PROCESOS DE MANUFACTURA

PRESENTADO POR

FABIAN ADOLFO GARCIA RIVERA

COD. 13744854

PRESENTADO A:

ALBERTO MARIO PERNETT

GRUPO 332571_13

UNIVERSIDAD NACIONAL ABIERTA Y A DISTANCIA UNAD

ESCUELA DE CIENCIAS BASICAS DE TECNOLOGIA E INGENIERIA

PROGRAMA DE INGENIERIA INDUSTRIAL

2014

Se sugiere consultar, dentro del vínculo Entorno de conocimiento en la bibliografía de la unidad 2 que aparece en este espacio, los siguientes temas:

Técnicas de moldeo:

La fabricación es la técnica científica mediante la cual se consigue que algún material adquiera un estado final dotado de la estructura y propiedades necesarias al uso al que se destina. En palabras llanas, la fabricación es “lo que hace para transformar unas materias en un objeto”. Una parte de la primera importancia de la fabricación es impartir una forma a ese objeto y l fundición, o moldeo, es un procedimiento muy extendido para alcanzar ese objetivo.En el moldeo, se funde solido, se calienta hasta una temperatura convenientemente y se trata para conferirle una determinada composición química. La materia fundida, metálica generalmente, se vacía en una cavidad, o molde, cuya forma adquiere durante la solidificación. Así, en una operación única, es posible, pudiendo tener el producto resultante prácticamente cualquier configuración predeterminada por el diseñador al objeto de dotarlo de la mejor resistencia a las tenciones de servicio, con unas propiedades direccionales mínimas y habitualmente, un aspecto agradable.

Aunque también se moldea materiales no metálicos, los procesos de fundición son primordiales en la fabricación de productos metálicos y, en este capítulo, solo vamos a considerar la fundición metálica. Los metales que más se moldean son el hierro, los aceros, el aluminio, los latones, los broces, el magnesio y ciertas aleaciones de cinc. De estos el hierro, por su fluidez, baja contracción, resistencia mecánica, rigidez y facilidad de control, es notable por su idoneidad para los procesos de moldeo y se emplea más que todos los demás.

El tamaño de las piezas moldeadas se encuentra entre unos milímetros, con un peso de una fabricación de gramo, como es el caso de los dientes de las cremalleras para ropa, y 10 o más metros, con un peso de muchas toneladas, como es el caso de las hélices y marcos de hélice gigantescos de los transatlánticos. Aunque su utilización no se limita a estos tipos de piezas, el moldeo ha señalado hitos importantes en la producción de formas complicadas, pudiendo conseguirse piezas dotadas de secciones huecas, otras con superficies irregularmente curvas (salvo las construidas con chapa fina) o de gran tamaño, o bien fabricar piezas de metales de mecanizado difícil. Por todas estas claras ventajas, el moldeo es una de las técnicas de fabricación más importantes. En Estados unidos, abarcando a unas 4500 compañías.Actualmente, es prácticamente imposible diseñar algo que no pueda obtenerse mediante alguna de las técnicas de moldeo existentes. No obstante, al igual que en otros procesos de fabricación, se logran los mejores resultados y economía si los proyectistas conocen perfectamente las distintas técnicas de moldeo y adaptan los diseños con miras a obtener el mejor rendimiento de cada de ellas.

En todos los procesos de moldeo, intervienen seis factores fundamentales. Estos son:

1. Hay que construir un molde, a base de una cavidad de la forma deseada provista de las sobre medidas que impone la contracción del metal al solidificarse. En tal cavidad deben reproducirse todas las complejidades de forma que deba tener la pieza terminada. Por tanto, el material del molde debe ser capaz de reproducir los detalles buscados y ser además, de naturaleza refractaria al objeto de que no le afecte el metal fundido que debe contener. Puede prepararse un molde para cada colada, o bien puede construirse de un material que soporte el uso repetido; estos últimos se llaman moldes fijos o moldes durables. Dado que estos deben hacerse de metal o grafico y su construcción es costosa, se ha dedicado grandes esfuerzos a desarrollo métodos para producir económicamente moldes de un solo uso capaces de producir piezas con una presión aceptable.

2. Debe disponerse de una instalación adecuada para fundir el metal que ha de colocarse; y que no solo produzca una temperatura suficiente, sino que trabaje con buena calidad y bajo coste.

3. El metal licuado debe introducirse en el molde de manera tal que escapen todo el aire y los gases contenidos en el molde, antes del vertido o generadores por la acción del metal caliente sobre el mismo. Este debe llenarse completamente para que la limpieza resultante sea compacta y este exenta de defectos, tales como oclusiones de aire (sopladuras).

4. Debe preverse lo necesario para que el molde no oponga demasiada resistencia a la contracción que acompaña al enfriamiento subsiguiente a la solidificación del metal. De lo contrario, la pieza agrietada y su resistencia será baja. Además la pieza debe diseñarse de modo que la solidificación y la contracción pueda tener lugar sin ocasionar grietas, ni poros internos, ni rechupes.

5. Ha de ser posible retirar la pieza del molde. Cuando la fundición se hace en moldes de materiales como arena, los cuales se rompen y destruyen tras cada colada, este punto no representa dificultades graves. Sin embargo, en determinados procesos en los que se emplean moldes durables, este es un problema importante.

6. Retirado el molde, puede que sean necesarias operaciones de acabado al objeto de eliminar porciones adheridas a la pieza, resultado del procedimiento seguido para introducir el metal en la cavidad, o recogidos del molde por haber estado el metal en contacto con el.Todas las investigaciones y progresos habidos en la industria de la fundición se han encaminado a resolver estas seis dificultades con la mejor economía. Actualmente existentes siete procesos de fundición fundamentales, que son:

1. En arena2. En concha3. En molde durable4. Por inyección

5. Por centrifugación6. En molde de yeso7. A la cera perdida

Al moldeo en arena le corresponde, con mucho, la mayor proporción del volumen de producción total. No obstante, en los últimos años se han extendido con gran rapidez los procesos en moldes durables, por inyección y en concha.

Fundamentos de la fundición de metales :

FUNDICION DE METALES

La fundición es un método para dar forma a los metales y convertirlos en productos útiles

mediante el vaciado de metal fundido en la cavidad de un molde donde adquiere la forma

predeterminada al solidificarse dentro de la misma.

Los procesos de fundición son capaces de producir piezas de formas complejas y gran

tamaño. Además, permiten utilizar mayor variedad de materiales en forma competitiva en

comparación con otros procesos.

El proceso de fundición consiste en el vaciado de metal fundido en un molde construido

siguiendo la forma de la pieza a manufacturarse y la posterior extracción una vez que el

mismo solidifica.

Los factores involucrados de mayor interés son el flujo del metal fundido en la cavidad del

molde, la solidificación y enfriamiento del metal en el molde y la influencia del tipo de

material del molde.

Solidificación de los metales: Los eventos que se producen durante la solidificación y

posterior enfriamiento determinan las propiedades generales de la fundición a través de las

propiedades térmicas tanto del metal como del molde, la relación geométrica entre el

volumen y área superficial y la forma del molde.

Solidificación de un metal puro: Se produce a una temperatura constante definida

mientras el calor latente de fusión se disipa. El frente de solidificación se mueve a través

del metal fundido a partir de las paredes del molde (mayor gradiente de temperatura) hacia

el centro. La rapidez de enfriamiento produce una cáscara de granos finos

equidimensionados los cuales crecen en dirección opuesta a la de transferencia de calor (ver

figura 11).

Aleaciones: La solidificación de aleaciones se produce entre las temperaturas de liquidus y

solidus presentando un estado blando (presencia de fase líquida y sólida) con dentritas

columnares las cuales contribuyen a factores negativos como variaciones en la

composición, segregación y microporosidad.

