se observa por reflexión (los rayos luminosos al incidir
sobre el objeto se refleja hacia el ocular), la imagen de la superficie atacada, a través
de un sistema de lentes con los que se amplifica según lo que requiera la observación.
Por otra parte, con la observación de las estructuras micrográficas y por comparación
con microfotografías, es posible deducir el contenido aparente de carbono, finura y
variedad de los componentes, clasificación de aceros, reconocer las inclusiones por
defectos de fabricación (óxidos, silicatos, oxisulfuros, silicoaluminatos)
EXAMEN METALOGRAFICOS A LAS PROBETAS DE SAE 1015 Y SAE 1045
Muestra 1
Muestra 2
Según como vemos en las micrografías obtenidas de los exámenes, reafirman que la
muestra 1 es un acero SAE 1015 según la distribución de la perlita y la ferrita. Y las
micrografías de la muestra 2 reafirman que estamos trabajando con un acero SAE
1045, así lo muestra el contenido de ferrita y de la perlita laminar.
8.- METODOS PARA DETERMINAR EL TAMAÑO DE GRANO
TAMAÑO DE GRANO
Una de las mediciones micro estructurales cuantitativas más comunes es aquella del
tamaño de grano de metales y aleaciones. Numerosos procedimientos han sido
desarrollados para estimar el tamaño de grano, estos procesos están sintetizados en
detalle en la norma ASTM E112.Algu nos tipos de tamaño de grano son medidos,
tamaño de grano de la ferrita y tamaño de grano de la austenita. Cada tipo presenta
problemas particulares asociados con la revelación de estos bordes de manera que
puede obtenerse un rango exacto. Los principales métodos para la determinación del
tamaño de grano recomendados por la ASTM (American Society for Testing and
Materials) son:
Método de Comparación
Método de Planimétrico
Método de Intersección
-Método de comparación
Mediante el método de prueba y error se encuentra un patrón que coincide con la
muestra en estudio y entonces se designa el tamaño de grano del metal por el número
correspondiente al número índice del patrón mixto; se tratan de manera semejante, en
cuyo caso se acostumbra especificar el tamaño de granos en términos de dos
números que denota el porcentaje aproximado de cada tamaño presente. El método
de comparación es más conveniente y bastante preciso en muestras de granos de
ejes iguales.
El número de tamaño de grano
puede obtenerse con la siguiente relación: N=2 n -1
-Método planimétrico
Es el más antiguo procedimiento para medir el tamaño de grano de los metales. El
cual consiste en que un circulo de tamaño conocido (generalmente 19.8 mm f, 5000
mm2 de área) es extendido sobre una rnicrofotografia o usado como un patán sobre
una pantalla de proyección. Se cuenta el número de granos' que están completamente
dentro del círculo n1 y el número de granos que interceptan el circulo n2 para un
conteo exacto los granos deben ser marcados cuando son contados lo que hace lento
este método.
-Métodos de intercepción
El método de intercepción es más rápido que el método planimétrico debido a que la
microfotografía o patrón no requiere marcas para obtener un conteo exacto. El tamaño
de grano se estima contando por medio de una pantalla dividida de vidrio, o por
fotomicrografía o sobre la propia muestra, el número de granos interceptados por una
o más líneas restas. Los granos tocados por el extremo de una línea se cuentan solo
como medios granos. Las cuentas se hacen por lo menos entres posiciones distintas
para lograr un promedio razonable. La longitud de líneas en milímetro, dividida entre el
número promedio de granos interceptados por ella da la longitud de intersección
promedio o diámetro de grano. El método de intersección se recomienda
especialmente para granos que no sean de ejes iguales.