El tipo de estructura de solidificación depende de la composición del eutéctico (simetría del

diagrama de fases). Las estructuras desarrolladas y el tamaño de grano resultante

influencias las propiedades de la fundición. Conforme se reduce el tamaño del grano se

incrementan la resistencia y la ductilidad de la aleación fundida, se reduce la

microporosidad y disminuye la tendencia al desgarramiento en caliente durante la

solidificación.

Figura 11 Solidificación de metales

Fuente: http://www.calameo.com/books/000571982dcd7d41161a7

Estructura: La composición de las dentritas y del metal líquido está dada por el diagrama

de fase de la aleación particular. Con enfriamiento lento cada dentrita desarrolla una

composición uniforme, mientras que a velocidades mayores se forman concentración más

alta de elementos de aleación que el núcleo de la dentrita por microsegregación).

Los brazos dendríticos no son particularmente fuertes y en las primeras etapas de la

solidificación se pueden romper por agitación o por vibración mecánica dando como

resultado un tamaño de grano más fino, granos no dendríticos equiaxiales distribuidos más

uniformemente en toda la fundición (ver figura 12).

Figura 12 Tipo de estructura

Fuente: http://www.calameo.com/books/000571982dcd7d41161a7

Flujo del fluido: El metal fundido es vaciado a través de un depósito para fluir por el

sistema de alimentación hacia la cavidad del molde.

Los canales de alimentación son los canales del molde que conectan el bebedero con los

ataques, mientras que las mazarotas actúan como depósitos para suministrar el metal

fundido para evitar la contracción durante la solidificación. Además tienen la función de

atrapar contaminantes (óxidos y otras inclusiones).

El diseño de canales de alimentación se basa en los principios básicos de mecánica de los

fluidos tales como el teorema de Bernoulli (pérdidas), la ley de continuidad de la masa y la

presencia de turbulencia (problemas con aire atrapado).

Fluidez del metal fundido: La fluidez es la capacidad del metal fundido de llenar las

cavidades del molde y depende de las características del metal fundido (viscosidad, tensión

superficial, inclusiones, patrón de solidificación de la aleación) y los parámetros del

vaciado (diseño, material y superficie del molde, grado de supercalentamiento, velocidad de

vaciado, transferencia de calor).

Transferencia de calor: Este fenómeno es de suma importancia durante el ciclo completo

desde el vaciado hasta la solidificación y el enfriamiento hasta la temperatura ambiente y

depende de factores relacionados con el material de fundición y los parámetros del molde y

del proceso.

Tiempo de solidificación: Está en función del volumen de la fundición y de su área

superficial.

Contracción: Es producida por las características de dilatación térmica durante la

solidificación y enfriamiento (mayor contracción) produciendo cambios dimensionales y

agrietamiento.

Defectos: En las fundiciones se pueden generar varios defectos. Estos se identifican según

el Internacional Commite of Foundry como:

A- Proyecciones metálicas;

B- Cavidades;

C- Discontinuidades;

D- Superficie defectuosa;

E- Fundición incompleta;

F- Dimensiones o formas incorrectas;

G- Inclusiones.

Porosidad: La porosidad puede ser causada por contracción y/o presencia de gases

perjudicando la ductilidad y su acabado superficial (más permeable).

La porosidad causada por contracción puede reducirse con el uso de enfriadores metálicos

internos o externos, aumentando el gradiente de temperaturas. En el caso de gases, éstos

pueden ser sacados del metal fundido mediante lavados con un gas inerte o fundiendo y

vaciando en vacío.

Parámetros del proceso de fundición:

Uno de los procesos más antiguos de conformado1 es el proceso de fundición, que básicamente conlleva el vaciado de metal fundido en la cavidad de un molde donde, al solidificarse, adquiere la forma de la cavidad. La fundición se utilizó por primera vez alrededor del 4000 a.C. para la manufactura de ornamentos, puntas de flecha de cobre y varios objetos más.El proceso de fundición es capaz de producir formas complejas en una sola pieza, incluyendo aquellas con cavidades internas, como los monoblocks. A lo largo de muchísimos años, se han desarrollado muchos procesos de fundición.Al igual que en toda forma de manufactura, cada proceso posee sus propias características, aplicaciones, ventajas, limitaciones y costos. Los procesos de fundición son los que se seleccionan más a menudo, en comparación con otros métodos de manufactura, debido a las razones siguientes:

La fundición puede producir formas complejas con cavidades internas o con secciones huecas.Puede producir piezas muy grandes.Puede utilizar materiales para la pieza de trabajo que serían difíciles o no económicos de procesar utilizando otros procedimientos. La fundición es competitiva en comparación con otros procesos

Fundición en arena:

El método tradicional de variado de metales es en moldes de arena, y así se ha usado desde hace milenios. La fundición en arena consiste en: (a) colocar un modelo con la forma de la pieza deseada en arena para crear una impresión; (b) incorporar un sistema de alimentación; (c) llenar la cavidad resultante de metal fundido; (d) dejar que el metal se enfríe hasta que solidifique; (e) romper el molde de arena, y (f ) retirar la pieza fundida.

Fundición en modelo consumible :

El proceso de fundición en modelo consumible - también llamado de modelo evaporado o de modelo perdido, y con el nombre comercial de molde lleno - utiliza un modelo de poliestireno que se evapora en contacto con el metal fundido para formar una cavidad para la fundición. Se ha convertido en uno de los procesos de fundición más importantes para metales ferrosos y no ferrosos, en particular en la industria automotriz.En este proceso, se colocan bolas de poliestireno crudo desechable (eps), conteniendo pentano entre un cinco y un ocho por ciento, en un dado precalentado que, por lo general, está hecho de aluminio. El poliestireno se expande y adopta la forma de la cavidad del dado; se aplica entonces más calor, para fundir las bolas y unirlas entre sí. El dado se deja enfriar y se abre, retirándose el modelo de poliestireno. También se pueden hacer modelos complejos uniendo varias secciones de modelos individuales utilizando un adhesivo de fusión en caliente.

El modelo se recubre con un barro refractario de base acuosa, se seca y se coloca en una caja de moldeo. La caja se llena de arena suelta y fina, que rodea y soporta el modelo, y puede secarse o mezclarse con agentes aglutinantes para darle resistencia adicional. La arena se compacta de manera periódica utilizando diversos medios. Entonces, sin retirar el patrón de poliestireno, se vacía el metal fundido en el molde.Esta acción vaporiza de inmediato el modelo, y llena la cavidad del molde, reemplazando completamente el espacio que antes ocupaba el modelo de poliestireno.El calor degrada (despolimeriza) el poliestireno, y los productos de la degradación se ventilan hacia la arena circundante.Dado que el polímero requiere de una considerable energía para degradarse, se presentan grandes gradientes térmicos en la interface metal-polímero; en otras palabras, el metal fundido se enfría más deprisa de lo que lo haría si se vaciara en una cavidad. En consecuencia, la fluidez es inferior a la de la fundición en arena. Esto tiene efectos importantes en la microestructura en toda la fundición, y también conduce a una solidificación direccional del metal.

Este proceso posee una serie de ventajas sobre otros métodos de fundición: el proceso es relativamente simple, porque no existen líneas de partición, corazones o sistemas de alimentación; para el proceso bastan cajas de moldeo de bajo costo; el poliestireno es económico y se puede procesar con facilidad en modelos con formas complejas, tamaños varios y un _no detalle superficial; la fundición requiere un mínimo de operaciones de acabado y limpieza; y el proceso puede automatizarse y es económico para grandes lotes de

producción. Aplicaciones típicas de este proceso son las cabezas de cilindro, los cigüeñales, los componentes de frenos y las bases para maquinaria.En una modificación del proceso de modelo perdido, un modelo de poliestireno es rodeado por un cascarón cerámico (Replicast C-S Process). El modelo se quema antes del vaciado del metal fundido en el molde. Su ventaja principal sobre la fundición por revestimiento es que se evita completamente la absorción de carbono en el metal.Los nuevos desarrollos en la fundición de modelo perdido incluyen, entre otras cosas, la producción de composites metal matriz. Durante el proceso del moldeo del modelo de polímero, se incrustan en su volumen fibras o partículas.Éstas se convierten en parte integral de la fundición.

Fundición en molde de yeso :

En el proceso de la fundición en molde de yeso, el molde se hace de yeso (sulfato de calcio), con la adición de talco y polvo de sílice para mejorar la resistencia y controlar el tiempo requerido para el curado del yeso. Estos componentes se mezclan con agua, y el barro resultante es vaciado sobre el modelo.

Una vez curado el yeso, por lo general tras quince minutos, se retira el patrón y se deja secar el molde a 120- 260 ºC para eliminar la humedad. Las mitades del molde se ensamblan para formar la cavidad del mismo y se precalientan hasta aproximadamente 120- ºC. El metal fundido es vaciado entonces en el molde.

Dado que los moldes de yeso tienen una permeabilidad muy baja, los gases que se forman durante la solidificación del metal no pueden escaparse. En consecuencia, el metal fundido es vaciado en vacío o a presión. Se puede incrementar sustancialmente la permeabilidad del molde utilizando el proceso Antioch, en el cual los moldes se deshidratan en un autoclave durante 6 -12 horas, y después se rehidratan en aire durante 14 horas. Otro método de incrementar la permeabilidad es utilizar yeso espumoso, que contenga burbujas de aire atrapadas.

Los modelos para el colado en yeso se fabrican, por lo general, de aleaciones de aluminio, plásticos termoestables, de latón o de aleaciones de cinc. En vista de que existe un límite para la temperatura máxima que puede resistir un molde de plástico (unos 1200_C), la fundición con moldes de yeso se utiliza únicamente para aluminio, magnesio, zinc y algunas aleaciones de base cobre.

Las piezas fundidas poseen detalles _nos con un buen acabado superficial.Dado que los moldes de yeso tienen una menor conductividad térmica en comparación con otros, las fundiciones se enfrían lentamente, y se obtiene así una estructura de grano más uniforme, con menos deformación. El espesor de las paredes de las piezas puede ser de entre 1,0 y 2,5 milímetros.Este proceso y los procesos de fundición en moldes cerámico y por recubrimiento se conocen como fundiciones de precisión, en razón a la elevada precisión dimensional y el buen acabado superficial obtenido. Por lo general, las fundiciones pesan menos de 10 kilogramos, y típicamente están en el rango de 125_250 gramos.

Fundición en molde cerámico:

El proceso de fundición en molde cerámico es similar al proceso de molde de yeso, con la excepción de que utiliza materiales refractarios para el molde adecuados para aplicaciones de altas temperaturas. El barro es una mezcla de circonio de grano fino (ZrSiO4), óxido de aluminio y sílice fundido, que se mezclan con agentes aglutinantes y se vacían sobre el modelo, que ha sido colado en una caja de moldeo.El modelo puede estar hecho de madera o de metal. Después del endurecimiento, los moldes (caras de cerámica) se retiran, se secan, se queman para eliminar toda materia volátil y se hornean. En el proceso Shaw, las caras de cerámica son recubiertas de arcilla refractaria, para impartir resistencia al molde.Las caras se ensamblan después formando un molde completo, listo para su vaciado.La resistencia a las altas temperaturas de los materiales refractarios moldeados usados permite que estos moldes se utilicen en el colado de aleaciones ferrosas y otras de alta temperatura de fusión, de aceros inoxidables y de aceros para herramienta. Las piezas fundidas tienen una buena precisión dimensional y buen acabado superficial en una amplia variedad de tamaños y formas complejas, pero el proceso es algo costoso. Las piezas que típicamente se fabrican son impulsores, cortadores para operaciones de maquinado, dados para trabajo en metal y moldes para la fabricación de componentes de plástico o de hule.

Fundición por revestimiento:

En el proceso de fundición por revestimiento, también llamado a la cera perdida, se utilizó por primera vez durante el período de 4000_3000 a.C. El modelo se hace en cera o en plástico - poliestireno, por ejemplo - utilizando técnicas de moldeo o de prototipado rápido. Se fabrica el modelo inyectando cera o plástico fundidos en un dado de metal con la forma del modelo. Después, éste se sumerge en un barro de material

refractario - como, por ejemplo, sílice - no con aglutinantes, incluyendo agua, silicato de etilo y ácidos- .Una vez seco este recubrimiento inicial, el patrón se recubre varias veces a fin de incrementar su espesor.

El término revestimiento proviene del hecho de que el modelo es revestido con el material refractario. Los modelos de cera requieren de un manejo cuidadoso, porque no son lo suficientemente resistentes para soportar las fuerzas habidas durante la manufactura del molde. Sin embargo, a diferencia de los patrones de plástico, la cera puede ser recuperada y reutilizada.

El molde de una pieza se seca al aire y se calienta a una temperatura de 90- 175 ºC. Se deja en una posición invertida durante aproximadamente doce horas para fundir la cera. El molde se quema entonces a 650 - 1050 ºC durante aproximadamente cuatro horas, dependiendo del metal que se va a fundir, a fin de eliminar el agua de cristalización _ agua químicamente combinada _ y quemar cualquier cera residual. Una vez vaciado y solidificado el metal, se rompe el molde y se retira la pieza fundida. Se puede unir un conjunto de patrones para formar un molde, llamado árbol, incrementando de manera significativa la tasa de producción.Para piezas pequeñas, el árbol se puede insertar en una caja de moldeo permeable y llenar con un revestimiento de barro líquido; el revestimiento se coloca entonces en una cámara y se hace el vacío para eliminar las burbujas de aire, hasta que el molde se solidifica. Aunque la mano de obra y los metales involucrados hacen que el proceso de la cera perdida sea costoso, resulta adecuado para la fundición de aleaciones de alto punto de fusión con un buen acabado superficial y tolerancias dimensionales. Se requieren pocas (o ninguna) operación de acabado, que aumentarían de manera significativa el costo total de la pieza fundida.Este proceso es capaz de producir formas relativamente complejas, con piezas que pesan entre el gramo y los 35 kilogramos, de una diversidad de metales ferrosos y no ferrosos y sus respectivas aleaciones. Las piezas típicas que se fabrican son componentes para equipo de oficina, así como componentes mecánicos como engranajes, levas, válvulas y trinquetes.

Fundición por revestimiento en cáscara de cerámica Una variante del proceso de fundición por revestimiento es la fundición en cáscara de cerámica. Ésta utiliza el mismo tipo de modelo de cera o de plástico, que se introduce primero en un gel de silicato de etilo y posteriormente en un lecho fluido de sílice fundido de grano fino o de polvo de circonio. El modelo se recubre después con un sílice de grano más grueso para acumular capas adicionales y un espesor adecuado para que el modelo pueda soportar el choque térmico del vaciado. El resto del procedimiento es similar al de una fundición por revestimiento. Este proceso es económico y se utiliza ampliamente para la fundición de precisión de aceros y aleaciones de alta temperatura.

Fundición al vacío :

En el proceso de fundición al vacío o proceso de baja presión contra la gravedad, se moldea una mezcla de arena fina y de uretano sobre dados de metal, que se cura con vapores de amina. El molde es sujeto después con un brazo robótico y se sumerge parcialmente en metal fundido que se encuentra en un horno de inducción.El metal se puede fundir al aire o en vacío. El vacío reduce la presión del aire en el interior del molde a aproximadamente dos terceras partes de la presión atmosférica, succionando por tanto el metal fundido en las cavidades del molde a través de un canal de alimentación en la parte inferior del molde. El metal fundido en el horno está a una temperatura, por lo general, de 55º por encima de la temperatura líquidus; en consecuencia, empieza a solidificarse en una fracción de segundo. Una vez lleno el molde, se retira del metal fundido.Este método es parcialmente adecuado para formas complejas con pared delgada.Las piezas fundidas al aire se fabrican fácilmente en volúmenes elevados y a un coste relativamente bajo. Las piezas fundidas en vacío implican habitualmente el uso de metales reactivos _aluminio, titanio, circonio, hafnio_. Estas piezas, que a menudo se encuentran en forma de superaleaciones para turbinas de gas, pueden tener paredes de un espesor de hasta 0,5 mm. El proceso puede automatizarse y los costos de producción son similares a los de la fundición en arena verde.

Fundición en molde permanente:

En el proceso de fundición en molde permanente, también conocido como fundición en molde duro, se fabrican dos mitades de un molde de materiales como el hierro colado, el acero, el bronce, el grafito o aleaciones de metal refractario.La cavidad del molde y el sistema de canales de alimentación se maquinan en el molde y por tanto forman parte integral del miso. Para producir piezas con cavidades internas, se colocan corazones hechos de metal o de agregados de arena en el molde antes de la fundición.Los materiales típicos para el corazón son la arena aglutinada con aceite o con resina, el yeso, el grafito, el hierro gris, el acero de bajo carbono y el acero para dado de trabajo en caliente. El de uso más común es el de hierro gris.

A fin de incrementar la vida de los moldes permanentes, las superficies de la cavidad del molde, por lo general, están recubiertas con un barro refractario (como silicato de sodio y arcilla) o se rocían con grafito cada cierto número de coladas. Estos recubrimientos también sirven como agentes de separación y como barreras térmicas, controlando la velocidad de enfriamiento de la fundición.Pueden ser necesarios eyectores mecánicos para la extracción de piezas fundidas complejas.

Los moldes se sujetan juntos por medios mecánicos y se calientan a aproximadamente 150 – 200 ºC para facilitar el flujo de metal y reducir el daño térmico a los dados debido a gradientes de temperatura elevados. El metal fundido se vacía entonces a través de canales de alimentación. Después de la solidificación, se abren los moldes y se extrae la pieza colada.

Aunque la operación de fundición en molde permanente se puede llevar a cabo manualmente, el proceso se puede automatizar para grandes lotes de producción. Este proceso se utiliza principalmente para aleaciones de aluminio, magnesio, cobre y hierro gris, debido a sus puntos de fusión por lo general inferiores.Este proceso produce, a tasas elevadas e producción, fundiciones con un buen acabado superficial, buenas tolerancias dimensionales y propiedades mecánicas uniformes y buenas. Piezas típicas que se fabrican incluyen los pistones automotrices, las cabezas de cilindro, las bielas, los discos en bruto para engranajes de enseres domésticos y los utensilios de cocina. Las piezas que se pueden fabricar económicamente, en general, pesan menos de 25 kg.

A pesar de que los costos por equipo puedan ser altos debido a los costos de los dados, los costos de mano de obra pueden mantenerse reducidos automatizando el proceso. La fundición en molde permanente no es económica para pequeños lotes de producción, y debido a la dificultad de extraer la fundición del molde, no es posible fundir formas complejas utilizando este proceso. Sin embargo, se pueden utilizar corazones de arena fácilmente colapsables y extraíbles de las fundiciones para dejar cavidades internas complejas. El proceso se conoce entonces como fundición en molde semipermanente.

Fundición en cascara:

En una pieza fundida se desarrolla en primer término una película solidificada; posteriormente, esa película se va haciendo más gruesa. Se pueden fabricar piezas fundidas huecas con paredes delgadas mediante la fundición en molde permanente utilizando este principio, un proceso conocido como fundición en cáscara. Una vez obtenido el espesor deseado de película solidificada, se invierte el molde y el metal líquido restante se extrae. Se abren las mitades del molde y se retira la pieza fundida.

Esta clase de fundición es adecuada para pequeñas series de producción y en general se utiliza para la elaboración de objetos ornamentales y juguetes partiendo de metales con bajo punto de fisión, tales como aleaciones de zinc, estaño y plomo.

Fundición a presión:En los dos procesos de molde permanente arriba descritos, el metal fundido fluye hacia el interior de la cavidad del molde por gravedad. En el proceso de fundición a presión, también llamado fundición por vaciado a presión o de baja presión, el metal fundido es obligado a fluir hacia arriba por presión de gas en un molde de grafito o de metal. La presión se mantiene hasta que el metal se haya solidificado totalmente dentro del molde.

La fundición a presión, por lo general, se utiliza para fundiciones de alta calidad, como por ejemplo ruedas de acero para carros de ferrocarril.

Fundición por inyección:

El proceso de inyección en matriz o dados, desarrollado a principios de la década de 1900, es un ejemplo adicional de la fundición en molde permanente. El metal fundido es forzado dentro de la cavidad de la matriz o dado a presiones que van de 0,7 a 700 MPa.Las piezas típicas que se fabrican mediante la inyección en matriz son componentes para motores, máquinas para oficina y enseres domésticos, herramientas de mano y juguetes. El peso de la mayor parte de las piezas fundidas va desde menos de 90 gramos a aproximadamente 25 kilogramos.

Fundición centrifuga :

La fundición centrífuga utiliza la fuerza de inercia causada por la rotación para distribuir el metal fundido en las cavidades del molde. El método comenzó a usarse a principios del siglo xix.

Existen varios tipos de fundición centrífuga:

Fundición centrífuga verdadera. Se producen piezas cilíndricas según un proceso en el que el metal fundido es vaciado en un molde rotativo. El eje de rotación es, por lo general, horizontal, pero puede ser vertical para piezas cortas. Los moldes están hechos de acero, hierro o grafito, y pueden estar recubiertos con una capa refractaria para incrementar la vida del molde.

Las superficies del molde se pueden modificar de tal manera que se puedan fundir tuberías con formas exteriores diversas, incluyendo piezas cuadradas y poligonales. La superficie interna de la colada se conserva cilíndrica, porque el metal fundido es distribuido de manera uniforme por las fuerzas centrífugas. Debido a diferencias en la densidad, los elementos más ligeros, como escoria, impurezas y partes del revestimiento refractario, tienden a acumularse en la superficie interna de la pieza fundida.Con este método, pueden fundirse piezas de entre 13 mm y 3 m de diámetro y 16 m de largo, con espesores de pared que van desde 6 a 125 mm. La presión generada por la fuerza centrífuga es elevada, y esta elevada presión es necesaria para la fundición de piezas de pared gruesa. Mediante este método, se obtienen piezas fundidas de buena calidad, precisión dimensional y buen detalle superficial. Además de tubos, piezas típicas fabricadas con este método son bujes, camisas de cilindro de motor y anillos de cojinete.

Fundición semicentrífuga. Se emplea para colar piezas con simetría rotacional, como por ejemplo una rueda con sus radios.

Centrifugado. Las cavidades del molde de cualquier forma se colocan a una cierta distancia del eje de rotación. El metal fundido se vacía por el centro y es obligado a

pasar al molde debido a la fuerza centrífuga. Las propiedades de las piezas fundidas varían en función de la distancia del eje de rotación.

Fundición por dado impresor:

El proceso de fundición por dado impresor, también llamado forja de metal líquido, fue desarrollado en la década de los sesenta y se basa en la solidificación del metal fundido a alta presión. La maquinaria incluye un dado o matriz, un punzón y un buje eyector. La presión aplicada por el punzón mantiene los gases atrapados en solución y el contacto a alta presión en la interfaz entre el dado y el metal promueve una rápida transferencia de calor, resultando en una fina microestructura con buenas propiedades mecánicas.La aplicación de presión también resuelve problemas de alimentación que se pueden presentar al fundir metales con un rango de solidificación grande. Las presiones que se requieren en la fundición por dado impresor son inferiores a la forja en caliente o en frío correspondientes.Las piezas se pueden fabricar a una forma casi final, con formas complejas y un fino detalle superficial, tanto de aleaciones ferrosas como no ferrosas. Se obtienen, mayoritariamente, componentes automotrices.

Inspección de las fundiciones:

Los defectos subsuperficiales e internos se investigan utilizando varias técnicas no destructivas. En las pruebas destructivas, se extraen especímenes de prueba de varias secciones de una pieza fundida para ensayar su resistencia, ductilidad y otras propiedades mecánicas, y para determinar la presencia y localización de porosidad y otros defectos.La caída de presión o hermeticidad de componentes fundidos (válvulas, bombas y tuberías) se determina, por lo general, sellando las aperturas de la pieza fundida y presurizando con agua, aceite o aire. Para requerimientos de extrema hermeticidad a fugas, se utilizan helio presurizado o gases especialmente aromatizados como detectores. Después la pieza fundida es inspeccionada en busca de fugas mientras se mantiene la presión. Las fundiciones no aceptables o defectuosas se vuelven a fundir para su reprocesamiento.

Hornos de fusión:

Los hornos e cargan con material de fusión consistente en metal, elementos de aleación y otros materiales tales como el fundente y formadores de escorias o escorificantes. Los fundentes son compuestos inorgánicos que refinan el metal fundido al eliminar los gases disueltos y varias impurezas.

Los fundentes tienen varias funciones, dependiendo del metal. Por ejemplo, para las aleaciones de aluminio hay fundentes de cobertura _ para formar una barrera contra la oxidación_, fundentes de limpieza, fundentes de escoria, fundentes de refino y fundentes para la limpieza de la pared, debido al efecto perjudicial que algunos fundentes tienen en los revestimientos del horno, particularmente en los hornos de inducción. Los fundentes pueden ser añadidos manualmente o inyectados automáticamente en el metal fundido.

Los fundentes para el aluminio consisten típicamente en cloruros, fluoruros y boratos de aluminio, de calcio, magnesio, potasio y sodio. Un fundente típico para el magnesio consiste en una composición de cloruro de magnesio, cloruro de potasio, cloruro de bario y fluoruro de calcio. Para las aleaciones de cobre, existen fundentes oxidantes _que incluyen el óxido cúprico o el bióxido de manganeso_, los fundentes de cobertura neutra _bórax, ácido bórico o vidrio_, fundentes reductores _ grafito o carbón vegetal_, fundentes de refino y fundentes para el molde para fundiciones semicontinuas _para evitar la oxidación y mejorar la lubricación_.Para las aleaciones de cinc, como las que se utilizan en la inyección en matriz, los fundentes típicos consisten en cloruros de cinc, de potasio y de sodio.Los fundentes para el hierro fundido consisten típicamente en carbonato de sodio y fluoruro de calcio.Para proteger la superficie del metal fundido contra la reacción y contaminación atmosférica, y para refinar el metal fundido, éste debe estar aislado contra pérdidas térmicas. Por lo general, se provee aislamiento cubriendo la superficie o mezclando el metal fundido con compuestos que forman una escoria. En aceros fundidos, la composición de la escoria incluye CaO, SiO2, Mn O y Fe O.Por lo general, se extrae una pequeña cantidad de metal líquido y se analiza su composición. Entonces se efectúan las adiciones e inoculaciones necesarias antes de vaciar el metal en los moldes.La carga del metal puede estar compuesta de metales primarios comercialmente puros, que son chatarra refundida. También se pueden incluir en la carga fundiciones rechazadas, sistemas de alimentación y mazarotas. Si los puntos de fusión de los elementos de aleación son lo suficientemente bajos, se agregan elementos de aleación puros para obtener la composición deseada de la fundición.Si los puntos de fusión de los elementos de aleación son demasiado elevados, no se mezclarán con facilidad con los metales de bajo punto de fusión. En este caso, a menudo se utilizan aleaciones maestras o endurecedores. Por lo general, éstas están formados por aleaciones de menor punto de fusión con altas concentraciones de uno o dos de los elementos de aleación necesarios. No deben existir grandes diferencias en los pesos específicos de las aleaciones maestras, a fin de no causar segregación en la fundición.

Hornos de fusión Se tienen los siguientes tipos de hornos de fusión:

Los hornos de arco eléctrico se utilizan ampliamente en las fundidoras y tienen ventajas tales como una elevada rapidez de fusión, mucha menos contaminación que otros tipos de hornos, y la capacidad de conservar el metal fundido para efectos de aleación.Los hornos de inducción son especialmente útiles en fundidoras más pequeñas y producen también fusiones más pequeñas de composición controlada. El horno de inducción sin núcleo consiste en un crisol totalmente rodeado de una bobina de cobre enfriada por agua a través de la cual pasa la corriente de alta frecuencia. Dado que se presenta una fuerte acción de agitación electromagnética durante el calentamiento por inducción, este tipo de horno tiene excelentes características de mezcla para aleaciones y para agregar nuevas cargas de metal.

El horno de núcleo o de canal utiliza baja frecuencia y tiene una bobina que sólo rodea una pequeña porción de la unidad. Se utiliza comúnmente en fundidoras no ferrosas y es particularmente adecuado para sobrecalentar (calentamiento por encima de la temperatura normal de fundición para mejorar la fluidez), mantenimiento (que lo hace adecuado para aplicaciones de fundición por inyección en matriz) y duplexado (uso de dos hornos para, por ejemplo, fundir el metal en un horno y transferirlo al otro).

Los hornos de crisol, que se han utilizado ampliamente en el pasado, se calientan utilizando diversos combustibles, como gases comerciales, petróleo combustible y combustible fósil, así como la electricidad.

Los cubilotes son recipientes de acero verticales recubiertos de refractario cargados con capas alternadas de metal, coque y fundente. Están siendo reemplazados por los hornos de inducción, aunque poseen varias ventajas: operan de manera continua, tienen elevadas velocidades de fusión y producen grandes cantidades de metal fundido.

Fusión por levitación. Este proceso consiste en la suspensión magnética del metal fundido. Una bobina de inducción calienta de manera simultánea una palanquilla sólida y agita y confina lo fundido, eliminando la necesidad de un crisol que podría resultar una fuente de contaminación con inclusiones de óxidos. El metal fundido fluye hacia abajo en un molde de fundición por revestimiento que se coloca directamente por debajo de la bobina. Las fundiciones hechas utilizando este método están libres de inclusiones (debido a los refractarios) y de porosidad por gas, y tienen una estructura de grano fino uniforme.

La selección del horno depende de varios factores: las consideraciones económicas, la composición y el punto de fusión de la aleación a fundir, el control de la atmósfera del horno, la capacidad y la rapidez de fusión requeridas, las consideraciones de tipo ecológico, el suministro de energía y su disponibilidad, la facilidad de sobrecalentamiento del metal y, finalmente, el tipo de material de carga que es posible utilizar.

Automatización de las fundidoras

Se define la automatización, por lo general, como el proceso de hacer que las máquinas sigan un orden predeterminado de operaciones con poca o ninguna mano de obra, usando equipo y dispositivos especializados que ejecutan y controlan los procesos de manufactura.La automatización es un proceso evolutivo, más que revolucionario. En las plantas manufactureras, la automatización se ha implantado bien en las siguientes áreas básicas de actividad:

Procesos de manufactura. Las operaciones de maquinado, forjado, extrusión en frío, colado y rectificado son ejemplos característicos de procesos que se han automatizado extensamente.Manejo de materiales. Los materiales y las piezas en varias etapas de acabado se mueven por la planta mediante equipo controlado por computadora, sin conducción humana.Inspección. Las piezas son inspeccionadas automáticamente para comprobar su calidad, precisión dimensional y acabado superficial, ya sea cuando se fabrican (inspección en proceso) o después de terminadas (inspección postproceso).Ensamblaje. Las piezas individuales fabricadas se arman o ensamblan en forma automática para formar subensambles y, por último, el producto.Empaquetamiento. Los productos se empaquetan de forma automática.

Aplicaciones de la automatización

Se puede aplicar la automatización a la manufactura de todo tipo de bienes, desde materias primas hasta productos terminados y en todos los tipos de producción, desde talleres hasta grandes instalaciones manufactureras.Debido a que la automatización suele implicar altos costos iníciales de equipo y requiere un conocimiento de los principios de operación y mantenimiento, la decisión de implementar aun bajos niveles de automatización debe implicar un análisis cuidadoso de las necesidades reales de una organización. En muchos casos es conveniente la automatización selectiva, y no la automatización total de una instalación. En general, mientras mayor sea el nivel de mano de obra disponible, la necesidad de automatización se reduce, siempre y cuando los costos de mano de obra se justifiquen y haya disponibles trabajadores suficientes.

CUADRO COMPARATIVO ENTRE LOS DIFERENTES PROCESOS DE FUNDICIÓN

Parte II Se sugiere consultar, dentro del vínculo Entorno de conocimiento en la

bibliografía de la unidad 2 que aparece en este espacio, los siguientes temas:

Producción de polvos metálicos: I

La pulvimetalurgia consiste, básicamente, en las siguientes operaciones: producción de polvo, mezclado, compactación, sinterización, operaciones de acabado. Para mejorar la calidad y la exactitud dimensional, o en aplicaciones especiales, pueden llevarse a cabo procesos adicionales: acuñado, dimensionamiento, forjado, maquinado, infiltración, resinterización.

Métodos de producción de polvos

Existen varios métodos para producir metales en polvo, y en la mayor parte de los casos los polvos metálicos se pueden producir con más de un método. La elección depende de los requisitos del producto final. Los tamaños de partícula van de 0;1 a 1000 m. Las materias primas metálicas suelen ser metales y aleaciones a granel, menas, sales u otros compuestos.La forma, tamaño, distribución, porosidad, pureza química y las características a granel y superficiales de las partículas dependen del proceso específico que se use. Estas características son importantes porque afectan mucho al flujo y a la permeabilidad durante la compactación, y a las operaciones siguientes de sinterización.

1. Atomización. La atomización produce una corriente de metal líquido inyectando un metal fundido en un orificio pequeño. La corriente se desintegra con chorros de gas inerte, aire o agua. El tamaño de las partículas que se forman depende de la temperatura del metal, el caudal, el tamaño de la boquilla y las características de los chorros. En una variante de este método, se hace girar un electrodo consumible, rápidamente, en una cámara llena de helio. La fuerza centrífuga desintegra la punta fundida del electrodo y forma partículas metálicas.

2. Reducción. La reducción de óxidos metálicos requiere gases tales como hidrógeno o monóxido de carbono como agentes reductores. Con este método los óxidos metálicos muy _nos se reducen y pasan al estado metálico. Los polvos producidos mediante este método son muy esponjosos y porosos, y poseen formas esféricas o angulares, de tamaño uniforme.

3. Deposición electrolítica. En este método se usan soluciones acuosas o sales fundidas. Los metales producidos son de lo más puro que se puede conseguir.

4. Carbonilos. Los carbonilos metálicos, como el carbonilo de hierro Fe(CO)5 y el de níquel Ni(CO)4, se forman haciendo reaccionar hierro o níquel con el monóxido de carbono. Los productos de reacción se descomponen a continuación para obtener hierro y níquel, en forma de partículas pequeñas, densas y uniformemente esféricas, de gran pureza.

5. Pulverización. La pulverización mecánica implica la fragmentación, molido en molino de bolas o esmerilado de metales frágiles o menos dúctiles para obtenerlos en pequeñas partículas. Un molino de bolas es una máquina con un cilindro giratorio hueco, lleno en parte con bolas de acero o de fundición blanca.

6. Aleación mecánica. En este proceso, desarrollado en la década de los sesenta, se mezclan polvos de dos o más metales puros en un molino de bolas. Debido al impacto de las bolas duras, los polvos se rompen y se unen entre sí por difusión, formando polvos de aleación.

7. Otros métodos. Otros métodos que se emplean con menos frecuencia son: la precipitación de una solución química; la producción de esquirlas metálicas finas mediante maquinado; y la condensación de vapor. Entre los nuevos avances se incluyen técnicas basadas en procesos de metalurgia extractiva a alta temperatura.

8. Nanopolvos. Entre los nuevos desarrollos se encuentra la producción de nanopolvos de cobre, aluminio, hierro, titanio y otros metales. Como estos polvos son pirofóricos (se encienden espontáneamente) o se contaminan con facilidad al exponerlos al aire, se embarcan en forma de lodos espesos bajo hexano gaseoso. Cuando el material se somete a una gran deformación plástica por compresión y corte, a valores de esfuerzo de 5500 MPa durante el procesamiento de los polvos, el tamaño de partícula se reduce y el material se vuelve no poroso, y sus propiedades se vuelven más favorables.

9. Polvos microencapsulados. Estos polvos metálicos están totalmente recubiertos con un aglomerante. Para aplicaciones eléctricas como fabricación de componentes magnéticos de bobinas de ignición y otras donde se usan impulsos de alterna y continua, el aglomerante funciona como aislante, evitando que la electricidad pase entre las partículas, reduciendo así las pérdidas por corrientes parásitas. Los polvos se compactan con prensado en semicaliente; se usan con el aglomerante en su lugar.

Sinterizado:

El sinterizado o sinterización es el proceso de calentar los comprimidos crudos en un horno con una atmósfera controlada, hasta una temperatura menor al punto de fusión pero lo suficientemente alta como para permitir la adhesión (fusión) de las partículas individuales. Antes de la sinterización, el comprimido es frágil y su resistencia, denominada resistencia en verde, es baja. La naturaleza y la resistencia de la unión entre las partículas y, en consecuencia, del compactado sinterizado, dependen de los mecanismos de difusión, flujo

plástico, evaporación de materiales volátiles del comprimido, recristalización, crecimiento de granos y contracción de poros.

Las variables principales en el sinterizado son la temperatura, el tiempo y la atmósfera del horno. Las temperaturas de sinterizado suelen oscilar entre el setenta y el noventa por ciento del punto de fusión del metal o aleación. Los tiempos de sinterización van de un mínimo de unos diez minutos para aleaciones de hierro y cobre, hasta ocho horas, para tungsteno y tántalo. Los hornos de sinterizado continuo, usados hoy para el grueso de la producción, poseen tres cámaras: una cámara de quemado para volatilizar los lubricantes del comprimido crudo, para mejorar la resistencia de adhesión y evitar la rotura; una cámara de alta temperatura para el sinterizado; y una cámara de enfriamiento.

Para obtener las propiedades óptimas es importante el buen control de la atmósfera del horno. Es esencial una atmósfera libre de oxígeno para controlar la cementación y la descarburación de los comprimidos de hierro y a base de hierro, y para prevenir la oxidación de los polvos. En general, se usa vacío para sinterizar aleaciones de metales refractarios y aceros inoxidables. Los gases que más se usan para sinterizar otros metales son hidrógeno, amoníaco disociado o quemado, hidrocarburos gaseosos parcialmente quemados y nitrógeno.Los mecanismos de sinterización son complejos: dependen de la composición de las partículas metálicas y de los parámetros del procesamiento. Al aumentar la temperatura, dos partículas adyacentes comienzan a formar una liga por el mecanismo de difusión (adhesión en estado sólido). En consecuencia, aumentan la resistencia, ductilidad y las conductividades térmica y eléctrica del comprimido.Sin embargo, al mismo tiempo el compactado se contrae, y en consecuencia se deben prever holguras de compactado, como en la fundición de metales.

Un segundo mecanismo de sinterización es el de transporte en fase vapor. A. En las geometrías convergentes (i.e., en la interfase entre dos partículas), la temperatura de fusión local es mayor y la fase vapor vuelve a solidificar. De este modo, la interfase crece y se fortalece, mientras que cada partícula se contrae en su totalidad.

Si dos partículas adyacentes son de metales distintos, se puede efectuar la aleación en la interfase entre ellas dos. Una puede tener un punto de fusión menor que la otra; en este caso, se podrá fundir una y, por la tensión superficial, rodeará la que no se ha fundido (sinterización en fase líquida). Un ejemplo es el del cobalto en las herramientas y matrices de carburo de tungsteno. Con este método se pueden obtener partes más resistentes y más densas.

En la sinterización de fase líquida, la concentración de los componentes más pesados puede ser mayor en el fondo que en la parte superior, por efecto de la gravedad. Para obtener una distribución más uniforme, se hacen en la actualidad experimentos en transbordadores espaciales bajo condiciones de microgravedad.

Otro método, todavía en fase experimental, es el sinterizado con chispa. En él, se ponen polvos metálicos sueltos en un molde de grafito, se calientan con corriente eléctrica, se someten a una descarga de gran energía y se compactan, todo ello en un paso. La descarga rápida expulsa los contaminantes - o toda capa de óxido, por ejemplo en el aluminio - de las

superficies de las partículas, promoviéndose así una buena liga durante la compactación, a temperaturas elevadas.

Materiales y productos para metalurgia de polvos:

Los polvos que se emplean pueden ser de metales, no metales, aleaciones, materiales cerámicos (óxidos, nitruros, carburos, etc.). los materiales más comúnmente empleados son el hierro, cobre, aluminio estaño, níquel, titanio, cromo, aceros inoxidables, grafito, silicio, oxidos, carburos metálicos, metales refrectarios como tungsteno, tantalio y molibdeno. También se consideran combinaciones de metales y cerámicos llamados cermets.

La manufactura del polvo es muy importante y se debe de trabajar bajo ciertas especificaciones, las cuales determinan las características últimas y las propiedades físicas y mecánicas de las partes compactadas. Estas especificaciones incluyen requerimientos sobre tamaño y forma de la partícula, flujo del polvo, compresibilidad, pureza, densidad aparente, entre otras.

Las materias primas para el procesamiento en metalurgia de polvos son más costosas que para otros trabajos de metal, debido a la energía adicional requerida para reducir el metal a polvo. Por consiguiente, la metalurgia de polvos solamente es competitiva en ciertos tipos de aplicaciones. En esta sección se identifican los metales que parecen más apropiados para la metalurgia de polvos.

Materiales para la metalurgia de polvos

Se pueden clasificar en elementales y prealeadas. Los polvos elementales consisten en un mental puro y se usan aplicaciones donde la alta pureza es importante.Los polvos elementales se mezclan también con otros polvos metálicos para producir aleaciones especiales que son difíciles o imposibles por las técnicas tradicionales de aleación.En los polvos prealeados, cada partícula es una aleación que tiene la composición química deseada. Los polvos prealeados se usan cuando a aleación no puede formularse mediante la mezcla de polvos elementales; el acero inoxidable es un ejemplo importante. Los polvos paralelos más comunes son ciertas aleaciones de cobre, acero inoxidable y acero de alta velocidad.

Consideraciones de diseño en metalurgia de polvos:

La forma del comprimido debe ser tan simple y uniforme como sea posible. Se deben evitar cambios bruscos de contornos, secciones delgadas, variaciones de espesor y grandes relaciones de longitud a diámetro.

Se debe prever el desmoldeado del comprimido verde de la matriz, sin dañarlo. Al igual que en la mayor parte de otros procesos, se deben fabricar con

pulvimetalurgia las partes con las tolerancias dimensionales más amplias adecuadas con sus aplicaciones, para aumentar la vida de la herramienta y la matriz, y para reducir los costos de producción.

Las tolerancias dimensionales de las partes fabricadas con pulvimetalurgia suelen ser del orden de _0;05 _ 0;1 mm; las tolerancias mejoran mucho con operaciones adicionales como dimensionado, maquinado y rectificado.

MAPA CONCEPTUAL

Se sugiere consultar, dentro del vínculo Entorno de conocimiento en la bibliografía de la unidad 2 que aparece en este espacio, los siguientes temas:

Procesos de deformación volumétrica:

Estos procesos permiten conformar materiales aplicando fuerzas en distintas formas, pudiendo la conformación ser en volumen (forja, laminación, extrusión, trefilación), o de planchas (doblado, embutido, repujado, etc.). En todos estos procesos, el material es sometido a uno o más de los modos básicos de deformación: tracción, compresión y cizalle.

CRITERIOS DE FLUENCIA En la mayoría de las operaciones que involucran deformación, el material está generalmente sometido a estados de tensiones triaxiales. En el caso de tracción o compresión simple, cuando la tensión aplicada alcanza el valor de la tensión de fluencia uniaxial Y, el material se deforma plásticamente. Sin embargo, si el material está sometido a un estado de tensiones más complejo, el material fluirá cuando una cierta relación de estas tensiones alcance un cierto valor. Estas relaciones constituyen los criterios de fluencia

Criterio de la máxima tensión de corte. Este criterio, conocido tembién como citerio de Tresca, establece que la fluencia ocurre cuando la máxima tensión de corte dentro de un elemento alcanza un cierto valor crítico K. Del ensayo de tracción simple se encuentra que K=Y/2.

Criterio de la energía de distorsión. Este criterio, conocido también como de Von Mises, establece que la fluencia ocurrirá cuando se cumpla la siguiente relación entre las tensiones principales y la tensión de fluencia uniaxial:

FORJA La forja engloba una familia de procesos donde la deformación plástica de la pieza se realiza por fuerzas de compresión. La forja es una de las operaciones más antiguas (5000 A.C.) y se usa para fabricar partes de una gran variedad de tamaños y formas. La forja puede realizarse a temperatura ambiente (trabajo en frío), o a temperaturas elevadas (forja en tibio o en caliente). El rango de temperaturas para estas categorías es el que sigue, en términos de la temperatura homóloga T/Tm, donde Tm es el punto de fusión del material en °K,

Forja Abierta En este tipo, que es el más simple, la pieza se coloca generalmente entre dos matrices planas las cuales reducen su altura por compresión. En el caso ideal, la deformación es homogénea y la energía específica necesaria para el proceso está dada por el área de la curva tensión/deformación real. En las operaciones reales, por la acción tanto del roce como de la temperatura, la pieza sufre una deformación no-homogénea que se traduce en un aumento de dimensiones en su parte central (embarrilamiento).

Compresión de un anillo

Cuando un anillo se comprime entre dos matrices planas y con fricción nula, éste se expande como si fuera un cilindro macizo. Al existir cierta fricción entre las matrices y el anillo, esta expansión se dificulta haciendo que el diámetro interior no aumente tanto o que, incluso, disminuya. Este hecho constituye la base del ensayo de compresión de anillo para la evaluación de lubricantes para procesos de conformado. Para ello se utilizan generalmente anillos que tienen una relación entre (diámetro exterior)/(diámetro interior)/altura, de 6/3/2, y los valores del coeficiente de roce se obtienen de la figura siguiente.

Forja plana de cilindros sólidos En la compresión de un cilindro de área y altura iniciales Ao y ho , entre plataformas sin roce, el valor medio de la presión se obtiene como

Cuando la lubricación no es perfecta, pero el coeficiente de roce es bajo de modo que ocurre deslizamiento en las interfaces, por consideraciones de balance de fuerza, Rowe, obtuvo la siguiente relación algebraica:

Forja de Impresión En la forja de impresión la probeta adquiere la forma de la cavidad de la matriz, a medida que esta se cierra. Parte del material escapa radialmente de la matriz formando un reborde (flash). Debido a la alta relación longitud/espesor del reborde éste queda sometido a alta presión. Esto a su vez implica una alta resistencia friccionante al flujo radial del material, lo que favorece el llenado de la cavidad de la matriz. Además, si la operación se realiza a alta temperatura, el reborde, debido a su alta relación superficie/espesor, se enfría más rápidamente que el resto del material, con lo que el reborde presenta una mayor resistencia a la deformación que el resto, lo que también favorece el llenado. En este caso, el cálculo de la fuerza necesaria para el forjado es complejo debido a que, dependiendo de su posición, cada elemento dentro de la probeta está sometido a diferentes tensiones y tasas de deformación. Desde un punto de vista práctico, la fuerza F se calcula mediante la expresión:

Donde A es el área proyectada de la pieza forjada (incluyendo el reborde), Y es la tensión de fluencia del material a la deformación y tasa de deformación a la que el material está sometido, y K es un factor dado por la siguiente tabla:

TREFILACION En el proceso de trefilación, el material es forzado a variar su sección transversal, generalmente en frío, haciéndolo pasar a través de una matriz cónica de semiángulo a aplicando una fuerza de tracción. Este proceso se utiliza en la fabricación de alambres, de barras redondas, cuadradas o hexagonales, y, también, en la fabricación de tubos. Como la fuerza para la trefilación debe ser menor que la resistencia del material trefilado, la reducción de área r=(Ao-A s )/Ao se mantiene normalmente bajo el 50%. Para calcular la fuerza de trefilación de redondos se puede usar la siguiente fórmula aproximada:

EXTRUSION La extrusión es el proceso por el cual un bloque de material reduce su sección transversal forzándolo a fluir, bajo presión, a través del orificio de una matriz. En general, existen dos tipos de extrusión: la directa y la inversa, los que se utilizan normalmente para producir productos tales como barras y tubos. Debido a que en este proceso las fuerzas involucradas son altas, la mayoría de los metales son extruidos en caliente. Presión de Extrusión Desde el punto de vista de la energía de deformación homogénea, la presión mínima para la extrusión se podría expresar como:

Suponiendo que debido a la "zona muerta" la extrusión ocurre para un ángulo de aproximadamente 45° y que el roce es de adherencia, se puede calcular la presión (método del bloque) como:

Empíricamente se ha encontrado que la presión necesaria para la extrusión inversa se puede expresar de la siguiente manera (fórmula de Johnson):

donde a y b son constantes, cuyos valores son aproximadamente 0.8 y 1.2 a 1.5 respectivamente

Para la extrusión directa, a la expresión anterior habría que sumarle la presión necesaria por el roce en el contenedor Tasa de deformación En extrusión, la tasa de deformación media está dada por la siguiente expresión

Donde v es la velocidad de avance del material antes de la matriz,

Procesos de deformación de chapa:

Introducción

El conformado de lámina data de cinco milenios antes de nuestra era, cuando se fabricaban utensilios domésticos y joyería por repujado y estampado de oro, plata y cobre.En comparación con los productos fabricados por fundición y forja, las piezas de metal laminado tienen la ventaja del poco peso y la forma versátil. Por su bajo coste y sus buenas características generales de resistencia y facilidad de conformado, el acero al bajo carbono es el metal en forma lámina que más se usa. Para aplicaciones en aviones y naves espaciales, los materiales laminados normales son el aluminio y el titanio.

Comportamiento de la chapa ante la deformación

Las propiedades de la chapa bien en determinadas por los procesos previos de laminación y tratamientos térmicos a los que haya sido sometida

• ANISOTROPÍA: las propiedades no son iguales en todas las direcciones como consecuencia de la recristalización direccional durante la laminación (similar al fibrado direccional en forja).

ESTADOS TENSIONALES VARIABLES EN LAS DISTINTAS ZONAS DE LA PIEZA

CONFORMADO EN FRÍO Y EN CALIENTE

• En frío: a temperatura ambiente. • Es lo más habitual en aceros de bajo contenido en carbono y chapas de bajo espesor.• En caliente:• Hot Stamping: Muy interesante en aceros de alto límite elástico. El calentamiento reduce el límite elástico, aumenta la ductilidad y reduce la recuperación elástica. El enfriamiento posterior trata térmicamente el acero → Aumenta el límite elástico.• También se utiliza en chapas de alto espesor

CONFORMADO EN CALIENTE

La estampación en caliente es un proceso por el cual se somete a una chapa a una carga entre dos troqueles, siendo la temperatura de entrada de la chapa mayor a la temperatura de austenización.Este proceso aprovecha la alta ductilidad de la pieza debido a su elevada temperatura inicial y a continuación, se procede a un enfriamiento rápido para lograr el endurecimiento martensítico de la pieza.

CONFORMADO EN CALIENTE

La estampación en caliente es un proceso por el cual se somete a una chapa a una carga entre dos troqueles, siendo la temperatura de entrada de la chapa mayor a la temperatura de austenización.Este proceso aprovecha la alta ductilidad de la pieza debido a su elevada temperatura inicial y a continuación, se procede a un enfriamiento rápido para lograr el endurecimiento martensítico de la pieza.

Referencias bibliográficas

Técnicas de moldeo http://books.google.com.co/books?id=m2swZYTsrVIC&pg=PA299&lpg=PA299&dq=TECNICAS+DE+MOLDEO&source=bl&ots=3lM_sHDXn7&sig=2HDOuFhJCELCxbMoe0TUiJJWshk&hl=es&sa=X&ei=SEs_U-_6N4LfsATCvYGACA&ved=0CIYBEOgBMA4#v=onepage&q=TECNICAS%20DE%20MOLDEO&f=falseTecnologías de Fabricación1 Miguel Moro Vallina2

http://www.slideshare.net/vanesa201007/metalurgia-de-polvos# http://www.itescam.edu.mx/principal/sylabus/fpdb/recursos/r41691.PDF

MÓDULO II: CONFORMADO PLÁSTICO DE METALES - TEMA 6: Conformado de chapa http://www.ehu.es/manufacturing/docencia/715_ca.pdfMoldeo por inyección http://www.mater.upm.es/polimeros/Documentos/Cap6_5MoldeoInyeccion.pdfPernett, A. (2013, agosto 23). Tipos de moldeo [web log post]. Recuperado de http://procemanufactura.blogspot.com/2013/06/tipos-de-moldeo.html Pernett, A. (2013, agosto 23). Fundición de metales [web log post]. Recuperado de http://procemanufactura.blogspot.com/2013/06/fundicion-de-metales.htmlProceso de deformación volumétrica http://conformadodemetal.blogspot.com/p/laminado.html